某种容器用抓具的设计与试验验证

张永璐，宋林星 ，刘伟东

(1.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，四川 成都 611731；2.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001)

0 引言

随着世界工业经济的高速发展，各种结构的容器在工业生产和生活中得到广泛应用，虽然带来了便利，但也发生了一些爆炸、泄漏、跌落伤人等事故。尤其随着我国核动力、核电站等日益增多，贮运带放射性介质的容器的使用频率越来越高，给人们的工作、生活带来了些许安全隐患。

容器为敞口设置，运行压力为常压，运行时容器一般不会发生危险事故，但在制造、吊运的过程中发生跌落摔伤等事件居多。为防止容器的摔落、损伤，在容器起吊过程中都会使用到一些可靠的起吊专用工具，故起吊工具的可靠设计和试验验证是非常重要的。

本文针对某项目盛装高放射性介质的容器，在制造和使用过程中均须频繁使用起吊工具(针对此容器的特殊结构，以下将起吊工具称为“抓具”)的情况，设计了一种适用的抓具，并阐述了抓具的设计思路、结构强度分析和试验验证方法，旨在抛砖引玉，为更多类似容器用工具的设计提供借鉴。

1 抓具设计

1.1 配套抓具的容器介绍

该特制容器主要由内筒体和外筒体组成，内、外筒体均为圆柱形，外筒体为直立圆柱形一端无封盖的壳体，内筒体为内部附属部分附件的圆柱形壳体，容器在正常运行时，内筒体内将盛装液态金属铅。在事故工况下，液态金属铅将用来洗涤带有高放射性的特殊结构。与此同时，装有放射性结构的内筒需要使用抓具吊运至指定的安全场所。

考虑内、外筒体装配间隙及设备在运行时为保证金属铅为液态，需要加热而导致的热胀冷缩等因素，内筒置入外筒后，须保证内筒外壁与外筒内壁之间有约5 mm的间隙。鉴于设备的运行情况，内、外筒间距很小，不允许在装配或者使用时在内筒外壁焊接起吊用吊耳。另外在运输时，为避免内、外筒体装配一体可能发生碰撞损伤，内、外筒体是在分离状态下单独运输的。

内、外筒体运输至使用现场后，容器须进行安装合体，且容器设备使用时，须将带强辐射介质的内筒吊运至安全处，故抓具使用频率较高。可靠的抓具设计是保证设备正常运行和操作人员安全的关键因素。内筒体与抓具连接处的结构如图1所示。

图1 内筒与抓具连接处结构

1.2 抓具设计思路

从内筒体与抓具连接处的形式看，为防止受力不均导致卡死而损坏，内筒体上的平台是作为承力接触面的最好选择，内筒体上的凹槽仅用于防止抓具滑落和限位，而不作为主要承力接触面。

基于该容器结构的特殊性(内部用于起吊承力部分的外形尺寸大于抓具进入通道的收口尺寸)，要实现抓具的起吊功能，抓具须具有可展开和收缩的功能结构，抓具在进入设备时须将结构收缩进入，抓具通过内筒体连接处后能伸展开，并保持承力面与内筒体平台接触。

本文所设计的抓具为拆卸自如、调节方便的螺纹连接结构，如图2所示。

图2 抓具结构

抓具由1个吊钩组件、3组吊杆组件(按120°均布)、3个螺栓M56×195，以及相关连接和限位零件等组成。吊杆组件上设有把手，通过其实现抓具的伸展和收紧，可自由进出设备，实现对设备的起吊功能。

2 理论验证

2.1 尺寸试算及最终确定

首先，利用材料力学基础知识，以集中力代替实际分布力对抓具各截面的受力展开分析，确保最危险截面受力满足要求并留适当余量。接着，建立完整的有限元分析模型，进行静力分析、模态分析、抗震分析。最后，根据适用的分析设计标准(本文按ASME NF分卷)按应力分类法进行强度评定，最终确定满足强度要求的结构尺寸。

2.2 螺纹连接处的强度校核

由于热处理和选材的特殊处理，螺纹连接处的失效发生在螺母处，为此将螺纹牙展开后相当于一根悬臂梁，如图3所示。

图3 螺纹牙展开示意图

螺纹副的抗挤压强度、抗剪切强度、抗弯曲强度公式分别如下。

(1)

(2)

(3)

式中：F为轴向力，N；d1为螺纹大径，mm；d2为螺纹中径，mm；d为螺纹小径，mm；b为螺纹牙底宽度，mm；h为螺纹工作高度，mm；[σp]为许用挤压应力，MPa，通常许用挤压应力值取许用应力；[τ]为许用切应力；[σb]为许用弯曲；应力D为内螺纹大径，mm；b为螺纹牙底宽度；z为结合圈数，一般不大于10。

按式(1)～(3)，对螺纹结构进行强度校核，结构满足要求。

3 静力分析和强度评定

对螺纹结构进行适当简化，建立有限元计算模型，用有限元分析软件ANSYS对抓具的应力进行了分析，并参考ASME BPVC-Ⅲ-NF分卷《支承件》、ASME BPVC-Ⅲ-附录、JB/T4732-1995《钢制压力容器——分析设计标准》(2005年确认)对其强度进行了评定。材料本构关系为线弹性，计算方法为线性静力计算。

