(中国核动力研究设计院反应堆燃料及材料重点实验室 四川 成都 610000)

前言

乏燃料贮存格架(以下简称“格架”)是核电站中燃料操作与贮存系统的重要组成系统，由底板、方管、中子吸收体、围板等组装焊接构成。在格架制造后期需要将四块围板安装在格架上端的四周，然后进行围板间的四条焊缝及围板与格架八条焊缝的焊接，安装过程中既要确保围板高空(约4.4m)组装过程的便捷性，又要防止围板之间的焊接对格架精度产生较大影响，如果将单块围板分别与格架进行组装焊接，将会使格架整体产生极大变形。

本文通过对格架结构和围板装配特点的分析，制定了组装焊接方案，先利用工装将四块围板组装焊接为一个整体，再利用该工装将围板组件吊装装配在格架上端，然后进行围板与格架四周焊缝焊接。采用Inventor 软件开展了专用组装及吊装工装设计，并将围板连同工装与格架进行了虚拟装配，对工装薄弱结构进行了有限元分析，确保组装及吊装工装的受力状态和变形情况满足整体组装要求和吊装过程的安全可靠性。

一、组装及吊装工装设计要求

(一)格架及围板结构技术指标

格架总体尺寸约2175×1695×4400mm，总重约8000kg，主要材料为不锈钢，外形结构为长方体。

围板尺寸为2176×380×13mm、1696×380×13mm，两端分别开有焊接坡口。

(二)工装设计要求

根据格架及围板的结构和组装特点，对围板组装及吊装工装的设计要求进行了分析，主要需要满足以下几点：(1)工装能实现四块围板的组装，相邻两块垂直度不大于0.2mm；(2)围板之间焊接收缩变形量约为1～2mm，工装可以实现长度与宽度方向的调节；(3)工装的承重不小于2000kg，安全系数不小于1.5；(4)工装工作过程中最大变形量不大于0.2mm；(5)工装结构不能过于复杂，需要兼顾设计的经济性与可靠性。

二、组装及吊装工装结构设计

围板组装及吊装工装结构如图1所示，根据围板的结构特点和吊装要求，将工装设计为框架结构，基体采用方钢拼焊而成，工装形状为长方形，对角线增加加强筋，在基体上下表面焊接多段不锈钢板，并铣平作为基准面。在其中一基准面上布置一系列的定位挡块，其中一组相邻挡块采用螺钉加销钉与基体连接，另一组相邻挡块采用螺钉加腰型孔连接，可根据围板长度进行适当调节。工装设置了4个吊耳共8个吊点，基体上、下面分别布置四个，其中正面的四个吊耳主要是方便工装的搬运，当围板组装并焊接完成后，将工装连同围板翻转90°，将正面的四个吊环拆卸安装在工装的反面，四周的吊耳置通过钢丝绳和手动葫芦与行车的吊钩连接，通过手动葫芦实现工装连同围板整体水平度的调节，保证了围板与格架装配的对中及平稳性。

图1 组装工装结构

组装及吊装工装的使用方式如图1、2所示，将四块围板分别放入工装的内外定位挡块的空隙中，通过螺钉进行相邻围板垂直度的调节并点焊固定，将内外挡块通过螺钉顶紧，保证焊接过程中围板不发生变形，焊接完成后将工装连同围板进行翻转，将钢丝绳和手动葫芦与工装进行连接，通过行车将整体吊起，采用手动葫芦进行工装及围板的水平度调节，达到要求后吊到格架上方开始进行装配，使用过程中保持行车运行速度平稳，并时刻确保吊装过程的安全。

图2 工装使用方式

为了确保组装及吊装工装的结构强度和刚度的可靠性，采用有限元方法利用软件Inventor 对工装的重要承力点和刚度进行了分析，对围板组装、焊接及吊装过程进行了分析，验证零件尺寸设计的合理性，保证工装结构设计的合理性和安全性。

三、组装及吊装工装有限元分析

对工装的重要零件内定位挡块进行有限元分析，边界条件设置：边界约束为底面固定，焊接过程中向内收缩受力为侧面10000N，工装材料为304不锈钢，模型网格为系统自动划分，分析结果见图3。从图中可以看出，工作状态下内定位挡块的最大应力为83.17Mpa，小于工装材料的许用屈服应力205Mpa，因此工装的强度满足要求。工装的最大变形发生在内定位挡块的上部位置，变形量为0.13mm，小于0.2mm，满足工装的设计和使用要求。

图3 工装应力分析

四、结论

围板组装及吊装工装已经成功应用于格架制造中围板的装配，围板之间组装精度高，围板整体与格架装配顺利，工装结构强度和刚度均满足实际使用要求。实际应用证明，工装的结构设计合理，受力状态分析正确，有效的保证了围板组装要求和吊装过程的安全可靠性。

【参考文献】

[1]杨彪，何静等.安装专用设备吊装工装设计[J].中国机械2014 (5) :104-104.

[2]谷明飞等.基于Inventor的燃料组件下管座虚拟设计[J].核动力工程2015 (s2) :82-83。