池邊檢查水下測量臺架的設計及分析

馮浩志，劉豪，吳瑞，余潔，羅文廣

（中國核動力研究設計院，成都 610041）

0 引言

池邊檢查技術能夠準確獲取相關組件輻照后數據，為組件穩定性和完整性評價提供必要依據。池邊檢查需依托水下測量臺架進行。文獻[1]以輕量化為設計目標，采用多目標拓撲優化理論對池邊檢查工作平臺進行結構優化，動靜態特性分析表明，優化后工作平臺質量減小了4.9%。文獻[2]設計出一種用于池邊檢查的氣動三維平臺，以氣動馬達代替水下伺服電動機，減少成本的同時提高了系統的安全性。文獻[3] ～[4]為實現對反應堆組件進行100%非接觸式尺寸檢查，提出了用于反應堆組件3D檢查的光電方法和系統，介紹了該方法的理論計算，給出了工業測試的實驗結果。文獻[5]對沖擊載荷下的裝載井防護裝置進行優化設計，以拓撲優化獲取梁的最優布置方案，沖擊載荷驗證結果表明，防護裝置質量有效減輕且設計時間大大縮短。文獻[6]結合譜分析法和簡化模型-時程分析法對某研究堆乏燃料貯存架進行了抗震分析，結果表明，此乏燃料貯存架具有足夠的結構強度貯備，在各種工況下均能保持結構穩定性和完整性。綜上，國內外針對池邊檢查臺架的研究較為匱乏。

1 水下測量臺架的結構設計及功能實現

如圖1所示，本文所設計的水下測量臺架從上到下可分為頂部平臺（包括拆解容器、暫存容器、回收容器、防墜落罩、框架、吊耳等）、組件承裝箱、支撐架、基座，以及支腿等部分。臺架高約為4.5 m，底部基座占地約為3.8 m2。臺架制作完成后，通過頂部平臺的吊耳吊入乏燃料池浸沒，使用長柄工具調平支腿，支腿上方皆設有喇叭口以便工具插入。池邊檢查工作進行時，利用抓取工具將相關組件配插于測量工位，進行外觀狀態、彈簧剛度、氧化膜厚度等項目的測量；之后轉移于拆解工位進行組件的拆解，拆解后的控制棒、中子源棒暫存于承裝箱，下一步可在其他工位進行破壞性檢查。

圖1 水下測量臺架三維模型

以強度為衡量標準分析可見，臺架的關鍵部件為直接承力部位（框架、吊耳）以及最終承力部位（基座）。同時，作為直接承裝燃料相關組件的核安全級設備，臺架還需進行抗震分析以確保使用安全。

2 水下測量臺架受力分析

2.1 吊裝狀態

水下臺架的吊裝過程中，主要是臺架頂部框架吊耳承受整個臺架的質量（1000 kg），吊耳與框架采用螺紋連接，分析時作為一個整體考慮。對吊裝框架有限元模型采用六面體為主的網格劃分方法進行網格劃分。吊裝框架有限元模型通過網格無關性檢驗后，網格大小控制尺寸為2.5 mm，包括53 141個單元和269 335個節點。

圖2 吊裝框架邊界條件

將吊帶力分解為各個方向分力，且假設4個吊點受力均勻。其分力值沿X、Y、Z 方向分別為260、2500、480 N，加載到模型上得到邊界條件，如圖3所示。

圖3 吊裝框架應力分布

求解后得到吊裝框架最大Mises應力為102 MPa，位于吊耳處，如圖4所示。吊裝框架選用的304不銹鋼力學性能符合GB/T 4237-2007的規定要求，力學性能滿足：σb≥520 MPa（抗拉強度），σp0.2≥205 MPa（屈服強度），由此可見，吊裝框架最大 Mises應力遠小于材料的力 學 性能。據圖4（b），吊耳根部最大Mises 應力小于65 MPa， 遠小于焊接接頭 強度，可見吊裝框架及吊耳強度滿足強度要求。

圖4 基座受力及變形

2.2 工作狀態

在工作狀態下，測量臺架的基座同裝載井底部相接觸，基座即臺架的最終承力部位部分。基座同樣在Workbench中采用六面體為主網格劃分方法，網格大小控制尺寸為20 mm，包括67 541個單元和276 178個節點。

在基座安裝完成后，主要承受載荷為臺架自重以及靶件自重，共約1500 kg（15 kN）。將力均勻施加到基座受力平面，底部支腿與裝載井底部接觸，裝載井底部為固定支撐。靜力學分析結果如圖5所示。