3.1 计算条件

计算工况见表1；材料力学性能见表2。

表1 计算工况

表2 材料力学性能

3.2 静力有限元分析模型

根据分析目的及起吊工具的结构建立分析模型，因收缩杆及拉杆只起一个连接作用，为减少模型计算大小，节省资源，模型中不体现该部分，仅体现所有承力结构，对于限位结构施加x、z位移约束。

为方便施加设备及介质载荷，模型中增加了与起吊工具连接的部分内筒组件，对于内筒组件还考虑了边缘应力的作用，设置了足够的长度。对于螺纹连接部位按经典公式计算余量充足，不单独建立模型进行计算，将螺纹连接部位等效绑定接触进行模拟计算。

模型采用六面体单元为主划分网格。生成127 176个节点，31 138个单元。模型及网格如图4所示。

图4 抓具的模型及网格

分析坐标系说明：+x，从左指向右；+y，竖直向上；+z，从纸内指向纸外。

3.3 静力有限元分析边界条件及结果

采用ANSYS软件作为求解器进行线弹性静力分析，用ANSYS Mechanical进行结果后处理。边界条件及总体应力云图如图5所示。

图5 静力边界条件(左)、总体应力云图

从结果可知，应力相对较大的区域位于吊杆与U形楔块连接处，这是由于此处受力由螺纹结构承受，螺纹由于接触面集中但面积较小导致应力更集中。设备起吊时，承力钩上的力传递至垫板上，故垫板上的应力也很大；相反，承力钩上的应力不大。

3.4 应力评定

3.4.1 线性化路径

按通过零件厚度方向的原则，建立了6条应力线性化分析路径(见图6)。因吊钩、U形楔块上的应力非常小，节点应力远小于材料屈服强度，故不进行路径划分。

图6 应力线性化路径

3.4.2 应力线性化结果

沿分析路径的应力进行线性化处理，根据ASME-Ⅲ-NF，在设计工况下应力限制准则如下。

Pm≤1.0Sm

Pm+Pb≤1.5Sm

评定结果见表3，由表可知，设备在正常使用工况下，应力满足规范要求。

表3 应力线性化评定结果

其中：Pm为线性化后的薄膜应力成分；Pb为线性化后的弯曲应力成分；Pm+Pb为线性化后的薄膜加弯曲应力成分。

4 抗震分析

为确保设备在地震工况下的安全性，对设备进行抗震分析。

4.1 模态分析

模型的1、2阶模态结果见图7。模态分析结果表明，其1阶固有频率为36.626 Hz，大于33 Hz，表明该结构刚性较好。抗震计算可采用等效静力分析。提取前三阶固有频率，结果为1阶模态频率36.626 Hz，2阶模态频率77.728 Hz，3阶模态频率126.44 Hz。

图7 一阶(左)、二阶(右)振型

4.2 抗震分析

边界条件：设计工况边界条件+x、y、z方向分别保守考虑4 g的加速度。

分析模型：模型和网格与静力分析相同。

4.3 评定及结果

根据ASME-Ⅲ-附录F，在设计工况下应力限制准则如下。

Pm≤max(1.2Sy，1.5Sm)

Pm+Pb≤min(1.2Sy，0.7Su)

其中，Sy值取材料的Rel，35CrMoⅢ的Su=735 MPa，35CrMoA的Su=980 MPa，30CrMoA的Su=930 MPa。

根据ASME-Ⅲ-NF，对峰值应力不要求作评价，结果满足规范要求。

5 试验验证设计

鉴于抓具为动、静结合的起吊工具，与起重机有类似功能，为确保其安全性和可靠性，参照行业标准GB/T5905-2011《起重机、试验规范和程序》，应设置载荷试验对设备进行验证，通过试验来验证设备运动时的整体强度、刚度、稳定性是否满足设计要求。

5.1 载荷试验

5.1.1 空载试验

抓具应进行收缩，自由伸入容器，伸入后展开，适当提升，保证两者可贴合；然后收缩抓具，从容器筒体取出，确保满足无卡塞、自由伸缩的要求。

5.1.2 动、静载荷试验

根据GB/T5905-2011，设置起升载荷试验，包括动载荷试验和静载荷试验，试验方案见图8。其中，动载荷试验是为了验证设备的动态特性，按额定载荷的1.25倍进行。静载荷试验的目的是检验抓具的承载能力，按额定载荷的1.4倍进行。试验时，应特别注意加、减速度的控制。

图8 动/静载荷试验示意

6 结语

本文剖析了某特制容器用抓具的设计思路，并设计出一种适用的抓具。根据使用工况条件，进行了详细的力学分析和评定，结果满足要求。同时，鉴于抓具的实际工作条件为动静结合，根据起重机行业标准提出了试验验证方案，保证了抓具的安全性、可靠性，为类似工具的开发提供了一种设计思路和科学、有效的验证方法。