CN104075923A - 一种高温高压空心微球充气系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温高压空心微球充气系统，所述充气系统中的气瓶通过手动阀门与高增压单向阀和低增压单向阀相连接，连接端口A通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力，并接有安全阀；高增压单向阀和低增压单向阀的另一端分别与高增压泵和低增压泵的入口相连接，两出口端E、B间通过阀门连接；端口E接有高压爆破保护阀，并通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力。

Description

一种高温高压空心微球充气系统

技术领域

本发明涉及微球充气技术领域，具体涉及一种高温高压空心微球充气系统，充气系统的微球充气时所用的充气温度最高可达900℃高温或充气压力最高可达120MP高压。

背景技术

激光惯性约束聚变（ICF）实验中需要将靶丸内充入高压燃料气体，向靶丸内加载气态燃料一般称为充气。靶丸充气主要有四种方法，即热扩散充气、制球原位充气、注入法充气和充气管充气。热扩散充气是靶丸高压充气最普遍采用的充气方法。热扩散充气法，即微球充气时保持球壳外压力大于球壳内压力的条件下，气体原子（或分子）由压力（浓度）高的地方向压力（浓度）低的地方迁移。如果球壳材料的耐外压能力和对气体的渗透系数足够大，在适当的外加压力的条件下，就可以在预定的时间范围内将球内气压充到所需要的压力。决定热扩散充气的关键参数是气体渗透系数，根据Arrhenius公式，气体渗透系数与温度的关系为：

                                                  ………………………………⑴

式中：

K——气体渗透系数，mol×m^-1×s^-1×Pa^-1；

K ₀ ——不随温度变化的常数，mol×m^-1×s^-1×Pa^-1；

E——气体渗透能，J；

——玻耳兹曼（Boltzman）常数，＝1.38×10^-23，J×K^-1；

T——为热力学温度，K。

 由式（1）知，渗透系数随温度升高而增大。充气时采用高温，气体渗透系数增大，外部气体比较容易扩散到球内；微球保存时，保持室温或低温，气体渗透系数降低，球内气体不容易向外扩散，这样气体在一定的时间范围内得以保藏在球内，这就是热扩散充气的最基本原理。微球充气时为了更有效的将气体充入球内，提高微球充气压力和温度是两种行之有效的重要手段。

靶丸热扩散充气工艺主要包括三个方面：测量球壳的阻气性能、耐外压能力和耐内压能力。球壳的耐外压能力决定着充气过程使用的外压，球壳的耐内压能力决定实验能使用的在该温度下靶丸燃料的最高压力。靶丸耐外压和内压强度测量及靶丸充气均需要靶丸高压充气装置。一套性能满足要求，操作安全可靠的充气装置是靶丸高压充气的硬件保障条件。

在最高可达900℃高温和最高可达120MP高压的充气系统投入使用前，采用的充气系统最高工作压力55 MPa，最高工作温度450℃；随着靶丸制备与充气技术研究开展，对靶丸高压充气和高温充气提出新的需求。测量候选靶丸耐内压强度时，球内压力将可能达到40 MPa～50 MPa。在双壳层靶充气，燃料浸润泡沫靶丸或冷冻靶中，球内初始压力可能超过50 MPa，甚至达到100 MPa。因此，充气系统的充气压力需要超过100 MPa。高温充气主要应用于陶瓷或类陶瓷靶丸充气中，如二氧化硅靶丸充气将可能用到600℃～800℃，点火靶候选靶丸碳化硼、碳化硅等靶丸充气，也可能需要达到900℃。

