ITER真空絕熱冷質支撐性能測試平臺設計與研究

張 旭，劉素梅，丁開忠，陸 坤

（1. 蕪湖職業技術學院機械工程學院，安徽蕪湖，241006；2. 中國科學院等離子體物理研究所，安徽合肥，230031）

ITER工程是一項涉及多國家、多組織的國際性大項目，旨在建立一種可控的自持熱核聚變實驗反應堆，以持續且高效地產生清潔的新能源來造福人類［1-3］。ITER中由承擔超導磁體電力運輸的超導電纜和冷卻管道系統、信號控制系統等組成的Feeder饋線系統是保障整個熱核聚變實驗反應堆運行的重要環節，是真空超導磁體線圈終端以及外部各機械結構和信號接口的連接紐帶，該系統的主體結構被包容管道（containment duct，CD）包裹。真空絕熱冷質支撐位于最外層低溫過渡管道（cryostat feed through，CFT）和包容管道之間，用于支撐、固定包容管道及其內部的Feeder饋線系統，它對Feeder饋線系統在超低溫、高真空、強磁場條件下所受的各種復雜載荷起傳遞和緩沖作用。冷質支撐的機械結構組成如圖1 所示。鑒于冷質支撐在ITER中具有重要作用，ITER工程質量總部要求在冷質支撐完成制造后，必須通過相應的測試平臺進行系統性的性能測試，驗證其相關功能指標能否達到工程驗收標準。

圖1 冷質支撐的機械結構組成Fig. 1 Mechanical structure of CMS

1 冷質支撐工況載荷分析

Feeder饋線系統的內部結構及其與低溫過渡管道、包容管道、冷質支撐之間的連接關系如圖2所示。包容管道內部為Feeder饋線系統及附屬零部件構成的復雜管路［4］，冷質支撐頂部與包容管道焊接，底部通過燕尾槽導軌與低溫過渡管道連接。實際工況下，低溫過渡管道內部是低溫、真空環境，所以其內部的冷質支撐也處于低溫、真空環境之中。

圖2 Feeder 饋線系統的內部結構及其與低溫過渡管道、包容管道、冷質支撐之間的連接關系Fig. 2 Internal structure of Feeder feeder system and its connection with CFT, CD and CMS

一方面，由于饋線系統內部管道的熱脹冷縮、振動等，使得冷質支撐產生軸向位移，導致它在承載情況下沿燕尾槽導軌滑動［5］。另一方面，存在3種方向、大小均不同的載荷作用于冷質支撐：1）包容管道及饋線系統內部零部件的總重力，為50 kN；2）饋線系統運行時，因其內部管道熱脹冷縮而產生的軸向及側向載荷，各為20 kN；3）超導電纜在安培力作用下產生的彎矩，為20 kN·m。鑒于此，冷質支撐樣件必須在此工況載荷下進行性能測試，且測試通過以后才能投產使用［6］，換言之，冷質支撐樣件的性能測試平臺必須能夠模擬上述3種載荷以滿足測試要求。

2 冷質支撐性能測試平臺結構設計

綜上所述，冷質支撐性能測試平臺的設計以摩擦性能測試和機械強度測試為切入點，先針對不同的測試平臺進行初步設計，后期再對不同測試平臺進行一體化設計［7］。

2.1 摩擦性能測試平臺結構設計

摩擦性能測試規程的制定主要依據美國的通用摩擦測試標準ASTM D1894-14［8］，旨在測量相對滑動物體間的力學特性。對于冷質支撐，主要是測量其底部滑塊和燕尾槽導軌之間的最大靜摩擦力和動摩擦力。ASTM D1894-14中5種摩擦測試方案均采用拖動物體運動的方式進行摩擦測試，各方案的不同之處在于拖動方式：直接拖動和間接拖動，如圖3所示。由于場地和測試設備等諸多條件的限制，本文選用圖3（b）或圖3（e）所示的摩擦測試方案來對冷質支撐進行摩擦性能測試，相較于其他方案，這2種方案的優點在于簡化了拖動測試對象所需的動力源，省去了部分復雜的動力傳輸裝置，減少了因測試系統不穩定帶來的不利影響，減小了測試場地，便于測試平臺的組裝和拆解。

