乏燃料容器垂直吊具襯套變形事件分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化

包博宇，郝建生，姚 琳

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

隨著我國(guó)核電機(jī)組投運(yùn)，乏燃料貯存量增加，乏燃料的后端物流對(duì)核工業(yè)安全、高效運(yùn)營(yíng)起著十分重要的作用［2］。乏燃料容器作為該物流系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)整個(gè)物流系統(tǒng)的性能存在很大程度的影響。

乏燃料容器垂直吊具是乏燃料容器的專用提升裝置（以下簡(jiǎn)稱“垂直吊具”，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1），保證其性能可靠性是乏燃料容器的安全、快速操作的基礎(chǔ)［4］。本文通過事件分析，對(duì)垂直吊具結(jié)構(gòu)做出設(shè)計(jì)優(yōu)化，有利于提高乏燃料容器操作的安全性和便捷性。

圖1 垂直吊具三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1. 3D-model of vertical lifting yoke

1 乏燃料容器垂直吊具

1.1 垂直吊具基本結(jié)構(gòu)

乏燃料容器垂直吊具是乏燃料容器（以下簡(jiǎn)稱“容器”）的專用提升裝置，用于在運(yùn)輸容器操作過程中提升、翻轉(zhuǎn)和操作空載或滿載容器。在對(duì)容器進(jìn)行操作時(shí)，垂直吊具上端通過銷軸與吊車連接，下端通過兩個(gè)吊臂與容器兩個(gè)相對(duì)的提升耳軸連接。為避免容器操作過程中損傷提升耳軸表面，吊臂提升孔內(nèi)設(shè)置有鋁青銅襯套，襯套下圓弧面與吊臂提升孔的下弧面直接接觸，并通過四個(gè)螺栓進(jìn)行壓緊、固定（吊臂、提升孔及襯套的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2）。由于襯套受到擠壓會(huì)發(fā)生變形，需要對(duì)襯套進(jìn)行定期更換。作為乏燃料容器的關(guān)鍵輔助設(shè)備，垂直吊具設(shè)計(jì)的合理性是保證容器操作過程安全和高效的重要因素。垂直吊具吊臂襯套是垂直吊具與容器提升耳軸的接口，是影響容器操作安全、高效進(jìn)行的關(guān)鍵因素。

圖2 吊臂、提升孔和襯套三維結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2.3D-model of boom,lifting hole and bushing

1.2 垂直吊具結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的事件

國(guó)際上主流乏燃料容器的垂直吊具都存在類似的上述結(jié)構(gòu)，而具有此類結(jié)構(gòu)的垂直吊具曾發(fā)生以下問題：在更換襯套時(shí)，起固定作用的螺栓難以拆除，導(dǎo)致襯套的更換操作很不方便，延誤維護(hù)時(shí)間。為將變形的襯套及時(shí)拆除，更換新的襯套，就必須將變形襯套機(jī)械加工切除，再將固定螺栓拆除，最后完成襯套更換。

1.3 事件后果

為將變形的襯套及時(shí)拆除，更換新的襯套，操作人員不得不采取將襯套機(jī)械加工切除的方法。拆除變形的襯套需要進(jìn)行大量的準(zhǔn)備工作:為方便機(jī)械加工操作，需要將導(dǎo)向裝置、頂緊裝置、吊臂及安裝在吊臂上的氣壓元件等全部拆卸，增加了操作任務(wù)量；同時(shí)機(jī)械加工過程中存在對(duì)吊臂造成損壞的風(fēng)險(xiǎn)，影響垂直吊具的安全使用。這類事件影響乏燃料容器的操作安全性和高效性。因此，對(duì)此類事件及時(shí)展開根本原因分析，并采取合理、有效的措施，避免類似事件再次發(fā)生，對(duì)于乏燃料容器的順利供貨和安全使用具有重要意義。

