核电厂满足单一故障准则起升机构设计特点分析

沈艳祥　周超　周洋

【摘 要】本文根据国内外核电厂起重机设计标准和规范，对满足单一故障准则起升机构的设计特点进行了详细介绍和分析，有利于提高我国核电厂起重设备的安全性能，对起重设备的设计有一定参考价值。

【关键词】单一故障；起升机构；安全功能

0 前言

单一故障准则是指在单一故障情况下，部件（设备）、系统、核动力厂不能丧失预计安全功能。对于起升机构，其满足单一故障准则的具体表现为：在发生断电、SSE地震事件、零部件故障时，应保证不发生临界载荷跌落事故，即在发生单一故障时，不要求设备继续正常运行，但应有措施能够将载荷转移到安全区域，设备在修复后能够恢复正常运行。本文结合国内外起重设备标准和规范，对满足单一故障准则起升机构的设计特点进行了介绍，并做了详细分析。

1 起升机构布置及分析[1-2]

1.1 带安全制动器的单驱动起升机构

如图1所布置的起升机构包含1个驱动电机、1个减速器、1个运行制动器、1个紧急制动器和1个安全制动器。紧急制动器作为备用，延迟运行制动器动作，延迟时间通过电气设置。安全制动器位于卷筒上，当起升机构发生超速、传动链损坏、停电或事故断电时，安全制动器进行制动，直接抱住卷筒，防止载荷跌落。该布置方式的最大特点是在卷筒的轮缘上设置安全制动器，是国内起重设备厂家普遍采用的一种结构形式。

图1 带安全制动器的单驱动起升机构

1.2 双减速器单驱动起升机构

图2 双减速器单驱动起升机构

如图2所示，双减速器起升机构。1个驱动电动机连接到2个独立的减速器高速轴，机构设置1个运行制动器和1个紧急制动器，紧急制动器延时动作。这是典型的闭环布置形式，当一条起升传动链失效时，另一条传动链可以保持住载荷，保证载荷不会跌落。

1.3 双起升机构

双起升机构布置形式如图3所示。将2个起升机构组合成1个冗余的起升机构。这种布置将2个独立起升卷筒中的钢丝绳卷绕到同一个滑轮组。每一个起升机构提供各自的载荷路径，当一个起升机构载荷路径部件失效时，另一个起升机构能够保持载荷不跌落，从而实现安全功能。每个起升机构上都设置1个运行制动器和1个紧急制动器。

图3 双起升机构

2 钢丝绳卷绕系统

满足单一故障准则的钢丝绳卷绕系统通常包含2根钢丝绳，当1根钢丝绳断裂时，载荷由另一根钢丝绳承担，避免载荷跌落。如图4所示，黑色和白色两根独立的钢丝绳，通过载荷平衡装置缠绕在卷筒、定滑轮组、动滑轮组上。载荷平衡器能够将载荷均匀的分布在两根钢丝绳上，每根钢丝绳的承载能力都以最大起升载荷进行设计，即便1根断裂，另1根也有足够的强度承担载荷[1][3]。

图4 钢丝绳卷绕系统

3 断轴保护

断轴保护装置安装在卷筒的底部，当减速器轴或卷筒轴断裂时，断轴保护装置能够支撑住卷筒，不会发生更严重的跌落，保证卷筒不会与制动系统脱开，同时触发保护开关，发出报警，启动制动器动作，保持住载荷不跌落。如图5所示，提供了一种断轴保护装置的布置形式。

图5 断轴支撑装置

4 防“冒顶”事故

“冒顶”是指动滑轮组向上运动与定滑轮组发生碰撞，严重时可导致钢丝绳被剪断。为防止冒顶发生，NUREG-0554提供了两种应对方法。第一种方法是在起升系统中设置力矩限制系统，用以吸收和控制发生碰撞时产生的动能，从而保护钢丝绳不被剪断。第二种方法是设置两个相对独立的不同型式的行程限位开关，当动滑轮组触碰第一个行程开关时将停止起升运动；第二个为超行程开关在第一个行程开关失效时起作用，其设计理念是避免冒顶事故发生[4]。

美国针对第一种方法开发了一种安全保护系统，名为X-SAM系统，并取得了知识产权保护。这个系统在减速器油池内设置了扭矩限制器，使其具有更高的热容量，当出现轮组碰撞、载荷卡阻等超载事故时，如果起升电机未能及时停转，具有良好的热容量可以为故障检测及安全装置动作提供时间，而不会导致扭矩限制器损坏。在整个的工作过程中，扭矩限制器不会与载荷脱开，它所执行的功能是即使出现超载的情况，仍然只传递额定载荷产生的扭矩，进而阻止起升卷筒继续转动而对起升机构产生破坏。简而言之，第一种方法是依靠机械系统，第二种方法依靠电气系统，随着电气设备可靠性的逐步提高，业界也对于这两种方法的优略存在着分歧，而国内大部分采用的是第二种设计方法。

5 吊具

吊具是指安装在动滑轮组上、与起升载荷连接的部件，例如，吊钩、吊梁、轭等装置。吊具的设计应保证能承受3倍于所吊运的最大载荷（静载和动载）而不发生永久变形[4]。吊具安全性能主要体现在设计计算时采用较高的安全系数来实现。

6 其他安全措施

钢丝绳防叠绕监测装置，当钢丝绳发生错误缠绕现象，钢丝绳将碰撞防叠绕拨杆，拨杆触动限位开关动作，从而停止起升或下降[5]。

负载保护系统，在起升机构上设置带测力装置的负载限制系统，其测力信号可在司机室监控工作站显示，当起升载荷超过规定值时，将立刻切断起升电机电源。

传动链监测系统，通过两个编码器对比电机和卷筒的转速，实现对传动链的实时监控。当监测到故障时，立即触发制动器动作。

超速保护装置，在电机内部设置超速开关，当电动机超速工作时，开关动作切断起升机构电机的电源。

7 结束语

单一故障准则起升机构在核电厂中广泛应用，例如，环形吊车、乏燃料容器吊车、装卸料机、新燃料升降机等，其根本要求是保证临界载荷不发生跌落，实现其安全功能。

【参考文献】

[1]ASME NOG-1-2010 Rules for Construction of Overhead and Gantry Cranes （Top Running Bridge， Multiple Girder）[S].

[2]NB/T 20234-2013核电厂专用起重机设计准则[S].

[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]SINGLE-FAILURE-PROOF RANES FOR NUCLEAR POWER[Z].

[5]李贺龙，梁文焘，周忠武，曹向阳，郭富强.起升机构单一故障保护的实现[J].装备制造技术，2014（8）：282-284.

[责任编辑：王楠]