池邊檢查水下測(cè)量臺(tái)架的設(shè)計(jì)及分析

馮浩志，劉豪，吳瑞，余潔，羅文廣

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，成都 610041）

0 引言

池邊檢查技術(shù)能夠準(zhǔn)確獲取相關(guān)組件輻照后數(shù)據(jù)，為組件穩(wěn)定性和完整性評(píng)價(jià)提供必要依據(jù)。池邊檢查需依托水下測(cè)量臺(tái)架進(jìn)行。文獻(xiàn)[1]以輕量化為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化理論對(duì)池邊檢查工作平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，動(dòng)靜態(tài)特性分析表明，優(yōu)化后工作平臺(tái)質(zhì)量減小了4.9%。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)出一種用于池邊檢查的氣動(dòng)三維平臺(tái)，以氣動(dòng)馬達(dá)代替水下伺服電動(dòng)機(jī)，減少成本的同時(shí)提高了系統(tǒng)的安全性。文獻(xiàn)[3] ～[4]為實(shí)現(xiàn)對(duì)反應(yīng)堆組件進(jìn)行100%非接觸式尺寸檢查，提出了用于反應(yīng)堆組件3D檢查的光電方法和系統(tǒng)，介紹了該方法的理論計(jì)算，給出了工業(yè)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。文獻(xiàn)[5]對(duì)沖擊載荷下的裝載井防護(hù)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以拓?fù)鋬?yōu)化獲取梁的最優(yōu)布置方案，沖擊載荷驗(yàn)證結(jié)果表明，防護(hù)裝置質(zhì)量有效減輕且設(shè)計(jì)時(shí)間大大縮短。文獻(xiàn)[6]結(jié)合譜分析法和簡(jiǎn)化模型-時(shí)程分析法對(duì)某研究堆乏燃料貯存架進(jìn)行了抗震分析，結(jié)果表明，此乏燃料貯存架具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度貯備，在各種工況下均能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和完整性。綜上，國(guó)內(nèi)外針對(duì)池邊檢查臺(tái)架的研究較為匱乏。

1 水下測(cè)量臺(tái)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

如圖1所示，本文所設(shè)計(jì)的水下測(cè)量臺(tái)架從上到下可分為頂部平臺(tái)（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(tái)架高約為4.5 m，底部基座占地約為3.8 m2。臺(tái)架制作完成后，通過(guò)頂部平臺(tái)的吊耳吊入乏燃料池浸沒(méi)，使用長(zhǎng)柄工具調(diào)平支腿，支腿上方皆設(shè)有喇叭口以便工具插入。池邊檢查工作進(jìn)行時(shí)，利用抓取工具將相關(guān)組件配插于測(cè)量工位，進(jìn)行外觀狀態(tài)、彈簧剛度、氧化膜厚度等項(xiàng)目的測(cè)量；之后轉(zhuǎn)移于拆解工位進(jìn)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(jìn)行破壞性檢查。

圖1 水下測(cè)量臺(tái)架三維模型

以強(qiáng)度為衡量標(biāo)準(zhǔn)分析可見(jiàn)，臺(tái)架的關(guān)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(shí)，作為直接承裝燃料相關(guān)組件的核安全級(jí)設(shè)備，臺(tái)架還需進(jìn)行抗震分析以確保使用安全。

2 水下測(cè)量臺(tái)架受力分析

2.1 吊裝狀態(tài)

水下臺(tái)架的吊裝過(guò)程中，主要是臺(tái)架頂部框架吊耳承受整個(gè)臺(tái)架的質(zhì)量（1000 kg），吊耳與框架采用螺紋連接，分析時(shí)作為一個(gè)整體考慮。對(duì)吊裝框架有限元模型采用六面體為主的網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。吊裝框架有限元模型通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后，網(wǎng)格大小控制尺寸為2.5 mm，包括53 141個(gè)單元和269 335個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 吊裝框架邊界條件

將吊帶力分解為各個(gè)方向分力，且假設(shè)4個(gè)吊點(diǎn)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(yīng)力分布

求解后得到吊裝框架最大Mises應(yīng)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(xué)性能符合GB/T 4237-2007的規(guī)定要求，力學(xué)性能滿(mǎn)足：σb≥520 MPa（抗拉強(qiáng)度），σp0.2≥205 MPa（屈服強(qiáng)度），由此可見(jiàn)，吊裝框架最大 Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的力 學(xué) 性能。據(jù)圖4（b），吊耳根部最大Mises 應(yīng)力小于65 MPa， 遠(yuǎn)小于焊接接頭 強(qiáng)度，可見(jiàn)吊裝框架及吊耳強(qiáng)度滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖4 基座受力及變形

2.2 工作狀態(tài)

在工作狀態(tài)下，測(cè)量臺(tái)架的基座同裝載井底部相接觸，基座即臺(tái)架的最終承力部位部分?；瑯釉赪orkbench中采用六面體為主網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格大小控制尺寸為20 mm，包括67 541個(gè)單元和276 178個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在基座安裝完成后，主要承受載荷為臺(tái)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(xué)分析結(jié)果如圖5所示。

