浮动堆旁靠吊装转运研究

符壮志　郑亚雄　梁双令

摘  要：浮动堆长期驻泊于海上，运行期内的乏燃料、放射性废物均需要吊装转运至运输船。在运输船上布置容器格栅，在吊装辅助漏斗校正下，使得吊装容器可以直接放入运输船的格栅中。在海洋环境下转运时，浮动堆平台和运输船处于旁靠系泊状态，两船和吊物均会发生不同步但相互耦合的不规则运动。文章对浮动堆平台、吊机、运输船进行建模，采用势流理论进行耦合分析，预报在海洋环境下三者的相对运动，分析辅助漏斗设置的可行性。

关键词：浮动堆;旁靠系泊;吊装转运;海洋环境

中图分类号：TL411       文献标志码：A        文章编号：2095-2945（2020）07-0054-03

Abstract： The floating nuclear platform is moored at sea for a long term. During operation period， the spent fuel and radioactive waste should be lifted and transported to the carrier. The container grille is arranged on the transport ship， and the hoisting container can be put directly into the grille of the transport ship under the correction of the auxiliary funnel. Transport in the marine environment， floating nuclear platform and transport ship in near the mooring state， two ships and hanging are not synchronous but coupled irregular movement. The paper builds models for floating nuclear platform， crane， carrier， and use the potential flow theory of coupling analysis， to forecast the relative motion in the marine environment and feasibility analysis of auxiliary funnel.

Keywords： floating nuclear platform; alongside mooring; hoisting and transportation; marine environment

浮動堆在运行期间需要对核燃料进行更换，由运输船负责新燃料补给，以及乏燃料和放射废物的外输。放射性物质均放置于可靠的压力容器，可以承受比较大的冲击。在海洋环境下，压力容器虽不存在碰撞冲击引起的风险，但存在由于相对运动引起的放置不稳的风险。因此在运输船上布置格栅，使容器可以在格栅内限制运动。但同时，格栅也为容器的吊装放置提高了操作难度，需要设置对容器的限位装置。本文采用辅助漏斗作为限位的辅助装置，以确保容器可以顺利放入格栅内。

1 浮动堆海上吊运特点

浮动堆海上吊运具有如下的特点：

（1）平台与运输船吨位差别大，平台遮蔽效应明显。

（2）放射性物质转运要求高，不允许出现倾倒和翻滚。

（3）放射性物质转运，人因干预少。

（4）补给和外输物资多，操作暴露期长。

在HAD401-01-1990《核电厂放射性排出流和废物管理》中关于废物厂外运输提出如下原则[1]：

（1）确保必要的安全等级，使运输受到最小的特殊限制。

（2）安全措施必须适合于运输物质的潜在危险性。

因此在浮动堆海上吊运过程中，必须保证吊运的放射性物质的安全，避免出现剧烈碰撞。

在放射性物质转运时，需进行运输环境分析，其目的是定量地确定在运输事故中，所运输的货包在事故过程中与周围环境之间的相互作用的严重程度。事故环境包括五种情况，即火烧、撞击、挤压、贯穿和浸没。在海上吊运中，需要严格控制容器与运输船之间的相对运动，使不发生剧烈的碰撞，以及因翻滚导致的落入大海而浸没的事故情况。

2 吊装计算模型

2.1 主尺度参数

海洋核动力平台和运输船主尺度参数如表1所示。

表1中CG_x指重心纵向位置，CG_z指重心垂向位置。浮动堆平台和运输船的初始舷边间距为2.5m，两船重心纵向位置相距16.94m。

2.2 设备参数

吊车位于平台22.5m层甲板，距中纵面13m。吊机高度4.7m，吊臂长度15m。

平台与运输船旁靠系泊作业中，采用8条缆绳，艏尾各3条平行布置，船中2条交叉布置。在总体坐标系中，缆绳在平台和运输船上的系泊点如表2所示。

在平台左舷设有四个靠球，总体坐标系下，运输船旁靠靠球初始球心分别为（73.72，14.50，8.10）m，（83.72，14.50，8.10）m，（109.68，14.50，8.10）m，（119.68，14.50，8.10）m。

