球形容器的傾斜式焊接滾輪架的設(shè)計與應(yīng)用

劉小戶，李 泳，王建濤

（西安核設(shè)備有限公司，陜西 西安）

引言

華龍一號堆型是我國根據(jù)日本福島核事故經(jīng)驗反饋及“中國安全標準”自主研發(fā)的三代百萬千瓦級壓水堆核電技術(shù)，也是我國核電走上世界舞臺的重大標志性創(chuàng)新成果[1]?！叭A龍一號”堆型中安全注射箱設(shè)備（安注箱）是核電站非能動堆芯冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其主要功能是在發(fā)生一回路失水事故時提供淹沒堆芯的硼酸溶液，以保持反應(yīng)堆長期處于安全停堆狀態(tài)，是保護一回路系統(tǒng)中核反應(yīng)堆堆芯的重要應(yīng)急安全設(shè)備[2]。

安注箱屬于大型球罐形壓力容器，其中球罐主要制造工藝包括焊接、無損檢測及打磨拋光等，這些工藝均需將球罐轉(zhuǎn)動至合適點位進行加工。傳統(tǒng)焊接滾輪架只能實現(xiàn)圓筒形工件的轉(zhuǎn)動，無法實現(xiàn)球形容器的轉(zhuǎn)動。因此，本文基于對傳統(tǒng)焊接滾輪架結(jié)構(gòu)、性能特點的分析，設(shè)計了適合于安注箱球形設(shè)備的固定傾斜式焊接滾輪架，以滿足制造過程中設(shè)備的轉(zhuǎn)動需求，同時避免了因不當放置及轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的磕碰表面質(zhì)量事件。

1 傳統(tǒng)焊接滾輪架的初探

在壓力容器制造中，圓筒形工件的焊接、檢測等加工時需要使用焊接滾輪架實現(xiàn)工件的旋轉(zhuǎn)，傳統(tǒng)焊接滾輪架主要由以下幾部分組成：

（1） 速度控制系統(tǒng)

目前傳統(tǒng)焊接滾輪架速度控制系統(tǒng)主要包括有速度反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)、可預(yù)置電動機運行參數(shù)的直流數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)[3]。有速度反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)使用于傳統(tǒng)焊接滾輪架，速度控制精度較低；但可通過速度控制器調(diào)節(jié)運轉(zhuǎn)速度，將直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速控制在緩慢狀態(tài)，可滿足大型球形設(shè)備的制造要求。

（2） 機械傳動系統(tǒng)

傳統(tǒng)焊接滾輪架采用直流電動機帶動同步齒輪帶，經(jīng)齒輪傳動系統(tǒng)，將動力最終傳送給各個滾輪[4]。運用簡單機械傳動原理，將電能轉(zhuǎn)換為動能，以同步齒輪傳動系統(tǒng)過渡至滾輪，致使?jié)L輪轉(zhuǎn)動，滾輪表面與設(shè)備工件表面接觸形成摩擦力，將設(shè)備工件轉(zhuǎn)動至加工面進行加工制造。

（3） 防偏移結(jié)構(gòu)

設(shè)備制造過程中，對其表面質(zhì)量要求較高，應(yīng)選擇防偏移功能時，注意防偏移措施。設(shè)備制造過程中發(fā)生偏移，會使加工構(gòu)件與滾輪架整體載荷立場發(fā)生偏移，部分接觸點或面壓力增大，可能會對工件表面產(chǎn)生質(zhì)量影響，因此加工過程中防偏移結(jié)構(gòu)至關(guān)重要[5]。

2 傾斜式焊接滾輪架的方案設(shè)計

隨著我國核工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，華龍一號球形安注箱采用了與以往不同的球罐形結(jié)構(gòu)，該設(shè)備對加工制造要求標準高、要求嚴。為解決安注箱制造過程中的轉(zhuǎn)動問題，本文通過對傳統(tǒng)焊接滾輪架的結(jié)構(gòu)、性能和特點進行初探，并從其運轉(zhuǎn)原理中受到啟發(fā)，對其進行改造，以滿足球形安注箱制造工藝要求。

基于對傳統(tǒng)焊接滾輪架的初探，對其速度控制系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)以及防偏移機構(gòu)進行了解，為改造后傾斜式焊接滾輪架的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行取留。作者工作單位主要以大型設(shè)備制造為主，加工制造過程中，對加工點或面誤差容許度較大，因此在速度控制系統(tǒng)上，改造后的傾斜式焊接滾輪架保留傳統(tǒng)焊接滾輪架原有的速度控制系統(tǒng)，即有速度反饋的直流調(diào)控系統(tǒng)。防偏移結(jié)構(gòu)方面，同一組托輪不平行或兩個托輪的連線與筒體軸線不垂直，都會造成擋輪受力過大，同時也會造成托輪不正常磨損[6]。因此改造傳統(tǒng)焊接滾輪架傾向方向，使得滾輪與球形安注箱表面接觸面積增大，使其載荷立場分布平穩(wěn)，圖1 為改造后傾斜式焊接滾輪架結(jié)構(gòu)接觸面穩(wěn)定簡示圖。

