CFETR極向場線圈氦進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.合肥學院先進制造工程學院，合肥230601；2.中國科學院等離子體物理研究所，合肥230031）

0 引 言

中國聚變工程實驗堆（China Fusion Engineering Testing Reactor,CFETR）是我國大力發展的下一代托卡馬克裝置[1-2]，它是在學習國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）結構設計的基礎上，并結合東方超環（Experimental Advanced Superconducting Tokamak，EAST）多年設計制造經驗完成的。其目的是彌補ITER與DEMO之間所存在的一系列關鍵技術問題，為我國日后獨立自主研制聚變商用示范堆打下一定基礎[3-6]。

磁體系統是CFETR重要組成部分之一，其主要組成部分有：環向場（Toroidal Field，TF）磁體系統、極向場（Poloidal Field，PF）磁體系統以及中心螺管（Central Solenoid，CS）磁體系統等[7-9]。其中，PF磁體系統主要由8個線圈（DC1與DC2，PF1～PF6）組成，每一個線圈都是由多個管內電纜導體繞制的雙餅繞組組成，而氦進管又是雙餅繞組中關鍵部件之一。圖1為CFETR PF雙餅線圈，它是通過焊接的方式與雙餅繞組內側預加工的液氦孔相連，其主要作用是向導體內部引入超臨界氦，使超導纜降至工作溫度4.2 K[10-12]。在磁體正式運行過程中，由于大電流和強磁場的作用，PF磁體將受到強大的循環電磁載荷。而對于具有不規則焊縫的氦進管而言，能否在此工況下安全穩定工作，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行試驗研究。目前，針對超導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鍵位置提取材料后制作標準試樣，并通過小型的低溫疲勞拉伸機對其進行測試，再通過理論公式推導和軟件模擬分析計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性能，但是由于各關鍵位置加工的試樣在制作和測試過程還存在一定差異性，且模擬分析參數目前具有一定不確定性。另外，對于一些特殊的不規則結構（如本文中氦進管根部焊縫）而言，其關鍵焊縫位置的標準試樣很難從樣件上直接提取制作，以上研究方法此時就難以適用。

圖1 CFETR PF雙餅線圈

為直接且準確地測試CFETR PF氦進管低溫疲勞性能，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，進行氦進管樣件1∶1全尺寸疲勞測試樣件的結構設計，之后搭建一套應變測試分析系統，并通過同一導體截面的4片應變計數值的最大平均值來定義疲勞測試載荷的峰谷值，最后進行氦進管全尺寸樣件3萬次低溫疲勞性能預試驗研究，并對測試結果進行分析討論。

1 樣件結構介紹

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

圖4 PF5氦進管全尺寸低溫疲勞測試樣件

表2 PF5導體與氦進管化學成分分析

表3 300 K和4.2 K時PF5導體于氦進管材料拉伸性能

圖2 ITER PF5導體絞纜結構

圖3 PF5氦進管與焊后結構剖面

表1 ITER PF5超導纜結構參數

2 試驗方法

為進行氦進管樣件的低溫疲勞性能試驗研究，根據CFETR測試要求，本次測試與以往一般的疲勞測試有所不同，其設定的最大低溫疲勞循環載荷根據預加載時樣件的實時最大應變確定。在測試過程中要求氦進管兩側導體截面應變變化范圍為（1.9～19）×10-4，結合PF5導體截面幾何尺寸與材料的彈性模量，并通過相關公式計算得出其最大加載載荷為650 kN且最小約為65 kN左右，測試目標機械拉伸次數為30 000次，拉伸頻率為4 Hz。

2.1 應變分析系統介紹

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力對所采集的應變數據的影響，確保所采集的應變數據真實準確。本次測試所布置的應變采集點共分為兩組（4片為一組，兩組共計8片），分別對稱布置于樣件兩側，位于氦進管焊縫與夾具焊縫中間位置，且距離氦進管中心60 mm的導體截面位置。每一應變片對稱分布在同一截面導體鎧甲表面中心位置，圖5顯示了所有測點的具體位置。在測試過程中，取同一導體截面處所粘貼的4個應變片（1～4和5～8）所采集數據的平均值作為分析導體應變狀態的依據。

