受限空间条件下乏燃料运输容器吊装设备的研究

马廷博 刘应均

（中广核铀业物流(北京）有限公司，北京 100071）

1 研究背景

随着核电的快速发展，早期建设的核电站经过多年的运行，其设计的乏燃料贮存水池已趋于饱和。为保证核电运行安全，各核电站都有乏燃料外运需求。大亚湾核电站于1994 年5 月6 日投入商业运行，乏燃料急需外运。虽然大亚湾燃料厂房、自备码头等固定设施具备装卸能力，但是乏燃料容器存放库房、装料后货包暂存地不具备装卸条件，而且它们位于不同的地点和区域，涉及多个装卸环节，需要短距离转场移动。

乏燃料容器质量较大，均在100 t 以上，容器库房空间有限，若采用传统的装卸方式，无法满足需求。综合考虑乏燃料运输当前现状及装卸需求，需设计一套多功能装卸装置，用于核电站场地内及库房内货包或容器的装卸作业，解决容器库房临时存放、厂内倒运、货包暂存过程中多场景的装卸问题。

2 国内外吊装技术现状

目前，国内的大件货物装卸吊装设备多为厂房专用吊机、港口岸吊或铁路货场内轨道式龙门吊，均为固定式，在专用场地内使用，缺少灵活性，不能满足同一设备多场地换装的需求。

2.1 国内吊装设备

2.1.1 汽车起重机

采用大吨位汽车起重机进行装卸，其设备庞大，所需的工作场地和作业空间大，无法进入容器库房开展作业；单臂吊装稳定性差，安全保障性低，且转场极为不便，灵活性差，不能满足对装卸作业的及时响应需求；吊装准备工作烦琐、配套复杂、耗时长、成本高。

2.1.2 液压龙门起重机

采用液压龙门起重机设备进行装卸，其每次装卸需要铺设临时轨道，流程复杂，操作烦琐，耗时较长；安装时需要小型汽车起重机配合，库房内作业安全隐患大。

2.2 国外吊装设备

国外采用的集装箱跨运车和框架式转运车，仅适用于40 t 以下集装箱和建筑材料的装卸，没有可用于狭小空间、具备短距离移动、130 t 以上大吨位设备起重功能的装置。

3 受限空间吊装技术方案

经调研，国内外尚无适用于乏燃料运输容器在多场地、狭小空间具备起重和短距离自主移动等多功能的装卸装置。结合乏燃料运输容器装卸使用环境的踏勘，经过反复讨论与研究确定了总体吊装技术方案。

3.1 总体设计流程

总体设计流程为确定功能需求→技术可行性研究→专家评审技术方案→确定最终设计方案→总体结构布局及工作图纸设计→生产制造→质量控制→功能调试→现场测试验证→第三方单位检验→申请专利→制定产品操作规范与设备管理程序→投入使用[1]。

3.2 确定功能需求

3.2.1 设备实际使用场景及相关参数

装载车辆为9 轴线液压平板车，宽为3 m。乏燃料货包质量为130 t，外形尺寸为6 526 mm×3 150 mm×3 250 mm。库房大门宽为4.5 m，高为5.0 m，库房内部高度为7.0 m，环境温度为-20 ～50 ℃。工作状态下的风力不大于6 级，非工作状态不大于10 级。防腐蚀级别较高，可在海边使用。

3.2.2 确定装卸装置研发设计功能需求

第一，主要功能。空载状态下，须具有横向宽度伸缩及垂向高度升降调整能力，且能短距离自行移动。重载状态下，具有货物原地带荷升降能力。

第二，整体结构。设备为框架结构，工作状态下框架内宽为3.7 m，内长为8.6 m，整机高度不大于6.3 m。空载状态下，具备高度调节及宽度伸缩功能，高度不大于5.0 m，宽度不大于4.5 m。设备具备拆卸功能，便于单个部件运输，单个部件长度不大于9.0 m，宽度不大于2.5 m，高度不大于3.4 m。单件质量不大于10 t，整体质量不大于40 t。

第三，走形部分。空载状态下具有自主道路移动能力，最高速度为5 km·h-1，移动距离为10 km 以内，能满足在2%以内的坡度下运行，具有刹车制动系统。空载状态下，水泥或沥青路面上的移动速度为5 km·h-1时，制动距离不大于1.5 m。

第四，起重部分。起升额定承载质量为180 t，起升高度为0 ～1.5 m，作业时下部采用液压支腿或刚性支腿承载。超出工作条件时，具备自动闭锁功能。吊点满足乏燃料容器的吊点尺寸。

