某核電站蒸汽管道抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)卷揚(yáng)提升系統(tǒng)有限元分析

馬富巧，于喜年，王興林

(1.中核建設(shè)集團(tuán) 華興建設(shè)有限公司，江蘇 南京 210019;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連116028)

0 引言

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

圖1 構(gòu)件安裝布置圖

附表 主要構(gòu)件參數(shù)

C3(C5)安裝在控制廠房外側(cè)標(biāo)高為+18.65 m(+23.65 m)的預(yù)埋件上.蒸汽管道就位后與C4(C6)采用高強(qiáng)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(fā)揮有效作用，利用高空雙卷揚(yáng)滑車組提升系統(tǒng)［2］進(jìn)行吊裝就位可有效解決高空安裝難題，能夠在狹窄空間內(nèi)安全實(shí)現(xiàn)抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)的高空就位.抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)提升系統(tǒng)主要由卷揚(yáng)機(jī)、提升承重工裝及滑車組組成，關(guān)鍵受力部位為提升承重工裝架.為確保核電建設(shè)安全，預(yù)防核電運(yùn)行事故隱患，對承重工裝架進(jìn)行有限元分析，以確定其承載能力和穩(wěn)定性.

1 雙卷揚(yáng)滑車組提升系統(tǒng)吊裝工藝

1.1 吊裝工藝

本吊裝工藝是將屋頂平臺(tái)上的兩臺(tái)5 t卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩通過C3(C5同)的定滑輪、動(dòng)滑輪以及滑輪組連接，通過滑車組之間的距離調(diào)整實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的提升，具體工藝原理圖如圖2所示，雙卷揚(yáng)系統(tǒng)位置如圖3所示.

圖2 雙卷揚(yáng)滑車組提升系統(tǒng)示意圖

圖3 雙卷揚(yáng)系統(tǒng)位置示意圖

1.2 吊裝工具的選擇和計(jì)算

1.2.1 卷揚(yáng)機(jī)及滑車組選型分析［3］

選用電動(dòng)單筒卷揚(yáng)機(jī)，起重量5 t，鋼絲繩選用 Φ19.5mm －6 ×37-170 kg/m2，破斷力23.95 t，現(xiàn)場對C3、C5安裝時(shí)，采用雙卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行抬吊，因此，單卷揚(yáng)機(jī)起重量為:

式中，Q為單卷揚(yáng)機(jī)起重量;t為待吊C3或C5總重;N為鋼絲繩分支數(shù);動(dòng)載系數(shù)K取1.1;單卷揚(yáng)機(jī)起升系統(tǒng)為滑輪組;滑輪型號(hào)為HQD4－32/4，滑車組有效繩數(shù)為7，其繞出繩頭的拉力 S=0.14Q=0.14 ×23.49=3.29 t＜5 t，卷揚(yáng)機(jī)選型滿足吊裝要求.

1.2.2 鋼絲繩選擇

由上述可知，構(gòu)件總重量為42.7 t，即單個(gè)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(shù)n=7;滑輪組效率η1=0.84;導(dǎo)向滑輪效率η2=0.96;卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)為:

式中，F(xiàn)為鋼絲繩的破斷拉力;S1為鋼絲繩所受拉力;卷揚(yáng)機(jī)許用安全系數(shù)k取5.

1.2.3 吊裝用承重工裝架的設(shè)計(jì)及受力變形分析

H型鋼焊接工裝架主要根據(jù)抗甩擊安裝條件、構(gòu)件尺寸、構(gòu)件數(shù)量及各構(gòu)件的總重量等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)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(shè)置鋼材密度和重力加速度來實(shí)現(xiàn);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(jié)，考慮大變形效應(yīng)，進(jìn)行非線性屈曲計(jì)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(wěn)定性及變形和應(yīng)力分布

在規(guī)定荷載作用下，經(jīng)有限元分析，抗甩擊承重架整體在垂直方向受壓應(yīng)力.由于整體框架采用焊接H型鋼，并采用桁架式結(jié)構(gòu)焊接，抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)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(yīng)力最大值為86.981 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度(210 MPa)，如圖6所示.根據(jù)圖7荷載－撓度曲線可以看出，整個(gè)鋼框架在加載點(diǎn)處的荷載－變形曲線沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)，仍處于彈性階段.

