CN110029298A - Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统及控制与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Nb3Sn磁体线圈热处理气氛保护系统及控制与检测方法。控制方法包括以下步骤:①保护腔初始气体置换,要求一级保护腔气体氧含量、水含量低于10ppm,C、H含量低于1ppm;要求二级保护腔气体氧含量、水含量低于10ppm;要求三级保护腔气体氧含量、水含量低于30ppm。②热处理升温期间,持续向保护腔内通入氩气,杂质气体含量要求与一阶段相同;③交替检测四条排气管路杂质气体含量,当杂质含量超标,则增大氩气进气流量。本发明优点在于,系统安全可靠,操作方法简单,可以有效控制保护腔内的杂质气体含量,避免线圈氧化,提高磁体线圈的超导性能。
Description
技术领域
本发明涉及大型Nb3Sn CICC超导线圈热处理技术领域,特别涉及到线圈热处理气氛保护系统,保护腔气体置换与杂质气体含量超标控制方法,多级保护腔杂质气体独立交替检测方法。
背景技术
避免Nb3Sn CICC超导线圈内部超导线氧化和导体外部铠甲氧化是热处理取得成功的关键要求。热处理期间,若导体内部超导线氧化将引起超导磁体性能退化甚至不超导,若线圈外部不锈钢铠甲氧化将影响线圈后期绝缘。为了避免线圈热处理氧化目前有两种方法,一种是真空热处理,一种是气氛保护热处理。真空热处理炉造价昂贵,对于大型磁体线圈热处理,真空热处理更不具备经济效益。采用气保护热处理将大大降低超导线圈热处理的经济成本。另外超导线材在热处理过程中会产生O2、H2O和有机物等杂质,需要通入保护气体带走这些杂质;在热处理过程中为了防止导体外壳氧化,因此需要将线圈放置于一个保护腔下进行热处理。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷,提供一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统及控制与检测方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:
一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,包括有三级保护系统、进气管路系统、排气管路系统、冷却系统和气氛检测系统,所述的三级保护系统包括有一级保护腔、二级保护腔和三级保护腔,其中一级保护腔位于二级保护腔内部,二级保护腔位于三级保护腔内部,所述的进气管路系统包括有六条进气管路,在第一进气管路上设有第一截止阀,在其余五条进气管路上分别依次设有第二截止阀和减压器,在第三进气管路、第四进气管路、第五进气管路和第六进气管路上还分别设有质量流量计,第一进气管路和第二进气管路的进气口均连接液氩罐的出气口,第二进气管路的出气口分别与第三进气管路、第四进气管路、第五进气管路和第六进气管路的进气口连接,第三进气管路和第四进气管路的出气口与所述的一级保护腔连接,第五进气管路的出气口与所述的二级保护腔连接,第六进气管路的出气口与所述的三级保护腔连接;所述的排气管路系统包括有四条排气管路,在每条排气管路上分别依次设有所述的冷却系统、温度变送器、第一压力变送器和第三截止阀,在所述的二级保护腔和三级保护腔上还分别设有第二压力变送器和第三压力变送器,第一排气管路和第二排气管路均与一级保护腔连接,第三排气管路与二级保护腔连接,第四排气管路与三级保护腔连接,每条排气管路的出口均引出室外,在每条排气管路上均设有一条样气支路,在每条样气支路上均设有第四截止阀,四条样气支路与所述的第一进气管路汇于同一条检测支路,所述的气氛检测系统包括有氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪,所述的氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪均与所述的检测支路连接,在氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪的前端还分别设有第五截止阀。
所述的一级保护腔是由Nb3Sn线圈本体构成的;第三进气管路和第四进气管路分别从Nb3Sn线圈的上、下端子进气,第一排气管路和第二排气管路分别从Nb3Sn线圈上层侧端与Nb3Sn线圈下层侧端出气。
所述的二级保护腔是由不锈钢薄板构成的与磁体形状一致的环形空间。
所述的三级保护腔为马弗罐。
所述的冷却系统包括有水槽,在水槽内设有冷却水,所述的四条排气管路弯成盘管浸入冷却水中。
一种Nb3Sn线圈热处理气氛控制与检测方法,包括以下步骤:
a首先检测液氩罐内氩气纯度、氧含量、水含量、碳氢含量均小于1ppm;
b进行保护腔内初始气体置换,初始状态为一级保护腔内气体氧含量低于10ppm,水含量低于10ppm,C、H含量均低于1ppm;二级保护腔气体氧含量低于10ppm,水含量低于10ppm;三级保护腔气体氧含量低于30ppm,水含量低于30ppm;初始气体置换期间,一级保护腔的进气流量为25-100L/min,二级保护腔的进气流量为45-150L/min,三级保护腔进气流量为50-250L/min;
