圓弧開合式臨時頂蓋結構設計

楊歡，馮棟彥，張新雨，趙鑫澎

（南華大學 機械工程學院，湖南 衡陽421001）

0 引 言

壓水堆核電機組一般先進行安全殼內部設備的安裝，待所有設備安裝好后再安裝頂封頭。內部設備的安裝稱之為開頂法施工模式，由于工期較長，施工過程中在筒體內部的連續施工作業和已安裝設備都需要進行防護。核電站建造時一般在筒體就位后，在其上方安裝一個可以開合的臨時頂蓋，既可進行設備的吊裝，也可以對筒體內部施工環境和己安裝設備進行有效防護，確保施工周期和施工質量不受影響[1-3]。目前國內臨時頂蓋通常采用空間桁架結構,安裝于核電安全殼筒體上方,其外形與尺寸由筒體外形、尺寸及核電安全殼內部模塊尺寸所確定。臨時頂蓋整體結構設計成回轉形式,可實現整體電動回轉運動,頂部為門式橫向開合或圓弧開合結構，通過開口動作和整體回轉，進而實現筒體內部模塊的無死角吊裝[4]，如圖1、圖2所示。

工作中，由于開口空間有限，需整體轉動配合以達到任一位置吊裝的要求，而臨時頂蓋整體結構龐大（整體直徑約40 m，中心最大高度大于10 m，質量超過50 t），因此，轉動調節不方便。本文提出圓弧開合式的頂蓋設計方案，3級頂蓋分布在3個不同的軌道上，相互之間無干擾，可單獨控制轉動，從而達到減重、控制靈活的目的。

圖1 門式橫向開合頂蓋結構

圖2 門式圓弧開合頂蓋結構

1 圓弧開合頂蓋結構設計

1.1 圓弧開合頂蓋結構方案

為保證可以滿足大規模和小規模施工的要求，確定將頂蓋結構分為3級。3級頂蓋分布在3個不同的軌道上，相互之間沒有干擾，如圖3所示。每一層頂蓋都可以單獨移動，達到以最小驅動力實現運動的目的。同時在每級頂蓋底部與軌道接觸部位安裝滾珠，利用滾動摩擦力，大大減小了阻力。為保證在雨雪天氣可以提供良好的保護效果，結構采用1/4球形。為保證有最大的開合面積，3級頂蓋按弧度均勻劃分，每級頂蓋均為1/3，為保證良好的保護，每級頂蓋角度均取130°，呈瓦式結構。因為第二級半徑大于第一級，第三級半徑大于第二級。故第一級、第二級可完全繞至第三級下面，全部打開。

式中：S為面積；r為半徑；n為弧所對圓心角，（°）。

第一級、第二級完全打開時，

式中：A為最大開合面積百分比；S1為可開合最大面積；S2為最大面積。

通過計算得出最大開合面積占總面積的65%以上，進而實現筒體內部模塊的無死角吊裝。采用用圓弧頂蓋來代替原有的鋼結構頂蓋，減輕了頂蓋質量，節約了鋼材。同時，整體圓弧結構具有更大的穩定性，在吊裝、風載、雪載、地震等惡劣環境中，能提供更好的保護效果。

圓弧頂蓋采用繞軸式運動結構，3級頂蓋都繞弧頂同一軸旋轉，為保證3級頂蓋之間互不影響，故將軸做成階梯狀結構，分別安裝不同軸承。

圖3 3級頂蓋效果圖

1.2 環境載荷計算

1）風載荷。圓弧頂蓋所受風載荷根據設計手冊《起重機設計規范》[5]進行計算：

式中：P為計算風壓，N/m2；vs為計算風速，m/s。

圓弧頂蓋需承受最大8級風的載荷，當風速超過8級時，可將部分輔助裝備拆下，以減小圓弧頂蓋所受風載。同時，在安裝時，應選擇合適的季節，盡量選擇惡劣天氣較少的季節。圓弧頂蓋極限風載荷按8級風速計算，計算風速為vs=28.3 m/s，風載荷方向取水平方向。

2）雪載荷。圓弧頂蓋所受雪載荷根據設計手冊《建筑結構荷載規范》[6]進行計算：

式中：sk為雪荷載標準值，N/m；μr為圓弧頂蓋積雪分布系數，因為為圓弧狀，故選取μr=0.5；s0為基本雪壓，根據手冊，基本雪壓取400 N/m2。圓弧頂蓋所受雪載荷方向取豎直向下。

新設計方案附加載荷取19 600 N進行計算。重力加速度為g=9.81 m/s2。

根據國家能源局核電站建造手冊《壓水堆核電廠反應堆廠房鋼襯里穹頂吊裝施工技術規程》[7]，吊裝零件離開地面時由于慣性導致載荷增加，根據手冊取起升動載荷安全系數K=1.1；因自重較大，在吊裝時，圓弧頂蓋與附件的自重均應考慮起升動載系數的影響。將風載和雪載簡化為平面受力，圓弧頂蓋工作與吊裝工況下的模型載荷計算結果如表1所示。

