恒温器箱形真空壳体的研制

孙志和，万玉琴，王 沛，白 峰，卢毛磊，黄 倩

（1.中国电子科技集团公司第十六研究所 安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥 230088；2.中国科学院近代物理研究所，兰州 730000）

恒温器箱形真空壳体的研制

孙志和1，万玉琴2，王 沛1，白 峰2，卢毛磊1，黄 倩1

（1.中国电子科技集团公司第十六研究所 安徽万瑞冷电科技有限公司，合肥 230088；2.中国科学院近代物理研究所，兰州 730000）

ADS加速器旨在解决核能可持续发展中的“增殖核材料和嬗变核废物”问题。通过理论计算及数值模拟相结合的方法，设计了ADS加速器低温恒温器的真空壳体，真空壳体内部尺寸为4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm的箱形结构。根据真空壳体密封性能及强度要求，介绍了真空壳体焊缝的结构设计。最后根据真空壳体尺寸精度及尺寸稳定性要求，着重介绍了真空壳体的制造工艺过程。恒温器箱形真空壳体经实际检测，各项性能满足设计要求。

ADS加速器；恒温器；真空壳体；机械设计

0 引言

低温恒温器真空壳体一般为圆筒形结构，其优点是制造容易、承受外压强度好、造价低。ADS加速器低温恒温器真空壳体根据超导腔、超导磁体及束流位置检测器组成的恒温器内部组件的结构形式，设计成箱形结构，其内部尺寸长4 200 mm、宽1 500 mm、高1 500 mm，为目前国内大型恒温器真空壳体。其结构设计、强度计算、加强筋设置方式、真空壳体顶部法兰及焊接结构设计等方面参考的资料有限，而真空壳体的尺寸精度、尺寸稳定性要求严格，加工制造成本较高，因此恒温器真空壳体的强度设计、加工制造、检验测试都是需要重点关注的问题。详细介绍了恒温器箱形真空壳体的设计及加工工艺过程。

1 箱形真空壳体的设计

ADS加速器低温恒温器真空壳体为加速器超导腔、超导磁体及束流位置检测器组成的恒温器内部组件提供隔热真空，同时恒温器重达2 500 kg的超导腔等内部组件通过2个POST支撑组件悬挂在真空盖板上。超导腔及超导磁体运行所需的低温液体、电力及温度、压力、液位等各测量装置通过真空壳体和真空盖板开孔法兰与内部相连通。由于超导腔等内部组件安装、调试、运行过程中有很高的位置精度要求以及束流中心线的准直度要求，因此真空壳体的设计及加工必须满足一定的精度要求。根据恒温器超导腔等内部组件结构尺寸，真空壳体设计为4 200 mm×1 500 mm×1 500 mm的箱形结构，真空壳体结构如图1所示。真空壳体及真空盖板组成恒温器真空室，真空室由四周侧板、底板及顶部法兰焊接构成。真空壳体与真空盖板之间采用氟橡胶“O”型圈密封，为提供初始密封预紧力采用M18的螺栓。真空壳体为箱形结构，为了减小壳体壁厚，减轻壳体重量，在壳体外侧焊接一定间距的加强筋。加强筋的设置方式通常有纵筋、横筋及十字交叉筋等三种，本真空壳体综合考虑主要采用纵筋结构形式。真空壳体底板在宽度方向单边尺寸大于真空壳体外侧尺寸50 mm，顶部法兰在宽度方向大于真空壳体外侧尺寸100 mm，这样壳体侧板加强筋在焊接时，加强筋的上下两端面分别与底板及顶部法兰焊接，加强筋成为两端固定的简支梁，提高了加强筋及顶部法兰抗弯截面模量。真空壳体四周及底板底部分别设计有耦合器、调谐机构、束流调节阀及操作、抽真空等各种规格接口法兰。真空盖板为大型平板结构，在焊接、机械加工过程中必然产生较大弯曲或扭曲变形，影响真空壳体形成真空密封，为此在真空盖板四周焊接高度为150 mm的矩形方管，增加真空盖板刚性，提高真空盖板密封面平面度。在真空盖板上设计有post吊装法兰、电流引线安装法兰、BPM电缆转接法兰及输液、液位、温度、安全等测量用各种规格接口。真空壳体及真空盖板采用316 L制造，整体重量约13 000 kg。

图1 真空壳体结构图Fig.1 The structure of vacuum chamber

2 箱形真空壳体结构强度计算

真空壳体为箱形结构，内部尺寸为4 200 mm× 1 500 mm×1 500 mm。真空壳体周边及底部需要开设螺钉孔，为满足螺钉的旋合长度要求，四周侧板设计厚度选取20 mm。侧板加强筋采用立式结构，加强筋上端面与壳体顶部法兰焊接，下端面与壳体底板焊接，这样加强筋为两端固定的简支梁。低温恒温器在运行过程中有很高的尺寸稳定性要求，以满足加速器束流需要，这就要求真空壳体有足够的强度和尺寸稳定性。设计加强筋为矩形截面，高度100 mm，厚度20 mm，加强筋间距300 mm，则加强筋的应力计算：

（1）加强筋截面积：s1=20 cm2；

（2）壳体部分截面积：s2=60 cm2；

（3）加强筋截面惯性矩：J1=bh3/12=166.7 cm4；

（4）壳体部分截面惯性矩：J2=bh3/12=20 cm4；

（5）组合截面形心：建立图2坐标系，根据组合图形形心计算，加强筋形心y1=7，壳体截面形心y2=1，则组合图形形心y=（s1y1+s2y2）/（s1+s2）=2.5 cm，加强筋与壳体的组合截面对形心的惯性矩：J=J1+J2+s1·（y1+2-y）2+s2（y-y2）2=1 166.7 cm4。