圖3 ASTM D1894-14中的5種摩擦測試方案Fig. 3 Five friction test schemes in ASTM D1894-14

為確保測試環境和實際工況一致，摩擦性能測試中使用的燕尾槽導軌和冷質支撐底座在加工制造和使用性能上與實際相同。冷質支撐摩擦性能測試平臺的結構如圖4所示。

在冷質支撐摩擦性能測試平臺中，液壓伺服裝置（美國MTS公司生產）固定在支撐墻體上，由控制終端精確控制其運動，利用鋼絲繩將液壓伺服裝置接合端和包容管道模型連接。為了獲取鋼絲繩的實時拉力［9-12］，在鋼絲繩靠近包容管道模型端安裝力傳感器。測試用導軌為316L不銹鋼材質，導軌表面需要經過拋光處理，并且在測試時噴涂二硫化鉬試劑以減小摩擦系數。測試前，按照最終安裝標準將包容管道模型和冷質支撐模型進行焊接連接，包容管道模型上方安裝測試配重以模擬實際載荷，構成完整的冷質支撐摩擦性能測試平臺。為了減小測試結果的誤差，在安裝冷質支撐摩擦性能測試平臺時，確保尺寸公差和配合公差嚴格滿足設計要求。

在測試過程中，力傳感器的選用需滿足精度要求和最大測量范圍，因此，通過滑動摩擦力計算公式估算冷質支撐與導軌之間的最大靜摩擦力：

式中：μs為冷質支撐和導軌間的最大靜摩擦系數，查詢相關手冊，取μs=0.5；G 為摩擦性能測試時冷質支撐、包容管道模型及測試配重的重量之和（1 t），估算時取G≈10 000 N。

由公式（1）計算得到冷質支撐和導軌之間的最大靜摩擦力為5 000 N，因此選用量程為8 000 N的拉力傳感器為測量終端，全程記錄測試數據并保存，且測試時需合理設置數據采集頻率以保證獲取的為最大靜摩擦力值。冷質支撐摩擦性能測試平臺實物圖如圖5所示。

2.2 機械強度測試平臺結構設計

在實際工況下，冷質支撐的受力情況比較復雜：1）豎直方向受到大小為50 kN的外界載荷；2）水平面內受到相互垂直的、大小為20 kN 的一對側向載荷；3）Feeder饋線系統中的超導電纜在安培力作用下產生的20 kN ·m的彎矩。實際工況下冷質支撐的受力情況如圖6所示。

圖4 冷質支撐摩擦性能測試平臺結構Fig. 4 Structure of CMS friction performance test platform

基于冷質支撐的受載工況，初步設計冷質支撐機械強度測試平臺，其概念設計圖如圖7所示。在該測試平臺中，彎矩梁通過螺栓與包容管道模型上平面緊固連接，彎矩梁的兩端通過液壓千斤頂施加等大、反向的力，用以模擬彎矩載荷［13］；包容管道模型的軸線和垂直于軸線的方向上各設置1臺液壓千斤頂，用于施加側面載荷；安裝在頂部的液壓千斤頂用于提供豎直方向的外界載荷［14-15］。另需指出的是：1）所有液壓千斤頂均需配置具有足夠大剛度和強度的支撐結構；2）該測試平臺安裝時需滿足ITER工程安裝要求，以保證測試結果的有效性；3）冷質支撐所受外界載荷是通過包容管道間接施加到冷質支撐上的，因此在測試平臺上設計了包容管道模型，高度還原了冷質支撐實際工況下的受載情況，充分保證冷質支撐機械強度測試的真實性。

圖5 冷質支撐摩擦性能測試平臺實物圖Fig. 5 CMS friction performance test platform physical map

圖6 實際工況下冷質支撐的受力分析Fig. 6 Force analysis of CMS under actual working condition

圖7 冷質支撐機械強度測試平臺概念設計圖Fig. 7 Conceptual design diagram of CMS mechanical strength test platform

在冷質支撐機械強度測試平臺中，為保證測試順利進行，需確保彎矩梁具備足夠大的強度和剛度，否則會影響測試結果［16］，因此，需要進一步針對彎矩梁進行設計選型。依據彎矩梁在整個測試平臺中的位置和工況，結合圖7對彎矩梁進行受力分析，具體如圖8所示，圖中：F1為冷質支撐對彎矩梁的反作用力；F′1為模擬豎直載荷而施加的力；F4、F5為利用液壓千斤頂模擬冷質支撐受到的彎矩而施加的力。由圖8可以知：對比彎矩梁上的最大彎曲應力與梁材料的屈服應力，即可得出相應彎矩梁的選型標準。

根據彎矩梁的受力分析，由穩態系統靜力學方程得出彎矩梁上承受的最大彎矩為：

式中：L為彎矩梁的長度。

將具體數據代入式（2），求得：

MCMS= 20 kN · m

圖8 彎矩梁受力分析Fig. 8 Force analysis of moment beam

彎矩梁承受的主要載荷是彎矩，需進一步驗證彎矩梁危險截面處的最大彎曲應力是否在材料的許用應力范圍內。材料力學中彎曲應力的計算公式為：

式中：σmax為屈服應力極限值；Mmax為彎矩梁材料所承受的最大彎矩；W 為彎矩梁橫截面的抗彎截面系數；Iz為彎矩梁橫截面的慣性矩；ymax為彎矩梁橫截面輪廓邊緣距中性軸（z軸）的最大距離。

