中国散裂中子源关键设备安装技术探讨

2020-03-26李继红倪晓晔郑乐见

机电工程技术 2020年2期

李继红，冯光，倪晓晔，郑乐见

（1.散裂中子源科学中心，广东东莞 523808；2.中国科学院高能物理研究所东莞分部，广东东莞 523803）

0 引言

中国散裂中子源是“十一五”期间国家重点建设的12个重大科技基础设施项目之一。中国散裂中子源的建成，使我国在强流质子加速器和中子散射领域实现了一次重大跨越，技术和综合性能达到国际同类装置先进水平，与我国已经建成的同步辐射光源优势互补，为材料科学技术、生命科学、资源环境、新能源等方面的基础研究和高新技术开发提供强有力的研究手段，为解决许多“卡脖子”问题提供关键技术平台，对满足国家重大战略需求具有重要意义。该装置由1台80MeV负氢离子直线加速器、1台1.6GeV快循环质子同步加速器、2条束流输运线、1个靶站，以及一期3台谱仪组成，是各种高、精、尖设备组成的整体[1]。

1 设备安装的技术要求

加速器和靶站谱仪设备基本都是精密设备，造价高且加工周期较长，在安装过程中要特别注意安全。加速器设备在束流方向和垂直束流方向的粗就位安装精度须控制在±2 mm以内。粗就位完成后，对设备进行准直调整，部分设备就位精度须控制在±0.05 mm以内。

2 关键设备安装技术

在加速器设备安装隧道底板混凝土浇注前，进行设备基础预埋件安装，通过调整机构保证预埋件高程和俯仰角正确。设备安装前，由准直系统在隧道地面放线，设备的支架在制造厂加工过程中也会进行对应的刻线。设备安装时，将支架上的刻线与准直在地面的刻线对齐，以确定设备的安装位置。

图1 RFQ整体吊装图

2.1 射频四极加速器（RFQ）安装技术

RFQ主要用于加速由离子源产生的能量为50KeV的负氢离子束流至能量3.0MeV[2]。RFQ在隧道正式安装前在实验大厅进行预组装，并进行老炼。为了保留RFQ老炼成果，避免将设备拆散后运入隧道安装，需要将设备从实验大厅整体运输到隧道安装。如图1所示，组装完成后设备总长3.7 m，总质量5 t，而隧道的吊车额定载荷为3 t，因此无法使用吊车进行安装。采用了在支架的支腿上安装小坦克加千斤顶配合操作的安装方案，即通过小坦克运输设备，当需要转向时，用千斤顶将支架顶起，转动小坦克的方向。该方案实现了RFQ整体在无吊车情况下的隧道内运输。在安装位置，通过使用螺旋千斤顶将RFQ整体最终精确就位[3]，如图2所示。

图2 RFQ安装就位

2.2 漂移管直线加速器（DTL）安装技术

DTL是CSNS直线加速器的主要组成部分，负责将负氢离子从3MeV加速到80MeV。其由4节长度8～9 m内径为0.566 m的圆柱形物理腔组成，每节物理腔又分为3段，长度约3 m的机械腔体，以便于安装和加工，腔体内含有153个全无氧铜漂移管[4]。DTL腔的组装主要包括筒体的标定，漂移管的标定、装入和调整以及端板的标定和安装调整等。DTL腔准直组装工作量大，精度要求高，在日本同类设备的准直组装过程中使用了准直望远镜、电子水平仪、水准仪以及激光跟踪仪等多种设备。而CSNS/DTL从标定到组装主要采用激光跟踪仪，并利用激光干涉仪校准平台对激光跟踪仪进行校准，从而最大程度发挥了激光跟踪仪的性能，提高了工作效率[5]。在腔体内部组装完成后，进行整腔安装就位，由于DTL腔体在40 m范围内要求安装误差控制在±0.1 mm的极高精度，且3 m单腔内漂移管均为悬臂结构，其每个漂移管位置、尺寸和重量的多样性导致DTL腔的整体高平稳运输和吊装变得十分困难。设计了可调节重心的DTL腔通用吊具，该吊具可以调节吊点位置，实现了DTL腔体在测试厅和隧道内的高平稳安装，如图3所示。在运输前后严格进行调平，保证了DTL腔整体运输微米量级形变要求。

图3 DTL隧道吊装就位

2.3 真空盒安装技术

真空系统主要功能是提供满足束流寿命和高压设备的真空度，以保证束流高效稳定运行，该系统安装关键在于真空盒法兰密封连接。真空系统要求真空度达到10-6Pa，每段真空盒的总漏率小于1×10-10Pa·m-3/s，因此对安装要求极高。直线加速器和输运线真空盒材料均为316不锈钢。如图4所示，真空盒之间采用快卸链条法兰进行连接，在真空法兰连接密封过程中采用扭力扳手，将力矩调至25 N·m，均匀上紧。真空检漏过程中如出现微漏，则将力矩调整至30 N·m，如果再次失效，则需要更换密封圈重新进行真空密封。

