恒溫器箱形真空殼體的研制

孫志和，萬(wàn)玉琴，王 沛，白 峰，盧毛磊，黃 倩

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，合肥 230088；2.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000）

恒溫器箱形真空殼體的研制

孫志和1，萬(wàn)玉琴2，王 沛1，白 峰2，盧毛磊1，黃 倩1

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司，合肥 230088；2.中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所，蘭州 730000）

ADS加速器旨在解決核能可持續(xù)發(fā)展中的“增殖核材料和嬗變核廢物”問(wèn)題。通過(guò)理論計(jì)算及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了ADS加速器低溫恒溫器的真空殼體，真空殼體內(nèi)部尺寸為4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm的箱形結(jié)構(gòu)。根據(jù)真空殼體密封性能及強(qiáng)度要求，介紹了真空殼體焊縫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后根據(jù)真空殼體尺寸精度及尺寸穩(wěn)定性要求，著重介紹了真空殼體的制造工藝過(guò)程。恒溫器箱形真空殼體經(jīng)實(shí)際檢測(cè)，各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

ADS加速器；恒溫器；真空殼體；機(jī)械設(shè)計(jì)

0 引言

低溫恒溫器真空殼體一般為圓筒形結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是制造容易、承受外壓強(qiáng)度好、造價(jià)低。ADS加速器低溫恒溫器真空殼體根據(jù)超導(dǎo)腔、超導(dǎo)磁體及束流位置檢測(cè)器組成的恒溫器內(nèi)部組件的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部尺寸長(zhǎng)4 200 mm、寬1 500 mm、高1 500 mm，為目前國(guó)內(nèi)大型恒溫器真空殼體。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、加強(qiáng)筋設(shè)置方式、真空殼體頂部法蘭及焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面參考的資料有限，而真空殼體的尺寸精度、尺寸穩(wěn)定性要求嚴(yán)格，加工制造成本較高，因此恒溫器真空殼體的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、加工制造、檢驗(yàn)測(cè)試都是需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。詳細(xì)介紹了恒溫器箱形真空殼體的設(shè)計(jì)及加工工藝過(guò)程。

1 箱形真空殼體的設(shè)計(jì)

ADS加速器低溫恒溫器真空殼體為加速器超導(dǎo)腔、超導(dǎo)磁體及束流位置檢測(cè)器組成的恒溫器內(nèi)部組件提供隔熱真空，同時(shí)恒溫器重達(dá)2 500 kg的超導(dǎo)腔等內(nèi)部組件通過(guò)2個(gè)POST支撐組件懸掛在真空蓋板上。超導(dǎo)腔及超導(dǎo)磁體運(yùn)行所需的低溫液體、電力及溫度、壓力、液位等各測(cè)量裝置通過(guò)真空殼體和真空蓋板開(kāi)孔法蘭與內(nèi)部相連通。由于超導(dǎo)腔等內(nèi)部組件安裝、調(diào)試、運(yùn)行過(guò)程中有很高的位置精度要求以及束流中心線的準(zhǔn)直度要求，因此真空殼體的設(shè)計(jì)及加工必須滿足一定的精度要求。根據(jù)恒溫器超導(dǎo)腔等內(nèi)部組件結(jié)構(gòu)尺寸，真空殼體設(shè)計(jì)為4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm的箱形結(jié)構(gòu)，真空殼體結(jié)構(gòu)如圖1所示。真空殼體及真空蓋板組成恒溫器真空室，真空室由四周側(cè)板、底板及頂部法蘭焊接構(gòu)成。真空殼體與真空蓋板之間采用氟橡膠“O”型圈密封，為提供初始密封預(yù)緊力采用M18的螺栓。真空殼體為箱形結(jié)構(gòu)，為了減小殼體壁厚，減輕殼體重量，在殼體外側(cè)焊接一定間距的加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋的設(shè)置方式通常有縱筋、橫筋及十字交叉筋等三種，本真空殼體綜合考慮主要采用縱筋結(jié)構(gòu)形式。真空殼體底板在寬度方向單邊尺寸大于真空殼體外側(cè)尺寸50 mm，頂部法蘭在寬度方向大于真空殼體外側(cè)尺寸100 mm，這樣殼體側(cè)板加強(qiáng)筋在焊接時(shí)，加強(qiáng)筋的上下兩端面分別與底板及頂部法蘭焊接，加強(qiáng)筋成為兩端固定的簡(jiǎn)支梁，提高了加強(qiáng)筋及頂部法蘭抗彎截面模量。真空殼體四周及底板底部分別設(shè)計(jì)有耦合器、調(diào)諧機(jī)構(gòu)、束流調(diào)節(jié)閥及操作、抽真空等各種規(guī)格接口法蘭。真空蓋板為大型平板結(jié)構(gòu)，在焊接、機(jī)械加工過(guò)程中必然產(chǎn)生較大彎曲或扭曲變形，影響真空殼體形成真空密封，為此在真空蓋板四周焊接高度為150 mm的矩形方管，增加真空蓋板剛性，提高真空蓋板密封面平面度。在真空蓋板上設(shè)計(jì)有post吊裝法蘭、電流引線安裝法蘭、BPM電纜轉(zhuǎn)接法蘭及輸液、液位、溫度、安全等測(cè)量用各種規(guī)格接口。真空殼體及真空蓋板采用316 L制造，整體重量約13 000 kg。