圖5 氦進管疲勞樣件應變片測點布置

另外，為了減少溫度對測試數據帶來的影響，本次測試所選擇的應變片型號為KFL-5-120-C1-16 F1M3，該應變片具有溫度自補償功能，其自補償溫度范圍是-196～50℃，配套使用的低溫膠水型號為日本共和CC-33A，應變分析系統為東華應變采集儀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補償溫度型應變片。然而，本次測量導線延長線大約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線接線法帶來的導線溫度影響，本測試采用3線式的接線方法（如圖6）。應變片引線選用3根導線，由于導線受到的溫度影響相同，所選擇的延長測量線是種類、長度、截斷面積均相同的3根導線，并將受到相同溫度變化的2根導線的電阻部分r/2分別插入與電橋相鄰的一邊，使電橋輸出時不會受到導線的溫度影響。在電橋的外部，與測量器連接的導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 試驗測試平臺介紹

本測試主體加載設備選用2 000 kN低溫疲勞拉伸機，其包含的主要設備有低溫測試主機、液壓驅動系統、低溫控制系統、測試加載控制系統以及溫度控制系統等。圖7為低溫疲勞測試裝置結構示意圖。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容器內部，通過上下夾具將其固定。液壓驅動系統由三組獨立的液氧泵組成，并配有相應的自動水冷系統。另外，該疲勞測試機還可以根據需求實時自動調節低溫測試容器中液面高度，確保測試樣件處于恒溫狀態。

圖7 低溫疲勞測試裝置結構示意

2.3 試驗步驟

1）按要求安裝夾具，并將測試樣件垂直安裝于測試主機容器中。

2）檢測應變測試系統測試通道連接情況，確保每一條測試通道均可采集到有效的測試數據。

3）在應變儀連接良好的情況下，做好初始數據清零工作。

4）關閉測試容器艙門，通入液氮降溫至77 K。

5）拉伸機以低速1 000 N/s進行第一次預加載，觀察應變分析系統的采集數據，當1～4和5～8號應變計的平均值均達到1.9×10-3時，記錄疲勞拉伸機最大載荷值（約650 kN），然后停止加載并開始卸載至0 kN。

6）重復上述加載步驟，直到應變儀采集到的數據相對穩定時結束調試。圖8（a）為測試現場安裝圖，圖8（b）為樣件降溫調試。

圖8 樣件垂直安裝于測試容器內

7）設置加載參數，正式開始測試。

8）測試結束后完成應變儀采集數據分析。

3 試驗結果分析

氦進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加載曲線，可以看出，測試過程中所加載的正弦波形較為穩定，說明在運行過程中該低溫大載荷疲勞機具有一定的加載可靠性。

圖9 低溫疲勞測試局部載荷時間曲線

圖10 顯示了1～8號應變計的應變時間曲線。表4統計了測試過程中某一時刻所有應變計的最大和最小應變值。可以看出，在統計的兩組應變數值中，導體同一側面上所粘貼的2片應變計（1號和5號）的數值比其他6片應變計數值略高，其主要原因可能是方形導體鎧甲在焊接完成后其本身結構已不再完全對稱，且在機械加工和焊接過程中也會產生一些附加的機械形變；或是樣件在焊接過程中在其內部產生了一些殘余應力，該應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備夾具間裝配精度的影響，在長時間大載荷機械振動下該裝配精度發生少許降低，以上情況都有可能導致1號和5號應變計顯示的數值有所偏大。另外，氦進管相鄰的導體對稱面所粘貼的兩對應變計（2號與4號，6號與7號）的數值基本保持一致，這與其對稱結構上受力平衡相吻合，也進而說明了樣件根部不規則焊縫在該方向上的機械性能和殘余應力基本一致。

圖10 1～8號應變計局部實時應變時間曲線

最后，氦進管樣件在經歷了32 212次循環加載后在焊縫位置出現斷裂，圖11顯示了樣件具體斷裂位置。結果表明所設計的氦進管根部不規則焊縫結構低溫疲勞性能滿足測試要求，該結果將對CFETR PF線圈設計制造和安全運行具有重要的參考價值。

圖11 氦進管樣件疲勞測試斷裂

4 結 論

本文主要對CFETR PF磁體氦進管低溫疲勞性能進行預試驗研究，完成氦進管1∶1全尺寸樣件結構設計，并針對現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計。另外，為了確保試驗數據具有一定的參考意義，本文搭建了一套應變分析系統，并通過同一導體截面的4片應變計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次后出現斷裂，滿足目標疲勞測試30 000次的要求，其測試結果對CFETR PF線圈的安全運行具有重要的參考價值。