表1 圓弧頂蓋不同工況下載荷情況

1.3 臨時頂蓋尺寸

臨時頂蓋采取圓弧頂蓋結構方案，安裝在核電廠安全殼的筒體上方，圓弧頂蓋的尺寸按筒體外形尺寸進行設計，單級頂蓋的開合弧度以最大內部模塊尺寸進行設計，確保模塊正常吊裝。圓弧頂蓋整體結構取回轉形式，分布在3條不同的軌道上，軌道內安裝滾動軸承，以實現各級頂蓋均可單獨進行一定角度的轉動。本文分析中取圓弧頂蓋最小直徑40 m，中心最大高度20 m。3級頂蓋完全開合，最大開合面積占總面積的65%以上。

按照強度理論[8-9]可以得出：

按第一強度理論，σ1≤[σ]3；

按第二強度理論，σ1-ν(σ2+σ3)≤[σ]；

按第三強度理論，σ2-σ3≤[σ]；

式中：σ1、σ2、σ3是材料危險點的3個主應力；[σ]為許用應力；ν為泊松比。因為材料是Q235，故彈性模量E為200～210 GPa；泊松比ν為0.24～0.28。

取安全系數為2，故取許用應力[σ]為100 MPa；載荷p取700 N/m2；D為直徑，40 m。代入上式，可得：

式中：δ"為頂蓋壁厚；D為直徑；ε為最大伸長線應變；取ε"為0.33；彈性模量E為200；泊松比ν為0.25；其他數值同上。

求得頂蓋最小壁厚為8 cm，向上取整為10 cm。

1.4 臨時頂蓋自重

臨時頂蓋鋼結構材料采用碳素結構鋼Q235。GB700-88標準中的碳素結構鋼Q235[10]按照冶金質量可分為A、B、C、D四個等級，各等級的鋼種Si質量分數均為0.3%，區別在于各鋼材碳含量和硫、磷含量的不同。A、B級鋼材碳質量分數分別為0.14%～0.22%和0.12%～0.20%，C、D級鋼材碳質量分數分別為≤0.18%、≤0.17%，A級鋼材Mn含量最小，D級鋼材S、P含量最小。

通用國標中Q235的密度ρ=7.85 g/cm3。通過前期材料力學初步分析，確定最小厚度為10 cm，根據公式計算球體的體積：

式中：V為球體的體積。

通過計算得到，第一級圓弧頂蓋體積為168.34 m3；第二級圓弧頂蓋體積為171.7 m3；第三級圓弧頂蓋體積為175.23 m3；總體積為515.27 m3。因為采取瓦式結構，所以會有一個小的覆蓋，故可大致估算體積為550 m3。

通過公式m=ρV計算其質量如表2所示。

表2 各級頂蓋質量 kg

2 圓弧頂蓋有限元分析

2.1 圓弧頂蓋模型網格劃分

對圓弧頂蓋進行三維模型有限元分析時，需要重點分析載荷、應力、應變等是否滿足設計要求，而對圓弧頂蓋結構進行了簡化處理。網格劃分時，圓弧頂蓋結構采用Beaml88單元[11]，吊環等輔助設備忽略不計。因自重較大，圓弧結構在空間上穩定性好，故采用剛性結構對整體設計進行分析。為滿足結果的準確性與可靠性，網格不宜劃分太大或太小，根據綜合考慮以及查閱相關資料，所有網格按300 mm進行劃分，并利用軟件自動對圓弧網格劃分進行優化[12]。臨時圓弧頂蓋有限元模型網格劃分如圖4所示。

圖4 圓弧頂蓋有限元模型網格

圖5 雪載有限元分析

2.2 載荷分析

1）雪載驗證。對臨時圓弧頂蓋進行雪載分析，如圖5所示。

考慮到圓弧頂蓋的結構特性，雪花落在上面會有一個滑落，在底部會有堆積現象，故底部受力要大于頂端受力，類似于塔式結構。因此，雪載對于模型結構穩定性不會產生太大的影響，可以選擇人工對積雪進行處理，防止雪勢過大對臨時圓弧頂蓋造成結構上的影響。

2）風載驗證。對臨時圓弧頂蓋進行風載分析，結果如圖6所示。

通過分析結果可 以 看出，臨時圓弧頂蓋在風載作用下，頂端受力最大，因為頂端面積相對較小，受力相對集中，但還在許用受力范圍，可以滿足臨時圓弧頂蓋結構穩定性的要求。

綜合上述分析，10 cm的厚度完全可以滿足臨時圓弧頂蓋結構穩定性和在風、雪等惡劣天氣下的保護要求，該臨時頂蓋的結構設計是安全合理的，可以滿足實際需要。

圖6 風載有限元分析

3 結論

本文針對現有核電站建造所用的臨時頂蓋機構龐大、不便于調整的問題，提出了圓弧開合式的頂蓋設計方案，3級頂蓋分布在3個不同的軌道上，弧頂通過同一豎軸聯接，每級頂蓋可以單獨轉動，以滿足設備模塊、結構模塊及各種部件的吊裝要求。對臨時頂蓋不同工況下的載荷進行計算，基于強度理論確定臨時頂蓋的厚度、質量等參數，最后通過有限元進行載荷仿真分析，得出10 cm厚度的臨時圓弧頂蓋完全可以滿足載荷要求。