球形容器的傾斜式焊接滾輪架的設計與應用

劉小戶，李 泳，王建濤

（西安核設備有限公司，陜西 西安）

引言

華龍一號堆型是我國根據日本福島核事故經驗反饋及“中國安全標準”自主研發的三代百萬千瓦級壓水堆核電技術，也是我國核電走上世界舞臺的重大標志性創新成果[1]?！叭A龍一號”堆型中安全注射箱設備（安注箱）是核電站非能動堆芯冷卻系統的關鍵設備之一，其主要功能是在發生一回路失水事故時提供淹沒堆芯的硼酸溶液，以保持反應堆長期處于安全停堆狀態，是保護一回路系統中核反應堆堆芯的重要應急安全設備[2]。

安注箱屬于大型球罐形壓力容器，其中球罐主要制造工藝包括焊接、無損檢測及打磨拋光等，這些工藝均需將球罐轉動至合適點位進行加工。傳統焊接滾輪架只能實現圓筒形工件的轉動，無法實現球形容器的轉動。因此，本文基于對傳統焊接滾輪架結構、性能特點的分析，設計了適合于安注箱球形設備的固定傾斜式焊接滾輪架，以滿足制造過程中設備的轉動需求，同時避免了因不當放置及轉動導致的磕碰表面質量事件。

1 傳統焊接滾輪架的初探

在壓力容器制造中，圓筒形工件的焊接、檢測等加工時需要使用焊接滾輪架實現工件的旋轉，傳統焊接滾輪架主要由以下幾部分組成：

（1） 速度控制系統

目前傳統焊接滾輪架速度控制系統主要包括有速度反饋的直流調速系統、可預置電動機運行參數的直流數字調速系統、交流變頻調速系統[3]。有速度反饋的直流調速系統使用于傳統焊接滾輪架，速度控制精度較低；但可通過速度控制器調節運轉速度，將直流調速系統調速控制在緩慢狀態，可滿足大型球形設備的制造要求。

（2） 機械傳動系統

傳統焊接滾輪架采用直流電動機帶動同步齒輪帶，經齒輪傳動系統，將動力最終傳送給各個滾輪[4]。運用簡單機械傳動原理，將電能轉換為動能，以同步齒輪傳動系統過渡至滾輪，致使滾輪轉動，滾輪表面與設備工件表面接觸形成摩擦力，將設備工件轉動至加工面進行加工制造。

（3） 防偏移結構

設備制造過程中，對其表面質量要求較高，應選擇防偏移功能時，注意防偏移措施。設備制造過程中發生偏移，會使加工構件與滾輪架整體載荷立場發生偏移，部分接觸點或面壓力增大，可能會對工件表面產生質量影響，因此加工過程中防偏移結構至關重要[5]。

2 傾斜式焊接滾輪架的方案設計

隨著我國核工業創新發展，華龍一號球形安注箱采用了與以往不同的球罐形結構，該設備對加工制造要求標準高、要求嚴。為解決安注箱制造過程中的轉動問題，本文通過對傳統焊接滾輪架的結構、性能和特點進行初探，并從其運轉原理中受到啟發，對其進行改造，以滿足球形安注箱制造工藝要求。

基于對傳統焊接滾輪架的初探，對其速度控制系統、機械傳動系統以及防偏移機構進行了解，為改造后傾斜式焊接滾輪架的結構設計進行取留。作者工作單位主要以大型設備制造為主，加工制造過程中，對加工點或面誤差容許度較大，因此在速度控制系統上，改造后的傾斜式焊接滾輪架保留傳統焊接滾輪架原有的速度控制系統，即有速度反饋的直流調控系統。防偏移結構方面，同一組托輪不平行或兩個托輪的連線與筒體軸線不垂直，都會造成擋輪受力過大，同時也會造成托輪不正常磨損[6]。因此改造傳統焊接滾輪架傾向方向，使得滾輪與球形安注箱表面接觸面積增大，使其載荷立場分布平穩，圖1 為改造后傾斜式焊接滾輪架結構接觸面穩定簡示圖。