2 事件調(diào)查

該故障事件的發(fā)生及調(diào)查處理過程參見表1。

表1 事件過程調(diào)查Table 1 Incident process investigation

事件機(jī)械加工切除部分襯套，露出螺栓固定襯套的螺栓發(fā)生扭曲變形。拆除螺栓，去掉剩余襯套安裝新的襯套、螺栓，組裝垂直吊具說明圖片images/BZ_80_699_506_1134_792.pngimages/BZ_80_700_868_1133_1430.pngimages/BZ_80_745_1521_1088_2082.png

3 根本原因分析

根據(jù)上文所述的事件過程，本文運(yùn)用原因因子圖分析法對(duì)該問題進(jìn)行逐層深入分析。

3.1 事件主線

首先確定事件發(fā)生主線。經(jīng)分析，“使用垂直吊具進(jìn)行容器操作”是初始事件，“襯套變形嚴(yán)重，無(wú)法拆除，導(dǎo)致無(wú)法順利更換新的襯套”是此次事件的最終事件。而按照事件發(fā)生的事件序列，可將主要事件及主要影響描述為“垂直吊具襯套發(fā)生變形，未進(jìn)行更換”以及“襯套過頂螺栓扭曲變形、卡死，無(wú)法正常拆除”。

事件主線的原因因子圖如圖3所示。

圖3 事件主線Fig 3 Event main line

3.2 主要原因因子分析

3.2.1“垂直吊具襯套發(fā)生變形，未進(jìn)行更換”事件原因因子分析

經(jīng)分析可知，由于垂直吊具提升載荷較大（約100 t），在使用垂直吊具對(duì)容器進(jìn)行提升的過程中，襯套會(huì)受到很大的擠壓力，從而產(chǎn)生形變；在使用垂直吊具對(duì)容器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的過程中，襯套在摩擦力的作用下，其下圓弧面將會(huì)沿吊臂提升孔下圓弧面產(chǎn)生滑動(dòng)趨勢(shì)，從而直接導(dǎo)致固定襯套的螺栓受到剪切力作用。垂直吊具在經(jīng)常使用的情況下，其襯套將會(huì)承受頻繁的、較大的載荷及摩擦力作用，最終會(huì)導(dǎo)致螺栓發(fā)生變形，甚至可能會(huì)被切斷。螺栓發(fā)生變形后，將會(huì)卡死在螺栓孔內(nèi)無(wú)法拆除，進(jìn)而導(dǎo)致襯套的更換操作困難。因此，在每次使用垂直吊具前和使用后，均需要對(duì)襯套進(jìn)行充分檢查，一旦發(fā)現(xiàn)變形，應(yīng)立刻更換新的襯套。

查閱垂直吊具的“設(shè)備操作大綱”后，經(jīng)分析可認(rèn)為“垂直吊具襯套發(fā)生變形，未及時(shí)更換”的主要原因是發(fā)現(xiàn)大綱中并未明確襯套的檢查方式、判斷標(biāo)準(zhǔn)、何時(shí)檢查，對(duì)檢查次數(shù)也未做出明確規(guī)定。垂直吊具的施工圖紙和技術(shù)條件均無(wú)設(shè)備使用要求和注意事項(xiàng)的相關(guān)要求，對(duì)垂直吊具的接口要求、操作工況沒有相應(yīng)的提示。顯然，設(shè)計(jì)方?jīng)]有提供可以保證設(shè)備質(zhì)量、可靠性或可操作性的規(guī)定，同時(shí)設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，缺少應(yīng)有的培訓(xùn)。因此可以看出，“缺少可以保證設(shè)備質(zhì)量、可靠性或可操作性的規(guī)定”和“設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，缺少充分的培訓(xùn)”是此條事件分支的兩個(gè)根本原因。

該事件分支的原因因子圖如圖4所示。

圖4“垂直吊具襯套發(fā)生變形，未及時(shí)更換”事件分支原因因子圖Fig 4 Branch cause factor diagram of“vertical spreader bushing deformed and not replaced in time”

3.2.2“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無(wú)法拆除”事件原因分析

對(duì)于“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無(wú)法拆除”這項(xiàng)主要影響事件，小組成員根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)垂直吊具的接口條件和操作工況所涉及的因素逐個(gè)進(jìn)行排查，并最終確定了“螺栓塑性變形過大”是導(dǎo)致該事件發(fā)生的重要因素，確定了事件發(fā)生的重要因素后，繼續(xù)對(duì)該因素的輸入原因進(jìn)一步分析。

