单一故障准则在AP1000核电站环形起重机中的实现

1 APIO00核电站环形起重机根据我国的核安全法规 HAF102核电厂设计安全规定，对于构成核电厂设计的每个安全组，都必须运用单-故障准则。安全组是用以完成各项为抑制特定假设始发事件的后果使之不超过设计基准所规定限值所需要的动作的设备组合。满足单-故障准则的设备组合，在其任何部位发生单- 随机故障时，仍能保持所赋予的功能。源自单- 故障的各种继发故障，均视作单-故障不可分割的组成部分。

APIO00核电站采用先进的非能动型压水堆核电技术，由美国西屋公司开发，属于三代核电技术。APIO00核电站中使用的起重设备主要集中在反应堆厂房、燃料厂房和汽轮机厂房。环形起重机在 AP1000核电站运行期间起重量最大，位于反应堆厂房顶部，因执行 防止不受控 的临界载荷(当由起重机操纵的载荷能够直接或间接引起放射性释放时，这-载荷称为临界载荷)跌落的核安全功能，而被划分为核安全相关 c级、抗震I类设备，执行核安全功能的相关部件应遵循单-故障准则。

《起重运输机械》 2013(7)AP1000核电站环形起重机位于反应堆厂房顶部的环形轨道上，主要用于反应堆正常停堆换料期间吊运-体化堆顶组件及其他设备，并在不执行操作期间 (18个月或更长)能够承受安全壳厂房内的各种压力、温度、湿度、辐照等环境条件。

如图1所示，AP1000环形起重机采用带有主、副起升机构的电动双梁桥式起重机结构 ，主要组成包括：包含箱形主梁和端梁的桥架钢结构，桥架行走系统，设有主、副起升系统和行走系统的小车，设在桥架主梁下的封闭式司机室和地面操作盒 ，抗震装置，环形轨道及安装附件，人行走道、平 台及梯子，电气系统和各种安全保护装置等。

主、副起升机构安装在沿桥架上放置的 2根平行轨道上行走的小车中，桥架端部底有带走轮台车，可沿环形轨道 360。范围内连续行走。

APIO00环形起重机的主要性能要求有 ：设计寿命 60年；主、副起升机构最大临界载荷 ：215.5t/22.7 t；主、副起升机构最大额定载荷：272 t/22.7 t；桥 架 额 定 承 载 能 力：726 t(可 用 于AP1000蒸汽发生器的更换)。

- 1 1 3 - 1.桥架 2.小车 3.主、副起升机构4.桥架行走系统 5.司机室图1 AP1000核电站环形起重机总体结构示意图AP1000环形起重机在反应堆正常停堆换料期间吊运-体化堆顶组件，如果该组件在吊运过程中跌落，破坏到其他反应堆设备如压力容器、换料水池等，能直接或间接引起放射性的释放。依据美国核管会的核电站用单-故障保护起重机标准，AP1000环形起重机应运用单-故障准则 ，其起升系统应设计成单-故障不导致丧失保持载荷的能力，而主梁等承载部件，将采用保守设计 ，不需要考虑单-故障保护。

2 单-故障准则的实现2.1 主、副起升机构驱动系统AP1000环形起重机主、副起升机构均采用单起升驱动机构，各有 1个单驱动电动机和2个制动器，1个制动器位于传动电动机轴上，另-个位于传动链末端的卷筒上，该卷筒制动器可通过传动链连续性检测系统触发，当起升机构传动链上任何-个零部件失效后，卷筒制动器动作，停止并保持载荷不坠落，实现了单-故障保护的功能。

卷筒制动器动作后，通过电动机手动操作和卷筒制动器的操作，可实现载荷的安全下降。

2.2 双钢丝绳绕绳系统如图2、图3所示，主、副起升机构均采用相互独立的双钢丝绳绕绳系统，每根钢丝绳的断裂不会引起载荷下降，可实现单-故障保护功能，- 1 14 - 且每根钢丝绳通过绕绳方式均可保持载荷平衡。2根钢丝绳的-端固定于卷筒两端，2根钢丝绳的另1.卷筒制动器 2.卷筒 3.电动机 4.减速器5.联轴器 6.电机制动器图2 副起升驱动机构- 端分别固定于液压缸平衡杆的两端，液压缸两端装有触发开关以防止钢丝绳向-J过分位移，且当其中-根钢丝绳断裂时也可触发该开关产生故障信号，同时液压缸也起到了当-根钢丝绳断裂时吸收冲击能量的作用。

