CFETR極向場線圈氦進(jìn)管低溫疲勞性能研究

張之榮， 呂剛， 魯翠萍， 修磊， 吳歡， 徐明園

（1.合肥學(xué)院先進(jìn)制造工程學(xué)院，合肥230601；2.中國科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥230031）

0 引 言

中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆（China Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR）是我國大力發(fā)展的下一代托卡馬克裝置[1-2]，它是在學(xué)習(xí)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合東方超環(huán)（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）多年設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)完成的。其目的是彌補(bǔ)ITER與DEMO之間所存在的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題，為我國日后獨(dú)立自主研制聚變商用示范堆打下一定基礎(chǔ)[3-6]。

磁體系統(tǒng)是CFETR重要組成部分之一，其主要組成部分有：環(huán)向場（Toroidal Field，TF）磁體系統(tǒng)、極向場（Poloidal Field，PF）磁體系統(tǒng)以及中心螺管（Central Solenoid，CS）磁體系統(tǒng)等[7-9]。其中，PF磁體系統(tǒng)主要由8個(gè)線圈（DC1與DC2，PF1～PF6）組成，每一個(gè)線圈都是由多個(gè)管內(nèi)電纜導(dǎo)體繞制的雙餅繞組組成，而氦進(jìn)管又是雙餅繞組中關(guān)鍵部件之一。圖1為CFETR PF雙餅線圈，它是通過焊接的方式與雙餅繞組內(nèi)側(cè)預(yù)加工的液氦孔相連，其主要作用是向?qū)w內(nèi)部引入超臨界氦，使超導(dǎo)纜降至工作溫度4.2 K[10-12]。在磁體正式運(yùn)行過程中，由于大電流和強(qiáng)磁場的作用，PF磁體將受到強(qiáng)大的循環(huán)電磁載荷。而對于具有不規(guī)則焊縫的氦進(jìn)管而言，能否在此工況下安全穩(wěn)定工作，直接影響PF磁體的工作性能。因此，有必要對其低溫疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。目前，針對超導(dǎo)體焊接件的低溫疲勞性能的研究也有不少，其中大部分都是在樣件關(guān)鍵位置提取材料后制作標(biāo)準(zhǔn)試樣，并通過小型的低溫疲勞拉伸機(jī)對其進(jìn)行測試，再通過理論公式推導(dǎo)和軟件模擬分析計(jì)算完成對樣件整體疲勞性能的評估[13-15]。以上研究方法雖然能夠間接評估樣件整體力學(xué)性能，但是由于各關(guān)鍵位置加工的試樣在制作和測試過程還存在一定差異性，且模擬分析參數(shù)目前具有一定不確定性。另外，對于一些特殊的不規(guī)則結(jié)構(gòu)（如本文中氦進(jìn)管根部焊縫）而言，其關(guān)鍵焊縫位置的標(biāo)準(zhǔn)試樣很難從樣件上直接提取制作，以上研究方法此時(shí)就難以適用。

圖1 CFETR PF雙餅線圈

為直接且準(zhǔn)確地測試CFETR PF氦進(jìn)管低溫疲勞性能，本文提出一種超低溫77 K下1∶1全尺寸大樣件在大載荷的疲勞測試方法。首先，進(jìn)行氦進(jìn)管樣件1∶1全尺寸疲勞測試樣件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，之后搭建一套應(yīng)變測試分析系統(tǒng)，并通過同一導(dǎo)體截面的4片應(yīng)變計(jì)數(shù)值的最大平均值來定義疲勞測試載荷的峰谷值，最后進(jìn)行氦進(jìn)管全尺寸樣件3萬次低溫疲勞性能預(yù)試驗(yàn)研究，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析討論。

1 樣件結(jié)構(gòu)介紹

為了確保本次試驗(yàn)結(jié)果具有一定的真實(shí)性和參考性，試驗(yàn)所選用的CICC超導(dǎo)體是直接截取于ITER極向場線圈PF5導(dǎo)體。表1為該超導(dǎo)體內(nèi)部超導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)參數(shù)，圖2為PF5導(dǎo)體絞纜結(jié)構(gòu)的形式：（3Sc×4×4×4+1Cu）×6。圖3顯示了PF5氦進(jìn)管與焊后結(jié)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu)。表2與表3分別列出了PF5導(dǎo)體與氦進(jìn)管的化學(xué)成分及其在溫度300 K與4.2 K下的力學(xué)性能。圖4顯示了氦進(jìn)管全尺寸低溫疲勞測試樣件結(jié)構(gòu)，測試樣件總長約700 mm。為了匹配現(xiàn)有疲勞裝置并實(shí)施有效的加載，在樣件的兩端通過全焊透的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造了兩個(gè)夾具，并順利通過了滲透和X射線照相檢測。

