EAST 托卡马克绝缘子低温力学试验研究结果

EAST 超导托卡马克核聚变实验装置是国家/九五0重大科学工程, 它的科学目标是建造一个具有非圆截面的大型超导托卡马克装置,发展并建立在超导托卡马克装置上进行稳态行所需要的多种技术, 开展稳态、安全、高效运的先进托卡马克聚变堆基本物理问题的实验研究 。

作为整个超导磁体系统关键部件的低温、高压、氦气密复合材料绝缘子, 包括中间复合材料绝缘部分以及两端金属导管部分。金属导管一端接高压部分, 另一端接地, 管道内部通低温液氦( 氮) 。绝缘子在整个磁体系统冷质部件中担负着低温冷却液体( 液氦或液氮) 绝缘通道的作用, 并通过管路和对应的冷质部件构成冷却回路。由于绝缘子使用环境为液氦( 氮)低温, 而绝缘子本体不同材料间不同的热膨胀系数势必会引起较大的热应力, 从而导致绝缘层与金属发生分离或绝缘材料脆裂, 导致绝缘失效。绝缘失效将会给整个装置带来灾难性的后果 。

因此, EAST 托卡马克装置中的每个绝缘子在使用前除进行严格的电绝缘、真空检漏、气压耐压测试外, 还需进行多次的室温-液氮温度的冷热冲击实验, 检测合格后方可焊接到装置相应位置, 并在运行前再次进行液氮低温下的真空检漏。实际使用过程中已证明这种检测方式的有效性。但检测中发现, 极少数绝缘子在焊接到装置后, 液氮检测时还可听见绝缘子冻裂声, 真空检漏则发现绝缘子已破坏, 损坏原因尚未查明。考虑到装置运行时绝缘子还要承受一定的拉( 弯) 力, 因此, 有必要全面分析和研究绝缘子低温力学性能, 并进一步确定绝缘子的损坏原因。

一、有限元分析

借助有限元分析软件ANSYS, 模拟分析绝缘子低温下的受力情况。分析表明, 绝缘子在液氦温度、5 MPa 内压( 正常工作压力) 作用下, 金属的最大应力值高达125MPa , 但较高的应力只存在于与绝缘层相邻的金属部分, 对于远离绝缘层的金属管道, 应力只为30 MPa左右; 此时, 绝缘层的最大剪切应力为26 MPa , 考虑到玻璃纤维增强的复合材料在液氦温度下的剪切强度约为100 MPa, 许用剪切应力值也不小于30MPa 。分析结果可排除绝缘子因热应力过大直接受破坏的可能。为模拟绝缘子工作时的受力情况, 在液氦浸泡、5 MPa 内压作用的同时, 对绝缘子施加逐渐增大的拉力。ANSYS 分析结果表明, 拉力低于1 700 N 时, 金属部分的最大应力与液氦浸泡、5 MPa 内压条件下的最大应力位置相同, 这表明, 此时绝缘子金属部分主要受热应力的影响; 当拉力继续增大超过这一数值时, 绝缘子金属部分最大应力的位置发生改变, 由金属内拐角转移到金属的外圆弧过渡处, 此时外力起主导作用, 继续增大拉力, 最大应力随拉力增加成线性增加, 且最大应力位置保持不变, 直至达到金属的许用应力值。整个加载过程中, 绝缘子的绝缘层剪应力的大小及分布情况与液氦浸泡条件下的基本相同, 即热应力始终对绝缘层的应力起决定作用, 相对于热应力, 外力对绝缘层剪切应力的影响可忽略。加弯矩结果与此类似。考虑到实际使用中绝缘子本身不是承力部件, 所受的拉( 弯) 力均较小, 如绝缘子在装置中承受最大拉力小于700 N , 此时绝缘子热应力仍然起主导作用。因此可认为, 如果绝缘子可通过低温热冲击测试而不被破坏, 那么, 它在正常使用中也不可能被破坏。图3 为绝缘子ANSYS 分析的液氦浸泡、5 MPa 内压、3 450 N轴向拉力作用下金属部分的等效应力云图。