充气系统设计中主要考虑充气室材料选择和系统操作方便和安全运行，工作压力超过100 MPa，工作温度超过900 ℃，如果在同一充气室内实现，没有材料能满足要求，考虑对高温和高压适当拆分，达到高压要求时，适当降低温度要求；达到高温要求时，适当降低压力要求，即便如此，材料选择也是设计难点之一。在国内外，均有工作压力大于100MPa的高压装置运行，但这些装置都是大型装置，操作和维护人员通常几十甚至上百，维护运行成本也非常高。因而能使用高压可燃气体，安全可靠程度高和耗费人力、物力低，甚至要求在无人职守时也可安全运行的充气装置是设计充气系统的目标。在设计和材料选择上，高压充气室和高温充气室密封面不能采用焊接方式密封，还要考虑相同材料间的“拉着”问题。高压充气室要考虑压力传递，高温充气室要考虑温度传递。

表1　HR120与204和316材料强度比较

高压充气室和高温充气室最主要考虑为充气室壁厚计算。充气室壁厚计算依据筒（管）状压力容器壁厚计算公式：

………………………………………（2）

式中：

d——壁厚，mm；

P——压力，MPa；

D——容器（充气室）内直径，mm；

j——焊接系数，未焊接，j＝1；

——温度T时的强度，MPa；

C——壁厚附加量，等于钢材厚度负偏差加腐蚀厚度，钢材厚度负偏通常忽略，没有腐蚀气体存在，腐蚀厚度量不小于1，在充气室计算时，取C＝2。

另外，取安全系数2.5～3（通常压力容器安全系数1.1～1.5）依据式（2）计算得到的充气室壁厚不到5 mm，高压充气室实际壁厚定为10 mm，高温充气室实际壁厚定为7 mm。

发明内容                                                               

本发明要解决的技术问题是提供了一种高温高压空心微球充气系统。

本发明的高温高压空心微球充气系统，充气系统中的气瓶通过手动阀门与高增压单向阀和低增压单向阀相连接，连接端口A通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力，并接有安全阀。高增压单向阀和低增压单向阀的另一端分别与低增压泵和高增压泵的入口相连接，两出口端E、B之间通过电控阀门连接，用于隔离高增压泵和低增压泵的出口。两出口端E、B均接有高压爆破保护阀，并通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力；端口B还通过一个电控阀门接有一个体积较大的缓冲管，并通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力；端口B通过一个电控阀门后的端口C通过抽真空控制阀门连接到机械泵并接有高压爆破保护阀和高压排气阀；气路中端口A和C之间跨接有电控阀门，其作用是当使用造价较高的高纯气体如氘气时，用于气体的重复使用，每次充气结束后增压泵后级管道内都储存了不少高压气体，直接排掉浪费较大，可通过该阀门再次回放到增压泵前级管道内作为下次充气的气体。同时前级管道需要抽真空时也可通过此阀门抽气；端口C通过一个微调阀门后的出口端D，通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力；端口D通过一个电控阀门后的出口端F，通过充气室开关阀门接入到充气室，通过抽真空控制阀门连接到机械泵，接有高压放气阀和高压爆破保护阀，并通过压力传感器和相匹配的压力仪表测量其压力。

充气室采用高温充气室结构，高温充气室由进气杆、密封螺杆和螺母和样品室组成。充气气体由进气杆的一端引入，另一端设有锥形密封头与样品室的锥形入口配合，通过密封螺杆和螺母的压紧密封。

充气室采用高压充气室结构，高压充气室由进气杆、顶丝及压环、螺母和样品室组成。充气气体由进气杆的一端引入，另一端设有锥形密封头与样品室的锥形入口配合，通过压环和螺母压紧密封。在螺帽压紧后，可通过顶丝压紧压环方式提供额外的密封压力。