（1）對(duì)于“螺栓塑性變形過大”這一因素，經(jīng)分析可認(rèn)為“螺栓承載時(shí)間過長(zhǎng)”是其根本原因。

經(jīng)過對(duì)襯套使用工況分析可知，襯套及其固定螺栓的作用是為保護(hù)容器提升耳軸表面免受摩擦損傷，為犧牲部件，可更換；垂直吊具施工圖紙中襯套的材料為鋁青銅，材質(zhì)較軟，固定螺栓所選用的材料為A2-70，在載荷作用下，襯套可承受適量的變形，固定螺栓可承受適量的塑性變形，均可滿足襯套使用工況的要求。但是固定螺栓在過長(zhǎng)時(shí)間的載荷作用下，塑性變形會(huì)加大，導(dǎo)致嚴(yán)重扭曲變形，影響其使用要求。垂直吊具的“設(shè)備操作大綱”中缺少襯套及固定螺栓的使用次數(shù)的規(guī)定，沒有螺栓更換周期的要求。垂直吊具的施工圖紙和技術(shù)條件均無(wú)固定螺栓的使用要求和注意事項(xiàng)的規(guī)定，對(duì)螺栓的使用次數(shù)和更換周期沒有明確提示。顯然，設(shè)計(jì)方?jīng)]有提供可以保證設(shè)備質(zhì)量、可靠性或可操作性的規(guī)定，同時(shí)涉及人員經(jīng)驗(yàn)不足，缺少應(yīng)有的培訓(xùn)。因此可以看出，“缺少可以保證設(shè)備質(zhì)量、可靠性或可操作性的規(guī)定”和“設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，缺少充分的培訓(xùn)”是此條事件分支的兩個(gè)根本原因。

（2）對(duì)于“螺栓塑性變形過大”，分析認(rèn)為“螺栓承受過大的剪切力”可能是其原因之一。小組成員經(jīng)過討論、分析，在使用垂直吊具進(jìn)行容器吊裝、翻轉(zhuǎn)操作時(shí)，襯套會(huì)直接承受襯套與容器耳軸之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦力；由于襯套與垂直吊具吊臂提升孔之間為圓弧面接觸，所以襯套承受的滑動(dòng)摩擦力會(huì)直接施加在襯套固定螺栓上，使螺栓承受剪切力，該剪切力是導(dǎo)致螺栓發(fā)生塑性變形的原因之一。經(jīng)分析可知，襯套承受的載荷為容器重量，并未超過設(shè)計(jì)載荷要求。所以“垂直吊具提升載荷過大”在本事件中并未發(fā)生。

根據(jù)以上分析，本文將“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無(wú)法拆除”事件分支的原因因子圖繪制如圖5。

圖5“襯套固定螺栓扭曲變形、卡死，無(wú)法拆除”事件分支原因因子圖Fig.5 Branch cause factor diagram of“bushing fixing bolt twisted,stuck and unable to be removed”

3.3 事件原因總結(jié)

3.3.1 直接原因

“襯套螺栓發(fā)生扭曲變形、卡死，無(wú)法拆除”是導(dǎo)致變形事件“襯套嚴(yán)重變形，無(wú)法拆除并更換新的襯套”的直接原因之一。

3.3.2 根本原因

根據(jù)3.2.1節(jié)和3.2.2節(jié)的分析，本文繪制此次垂直吊具襯套無(wú)法更換的完整原因因子圖，如圖6所示。需要說明的是，該因子圖僅列出了本次事件實(shí)際發(fā)生的原因因子。

圖6 本次垂直吊具襯套更換困難事件的原因因子圖Fig.6 Cause factor diagram of difficult replacement of vertical spreader bushing