由圖5（a）可見，基座受力面最大Mises應力為89 MPa，支腿處最大Mises應力為171 MPa，位于內部的4根支腿根部，支腿大部分區域為144 MPa。基座選用的304不銹鋼力學性能符合GB/T 4237-2007的規定要求，力學性能滿足：σb≥520 MPa（抗拉強度），σp0.2≥205 MPa（屈服強度）。除去網格質量產生的應力集中之外最大Mises應力為144 MPa，遠小于材料的屈服強度。因此在使用過程中，所設計的水下測量臺架不會導致安全事故。

由圖5（b）可見，水下臺架基座受載后產生了0.9 mm的變形，與4000 mm的臺架高度相比，變形量較小，因此對靶件的池邊檢查影響較小。

圖5 臺架抗震簡化模型

3 水下測量臺架抗震校核

對水下測量臺架需進行抗震分析以驗證臺架的強度能否經受地震考驗、臺架是否存在傾倒、側翻的風險。本文采用有限元抗震分析的主流方法響應譜分析法進行抗震分析。

如圖7（a）所示，首先將螺栓連接件、臺架頂部導向板等對結構影響不大的附件忽略，將原有螺栓固定替代為綁定連接。接觸關系主要為水下臺架8個支承與裝載井底部的摩擦接觸，摩擦因數為0.1。臺架劃分為六面體為主的網格，如圖7（b）所示，通過網格無關性檢驗后，網格大小控制尺寸為20 mm，包括97 000個單元和430 000個節點。

圖7 臺架的現場吊裝及使用

施加重力載荷后，對水下臺架重力載荷靜力學結構、模態進行分析。獲得6階模態后，施加低階頻率地震載荷。取燃料廠房（1KX，1DB）樓層反應譜值獲得裝載井+7 m地震反應譜為激勵，如表1所示。對模型施加沿Z向的豎直載荷以及沿X向和沿Y向的水平載荷，結果如圖8所示。

表1 +7 m地震反應譜（g）

由圖8（a）可見，水下臺架最大綜合變形為9.4295 mm，出現在臺架頂部。由圖8（b）可見臺架沿X方向最大變形量為3.14 mm，出現在頂部拆解工位框架。臺架沿Y方向最大變形量為8.9 mm，同樣位于臺架頂部，如圖8（c）所示。臺架沿Z方向最大變形量為0.3 mm，同樣出現在拆解工位框架處，如圖8（d）所示。綜上，若以底部框架緊貼池邊的極限安裝位置而言，臺架頂部平臺距離池邊也會留有650 mm 的安全距離，因此，頂部平臺最大約9 mm的變形遠不足以導致臺架磕碰池壁，更不可能造成大范圍晃動或傾倒，由此可知，臺架在地震載荷下不會發生傾倒等安全事故。

而地震工況下臺架的最大Mises應力出現于底部基座與支撐架連接位置，如圖9所示，最大Mises應力為103 MPa，遠小于所選用的304不銹鋼205 MPa的屈服強度。

4 試驗驗證

圖6 臺架不同方向的位移變化

目前，本文所設計的水下測量臺架已應用于某核電站的池邊檢查項目，在其裝載井和乏燃料水池中完成了對經過若干個不同循環出堆的專用相關組件進行外觀檢查、尺寸測量及組裝件拆卸。臺架的強度、剛度及穩定性在吊裝試驗、模擬實驗及現場工作過程中得到了有效驗證。該臺架后續還將在國內多個核電動機組的乏燃料池邊檢查工作中進一步應用，圖10（a）、圖10（b）分別為水下檢查平臺的吊裝及工作狀態。

5 結論

1）本文設計了一種用于燃料相關組件池邊檢查的水下測量臺架，主要由頂部平臺、元件承裝箱、支撐架、基座及支腿等部分組成，具備支撐、轉運、暫存及配套的組件檢查功能，且能滿足安裝不同工位的需求，可配合完成組件不同測量目的。

2）通過受力分析，可見水下測量臺架在吊裝安裝及水下工作狀態下的變形及應力均可滿足強度要求，其吊耳、框架、基座等應力集中部位也充分滿足材料的力學性能，保證了其安裝與工作狀態下的可靠性和穩定性。

3）燃料相關組件的特殊性需要針對臺架進行抗震分析，通過抗震校核，證明了臺架在工作狀態下，若出現地震現象，不會發生傾倒等安全事故。