c二级保护腔的压力控制在2至15KPa内,三级保护腔的压力控制在1-15KPa内;
d在热处理升温期间,一级保护腔的进气流量控制在5-80L/min,二级保护腔的进气流量控制在10-110L/min,三级保护腔进气流量控制在20-200L/min;
e排气管路温度低于60℃,当温度高于60℃需要重新置冷却系统中的冷却水;
f在热处理升温期间,不间断向保护腔内通入氩气,杂质气体含量要求与步骤b阶段相同;
g检测一级保护腔杂质气体含量,当氧含量高于10ppm或水含量高于10ppm或碳、氢含量高于1ppm时,则认定一级保护腔杂质气体含量超标;
h检测二级保护腔杂质气体含量,当氧含量高于10ppm或水含量高于10ppm时,则认定二级保护腔杂质气体含量超标;
i检测三级保护腔杂质气体含量,当氧含量高于30ppm或水含量高于30ppm时,则认定三级保护腔杂质气体含量超标;
j杂质气体含量检测,独立交替检测四条排气管路杂质气体含量,当腔内杂质气体含量超标,则增大氩气进气流量;
k热处理期间需要不间断向保护腔内通入氩气,直至热处理结束线圈温度降至室温为止。
当保护腔内杂质气体含量均满足步骤b阶段要求时,才能进行热处理升温。
在交替独立检测管路样气时需要等待氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪数值稳定后再能判定保护腔内杂质气体含量。
四条独立样气管路需要间隔2小时检测一次。
每次各路样气检测结束后需要对线圈样气管路汇成一路进行实时检测。
本发明的优点是:本发明热处理气氛保护系统安全可靠,操作方法简单。采用的多级气氛保护腔结构可以有效控制线圈的杂质气体含量,避免线圈氧化,提高磁体线圈的超导性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示,一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,包括有三级保护系统、进气管路系统、排气管路系统、冷却系统21和气氛检测系统,所述的三级保护系统包括有一级保护腔19、二级保护腔18和三级保护腔17,其中一级保护腔19位于二级保护腔18内部,二级保护腔18位于三级保护腔17内部,所述的进气管路系统包括有六条进气管路(L1、L2、L3、L4、L5、L6),在第一进气管路L1上设有第一截止阀34,在其余五条进气管路上分别依次设有第二截止阀(2、4、7、10、13)和减压器(3、5、8、11、14),在第三进气管路L3、第四进气管路L4、第五进气管路L5和第六进气管路L6上还分别设有质量流量计(6、9、12、15),第一进气管路L1和第二进气管路L2的进气口均连接液氩罐1的出气口,第二进气管路L2的出气口分别与第三进气管路L3、第四进气管路L4、第五进气管路L5和第六进气管路L6的进气口连接,第三进气管路L3和第四进气管路L4的出气口与所述的一级保护腔19连接,第五进气管路L5的出气口与所述的二级保护腔18连接,第六进气管路L6的出气口与所述的三级保护腔17连接;所述的排气管路系统包括有四条排气管路(L7、L8、L9、L10),在每条排气管路上分别依次设有所述的冷却系统21、温度变送器(28、26、24、22)、第一压力变送器(29、27、25、23)和第三截止阀(41、42、43、44),在所述的二级保护腔18和三级保护腔17上还分别设有第二压力变送器20和第三压力变送器16,第一排气管路L7和第二排气管路L8均与一级保护腔19连接,第三排气管路L9与二级保护腔18连接,第四排气管路L10与三级保护腔17连接,每条排气管路的出口均引出室外,在每条排气管路上均设有一条样气支路(L11、L12、L13、L14),在每条样气支路上均设有第四截止阀(30、31、32、33),四条样气支路(L11、L12、L13、L14)与所述的第一进气管路L1汇于同一条检测支路L15,所述的气氛检测系统包括有氧分析仪38、露点分析仪39和总碳氢分析仪40,所述的氧分析仪38、露点分析仪39和总碳氢分析仪40均与所述的检测支路L15连接,在氧分析仪38、露点分析仪39和总碳氢分析仪40的前端还分别设有第五截止阀(35、36、37)。
所述的一级保护腔19是由Nb3Sn线圈本体构成的;第三进气管路L3和第四进气管路L4分别从Nb3Sn线圈的上、下端子进气,一级保护腔可以设有多个进气管路,本专利中选择了两条进气管路;第一排气管路L7和第二排气管路L8分别从Nb3Sn线圈上层侧端与Nb3Sn线圈下层侧端出气。
所述的二级保护腔18是由不锈钢薄板构成的与磁体形状一致的环形空间。
所述的三级保护腔17为马弗罐,线圈进行热处理时,通过加热炉给马弗罐加热升温。
所述的冷却系统21包括有水槽,在水槽内设有冷却水,所述的四条排气管路弯成盘管浸入冷却水中。
一种Nb3Sn线圈热处理气氛控制与检测方法,包括以下步骤:
a首先检测液氩罐1内氩气纯度、氧含量、水含量、碳氢含量均小于1ppm;
