0 引言

　　中国散裂中子源作为“十一五”期间国家重点建设的12个重大科技基础设施项目之首，是我国首台脉冲型散裂中子源。中国散裂中子源在材料科学和技术、生命科学、物理学、化学化工、资源环境、新能源等诸多领域具有广泛应用前景，将为我国产生高水平的科研成果提供有力支撑，并为解决国家可持续性发展和国家战略需求的许多瓶颈问题提供先进研究平台^[1]。氦容器是为散裂反应核心区提供氮气气氛保护，以减少放射性气体的产生，同时防止放射性气体及冷却介质的泄漏，并为靶体系统、慢化器与反射体系统、质子束窗系统提供安装接口，为质子束及中子束提供输运孔道。靶站的核心部件都是以氦容器为基准进行安装，散裂反应也是在氦容器内部发生，因此氦容器属于靶站核心部件之一，氦容器的制造、安装质量也要求特别高。

　　1 工程概况

　　氦容器是一台圆筒形封闭容器，总重63t，最大直径4.8m，高7.8m，重心距底部2 965mm，在其下部含有20条中子束道和1条高能质子入射孔道。氦容器安装基础为裙座，已安装在靶站基板上，标高为1.300m。周围的重混凝土屏蔽墙、钢柱及热室已浇筑完成，最高处距地面9.7m，此外作业区内无更高障碍物。因此，本项目难点为:(1)在吊装过程中视野范围受限;(2)在吊装过程中应避免吊索与中子输运孔道干涉，防止孔道变形损坏;(3)需将氦容器进行翻身操作，即将平卧状态改为直立状态。

　　氦容器采用低平板半挂车由制造厂运输至安装现场，承载平台高度为400mm。容器设两鞍座，支撑点位置及容器摆放姿态如图1所示。起重机站位地面标高为±0.000，地面为1m厚混凝土，局部区域建有地下室。经建筑设计单位核准，所有作业区域地面设计承载力均为200k N/m²。

　　

　　图1 氦容器安装前姿态 

　　 

　　2 吊装方案选择

　　氦容器工作姿态为直立状态，但由于其总高7.8m，为了方便运输，设备呈倒伏状态。氦容器下部圆周方向有中子束道等附属结构，制造精度高且较脆弱，在吊装直立过程中尾部不能着地，以免损坏附属结构，因此需将其吊起在空中实现翻身过程，因此选用双机抬吊实现空中姿态改变。

　　2.1 主、辅起重机荷载分配计算

　　氦容器重心位置如图2所示。起吊过程中，主起重机和辅起重机的受力情况随氦容器与地面的夹角α变化而相应变化。刚起吊时，容器呈水平状态时(α=0°)，此时，辅起重机所承受荷载F₂最大;当氦容器直立后(α=90°)，主起重机所承受荷载最大。为了更好分析主、辅起重机在吊装过程中荷载变化情况，通过公式计算分析了主、辅起重机所承受荷载F₁和F₂在α=0°，30°，50°，70°，90°时情况，具体如表1所示。

　　

　　图2 氦容器重心位置及主、辅起重机吊点  

　　 

　　  

　　表1 氦容器在不同姿态下主、辅荷载情况k N 

　　 

　　 

　　

　　表1 氦容器在不同姿态下主、辅荷载情况k N

　　荷载分配计算公式为:

　　

　　 

　　式中:H=6 500mm,h₁=4 765mm,h₂=1 685mm,R=1 450mm，α为氦容器与地面夹角。

　　通过计算可得出，主起重机承受最大荷载为氦容器与地面夹角90°即姿态为直立时，即氦容器自重63t全部由主起重机承受。辅起重机承受最大荷载为刚起吊时，荷载为460k N。

　　2.2 主起重机选型计算

　　根据计算，主起重机最大承受荷载为680k N，包括设备总重63t，吊装吊索具重5t。起重机作业半径根据建筑图纸和现场踏勘测量取15m。吊装高度通过下面的公式得出:

　　

　　 

　　式中:H₁为混凝土墙高度;H₂为主吊点到氦容器底部高度;H₃为主吊索高度;H₄为吊钩到吊臂顶钢丝绳长度;H₅为设备底部至混凝土墙顶的安全距离。

　　主起重机以格鲁夫GMK7450型作为参考进行计算，该起重机在作业半径15m、配重120t、臂长35.3m时，起重能力为85t^[2]。

　　在该工况下最大起升高度为:

　　

　　 

　　式中:L为臂长，取35.3m;R为回转半径，取15m;S为回转中心线至臂架下铰点距离，取2.5m;h为臂架下铰点到起重机站位面距离，取3m。

　　由图3可知，氦容器距起重机臂架最近处≥6m，不会与臂架相碰。

　　

　　图3 氦容器吊装立面  

　　 

　　格鲁夫GMK7450型汽车式起重机负荷率η=68/85=80%，在该工况下可实现安全吊装。

　　2.3 辅起重机选型计算

　　根据计算，辅起重机分配最大荷载为480k N，其中包括吊索具重2t。起重机回转半径根据建筑图纸及站位布置取9m。

　　吊装高度按氦容器越过3m高障碍物计算，则有:

