某核電站蒸汽管道抗甩擊鋼結構卷揚提升系統有限元分析

馬富巧，于喜年，王興林

(1.中核建設集團 華興建設有限公司，江蘇 南京 210019;2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連116028)

0 引言

核電站蒸汽管道回路的抗甩擊鋼結構是防止管道邊翹效應而發生破裂時的核安全保護裝置.主要由40～60mm厚的鋼板組成框架結構，由2件 C1構件、1件 C2構件、1件 C3(C5同)、1件C4(C6同)構件組成，各構件的安裝位置如圖1所示，主要參數見附表.

圖1 構件安裝布置圖

附表 主要構件參數

C3(C5)安裝在控制廠房外側標高為+18.65 m(+23.65 m)的預埋件上.蒸汽管道就位后與C4(C6)采用高強螺栓高空連接成一套完整的抗甩擊裝置.C3(C5)重量較重，體積大，若采用液壓提升法［1］高空就位于控制廠房外墻面的狹窄空間，液壓站及提升千斤頂難以發揮有效作用，利用高空雙卷揚滑車組提升系統［2］進行吊裝就位可有效解決高空安裝難題，能夠在狹窄空間內安全實現抗甩擊鋼結構的高空就位.抗甩擊鋼結構提升系統主要由卷揚機、提升承重工裝及滑車組組成，關鍵受力部位為提升承重工裝架.為確保核電建設安全，預防核電運行事故隱患，對承重工裝架進行有限元分析，以確定其承載能力和穩定性.

1 雙卷揚滑車組提升系統吊裝工藝

1.1 吊裝工藝

本吊裝工藝是將屋頂平臺上的兩臺5 t卷揚機鋼絲繩通過C3(C5同)的定滑輪、動滑輪以及滑輪組連接，通過滑車組之間的距離調整實現構件的提升，具體工藝原理圖如圖2所示，雙卷揚系統位置如圖3所示.

圖2 雙卷揚滑車組提升系統示意圖

圖3 雙卷揚系統位置示意圖

1.2 吊裝工具的選擇和計算

1.2.1 卷揚機及滑車組選型分析［3］

選用電動單筒卷揚機，起重量5 t，鋼絲繩選用 Φ19.5mm －6 ×37-170 kg/m2，破斷力23.95 t，現場對C3、C5安裝時，采用雙卷揚機進行抬吊，因此，單卷揚機起重量為:

式中，Q為單卷揚機起重量;t為待吊C3或C5總重;N為鋼絲繩分支數;動載系數K取1.1;單卷揚機起升系統為滑輪組;滑輪型號為HQD4－32/4，滑車組有效繩數為7，其繞出繩頭的拉力 S=0.14Q=0.14 ×23.49=3.29 t＜5 t，卷揚機選型滿足吊裝要求.

1.2.2 鋼絲繩選擇

由上述可知，構件總重量為42.7 t，即單個卷筒鋼絲繩的受力為:

式中，S為起重鋼絲繩跑頭拉力;t為起重滑輪組荷載;滑車組有效繩數n=7;滑輪組效率η1=0.84;導向滑輪效率η2=0.96;卷揚機鋼絲繩安全系數為:

式中，F為鋼絲繩的破斷拉力;S1為鋼絲繩所受拉力;卷揚機許用安全系數k取5.

1.2.3 吊裝用承重工裝架的設計及受力變形分析

H型鋼焊接工裝架主要根據抗甩擊安裝條件、構件尺寸、構件數量及各構件的總重量等因素進行設計制造.采用Ansys軟件建模，Beam189單元模擬鋼板，彈性模量取2.06×105 MPa，密度7 850 kg/m3，泊松比取0.3，其承重鋼框架模型及載荷約束見圖4.

(1)荷載施加

模型中施加的荷載如下:抗甩擊承重工裝架的自重荷載，通過設置鋼材密度和重力加速度來實現;考慮起吊C3(C5)的荷載工況，鋼框架與混凝土的連接視為完全固結，考慮大變形效應，進行非線性屈曲計算［4］.荷載約束情況見圖4所示.

圖4 承重鋼框架模型及荷載約束圖

(2)整體穩定性及變形和應力分布

在規定荷載作用下，經有限元分析，抗甩擊承重架整體在垂直方向受壓應力.由于整體框架采用焊接H型鋼，并采用桁架式結構焊接，抗拉強度、抗彎強度都很大，所以變形量很小，其范圍為－1.733～ －0.034 2mm，如圖5 所示.承重架的應力最大值為86.981 MPa，遠小于材料的屈服強度(210 MPa)，如圖6所示.根據圖7荷載－撓度曲線可以看出，整個鋼框架在加載點處的荷載－變形曲線沒有出現拐點，仍處于彈性階段.

