張永璐，宋林星 ，劉偉東

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 611731；2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川 自貢 643001)

0 引言

隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各種結(jié)構(gòu)的容器在工業(yè)生產(chǎn)和生活中得到廣泛應(yīng)用，雖然帶來了便利，但也發(fā)生了一些爆炸、泄漏、跌落傷人等事故。尤其隨著我國核動(dòng)力、核電站等日益增多，貯運(yùn)帶放射性介質(zhì)的容器的使用頻率越來越高，給人們的工作、生活帶來了些許安全隱患。

容器為敞口設(shè)置，運(yùn)行壓力為常壓，運(yùn)行時(shí)容器一般不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)事故，但在制造、吊運(yùn)的過程中發(fā)生跌落摔傷等事件居多。為防止容器的摔落、損傷，在容器起吊過程中都會(huì)使用到一些可靠的起吊專用工具，故起吊工具的可靠設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證是非常重要的。

本文針對(duì)某項(xiàng)目盛裝高放射性介質(zhì)的容器，在制造和使用過程中均須頻繁使用起吊工具(針對(duì)此容器的特殊結(jié)構(gòu)，以下將起吊工具稱為“抓具”)的情況，設(shè)計(jì)了一種適用的抓具，并闡述了抓具的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證方法，旨在拋磚引玉，為更多類似容器用工具的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 抓具設(shè)計(jì)

1.1 配套抓具的容器介紹

該特制容器主要由內(nèi)筒體和外筒體組成，內(nèi)、外筒體均為圓柱形，外筒體為直立圓柱形一端無封蓋的殼體，內(nèi)筒體為內(nèi)部附屬部分附件的圓柱形殼體，容器在正常運(yùn)行時(shí)，內(nèi)筒體內(nèi)將盛裝液態(tài)金屬鉛。在事故工況下，液態(tài)金屬鉛將用來洗滌帶有高放射性的特殊結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，裝有放射性結(jié)構(gòu)的內(nèi)筒需要使用抓具吊運(yùn)至指定的安全場所。

考慮內(nèi)、外筒體裝配間隙及設(shè)備在運(yùn)行時(shí)為保證金屬鉛為液態(tài)，需要加熱而導(dǎo)致的熱脹冷縮等因素，內(nèi)筒置入外筒后，須保證內(nèi)筒外壁與外筒內(nèi)壁之間有約5 mm的間隙。鑒于設(shè)備的運(yùn)行情況，內(nèi)、外筒間距很小，不允許在裝配或者使用時(shí)在內(nèi)筒外壁焊接起吊用吊耳。另外在運(yùn)輸時(shí)，為避免內(nèi)、外筒體裝配一體可能發(fā)生碰撞損傷，內(nèi)、外筒體是在分離狀態(tài)下單獨(dú)運(yùn)輸?shù)摹?/p>

內(nèi)、外筒體運(yùn)輸至使用現(xiàn)場后，容器須進(jìn)行安裝合體，且容器設(shè)備使用時(shí)，須將帶強(qiáng)輻射介質(zhì)的內(nèi)筒吊運(yùn)至安全處，故抓具使用頻率較高?？煽康淖ゾ咴O(shè)計(jì)是保證設(shè)備正常運(yùn)行和操作人員安全的關(guān)鍵因素。內(nèi)筒體與抓具連接處的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)筒與抓具連接處結(jié)構(gòu)

1.2 抓具設(shè)計(jì)思路

從內(nèi)筒體與抓具連接處的形式看，為防止受力不均導(dǎo)致卡死而損壞，內(nèi)筒體上的平臺(tái)是作為承力接觸面的最好選擇，內(nèi)筒體上的凹槽僅用于防止抓具滑落和限位，而不作為主要承力接觸面。

基于該容器結(jié)構(gòu)的特殊性(內(nèi)部用于起吊承力部分的外形尺寸大于抓具進(jìn)入通道的收口尺寸)，要實(shí)現(xiàn)抓具的起吊功能，抓具須具有可展開和收縮的功能結(jié)構(gòu)，抓具在進(jìn)入設(shè)備時(shí)須將結(jié)構(gòu)收縮進(jìn)入，抓具通過內(nèi)筒體連接處后能伸展開，并保持承力面與內(nèi)筒體平臺(tái)接觸。

本文所設(shè)計(jì)的抓具為拆卸自如、調(diào)節(jié)方便的螺紋連接結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 抓具結(jié)構(gòu)

