南小飞

（山东核电有限公司 山东烟台）

一、概述

AP1000环吊运行在安全壳厂房的环形轨道上，是一个双桥架、电机驱动的吊车，主起升和副起升安装在能够沿着桥架上平行轨道运行的小车上，桥架包括两根支持小车轨道的主梁和装有驱动轮的端梁，能够360°旋转。主起升和副起升电动机通过减速器连接到钢丝绳卷筒上。钢丝绳穿过上、下部滑轮组，下部滑轮组安装有吊钩以加载负荷。环吊可以通过司机室或无线控制单元进行控制。桥架额定承载727 t，能够承载使用专用提升设备更换蒸汽发生器过程中产生的负荷。

二、主要技术参数

AP1000环吊重464.932 t，跨距37.795 m，主起升设计额定负荷272 t，最大关键载荷215.5 t，起升高度41.758 m。副起升设计额定负荷及最大关键载荷22.7 t，起升高度43.282 m。

三、防单一故障设计特征

环吊用于在反应堆上方吊运一体化顶盖、堆内构件等设备。若所吊运的载荷能够直接或间接地引起放射性的释放，这样的载荷称之为关键载荷。为了确保吊运关键载荷的安全性，环吊设计须满足防单一故障准则。即：单一故障不会影响环吊安全保持载荷的能力。环吊仅主副起升系统，大、小车刹车系统满足防单一故障设计准则。其他承重部件，如桥架按照保守设计，不必考虑防单一故障设计。

2005年，美国核工业报告总结2000-2004年期间的核电厂载荷跌落事故，发现大多数不是由于提升机构失效，而是由动定滑轮碰磨、载荷阻碍引起的严重过载造成的，另外，钢丝绳错绕引起的钢丝绳失效也是引起载荷跌落的一个重要原因。上述信息说明，设计一种能够主动承受而不是被动防止此类事故发生的吊车，是从根本上解决由于动定滑轮碰磨和载荷阻碍等原因引起载荷跌落事故的最终途径。

核电站环吊载荷跌落造成的后果非常严重，为防止载荷跌落，AP1000环吊采用了超安全和监测系统（X-SAM）设计。

1.X-SAM故障监测系统

X-SAM故障监测系统能够确保环吊起升机构在突破诸如起升上限位、起升下限位等传统的限位保护或发生钢丝绳错绕、断绳、起升超速等故障后能够安全停车，上述错误信号出现后，除非使用钥匙重置这些保护，否则，即使重新上电，起升系统也不会动作。

当故障监测系统探测到起升机构出现有可能导致载荷跌落事故的钢丝绳错绕、断绳、超速、达到冗余上、下极限位置信号时，环吊控制系统会自动切断电机电源，启动电机侧正常刹车。

（1）钢丝绳缠绕监测。钢丝绳错绕会导致载荷不按预定的路径行走，导致钢丝绳受力不均，严重的甚至导致载荷跌落。如图1所示为AP1000环吊钢丝绳缠绕监测系统，一旦出现钢丝绳错绕，卷筒钢槽内叠错的钢丝绳便会撬动与卷筒外沿密切贴合的钢管，随后触发限位开关，产生钢丝绳错绕信号。

（2）起升超速监测。电机或卷筒超速意味着控制系统故障或机械传动链故障。为此，在电机和卷筒轴端分别装有超速开关用以监测超速信号，如图1所示。

（3）断绳监测。为防止单股钢丝绳断裂导致载荷跌落，AP1000环吊采用了双股钢丝绳缠绕。每股钢丝绳可独立地承担所有负荷。在液压平衡缸两端各装有一个断绳监测限位，任何一股钢丝绳断裂都可以造成液压平衡缸活塞移位，进而导致断绳监测限位动作，如图2所示。

（4）起升冗余上限位监测。吊钩在达到上极限位置之前的两个标高上设置了两道电限位保护，第一道保护为蜗轮蜗杆限位，第二道保护为冗余的重锤限位，能够直接切断起升电机电源，阻止吊钩进一步上升，如图3所示。

图1 钢丝绳缠绕监测系统布置图

图2 断绳监测系统布置图

（5）起升冗余下限位监测。吊钩在达到下极限位置之前的两个标高上设置了两道电限位保护，第一道保护为安装在起升减速器上的蜗轮蜗杆限位，第二道保护为安装在卷筒上的冗余蜗轮蜗杆限位，如图4所示。

2.能量吸收扭矩限制器

为防止动定滑轮碰磨，AP1000环吊吊钩在接近上极限位置之前的两个标高设置了两道电限位保护，如果吊钩触发了这两道电限位后起升电机依然不能安全地停下来，动定滑轮碰磨便会不可避免地发生。AP1000环吊能量吸收扭矩限制器能够保证发生动定滑轮碰磨时安全地保持载荷，同时使钢丝绳等部件不致因为过载承受过大的应力而损坏。由于扭矩限制器内部的滑动，使起升电机的输出有了一个出口，不会产生电机堵转烧毁的事故。

动定滑轮碰磨时，位于减速箱内能量吸收扭矩限制器直接将起升机构的高速动能转化为热能，同时起到能量吸收器及扭矩限制器的作用，在不发生过载事故工况下，扭矩限制器承担标准齿轮的角色，将电动机的扭矩放大并传送至卷筒。其布置如图4所示。

图3 起升冗余上限位监测

3.卷筒带式应急刹车

图4 能量吸收扭矩限制器

AP1000起升机构拥有两套相互独立的刹车系统，分别为位于电机输出轴侧的正常刹车和位于起升卷筒一侧的应急带式应急刹车。应急带式刹车作为正常刹车的冗余，能够使起升系统安全可靠地停车并能够保持住载荷，一旦电机高速轴和卷筒之间的机械传动链不连续，便会自动触发应急刹车。其触发装置为一个能测量传动链速比的纯机械装置，出现异常速比后，应急刹车驱动气缸内处于压缩状态的弹簧便会动作，带式刹车紧紧抱住卷筒，起到刹车作用。采用压缩空气将驱动装置内弹开的弹簧重新进行压缩，带式刹车便得到释放。紧急状态下，可以通过控制进入驱动装置的空气量来控制带式刹车的开度，将载荷缓慢降至安全位置。布置见图5所示。

4.机械传动链连续性监测

图5 卷筒带式应急刹车

正常运行工况下，由于起升机构机械传动链的连续性，电机与卷筒之间保持一个恒定的速比。因此，一旦出现异常的速比，即表示出现了诸如卷筒断轴，正常刹车失灵，减速器断齿等破坏机械传动链连续性的故障。而这些故障都会导致载荷跌落。机械传动链连续性监测装置就是通过持续监测起升机构卷筒与驱动电机之间的速比来监测传动链的连续性。异常速比会启动环吊卷筒带式应急刹车，保证在载荷跌落之初能及时阻止载荷进一步跌落，确保了设备及载荷的安全。布置见图6所示。

为确保环吊停车断电后依然能够监测机械传动链连续性，控制系统切断机械传动链监测系统的离合刹车电源，使软轴与电机断开，保证断电后机械传动链不连续时能够启动卷筒应急刹车，阻止载荷跌落。

图6 机械传动链连续性监测

四、结论

采用X-SAM系统的AP1000环吊能够主动承受而不是被动防止由于动定滑轮碰磨和载荷阻碍导致的载荷跌落事故，其应急带式刹车的触发仅仅依靠纯机械的传动比测量系统，完全独立于传统的电保护，应急带式刹车能够在环吊失电且正常刹车失效，卷筒断轴等极端严重事故下依然能够抱住卷筒而不发生载荷跌落事故，保证了核安全。