图2 加强筋截面图Fig.2 The section of the strengthening rib

（6）组合截面抗弯截面模量：W=J/（10+2-y）= 122.8 cm3；

（7）加强筋的最大应力：σ=L2bPs/KW=45.8 MPa＜0.9σs=176.5 MPa。

加强筋四周及底部均有密封法兰，采用O型圈密封结构，需要考虑在大气作用下，壁板变形对密封性能的影响。加强筋与壁板焊接，相当壁板四周固定，则其中心最大变形量为：y=c1qb4/Es3=0.02 mm。

由上述计算可知，加强筋的最大应力远小于不锈钢的许用应力，壁板中心变形量很小，即设计真空壳体壁厚20 mm，加强筋厚度20 mm，加强筋高度100 mm，不论从强度、稳定性还是密封性来说，满足设计需要。

3 真空壳体焊接结构设计

真空壳体由四周侧板、底板及顶部法兰组焊而成。为使组焊时定位准确，底板、顶部法兰与四周侧板结合面处设计有3 mm的定位槽。四周侧板由四块厚度20 mm的钢板组焊构成，其中两块端板两侧边真空侧设计7 mm深、55°的焊接坡口。四周侧板下端真空侧设计7 mm深、55°的焊接坡口，方便四周侧板与壳体底板之间、两块端板与两块长侧板之间的填料氩弧焊接；四周侧板上端真空侧设计7 mm深、30°的焊接坡口，顶部法兰相应处同样设计7 mm深、30°的焊接坡口，保证四周侧板与口部法兰的焊接强度需要。四周侧板空气侧设计间断焊接坡口，坡口深7 mm、坡口角度为45°，坡口长度150 mm，间隔50 mm。各部分的焊接结构设计如图3所示。真空壳体真空侧所有焊缝为密封满焊，分多层焊接成形。要求第一层为自熔焊接，后面各层为填料焊接，真空侧焊接高度6 mm，大气侧为加强间断焊接。

图3 四周侧板与底板、顶部法兰焊接示意图Fig.3 Schematic diagram of welding for around side plate to bottom plate and top flange

4 真空壳体的制造

ADS加速器低温恒温器超导腔等内部组件吊装在真空盖板上，真空盖板整体装配到真空壳体，超导腔等内部组件有大量的螺钉等紧固件需要与真空壳体相连接。这就要求真空盖板与真空壳体有较高的位置尺寸精度，否则难以装配。同时ADS加速器长期运行在低温工况下，必须要有较高的尺寸稳定性。而真空壳体为大型焊接件，存在着较大的焊接应力、焊接变形等问题。因此在制造过程中必须认真考虑，制订严格的加工工艺，以保证真空壳体的精度要求，满足加速器的长期稳定运行需要。首先将各侧板与各自的加强筋板焊接、整形，焊接后的各侧板组件变形量控制在2 mm以内；然后将四周侧板组件、底板组件及顶部法兰装配、点焊，检测相关尺寸及形状，符合图纸要求后在真空壳体外侧均匀点焊，在真空壳体内部长度及宽度方向设置焊接内撑工装，防止焊接过程中腔体向内收缩变形；此后进行真空壳体内部焊缝的焊接，由于内部焊缝设置有较大的焊接坡口，需要多层焊接才能成形。先用酒精清理焊接坡口20 mm范围内油污、锈迹等有害物质。焊接时第一层为打底自熔氩弧焊接，增加焊口熔深，这样可以最大限度减少真空泄漏的可能，然后分层填料焊接成形。每次焊接前需要注意清除焊缝表面氧化皮及表面污物，且前一层焊缝温度降到100℃以下才能进行施焊。内部密封焊缝焊接成形后，焊接真空壳体外部各加强焊接坡口。真空盖板由周边加强框及各接管焊接成形，先粗加工真空盖板内凹面及各法兰接管孔，然后焊接盖板周边加强框。真空壳体及真空盖板在焊接过程中，由于收缩、变形等因素会产生较大的焊接残余应力。焊接件去除焊接应力通常有焊后热处理和振动消除法，采用整体高温回火热处理工艺，其工艺曲线如图4所示。将真空壳体与真空盖板装配，用螺钉紧固，这样可以防止在热处理中的变形，整体进入热处理炉进行去除应力处理。出炉后精加工各法兰接管孔，焊接各法兰接管，最后精加工真空壳体及真空盖板密封面。

图4 热处理工艺曲线图Fig.4 Technology curve of heat treatment

5 结束语

通过对真空壳体的结构分析和强度计算，设计了ADS加速器低温恒温器箱形真空壳体，产品已经陆续交付用户使用。实际情况证明，所设计的真空壳体结构合理，加工制造满足使用要求。产品工艺可靠，性能稳定，为后续产品的研制奠定了良好的基础。

[1]达道安.真空设计手册[M].北京：国防工业出版社，2004.

[2]成大先.机械设计手册[M].第五版.北京：化学工业出版社，2000.

[3]万玉琴，牛小飞，韩彦宁，等.低温恒温器设计[J].低温与超导，2013，41（12）：25-27.

[4]宋云涛，姚达毛，武松涛，等.HT-7U超导托卡马克真空室的结构设计[J].机械设计与研究，2000（1）：59-60.

[5]刘鸿文.材料力学[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

孙志和（1965-），男，安徽人，高级工程师，主要从事真空低温系统的研制与开发。E-mail：sunzhihe@163.con。