EAST 纵场线圈盒坯件结构及总体要求

超导纵场磁体结构总体设计

EAST 装置将用来有效地开展稳态、安全、高效的托卡马克核聚变反应堆基础物理问题的实验研究。作为装置中最重要部件之一的超导纵场磁体结构系统，其作用是产生稳态的主约束磁场来约束高温等离子体。超导纵场磁体系统是由十六个 D 型线圈沿环向排列而成的环体，线圈之间靠线圈盒两个楔形面楔形挤紧，形成前后拱以抵抗来自极向场的垂直磁场和纵场本身电流产生的强大的电动力。

超导纵场磁体线圈盒结构设计

纵场线圈盒采用强度焊和密封焊两种形式。其支撑方式为：以纵场线圈盒直线段处相互挤紧的方式形成内拱来承受纵场磁体系统的强大向心力；以线圈盒外侧圆弧段之间的上下环向楔状结构中的键销结构来抵抗由倾覆力矩带来的剪切力。纵场线圈盒作为极向场系统（含中心螺管部分）的支撑基础，因此纵场线圈盒及其外侧环向楔状支撑设计为筋板加强式箱式结构。为了阻隔在纵场线圈结构系统的大环方向形成的涡流，在纵场结构设计中在线圈盒的直线段挤紧部位和其环向楔状支撑之间加设绝缘隔缝。纵场线圈的垂直高度为 4米而径向宽度为 2.644米以及环向宽度为0.3474米，其线圈盒是采用低温下高强度的不锈钢 316LN板材焊接而成，板材的厚度是不相等的，其中直线段外环侧板的壁厚为 63.3mm，线圈盒的两边侧板的厚度为 30mm，内环板的厚度为 25mm。为了加强线圈盒的冷却，在线圈盒的外表面上开凿了 14 条冷却槽，并钎焊上截面尺寸为 22mm ×8mm 的 316LN 冷却扁管。

超导纵场磁体结构所受电动力分布

纵场磁体系统中每个 D 型线圈将通以 14.4077KA 电流时，将在大半径 R=1.7米处产生中心场强为 3.5T 。 同时该系统中每个纵场线圈在其自场作用下将受到 989.366 吨的向心力（指向大环中心）。此外每个纵场线圈所受垂直于赤道面的张力（一半）为 701.375 吨。

当纵场线圈将通以 14.4077KA 的运行电流，由极向场和等离子环所建立的磁场而引起的面外电动力对纵场磁体作用产生倾覆力矩，在极向场系统的超导磁体在装置实验过程中的放电波形区间为从 0.0s开始励磁 17.64s 放电结束这段期间内 t=13.64 s 时刻为最大，其值分别为 288.3098吨 · 米 。

超导纵场磁体结构所受应力分布

整个纵场超导磁体在正常运行时都将承担面内和面外的电动荷载，需进一步分析其应力分布情况，为此建立起 1/16 纵场磁体系统的三维有限元分析模型，在模型中可认为纵场线圈盒与绕组是完全的粘结耦合，这就意味着绕组上所受的各种电动力可以有效地传递给高强度的盒体，而绕组与盒体之间不考虑摩擦效应。有限元模型的约束情况为：线圈直线段楔形面的法线方向约束来模拟楔形挤紧。考虑极向场对纵场线圈的运行电流的作用而产生的倾覆力矩和由纵场线圈本身不同的运行电流带来的向心力来作为载荷条件。经计算，最大冯 · 米塞斯应力为 349.5MPa, 出现在该模型的三段弧中最小弧段的中部。