1.钢丝绳 1 2.钢丝绳 2图3 主起升绕绳系统2.3 机械传动链连续性检测在主、副起升机构的传动链两端，连接有-套速度比较的装置，该装置的 2个速度输入分别来自于电动机和卷筒。当 2个速度输入不符合某- 固定的速度 比时，可通过机械的方式触发卷筒《起重运输机械》 2013(7)制动器，即在整个传动链中任-部件故障导致传动链不连续时，均会通过卷筒制动机保持载荷不坠落，实现单-故障保护的功能。

2.4 能量吸收扭矩限制器能量吸收扭矩限制器位于主、副起升机构的传动链中，通过设定扭矩，以保证在从电动机向卷筒传递扭矩的过程中，当需传递的扭矩低于设定值时，该能量吸收扭矩限制器可将电动机侧的扭矩传递到卷筒侧；而当需传递的扭矩大于设定值时，该能量吸收扭矩限制器会 自动断开，隔离电动机向卷筒-侧的扭矩传递，同时也吸收了电动机侧瞬间产生的很高的能量，避免传动链中其他部件受到损坏。该部件的采用使得起重机具有承受动定滑轮碰撞、载荷阻碍等严重超载的能力，在发生严重超载时，起重机不失去载荷，并且可以避免起升部件的损坏，用机械的方法保证了设备及部件的安全。

2.5 钢丝绳错绕监测装置钢丝绳错绕意味着钢丝绳离开卷筒的绳槽，跨过槽脊缠绕在其他钢丝绳槽上，如果钢丝绳在卷筒与其支撑结构之间被挤压变形，可导致钢丝绳严重的损伤或失效。AP1000环形起重机在卷筒绳槽外设置有钢丝绳错绕监测装置，当钢丝绳离开卷筒绳槽时，会触发监测装置中的传感器产生故障信号，进而切断起升电动机电源，并触发制动器，对钢丝绳起到保护作用。

2.6 卷筒托架AP1000环形起重机的卷筒并未要求满足单-故障保护功能，但当卷筒轴、轴承或轴承支承失效时，依靠卷筒托架可防止卷筒从其持荷制动系统中脱开，保证载荷保持功能不失效。

2.7 电气系统AP1000环形起重机的电气系统设计了相当数量的故障诊断措施如超载、电机超载、卷筒超速、电源缺相、失电、电机过热、失无线信号、驱动器故障、钢丝绳错绕，以及限位、冗余限位等，起升系统的任何-个电气部件发生故障均会触发或间接触发相应的故障信号，进而使电机制动器或卷筒制动器动作，实现保持载荷不下坠的功能。

3 总结以上 AP1000环形起重机各系统和部件的设计，遵循了单-故障准则，为其运行提供了安全可靠保障。目前，浙江三门-号和山东海阳-号AP1000核电机组的环形起重机已经顺利通过厂内验收试验，实现单-故障保护的各系统和部件功能均得到了验证，主、副起升系统在承受动定滑轮碰撞的严重超载情况时，可保持住载荷不坠落的核安全功能，且未发生起升系统部件的损坏，试验结果验证了单-故障准则在 AP1000环形起重机的实现。

作为先进的非能动三代核电技术，AP1000核电站在浙江三门和山东海 阳正进行紧张的建设，且三门-号属于全球首台，其建造和运行的安全性，对于全球核电行业的发展有非常重要的影响。

AP1000环形起重机作为整个核电站中设计载荷最大的核安全级起重设备，单-故障准则的实现，对于保证电站的核安全发挥了积极的作用，同时从工业安全的角度考虑，对于其他类起重设备的安全设计也具有-定的指导意义。