圖1 焊接滾輪與工件接觸面簡示圖

由于瓜瓣組件焊接后，每道拼接縫需要進行探傷（RT、PT 檢測）、焊縫存在缺陷時還需要返工焊接、球罐上各管座焊接及無損檢測、打磨拋光、清潔等均需要將球罐旋轉至合適位置，而現有的轉胎只能實現圓筒形結構的轉動，不能滿足球罐形結構的轉動。因此，我們設計了球罐設備的專用轉動設備。為了滿足安注箱球罐制造過程的轉動需求，針對現有轉胎只能實現圓筒形轉動的現狀，提供一種安注箱球罐部件旋轉用轉胎裝置，使其適用放置球罐容器及球罐容器的轉動。

“華龍一號”安注箱主要由球罐形組件和裙座組件組成[7]，其中球罐形組件由6 片瓜瓣和組成的瓜瓣組件、上下封頭及管座等組成，直徑約5.2 m，凈重約40 t，球形安注箱結構見圖2。

圖2 球形安注箱結構圖及參數

根據瓜瓣組件直徑、重量及結構，選用兩臺60 t主動輪滾輪，通過繪制組裝結構圖測繪零部件尺寸、加工及組裝各零部件、調試等步驟，實現球罐在新裝置上的可控旋轉。技術核心是確定轉胎之間的間距、底部傾斜角度至適當位置，保證放置工件時轉胎上8個滾輪中心垂直指向球罐中心，使球罐的重心與8 個滾輪的承重中心接近重合。調整兩臺主動輪轉胎的同步，使其在兩個主動輪的帶動下可以實現球罐平穩可控的旋轉動作。

該安注箱球罐部件旋轉用轉胎裝置,是在60 t 轉胎底座下，增加一定的傾斜角度，但要保證不能使原有的滾輪受力狀態有太大變化，防止因受力方向變化，發生旋轉時轉胎轉軸和齒輪折斷的意外情況；同時根據瓜瓣組件吊耳的間距2 m，確定轉胎的滾輪的中心間距為1.5 m。模擬滾輪實際使用位置見圖3，根據模擬圖繪制滾輪底部傾斜圖零部件加工圖見圖4。最終，根據以上構件參數，現場加工制造并安裝。

圖3 滾輪實際使用模擬位置圖

圖4 滾輪底部傾斜圖零部件加工圖（單位：mm）

3 現場試驗

通過設計方案，通過增加傳統焊接滾輪架底座支架，改造加工傾斜式焊接滾輪架，在試驗樣機調試過程中，如發現轉胎受到球罐的重力后轉胎滾輪翹起，此時需要將翹起的滾輪位置固定；如8 個滾輪中，有個別滾輪與封頭接觸不到，需要將滾輪的位置進行微調整，同時將轉胎的間距進行微調，以滿足8 個滾輪與球罐面均能較好地接觸。調試完成后，需要對球罐瓜瓣組件進行試旋轉；在試轉動前，為防止意外發生，用吊車掛著瓜瓣組件，而吊繩處于放松狀態，以便觀察球罐隨著轉胎的轉動旋轉狀態。

首次調試安裝完成后，在現場進行安注箱的球罐旋轉試驗，運行過程中，滾輪支架表面與安注箱球體表面完美貼合，在旋轉過程中未發生偏擺、跳動，可全方位旋轉至加工施工目標面，滿足使用需求。

4 結論

通過對適用于圓筒狀的傳統焊接滾輪架進行改造設計，包括對傳統焊接滾輪架速度控制系統、機械傳動系統以及防偏移結構進行留取，支座工件加工參數的確定，最終研發出適用于華龍一號安注箱的傾斜式焊接滾輪架，并適用于其他大型球狀工件。

5 展望

傳統焊接滾輪架只適用于圓筒形工件，本文改造的傾斜式焊接滾輪架僅僅針對華龍一號安注箱進行改造，由于安注箱尺寸固定不變，本傾斜式焊接滾輪架下方為固定傾斜，存在不可調節問題，因此僅僅適用于和安注箱尺寸大小相同的球形構件。而核工業設備制造，除了安注箱構件，還會有其他構件面臨同樣問題，存在尺寸大小不一的情況，從傳統焊接滾輪架和傾斜式焊接滾輪架設計與結構上受啟發，同時以煤礦采煤工作面液壓支架為二次啟發，制造出一種自動可調節式焊接滾輪架，適用于不同尺寸圓筒形和球形工件，設計理念見圖5，為我國核工業設備制造提供設計參考。

圖5 自動可調節焊接滾輪架