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      某核電站蒸汽管道抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)卷?yè)P(yáng)提升系統(tǒng)有限元分析

      2012-06-11 03:35:24馬富巧于喜年王興林
      關(guān)鍵詞:吊耳滑車(chē)工裝

      馬富巧,于喜年,王興林

      (1.中核建設(shè)集團(tuán) 華興建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210019;2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連116028)

      0 引言

      核電站蒸汽管道回路的抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)是防止管道邊翹效應(yīng)而發(fā)生破裂時(shí)的核安全保護(hù)裝置.主要由40~60mm厚的鋼板組成框架結(jié)構(gòu),由2件 C1構(gòu)件、1件 C2構(gòu)件、1件 C3(C5同)、1件C4(C6同)構(gòu)件組成,各構(gòu)件的安裝位置如圖1所示,主要參數(shù)見(jiàn)附表.

      圖1 構(gòu)件安裝布置圖

      附表 主要構(gòu)件參數(shù)

      C3(C5)安裝在控制廠房外側(cè)標(biāo)高為+18.65 m(+23.65 m)的預(yù)埋件上.蒸汽管道就位后與C4(C6)采用高強(qiáng)螺栓高空連接成一套完整的抗甩擊裝置.C3(C5)重量較重,體積大,若采用液壓提升法[1]高空就位于控制廠房外墻面的狹窄空間,液壓站及提升千斤頂難以發(fā)揮有效作用,利用高空雙卷?yè)P(yáng)滑車(chē)組提升系統(tǒng)[2]進(jìn)行吊裝就位可有效解決高空安裝難題,能夠在狹窄空間內(nèi)安全實(shí)現(xiàn)抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)的高空就位.抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)提升系統(tǒng)主要由卷?yè)P(yáng)機(jī)、提升承重工裝及滑車(chē)組組成,關(guān)鍵受力部位為提升承重工裝架.為確保核電建設(shè)安全,預(yù)防核電運(yùn)行事故隱患,對(duì)承重工裝架進(jìn)行有限元分析,以確定其承載能力和穩(wěn)定性.

      1 雙卷?yè)P(yáng)滑車(chē)組提升系統(tǒng)吊裝工藝

      1.1 吊裝工藝

      本吊裝工藝是將屋頂平臺(tái)上的兩臺(tái)5 t卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩通過(guò)C3(C5同)的定滑輪、動(dòng)滑輪以及滑輪組連接,通過(guò)滑車(chē)組之間的距離調(diào)整實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的提升,具體工藝原理圖如圖2所示,雙卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)位置如圖3所示.

      圖2 雙卷?yè)P(yáng)滑車(chē)組提升系統(tǒng)示意圖

      圖3 雙卷?yè)P(yáng)系統(tǒng)位置示意圖

      1.2 吊裝工具的選擇和計(jì)算

      1.2.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)及滑車(chē)組選型分析[3]

      選用電動(dòng)單筒卷?yè)P(yáng)機(jī),起重量5 t,鋼絲繩選用 Φ19.5mm -6 ×37-170 kg/m2,破斷力23.95 t,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)C3、C5安裝時(shí),采用雙卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行抬吊,因此,單卷?yè)P(yáng)機(jī)起重量為:

      式中,Q為單卷?yè)P(yáng)機(jī)起重量;t為待吊C3或C5總重;N為鋼絲繩分支數(shù);動(dòng)載系數(shù)K取1.1;單卷?yè)P(yáng)機(jī)起升系統(tǒng)為滑輪組;滑輪型號(hào)為HQD4-32/4,滑車(chē)組有效繩數(shù)為7,其繞出繩頭的拉力 S=0.14Q=0.14 ×23.49=3.29 t<5 t,卷?yè)P(yáng)機(jī)選型滿足吊裝要求.

      1.2.2 鋼絲繩選擇

      由上述可知,構(gòu)件總重量為42.7 t,即單個(gè)卷筒鋼絲繩的受力為:

      式中,S為起重鋼絲繩跑頭拉力;t為起重滑輪組荷載;滑車(chē)組有效繩數(shù)n=7;滑輪組效率η1=0.84;導(dǎo)向滑輪效率η2=0.96;卷?yè)P(yáng)機(jī)鋼絲繩安全系數(shù)為:

      式中,F(xiàn)為鋼絲繩的破斷拉力;S1為鋼絲繩所受拉力;卷?yè)P(yáng)機(jī)許用安全系數(shù)k取5.

