液壓抽芯工具在STR001TX 中應(yīng)用的可行性

李強(qiáng)

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 深圳518000）

1 引言

陽(yáng)江1～6#核電機(jī)組蒸汽轉(zhuǎn)換器STR001TX 需要定期3C抽芯進(jìn)行內(nèi)部檢查。如何在保障設(shè)備和人員的安全狀態(tài)下使用新型工具完成本次的抽芯活動(dòng)，滿(mǎn)足對(duì)維修大綱活動(dòng)以及在役檢查的相關(guān)要求，是當(dāng)前首要解決的問(wèn)題?，F(xiàn)階段預(yù)研發(fā)一套液壓抽芯工具，本文將從工具描述、組成、理論計(jì)算以及試驗(yàn)要求等四個(gè)方面對(duì)該工具的可用性進(jìn)行解析和說(shuō)明。

2 工具描述

如圖1 所示，該工具為框架結(jié)構(gòu)，框架以及設(shè)備基座頂部安裝軌道。通過(guò)軌道上的液壓小車(chē)將STR 芯體抽出至工具框架上方或推回至設(shè)備殼體。

3 組成說(shuō)明

3.1 支撐框架

圖1 現(xiàn)場(chǎng)模擬組裝圖

支撐框架為運(yùn)輸導(dǎo)軌提供合適位置的支撐，并承擔(dān)整個(gè)抽芯過(guò)程中在水平方向以及垂直方向出現(xiàn)的承載。承載的有效性直接關(guān)系到抽芯活動(dòng)的安全和質(zhì)量。支撐框架主要為鋁合金（6063-T5）型材8-8080/120120，在減輕工具本身重量的同時(shí)，有效提高工具的強(qiáng)度?？蚣芙Y(jié)構(gòu)主要以門(mén)架形式組成，共計(jì)6 組門(mén)架，主要包含橫梁組件、連桿組件、立柱組件以及鋼繩索組件等。門(mén)架的以STR 換熱器為中心，在地面上安裝邊側(cè)立柱組件、中間立柱組件、橫梁組件和連桿組件。通過(guò)304L連接角鋼使用M8 的A2-70 螺栓連接各部件，并使用固定在地錨板上的鋼繩索組件拉緊來(lái)提升框架的水平承載能力。門(mén)架安裝需保障與STR 換熱器基臺(tái)處于同一高度并且垂直度不大于0.5mm/m。橫梁組件頂面水平度可用底部立柱來(lái)調(diào)節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)為水平度誤差小于0.5mm/m。門(mén)架間距可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作適當(dāng)調(diào)整，保障最大間距不得超過(guò)1.6m。

3.2 運(yùn)輸軌道

導(dǎo)軌由ABCD 四段組成，安裝在基座頂部的為A 導(dǎo)軌，其余在框架頂部?；?chē)組件升降機(jī)置于A 導(dǎo)軌段。導(dǎo)軌A 為鋁合金（6063-T5）型材8-8080，導(dǎo)軌BCD 為鋁合金（6063-T5）型材120120。通過(guò)304L 連接角鋼使用M8 的A2-70 螺栓固定在框架上。安裝時(shí)需根據(jù)中心線，對(duì)稱(chēng)安裝導(dǎo)軌組件A、導(dǎo)軌組件B、導(dǎo)軌組件C、導(dǎo)軌組件D。保證導(dǎo)軌組件A 中心距360mm±2mm，導(dǎo)軌組件B、導(dǎo)軌組件C、導(dǎo)軌組件D 中心距500mm±2mm。導(dǎo)軌安裝好后可通過(guò)全行程滑行液壓小車(chē)，復(fù)查油缸中心與STR 換熱器中心是否重合。

3.3 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

液壓動(dòng)力系統(tǒng)為該設(shè)備的主要?jiǎng)恿?lái)源，主要包含管板夾具組件、液壓工作站組件、油缸支座組件、動(dòng)力電源等。在工具完全組裝好后，液壓動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)管板夾具組件與設(shè)備芯體相連。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥觀察液壓系統(tǒng)壓力，以便控制系統(tǒng)的輸出力（油缸縮回拉力Ton.f=系統(tǒng)壓力MPa×0.3436，油缸伸出推力Ton.f=系統(tǒng)壓力MPa×0.5026）來(lái)實(shí)現(xiàn)芯體的抽出或裝復(fù)。如果管束組件不能被拉動(dòng)，應(yīng)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，逐漸提高系統(tǒng)壓力，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力。液壓系統(tǒng)最高運(yùn)行壓力為22MPa，在管束拉出或推回過(guò)程中，液壓系統(tǒng)壓力過(guò)高、出現(xiàn)突變、設(shè)備出現(xiàn)異音，應(yīng)檢查確定管束組件或抽芯工具是否卡阻。

以上三部分為工具的重要構(gòu)成，因此，在材料選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安裝要求上均制定了明確的規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)，按要求安裝及操作能保證芯體拉出時(shí)不會(huì)對(duì)管束造成任何損傷。

4 理論計(jì)算

根據(jù)STR 換熱器抽芯工具工作使用條件：管束組件自重為8Ton.f，最大水平拉力為8Ton.f。在管束組件拔出過(guò)程中，抽芯工具須逐漸承受管束組件重力直至8Ton.f，管束的回裝過(guò)程與之相反。整個(gè)工作過(guò)程中，安裝架不僅滿(mǎn)足靜力承載強(qiáng)度要求，由于該安裝架為桁架結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析。為此，對(duì)抽芯工具進(jìn)行有限元仿真分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足使用要求。

抽芯工具框架主材料為鋁合金6063，其它非鋁合金材料為Q235-B，螺栓材料為A2-70。材料的力學(xué)性能見(jiàn)表1。許用應(yīng)力按照第三強(qiáng)度理論并大于屈服極限的原則，由屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度計(jì)算得到，該計(jì)算公式為：S=min（Sy，2/3Su）。

