ADS/2K低溫管線真空隔斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

　　為了實(shí)現(xiàn)不同真空系統(tǒng)的獨(dú)立性，在2K低溫管線中設(shè)置真空隔斷。通過應(yīng)用場合以及功能分析，對真空隔斷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用ANSYS有限元分析軟件對其進(jìn)行熱負(fù)荷的數(shù)值模擬，獲得溫度分布以及熱傳導(dǎo)值，同時(shí)進(jìn)行熱和結(jié)構(gòu)的耦合分析，獲得應(yīng)力的分布情況，并進(jìn)行強(qiáng)度評定。分析的結(jié)果為真空隔斷的優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)。

　　中國科學(xué)院先導(dǎo)科技專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能-ADS嬗變系統(tǒng)”注入器Ⅰ是由高能物理研究所承擔(dān)研制的加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)強(qiáng)流質(zhì)子加速器項(xiàng)目。在ADS低溫系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)真空系統(tǒng)的獨(dú)立性，防止某一真空系統(tǒng)失效而影響其他真空，同時(shí)便于維護(hù)，在2K低溫閥箱與恒溫器的多通道低溫管線中設(shè)置真空隔斷，實(shí)現(xiàn)兩真空系統(tǒng)的獨(dú)立，將其分開。

　　低溫管線在盡可能小的冷量損失條件下，將低溫工質(zhì)輸送到閥箱或者恒溫器設(shè)備中，在低溫管線中增設(shè)真空隔斷，除保證泄漏率之外，漏熱是主要的影響因素，根據(jù)傳熱理論，增大傳熱路徑可以有效降低熱負(fù)荷。同時(shí)由于低溫管線自身的冷熱收縮以及與室溫零部件間由于溫度梯度較大，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，這個(gè)也是必須要考慮的因素。針對以上分析對真空隔斷進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用傳熱學(xué)以及彈性力學(xué)的基本理論，運(yùn)用ANSYS分析軟件建立真空隔斷的有限元模型，得出了其溫度分布、熱應(yīng)力分布以及低溫管線的熱負(fù)荷，評定設(shè)計(jì)的可行性。

1、真空隔斷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2K低溫系統(tǒng)中，連接2K低溫閥箱與恒溫器的2K低溫管線包括8個(gè)通道:80K液氮進(jìn)、出管，4.5K液氦進(jìn)、出管，2K液氦進(jìn)管，超臨界氦進(jìn)管以及氦回氣管和冷卻管。

　　真空隔斷設(shè)計(jì)成高真空絕熱管是減小熱負(fù)荷的有效方式。即外管道是室溫，內(nèi)管道是低溫，內(nèi)外管道之間抽成真空以防止對流傳熱和導(dǎo)熱，同時(shí)在內(nèi)外管道之間包扎多層絕熱材料來減少輻射傳熱量。在必要的情況下，一定距離需要布置一個(gè)支撐，由導(dǎo)熱系數(shù)小、強(qiáng)度高的玻璃鋼絕熱材料制成。支撐的設(shè)計(jì)在滿足強(qiáng)度、剛度的前提條件下，要盡可能減小熱負(fù)荷，以及防止真空管路外壁面溫度過低而結(jié)冰。

　　為了減小外界環(huán)境對低溫管線的熱負(fù)荷，真空隔斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了JACKET夾層，以增長傳熱路徑來增大熱阻。所謂JACKET夾層，是為了加大外壁與內(nèi)壁的傳輸距離而在中間加入一層管壁。故在每個(gè)低溫管道外加一套管來增長傳熱路徑。這樣從室溫300K到液氮管80K的傳熱路徑長約300mm。由于液氦相對于液氮較為珍貴，適當(dāng)加長從80K到5K的傳熱路徑，約為500mm，有效降低了4.5K液氦的熱載荷的傳遞，達(dá)到隔熱的目的。同理，2K氦管道的套管加大了4.5K到2K的傳熱路徑，而氦回氣管不設(shè)置套管，目的是充分利用氦回氣的冷量，降低Φ300mm套管端面的溫度。除此之外，為了保持2K供應(yīng)管、超臨界供應(yīng)管以及回氣管的冷量在其外側(cè)另加一較粗套管(Φ300mm，L=1000mm)。特別之處，為了減小漏熱，并能實(shí)現(xiàn)較合理的溫度梯度，距室溫法蘭一定距離處設(shè)置銅卡箍與液氮管連接，形成80K熱錨，保證其恒定在80K溫度下。同理在Φ300mm套管上也設(shè)置4.5K銅卡箍，這樣Φ300mm套管上有80K與4.5K兩個(gè)溫度的熱錨，起到很好的“冷沉”作用，保證其有一較好的溫度梯度，真空隔斷的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 真空隔斷的結(jié)構(gòu)

2、真空隔斷的有限元模型的建立

　　采用ANSYS軟件前處理對真空隔斷進(jìn)行建模，有限元模型如圖2所示。為了進(jìn)一步降低低溫管路的熱負(fù)荷，在80K管路和5K管路的JACKET夾層設(shè)置的卡箍材料為導(dǎo)熱較好的無氧銅，管道的材料統(tǒng)一采用304不銹鋼。