由圖5（a）可見(jiàn)，基座受力面最大Mises應(yīng)力為89 MPa，支腿處最大Mises應(yīng)力為171 MPa，位于內(nèi)部的4根支腿根部，支腿大部分區(qū)域?yàn)?44 MPa?；x用的304不銹鋼力學(xué)性能符合GB/T 4237-2007的規(guī)定要求，力學(xué)性能滿(mǎn)足：σb≥520 MPa（抗拉強(qiáng)度），σp0.2≥205 MPa（屈服強(qiáng)度）。除去網(wǎng)格質(zhì)量產(chǎn)生的應(yīng)力集中之外最大Mises應(yīng)力為144 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度。因此在使用過(guò)程中，所設(shè)計(jì)的水下測(cè)量臺(tái)架不會(huì)導(dǎo)致安全事故。

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

圖5 臺(tái)架抗震簡(jiǎn)化模型

3 水下測(cè)量臺(tái)架抗震校核

對(duì)水下測(cè)量臺(tái)架需進(jìn)行抗震分析以驗(yàn)證臺(tái)架的強(qiáng)度能否經(jīng)受地震考驗(yàn)、臺(tái)架是否存在傾倒、側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用有限元抗震分析的主流方法響應(yīng)譜分析法進(jìn)行抗震分析。

如圖7（a）所示，首先將螺栓連接件、臺(tái)架頂部導(dǎo)向板等對(duì)結(jié)構(gòu)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(guān)系主要為水下臺(tái)架8個(gè)支承與裝載井底部的摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.1。臺(tái)架劃分為六面體為主的網(wǎng)格，如圖7（b）所示，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后，網(wǎng)格大小控制尺寸為20 mm，包括97 000個(gè)單元和430 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖7 臺(tái)架的現(xiàn)場(chǎng)吊裝及使用

施加重力載荷后，對(duì)水下臺(tái)架重力載荷靜力學(xué)結(jié)構(gòu)、模態(tài)進(jìn)行分析。獲得6階模態(tài)后，施加低階頻率地震載荷。取燃料廠房（1KX，1DB）樓層反應(yīng)譜值獲得裝載井+7 m地震反應(yīng)譜為激勵(lì)，如表1所示。對(duì)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(jié)果如圖8所示。

表1 +7 m地震反應(yīng)譜（g）

由圖8（a）可見(jiàn)，水下臺(tái)架最大綜合變形為9.4295 mm，出現(xiàn)在臺(tái)架頂部。由圖8（b）可見(jiàn)臺(tái)架沿X方向最大變形量為3.14 mm，出現(xiàn)在頂部拆解工位框架。臺(tái)架沿Y方向最大變形量為8.9 mm，同樣位于臺(tái)架頂部，如圖8（c）所示。臺(tái)架沿Z方向最大變形量為0.3 mm，同樣出現(xiàn)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(tái)架頂部平臺(tái)距離池邊也會(huì)留有650 mm 的安全距離，因此，頂部平臺(tái)最大約9 mm的變形遠(yuǎn)不足以導(dǎo)致臺(tái)架磕碰池壁，更不可能造成大范圍晃動(dòng)或傾倒，由此可知，臺(tái)架在地震載荷下不會(huì)發(fā)生傾倒等安全事故。

而地震工況下臺(tái)架的最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)于底部基座與支撐架連接位置，如圖9所示，最大Mises應(yīng)力為103 MPa，遠(yuǎn)小于所選用的304不銹鋼205 MPa的屈服強(qiáng)度。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 臺(tái)架不同方向的位移變化

目前，本文所設(shè)計(jì)的水下測(cè)量臺(tái)架已應(yīng)用于某核電站的池邊檢查項(xiàng)目，在其裝載井和乏燃料水池中完成了對(duì)經(jīng)過(guò)若干個(gè)不同循環(huán)出堆的專(zhuān)用相關(guān)組件進(jìn)行外觀檢查、尺寸測(cè)量及組裝件拆卸。臺(tái)架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性在吊裝試驗(yàn)、模擬實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)程中得到了有效驗(yàn)證。該臺(tái)架后續(xù)還將在國(guó)內(nèi)多個(gè)核電動(dòng)機(jī)組的乏燃料池邊檢查工作中進(jìn)一步應(yīng)用，圖10（a）、圖10（b）分別為水下檢查平臺(tái)的吊裝及工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)了一種用于燃料相關(guān)組件池邊檢查的水下測(cè)量臺(tái)架，主要由頂部平臺(tái)、元件承裝箱、支撐架、基座及支腿等部分組成，具備支撐、轉(zhuǎn)運(yùn)、暫存及配套的組件檢查功能，且能滿(mǎn)足安裝不同工位的需求，可配合完成組件不同測(cè)量目的。

2）通過(guò)受力分析，可見(jiàn)水下測(cè)量臺(tái)架在吊裝安裝及水下工作狀態(tài)下的變形及應(yīng)力均可滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，其吊耳、框架、基座等應(yīng)力集中部位也充分滿(mǎn)足材料的力學(xué)性能，保證了其安裝與工作狀態(tài)下的可靠性和穩(wěn)定性。

3）燃料相關(guān)組件的特殊性需要針對(duì)臺(tái)架進(jìn)行抗震分析，通過(guò)抗震校核，證明了臺(tái)架在工作狀態(tài)下，若出現(xiàn)地震現(xiàn)象，不會(huì)發(fā)生傾倒等安全事故。