圖9 改進后的冷質支撐摩擦性能測試平臺和冷質支撐性能一體化測試平臺示意圖Fig. 9 Diagram of improved CMS friction performance test platform and CMS performance integrated test platform

聯立式（3）和（4）可得：

冷質支撐機械強度測試平臺中彎矩梁材料選用工字鋼，根據表1（GB/T 706—2016）查找熱軋工字鋼的幾何參數［17］，得到10號工字鋼的幾何參數如下：慣性矩Ix=245 cm4，抗彎截面模數Wx=49 cm3。由此確定10號工字鋼為彎矩梁的最佳材料，結合其相關參數，計算出10號工字鋼彎矩梁危險截面處的最大彎曲應力為204 MPa，而Q235材質的10號工字鋼的屈服應力為235 MPa，說明10 號工字鋼彎矩梁受到的最大彎曲應力小于所選材料的屈服應力值。因此，選擇10號工字鋼作為冷質支撐機械強度測試平臺中彎矩梁材料，可滿足機械強度測試要求。

表1 GB/T 706—2016 中熱軋型工字鋼幾何參數（節選）Table 1 Geometric parameters of hot rolled I-beam in GB/T 706-2016 (excerpt)

此外，冷質支撐機械強度測試平臺中液壓千斤頂的選型也很重要，但只需通過簡單的推理和計算即可確定其量程，因此不再贅述。彎矩梁兩端液壓千斤頂的最大頂力為10 kN，包容管道模型水平面上的液壓千斤頂的最大頂力為50 kN；測試平臺中提供豎直方向50 kN載荷的設備為美國MTS公司的液壓伺服裝置，該設備具有很高的準確性和穩定性；測試平臺中所有載荷施加設備的標定誤差值均小于±2%，滿足測試要求。

2.3 測試平臺一體化設計

由于摩擦性能測試平臺相對來說比較簡單，而機械強度測試平臺因受到場地限制，必須增設底座以安裝固定冷質支撐。考慮到摩擦性能測試平臺中的導軌稍作改進后可用來固定冷質支撐，對摩擦性能測試平臺進行改進，并對摩擦性能測試平臺和機械強度測試平臺進行一體化設計，改進后的冷質支撐摩擦性能測試平臺和冷質支撐性能一體化測試平臺如圖9所示。冷質支撐性能一體化測試平臺能夠同時滿足2 項測試工作的要求，減少了不必要的平臺建設內容，減小了測試場地，具有較好的經濟效益［18］。

改進后的冷質支撐摩擦性能測試平臺相較于改進前增設了三角支座，支座上安裝的液壓千斤頂在摩擦性能測試時可以配合MTS液壓伺服裝置往復拉動冷質支撐，解決了原先在每次重復測試時需要人力拖動冷質支撐來復位而可能因操作不當導致設備損壞的問題。在摩擦性能測試完成后，安裝立柱和支撐梁，并將三角支座和液壓千斤頂移至側面，裝上施加豎直方向載荷和彎矩的液壓千斤頂后即可進行機械強度測試［19-20］，而測試平臺底座、導軌底座、冷質支撐及包容管道模型都不需要重復定位安裝，這可為整個測試項目節省較多的人力和時間。

3 結 論

根據真空絕熱冷質支撐的國際驗收要求，針對性地對正常工況載荷下冷質支撐的摩擦性能測試平臺和機械強度測試平臺進行了設計研究。鑒于摩擦性能測試必須符合國際通用標準，在遵循測試基本原理的基礎上，結合試驗場地和測試條件，基于通用摩擦測試標準ASTM D1894-14對冷質支撐摩擦測試平臺進行了整體結構設計，并對平臺中部分結構和工裝進行了優化改進，以保證測試的可行性和科學性；冷質支撐機械強度測試平臺設計因冷質支撐的載荷多樣性而略顯復雜，除了對測試平臺工裝設備的設計、選用進行了深入闡述外，還著重分析了測試平臺的重要部件——彎矩梁的受力情況和選型問題，提出采用10號工字鋼作為彎矩梁的材料。最后，對摩擦性能測試平臺和機械強度測試平臺進行一體化設計，一體化測試平臺大大提高了冷質支撐性能測試的質量和效率，這對于整個ITER 項目而言有較大的工程價值。