表1 材料力學(xué)性能參數(shù)

抽芯工具承受管束組件8Ton.f 載荷。為了更接近實(shí)際工作狀態(tài)，拔出和回裝分五個(gè)工況進(jìn)行，重力載荷依次為2、4、6、8Ton.f。水平拉力8Ton.f 足夠克服換熱器內(nèi)部阻力，以此為參考，水平方向8Ton.f 拉力（裝入時(shí)為壓力）恒定不變。

抽芯工具在拔出和推入各工況條件下的載荷組合和使用限制列于表2、3。

表2 拔出時(shí)載荷組合和使用限制

表3 推入時(shí)載荷組合和使用限制

由于結(jié)構(gòu)使用材料為塑性材料，依據(jù)第三強(qiáng)度理論。取表1 中許用應(yīng)力與計(jì)算的米塞斯應(yīng)力比較來(lái)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的安全性。

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)，采用NXNASTRAN 程序中的梁?jiǎn)卧蜅U單元建立有限元計(jì)算模型，進(jìn)行仿真分析。仿真單元總數(shù)2813，節(jié)點(diǎn)總數(shù)2722。抽芯時(shí)約束如下：約束底板上30 個(gè)腳墊的豎向自由度；鋼絲繩端頭固定約束；框架前端兩端Z 向約束。

利用有限元模型，對(duì)框架進(jìn)行靜力和穩(wěn)定性分析。對(duì)十種工況下橫梁與撐桿進(jìn)行評(píng)定。各評(píng)定部件的最大應(yīng)力值和評(píng)定結(jié)果如表4、5 所示。

表5 推入時(shí)橫梁和撐桿的最大應(yīng)力及評(píng)定結(jié)果

評(píng)定結(jié)果顯示，抽芯開(kāi)始時(shí)，橫梁應(yīng)力值與限值的最大比值為0.50，管束最終壓入時(shí)橫梁應(yīng)力值與限值的最大比值為0.356。抽芯工具的各主承力部件在各個(gè)工況下的最大應(yīng)力均小于相應(yīng)的限值。框架在抽芯與推入過(guò)程中滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。

基于前面對(duì)抽芯工具框架靜強(qiáng)度整體進(jìn)行了靜力與穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果表明，框架整體滿(mǎn)足使用要求。這一結(jié)果是建立在局部連接及加載部件連接可靠的基礎(chǔ)上的，為此還需對(duì)部分關(guān)鍵部件進(jìn)行單獨(dú)校核。主要評(píng)定部件包括液壓支座、C 型夾以及支座。拔出時(shí)橫梁和撐桿的最大應(yīng)力下主要評(píng)定部件的計(jì)算值與限值的比例分別為0.62、0.66、0.11。由于計(jì)算值與應(yīng)力限值比例都比1 小，評(píng)定結(jié)果顯示，各主承力部件滿(mǎn)足靜強(qiáng)度要求。

對(duì)抽芯工具整體用梁?jiǎn)卧蜅U單元組合進(jìn)行了靜強(qiáng)度及穩(wěn)定性分析，結(jié)構(gòu)整體滿(mǎn)足使用要求。對(duì)部分關(guān)鍵承力部件采用實(shí)體建模，單獨(dú)采用極限載荷進(jìn)行校核計(jì)算，其結(jié)果也滿(mǎn)足使用要求。

綜上述，從理論計(jì)算上，該工具能夠承受8Ton.f 重力和8Ton.f 水平方向的拉力或推力。

5 試驗(yàn)與驗(yàn)證

進(jìn)行拉力以及推力試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中使用紅外水平儀進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)收。

試驗(yàn)先決條件：設(shè)備封頭已拆卸、設(shè)備滑動(dòng)地腳螺栓已按固定地腳螺栓力矩進(jìn)行緊固、現(xiàn)場(chǎng)工具已搭建好、應(yīng)用10Ton.f量程的拉力計(jì)。

提醒：在上一步試驗(yàn)合格且不超過(guò)最大標(biāo)準(zhǔn)的80%的情況下方可進(jìn)行下一步增力試驗(yàn)。

試驗(yàn)主要包含：

①拉力試驗(yàn)：拉力試驗(yàn)為2～8Ton.f 逐步增加，待拉力穩(wěn)定后測(cè)量此時(shí)紅外水平儀的偏轉(zhuǎn)。同步驗(yàn)證油壓與各拉力下的對(duì)應(yīng)關(guān)系。液壓系統(tǒng)油壓表對(duì)應(yīng)拉力計(jì)數(shù)值。

②進(jìn)行推力試驗(yàn)：推力為2～8Ton.f 逐步增加（根據(jù)油壓表數(shù)值確認(rèn)推力），待拉力穩(wěn)定后測(cè)量此時(shí)紅外水平儀的偏轉(zhuǎn)。

驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：通過(guò)紅外水平儀測(cè)量立柱的垂直度變化。由于立柱高3015mm，在滿(mǎn)足工具整體和局部的強(qiáng)度下，按照保守要求頂部到底部的垂直度偏轉(zhuǎn)不超過(guò)50mm（絕對(duì)值）。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后，基本能判斷使用該工具進(jìn)行抽芯活動(dòng)的可行性。

6 結(jié)論

綜上所述，該液壓抽芯工具從設(shè)計(jì)選材、理論計(jì)算以及試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)來(lái)看，該新型工具的適用性以及抽芯活動(dòng)的安全可靠性是能夠保障的。預(yù)計(jì)將在陽(yáng)核5#機(jī)組首次大修中對(duì)工具進(jìn)行實(shí)施應(yīng)用。