核電廠滿足單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)設(shè)計特點分析

沈艷祥　周超　周洋

【摘 要】本文根據(jù)國內(nèi)外核電廠起重機(jī)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對滿足單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計特點進(jìn)行了詳細(xì)介紹和分析，有利于提高我國核電廠起重設(shè)備的安全性能，對起重設(shè)備的設(shè)計有一定參考價值。

【關(guān)鍵詞】單一故障；起升機(jī)構(gòu)；安全功能

0 前言

單一故障準(zhǔn)則是指在單一故障情況下，部件（設(shè)備）、系統(tǒng)、核動力廠不能喪失預(yù)計安全功能。對于起升機(jī)構(gòu)，其滿足單一故障準(zhǔn)則的具體表現(xiàn)為：在發(fā)生斷電、SSE地震事件、零部件故障時，應(yīng)保證不發(fā)生臨界載荷跌落事故，即在發(fā)生單一故障時，不要求設(shè)備繼續(xù)正常運行，但應(yīng)有措施能夠?qū)⑤d荷轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域，設(shè)備在修復(fù)后能夠恢復(fù)正常運行。本文結(jié)合國內(nèi)外起重設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對滿足單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計特點進(jìn)行了介紹，并做了詳細(xì)分析。

1 起升機(jī)構(gòu)布置及分析[1-2]

1.1 帶安全制動器的單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

如圖1所布置的起升機(jī)構(gòu)包含1個驅(qū)動電機(jī)、1個減速器、1個運行制動器、1個緊急制動器和1個安全制動器。緊急制動器作為備用，延遲運行制動器動作，延遲時間通過電氣設(shè)置。安全制動器位于卷筒上，當(dāng)起升機(jī)構(gòu)發(fā)生超速、傳動鏈損壞、停電或事故斷電時，安全制動器進(jìn)行制動，直接抱住卷筒，防止載荷跌落。該布置方式的最大特點是在卷筒的輪緣上設(shè)置安全制動器，是國內(nèi)起重設(shè)備廠家普遍采用的一種結(jié)構(gòu)形式。

圖1 帶安全制動器的單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

1.2 雙減速器單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

圖2 雙減速器單驅(qū)動起升機(jī)構(gòu)

如圖2所示，雙減速器起升機(jī)構(gòu)。1個驅(qū)動電動機(jī)連接到2個獨立的減速器高速軸，機(jī)構(gòu)設(shè)置1個運行制動器和1個緊急制動器，緊急制動器延時動作。這是典型的閉環(huán)布置形式，當(dāng)一條起升傳動鏈?zhǔn)r，另一條傳動鏈可以保持住載荷，保證載荷不會跌落。

1.3 雙起升機(jī)構(gòu)

雙起升機(jī)構(gòu)布置形式如圖3所示。將2個起升機(jī)構(gòu)組合成1個冗余的起升機(jī)構(gòu)。這種布置將2個獨立起升卷筒中的鋼絲繩卷繞到同一個滑輪組。每一個起升機(jī)構(gòu)提供各自的載荷路徑，當(dāng)一個起升機(jī)構(gòu)載荷路徑部件失效時，另一個起升機(jī)構(gòu)能夠保持載荷不跌落，從而實現(xiàn)安全功能。每個起升機(jī)構(gòu)上都設(shè)置1個運行制動器和1個緊急制動器。

圖3 雙起升機(jī)構(gòu)

2 鋼絲繩卷繞系統(tǒng)

滿足單一故障準(zhǔn)則的鋼絲繩卷繞系統(tǒng)通常包含2根鋼絲繩，當(dāng)1根鋼絲繩斷裂時，載荷由另一根鋼絲繩承擔(dān)，避免載荷跌落。如圖4所示，黑色和白色兩根獨立的鋼絲繩，通過載荷平衡裝置纏繞在卷筒、定滑輪組、動滑輪組上。載荷平衡器能夠?qū)⑤d荷均勻的分布在兩根鋼絲繩上，每根鋼絲繩的承載能力都以最大起升載荷進(jìn)行設(shè)計，即便1根斷裂，另1根也有足夠的強(qiáng)度承擔(dān)載荷[1][3]。

圖4 鋼絲繩卷繞系統(tǒng)

3 斷軸保護(hù)

斷軸保護(hù)裝置安裝在卷筒的底部，當(dāng)減速器軸或卷筒軸斷裂時，斷軸保護(hù)裝置能夠支撐住卷筒，不會發(fā)生更嚴(yán)重的跌落，保證卷筒不會與制動系統(tǒng)脫開，同時觸發(fā)保護(hù)開關(guān)，發(fā)出報警，啟動制動器動作，保持住載荷不跌落。如圖5所示，提供了一種斷軸保護(hù)裝置的布置形式。