圖1 真空殼體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of vacuum chamber

2 箱形真空殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

真空殼體為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部尺寸為4 200 mm× 1 500 mm×1 500 mm。真空殼體周邊及底部需要開(kāi)設(shè)螺釘孔，為滿足螺釘?shù)男祥L(zhǎng)度要求，四周側(cè)板設(shè)計(jì)厚度選取20 mm。側(cè)板加強(qiáng)筋采用立式結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)筋上端面與殼體頂部法蘭焊接，下端面與殼體底板焊接，這樣加強(qiáng)筋為兩端固定的簡(jiǎn)支梁。低溫恒溫器在運(yùn)行過(guò)程中有很高的尺寸穩(wěn)定性要求，以滿足加速器束流需要，這就要求真空殼體有足夠的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋為矩形截面，高度100 mm，厚度20 mm，加強(qiáng)筋間距300 mm，則加強(qiáng)筋的應(yīng)力計(jì)算：

（1）加強(qiáng)筋截面積：s1=20 cm2；

（2）殼體部分截面積：s2=60 cm2；

（3）加強(qiáng)筋截面慣性矩：J1=bh3/12=166.7 cm4；

（4）殼體部分截面慣性矩：J2=bh3/12=20 cm4；

（5）組合截面形心：建立圖2坐標(biāo)系，根據(jù)組合圖形形心計(jì)算，加強(qiáng)筋形心y1=7，殼體截面形心y2=1，則組合圖形形心y=（s1y1+s2y2）/（s1+s2）=2.5 cm，加強(qiáng)筋與殼體的組合截面對(duì)形心的慣性矩：J=J1+J2+s1·（y1+2-y）2+s2（y-y2）2=1 166.7 cm4。

圖2 加強(qiáng)筋截面圖Fig.2 The section of the strengthening rib

（6）組合截面抗彎截面模量：W=J/（10+2-y）= 122.8 cm3；

（7）加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力：σ=L2bPs/KW=45.8 MPa＜0.9σs=176.5 MPa。

加強(qiáng)筋四周及底部均有密封法蘭，采用O型圈密封結(jié)構(gòu)，需要考慮在大氣作用下，壁板變形對(duì)密封性能的影響。加強(qiáng)筋與壁板焊接，相當(dāng)壁板四周固定，則其中心最大變形量為：y=c1qb4/Es3=0.02 mm。

由上述計(jì)算可知，加強(qiáng)筋的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于不銹鋼的許用應(yīng)力，壁板中心變形量很小，即設(shè)計(jì)真空殼體壁厚20 mm，加強(qiáng)筋厚度20 mm，加強(qiáng)筋高度100 mm，不論從強(qiáng)度、穩(wěn)定性還是密封性來(lái)說(shuō)，滿足設(shè)計(jì)需要。

3 真空殼體焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

真空殼體由四周側(cè)板、底板及頂部法蘭組焊而成。為使組焊時(shí)定位準(zhǔn)確，底板、頂部法蘭與四周側(cè)板結(jié)合面處設(shè)計(jì)有3 mm的定位槽。四周側(cè)板由四塊厚度20 mm的鋼板組焊構(gòu)成，其中兩塊端板兩側(cè)邊真空側(cè)設(shè)計(jì)7 mm深、55°的焊接坡口。四周側(cè)板下端真空側(cè)設(shè)計(jì)7 mm深、55°的焊接坡口，方便四周側(cè)板與殼體底板之間、兩塊端板與兩塊長(zhǎng)側(cè)板之間的填料氬弧焊接；四周側(cè)板上端真空側(cè)設(shè)計(jì)7 mm深、30°的焊接坡口，頂部法蘭相應(yīng)處同樣設(shè)計(jì)7 mm深、30°的焊接坡口，保證四周側(cè)板與口部法蘭的焊接強(qiáng)度需要。四周側(cè)板空氣側(cè)設(shè)計(jì)間斷焊接坡口，坡口深7 mm、坡口角度為45°，坡口長(zhǎng)度150 mm，間隔50 mm。各部分的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。真空殼體真空側(cè)所有焊縫為密封滿焊，分多層焊接成形。要求第一層為自熔焊接，后面各層為填料焊接，真空側(cè)焊接高度6 mm，大氣側(cè)為加強(qiáng)間斷焊接。

圖3 四周側(cè)板與底板、頂部法蘭焊接示意圖Fig.3 Schematic diagram of welding for around side plate to bottom plate and top flange

