某核電站穹頂模塊吊裝預(yù)案設(shè)計(jì)分析

于喜年,　楊全軍,　王建國(guó),　崔　亮,　陳　娜

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028; 2.中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司, 南京 210019)

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某核電站穹頂模塊吊裝預(yù)案設(shè)計(jì)分析

于喜年1,楊全軍1,王建國(guó)2,崔亮1,陳娜1

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 大連 116028; 2.中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司, 南京 210019)

為降低核電站穹頂?shù)跹b施工風(fēng)險(xiǎn),保證核島建造質(zhì)量,結(jié)合第三代核電站工程實(shí)際,針對(duì)穹頂薄壁、整體模塊質(zhì)量大、對(duì)接精度高、吊裝要求嚴(yán)格、構(gòu)件重心與形心偏離等特點(diǎn),設(shè)計(jì)鋼箱梁吊具及焊接H型鋼桁架吊具兩套預(yù)吊裝系統(tǒng),采用多吊點(diǎn)垂直起吊方案?；贏nsys有限元分析軟件,對(duì)吊裝方案進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:鋼箱梁吊裝方案吊具結(jié)構(gòu)難以滿足大型穹頂?shù)跹b要求,焊接H型鋼桁架吊裝方案吊具結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、造價(jià)低,強(qiáng)度剛度好。桁架吊裝系統(tǒng)整體最大等效應(yīng)力273.761 MPa,小于材料許用應(yīng)力值;最大位移21.9 mm,符合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的撓度值,滿足剛度要求;三階屈曲系數(shù)均大于2,吊裝系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證吊裝系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理,吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。

核電站穹頂; 焊接H型鋼; 桁架; 鋼箱梁; 吊裝

0　引　言

我國(guó)CAP1400核電技術(shù)是在消化吸收AP1000非能動(dòng)型壓水堆技術(shù)基礎(chǔ)上再創(chuàng)新的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù)[1],其示范工程已在山東威海開始實(shí)施。工程中核島穹頂模塊吊裝施工,是核電站安全屏障建造的最后工程[2]。由于穹頂結(jié)構(gòu)整體模塊質(zhì)量是以往穹頂?shù)跹b質(zhì)量的兩倍以上,所以吊裝尺寸更大、吊裝要求更加嚴(yán)格。為降低吊裝施工風(fēng)險(xiǎn),保證核島建造質(zhì)量,以CAP1400核島穹頂?shù)跹b預(yù)案為研究對(duì)象,進(jìn)行吊具設(shè)計(jì)及可靠性分析,為穹頂正式吊裝提供依據(jù)。

1　穹頂結(jié)構(gòu)分析

1.1穹頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CAP1400核電站核島安全殼整體高度73.6 m,穹頂呈臺(tái)錐形結(jié)構(gòu),頂面內(nèi)徑φ9.754 m,底面內(nèi)徑φ43.03 m,高17.283 m,由幾十根主徑向鋼梁、次梁、43 mm厚度覆面鋼板及焊接在穹頂表面的螺柱栓釘組成。各附屬模塊連接于穹頂本體鋼結(jié)構(gòu)下方,與穹頂本體形成整體結(jié)構(gòu),穹頂本體及附屬模塊理論質(zhì)量約1 250 t,結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于附屬模塊CH67、CH72的存在,穹頂鋼結(jié)構(gòu)整體重心偏離,各結(jié)構(gòu)質(zhì)量為CH67模塊15.65 t, CH72模塊22.76 t,CH73模塊41.39 t, 穹頂本體1 170 t, 吊裝整體1 250 t。

圖1　穹頂三維模型

1.2穹頂結(jié)構(gòu)重心確定

穹頂鋼結(jié)構(gòu)為非完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)。為滿足吊裝要求,最大限度降低吊點(diǎn)應(yīng)力集中和屈曲變形,需要對(duì)穹頂重心精確定位,以便對(duì)吊裝情況進(jìn)行更好地預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。

穹頂本體及各附屬模塊為材料相同的均質(zhì)剛性對(duì)稱結(jié)構(gòu),重心即為幾何形心,利用靜矩求得指定坐標(biāo)系下形心坐標(biāo)xc、yc,參考公式為[3]