快循环同步加速器真空盒采用静压方法制备的氧化铝为材料，分别通过玻璃化和金属化工艺对分段的陶瓷真空盒及法兰进行焊接。陶瓷真空盒在安装过程中要防止被挤压，特别是在空间狭窄、间隙小的情况下施工。首先根据图纸中的尺寸将磁铁与支架的相对位置调整到位，特别是共架支架，要将多台磁铁的水平垂直位置调至一致。然后将真空盒支架调至低位，通过专用真空盒吊装工装将真空盒吊至支架上。磁铁合盖后，通过调节真空盒支架使真空盒安装就位。真空法兰连接采用力矩扳手将力矩调至25 N·m，如出现漏点，则逐渐加大力矩。如图5所示。

图4 磁铁单元真空盒安装

图5 二极磁铁真空盒安装

3 靶站内环至靶站输运线（RTBT）设备

3.1 安装技术

靶站内RTBT（即24 m段）总共包括7个设备单元，每个单元结构基本类似，主要分为支架、共架、吊装框架、导向架4部分。底层支架通过地脚螺栓固定在隧道内，上层支架与磁铁等设备组装为1个整体成为1个设备单元。上层共架设置的3～4个锥形球窝与支架上固定的定位球进行接触与定位，从而实现设备的远程安装和定位。由于RTBT隧道狭窄，设备单元重大，最重的一个单元重达40 t，且需远程安装就位，难度大且工期紧张。主要解决了较高精度下的单元远程安装问题。采用了重心偏心调平的方案，即设计了可用于工件调平和可以实现远程钢丝绳挂钩脱的吊具，先期调整吊具的吊点高度，使用钳工水平仪将设备单元进行调平，达到安装要求后通过预先安装在墙体的导向架进入预定安装位置，如图6所示。经计算和现场实验获得最优方案，实现7个单元远程安装。在不影响准直等工作前提下，24 m段设备单元预安装和隧道安装交错施工，大大加快了进度。在进行真空法兰密封过程中，使用长杆工具，螺杆拧紧约40圈实现真空密封。

图6 设备单元吊装

3.2 氦容器安装技术

氦容器是为散裂反应核心区提供氦气气氛保护，以减少放射性气体的产生，同时防止放射性气体及活化介质的泄露，并为其他系统提供安装接口，给质子束流和中子束提供输运通道，是靶站关键设备之一，其安装质量好坏将直接影响到散裂中子源的整体性能，如图7所示。氦容器是1台立式圆筒形密封容器，高7.8 m，最大直径φ4.8 m，总质量68 t。其内部将安装靶体、慢化器、反射体及屏蔽体等组件，包含20条中子孔道、质子入射孔道和靶体插件孔道。氦容器安装基础为裙座，已安装在靶站基板上，标高为1.3 m。周围的重混凝土屏蔽墙、钢柱及热室已浇筑完成，最高处距地面9.7 m，须要将设备整体吊越9.7 m的现有构筑物。安装的难点是将氦容器由卧式姿态转为立式姿态。项目采用1台500 t和1台300 t的汽车吊进行抬吊的方案。氦容器翻身后，通过主吊车吊入直径9.6 m的密封筒内[6-8]。如图8所示。

图7 双吊车抬吊氦容器

图8 氦容器安装就位

图9 慢化器反射体安装

3.2 慢化器反射体安装技术

慢化器内充满含氢慢化工质，CSNS靶的散裂反应产生的高能快中子通过与其发生多次弹性和非弹性碰撞，高能快中子就会将能量转移给慢化工质而转化成可以用于实验的热中子[9]。如图9所示，该设备与屏蔽体组装成1个整体，总高度达到6.4 m，总质量44 t。慢化器与反射体插件下端（铝容器）与周边设备的安装间隙单边只有5 mm，无法直接观察铝容器安装过程，要保证铝容器不与氦容器内部相撞，难度较大，现场采用远程摄像头监视安装。在起吊过程中，3点起吊，采用2个手拉葫芦进行调平，并用钳工水平仪校准。在安装过程中为了查看定位块的接触情况，在定位块处喷涂朱丹粉、红丹油，安装后察看定位块被蹭掉颜色区域，以此判断定位块的接触情况，通过修改定位块的尺寸，调节设备的安装精度。最终实现了安装位置与理论设计值在水平面上最大偏差0.18 mm，在高程方向上偏差0.2 mm。