ITER環(huán)氧基復(fù)合材料軸向絕緣子的低溫氣密性能研究

2015-01-16 楊長春九江學(xué)院電子工程學(xué)院

　　采用ANSYS 軟件對國際熱核聚變實驗裝置(ITER) 環(huán)氧基復(fù)合材料軸向絕緣子在低溫、內(nèi)氣壓、拉伸載荷作用下的熱應(yīng)力進(jìn)行有限元分析，并且對低溫沖擊、內(nèi)氣壓沖擊和拉伸壓縮應(yīng)力沖擊性能進(jìn)行實驗測試。分析和實驗結(jié)果表明：由于絕緣子的絕緣體與金屬導(dǎo)體的熱膨脹系數(shù)不同，由常溫降到液氦溫度時界面熱應(yīng)力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；在室溫到液氮冷熱循環(huán)25次后，承受4 MPa 氦氣內(nèi)壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持好于1.0 × 10^-9 Pa·m³ /s，能夠滿足ITER軸向絕緣子的技術(shù)要求。

　　耐低溫耐高電壓氦氣密復(fù)合材料軸向絕緣子是國際熱核聚變實驗裝置(ITER) 磁體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在裝置運(yùn)行中軸向絕緣子通過管路和對應(yīng)的冷質(zhì)部件構(gòu)成冷卻回路，承擔(dān)整個磁體系統(tǒng)液氦和液氮的通道，同時擔(dān)負(fù)對地絕緣的作用。因此設(shè)計制作絕緣子的電絕緣材料性能要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和必要的塑性，在低溫下不會發(fā)生脆裂，耐低溫密封性好；冷熱收縮系數(shù)盡量小，在接頭處不應(yīng)產(chǎn)生太大的熱應(yīng)力，在多次冷熱循環(huán)后，仍能保持所需的機(jī)械強(qiáng)度和真空密封性能，抗冷熱沖擊性好，抗振動性好；固化收縮率小，固化后不會產(chǎn)生大應(yīng)力，引起界面的分離或開裂。

　　采用ANSYS 軟件對ITER 環(huán)氧基復(fù)合材料軸向絕緣子在低溫、內(nèi)氣壓、拉伸等單一或綜合載荷作用下進(jìn)行熱應(yīng)力有限元仿真分析，并對低溫沖擊、內(nèi)氣壓沖擊和拉伸壓縮應(yīng)力沖擊等單一或綜合載荷作用下的性能進(jìn)行人工加速老化實驗測試。仿真分析和實驗結(jié)果表明：由于絕緣子的絕緣體與金屬導(dǎo)體的徑向和環(huán)向熱收縮系數(shù)不同，由常溫降到液氦溫度時界面熱應(yīng)力是影響絕緣子氣密性能的主要因素；在室溫到液氮冷熱循環(huán)25 次后，承受4 MPa 氦氣內(nèi)壓，2000 N 拉壓載荷下氣密性保持在好于1.0 ×10 ^-9 Pa. m³ /s，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術(shù)要求。

1、ITER 軸向絕緣子結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計

　　ITER 復(fù)合材料軸向絕緣子結(jié)構(gòu)由不銹鋼金屬電極、復(fù)合材料絕緣內(nèi)襯管和外部絕緣加強(qiáng)層三部分構(gòu)成。根據(jù)56 kV 的電性能要求， ITER 軸向絕緣子優(yōu)化截面尺寸如圖1 所示。