(1)

復(fù)雜圖形由簡(jiǎn)單圖形組合而成,根據(jù)分段積分原理,組合圖形靜矩等于各部分圖形靜矩之和。

以本體形心為坐標(biāo)原點(diǎn),y向?yàn)楦┮曂队?建立x-z坐標(biāo)系,如圖2所示。假設(shè)CH67面積為AⅠ、CH72面積為AⅡ、CH73面積為AⅢ、穹頂本體面積為AⅣ,則總面積為A=AⅠ+AⅡ+AⅢ+AⅣ,其中模塊CH73及穹頂本體為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu),計(jì)算面積AⅠ重心坐標(biāo)C1和面積AⅡ重心坐標(biāo)C2,即可計(jì)算出穹頂整體重心位置。對(duì)x軸取靜距[3]，有

Sx=∫AydA=∫AⅠydA+∫AⅡydA+∫AⅢydA+∫AⅣydA=

SxⅠ+SxⅡ+SxⅢ+SxⅣ。

(2)

圖2　穹頂俯視示意

參考穹頂實(shí)際質(zhì)量并聯(lián)立式(1)、(2),計(jì)算穹頂鋼結(jié)構(gòu)整體重心位置為:

xc=-343,zc=-50,rc=346。

2　吊裝方案分析

2.1穹頂?shù)跹b方案設(shè)計(jì)

根據(jù)穹頂?shù)跹b質(zhì)量大、就位半徑長(zhǎng)、對(duì)接精度要求高等特點(diǎn),采用吊索直接連接于穹頂上部吊耳吊裝而產(chǎn)生的徑向力直接作用于穹頂壁板。為減少穹頂受力,避免穹頂局部變形超差而影響穹頂及內(nèi)壁附屬設(shè)備的安裝,擬采用過(guò)渡梁垂直起吊。起吊時(shí)產(chǎn)生的徑向力傳遞至過(guò)渡梁,穹頂僅受垂向拉力[4]。選擇如圖3a鋼箱梁吊具和圖3b焊接H型鋼桁架吊具兩套吊裝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3　穹頂?shù)跹b方案

鋼箱梁抗扭剛度大、抗風(fēng)性能好,構(gòu)造簡(jiǎn)單,易于模塊化設(shè)計(jì)制造,但用鋼量大且運(yùn)輸及安裝調(diào)試麻煩。如圖4所示,鋼箱梁吊具主要結(jié)構(gòu)由吊鉤連接中心吊耳、變截面箱式梁長(zhǎng)短翼板、卸扣等部分組成。鋼箱梁各翼板間均采用抗拉、抗扭、抗彎性能高的摩擦型高強(qiáng)螺栓連接。

圖4　鋼箱梁式吊具模型

如圖5所示,桁架吊具結(jié)構(gòu)主要由焊接H型鋼等組成,包括吊索、吊耳、銷軸、桁架主體、可調(diào)拉桿等部分,吊點(diǎn)與穹頂?shù)醵ㄟ^(guò)卸扣垂直對(duì)接,吊裝結(jié)構(gòu)具有承載力強(qiáng)、變形小、跨度大、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕等特點(diǎn)。

圖5　焊接H型鋼桁架吊具模型

2.2有限元分析方法及邊界條件設(shè)置

利用HyperMesh軟件對(duì)吊裝模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,定義單元類型,賦予材料屬性及設(shè)置約束載荷,通過(guò)Ansys軟件對(duì)吊裝系統(tǒng)進(jìn)行受力分析[5-6]。

依據(jù)吊裝及起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求[7],設(shè)定動(dòng)載系數(shù)K1和吊點(diǎn)不均勻系數(shù)K2均為1.16,取G=1.16×1.16×1 250=1 682 t作為吊裝當(dāng)量載荷。Q420B低合金高強(qiáng)度鋼σb=630 MPa,σs=420 MPa,許用應(yīng)力[σ]=306 MPa;42CrMo鋼σb=1 080 MPa,σs=980 MPa,許用應(yīng)力[σ]=513 MPa。

