VVER-1000型反應堆堆芯干保護專用吊具設計及應用

陳 銳

（中核機械工程有限公司，上海 201700）

0 引言

田灣VVER-1000 型核電站是中俄兩國在加深政治互信、發展經濟貿易、加強兩國戰略協作伙伴關系方針推動下，在核能領域開展的高科技合作。繼中俄兩國成功合作建設一期工程后，二期工程在一期工程的基礎上進行了必要的設計改進，進一步提高了機組的安全性、技術先進性、經濟性和工程可實施性。

1 概況

運行期間，VVER-1000 型核島反應堆裝料為避免意外的游離中性粒子形成中子流向外界輻射，在反應堆堆芯豎井設計了大型鍛件，將其作為堆芯生物屏蔽及熱屏蔽結構，即堆芯干保護。堆芯干保護在核島外進行拼裝、填砼、干燥后吊入核島堆腔內，并安裝在干保護支座[1]。

該文主要針對干保護整體吊裝進行分析論證，利用現場已有的條件對干保護吊具進行設計和制作，并應用于現場實際，為類似空腔設備專用吊具設計及制作提供了可借鑒的設計思路。

1.1 設備簡介

干保護由上部干保護和下部干保護組成，組對完成后干保護內外徑為Φ5560/Φ6710mm，總高5295mm。干保護未灌漿前質量約為28.5t，灌完蛇紋石混凝土后理論總質量約為150t。

1.2 干保護吊裝問題分析

干保護部件出廠時未設置吊耳，田灣核電1、2 號機組在干保護吊裝時采用了現場焊接吊耳的方式進行吊裝，吊裝完成需要切割吊耳進行后續處理。受廠房條件限制，前期焊接易使本體變形，后續在堆芯內處理難度大、周期長、安全性差。設計專用吊耳是解決上述問題，實現平行施工、縮短工期、提高安全性能的主要手段。

2 干保護專用吊具設計方案及力學分析

2.1 吊具說明

干保護安裝在堆腔內，外壁板與堆腔之間的空隙較小，無法掛設吊索具，因此吊具只能設計在空腔內。根據現場實際，干保護采用兜底法進行吊裝，干保護專用吊具也基于兜底法吊裝進行設計。

干保護吊具主要結構為3 根L=3530mm 的I25b工字鋼，底部焊接尺寸為410mm×260mm、厚度為60mm 的45#鋼板，工字鋼靠近干保護一側焊接尺寸為690mm×320mm、厚度為30mm 的Q235 鋼板，側向鋼板與底部鋼板也采用焊接形式連接。每根工字鋼上部腹板兩側焊接兩塊尺寸為200mm×400mm、厚度為30mm 的Q235 鋼板作為吊耳板，在鋼板上開孔作為吊裝孔。3 根工字鋼之間采用φ133×4 的無縫鋼管連接（如圖1、圖2所示）。

圖1 干保護專用吊具主視圖

圖2 干保護吊具俯視圖

吊裝時的主要受力點為底部60mm 厚的底板和30mm 的側板，上部為3 根I25b 工字鋼，每根工字鋼頂部腹板兩側焊接30mm 厚的吊耳板。

專用吊具主要材料明細見表1。

表1 專用吊具主要材料明細

2.2 吊具強度校核

2.2.1 吊具的設計載荷

干保護使用專用吊具后計算總質量約150t，設計3 個吊點，吊索具的長度取15m，吊點到干保護中心的距離為2.7m。

吊具的設計載荷：吊裝時動載系數K1取1.1，不均勻系數K2取1.1，則安全系數K=K1×K2=1.1×1.1=1.21，取1.3[2]。

吊耳的水平方向分力和豎直方向分力受力分析如公式（1）～公式（4）所示[3]。

式中：T1為吊索具垂直分力；T2為索具垂直分力；T為索具拉力；ɑ為索具受力和中心垂線的夾角。

整個吊裝過程中，設備一直處于直立狀態，索具長度不小于15m，吊耳所受的垂直分力最大，等同于吊具的設計載荷，以此狀態對吊具進行校核[3]。

2.2.2 工字鋼強度核算

查《熱軋型鋼》可知，I25b 工字鋼的截面積A=5354mm2，查《鋼結構設計規范》可知，厚度為16mm 厚的I25b 工字鋼的設計許用拉應力[σ]=310MPa。

I25b 工字鋼的拉伸應力如公式（5）所示。

式中：T1為吊索具垂直分力；σ為I25b 工字鋼所受實際拉力；A為工字鋼截面積；[σ]為I25b 工字鋼設計許用拉應力。

因吊具水平方向采用φ133×4 的無縫鋼管連接固定，則水平方向的分力T2主要作用在鋼管上，不考慮工字鋼整體的彎曲應力。

經校核I25b 工字鋼的強度可滿足吊裝要求。

2.2.3 底板強度核算

底板結構形式和尺寸如圖3 所示。為了加強底板的強度，在底板與側板之間增加8 塊加強板，底板上部2 塊加強板尺寸為300mm×200mm×30mm，加強板與底板之間采用焊接形式連接。底板下部增加6 塊加強板，尺寸為90mm×30mm×30mm。干保護作用在底板上的垂直力按照均勻分布考慮，查《機械設計手冊》可知，45#鋼的屈服應力[σs]=355MPa，則45#鋼的設計許用拉應力取=236.67MPa，許用剪切應力=236.67MPa，干保護作用在底板上的力對底板產生彎曲應力及剪切應力，剪切力T1=ql，彎曲力Wmax=T1×l/2=637000×90/2=28665000N，其中，l=90mmT1=637000N，

