EAST偏滤器主传热系统法兰结构分析与设计.pdf

第5期（总第2 40 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O MA T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 413(2 0 2 3)0 5-0 10 6-0 4EAST偏滤器主传热系统法兰结构分析与设计魏伟，曹吉胤（武汉工程大学，湖北武汉43 0 0 0 0）摘要：首次提出了满足EAST装置运行需求的法兰设计方案，利用ANSYS有限元软件对法兰在高温氮气烘烤和高压水冷耦合运行工况下的密封结构特性进行了评估验证，得到了设计法兰可以在EAST装置工况下安全稳定运行的结论。关键词：偏滤器；EAST；法兰；主传热系统中图分类号：TP391.7文献标识码：A0引言EAST先进实验超导托卡马克装置是我国自主设计、建造并成功投入实验运行的世界首台全超导托卡马克1，能够运行大拉长比的非圆截面高约束的等离子体2 。EAST取得的物理实验成绩与偏滤器有着直接关系3 ，偏滤器主要作用是排除等离子运行时所产生的热和灰尘4.5。偏滤器主传热系统的主要功能是为偏滤器系统提供特定压力和流量的冷却水，将在等离子体运行过程中沉积在偏滤器上面的热负荷转移到散热系统；同时，在烘烤模式下为偏滤器提供高温氮气进行高温烘烤，以满足托卡马克等离子体放电所需要的条件6。为了进一步提高EAST长脉冲等离子体运行参数，2 0 2 1年对EAST装置进行了重大性能提升，其下偏滤器从石墨升级为钨铜材料；同时，对偏滤器主传热系统也进行了重大性能提升。在偏滤器主传热系统性能提升前，系统中所使用的法兰是以云母为垫片的法兰，该结构在之前的EAST运行过程中经过高温烘烤后密封性大大降低，导致管道经常发生漏水事故，已经严重影响到了EAST实验的安全稳定运行。经过性能提升后的偏滤器主传热系统运行压力要求为3 MPa，该运行压力远高于之前0.5MPa的冷却水运行压力。现有法兰已经不能满足系统的运行要求，因此需要设计一种新的法兰以满足现有高温高压系统的稳定可靠运行。1法兰设计1.1设计要求根据偏滤器主传热系统的运行要求，该法兰需要在两种工况下稳定运行：水冷工况，运行温度为2 5，运行压力为3 MPa；烘烤工况，运行温度为3 0 0，运行压力为0.15MPa。同时，该法兰也需满足易于快速拆装维护的要求。收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 2；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 9作者简介：魏伟（1998-），男，安徽合肥人，在读硕士研究生，研究方向：EAST绝缘部件设计分析。1.2设计方案根据系统的设计要求，为了便于拆装维护，设计的法兰结构示意图如图1所示，主要由法兰盘、螺栓和绝缘垫片组成。法兰盘主要用于连接系统DN80支管，材料为3 0 4不锈钢，其上设计有8 个螺栓孔，螺纹孔中心圆直径d=142.5mm，内径d88mm。法兰盘下方设计有三道凹槽以增大法兰盘与垫片之间的摩擦力，减小泄漏率。螺栓型号选用M16，总体高度为89.25mm，螺栓联接由螺栓、螺母、3 0 4平垫、云母平垫和云母套管组成。云母平垫外径为15mm，内径为8.5mm。云母套管包裹在螺柱外，厚度为0.6 5mm。密封垫片材料为XB350石棉橡胶垫，外径为7 1.2 5mm，内径为44mm，厚度为5mm。该法兰所包含的材料属性如表1所示。M16螺栓304平垫云母平垫云母套管云母平垫304平垫2密封效果分析计算2.1模型网格划分与边界条件设置利用ANSYS有限元计算软件的Mechanical模块对法兰的密封特性进行分析计算。模型中使用的单元类型为2 0 节点的Solid186和10 节点Solid187结构单元。对于法兰盘下表面凹槽处，切分后采用2 mm142.588图1法兰结构示意图突面法兰密封垫片2023年第5期的四面体网格，垫片处使用1mm的六面体网格，其余部分采用扫掠法划分为六面体网格，这样计算结果更为精确。经过划分后的法兰有限元分析计算网格模型如图2 所示。表1材料属性密度弹性模量材料泊松比(g/cm)(MPa)304不锈钢7.85云母3XB350石棉橡胶2魏伟，等：EAST偏滤器主传热系统法兰结构分析与设计热膨胀系数(-1)2X1050.315001912107兰盘变形量均在1mm以下，相较于整体长度变形量低于1%，可忽略不计。石棉橡胶受热膨胀较为严重，但其回弹率较高，可达到50%，在烘烤结束后橡胶垫片可自行恢复，故在偏滤器升级后的高温工况下可选用石棉橡胶垫片作为管道密封件。