本发明的高温高压空心微球充气系统，充气系统中系统的安全运行和防护是必须考虑到的问题，充气的气体可能会用到如氢气等可燃气体，系统运行过程中，最大危险源是高压可燃气体。主要风险包括可燃气体燃烧、爆炸和高压气体驱动下的小部件飞出。主要采用的安全防范措施为：1.控制可燃气体总量和建立可燃气体预警系统和排风系统，实验室和每个独立柜体均有氢气报警器和链锁的紧急排气系统。气瓶放置在独立的气瓶间内，气瓶间设有防爆、卸爆和报警设置。气路上采用分段控制和多个阀门及阻燃阀与气源隔离开。气路系统设计也采用尽可能小的容积。2.充气室超温控制，充气室温度意外升高，容器内气体压力增加，容器承压能力下降，容器有爆裂的危险。充气室最高温度设置集成在由计算机控制的温度控制软件中，确保在操作员设定实验温度时不能超过该温度，在系统运行过程中，任何时候充气室超过该温度，系统将进入紧急处理状态。除此以外，还具有一套与控温系统彼此独立的温度监控系统，这套系统在控温系统温度测量出现意外时，将起到关键作用。系统将自动启动紧急处理措施，包括声光警报、停止加热程序运行、关闭加热电源、自动启动充气室排气阀、启动充气室紧急排风系统和房间排风系统等。可依据报警情况分别进行设定。3.充气室超压控制。除了与温度控制类似的超压设置外，充气室及关键气路上设有安全阀或高压爆破保护阀，系统超压后立刻开启安全阀或高压爆破保护阀爆破片破损进行强制卸压。4.相对独立的功能单元设计结合坚固的物理防护。系统所涉及的气体操作的功能区，如气体增压单元、高压充气室、高温充气室都相对独立设计做成单独的单元，每个单元柜体均采用坚固的物理防护。整个高压充气室与操作间单独分区并通过防弹玻璃进行隔离且便于观察，重要位置设置了CCD探头，可随时远程监控。

所以气瓶的气体需要通过设置有增压、分段控制、气压测量和安全防护等环节的气路系统才能连接到充气室，整个气路系统设有增压泵和真空泵；多个控制阀门、压力传感器和与之匹配的压力仪表、高压爆破保护阀。通过各阀门的控制和各压力仪表的数据指示可实现对充气室的精确高压力控制。并可以对充气室和气路管道的分段、多段或整体抽真空。

高压充气室的技术指标为：设计最大压力：250 MPa，最大工作压力：120MPa，设计最高温度：500℃，最高工作温度：400℃。

高温充气室的设计参数为：设计最大压力：14MPa，最大工作压力：10MPa，设计最高温度：1000℃，最高工作温度：900℃。

本发明的高温高压空心微球充气系统，含有最高可达900℃的高温和最高可达120MP的高压充气室和与之相连接的气路系统，整个充气室置于可精准温度控制的加热炉内，并通过采用增厚型高温优质保温材料和表面强制风冷办法使加热炉内部温度最高可达900℃而外表温度低于60℃，加热炉的设计同时也便于自由拆卸和维护。充气室所充气体由气瓶提供，但通常充气室所需的压力远大于气瓶内气体的压力，需要采用增压环节将压力提高到所要求的值，根据最大增压的压力大小，又使用了高低两种增压泵，以备在不同充气压力的条件下分别使用。增压泵前使用了单向阀门，避免了气体由高压力端向低压力端的回流。

附图说明

图1为本发明的高温高压空心微球充气系统气路连接图；

图2为本发明的高温高压空心微球充气系统高压充气室结构图；

图3为本发明的高温高压空心微球充气系统高温充气室结构图；

图中：1.气瓶    2.手动阀门     3.压力传感器A      4.压力仪表A      5.安全阀     6.低增压单向阀     7.低增压泵     8.高增压单向阀     9.高增压泵     10.电控阀门A      11.压力传感器B    12.高压爆破保护阀A    13.压力仪表B    14.高压爆破保护阀B      15.压力传感器C      16.压力仪表C      17.电控阀门B    18缓冲管     19. 压力传感器D    20.电控阀门C    21.机械泵     22.电控阀门D    23.电控阀门E      24.压力仪表D    25.高压爆破保护阀C      26.高压排气阀A      27.微调阀门     28.压力仪表E      29.压力传感器 E    30.电控阀门 F    31.压力仪表F    32.压力传感器F    33.电控阀门G    34.电控阀门H    35.高压排气阀B    36. 充气室     37.高压爆破保护阀D    38.进气杆（高压充气室）     39.顶丝（高压充气室）     40.螺母（高压充气室）     41.压环（高压充气室）     42.样品室（高压充气室）     43.进气杆（高温充气室）     44.密封螺杆（高温充气室）     45.螺母（高温充气室）     46.样品室（高温充气室）。

