赵振东
阳江核电有限公司 阳江 529500
摘 要：介绍了核电站环行重机起升机构的结构和工作原理，分析和总结了核岛环行起重机起升机构瞬时偏移的特性，确保核设施设备的高精度定位和吊装安全，并将瞬时偏移特性应用到环吊设备缺陷的排查中，取得不错的应用效果，对各类起重机械设备的偏移特性分析具有指导意义。
关键词：环行起重机；起升机构；吊钩；瞬时偏移
中图分类号：TM623 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）09-0061-04
0 引言
某核电站6 台机组全部采用217 t/10 t+190 t+5 t 环行起重机（以下简称环吊），环吊是核电站反应堆厂房内最重要的起重设备，其安装在核岛安全壳的最上方，在环形轨道上运行，为核岛内设备的安装和检修提供吊运服务。为保证核安全，在吊运下部堆内构件进行堆芯定位时，需确保其可沿导向柱单坐标吊入和吊出压力容器，且摩擦力不能超过2 500 N。因下部堆内构件与压力容器的间隙约为2 mm，而环吊主起升机构存在瞬时偏移特性，若瞬时偏移过大将会危及下部堆内构件的吊运安全，故研究环吊主起升机构在吊运时的瞬时偏移特性对需高精度定位设备的安全吊运意义重大。
1 环吊起升机构介绍
1.1 结构组成
如图1 所示，环吊主要由环轨、主梁（电气梁和非电气梁）、端梁、滑环集电器、电控系统（CPU、变频器等）、大车旋转运行机构、工作小车（217 t 主起升机构、10 t 副起升机构、平移机构）、190 t 安装小车、5 t 葫芦机构（含起升和运行）等组成。其中，环吊217t 主起升机构是由CPU 模块、变频器、电缆、主起升电机、联轴器、工作/ 紧急制动器、制动盘、齿轮箱、转速表、开式齿轮（含大小齿轮）、卷筒、编码器、钢丝绳、217 t 吊钩（动滑轮组）、安全制动器、液压站、平衡臂、千斤顶、定滑轮组、平移机构、防叠绕机构、高度和重锤限位等部件组成（见图2）。
1.2 工作原理
首先，在环吊司机室内按启动按钮，主接触器吸合，整流模块工作，直流母线供电电压正常，卷筒上的安全制动器打开；其次，操作司机室内的操作手柄，手柄控制指令传输至CPU，经过CPU 内的PLC 程序运算后输出控制指令，紧急制动器打开，逆变器启动并输出励磁电流，电机建立转矩，当电机转矩达到逆变器设定值后，逆变器给工作制动器开闸指令，工作制动器打开并将开闸信号反馈给逆变器，逆变器按照参数设置来激活速度
1. 穹顶 2. 安装小车 3. 190 t 起升机构 4. 217 t 主起升机构 5.工作小车 6.10 t 副起升机构 7. 牛腿 8. 环梁 9. 大车运行机构10. 司机室 11. 5t XY 运行梁 12. 5 t 葫 13. 水平轮 14. 端梁
图1 环吊结构简图
图2 环吊主起升机构简图
控制器的斜坡，电机开始按照逆变器控制的速度运行，直至达到手柄设定的速度，最终电机拖动217 t 主起升吊钩稳定运行；最后，司机室操作手柄回零，PLC 程序控制逆变器按照斜坡减速运行，速度降为零点（PLC 编程设置）时输出抱闸信号，工作制动器抱闸，紧急制动器延时抱闸，吊钩运动停止。
当减速限位开关动作时，逆变器输出转速降为原先运行速度的10%，当停止限位开关动作时，逆变器输出转速为零，制动器抱闸；当出现电气安全故障（缺相、短路、过流、超速、超温、整流逆变装置故障等）、制动器闸瓦磨损、钢丝绳叠绕、钢丝绳断裂等故障时会导致主接触断开，逆变器封锁，工作和紧急制动器断电上闸 ；当出现急停或安全故障时会导致安全制动器动作。