B：稳态热温度类型：温度1.2210-5单位：时间：3 6 0 02.2X10-52022/1/615:570.471.5X10-5313:39最大88最小0.0 0 0图3 烘烤状态下法兰的温度分布云图C:Static.StructuralEquivalentStress.Type:Equivalent(von-Mises)Stress.Unit:MPaTime2023/67820:18100002Max0.00200.00(mm)50.00150.00图2 法兰网格划分模型根据设计要求，两种设计工况下的边界条件和模拟计算过程为：（1）烘烤工况：管道内的流动介质为3 0 0 的高温氮气，压力为0.15MPa。在ANSYS软件中将管道内热源温度设置为3 0 0，压力设置为0.15MPa。8根螺栓添加相同的预紧力，再将温度场计算结果导入静力学结构分析即可得到烘烤工况下的热力耦合分析结果。（2）水冷工况：管道内的流动介质为纯水，温度为20，压力为3 MPa，螺栓预紧力与烘烤工况相同，仅对热源温度和压力进行设置，就可得到正常运行时法兰管系统的应力分析结果，从而评判该法兰管系统的密封性。单个螺栓预紧力计算式为：其中：n为法兰盘上的螺孔数，取值为8;D。、D 1分别为垫片的有效内径和外径，其值分别是9 0.5mm和138.5mm；Y 为预紧比压,Y=23MPa。将相关数值代人式（1)计算得出螺栓预紧力为2 449 6 N。2.2法兰结构仿真分析结果2.2.1烘烤工况图3 为法兰在烘烤工况下的温度分布云图。在300氮气烘烤工况下，管道及法兰盘均达到了烘烤温度。云母和石棉橡胶导热性较差，石棉橡胶垫片温度为7 8.47 4，云母垫片的温度为13 0.6 6。将法兰传热分析计算结果导入应力场继续分析。经过分析计算，烘烤工况下法兰整体应力变形云图如图4所示。由图4可知：管道壁面应力和法兰盘表面应力在0 51MPa之间，小于该温度下3 0 4不锈钢的许用应力442.14MPa。部分局部应力超过许用应力是因为其位于设定的边界处，该处应力变化对应力评估没有影响；3 0 0 氮气烘烤2 0 min后螺杆与法0.1000.0500.150Maxo4i621Min(a）应力云图C:Statig.StructuralTotalDeformation 3Type:TotalDeformationunitimmTime;12023/6/820:18.2079Max099500000038.63318.63897Min(1)图4烘烤工况下法兰整体应力和变形云图图5为烘烤工况下密封垫片应力和变形云图。石棉橡胶垫片在烘烤过程中受热膨胀，被挤压进法兰盘中的缝隙。故变形云图中有几处明显的变形，变形量在2.4mm。根据石棉橡胶的回弹率50%以及垫片厚度为5mm，可知在烘烤结束后垫片可以恢复。整体变化趋势符合实际情况。2.2.2水冷工况图6 为水冷工况下法兰应力和变形云图。由仿真模拟的结果可知，整个管道以及法兰盘外边缘处应力分布较为均匀。相较于烘烤状况下，管道没有受热膨胀，螺栓对法兰盘的挤压比较小，从而使得整个系统外壁面应力相对较低。外壁面应力数值在10 0 MPa以下，低于该材料在对应温度下的许用应力。应力最大处在所设边界处，此处是给定的边界条件，故应力偏大不影响整体结果。水冷工况下垫片的应力变形云图如图7 所示。由0.200(m)0.00150.0075.00Max0.00(b）变形云图Z150.0075.00108图7(a)可知：水冷工况下垫片应力分布与烘烤工况下大致相同，均为环状分布；垫片最内侧处于纯水中不受到法兰面的直接挤压，且内侧所承受的螺栓预紧力与液体介质的流动压力相互抵消，故该处的应力较小，其值为2.57 MPa，接近于水的内压；应力最大处位于螺栓预紧位置处，其值为6 0.8 0 MPa，低于其许用应力70 MPa。C:Static StructurallentStress2022/1/1222:112i2i2ic78e7最大e4i2i4i862e688441e5最小C:Static StructuralTotal Deformation2类型：总变形单：m时间：12022/1/1222:120.8024123最大0.88235998828688100000808885998540.8882965Y613097小图5烘烤工况下密封垫片的应力和变形云图B:Static StructuralEquivalentStress7Type:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:!2023/6/820:39Max0634186266687MinC:Static_StructuralTotalDeformation4.Type:TotalDeformationunitimm2023/7/169:36Timel1,2026Max131105969880808.7026355897图6 水冷工况下法兰的应力和变形云图垫片变形与应力分布大致相同，应力最大的位置变形量相对较大，水冷工况下没有受热膨胀，垫片变形量为0.0 3 12 5mm，相对于整个环形垫片内、外径差机械工程与自动化27.25mm，只有0.11%的变形量，对于垫片整体密封性能影响不大。