圖5 整體變形云圖

圖6 整體等效應(yīng)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(shè)計(jì)剛度很大，在荷載作用下應(yīng)變和應(yīng)力都很小，均在允許范圍內(nèi).在固定牢靠的情況下不會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象.

1.2.4 吊裝吊耳設(shè)計(jì)

為完成C3、C5吊裝而焊接的兩個(gè)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(dòng)荷載系數(shù)取1.05，每個(gè)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(qiáng)度足夠.

圖8 吊耳位置及焊接詳圖

吊耳焊縫的強(qiáng)度，受諸多因素影響，有專用軟件分析計(jì)算，但簡便的數(shù)學(xué)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(shí)主要受拉伸荷載［5］作用，剪切荷載很小，可忽略不計(jì).當(dāng)起重荷載為451.5 kN時(shí)，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(yàn)及卷揚(yáng)提升操作

2.1 揚(yáng)機(jī)、滑車單體及提升系統(tǒng)載荷試驗(yàn)

2.1.1 卷揚(yáng)機(jī)及滑車單體荷載試驗(yàn)

按卷揚(yáng)機(jī)額定承載力的1.25倍、1.1倍分別做靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn);滑車以額定起重量的1.25倍做靜載試驗(yàn).通過試驗(yàn)所用的卷揚(yáng)機(jī)、滑車等吊索具滿足現(xiàn)場施工要求.

2.1.2 卷揚(yáng)機(jī)滑車組提升系統(tǒng)載荷試驗(yàn)

卷揚(yáng)機(jī)滑車組提升系統(tǒng)安裝完成后，需對其進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn).提升系統(tǒng)的負(fù)載試驗(yàn)采用與待提升構(gòu)件等重量的配重塊進(jìn)行試驗(yàn)，靜載、動(dòng)載的試驗(yàn)負(fù)荷要求分別應(yīng)滿足1.25倍和1.1倍起升重量.提升系統(tǒng)為兩組獨(dú)立的工裝鋼架，可分別對提升系統(tǒng)進(jìn)行荷載試驗(yàn).靜載試驗(yàn)時(shí)，提升配重離地面10 cm，靜止10 min;動(dòng)載試驗(yàn)時(shí)，提升配重進(jìn)行上、下提升運(yùn)動(dòng)3次，在提升過程中并測試卷揚(yáng)機(jī)的剎車系統(tǒng)的性能.卸載后檢查卷揚(yáng)機(jī)及提升工裝，要求卷揚(yáng)機(jī)及提升系統(tǒng)工裝鋼架不得出現(xiàn)裂紋、永久變形、連接處松動(dòng)及對性能與安全有影響的損壞，起重滑車鋼絲繩扣、卡環(huán)等無異常，以檢驗(yàn)整個(gè)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性.

2.2 卷揚(yáng)提升操作

C3、C5構(gòu)件吊裝采用2組卷揚(yáng)機(jī)滑車系統(tǒng)抬吊，吊裝過程中設(shè)置1名主吊裝指揮，2名副吊裝指揮，通過對講機(jī)配合吊裝，兩卷揚(yáng)機(jī)司機(jī)操作協(xié)調(diào)一致，使卷揚(yáng)機(jī)同步提升，保證構(gòu)件在提升過程中的水平度.為保證安裝的安全性，構(gòu)件就位后，將卷揚(yáng)機(jī)斷電，同時(shí)在轉(zhuǎn)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(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象.提升操作的施工見圖9.圖片中頂端為卷揚(yáng)機(jī)提升架，下端為已提升就位的C5構(gòu)件，底端為正在提升的C3構(gòu)件.

圖9 卷揚(yáng)提升操作

3 結(jié)論

理論計(jì)算及有限元分析表明，核電站蒸汽管道邊翹效應(yīng)抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)允許范圍內(nèi).經(jīng)加載試驗(yàn)和實(shí)際操作，該提升系統(tǒng)和吊裝方案完全滿足要求.利用雙卷揚(yáng)滑車組在狹窄空間對抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行卷揚(yáng)提升和安裝施工，經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠.

［1］中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T 1955—2008建筑卷揚(yáng)機(jī)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)，2001(4):27-31.

［3］國家機(jī)械工業(yè)局.JB/T 9007.1—1999 起重滑車型式、基本參數(shù)主尺寸［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［4］邵蘊(yùn)秋.ANSYS 8.0有限元實(shí)例導(dǎo)航［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［5］江正榮.建筑施工計(jì)算手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.