恒溫器箱形真空殼體的研制

孫志和，萬玉琴，王 沛，白 峰，盧毛磊，黃 倩

（1.中國電子科技集團公司第十六研究所 安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥 230088；2.中國科學院近代物理研究所，蘭州 730000）

恒溫器箱形真空殼體的研制

孫志和1，萬玉琴2，王 沛1，白 峰2，盧毛磊1，黃 倩1

（1.中國電子科技集團公司第十六研究所 安徽萬瑞冷電科技有限公司，合肥 230088；2.中國科學院近代物理研究所，蘭州 730000）

ADS加速器旨在解決核能可持續發展中的“增殖核材料和嬗變核廢物”問題。通過理論計算及數值模擬相結合的方法，設計了ADS加速器低溫恒溫器的真空殼體，真空殼體內部尺寸為4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm的箱形結構。根據真空殼體密封性能及強度要求，介紹了真空殼體焊縫的結構設計。最后根據真空殼體尺寸精度及尺寸穩定性要求，著重介紹了真空殼體的制造工藝過程。恒溫器箱形真空殼體經實際檢測，各項性能滿足設計要求。

ADS加速器；恒溫器；真空殼體；機械設計

0 引言

低溫恒溫器真空殼體一般為圓筒形結構，其優點是制造容易、承受外壓強度好、造價低。ADS加速器低溫恒溫器真空殼體根據超導腔、超導磁體及束流位置檢測器組成的恒溫器內部組件的結構形式，設計成箱形結構，其內部尺寸長4 200 mm、寬1 500 mm、高1 500 mm，為目前國內大型恒溫器真空殼體。其結構設計、強度計算、加強筋設置方式、真空殼體頂部法蘭及焊接結構設計等方面參考的資料有限，而真空殼體的尺寸精度、尺寸穩定性要求嚴格，加工制造成本較高，因此恒溫器真空殼體的強度設計、加工制造、檢驗測試都是需要重點關注的問題。詳細介紹了恒溫器箱形真空殼體的設計及加工工藝過程。

1 箱形真空殼體的設計

ADS加速器低溫恒溫器真空殼體為加速器超導腔、超導磁體及束流位置檢測器組成的恒溫器內部組件提供隔熱真空，同時恒溫器重達2 500 kg的超導腔等內部組件通過2個POST支撐組件懸掛在真空蓋板上。超導腔及超導磁體運行所需的低溫液體、電力及溫度、壓力、液位等各測量裝置通過真空殼體和真空蓋板開孔法蘭與內部相連通。由于超導腔等內部組件安裝、調試、運行過程中有很高的位置精度要求以及束流中心線的準直度要求，因此真空殼體的設計及加工必須滿足一定的精度要求。根據恒溫器超導腔等內部組件結構尺寸，真空殼體設計為4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm的箱形結構，真空殼體結構如圖1所示。真空殼體及真空蓋板組成恒溫器真空室，真空室由四周側板、底板及頂部法蘭焊接構成。真空殼體與真空蓋板之間采用氟橡膠“O”型圈密封，為提供初始密封預緊力采用M18的螺栓。真空殼體為箱形結構，為了減小殼體壁厚，減輕殼體重量，在殼體外側焊接一定間距的加強筋。加強筋的設置方式通常有縱筋、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構形式。真空殼體底板在寬度方向單邊尺寸大于真空殼體外側尺寸50 mm，頂部法蘭在寬度方向大于真空殼體外側尺寸100 mm，這樣殼體側板加強筋在焊接時，加強筋的上下兩端面分別與底板及頂部法蘭焊接，加強筋成為兩端固定的簡支梁，提高了加強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計有耦合器、調諧機構、束流調節閥及操作、抽真空等各種規格接口法蘭。真空蓋板為大型平板結構，在焊接、機械加工過程中必然產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。在真空蓋板上設計有post吊裝法蘭、電流引線安裝法蘭、BPM電纜轉接法蘭及輸液、液位、溫度、安全等測量用各種規格接口。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 真空殼體結構圖Fig.1 The structure of vacuum chamber

2 箱形真空殼體結構強度計算

真空殼體為箱形結構，內部尺寸為4 200 mm× 1 500 mm×1 500 mm。真空殼體周邊及底部需要開設螺釘孔，為滿足螺釘的旋合長度要求，四周側板設計厚度選取20 mm。側板加強筋采用立式結構，加強筋上端面與殼體頂部法蘭焊接，下端面與殼體底板焊接，這樣加強筋為兩端固定的簡支梁。低溫恒溫器在運行過程中有很高的尺寸穩定性要求，以滿足加速器束流需要，這就要求真空殼體有足夠的強度和尺寸穩定性。設計加強筋為矩形截面，高度100 mm，厚度20 mm，加強筋間距300 mm，則加強筋的應力計算：