二、低温实验

低温实验的目的是进一步验证理论分析的结果, 包括常温以及液氦低温下的纯拉、纯弯以及绝缘子的应力应变测试实验。

1、液氮低温下纯拉( 弯) 实验

绝缘子低温下纯拉实验示意图如图4 所示。绝缘子外围由金属波纹管包围, 通过波纹管在绝缘子周围建立一相对独立密闭的空间环境, 并通过与波纹管相通的金属管连接氦质谱仪对绝缘子外围抽真空检漏。实验中如果绝缘子发生损坏泄漏, 可通过氦质谱仪捕捉并发现。每次各测试4 个绝缘子样件, 为避免液氮低温下更换夹具, 将4个测试绝缘子( 连同波纹管)直接焊接到一块不锈钢固定板上作为一组测试样件进行测试。

实验时, 将测试样件连同低温槽一起固定在实验平台上, 在低温槽内加入低温液氮, 直至整个测试部件浸泡在液氮中。绝缘子充分冷却后, 对测试绝缘子打氦压、抽真空检漏, 并逐渐增大绝缘子的拉力。实验表明, 绝缘子在拉力加到10 kN ( 此时绝缘子金属已发生严重塑性变形) 时, 绝缘子并未发生泄漏, 即绝缘子并未发生损坏。对通径为<10 mm 的绝缘子继续加力, 当拉力达到约14. 68 kN 时, 绝缘子发生泄漏( 检测为焊缝破裂) 。纯弯实验设计与纯拉实验类似, 只是实验中的绝缘子改为水平放置。实验中对绝缘子逐渐加力, 直至检查绝缘子的金属管发生明显塑性变形, 测试绝缘子未发生泄漏。

2、液氮低温下应力应变测试

在应力应变测试实验中, 绝缘子外围未加设波纹管, 而是在绝缘子复合材料部分布置应变片, 以测试绝缘子在外力作用下的变形情况。为液氮低温下绝缘子应力应变测试的实验现场图。在应变片布置上, 每测试点均按T 型粘贴2 片同样应变片, 其中1 片为垂直方向( x方向) , 另1 片为水平方向( y 方向) , 以测量玻璃纤维面内2 个方向的应力。实验时, 采取半桥式接法, 各测试点应变仪自动进行温度补偿。可根据实验获得的各测量点沿两个方向上的应变, 并通过胡克定律计算各测试点2 个方向的应力。测试结果表明, 加力直至绝缘子的金属部分塑性变形, 绝缘子复合材料部分仍保持弹性形变状态, 测试完毕后对绝缘子打氦压检漏,各绝缘子均未泄漏, 即测试绝缘子实验中绝缘子未被破坏( 金属部分已经发生塑性变形) 。为液氦温度下测试的绝缘子在外力下的应变情况。可以看出, 弯矩直至达到90 N # m, 3 处测试点位置的复合材料仍保持良好线性相关。测试分析获得的结果与有限元分析结果相近,这进一步验证了有限元分析的正确性。无论是纯拉、纯弯还是应力应变测试实验,测试的绝缘子逐渐加力至金属部分发生塑性变形, 绝缘子均未发生泄漏, 且绝缘子仍可承受相当大的拉( 弯) 力而不被破坏。虽然受低温环境和打压检漏等因素的限制, 设计的实验与实际工作条件有一定的差异, 且实验中施加的拉( 弯) 力也有相当一部分为波纹管所承担, 但实验的结果还是很好地验证了理论分析的结果。考虑到装置中绝缘子虽受一定的拉( 弯) 力, 但所受力的大小不至于使绝缘子金属产生塑性变形, 因此, 绝缘子在低温热冲击测试中若不被破坏, 则在装置使用中将是安全的。

3、绝缘子破坏原因分析

根据理论及实验分析的结果, 可排除绝缘子因热应力过大而直接被破坏的可能。另一种可能的原因是冷热冲击在绝缘子本体上产生一些微裂纹, 微裂纹随冷热冲击次数的增加而逐步扩展, 直至产生宏观裂纹并最终导致绝缘子破裂失效。但绝缘子的冷热冲击实验表明,EAST 复合材料绝缘子至少可承受50 次以上的冷热冲击而不被破坏, 而损坏的绝缘子冷热冲击次数远没有达到50 次, 因此, 也可排除因微裂纹扩展导致绝缘子破裂失效的可能。另一可能的原因是因绝缘子焊接时由于操作不当,部分热量传递到复合材料绝缘层而造成复合材料老化, 从而使绝缘层的各项性能指标降低, 因此, 无法通过热冲击检测。对失效绝缘子进行解剖, 失效绝缘子绝缘层上的裂纹清晰可见, 且与金属导管相邻处的复合材料绝缘层局部颜色已发生改变。因此, 可基本确定,绝缘子的损坏原因是由于焊接不当造成的。http://www.gdzhenghang.net