導(dǎo)致質(zhì)量特性波動(dòng)的因素根據(jù)來(lái)源不同，將事件原因分為人（Man）、機(jī)（Machine）、料（Material）、法（Method）、環(huán)（Environment）、測(cè)（Measurement）6個(gè)方面［1］。根據(jù)本事件兩個(gè)主要原因因子分析可知，本事件原因不涉及環(huán)境因素，故將其余五個(gè)方面的因素總結(jié)為如圖7所示的因果圖。

圖7 襯套變形事件因果圖Fig.7 cause and effect diagram of bushing deformation event

4 事件糾正措施和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 糾正措施

本文針對(duì)第3節(jié)中分析得出的根本原因，逐條制定了相應(yīng)的糾正措施：對(duì)設(shè)備接口輸入、操作工況情況進(jìn)行全面梳理，明確設(shè)備使用前后檢查的內(nèi)容、要求和標(biāo)準(zhǔn)，為現(xiàn)場(chǎng)操作提供垂直吊具襯套檢查方案。針對(duì)“設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)不足，缺少充分培訓(xùn)”這項(xiàng)根本原因，建議在后續(xù)的設(shè)計(jì)工作中繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)施工圖及技術(shù)條件的審查，尤其是設(shè)備操作相關(guān)的內(nèi)容要考慮全面、充分；同時(shí)加強(qiáng)與設(shè)備使用方的技術(shù)交流，及時(shí)溝通設(shè)備使用的注意事項(xiàng)及現(xiàn)場(chǎng)使用情況，避免出現(xiàn)類似垂直吊具襯套無(wú)法更換的情況。

4.2 經(jīng)驗(yàn)反饋與設(shè)計(jì)優(yōu)化

從載荷角度分析，襯套變形無(wú)法拆除的可能原因有二：承載時(shí)間過長(zhǎng)和承受載荷過大。從結(jié)構(gòu)角度分析，吊臂與襯套之間圓弧面接觸的接口形式（如圖8所示），會(huì)使襯套固定螺栓直接承受剪切力。這些因素的共同作用導(dǎo)致了固定襯套的螺栓發(fā)生變形，襯套更換困難。為了避免固定襯套螺栓直接承受剪切力作用，在保證吊臂強(qiáng)度要求的前提下，相關(guān)方應(yīng)對(duì)吊臂與襯套的接口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 吊臂提升孔與襯套接觸方式優(yōu)化前Fig.8 contact mode between lifting hole and bushing of boom-before optimization

本文建議在吊臂提升孔的下圓弧面上左右各設(shè)置一個(gè)臺(tái)階，呈凹形弧面，同時(shí)在襯套的下圓弧面左右各設(shè)置一個(gè)臺(tái)階，呈凸形弧面；吊臂與襯套的接口形式由直接圓弧面接觸，變成圓弧面接觸和限位臺(tái)階，如圖9所示。

圖9 吊臂提升孔與襯套接觸方式優(yōu)化后Fig.9 contact mode between lifting hole and bushing of boom-after optimization

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可以保證在使用垂直吊具對(duì)容器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的過程中，吊臂提升孔處設(shè)置的臺(tái)階可以直接承受襯套的切向力，從而有效減少甚至避免固定螺栓所受的剪切力，避免螺栓發(fā)生變形，保證襯套方便拆卸、更換。

5 總結(jié)

通過對(duì)國(guó)際上類似的乏燃料容器垂直吊具襯套更換困難事件的經(jīng)驗(yàn)反饋和根本原因分析，本文提出了乏燃料容器垂直吊具吊臂與襯套的接口形式的優(yōu)化方案和垂直吊具襯套檢查方案，通過以上方案，避免在垂直吊具使用期間再次發(fā)生襯套無(wú)法更換的情況，從而保證乏燃料容器的安全操作，保證乏燃料組件的安全運(yùn)輸。根本原因分析和經(jīng)驗(yàn)反饋對(duì)設(shè)計(jì)中的不足可以起到很好的放大作用，從而使得設(shè)計(jì)者對(duì)已有設(shè)計(jì)進(jìn)行持續(xù)的質(zhì)量改進(jìn)，在滿足其原有功能的前提下，對(duì)提升產(chǎn)品質(zhì)量起到積極影響。