外端垫片直接暴露在空气中，变形量很小，无需考虑其对密封性能的影响。C:Static StructuralEquivalent Stress2类型：等效（Von-Mises）应力单位：Pa时间：12022/1/1222:180804g7最大648e72686e5最小C:Static StructuralTotal Deformation20.100(m)类型：总变形0.075时间：1（a）垫片应力云图2022/1/1222:183.1254e-5最大4338e-0880-52e506e-e78e-3.6898031746-7最小图7 水冷工况下密封垫片的应力和变形云图3法兰泄漏率分析0.950.0.100(m)0.075（b）垫片变形云图0.0050.00(a）应力云图0.0050.00(b)变形云图2023年第5期0.600.0.100(m)0.0250.075（a）垫片应力云图0.0009.0500.0250.075（b）垫片变形云图目前较常见的泄漏率模型有平行平板模型、平行圆板模型以及多孔介质模型等。本文研究的石棉橡胶垫片为多孔介质，故采用多孔介质模型。本文根据文献7 中泄漏率的公式来计算垫片在两种工况下的泄漏率：L=ALpTMiSNL.其中：AL、ML、NL 均为回归系数，AL=1.210-3，M=0.401,NL=0.670；P为管道内介质的内压；Sc为作用在垫片上的应力；T为该工况的温度，可以从前面分析的结果中得出。由式(2)可以看出泄漏率的自变量有温度、垫片应力、介质的内压。温度和内压由运行工况决定，不能改变，故通过改变垫片应力探究垫片泄漏率的变化状况。垫片应力可在改变预紧力分析计算后求解得出。图8 为计算得到的冷却、烘烤工况下法兰的泄漏率随螺栓预紧力的变化曲线。由图8 可知：冷却工况下法兰的泄漏率普遍低于烘烤工况下的泄漏率。这是因为密封垫片在烘烤时变形量较大，密封性能降低，随着螺栓预紧力的加大，泄漏率最后会趋近于一个定值。由图8 可以看出，在螺栓预紧力2 449 8 N下法兰的泄漏率已降低至0.12 X10-3g/cm。4结论本文首先提出了满足EAST装置运行需求的法兰设计方案，利用ANSYS有限元软件对法兰在高温氮气烘烤和高压水冷耦合运行工况下的密封结构特性进行了评估验证。通过建立高温高压工况下EAST偏滤器法兰泄漏率计算模型，研究了两种工况下螺栓预紧力与泄漏率的关系，验证了在螺栓预紧力为24498N时，EAST偏滤器法兰能够满足偏滤器运行.0.100(m)(2)2023年第5期所要求的泄漏率。0.000450.000400.000350.000300.3)/率忆0.000250.000200.000150.000100.000055图：两种工况下法兰泄漏率随螺栓预紧力变化曲线Analysis and Design of Flange Structure ofMain Heat Transfer System of EAST Divertor(Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430000,China)Abstract:In this paper,a flange design scheme meeting the operation requirements of EAST device is proposed for the first time.The sealing structure characteristics of the flange under the coupling operation conditions of high-temperature nitrogen baking andhigh-pressure water cooling are evaluated and verified in the ANSYS finite element software.It is concluded that the design flangecan operate safely and stably under the working condition of EAST device.Keywords:divertor;EAST;flange;main heat transfer system(上接第10 5页）支撑底座的前6 阶固有频率范围为12 7.42 Hz566.61Hz，所选用的举升电机的额定频率为50 Hz，远离结构的固有频率，在举升机构工作过程中，不会引起共振的发生，工作过程稳定，满足设计指标需求。