超导纵场磁体结构所受应力分布 纵场超导磁体系统是由盒体、绕组以及极向场线圈支撑座、重力支撑座、环向支撑和各种管道进出口与接头箱等几部分构成，其中环向支撑结构（即大楔块结构）是由若干个各种规格的 316LN板材焊接而成，大楔块联结端面是沿绕制方向60mm厚的前端面板，并在该面板上利用螺栓与另一个 1/16段纵场线圈结构连接，并加八对抗剪键来承担由极向场引起的倾覆力矩。经计算可知，在倾覆力矩作用下（中心场强为 3.5T），纵场线圈与环向支撑结构交接处产生最大冯·米塞斯应力（如左图红点处），其值为 148.22MPa，而大楔块的前端面板上的最大冯·米塞斯应力（如右图红点处）为 5.623MPa 。

纵场线圈盒盒体结构设计

纵场线圈盒盒体结构设计的技术要求

一、结构方式：

1. 纵场线圈盒是辊轧钢板弯曲或剪裁成毛坯再组合焊接成初步形状，经机械加工后达到要求的形状和尺寸。

2. 盒体所用材料为超低碳奥氏体不锈钢 316LN 。

3. 盒体的内环、外环、侧板均为几段弧用对焊焊接成一体，焊缝要尽可能少。

4. 内环、外环先和一侧板角焊成槽形盒体。

5. 在盒体内、外环 , 侧板上分布有埋管式冷却回路，即把 8×22 的扁管敷设在已加工好的凹槽内，采用低温钎焊与盒体焊接。

6. 并把组焊好的楔块构件安装在侧板既定位置，在整体形状符合要求后和侧板焊接成整体，在纵场盒体侧板上共有俩处楔块。

7. 极向场的支撑结构在盒体焊接成型后 , 定位焊接连接上。

8.待楔块和附着在盒体上各焊接结构全部焊接完后对 D 形槽进行精加工和支撑结构配合面加工。

纵场线圈盒盒体结构设计的技术要求

二、焊接质量控制

(一 ) 熔化焊：

1. 焊接采用电弧焊，焊材为 SANDVIK25.22.2.LMnB, 多道焊接。

2. 焊接熔合区和热影响区材料性能不得退化，其主要机械性能要求为在室温下：屈服强度大于 280MPa；抗张强度大于 550MPa；延伸率大于35%；（ 4K下：屈服强度 1000MPa，抗张强度 1500MPa，冲击断裂韧性大于 200MPa，脉冲 30000次）。

3. 焊接时应保持焊接区材料的化学成分和母体材料相同，特别提出的是C含量小于 0.03%， N 含量为 0.12-0.22%。

4. 焊接允许的变形量：弯曲 <0.001cm/cm ，扭转 <0.0002 度 /cm ，线圈盒体整体上变形造成的加工余量不超过 3mm 。

5. 焊接时应尽量控制产生的热应力，在焊接后要通过敲击、震动时效等方式消除残余应力。

6. 焊缝的质量要求，如微裂纹，气泡，缺陷等应符合国家标准。

纵场线圈盒盒体结构设计的技术要求

二、焊接质量控制

( 二）低温钎焊：

1. 管路敷设须平整，钎料应附着均匀；

2. 钎焊焊接面钎着率须超过 80%；

3. 外环直线段部分外表面将作为安装基准，因此须留有机加工余量，为此，除熔化焊时控制住变形外，还必须保有一定的管埋深度，以保证加工时不碰伤管壁；

4.低温钎焊后还需焊接楔块、极向场支撑和重力支撑结构，因此，焊接时还须注意应能确保钎焊缝状态不变；

5. 后续环氧浇注工序固化温度约 150 度 , 因此钎焊材熔点不低于 150 度；

6.低温冷却管工作时将通以 4K的超临界氦，因此钎焊材料超低温性能必须良好；

7.低温钎焊必须经充分实验后形成工艺规范，施工中将严格执行规范以确保低温钎焊质量。

纵场线圈盒盒体结构设计的技术要求

三、焊工的考核和焊缝的检查诊断

1. 焊工必须持证上岗，考核的焊件要进行晶相分析和强度试验，结果符合要求者方可持证。

2. 焊缝需进行物理检查和探伤，按照GB3323二级标准检验。

3. 对接焊缝须经 X 光透视，角焊缝经试验后按照一定工艺规程确实能达到要求，允许采取分层着色检验，对于板厚超 30mm 的对接焊缝允许焊道累积厚度超过 30mm 时进行 X 光透视，以后焊道允许采取分层着色检验。