圖1 焊接滾輪與工件接觸面簡示圖

由于瓜瓣組件焊接后，每道拼接縫需要進行探傷（RT、PT 檢測）、焊縫存在缺陷時還需要返工焊接、球罐上各管座焊接及無損檢測、打磨拋光、清潔等均需要將球罐旋轉(zhuǎn)至合適位置，而現(xiàn)有的轉(zhuǎn)胎只能實現(xiàn)圓筒形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動，不能滿足球罐形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動。因此，我們設(shè)計了球罐設(shè)備的專用轉(zhuǎn)動設(shè)備。為了滿足安注箱球罐制造過程的轉(zhuǎn)動需求，針對現(xiàn)有轉(zhuǎn)胎只能實現(xiàn)圓筒形轉(zhuǎn)動的現(xiàn)狀，提供一種安注箱球罐部件旋轉(zhuǎn)用轉(zhuǎn)胎裝置，使其適用放置球罐容器及球罐容器的轉(zhuǎn)動。

“華龍一號”安注箱主要由球罐形組件和裙座組件組成[7]，其中球罐形組件由6 片瓜瓣和組成的瓜瓣組件、上下封頭及管座等組成，直徑約5.2 m，凈重約40 t，球形安注箱結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 球形安注箱結(jié)構(gòu)圖及參數(shù)

根據(jù)瓜瓣組件直徑、重量及結(jié)構(gòu)，選用兩臺60 t主動輪滾輪，通過繪制組裝結(jié)構(gòu)圖測繪零部件尺寸、加工及組裝各零部件、調(diào)試等步驟，實現(xiàn)球罐在新裝置上的可控旋轉(zhuǎn)。技術(shù)核心是確定轉(zhuǎn)胎之間的間距、底部傾斜角度至適當位置，保證放置工件時轉(zhuǎn)胎上8個滾輪中心垂直指向球罐中心，使球罐的重心與8 個滾輪的承重中心接近重合。調(diào)整兩臺主動輪轉(zhuǎn)胎的同步，使其在兩個主動輪的帶動下可以實現(xiàn)球罐平穩(wěn)可控的旋轉(zhuǎn)動作。

該安注箱球罐部件旋轉(zhuǎn)用轉(zhuǎn)胎裝置,是在60 t 轉(zhuǎn)胎底座下，增加一定的傾斜角度，但要保證不能使原有的滾輪受力狀態(tài)有太大變化，防止因受力方向變化，發(fā)生旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)胎轉(zhuǎn)軸和齒輪折斷的意外情況；同時根據(jù)瓜瓣組件吊耳的間距2 m，確定轉(zhuǎn)胎的滾輪的中心間距為1.5 m。模擬滾輪實際使用位置見圖3，根據(jù)模擬圖繪制滾輪底部傾斜圖零部件加工圖見圖4。最終，根據(jù)以上構(gòu)件參數(shù)，現(xiàn)場加工制造并安裝。

圖3 滾輪實際使用模擬位置圖

圖4 滾輪底部傾斜圖零部件加工圖（單位：mm）

3 現(xiàn)場試驗

通過設(shè)計方案，通過增加傳統(tǒng)焊接滾輪架底座支架，改造加工傾斜式焊接滾輪架，在試驗樣機調(diào)試過程中，如發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)胎受到球罐的重力后轉(zhuǎn)胎滾輪翹起，此時需要將翹起的滾輪位置固定；如8 個滾輪中，有個別滾輪與封頭接觸不到，需要將滾輪的位置進行微調(diào)整，同時將轉(zhuǎn)胎的間距進行微調(diào)，以滿足8 個滾輪與球罐面均能較好地接觸。調(diào)試完成后，需要對球罐瓜瓣組件進行試旋轉(zhuǎn)；在試轉(zhuǎn)動前，為防止意外發(fā)生，用吊車掛著瓜瓣組件，而吊繩處于放松狀態(tài)，以便觀察球罐隨著轉(zhuǎn)胎的轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

首次調(diào)試安裝完成后，在現(xiàn)場進行安注箱的球罐旋轉(zhuǎn)試驗，運行過程中，滾輪支架表面與安注箱球體表面完美貼合，在旋轉(zhuǎn)過程中未發(fā)生偏擺、跳動，可全方位旋轉(zhuǎn)至加工施工目標面，滿足使用需求。

4 結(jié)論

通過對適用于圓筒狀的傳統(tǒng)焊接滾輪架進行改造設(shè)計，包括對傳統(tǒng)焊接滾輪架速度控制系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)以及防偏移結(jié)構(gòu)進行留取，支座工件加工參數(shù)的確定，最終研發(fā)出適用于華龍一號安注箱的傾斜式焊接滾輪架，并適用于其他大型球狀工件。

5 展望

傳統(tǒng)焊接滾輪架只適用于圓筒形工件，本文改造的傾斜式焊接滾輪架僅僅針對華龍一號安注箱進行改造，由于安注箱尺寸固定不變，本傾斜式焊接滾輪架下方為固定傾斜，存在不可調(diào)節(jié)問題，因此僅僅適用于和安注箱尺寸大小相同的球形構(gòu)件。而核工業(yè)設(shè)備制造，除了安注箱構(gòu)件，還會有其他構(gòu)件面臨同樣問題，存在尺寸大小不一的情況，從傳統(tǒng)焊接滾輪架和傾斜式焊接滾輪架設(shè)計與結(jié)構(gòu)上受啟發(fā)，同時以煤礦采煤工作面液壓支架為二次啟發(fā)，制造出一種自動可調(diào)節(jié)式焊接滾輪架，適用于不同尺寸圓筒形和球形工件，設(shè)計理念見圖5，為我國核工業(yè)設(shè)備制造提供設(shè)計參考。

圖5 自動可調(diào)節(jié)焊接滾輪架