抓具由1個(gè)吊鉤組件、3組吊桿組件(按120°均布)、3個(gè)螺栓M56×195，以及相關(guān)連接和限位零件等組成。吊桿組件上設(shè)有把手，通過其實(shí)現(xiàn)抓具的伸展和收緊，可自由進(jìn)出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的起吊功能。

2 理論驗(yàn)證

2.1 尺寸試算及最終確定

首先，利用材料力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，以集中力代替實(shí)際分布力對(duì)抓具各截面的受力展開分析，確保最危險(xiǎn)截面受力滿足要求并留適當(dāng)余量。接著，建立完整的有限元分析模型，進(jìn)行靜力分析、模態(tài)分析、抗震分析。最后，根據(jù)適用的分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(本文按ASME NF分卷)按應(yīng)力分類法進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，最終確定滿足強(qiáng)度要求的結(jié)構(gòu)尺寸。

2.2 螺紋連接處的強(qiáng)度校核

由于熱處理和選材的特殊處理，螺紋連接處的失效發(fā)生在螺母處，為此將螺紋牙展開后相當(dāng)于一根懸臂梁，如圖3所示。

圖3 螺紋牙展開示意圖

螺紋副的抗擠壓強(qiáng)度、抗剪切強(qiáng)度、抗彎曲強(qiáng)度公式分別如下。

(1)

(2)

(3)

式中：F為軸向力，N；d1為螺紋大徑，mm；d2為螺紋中徑，mm；d為螺紋小徑，mm；b為螺紋牙底寬度，mm；h為螺紋工作高度，mm；[σp]為許用擠壓應(yīng)力，MPa，通常許用擠壓應(yīng)力值取許用應(yīng)力；[τ]為許用切應(yīng)力；[σb]為許用彎曲；應(yīng)力D為內(nèi)螺紋大徑，mm；b為螺紋牙底寬度；z為結(jié)合圈數(shù)，一般不大于10。

按式(1)～(3)，對(duì)螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)構(gòu)滿足要求。

3 靜力分析和強(qiáng)度評(píng)定

對(duì)螺紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化，建立有限元計(jì)算模型，用有限元分析軟件ANSYS對(duì)抓具的應(yīng)力進(jìn)行了分析，并參考ASME BPVC-Ⅲ-NF分卷《支承件》、ASME BPVC-Ⅲ-附錄、JB/T4732-1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年確認(rèn))對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)定。材料本構(gòu)關(guān)系為線彈性，計(jì)算方法為線性靜力計(jì)算。

3.1 計(jì)算條件

計(jì)算工況見表1；材料力學(xué)性能見表2。

表1 計(jì)算工況

表2 材料力學(xué)性能

3.2 靜力有限元分析模型

根據(jù)分析目的及起吊工具的結(jié)構(gòu)建立分析模型，因收縮桿及拉桿只起一個(gè)連接作用，為減少模型計(jì)算大小，節(jié)省資源，模型中不體現(xiàn)該部分，僅體現(xiàn)所有承力結(jié)構(gòu)，對(duì)于限位結(jié)構(gòu)施加x、z位移約束。

為方便施加設(shè)備及介質(zhì)載荷，模型中增加了與起吊工具連接的部分內(nèi)筒組件，對(duì)于內(nèi)筒組件還考慮了邊緣應(yīng)力的作用，設(shè)置了足夠的長度。對(duì)于螺紋連接部位按經(jīng)典公式計(jì)算余量充足，不單獨(dú)建立模型進(jìn)行計(jì)算，將螺紋連接部位等效綁定接觸進(jìn)行模擬計(jì)算。

模型采用六面體單元為主劃分網(wǎng)格。生成127 176個(gè)節(jié)點(diǎn)，31 138個(gè)單元。模型及網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 抓具的模型及網(wǎng)格

分析坐標(biāo)系說明：+x，從左指向右；+y，豎直向上；+z，從紙內(nèi)指向紙外。

3.3 靜力有限元分析邊界條件及結(jié)果

采用ANSYS軟件作為求解器進(jìn)行線彈性靜力分析，用ANSYS Mechanical進(jìn)行結(jié)果后處理。邊界條件及總體應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 靜力邊界條件(左)、總體應(yīng)力云圖

從結(jié)果可知，應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域位于吊桿與U形楔塊連接處，這是由于此處受力由螺紋結(jié)構(gòu)承受，螺紋由于接觸面集中但面積較小導(dǎo)致應(yīng)力更集中。設(shè)備起吊時(shí)，承力鉤上的力傳遞至墊板上，故墊板上的應(yīng)力也很大；相反，承力鉤上的應(yīng)力不大。