由于篇幅所限,文中略去優(yōu)化求解過(guò)程。吊具各組件單元類型及材料屬性如表1所示。

表1　構(gòu)件單元類型及材料屬性

2.3吊裝方案受力分析

將穹頂當(dāng)量載荷施加于鋼箱梁吊具端部吊耳處。經(jīng)多次結(jié)構(gòu)優(yōu)化及后處理分析,鋼箱梁吊具等效應(yīng)力云圖如6a所示,應(yīng)力發(fā)生在端部吊耳處,最大等效應(yīng)力684.68 MPa;位移云圖如圖6b所示,合位移為60.11 mm,鋼箱梁吊臂向下彎曲;通過(guò)襯套、法蘭加強(qiáng)及螺栓連接板焊縫加強(qiáng)等措施使應(yīng)力值有所下降,其所受應(yīng)力值仍大于所用材料需用應(yīng)力值,表現(xiàn)為邊角連接處應(yīng)力集中。

焊接H型鋼桁架吊具吊索傘狀匯交于起重機(jī)吊鉤中心,綜合起重機(jī)極限吊裝高度和吊索質(zhì)量的限制,經(jīng)優(yōu)化分析,取吊索水平夾角θ=50°。此時(shí),每個(gè)吊點(diǎn)承受的垂向當(dāng)量載荷為105 t,穹頂重力與吊索拉力的合力方向指向桁架吊具中心。單吊點(diǎn)力學(xué)模型如圖7所示,其中F1為傘狀吊索拉力,F2為吊具受力,G為吊點(diǎn)當(dāng)量載荷。

受力分析結(jié)果如圖8a所示,桁架最大等效應(yīng)力為273.761 MPa,發(fā)生在桁架外端連接板位置;位移云圖如圖8b所示,最大位移21.9 mm,桁架整體端部呈向上翹起、中心向下彎曲狀態(tài),符合受力規(guī)律;上下弦梁最大等效應(yīng)力118.26 MPa;吊耳最大等效應(yīng)力257.73 MPa,其應(yīng)力云圖如圖9所示,表現(xiàn)為軸孔配合處的邊緣效應(yīng)[8]。桁架整體及各局部所受應(yīng)力均小于所用材料許用應(yīng)力,位移變化小于起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的撓度值。

圖6　鋼箱梁吊具云圖

圖7　桁架吊點(diǎn)受力示意

受力分析結(jié)果如圖8a所示,桁架最大等效應(yīng)力為273.761 MPa,發(fā)生在桁架外端連接板位置;位移云圖如圖8b所示,最大位移21.9 mm,桁架整體端部呈向上翹起、中心向下彎曲狀態(tài),符合受力規(guī)律;上下弦梁最大等效應(yīng)力118.26 MPa;吊耳最大等效應(yīng)力257.73 MPa,其應(yīng)力云圖如圖9所示,表現(xiàn)為軸孔配合處的邊緣效應(yīng)[8]。桁架整體及各局部所受應(yīng)力均小于所用材料許用應(yīng)力,位移變化小于起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的撓度值。

圖8　焊接H型鋼桁架吊具分析云圖

圖9　軸孔配合局部等效應(yīng)力云圖

3　吊裝方案分析

3.1桁架箱梁比較

通過(guò)有限元分析,桁架吊具自重92 t,最大等效應(yīng)力273.761 MPa;箱梁吊具自重180 t,最大等效應(yīng)力684.68 MPa。二者相比,箱梁式吊裝方案雖經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和尺寸調(diào)整以及局部加強(qiáng),不僅自身質(zhì)量大,造成材料浪費(fèi)、增加工程成本,而且所受應(yīng)力超過(guò)材料許用應(yīng)力,與此同時(shí),箱梁吊具運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地后的安裝調(diào)試工作繁瑣復(fù)雜,連接螺栓難以避免應(yīng)力集中問(wèn)題。桁架式吊裝方案所用型鋼材料少質(zhì)量輕,并且可以在施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施焊接制造;經(jīng)過(guò)對(duì)桁架吊裝方案受力模擬分析,其產(chǎn)生的應(yīng)力值小于許用應(yīng)力,最大位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范允許的撓度值,滿足吊裝要求。