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行具体描述。

图1～2中，一种高温高压空心微球充气系统，含有最高可达900℃的高温和最高可达120MP的高压充气室和与之相连接的气路系统。气瓶的气体通过设置有增压和分段控制、气压测量和安全环节的气路系统与充气室相连接，整个气路系统设有增压泵和真空泵；多个控制阀门、压力传感器和与之匹配的压力仪表、高压爆破保护阀。通过各阀门的控制和各压力仪表的数据指示可实现对充气室的精确高压力控制。并可以对充气室和气路管道的分段、多段或整体抽真空。具体连接为：气瓶1通过手动阀门2与高增压单向阀6和低增压单向阀8相连接，连接端口A通过压力传感器3和相匹配的压力仪表4测量其压力，并接有安全阀5。高增压单向阀6和低增压单向阀8的另一端分别与高增压泵7和低增压泵9的入口相连接，两出口端E、B间通过电控阀门10连接；端口E接有高压爆破保护阀14，并通过压力传感器15和相匹配的压力仪表16测量其压力；端口B接有高压爆破保护阀12，并通过压力传感器11和相匹配的压力仪表13测量其压力；端口B还通过电控阀门17接有一个体积较大的缓冲管18，并通过压力传感器19和相匹配的压力仪表24测量其压力；端口B通过电控阀门22后出口端C，通过电控阀门23连接到机械泵21；端口C接有高压爆破保护阀25和高压排气阀26；电控阀门20跨接在气路中端口A和C之间；端口C通过微调阀门27后出口端D，通过压力传感器29和相匹配的压力仪表28测量其压力；端口D通过电控阀门30后出口端F，通过电控阀门33接入到充气室36，通过电控阀门34连接到机械泵21，并接有高压放气阀35；充气室36接有高压爆破保护阀37，并通过压力传感器32和相匹配的压力仪表31测量其压力。

高温充气室由进气杆43、密封螺杆44和螺母45和样品室46组成；充气气体由进气杆43的一端引入，另一端设有锥形密封头43-A与样品室46的梯形入口46-A配合，通过密封螺杆44和螺母45的压紧密封。

充气室36采用高压充气室结构时，高压充气室由进气杆38、顶丝39及压环41、螺母40和样品室42组成。充气气体由进气杆38的一端引入，另一端设有锥形密封头38-A与样品室42的锥形入口42-A配合，通过压环41和螺母40压紧密封。在螺帽压紧后，通过顶丝39压紧压环41方式提供额外的密封压力。