1.3 其他功能
环吊217 t 主起升机构不仅具备垂直起升的功能，还具备吊钩水平移动的功能。钢丝绳卷筒固定在工作小车上，定滑轮组固定在平移支座上，平移支座通过过渡滑轮装配在工作小车上，正常情况下平移支座位于卷筒正中间的位置，钢丝绳对称布置在卷筒、定滑轮组和动滑轮组上（见图3），使环吊217 t 吊钩在起升的过程中始终处于理论的垂直线上。当起升机构制动器抱闸，且需要水平移动吊钩时，平移机构电机驱动螺旋千斤顶来推动平移支座进行水平移动（见图4），因卷筒上的钢丝绳位置不会发生改变，而定滑轮组的钢丝绳随平移支座整体发生了水平移动，致使动滑轮组（吊钩组）也会发生水平移动，所以吊钩偏离了原理论垂直线并完成了水平移动。
图3 主钩钢丝绳对称布置
图4 平移机构简图
2 瞬时偏移特性分析
2.1 偏移标准
环吊设备技术规格书要求起升机构在起升操作（升或降）时吊钩的最大水平偏移量应≤ 5 mm/10 m。
2.2 钢丝绳特性影响
首先，因钢丝绳存在内扭力需要按照安装程序的要求进行应力释放（见图5），但受施工现场的条件限制无法有效的对钢丝绳内扭力进行释放，导致吊钩在起升时因钢丝绳内扭力的作用而出现吊钩瞬时偏移的异常现象；其次，因钢丝绳具有刚性较大不易弯曲的特点（僵性），导致吊钩带载时钢丝绳弯曲形变受力发生变化引起吊钩瞬时偏移；最后，起升机构采用钢丝绳缠绕的方式属于柔性起吊，吊物重心与吊钩重心无法完全保持在一条垂直线上，所以吊钩在起升时瞬时偏移为固有现象。
图5 安装程序要求
2.3 载荷重量影响
吊钩所吊载荷的质量会对起升时的瞬时偏移产生影响：在不考虑钢丝绳内扭力影响等条件下，载荷越重，钢丝绳受力越大，钢丝绳经过滑轮时的弯曲形变（僵性）越大，吊钩在起升时的瞬时偏移就越小。
2.4 平移机构的影响
当平移机构位于卷筒正中间位置时，两根钢丝绳近似完全对称布置，吊钩在起升时应是垂直升降，不会发生瞬时偏移；当平移机构发生移动后（不在卷筒正中位置），两根钢丝绳非对称布置，吊钩在起升时会发生瞬时偏移。
3 应用效果
3.1 事件描述
2016 年，某核电站4 号机组在进行核岛反应堆堆芯下部堆内构件（重约90 t）定位标定工作时，发现环吊吊钩在换向运动时存在约4 mm 的瞬时偏移（下部堆内构件与压力容器的最小间隙为2.03±0.13 mm，影响堆芯下部堆内构件的吊运安全。
3.2 原因分析
对比其他机组的堆芯下部堆内构件环吊标定情况可知: 4 号机组环吊吊钩在带90 t 下部堆内构件的情况下仍在换向运动时存在4 mm 的瞬时偏移说明环吊设备存在异常。根据环吊设备的瞬时偏移特性可知，造成环吊吊钩瞬时偏移过大的可能原因有：
1) 下部堆内构件吊装方式及工器具的影响；
2) 平移机构的影响；
3) 钢丝绳的影响；
4) 其他未知故障的影响。
3.3 处理结果
技术人员现场核实确认环吊吊钩只有在换向运动时才会发生约4 mm 瞬时偏移的现象，并组织对4 号机组环吊进行全面的检测与载荷试验，确认环吊各部件（钢丝绳、卷筒、平衡臂、平移机构、吊具等）未见异常。水平（含瞬时）偏移量满足技术规格书的标准要求，环吊设备正常。随后某核电厂组织成立专项组，专项组根据对环吊吊钩瞬时偏移过大的现象进行分析，并组织对环吊进行排查和验证试验。