　　

　　 

　　式中:H₁为障碍物高度;H₂为吊点至氦容器底部高度;H₃为吊点以上吊索长度;H₄为吊钩至吊臂顶钢丝绳长度;H₅为设备底部距障碍物间隙。

　　辅起重机以徐工QAY300型汽车式起重机为标准进行验算，在回转半径为9m、配重98t、臂长25.7m工况下，该型号起重机起重量为94t^[3]。

　　其最大起升高度:

　　

　　 

　　式中:L为臂长，取25.7m;R为回转半径，取9m;S为回转中心线至臂架下铰点距离，取2.5m;h为臂架下铰点至起重机站位面距离，取3m。

　　辅起重机承受最大荷载在氦容器水平抬起时，吊装质量为48t，作业半径9m。此时起重机负荷率η=48/94=51%<80%，则在该工况下起重机选型安全。

　　由图4可知，氦容器底部距臂架最近处≥7m，不会碰杆。

　　

　　图4 氦容器翻身示意  

　　 

　　2.4 吊索选择与校核

　　氦容器完全直立后，主吊索承受最大荷载630k N。选用单肢66,6×37+FC-1670MPa铝合金压制纤维芯钢丝绳吊索，额定工作荷载为335.9k N^[4]，使用2根钢丝绳吊索的工作荷载为671.8k N，大于氦容器自重63t。

　　1 670MPa纤维芯66钢丝绳最小破断拉力为2 140k N，即2 140/9.8=218.3t。

　　使用2根同种钢丝绳时的安全系数K=218.3×2/63=6.93>6，满足吊装要求。

　　氦容器水平抬起时，副吊索承受荷载最大，为460k N。副吊点在下部容器与封头上部筒体结合部位，如图4所示。为减小对筒体的压力和避免钢丝绳对容器表面的损伤，选用80t高强度圆形吊带(宽150mm)缠绕一圈后起吊，最大工作荷载可达640k N(结套扼圈式提升吊装系数为0.8)^[5]。吊带与氦容器棱边接触点用防割破护角保护后，圆角直径≥60mm，参照钢丝绳绕过不同直径的销轴计算公式，吊带的效率系数为^[6]:

　　

　　 

　　式中:R为吊带比例系数;D为与吊带接触部分直径，取60mm;d为80t圆吊带等效钢丝绳弯曲直径，取10mm;E为吊带效率系数。

　　吊带安全系数为:

　　

　　 

　　通过上述计算，吊带的选用也符合安全要求。

　　2.5 支腿地基承载力校核

　　由于现有建筑地面已建好，且部分区域建有地下室，地面承载力为200k N/m²。主起重机选用格鲁夫GMK7450型汽车式起重机，其自重96t，配重取120t，吊装质量68t。

　　按经验公式，支腿最大荷载:

　　

　　 

　　式中:N为支腿压力(k N);G为车体质量(k N);Q为吊装质量(k N);R为吊装幅度(m);I为支腿伸距(m)。

　　支腿垫板经实际测量面积为4.5×2.2=9.9m²，则支腿对地面压强P=125/9.9=126k N/m²<200k N/m²。

　　通过验算，主起重机的支腿力满足地面的承重要求。

　　辅起重机选用徐工QAY300型汽车式起重机，其自重72t，配重98t，吊装质量48t。通过计算支腿对地面的压强为168k N/m²，符合地面承重要求。

　　3 氦容器安装施工

　　汽车式起重机和氦容器运输车按吊装平面布置图站位，并打支腿和配重。在氦容器翻身过程中，主起重机升钩并保持作业半径12m不变，辅起重机适时往主起重机方向旋转，氦容器在重力作用下逐渐直立。在整个吊装过程中，设备尾部离障碍物或地面0.5m左右，通过吊装前详细审查图纸和制定吊带的捆绑方法，确保氦容器直立过程中吊带经过2个中子孔道之间的位置，避免吊带挤压束流孔道。

　　完成氦容器的翻身后，主起重机调整作业半径延伸至15m，确认一切正常后，主起重机升杆并起钩至氦容器底部离地10m(即氦容器底部超过9.7m重混凝土屏蔽墙)，然后回转至靶站内氦容器安装位置。为了解决吊装过程中视线受限难题，采取两人通过对讲机接力指挥，即一人在氦容器安装位置根据现场安装情况发出指令，另一人站在重混凝土屏蔽墙的最高处将指挥信号接力传递给起重机操作员。通过变幅微动和吊钩微动等组合动作完成氦容器的销钉和裙座孔对位(通过预先划好的刻线及微型摄像头观察)。氦容器就位后，经过准直人员测量确认无误后，主起重机松钩并解除索具，完成氦容器的最终安装就位(见图5)。

　　4 结语

　　氦容器是该项目的核心设备之一，设备质量大，安装要求高，项目组通过制订详细的施工方案，采取双机抬吊、起重机接力指挥等一系列措施，解决了精密设备空中改变姿态、吊装视线受限、吊索易挤压中子通道等难题，为今后同类项目实施提供了参考。

　　

　　图5 氦容器安装就位