纵场线圈盒盒体结构设计的技术要求

四、机械加工

1. 成形加工： 1 ）盒体内外环板可分段滚压成形再组合对接焊成整环，侧板可分段剪裁再组合对接焊成整环，分段时注意焊缝尽量避开高应力区，环板、侧板的对接焊缝应尽量错开。 2 ）在盒体外侧面和内外环面开冷却槽，内环内侧、外环外侧冷却槽也可在直板时开通然后逐段成形，仔细对焊。 3 ）冷却槽应机加工成形，个别部位允许修整。

2.敷埋冷却管：盒体内环敷埋冷却管可在盒体坯件加工完成后再焊，外环和侧板上的冷却管必须在盒体与极向场支撑和楔块组焊前敷埋完毕。

3. 在相应位置上焊接固定楔块，在外环相应位置上焊接环体重力支撑平台和极向场支撑结构。为避开冷却管允许某些焊缝采用断续焊。

4.适时校形和消除热应力、严格按照工艺规范检验焊缝质量。

5. 焊接时一定要控制好各关键部位以保证工件有合格的形位和尺寸精度特别是要保证楔形面和盒体的 D 形槽以及安装基准能精确加工到设计要求。

纵场线圈盒盖板结构设计

纵场线圈盒盖板结构设计的技术要求

一、线圈盒盖板为线圈盒一侧板并在其上附有上下两楔块，侧板和楔块上均埋设有冷却管路。

二、线圈盒盖板的成形和焊接技术要求与槽形盒体加工技术要求相同。

三、线圈盒盖板的检验项目与要求与槽形盒体加工技术要求相同：1 ）焊缝质量、应力消除、变形校正、表面质量等应符合要求； 2 ）坯件的尺寸和形位公差应符合要求； 3 ）坯件应附带有检验合格证书。

四、机械加工： 1 ）机械加工分初加工和精加工，经初步机械加工后，开外侧面冷却槽并封焊冷却管，然后在盒体外侧相应位置上焊接固定楔块； 2 ）经校形和消除热应力、焊缝质量检验合格后进行精加工各个须加工的型面以及侧板上与槽形型面配合的止口并加工焊接剖口，楔块外侧面须留一定的加工余量以补偿封焊变形，并在装配前对 22.5 度角楔形俩侧面作最后精加工。楔块上的键槽、螺孔的形、位均于槽形盒体上的一一对应，其加工可参照槽形盒体楔块上的键槽、螺孔的加工要求进行。

纵场线圈盒盖板结构设计的技术要求

五、焊接： 1 ）侧板和楔块均为剪裁板材拼焊而成，焊接皆为对焊或角焊，主要是强度焊； 2 ）楔块和侧板焊接时，侧板和筋板之间的焊接应采取断续焊以避开冷却槽； 3 ）侧板上矩形冷却管埋在冷却槽中并采用低温钎焊使冷却管固定在槽内、低温钎焊料应填满管槽之间，以保证冷却管和主体侧板之间有良好热接触，矩形冷却管规格为 22.5mm×8mm×1.5mm； 4 ）楔块上铺设的圆形冷却管半埋在冷却槽中并采用低温钎焊使冷却管固定在槽内、低温钎焊料应填满管槽之间，以保证冷却管和主体侧板之间有良好热接触，圆形冷却管规格为直径 18mm且壁厚为 1.5mm 。

六、检漏： 1 ）用机械或通气方法检查冷却通道，不得堵塞；2 ）冷却通道须逐一打压和检查氦漏率，压力 5MPa, 漏率小于 1.33x10Pa.m

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