圖5 整體變形云圖

圖6 整體等效應力分布云圖

圖7 荷載—撓度曲線

通過上述分析可以看出，承重工裝架的設計剛度很大，在荷載作用下應變和應力都很小，均在允許范圍內.在固定牢靠的情況下不會出現整體失穩現象.

1.2.4 吊裝吊耳設計

為完成C3、C5吊裝而焊接的兩個吊耳與滑車組卸扣連接.吊耳布置及焊接見圖8.C3、C5單件重約43 t，動荷載系數取1.05，每個吊耳的受力為 Q=43 ×1.05×10/2=225.75 kN.所以吊耳剪切承載力τ=Q/S1=225.75×1 000/(40×79×2)=35.7 N/mm2＜120 N/mm2、抗拉承載力 σ =Q/S2=225.75×1 000/(40×60)=94.1 N/mm2＜205 N/mm2，其中S1、S2為受力面積.抗拉和抗剪承載力滿足吊裝要求，吊耳強度足夠.

圖8 吊耳位置及焊接詳圖

吊耳焊縫的強度，受諸多因素影響，有專用軟件分析計算，但簡便的數學算法即可解決問題.吊耳焊縫面積分為加肋板部分和吊耳本身焊縫部分，其有效焊縫面積為Sf=(40－6)×248=8 432mm2，吊裝時主要受拉伸荷載［5］作用，剪切荷載很小，可忽略不計.當起重荷載為451.5 kN時，吊耳所受的拉伸荷載為σ =T/Sf=451 500/(2×8 432)=11.8 N/mm2＜［σ］=26.8 N/mm2，焊縫滿足吊裝要求.

2 荷載試驗及卷揚提升操作

2.1 揚機、滑車單體及提升系統載荷試驗

2.1.1 卷揚機及滑車單體荷載試驗

按卷揚機額定承載力的1.25倍、1.1倍分別做靜載試驗、動載試驗;滑車以額定起重量的1.25倍做靜載試驗.通過試驗所用的卷揚機、滑車等吊索具滿足現場施工要求.

2.1.2 卷揚機滑車組提升系統載荷試驗

卷揚機滑車組提升系統安裝完成后，需對其進行動載試驗和靜載試驗.提升系統的負載試驗采用與待提升構件等重量的配重塊進行試驗，靜載、動載的試驗負荷要求分別應滿足1.25倍和1.1倍起升重量.提升系統為兩組獨立的工裝鋼架，可分別對提升系統進行荷載試驗.靜載試驗時，提升配重離地面10 cm，靜止10 min;動載試驗時，提升配重進行上、下提升運動3次，在提升過程中并測試卷揚機的剎車系統的性能.卸載后檢查卷揚機及提升工裝，要求卷揚機及提升系統工裝鋼架不得出現裂紋、永久變形、連接處松動及對性能與安全有影響的損壞，起重滑車鋼絲繩扣、卡環等無異常，以檢驗整個提升系統的穩定性和安全性.

2.2 卷揚提升操作

C3、C5構件吊裝采用2組卷揚機滑車系統抬吊，吊裝過程中設置1名主吊裝指揮，2名副吊裝指揮，通過對講機配合吊裝，兩卷揚機司機操作協調一致，使卷揚機同步提升，保證構件在提升過程中的水平度.為保證安裝的安全性，構件就位后，將卷揚機斷電，同時在轉向定滑輪處附加鋼絲繩，通過錨爪緊固、倒鏈加固等措施防止鋼絲繩產生滑動現象.提升操作的施工見圖9.圖片中頂端為卷揚機提升架，下端為已提升就位的C5構件，底端為正在提升的C3構件.

圖9 卷揚提升操作

3 結論

理論計算及有限元分析表明，核電站蒸汽管道邊翹效應抗甩擊鋼結構在垂直方向上的最大變形為 1.733mm，最大受力為 86.981 MPa，均在設計允許范圍內.經加載試驗和實際操作，該提升系統和吊裝方案完全滿足要求.利用雙卷揚滑車組在狹窄空間對抗甩擊鋼結構進行卷揚提升和安裝施工，經濟適用、安全可靠.

［1］中國機械工業聯合會.GB/T 1955—2008建筑卷揚機［S］.北京:中國標準出版社，2009.

［2］陳江華.深圳市市民中心巨型鋼桁架的安裝施工［J］.鋼結構，2001(4):27-31.

［3］國家機械工業局.JB/T 9007.1—1999 起重滑車型式、基本參數主尺寸［S］.北京:中國標準出版社，1999.

［4］邵蘊秋.ANSYS 8.0有限元實例導航［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［5］江正榮.建筑施工計算手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2001.