圖4 PF5氦進(jìn)管全尺寸低溫疲勞測試樣件

表2 PF5導(dǎo)體與氦進(jìn)管化學(xué)成分分析

表3 300 K和4.2 K時(shí)PF5導(dǎo)體于氦進(jìn)管材料拉伸性能

圖2 ITER PF5導(dǎo)體絞纜結(jié)構(gòu)

圖3 PF5氦進(jìn)管與焊后結(jié)構(gòu)剖面

表1 ITER PF5超導(dǎo)纜結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

為進(jìn)行氦進(jìn)管樣件的低溫疲勞性能試驗(yàn)研究，根據(jù)CFETR測試要求，本次測試與以往一般的疲勞測試有所不同，其設(shè)定的最大低溫疲勞循環(huán)載荷根據(jù)預(yù)加載時(shí)樣件的實(shí)時(shí)最大應(yīng)變確定。在測試過程中要求氦進(jìn)管兩側(cè)導(dǎo)體截面應(yīng)變變化范圍為（1.9～19）×10-4，結(jié)合PF5導(dǎo)體截面幾何尺寸與材料的彈性模量，并通過相關(guān)公式計(jì)算得出其最大加載載荷為650 kN且最小約為65 kN左右，測試目標(biāo)機(jī)械拉伸次數(shù)為30 000次，拉伸頻率為4 Hz。

2.1 應(yīng)變分析系統(tǒng)介紹

由于本次測試樣件為不銹鋼金屬焊接件，為了盡可能減少在疲勞測試過程中可能會釋放的局部焊接殘余應(yīng)力對所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)的影響，確保所采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。本次測試所布置的應(yīng)變采集點(diǎn)共分為兩組（4片為一組，兩組共計(jì)8片），分別對稱布置于樣件兩側(cè)，位于氦進(jìn)管焊縫與夾具焊縫中間位置，且距離氦進(jìn)管中心60 mm的導(dǎo)體截面位置。每一應(yīng)變片對稱分布在同一截面導(dǎo)體鎧甲表面中心位置，圖5顯示了所有測點(diǎn)的具體位置。在測試過程中，取同一導(dǎo)體截面處所粘貼的4個(gè)應(yīng)變片（1～4和5～8）所采集數(shù)據(jù)的平均值作為分析導(dǎo)體應(yīng)變狀態(tài)的依據(jù)。

圖5 氦進(jìn)管疲勞樣件應(yīng)變片測點(diǎn)布置

另外，為了減少溫度對測試數(shù)據(jù)帶來的影響，本次測試所選擇的應(yīng)變片型號為KFL-5-120-C1-16 F1M3，該應(yīng)變片具有溫度自補(bǔ)償功能，其自補(bǔ)償溫度范圍是-196～50℃，配套使用的低溫膠水型號為日本共和CC-33A，應(yīng)變分析系統(tǒng)為東華應(yīng)變采集儀DH3820。本測試所選擇的測試橋路為惠斯通1/4橋法[16]，該橋法能夠有效地使用自動(dòng)補(bǔ)償溫度型應(yīng)變片。然而，本次測量導(dǎo)線延長線大約10 m（往返長度約20 m），其電阻受溫度影響的變化值也不可以忽視。為了避免采用雙線式導(dǎo)線接線法帶來的導(dǎo)線溫度影響，本測試采用3線式的接線方法（如圖6）。應(yīng)變片引線選用3根導(dǎo)線，由于導(dǎo)線受到的溫度影響相同，所選擇的延長測量線是種類、長度、截?cái)嗝娣e均相同的3根導(dǎo)線，并將受到相同溫度變化的2根導(dǎo)線的電阻部分r/2分別插入與電橋相鄰的一邊，使電橋輸出時(shí)不會受到導(dǎo)線的溫度影響。在電橋的外部，與測量器連接的導(dǎo)線影響可因測量器的高輸入電阻而被忽略。

圖6 1/4惠斯通橋路搭接方式（3線式）

2.2 試驗(yàn)測試平臺介紹

本測試主體加載設(shè)備選用2 000 kN低溫疲勞拉伸機(jī)，其包含的主要設(shè)備有低溫測試主機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、低溫控制系統(tǒng)、測試加載控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)等。圖7為低溫疲勞測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。測試溫度為77 K，最大載荷為2 000 kN以及最大加載頻率為4 Hz。樣件垂直放置于主機(jī)容器內(nèi)部，通過上下夾具將其固定。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由三組獨(dú)立的液氧泵組成，并配有相應(yīng)的自動(dòng)水冷系統(tǒng)。另外，該疲勞測試機(jī)還可以根據(jù)需求實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)低溫測試容器中液面高度，確保測試樣件處于恒溫狀態(tài)。