圖5 斷軸支撐裝置

4 防“冒頂”事故

“冒頂”是指動滑輪組向上運動與定滑輪組發(fā)生碰撞，嚴(yán)重時可導(dǎo)致鋼絲繩被剪斷。為防止冒頂發(fā)生，NUREG-0554提供了兩種應(yīng)對方法。第一種方法是在起升系統(tǒng)中設(shè)置力矩限制系統(tǒng)，用以吸收和控制發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的動能，從而保護(hù)鋼絲繩不被剪斷。第二種方法是設(shè)置兩個相對獨立的不同型式的行程限位開關(guān)，當(dāng)動滑輪組觸碰第一個行程開關(guān)時將停止起升運動；第二個為超行程開關(guān)在第一個行程開關(guān)失效時起作用，其設(shè)計理念是避免冒頂事故發(fā)生[4]。

美國針對第一種方法開發(fā)了一種安全保護(hù)系統(tǒng)，名為X-SAM系統(tǒng)，并取得了知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)。這個系統(tǒng)在減速器油池內(nèi)設(shè)置了扭矩限制器，使其具有更高的熱容量，當(dāng)出現(xiàn)輪組碰撞、載荷卡阻等超載事故時，如果起升電機(jī)未能及時停轉(zhuǎn)，具有良好的熱容量可以為故障檢測及安全裝置動作提供時間，而不會導(dǎo)致扭矩限制器損壞。在整個的工作過程中，扭矩限制器不會與載荷脫開，它所執(zhí)行的功能是即使出現(xiàn)超載的情況，仍然只傳遞額定載荷產(chǎn)生的扭矩，進(jìn)而阻止起升卷筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動而對起升機(jī)構(gòu)產(chǎn)生破壞。簡而言之，第一種方法是依靠機(jī)械系統(tǒng)，第二種方法依靠電氣系統(tǒng)，隨著電氣設(shè)備可靠性的逐步提高，業(yè)界也對于這兩種方法的優(yōu)略存在著分歧，而國內(nèi)大部分采用的是第二種設(shè)計方法。

5 吊具

吊具是指安裝在動滑輪組上、與起升載荷連接的部件，例如，吊鉤、吊梁、軛等裝置。吊具的設(shè)計應(yīng)保證能承受3倍于所吊運的最大載荷（靜載和動載）而不發(fā)生永久變形[4]。吊具安全性能主要體現(xiàn)在設(shè)計計算時采用較高的安全系數(shù)來實現(xiàn)。

6 其他安全措施

鋼絲繩防疊繞監(jiān)測裝置，當(dāng)鋼絲繩發(fā)生錯誤纏繞現(xiàn)象，鋼絲繩將碰撞防疊繞撥桿，撥桿觸動限位開關(guān)動作，從而停止起升或下降[5]。

負(fù)載保護(hù)系統(tǒng)，在起升機(jī)構(gòu)上設(shè)置帶測力裝置的負(fù)載限制系統(tǒng)，其測力信號可在司機(jī)室監(jiān)控工作站顯示，當(dāng)起升載荷超過規(guī)定值時，將立刻切斷起升電機(jī)電源。

傳動鏈監(jiān)測系統(tǒng)，通過兩個編碼器對比電機(jī)和卷筒的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對傳動鏈的實時監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測到故障時，立即觸發(fā)制動器動作。

超速保護(hù)裝置，在電機(jī)內(nèi)部設(shè)置超速開關(guān)，當(dāng)電動機(jī)超速工作時，開關(guān)動作切斷起升機(jī)構(gòu)電機(jī)的電源。

7 結(jié)束語

單一故障準(zhǔn)則起升機(jī)構(gòu)在核電廠中廣泛應(yīng)用，例如，環(huán)形吊車、乏燃料容器吊車、裝卸料機(jī)、新燃料升降機(jī)等，其根本要求是保證臨界載荷不發(fā)生跌落，實現(xiàn)其安全功能。

【參考文獻(xiàn)】

[1]ASME NOG-1-2010 Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes （Top Running Bridge， Multiple Girder）[S].

[2]NB/T 20234-2013核電廠專用起重機(jī)設(shè)計準(zhǔn)則[S].

[3]賀小明，奚梅英，翁晨陽.核電廠橋、門式起重機(jī)防單一故障特性要求[J].起重運輸機(jī)械，2012（9）：88-94.

[4]SINGLE-FAILURE-PROOF RANES FOR NUCLEAR POWER[Z].

[5]李賀龍，梁文燾，周忠武，曹向陽，郭富強(qiáng).起升機(jī)構(gòu)單一故障保護(hù)的實現(xiàn)[J].裝備制造技術(shù)，2014（8）：282-284.

[責(zé)任編輯：王楠]