      1.2.3 吊裝用承重工裝架的設(shè)計(jì)及受力變形分析

      H型鋼焊接工裝架主要根據(jù)抗甩擊安裝條件、構(gòu)件尺寸、構(gòu)件數(shù)量及各構(gòu)件的總重量等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)制造.采用Ansys軟件建模,Beam189單元模擬鋼板,彈性模量取2.06×105 MPa,密度7 850 kg/m3,泊松比取0.3,其承重鋼框架模型及載荷約束見(jiàn)圖4.

      (1)荷載施加

      模型中施加的荷載如下:抗甩擊承重工裝架的自重荷載,通過(guò)設(shè)置鋼材密度和重力加速度來(lái)實(shí)現(xiàn);考慮起吊C3(C5)的荷載工況,鋼框架與混凝土的連接視為完全固結(jié),考慮大變形效應(yīng),進(jìn)行非線性屈曲計(jì)算[4].荷載約束情況見(jiàn)圖4所示.

      圖4 承重鋼框架模型及荷載約束圖

      (2)整體穩(wěn)定性及變形和應(yīng)力分布

      在規(guī)定荷載作用下,經(jīng)有限元分析,抗甩擊承重架整體在垂直方向受壓應(yīng)力.由于整體框架采用焊接H型鋼,并采用桁架式結(jié)構(gòu)焊接,抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度都很大,所以變形量很小,其范圍為-1.733~ -0.034 2mm,如圖5 所示.承重架的應(yīng)力最大值為86.981 MPa,遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度(210 MPa),如圖6所示.根據(jù)圖7荷載-撓度曲線可以看出,整個(gè)鋼框架在加載點(diǎn)處的荷載-變形曲線沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn),仍處于彈性階段.

      圖5 整體變形云圖

      圖6 整體等效應(yīng)力分布云圖

      圖7 荷載—撓度曲線

      通過(guò)上述分析可以看出,承重工裝架的設(shè)計(jì)剛度很大,在荷載作用下應(yīng)變和應(yīng)力都很小,均在允許范圍內(nèi).在固定牢靠的情況下不會(huì)出現(xiàn)整體失穩(wěn)現(xiàn)象.

      1.2.4 吊裝吊耳設(shè)計(jì)

      為完成C3、C5吊裝而焊接的兩個(gè)吊耳與滑車(chē)組卸扣連接.吊耳布置及焊接見(jiàn)圖8.C3、C5單件重約43 t,動(dòng)荷載系數(shù)取1.05,每個(gè)吊耳的受力為 Q=43 ×1.05×10/2=225.75 kN.所以吊耳剪切承載力τ=Q/S1=225.75×1 000/(40×79×2)=35.7 N/mm2<120 N/mm2、抗拉承載力 σ =Q/S2=225.75×1 000/(40×60)=94.1 N/mm2<205 N/mm2,其中S1、S2為受力面積.抗拉和抗剪承載力滿足吊裝要求,吊耳強(qiáng)度足夠.

      圖8 吊耳位置及焊接詳圖

      吊耳焊縫的強(qiáng)度,受諸多因素影響,有專用軟件分析計(jì)算,但簡(jiǎn)便的數(shù)學(xué)算法即可解決問(wèn)題.吊耳焊縫面積分為加肋板部分和吊耳本身焊縫部分,其有效焊縫面積為Sf=(40-6)×248=8 432mm2,吊裝時(shí)主要受拉伸荷載[5]作用,剪切荷載很小,可忽略不計(jì).當(dāng)起重荷載為451.5 kN時(shí),吊耳所受的拉伸荷載為σ =T/Sf=451 500/(2×8 432)=11.8 N/mm2<[σ]=26.8 N/mm2,焊縫滿足吊裝要求.