1) 容器专业核实确认3 号、4 号机组下部堆内构件的吊装工具及方案一致，导向柱垂直度良好，且核实确认4 号机组环吊在吊运稳压器盖板（约33 t）时同样存在吊钩换向时4 mm 的瞬时偏移（见图6），故排除下部堆内构件吊装方式及工器具的影响因素。
2) 项目组对环吊小车的平移机构进行检查，确认停靠在卷筒正中间位置时，两根钢丝绳近似完全对称布置，平移机构上各部件在吊钩换向时动作良好，无异常。在吊运载荷进行复核验证时，发现平移机构只在首次起吊载荷时发生变形，载荷悬空后无论是否换向动作，平移机构都不会发生任何变化（见图7），直至载荷落地后恢复形变，排除平移机构的影响因素。
3) 因为钢丝绳直径越大，僵性也就越大，起吊载荷越重克服僵性效果越明显，钢丝绳被拉直效果也就越明显，而环吊吊钩无论是吊运90 t 下部堆内构件还是33 t稳压器盖板都存在4 mm 的瞬时偏移，故排除载荷量和钢丝绳僵性的影响因素。为了核实验证环吊钢丝绳内扭力的影响，项目组将环吊平衡梁端的钢丝绳解开，通过手拉葫芦和吊带连接固定，使钢丝绳处于自由状态，后全行程升降环吊主钩5 次使钢丝绳自由旋转来释放内扭力（见图8）。整个过程检测偏左旋钢丝绳转动然270°，右旋钢丝绳转动90°，恢复钢丝绳安装后，再次测量空钩和带载升降时吊钩的瞬时偏移量，未见改善，排除钢丝绳内扭力的影响因素。
图6 验证瞬时偏移
图7 平移机构的检查
4) 排除上述可能因素后，说明4 号机组环吊存在未知的设备缺陷。项目组技术分析认为：环吊吊钩在换向时瞬时偏移过大，说明此时载荷的质心处于一个再平衡的过程，需要对环吊起升机构所有可能影响重心的因素（卷筒、钢丝绳、平衡臂、定滑轮、动滑轮等）进行排查。
因平移机构（卷筒、定滑轮、平衡臂等）和钢丝响因素已排除，故需要继续对吊钩（动滑轮）进行排查。项目组将环吊主钩吊钩放置地面（见图9），对吊钩的响因素已排除，故需要继续对吊钩（动滑轮）进行排查。项目组将环吊主钩吊钩放置地面（见图9），对吊钩的动滑轮组进行检查，发现环吊217 t 吊钩内一片动滑轮存在约13 mm 轴向窜动的缺陷，且该片动滑轮已将吊钩保护罩摩擦出裂纹，进一步检查确认滑轮挡圈未安装。
项目组经过仔细的分析论证，最终决定使用6 号机吊钩备件整体更换到4 号机上，克服技术上不成熟、相关工作经验缺乏、控制区内防护等困难，最终圆满完成吊钩整体更换工作，消除了环吊吊钩瞬时偏移较大的缺陷，实现了堆芯下部堆内构件可以单坐标吊装，确保核设备的吊装安全。
图8 钢丝绳释放内扭力
图9 吊钩检查发现缺陷
4 结论
1) 在排除钢丝绳内扭力的情况下，吊钩起吊载荷时会存在吊钩重心和载荷质心重新找平衡的过程，所以吊钩会出现瞬时偏移。
2) 当载荷离地且质心找正后，起升操作时重载比轻载的瞬时偏移量小，载荷越轻偏移量越大，空钩时瞬时偏移量最大。
参考文献
[1] GB/T38112008 起重机设计规范[S].
[2] 齐朝晖，宋慧涛，张志刚. 核环吊平衡路径与吊重轨迹偏差[J]. 工程力学，2014，31(1)：209-217.
[3] 贺小明，奚梅英，翁晨阳．核电厂桥、门式起重机防单一故障特性要求[J]．起重运输机械，2012(9)：88-94．
[4] 李波. 核电站环吊大车运行动力学研究[D]. 上海：上海交通大学，2007.
[5] 林耀华. 浅谈核电站环吊的构造及部件作用[J]. 科技经济导刊，2019，27（8)：90.