3.3 关键结构比选论证

针对设计关键技术点的可行性，第1 套方案由走行机构、框架结构、液压站、起升机构、起吊机构、液压支腿及柴油等组成，由于没有实现伸缩功能，外形宽度尺寸较大，无法通过库房大门。第2 套方案由走行机构、支架、起升机构、油箱、发电机组、辅助支架、液压站、剪刀叉梁、托板、上层梁及滑动机构等组成，但剪刀叉梁在框架结构下，稳定性较差，需要辅助支架进行支撑，导致每次作业均需配合拆除，工艺烦琐，实用性差。经过与制造厂家多次研究比选，并进行结构强度和稳定性分析计算，最终确定的设计方案由走行装置、框架结构、顶升装置、横梁伸缩装置、液压系统、电气系统及起吊装置（扁担梁吊具）等组成[2]。总体结构如图1 所示。

图1 总体结构

3.3.1 走行装置

走行装置由实心橡胶轮胎、轮边液压马达、转向油缸、回转支承等组成。4 个轮胎均装有轮边液压马达和转向油缸，转向油缸上设有长度传感器。车轮前行或者后退，带动横向伸缩装置调整框架的宽度。

3.3.2 框架结构

框架结构主要包括下侧梁、上侧梁、立柱及导向套、可伸缩横梁等。上侧梁与导套之间采用螺栓连接，导套与上侧梁外侧采用斜撑连接板连接，下侧梁与立柱之间采用螺栓连接。4 个吊耳焊接在上侧梁上，采用高强度螺栓连接。焊接过程采用气体保护焊，保证焊缝具有足够的强度和韧性[3]。

3.3.3 顶升装置

起升装置由4 个顶升油缸和4 个支腿油缸组成，起升装置在立柱和导向套的配合下完成起升或下降的动作。起升和下降时4 个顶升油缸同步工作，平稳上升及下降。每个顶升油缸可以单独进行控制调整。顶升油缸的活塞杆与上侧梁为铰接连接方式。超过工作条件时，该顶升装置具备自动闭锁功能。

3.3.4 横梁伸缩装置

横梁伸缩装置由安装在固定横梁和活动横梁之间的油缸等组成，固定横梁和活动横梁的间隙为5 mm。横梁伸缩装置采用同步液压回路调整框架结构的宽度，轮胎向内转90°，驱动轮胎配合油缸完成横梁的伸长或者缩短。横梁缩至最小位置时，活动横梁限位板与固定横梁导套机械锁紧[4]。

3.3.5 走行装置、伸缩装置的液压系统

装卸装置移动时，采用功率为110 kW 的柴油机提供动力，柴油机驱动液压站的变量泵，变量泵将柴油机输出的机械能转化为油液的液压能，高压油液通过行走回路直接驱动轮边液压马达，从而驱使框架移动式起重机前行。电气控制比例泵小流量缓慢供给马达，马达驱动两端横梁同时向内侧或外侧移动，驱动横梁组成伸长或者缩短[5]。

3.3.6 起吊装置

起吊装置有扁担梁吊具方案和钢丝绳卸扣两种方案。扁担梁吊具方案主要由吊杆、扁担梁吊具、55 t带螺纹起重卸扣和60 t 起重吊带等组成。钢丝绳卸扣方案主要由钢丝绳结构6×36WS+IWRC-2160、直径为44 mm 的钢丝绳、55 t 带螺纹起重卸扣等组成[6]。

3.4 功能

3.4.1 产品体积小、作业效率高、转场灵活

吊装同吨位的乏燃料货包130 t，至少需要500 t级的汽车起重机进行装卸，调遣准备及作业需3 d，作业面积至少需200 m2，在容器存放库房等狭小空间作业受限。所设计的装卸装置额定承载质量为180 t，自身质量为40 t，空载下外形尺寸为9.0 m×3.5 m×4.8 m，重载下外形尺寸为9.00 m×5.44 m×6.30 m，专用乏燃料运输容器装卸，作业面积为装卸装置的正投影面积，约50 m2，作业时间4 h，并且具备移动功能，在容器存放库房能灵活使用，可实现厂内不同区域间的转场移动，且转场耗时短。

3.4.2 可自由伸缩调节

现有的大亚湾核电基地容器存放库房大门宽为4.5 m、高为5.0 m，该设备具有横向和竖直伸缩机构，其宽度和高度可通过伸缩机构自由灵活调整，增强了狭小空间及短距离道路运输限制的通行性能。最终研制的装卸装置在空载状态下，通过伸缩机构，宽度和高度可分别调节至3.5 m、4.8 m，能够灵活适用于厂房内、厂区等室内或狭小空间的装卸作业。

4 结语

乏燃料运输容器专用装卸装置，作为专用于乏燃料货包或容器装卸的设备，与实际工作结合紧密，安全性高，可操作性强，在乏燃料外运中得到了有效应用，解决了空容器库房、货包集中暂存地吊装空间受限等“卡脖子”问题。该专用装卸装置为国内独创，为起重行业提供新型起重设备样式，填补了国内乏燃料专用装卸设备空白，可推广发展成为物流场站（货场）或工程物流中大件设备的专用装卸平台。