转运容器包括乏燃料容器、放射性废物容器和新燃料容器， 不同容器尺寸大小有所区别。

2.3 环境参数

放射性转运具有计划性，在制定计划时会结合气象预报，选择海洋环境较温和的时间开展。以渤海为例，海况常年在3级及以下。因此选用3级海况作为转运工作工况，具体风浪流参数如表3所示。

其中风浪流方向规定与总体坐标系x轴逆时针夹角为正，顺时针为负。在分析时，主要考虑风生浪和风生流，即风浪流同向，如图1所示。

3 结果分析

平台与转运船吊装燃料容器示意图如图2所示。

3.1 平台和运输船耦合运动

在3级海况条件下，平台和运输船在平衡位置处的横摇、纵摇和垂荡耦合运动的最大值如表4所示。

3.2 容器和运输船相对运动

3.2.1 相对平动位移

相对平动位移主要分析燃料容器质心点与其静止状态在转运船甲板上的投影点之间的相对运动，为避免相对运动引起碰撞，假设燃料容器与运输船甲板在静止时垂直距离1.0m。在方向组合下，燃料容器与甲板上垂直对应点在x和y方向上的相对位移如图3所示。

由图3可知，x方向平均相对位移为-0.005m，最大相对位移为1.6m;y方向平均相对位移为-2.6m，最大相对位移为3.8m。

燃料容器与甲板上垂直对应点在z方向上的相对位移如图4所示。其中，当z>0时，表示燃料容器处于甲板上面;当z<0时，表示燃料容器与甲板已经发生碰撞。

3.2.2 相对速度

相对速度分量主要分析燃料容器底部型心点与其静止状态在转运船甲板上的投影点之间的相对运动，为使燃料容器与运输船甲板接近发生碰撞的条件，假设燃料容器与运输船甲板在静止时相距0.1m。在总体坐标系中，燃料容器与运输船甲板上垂直对应点在两者碰撞前一时刻各自的速度分量最大值如表5所示。

4 辅助漏斗设计

4.1 漏斗设计主要参数

根据容器与运输船甲板的相对运动关系，漏斗适合设计成偏心椭圆形。其中椭圆形的长轴长3.1m，短轴长2.3m，焦点距离2.1m，离心率0.68。漏斗颈部中心在长轴上，距一端1m处。漏斗高度为3m。

4.2 漏斗适用性分析

漏斗与格栅相连接，可以起到容器辅助放入的功能，使容器在放入过程中，避免受外界扰动，出现倾倒和剧烈碰撞。漏斗的辅助功能，提高了吊装转运的安全性和可靠性。

漏斗在实际应用中，由于需要同格栅频繁的插拔，降低了漏斗的工作效率。由于运输船格栅附近不宜布置吊机等高耸设备，因此只能从格栅的设计考虑如何实现漏斗移动的自动化。

5 结论

本文从工程应用角度出发，分析浮动堆平台和运输船旁靠吊装转运放射性物质时，平台、运输船和吊物的相对运动。通过吊物和运输船甲板的相对运动，提出漏斗型辅助工具以及基本参数，保证容器平稳可靠的放置于运输船，得出结论如下：

（1）浮动堆平台与运输船旁靠系泊情况下，由于船体尺度差异，相对运动幅值较大。吊装燃料容器时，与运输船甲板相对运动范围较大，必须设置辅助限位设施保证精确到位。

（2）根据相对运动轨迹，燃料容器在甲板面的投影为近似椭圆形，因此在设计限位辅助漏斗时，为达到限位效果及减轻碰撞，开口处应设计为偏心椭圆形。

（3）实际吊装过程中，物件数目较多，为提高转运效率，还应在辅助漏斗与格栅的换装自动化中进一步开展工作。

参考文献：

[1]HAD401-01.核电厂放射性排出流和废物管理[S].国家核安全局，1990.

[2]赵兵，张建岗，王学新，等.放射性物质运输的PSA（概率安全分析）方法[C].21世纪初辐射防护论坛，1991.

[3]中国船级社.海上浮式装置入级规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[4]中國船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2014.

[5]Jan Erik Vinnem.海洋工程设计手册-风险评估分册[M].陈刚，译.上海交通大学出版社，2011.

[6]中国船舶工业集团公司，中国船舶重工集团公司，中国造船工程学会.船舶设计实用手册-总体分册[M].国防工业出版社，2013.