ITER 軸向絕緣子截面尺寸示意圖

圖1 ITER 軸向絕緣子截面尺寸示意圖

　　由于絕緣子不銹鋼金屬電極與復(fù)合材料內(nèi)襯管的連接接頭是機(jī)械載荷最集中的區(qū)域，也是兩種材料的徑向和環(huán)向熱收縮系數(shù)不同，在冷熱循環(huán)沖擊過程中熱應(yīng)力集中的區(qū)域，在設(shè)計絕緣子絕緣結(jié)構(gòu)的工藝過程中應(yīng)綜合設(shè)計各關(guān)鍵位置，特別是要重點設(shè)計絕緣內(nèi)襯管和金屬不銹鋼管接頭，這是影響低溫氦氣密性能的關(guān)鍵技術(shù)。具體工藝技術(shù)包括不銹鋼電極表面處理、接頭螺紋密封接頭粘接工藝以及固化成型工藝等。通過采用優(yōu)化玻璃纖維增強(qiáng)內(nèi)襯管外表面和不銹鋼電極內(nèi)表面的螺紋尺寸，以及夾層低溫環(huán)氧樹脂膠粘劑的熱收縮系數(shù)和厚度，進(jìn)而設(shè)計界面連接處的徑向和環(huán)向熱收縮系數(shù)，使之與連接的不銹鋼金屬管和內(nèi)襯管的熱收縮系數(shù)接近并滿足一定的配合關(guān)系，避免材料結(jié)構(gòu)件在冷熱循環(huán)沖擊過程中因熱應(yīng)力集中發(fā)生脆裂而影響電絕緣性能和機(jī)械氦氣密性能。

2、絕緣子低溫應(yīng)力載荷下氣密性實驗

　　室溫和低溫拉壓性能測試原理如圖6 所示，絕緣子一端固定，另一端直接施加拉壓載荷，內(nèi)部通氦氣，在外部真空腔中采用真空檢漏的方法檢測絕緣子在拉壓載荷作用對氣密性能的影響。絕緣子安裝在波紋管真空室內(nèi)，并在兩端焊接密封連接，一端通過螺母與測試支架底部法蘭連接，另一端通過法蘭板螺釘與電子試驗機(jī)拉伸桿相連，通過驅(qū)動試驗機(jī)中橫梁的上下移動實現(xiàn)對絕緣子拉伸和壓縮的負(fù)荷加載。采用真空機(jī)組和氦質(zhì)譜檢漏儀對波紋管真空室抽真空和檢漏，根據(jù)受力變化速度，計劃在10 min 內(nèi)實現(xiàn)載荷的施加，計算機(jī)控制拉伸端力載荷施加速度。

ITER 絕緣子氣密性測試實驗裝置

圖6 ITER 絕緣子氣密性測試實驗裝置

　　測試方法是在機(jī)械載荷作用過程中利用波紋管進(jìn)行氣密性測試，可以實時測試載荷對絕緣子性能的影響，但利用波紋管會增加附加影響，影響測量結(jié)果需要修正。

　　試驗機(jī)調(diào)零是關(guān)鍵，在實驗測試時，對波紋管抽真空檢漏后安裝在支架上，使其拉伸桿自由不受力時調(diào)零，在受拉時，向上移動，在施加力從零線性增大時再調(diào)零，同理在受壓時，向下移動，在施加力從零線性增大時再調(diào)零，消除裝置的回程誤差。實驗結(jié)果表明：在氦氣漏率為3.2 × 10^-10Pa·m³/s 的本底情況下，分別測量室溫耐拉力3200 N，調(diào)零等效后相當(dāng)于2000 N 拉伸力，以及4 MPa 內(nèi)氣壓沖擊循環(huán)25 次；液氮溫度耐壓力1400 N，調(diào)零等效后相當(dāng)于2000 N 壓縮力，以及4 MPa 內(nèi)氣壓沖擊循環(huán)25 次的漏率與循環(huán)次數(shù)的變化，受拉載荷和受壓載荷作用下氦氣漏率變化曲線如圖7 所示，最大拉力3200 N 和最大壓縮力1400 N 作用下基本上都是線性關(guān)系，其漏率都小于4 × 10^-10Pa·m³/s，因此滿足絕緣子在2000 N 拉壓載荷以及4 MPa 內(nèi)氣壓疲勞沖擊作用下25 次后，其氦氣漏率好于1.0 ×10^-9Pa·m³ /s，能夠滿足ITER 軸向絕緣子的技術(shù)要求。

綜合載荷作用下氣密性變化曲線