      2 荷載試驗(yàn)及卷?yè)P(yáng)提升操作

      2.1 揚(yáng)機(jī)、滑車(chē)單體及提升系統(tǒng)載荷試驗(yàn)

      2.1.1 卷?yè)P(yáng)機(jī)及滑車(chē)單體荷載試驗(yàn)

      按卷?yè)P(yáng)機(jī)額定承載力的1.25倍、1.1倍分別做靜載試驗(yàn)、動(dòng)載試驗(yàn);滑車(chē)以額定起重量的1.25倍做靜載試驗(yàn).通過(guò)試驗(yàn)所用的卷?yè)P(yáng)機(jī)、滑車(chē)等吊索具滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求.

      2.1.2 卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車(chē)組提升系統(tǒng)載荷試驗(yàn)

      卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車(chē)組提升系統(tǒng)安裝完成后,需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)和靜載試驗(yàn).提升系統(tǒng)的負(fù)載試驗(yàn)采用與待提升構(gòu)件等重量的配重塊進(jìn)行試驗(yàn),靜載、動(dòng)載的試驗(yàn)負(fù)荷要求分別應(yīng)滿足1.25倍和1.1倍起升重量.提升系統(tǒng)為兩組獨(dú)立的工裝鋼架,可分別對(duì)提升系統(tǒng)進(jìn)行荷載試驗(yàn).靜載試驗(yàn)時(shí),提升配重離地面10 cm,靜止10 min;動(dòng)載試驗(yàn)時(shí),提升配重進(jìn)行上、下提升運(yùn)動(dòng)3次,在提升過(guò)程中并測(cè)試卷?yè)P(yáng)機(jī)的剎車(chē)系統(tǒng)的性能.卸載后檢查卷?yè)P(yáng)機(jī)及提升工裝,要求卷?yè)P(yáng)機(jī)及提升系統(tǒng)工裝鋼架不得出現(xiàn)裂紋、永久變形、連接處松動(dòng)及對(duì)性能與安全有影響的損壞,起重滑車(chē)鋼絲繩扣、卡環(huán)等無(wú)異常,以檢驗(yàn)整個(gè)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性.

      2.2 卷?yè)P(yáng)提升操作

      C3、C5構(gòu)件吊裝采用2組卷?yè)P(yáng)機(jī)滑車(chē)系統(tǒng)抬吊,吊裝過(guò)程中設(shè)置1名主吊裝指揮,2名副吊裝指揮,通過(guò)對(duì)講機(jī)配合吊裝,兩卷?yè)P(yáng)機(jī)司機(jī)操作協(xié)調(diào)一致,使卷?yè)P(yáng)機(jī)同步提升,保證構(gòu)件在提升過(guò)程中的水平度.為保證安裝的安全性,構(gòu)件就位后,將卷?yè)P(yáng)機(jī)斷電,同時(shí)在轉(zhuǎn)向定滑輪處附加鋼絲繩,通過(guò)錨爪緊固、倒鏈加固等措施防止鋼絲繩產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象.提升操作的施工見(jiàn)圖9.圖片中頂端為卷?yè)P(yáng)機(jī)提升架,下端為已提升就位的C5構(gòu)件,底端為正在提升的C3構(gòu)件.

      圖9 卷?yè)P(yáng)提升操作

      3 結(jié)論

      理論計(jì)算及有限元分析表明,核電站蒸汽管道邊翹效應(yīng)抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)在垂直方向上的最大變形為 1.733mm,最大受力為 86.981 MPa,均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi).經(jīng)加載試驗(yàn)和實(shí)際操作,該提升系統(tǒng)和吊裝方案完全滿足要求.利用雙卷?yè)P(yáng)滑車(chē)組在狹窄空間對(duì)抗甩擊鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行卷?yè)P(yáng)提升和安裝施工,經(jīng)濟(jì)適用、安全可靠.

      [1]中國(guó)機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會(huì).GB/T 1955—2008建筑卷?yè)P(yáng)機(jī)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

      [2]陳江華.深圳市市民中心巨型鋼桁架的安裝施工[J].鋼結(jié)構(gòu),2001(4):27-31.

      [3]國(guó)家機(jī)械工業(yè)局.JB/T 9007.1—1999 起重滑車(chē)型式、基本參數(shù)主尺寸[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1999.

      [4]邵蘊(yùn)秋.ANSYS 8.0有限元實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.

      [5]江正榮.建筑施工計(jì)算手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

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