圖3 底板結構示意圖

則底板的剪切應力和彎曲應力分別如公式（6）、公式（7）所示。

式中：[σ]為45#鋼的設計許用拉應力；[τ]為45#鋼的設計許用剪切力；T1為底板實際所受剪切力計算值；A為底板剖面面積；h為底板厚度。

經校核，底板強度滿足吊裝要求。

2.2.4 側板強度核算

側板與工字鋼的有效連接高度為600mm，對側板的強度核算需要核算側板水平截面垂直方向的拉應力、垂直截面的剪切應力。根據《鋼結構設計規范》，厚度在16mm～40mm的Q235 鋼材的設計許用拉應力[σ]=205MPa，設計許用剪切應力為[τ]=120MPa，如公式（8）、公式（9）所示。

側板水平截面垂直方向的拉伸應力：

側板垂直方向的剪切應力：

經校核，側板的強度滿足吊裝要求。

2.2.5 吊耳強度計算

吊耳的設計形式如圖4 所示，在工字鋼上部腹板兩側焊接兩塊200mm×400mm 厚30mm 的Q235 鋼板，在離工字鋼頂部200mm 處開φ100mm 的孔作為吊裝孔（滿足85t卸扣連接要求）。則吊耳拉應力的危險截面為過吊耳孔中心的水平截面，作用力為T1，剪切應力的危險截面為過吊耳孔中心的垂直截面，作用力為T1。

圖4 吊耳設計圖及受力分析示意

根據《鋼結構設計規范》可查，厚度在16mm～40mm 的Q235 鋼材的設計許用拉應力[σ]=205MPa，設計許用剪切應力為[τ]=120MPa。

吊耳受力計算如公式（10）、公式（11）所示。

吊耳板的拉伸應力：

吊耳板的剪應力：

式中：T1為索具在垂直方向的分力；σT為吊耳板的伸縮應力；τ為吊耳板的剪切力；A1吊耳板在垂直方向的剖面積；A2為吊耳板在水平方向的剖面積。

因吊耳處采用水平的?133mm×4 的無縫鋼管連接，吊耳板上的水平分力T2被鋼管抵消，所以不考慮吊耳處的彎曲應力。吊耳強度滿足設計要求。

2.2.6 無縫鋼管強度計算

根據《鋼結構設計規范》可查，20#鋼的抗拉應力σs=410MPa，則20#鋼的設計許用拉應力取=273.33MPa，不考慮斜撐受力，水平分力為T2，指向干保護中心的3 根無縫鋼管的強度核算如公式（12）所示。

經上述校核，無縫鋼管的強度滿足吊裝要求。

2.2.7 主要焊縫強度計算

2.2.7.1 工字鋼下部底板與側板之間的連接焊縫強度核算

底板焊接如圖5 所示。此受力情況下，底板與側板之間的連接焊縫受彎曲應力，因底板是貫穿于側板的，剪切應力主要集中在底板上，焊縫不受剪切應力。45#鋼與Q235 鋼采用E507 焊條進行焊接，根據《鋼結構設計手冊》可查，該焊縫強度設計值ffw=205MPa，該焊縫強度（計算時焊腳高度不考慮余高）的計算如公式（13）所示。

圖5 底板焊接示意圖

式中：σw為焊縫強度；A為底板剖面強度面積的1/2（底板內外滿焊）。

底板焊縫強度滿足要求。

2.2.7.2 工字鋼下部側板與工字鋼之間的連接焊縫強度核算

側板與工字鋼之間的兩條焊縫每條焊縫長度為600mm，側板寬度為30mm。查《鋼結構設計規范》可知，Q235 鋼材焊接的角焊縫強度設計值=160MPa，角焊縫系數φ取0.7，則單條焊縫的強度計算如公式（14）所示。

式中：φ為角焊縫系數；A為側板和底板接觸面積1/2。側板焊縫滿足要求。

2.2.8 吊具強度校核結論

通過計算可知，吊具整體強度滿足干保護吊裝要求，且加強板的設置進一步確保了干保護專用吊具的整體可靠性。

2.3 吊具模擬試驗

根據計算，干保護作用在底板上的應力值最大，因此在專用吊具制作前先制作底板的試驗件，如圖6 所示。使用千斤頂模擬實際環境進行靜載試驗，靜載試驗取設計載荷的1.25 倍。

圖6 吊具試驗件模擬試驗

試驗完成后對試驗后的焊縫進行目視檢測、尺寸檢測、液體滲透檢測、超聲波檢測，經檢測合格后才能進行正式部件的制作。

因起重機起吊系統是個柔性系統，可以減少沖擊，動載荷相對較小，靜載荷試驗已較為保守，并對專用吊具承載力進行了充分的考慮。為降低試驗成本及考慮現場實際條件，在執行相對嚴格使用要求的前提下取消動載荷試驗。

3 干保護吊具現場應用

田灣VVER-1000 型核電站3、4 號機組在干保護吊裝時應用了該文所述的專用吊具進行吊裝，成功完成了3、4 號機組兩件干保護吊裝任務，充分驗證了干保護專用吊具的安全性和可行性?，F場吊裝情況如圖7 所示。

圖7 干保護吊裝實景圖

4 結語

綜上所述，VVER-1000 型反應堆堆芯干保護吊裝使用專用吊具降低了干保護吊裝的安全風險，縮短了堆芯主設備安裝的施工周期，設計了一件結構簡單、成本低、現場易于制作且承載能力強的專用吊具，進一步確保了工程的施工安全、經濟和高效，為類似質量較大、需要設計專用吊具的空腔型設備吊裝提供了可借鑒的經驗。