3.4 應(yīng)力評(píng)定

3.4.1 線性化路徑

按通過零件厚度方向的原則，建立了6條應(yīng)力線性化分析路徑(見圖6)。因吊鉤、U形楔塊上的應(yīng)力非常小，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，故不進(jìn)行路徑劃分。

圖6 應(yīng)力線性化路徑

3.4.2 應(yīng)力線性化結(jié)果

沿分析路徑的應(yīng)力進(jìn)行線性化處理，根據(jù)ASME-Ⅲ-NF，在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力限制準(zhǔn)則如下。

Pm≤1.0Sm

Pm+Pb≤1.5Sm

評(píng)定結(jié)果見表3，由表可知，設(shè)備在正常使用工況下，應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

表3 應(yīng)力線性化評(píng)定結(jié)果

其中：Pm為線性化后的薄膜應(yīng)力成分；Pb為線性化后的彎曲應(yīng)力成分；Pm+Pb為線性化后的薄膜加彎曲應(yīng)力成分。

4 抗震分析

為確保設(shè)備在地震工況下的安全性，對(duì)設(shè)備進(jìn)行抗震分析。

4.1 模態(tài)分析

模型的1、2階模態(tài)結(jié)果見圖7。模態(tài)分析結(jié)果表明，其1階固有頻率為36.626 Hz，大于33 Hz，表明該結(jié)構(gòu)剛性較好?？拐鹩?jì)算可采用等效靜力分析。提取前三階固有頻率，結(jié)果為1階模態(tài)頻率36.626 Hz，2階模態(tài)頻率77.728 Hz，3階模態(tài)頻率126.44 Hz。

圖7 一階(左)、二階(右)振型

4.2 抗震分析

邊界條件：設(shè)計(jì)工況邊界條件+x、y、z方向分別保守考慮4 g的加速度。

分析模型：模型和網(wǎng)格與靜力分析相同。

4.3 評(píng)定及結(jié)果

根據(jù)ASME-Ⅲ-附錄F，在設(shè)計(jì)工況下應(yīng)力限制準(zhǔn)則如下。

Pm≤max(1.2Sy，1.5Sm)

Pm+Pb≤min(1.2Sy，0.7Su)

其中，Sy值取材料的Rel，35CrMoⅢ的Su=735 MPa，35CrMoA的Su=980 MPa，30CrMoA的Su=930 MPa。

根據(jù)ASME-Ⅲ-NF，對(duì)峰值應(yīng)力不要求作評(píng)價(jià)，結(jié)果滿足規(guī)范要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

鑒于抓具為動(dòng)、靜結(jié)合的起吊工具，與起重機(jī)有類似功能，為確保其安全性和可靠性，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T5905-2011《起重機(jī)、試驗(yàn)規(guī)范和程序》，應(yīng)設(shè)置載荷試驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證，通過試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)的整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性是否滿足設(shè)計(jì)要求。

5.1 載荷試驗(yàn)

5.1.1 空載試驗(yàn)

抓具應(yīng)進(jìn)行收縮，自由伸入容器，伸入后展開，適當(dāng)提升，保證兩者可貼合；然后收縮抓具，從容器筒體取出，確保滿足無卡塞、自由伸縮的要求。

5.1.2 動(dòng)、靜載荷試驗(yàn)

根據(jù)GB/T5905-2011，設(shè)置起升載荷試驗(yàn)，包括動(dòng)載荷試驗(yàn)和靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)方案見圖8。其中，動(dòng)載荷試驗(yàn)是為了驗(yàn)證設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，按額定載荷的1.25倍進(jìn)行。靜載荷試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)抓具的承載能力，按額定載荷的1.4倍進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)特別注意加、減速度的控制。

圖8 動(dòng)/靜載荷試驗(yàn)示意

6 結(jié)語

本文剖析了某特制容器用抓具的設(shè)計(jì)思路，并設(shè)計(jì)出一種適用的抓具。根據(jù)使用工況條件，進(jìn)行了詳細(xì)的力學(xué)分析和評(píng)定，結(jié)果滿足要求。同時(shí)，鑒于抓具的實(shí)際工作條件為動(dòng)靜結(jié)合，根據(jù)起重機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了試驗(yàn)驗(yàn)證方案，保證了抓具的安全性、可靠性，為類似工具的開發(fā)提供了一種設(shè)計(jì)思路和科學(xué)、有效的驗(yàn)證方法。