ITER导体检漏真空室的设计与优化(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院等离子体所 作者:彭晋卿

  国际热核聚变实验堆(简称ITER)计划是由中国、欧盟、美国、俄罗斯、日本、韩国、印度七方共同参与、目前全球规模最大、影响最深远的国际大科学工程合作项目之一。ITER计划的目标是要利用氢的同位素氘、氚的聚变反应释放出能量, 这一计划的成功实施将有助于人类找到彻底解决能源危机的方法。中科院等离子所承担了ITER 项目超导磁体的研发任务,超导磁体在经过绞缆、穿管、缩管等工艺之后还需要进行真空检漏试验。本文主要介绍了超导磁体检漏真空室及其真空机组的设计、优化。

1、真空筒结构设计

1.1、结构介绍

  导体检漏真空室主要由:上封头、中部筒体、下封头、支撑底脚、焊接法兰圈、中部加强筋、及内部环体支撑等部件组成, 其结构如图1所示。需要真空检漏的导体为CICC(Cable- in- Conduit-Conductor)结构,长约1000m,截面为54×54mm,将导体盘绕成直径为4m的圆环后放入检漏真空室检漏,因此中筒内径需要4600mm,中筒高度4260mm;上、下封头采用冷冲压法制造的10% 碟形封头,内径4600mm,高度900mm;中部加强筋为110×40mm;在下封头内侧焊接了16道加强竖筋和环体支撑使下封头均匀受力。整个真空室重约23.5吨,全部采用304不锈钢材料制造。为满足容器的真空度要求,对制造过程中真空室焊缝的焊透性、平整度、内部表面光洁度及密封法兰的平面度和密封槽的表面光洁度等工艺提出了严格要求。

1.2、真空室壁厚计算

  真空室的实际壁厚S 等于计算壁厚S0 加上壁厚附加量C

S=S0+C(mm)(1)

  其中计算壁厚公式为:

壁厚公式

式中DB———圆筒内径,mm
  P———外压设计压力,MPa
  L———圆筒计算长度,mm
  Et———材料温度为t 时的弹性模量,MPa

  真空室壁厚附加量按下式确定:

C = C1 + C2 + C3 (mm) (3)

式中C1———钢板的最大负公差附加量(mm),本设计取C1=0.8
  C2———腐蚀裕度(mm),本设计取C2=1
  C3———封头冲压时的拉伸减薄量,本设计在计算圆筒部分厚度时取C3=0,在计算封头厚度时取C3=3mm

  本真空室设计压力P 为一个标准大气压,圆筒内径DB为4600mm,总高6300mm,其中上下封头各高900mm,材料常温下的弹性模量Et 为2.06×105 MPa。由(2)式可知圆筒的计算长度L对壁厚影响很大,因此给出了如下两种不同计算长度的结构方案(即是否设置中部加强筋),并分别进行了壁厚计算。

1.2.1、不设置中部加强筋时的壁厚计算

  真空室圆筒中部不设置加强筋时,圆筒的计算长度为L'=4840mm,代入(2)式可计算出圆筒计算壁厚S0':

  由式(3)可计算出附加壁厚为:

C=C1+C2+C3=0.8+1+0=1.8mm (5)

  由(4),(5)式得出不设置加强筋时圆筒的实际壁厚应该为:

S'=S0'+C=17.5+1.8=19.3mm (6)

1.2.2、设置中部加强筋时的壁厚计算

  在圆筒中部设置一道110×40mm环向加强筋后计算长度L"变为2400mm,此时圆筒的计算壁厚S0":

  由(5),(7)可得圆筒的实际壁厚应该为

S"=S0"+C=13.2+1.8=15mm (8)

  采用中部加强筋后真空室圆筒壁厚可19.3mm减少到15mm,所以设置中部加强筋的方案比上一方案更优,节省钢材约2吨。真空室上下封头采用冷冲压法制造的10%碟形封头,因为使用10% 碟形封头要比使用标准椭圆形封头时增加容量,同一内径同一板厚的封头,10%碟形比标准椭圆形封头的下料尺寸小,可节省材料,计算出封头厚度为20mm。

1.3、基于ANSYS的壁厚优化设计

  我们知道为了保证压力容器的安全性,按传统的压力容器设计方法计算出来的壁厚总是偏大。因此我们采用ANSYS有限元分析软件对整个真空室进行了壁厚优化设计。真空室设计外压:P=0.1MPa材料的弹性模量:Et=2.06×105 MPa泊松比:μ =0.3优化目标:通过壁厚的优化设计,使得真空室在满足给定的刚度和强度要求下总重量最小,材料最省。

  我们给定真空室圆筒的计算壁厚(只考虑受外压影响)参考范围为h1∈(7,12)上下封头的计算厚度参考范围为h2∈(9,15),许用应力[σ] = 122 MPa。

真空室结构图

图1 真空室结构图 图2 真空室力学几何模型

  根据真空室的结构和受力特点,采用轴对称结构进行分析,在容器外壁垂直施加标准大气压力。真空室力学几何模型如图2 所示。选用真空室壁厚h1,h2 作为优化变量,σ 为优化设计中结构的等效应力强度,其作为一个约束条件。因此可得真空室壁厚优化设计的数学模型为:

  其中f(X)表示真空室的总重量,X是壁厚h1,h2的函数。在分析中,我们关心的是应力沿壁厚的分布规律及大小,故在校核时只要分析沿壁厚某个截面的[σ]即可。将以上几何模型与数学模型代入ANSYS,即可得到真空室的优化设计壁厚为,h1=8 mm,h2=10 mm,此时整个真空室的最大应力值为108 MPa<[σ] = 122 MPa,最大应力值出现在在封头过渡圆内侧。图3 为ANSYS 计算出的真空室应力图。

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