在桁架吊裝方案基礎(chǔ)上,充分考慮穹頂整體偏心量小的實(shí)際情況,筆者對(duì)偏心吊裝和添加配重后對(duì)中吊裝兩種模態(tài)進(jìn)行分析,結(jié)果顯示兩種吊裝模態(tài)對(duì)桁架的應(yīng)力應(yīng)變影響微小;偏心吊裝時(shí)吊索呈傘狀匯交于起重機(jī)吊鉤處致使每根吊索長(zhǎng)度不等,從而造成穹頂?shù)跹b的水平度調(diào)整困難,故不予采用,并略去細(xì)節(jié)比對(duì)。文中未對(duì)風(fēng)載荷對(duì)吊裝影響進(jìn)行分析,但風(fēng)荷載等其他因素對(duì)吊裝的影響不容忽視。

3.2H型鋼桁架吊具的穩(wěn)定性

在結(jié)構(gòu)靜力學(xué)有限元分析基礎(chǔ)上,對(duì)焊接H型鋼桁架吊具進(jìn)行穩(wěn)定性分析[9]。經(jīng)計(jì)算,桁架吊具結(jié)構(gòu)一階屈曲系數(shù)為2.505 8,二階屈曲系數(shù)為2.508 4,三階屈曲系數(shù)為9.050 4,數(shù)據(jù)如表2所示,三階屈曲系數(shù)均大于2,滿足吊裝工程要求。

表2焊接H型鋼桁架吊具屈曲系數(shù)

Table 2Buckling coefficient of H-beam welding truss spreader

SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE12.505811122.508412239.0504133

4　結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)CAP1400第三代核電站穹頂實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn),設(shè)計(jì)了鋼箱梁式及焊接H型鋼桁架式兩套穹頂預(yù)吊裝方案,并基于Ansys有限元分析軟件,對(duì)吊裝方案進(jìn)行分析比較。結(jié)果顯示,鋼箱梁吊裝方案難以滿足大型穹頂?shù)跹b要求,焊接H型鋼桁架吊裝方案吊具結(jié)構(gòu)不僅質(zhì)量輕、工程造價(jià)低,而且其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度好。桁架吊裝系統(tǒng)整體最大等效應(yīng)力273.761 MPa,小于材料許用應(yīng)力值;最大位移21.9 mm,符合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求的撓度值,滿足剛度要求;三階屈曲系數(shù)均大于2,吊裝系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。吊裝系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)基本合理,吊具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。該吊裝預(yù)案可以為穹頂正式吊裝提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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(編輯徐巖)

Dome module lifting pre-design and analysis of nuclear power station

YUXinian1,YANGQuanjun1,WANGJianguo2,CUILiang1,CHENNa1

(1.School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.China Nuclear Industry Huaxing Construction Co. Ltd., Nanjing 210019, China)

This paper is targeted at reducing project risks associated with nuclear power station dome lifting and ensuring the construction quality of nuclear island. This research involves addressing dome-lifting challenges, such as a thinner wall, a heavier weight, a higher docking precision and a stringent lifting requirement, and deviation between center of gravity and centroid, as in case of the dome lifting of third-generation nuclear power plant. The solution does so by designing two sets of lifting systems: steel box girder and H-beam welding truss, and adopting mulit-points & vertical lifting scheme. The scheme is validated by the analysis and evaluation based on FEA software like Ansys. The results show that, in contrast to steel box girder lifting program thwarted by the spreader inadequate to meet large dome lifting requirements, H-beam welding truss program boasts such advantages as a lighter weight, a lower cost and a better strength & stiffness. H-beam welding truss has the maximum overall stress of 273.761 MPa, less than the material allowable stress value; the max displacement of 21.9 mm, consistent with the deflection value of crane design regulatory requirements; three orders of buckling coefficients larger than 2 and a more stable lifting system. The lifting preplan analysis data proves that the lifting system has reasonable design parameters and feasible spreader structure design.

nuclear power station dome; H-beam welding; truss; steel box girder; lifting

2015-09-19

于喜年(1958-),男,遼寧省大連人,教授,研究方向:機(jī)械裝備設(shè)計(jì)理論及制造技術(shù)、大型工程吊裝技術(shù),E-mail:xny1960@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.020

TL372.2

2095-7262(2015)05-0565-05

A