4结论本文以某举升机构的支撑底座为研究对象，通过建立三维模型，并采用ANSYS软件对三维模型进行了实际工况下的静力学分析和模态分析。通过静力学分析得知支撑底座在外加载荷作用下的结构强度和刚度均满足设计要求，同时发现支撑底座上的平衡支撑杆安装处强度过大，在后期设计中可以适当对此处做轻量化优化；通过对支撑底座进行预应力条件下的模态分析，得到了前6 阶结构的固有频率和振型。根据Analysis of Static and Dynamic Characteristics of Support(CSIC Haiwei Zhengzhou High-Tech Co.,Ltd.,Zhengzhou 450o00,China)Abstract:Based on the support base of a lifting mechanism as the analysis object,the 3D software was used to carry out the solid 3Dmodeling,and the finite element analysis of the support base under the prestress state was carried out through ANSYS to explore thestatic and dynamic characteristics of the support base under the actual working conditions.Accorded to the static analysis,thestrength of the support base met the requirements of the material selection design.At the same time,combined with the strainnephogram,it was found that the structural strain was very small and met the actual deformation requirements.Finally,accorded tothe stress condition of the structure,the modal analysis of the support base under the pre-stressed condition was carried out,it wasfound that the resonance of the whole structure would not occur basically,which provided a basis for selecting the appropriate drivemotor.Keywords:support chassis;static analysis;modal analysis机械工程与自动化参考文献：1万宝年，徐国盛.EAST全超导托卡马克高约束稳态运行实验研究进展J.中国科学：物理学力学天文学，2 0 19，49(4):47-59.烘烤2叶华龙.浅析EAST托卡马克及中国核聚变相关研究J.科技与创新，2 0 2 1（12）：92-93.3皆鹏飞.EAST下偏滤器结构优化设计与关键技术研究水冷D.合肥：中国科学技术大学，2 0 18：4-5.4张弘.等离子体边界层物理特性数值研究D.大连：大连理工大学，2 0 11:2-4.5李建刚.磁约束装置等离子体与壁的相互作用R.合肥：中国科学院等离子体物理研究所，2 0 0 5：1-2.6桑超峰，周庆瑞，王真厚，等.托卡马克钨偏滤器基本物理1015螺栓预紧力/kNBase Under Prestressed ConditionHAO Deng-yun,ZHANG He,YIN En-hua109202530WEI Wei,CAO Ji-yin参考。参考文献：1聂毓琴，孟广伟.材料力学M.北京：机械工业出版社，2007.2张朝辉.ANSYS8.0结构分析及实例详解M.北京：机械工业出版社，2 0 0 6.3张贺.基于ANSYSWorkbench的全向运输车体框架仿真分析J.机械工程与自动化，2 0 2 1（3）：92-94.4管迪华.模态分析技术M.北京：清华大学出版社，1996.5郑传得，姜铭.基于ANSYSWorkbench的滚珠丝杆模态分析.机械工程与自动化，2 0 16（5）：10 4-10 6.问题J.南昌大学学报（理科版），2 0 2 2，46（3）：2 7 7-2 94.7顾伯勤，陈哗.高温螺栓法兰连接的紧密性评价方法J.润滑与密封，2 0 0 6（6)：3 9-41,44.模态分析结果，发现选用电机不会引起支撑底座共振情况的发生，为后期对整体结构进行模态分析提供了