圖2 真空隔斷的有限元模型

　　數(shù)值模擬時(shí)無氧銅、304不銹鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)隨溫度變化，如圖3、圖4所示。

圖3 材料導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)據(jù)圖

圖4 材料熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)圖

3、真空隔斷的傳熱以及熱應(yīng)力分析

　　3.1、傳熱分析

　　采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行三維模型熱分析。真空隔斷的外筒體要進(jìn)行抽真空處理，所以沒有對流換熱，只有熱傳導(dǎo)和輻射換熱。結(jié)構(gòu)中有80K液氮進(jìn)出管，4.5K液氦進(jìn)出管，以及2K液氦、超臨界氦進(jìn)管，以及2.5K氦回氣管。假設(shè)達(dá)到平衡時(shí)各低溫管線的節(jié)點(diǎn)溫度相同，所以管線直接加載溫度載荷。

　　傳熱分析時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，施加相應(yīng)的熱邊界條件。各低溫管線要通過不同溫度的流體，假設(shè)各節(jié)點(diǎn)溫度相同，故加載相應(yīng)的溫度載荷。真空隔斷法蘭和外管道處于室溫300K，并且外表面有自由對流，需要加載10W/(m2·K)的對流換熱系數(shù)。各個(gè)管道之間有輻射換熱，設(shè)置輻射對，其中輻射用SURF152模擬。

圖5 真空隔斷的溫度分布

　　經(jīng)計(jì)算得到的真空隔斷的溫度分布如圖5和圖6所示。外管道法蘭溫度的最大值為297K，即24℃，高于露點(diǎn)。由于使用了套筒結(jié)構(gòu)使得熱阻增大，減少了漏熱。但是可以看到在80K銅卡箍與法蘭之間的溫度梯度較大，會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。提取2K溫區(qū)、4.5K溫區(qū)、80K溫區(qū)的熱負(fù)荷，如表1所示。結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 Φ300mm套管軸向溫度分布

表1 熱負(fù)荷分析結(jié)果

　　3.2、熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

　　采用間接法進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，將以上熱分析得到的結(jié)果作為載荷加載在模型上，并且限制外筒體端面所有自由度，作為位移邊界條件約束。同時(shí)要加載壓力載荷，套管施加0.1MPa的外壓。耦合計(jì)算得到真空隔斷的軸向位移(Z向)以及熱應(yīng)力分布如圖7、圖8所示。根據(jù)圖7可以得到軸向最大位移發(fā)生在管道的末端且位移為3.971mm。最大熱應(yīng)力、最大局部應(yīng)變出現(xiàn)在Φ300mm的套管與法蘭的焊接處如圖8、9所示，為50.4MPa和0.277×10^-3。這意味著此焊接連接處最容易出現(xiàn)失效而發(fā)生停車。

圖7 真空隔斷的位移圖  圖8 真空隔斷的應(yīng)力分布  圖9 Φ300mm套管應(yīng)變分布

　　3.3、強(qiáng)度評定

　　對真空隔斷的結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行評定，找出應(yīng)力較大的危險(xiǎn)截面，通過選擇路徑進(jìn)行線性化處理，分解出各自的薄膜應(yīng)力(平均應(yīng)力)、彎曲應(yīng)力和峰值應(yīng)力(非線性應(yīng)力)，依據(jù)JB4732-1995做出強(qiáng)度評定。真空隔斷的強(qiáng)度主要由局部位置的薄膜應(yīng)力pL、彎曲應(yīng)力pb和熱應(yīng)力Q決定。由上面的應(yīng)力分布圖8可知，最大的局部應(yīng)力發(fā)生在焊縫處，所以對此最大應(yīng)力位置沿焊縫厚道方向作應(yīng)力線性化處理路徑，來進(jìn)行應(yīng)力分類并進(jìn)行校核強(qiáng)度。這里取焊縫材料的許用應(yīng)力為125MPa。分析結(jié)果如表2所示，表明真空隔斷的強(qiáng)度是足夠的。

表2 路徑上的應(yīng)力強(qiáng)度評定

4、總結(jié)與展望

　　(1)根據(jù)真空隔斷在低溫系統(tǒng)中的作用和功能，利用傳熱學(xué)基本原理設(shè)計(jì)了真空隔斷的結(jié)構(gòu)形式。

　　(2)根據(jù)真空隔斷的結(jié)構(gòu)，利用有限元模擬軟件，進(jìn)行熱分析計(jì)算，得出其工作狀態(tài)的溫度分布圖，并計(jì)算低溫區(qū)的熱負(fù)荷。同時(shí)得出應(yīng)力、位移分布圖，并進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)度評定，驗(yàn)證了此類真空隔斷結(jié)構(gòu)的可行性，為試驗(yàn)和優(yōu)化提供了一定的理論依據(jù)。

　　(3)根據(jù)真空隔斷應(yīng)用場合和實(shí)際需要，各套管的尺寸可做相應(yīng)的調(diào)整。