4 真空殼體的制造

ADS加速器低溫恒溫器超導(dǎo)腔等內(nèi)部組件吊裝在真空蓋板上，真空蓋板整體裝配到真空殼體，超導(dǎo)腔等內(nèi)部組件有大量的螺釘?shù)染o固件需要與真空殼體相連接。這就要求真空蓋板與真空殼體有較高的位置尺寸精度，否則難以裝配。同時(shí)ADS加速器長(zhǎng)期運(yùn)行在低溫工況下，必須要有較高的尺寸穩(wěn)定性。而真空殼體為大型焊接件，存在著較大的焊接應(yīng)力、焊接變形等問(wèn)題。因此在制造過(guò)程中必須認(rèn)真考慮，制訂嚴(yán)格的加工工藝，以保證真空殼體的精度要求，滿足加速器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需要。首先將各側(cè)板與各自的加強(qiáng)筋板焊接、整形，焊接后的各側(cè)板組件變形量控制在2 mm以內(nèi)；然后將四周側(cè)板組件、底板組件及頂部法蘭裝配、點(diǎn)焊，檢測(cè)相關(guān)尺寸及形狀，符合圖紙要求后在真空殼體外側(cè)均勻點(diǎn)焊，在真空殼體內(nèi)部長(zhǎng)度及寬度方向設(shè)置焊接內(nèi)撐工裝，防止焊接過(guò)程中腔體向內(nèi)收縮變形；此后進(jìn)行真空殼體內(nèi)部焊縫的焊接，由于內(nèi)部焊縫設(shè)置有較大的焊接坡口，需要多層焊接才能成形。先用酒精清理焊接坡口20 mm范圍內(nèi)油污、銹跡等有害物質(zhì)。焊接時(shí)第一層為打底自熔氬弧焊接，增加焊口熔深，這樣可以最大限度減少真空泄漏的可能，然后分層填料焊接成形。每次焊接前需要注意清除焊縫表面氧化皮及表面污物，且前一層焊縫溫度降到100℃以下才能進(jìn)行施焊。內(nèi)部密封焊縫焊接成形后，焊接真空殼體外部各加強(qiáng)焊接坡口。真空蓋板由周邊加強(qiáng)框及各接管焊接成形，先粗加工真空蓋板內(nèi)凹面及各法蘭接管孔，然后焊接蓋板周邊加強(qiáng)框。真空殼體及真空蓋板在焊接過(guò)程中，由于收縮、變形等因素會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。焊接件去除焊接應(yīng)力通常有焊后熱處理和振動(dòng)消除法，采用整體高溫回火熱處理工藝，其工藝曲線如圖4所示。將真空殼體與真空蓋板裝配，用螺釘緊固，這樣可以防止在熱處理中的變形，整體進(jìn)入熱處理爐進(jìn)行去除應(yīng)力處理。出爐后精加工各法蘭接管孔，焊接各法蘭接管，最后精加工真空殼體及真空蓋板密封面。

圖4 熱處理工藝曲線圖Fig.4 Technology curve of heat treatment

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)真空殼體的結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度計(jì)算，設(shè)計(jì)了ADS加速器低溫恒溫器箱形真空殼體，產(chǎn)品已經(jīng)陸續(xù)交付用戶使用。實(shí)際情況證明，所設(shè)計(jì)的真空殼體結(jié)構(gòu)合理，加工制造滿足使用要求。產(chǎn)品工藝可靠，性能穩(wěn)定，為后續(xù)產(chǎn)品的研制奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1]達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].第五版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3]萬(wàn)玉琴，牛小飛，韓彥寧，等.低溫恒溫器設(shè)計(jì)[J].低溫與超導(dǎo)，2013，41（12）：25-27.

[4]宋云濤，姚達(dá)毛，武松濤，等.HT-7U超導(dǎo)托卡馬克真空室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2000（1）：59-60.

[5]劉鴻文.材料力學(xué)[M].第二版：高等教育出版社，2006.

A DEVELOPMENT OF LARGE RECTANGULAR VACUUM CHAMBER

SUN Zhi-he1，WAN Yu-qin2，WANG Pai1，BAI Feng2，LU Mao-lei1，HUANG qian1
（1.NO.16 Institute of China Electronics Technology Group Corp，Anhui Vacree Technologes Co.，Ltd.，Hefei230088，China;2.Institute of Modern Physics of CAS，Lanzhou 730000，China）

The problem of the multiplication nuclear material and transformation nuclear waste is studied by ADS Injector.The vacuum chamber for ADS Injector thermostat is designed by theoretic calculate-on and numerical simulation in this paper.The internal dimensions of the rectangular vacuum chamber are 4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm.According to requirements of the sealing performance and the struct-ural strength，the structural design of the vacuum chamber welding line introduced.In accordance with requests of dimension precision and stability，the paper finally introduced manufacture technology of va-cuum chamber.The performance of thermostat can meet the design requirements after testing.

ADS injector；thermostat；vacuum chamber；mechanical design

TB657.3

A

1006-7086（2017）02-0107-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.009

2016-10-25

孫志和（1965-），男，安徽人，高級(jí)工程師，主要從事真空低溫系統(tǒng)的研制與開(kāi)發(fā)。E-mail：sunzhihe@163.con。