充气系统管道暴露大气或更换工作气体时，都需要对系统管道抽真空，可通过阀门23控制连接到机械泵21抽真空，充气室36每次更换样品后，也需要对充气室抽真空，可通过阀门34和33控制连接到机械泵21抽真空。抽真空完成后，可开始充气实验，首先关闭所有阀门，打开气瓶1和手动阀门2，气瓶压力由压力仪表4指示，由于增压单向阀和增压泵的直通特性，端口B(仪表13指示)和端口A(仪表16指示)的压力和气瓶压力(仪表4指示)一致。打开电控阀门17，让体积较大的缓冲罐18储存一定量的气体，以避免向充气室充气过程中由于气体量不足而使气压产生较大的变化。缓冲罐18的压力由压力仪表24指示。依次开启电控阀门22和微调阀门27（经过微调阀门27后端口D的压力由压力仪表28指示）和电控阀门30和33将气体充入充气室36内（压力由压力仪表31指示），通常充气室所需的压力要高于气瓶内气体的压力，还需要开启增压泵才能使充气室36内的压力达到所要求的数值。启动低增压泵7（需在气瓶打开后打开电控阀门10）或高增压泵9（只能开启其一），B、C、D、F端和充气室36内的压力会相应增加，直到充气室36内的压力达到所需要的数值，关闭增压泵，调整微调阀门27使充气室36内的压力准确和稳定。平衡几分钟后，再按充气的相反顺序依次关闭电控阀门33、30和微调阀门27、电控阀门22（如果使用低增压泵7还需关闭电控阀门10）和手动阀门2和气瓶。充气过程结束。设定加热炉的升温速率和平衡时间等参数后，即可开始加热和恒温。经过预定的工作时间后，通过自然冷却至室温后，开启高压排气阀35和气动阀门33放气至常压即可取出样品。

Claims (6)

1.一种高温高压空心微球充气系统，其特征在于：所述充气系统中的气瓶（1）通过手动阀门（2）与高增压单向阀（6）、低增压单向阀（8）的一端相连接，连接端口A通过压力传感器（3）和相匹配的压力仪表A（4）测量其压力，并接有安全阀（5）；高增压单向阀（6）和低增压单向阀（8）的另一端分别与高增压泵（7）和低增压泵（9）的入口相连接，高增压泵（7）和低增压泵（9）的两出口端E、B间通过阀门（10）连接；端口E接有高压爆破保护阀（14），并通过压力传感器（15）和相匹配的压力仪表（16）测量其压力；端口B接有高压爆破保护阀（12），并通过压力传感器（11）和相匹配的压力仪表（13）测量其压力；端口B还通过阀门（17）接有一个体积较大的缓冲管（18），并通过压力传感器（19）和相匹配的压力仪表（24）测量其压力；端口B通过阀门（22）后出口端C，通过阀门（23）连接到机械泵（21）；端口C接有高压爆破保护阀（25）和高压排气阀（26）；阀门（20）跨接在气路中端口A和C之间；端口C通过阀门（27）后出口端D通过压力传感器（29）和相匹配的压力仪表（28）测量其压力；端口D通过阀门（30）后出口端F通过阀门（33）接入到充气室（36），通过阀门（34）连接到机械泵（21），并接有高压放气阀（35）；充气室（36）接有高压爆破保护阀（37），并通过压力传感器（32）和相匹配的压力仪表（31）测量其压力。

2.根据权利要求1所述的高温高压空心微球充气系统，其特征在于：充气室（36）采用高温充气室结构，高温充气室由进气杆（43）、密封螺杆（44）和螺母（45）和样品室（46）组成；充气气体由进气杆（43）的一端引入，另一端设有锥形密封头（43-A）与样品室（46）的梯形入口（46-A）配合，通过密封螺杆（44）和螺母（45）的压紧密封。

3.根据权利要求1所述的高温高压空心微球充气系统，其特征在于：充气室（36）采用高压充气室结构，高压充气室由进气杆（38）、顶丝（39）及压环（41）、螺母（40）和样品室（42）组成；充气气体由进气杆（38）的一端引入，另一端设有锥形密封头（38-A）与样品室（42）的锥形入口（42-A）配合，通过压环（41）和螺母（40）压紧密封，顶丝（39）压紧在压环（41）上提供额外的密封压力。

4.根据权利要求2所述的高温高压空心微球充气系统，其特征在于：高温充气室的工作压力为：0～10MPa，工作温度为：室温～900℃。

5.根据权利要求3所述的高温高压空心微球充气系统，其特征在于：高压充气室的工作压力为:0～120MPa，工作温度为：室温～400℃。

6.根据权利要求1所述的高温高压空心微球充气系统，其特征在于：充气室（36）主体材料采用型号HR120的钢材。