圖7 低溫疲勞測試裝置結(jié)構(gòu)示意

2.3 試驗(yàn)步驟

1）按要求安裝夾具，并將測試樣件垂直安裝于測試主機(jī)容器中。

2）檢測應(yīng)變測試系統(tǒng)測試通道連接情況，確保每一條測試通道均可采集到有效的測試數(shù)據(jù)。

3）在應(yīng)變儀連接良好的情況下，做好初始數(shù)據(jù)清零工作。

4）關(guān)閉測試容器艙門，通入液氮降溫至77 K。

5）拉伸機(jī)以低速1 000 N/s進(jìn)行第一次預(yù)加載，觀察應(yīng)變分析系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)，當(dāng)1～4和5～8號應(yīng)變計(jì)的平均值均達(dá)到1.9×10-3時(shí)，記錄疲勞拉伸機(jī)最大載荷值（約650 kN），然后停止加載并開始卸載至0 kN。

6）重復(fù)上述加載步驟，直到應(yīng)變儀采集到的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定時(shí)結(jié)束調(diào)試。圖8（a）為測試現(xiàn)場安裝圖，圖8（b）為樣件降溫調(diào)試。

圖8 樣件垂直安裝于測試容器內(nèi)

7）設(shè)置加載參數(shù)，正式開始測試。

8）測試結(jié)束后完成應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

氦進(jìn)管樣件順利完成了超低溫77 K下（載荷范圍：65～650 kN，頻率：4 Hz）疲勞拉伸測試。圖9為測試過程中疲勞拉伸機(jī)加載曲線，可以看出，測試過程中所加載的正弦波形較為穩(wěn)定，說明在運(yùn)行過程中該低溫大載荷疲勞機(jī)具有一定的加載可靠性。

圖9 低溫疲勞測試局部載荷時(shí)間曲線

圖10 顯示了1～8號應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變時(shí)間曲線。表4統(tǒng)計(jì)了測試過程中某一時(shí)刻所有應(yīng)變計(jì)的最大和最小應(yīng)變值。可以看出，在統(tǒng)計(jì)的兩組應(yīng)變數(shù)值中，導(dǎo)體同一側(cè)面上所粘貼的2片應(yīng)變計(jì)（1號和5號）的數(shù)值比其他6片應(yīng)變計(jì)數(shù)值略高，其主要原因可能是方形導(dǎo)體鎧甲在焊接完成后其本身結(jié)構(gòu)已不再完全對稱，且在機(jī)械加工和焊接過程中也會產(chǎn)生一些附加的機(jī)械形變；或是樣件在焊接過程中在其內(nèi)部產(chǎn)生了一些殘余應(yīng)力，該應(yīng)力在低溫疲勞加載過程中有所釋放；再者也可能是受到樣件與疲勞設(shè)備夾具間裝配精度的影響，在長時(shí)間大載荷機(jī)械振動(dòng)下該裝配精度發(fā)生少許降低，以上情況都有可能導(dǎo)致1號和5號應(yīng)變計(jì)顯示的數(shù)值有所偏大。另外，氦進(jìn)管相鄰的導(dǎo)體對稱面所粘貼的兩對應(yīng)變計(jì)（2號與4號，6號與7號）的數(shù)值基本保持一致，這與其對稱結(jié)構(gòu)上受力平衡相吻合，也進(jìn)而說明了樣件根部不規(guī)則焊縫在該方向上的機(jī)械性能和殘余應(yīng)力基本一致。

圖10 1～8號應(yīng)變計(jì)局部實(shí)時(shí)應(yīng)變時(shí)間曲線

最后，氦進(jìn)管樣件在經(jīng)歷了32 212次循環(huán)加載后在焊縫位置出現(xiàn)斷裂，圖11顯示了樣件具體斷裂位置。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的氦進(jìn)管根部不規(guī)則焊縫結(jié)構(gòu)低溫疲勞性能滿足測試要求，該結(jié)果將對CFETR PF線圈設(shè)計(jì)制造和安全運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。

圖11 氦進(jìn)管樣件疲勞測試斷裂

4 結(jié) 論

本文主要對CFETR PF磁體氦進(jìn)管低溫疲勞性能進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)研究，完成氦進(jìn)管1∶1全尺寸樣件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對現(xiàn)有的低溫疲勞測試裝置，通過全焊透的方式完成測試樣件兩端夾具的設(shè)計(jì)。另外，為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有一定的參考意義，本文搭建了一套應(yīng)變分析系統(tǒng)，并通過同一導(dǎo)體截面的4片應(yīng)變計(jì)的最大平均值來定義疲勞測試載荷的峰谷值，最后，順利完成氦進(jìn)管樣件低溫疲勞測試（65～650 kN，4 Hz）。測試樣件在32 212次后出現(xiàn)斷裂，滿足目標(biāo)疲勞測試30 000次的要求，其測試結(jié)果對CFETR PF線圈的安全運(yùn)行具有重要的參考價(jià)值。