（1）加強筋截面積：s1=20 cm2；

（2）殼體部分截面積：s2=60 cm2；

（3）加強筋截面慣性矩：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坐標系，根據組合圖形形心計算，加強筋形心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，加強筋與殼體的組合截面對形心的慣性矩：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）加強筋的最大應力：σ=L2bPs/KW=45.8 MPa＜0.9σs=176.5 MPa。

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

由上述計算可知，加強筋的最大應力遠小于不銹鋼的許用應力，壁板中心變形量很小，即設計真空殼體壁厚20 mm，加強筋厚度20 mm，加強筋高度100 mm，不論從強度、穩定性還是密封性來說，滿足設計需要。

3 真空殼體焊接結構設計

真空殼體由四周側板、底板及頂部法蘭組焊而成。為使組焊時定位準確，底板、頂部法蘭與四周側板結合面處設計有3 mm的定位槽。四周側板由四塊厚度20 mm的鋼板組焊構成，其中兩塊端板兩側邊真空側設計7 mm深、55°的焊接坡口。四周側板下端真空側設計7 mm深、55°的焊接坡口，方便四周側板與殼體底板之間、兩塊端板與兩塊長側板之間的填料氬弧焊接；四周側板上端真空側設計7 mm深、30°的焊接坡口，頂部法蘭相應處同樣設計7 mm深、30°的焊接坡口，保證四周側板與口部法蘭的焊接強度需要。四周側板空氣側設計間斷焊接坡口，坡口深7 mm、坡口角度為45°，坡口長度150 mm，間隔50 mm。各部分的焊接結構設計如圖3所示。真空殼體真空側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，真空側焊接高度6 mm，大氣側為加強間斷焊接。

圖3 四周側板與底板、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腔等內部組件吊裝在真空蓋板上，真空蓋板整體裝配到真空殼體，超導腔等內部組件有大量的螺釘等緊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ADS加速器長期運行在低溫工況下，必須要有較高的尺寸穩定性。而真空殼體為大型焊接件，存在著較大的焊接應力、焊接變形等問題。因此在制造過程中必須認真考慮，制訂嚴格的加工工藝，以保證真空殼體的精度要求，滿足加速器的長期穩定運行需要。首先將各側板與各自的加強筋板焊接、整形，焊接后的各側板組件變形量控制在2 mm以內；然后將四周側板組件、底板組件及頂部法蘭裝配、點焊，檢測相關尺寸及形狀，符合圖紙要求后在真空殼體外側均勻點焊，在真空殼體內部長度及寬度方向設置焊接內撐工裝，防止焊接過程中腔體向內收縮變形；此后進行真空殼體內部焊縫的焊接，由于內部焊縫設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范圍內油污、銹跡等有害物質。焊接時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℃以下才能進行施焊。內部密封焊縫焊接成形后，焊接真空殼體外部各加強焊接坡口。真空蓋板由周邊加強框及各接管焊接成形，先粗加工真空蓋板內凹面及各法蘭接管孔，然后焊接蓋板周邊加強框。真空殼體及真空蓋板在焊接過程中，由于收縮、變形等因素會產生較大的焊接殘余應力。焊接件去除焊接應力通常有焊后熱處理和振動消除法，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，整體進入熱處理爐進行去除應力處理。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 結束語

通過對真空殼體的結構分析和強度計算，設計了ADS加速器低溫恒溫器箱形真空殼體，產品已經陸續交付用戶使用。實際情況證明，所設計的真空殼體結構合理，加工制造滿足使用要求。產品工藝可靠，性能穩定，為后續產品的研制奠定了良好的基礎。

[1]達道安.真空設計手冊[M].北京：國防工業出版社，2004.

[2]成大先.機械設計手冊[M].第五版.北京：化學工業出版社，2000.

[3]萬玉琴，牛小飛，韓彥寧，等.低溫恒溫器設計[J].低溫與超導，2013，41（12）：25-27.

[4]宋云濤，姚達毛，武松濤，等.HT-7U超導托卡馬克真空室的結構設計[J].機械設計與研究，2000（1）：59-60.

[5]劉鴻文.材料力學[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，高級工程師，主要從事真空低溫系統的研制與開發。E-mail：sunzhihe@163.con。