b进行保护腔内初始气体置换,初始状态为一级保护腔19内气体氧含量低于10ppm,水含量低于10ppm,C、H含量均低于1ppm;二级保护腔18气体氧含量低于10ppm,水含量低于10ppm;三级保护腔17气体氧含量低于30ppm,水含量低于30ppm;初始气体置换期间,一级保护腔19的进气流量为25-100L/min,二级保护腔18的进气流量为45-150L/min,三级保护腔17进气流量为50-250L/min;
c二级保护腔18的压力控制在2至15KPa内,三级保护腔17的压力控制在1-15KPa内;
d在热处理升温期间,一级保护腔19的进气流量控制在5-80L/min,二级保护腔18的进气流量控制在10-110L/min,三级保护腔17进气流量控制在20-200L/min;
e排气管路温度低于60℃,当温度高于60℃需要重新置冷却系统中的冷却水;
f在热处理升温期间,不间断向保护腔内通入氩气保证腔内具备一定压力,杂质气体含量要求与步骤b阶段相同;
g检测一级保护腔19杂质气体含量,当氧含量高于10ppm或水含量高于10ppm或碳、氢含量高于1ppm时,则认定一级保护腔杂质气体含量超标;
h检测二级保护腔18杂质气体含量,当氧含量高于10ppm或水含量高于10ppm时,则认定二级保护腔杂质气体含量超标;
i检测三级保护腔17杂质气体含量,当氧含量高于30ppm或水含量高于30ppm时,则认定三级保护腔杂质气体含量超标;
j杂质气体含量检测,独立交替检测四条排气管路杂质气体含量,当腔内杂质气体含量超标,则增大氩气进气流量;
k热处理期间需要不间断向保护腔内通入氩气,直至热处理结束线圈温度降至室温为止。
液氩罐1出口压力大于2MPa,储存液氩质量大于8000Kg,氩气纯度达到99.99999%,满足气保护系统用气要求。
各段进气管路(L1、L2、L3、L4、L5、L6)设有截止阀(2、4、7、10、13、34)、减压器(3、5、8、11、14)、质量流量计(6、9、12、15),满足进气压力、流量调节要求。各段排气管路(L7、L8、L9、L10)设有温度变送器(22、24、26、28)、压力变送器(16、20、23、25、27、29)、截止阀(30、31、32、33、35、36、37、41、42、43、44),满足排气管路气体温度与压力的实时监测。每段排气管路均有一条样气支路(L11、L12、L13、L14)独立进入杂质气体检测仪器。排气管路都引出室外,将气体直接排入室外大气中。
三级保护腔系统由磁体线圈内部通管一级保护腔(19)、磁体线圈外部二级保护腔(18)和三级保护腔(17)构成。一级保护腔(19),其特征在于该保护腔体直接由CICC导体内部中心冷却管与线缆间隙构成。二级保护腔(18),其特征在于由不锈钢薄板按照磁体形状设计的环形空间,将磁体(19)放于二级保护腔(18)内。二级保护腔(18)设有一个压力变送器(20)、一条进气管路(L5)和一条出气管路(L9)。三级保护腔(17),其特征在于该保护腔体直接由热处理炉内的马弗罐(17)构成,磁体(19)与二级保护腔(18)都位于马弗罐(17)内。三级保护腔(17)设有一个压力变送器(16)、一条进气管路(L6)和一条出气管路(L10)。
杂质气体含量检测系统由氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪构成。氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪前端均设有截止阀,可以通过截止阀的开与关,实现样气的独立检测。
在所附权利要求书中给出了本发明一种大型Nb3Sn线圈热处理气氛保护控制及检测的具体实施方案。按照具体实施方案给出多级保护腔杂质气体含量测定表,如表1所示。
表1线圈热处理杂质气体含量测定表
由表1可知多级保护腔内杂质气体均满足线圈热处理技术要求。若热处理过程中发现某保护腔杂质气体超标,则增大该腔的氩气进气流量。
Claims (8)
1.一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,其特征在于:包括有三级保护系统、进气管路系统、排气管路系统、冷却系统和气氛检测系统,所述的三级保护系统包括有一级保护腔、二级保护腔和三级保护腔,其中一级保护腔位于二级保护腔内部,二级保护腔位于三级保护腔内部,所述的进气管路系统包括有六条进气管路,在第一进气管路上设有第一截止阀,在其余五条进气管路上分别依次设有第二截止阀和减压器,在第三进气管路、第四进气管路、第五进气管路和第六进气管路上还分别设有质量流量计,第一进气管路和第二进气管路的进气口均连接液氩罐的出气口,第二进气管路的出气口分别与第三进气管路、第四进气管路、第五进气管路和第六进气管路的进气口连接,第三进气管路和第四进气管路的出气口与所述的一级保护腔连接,第五进气管路的出气口与所述的二级保护腔连接,第六进气管路的出气口与所述的三级保护腔连接;所述的排气管路系统包括有四条排气管路,在每条排气管路上分别依次设有所述的冷却系统、温度变送器、第一压力变送器和第三截止阀,在所述的二级保护腔和三级保护腔上还分别设有第二压力变送器和第三压力变送器,第一排气管路和第二排气管路均与一级保护腔连接,第三排气管路与二级保护腔连接,第四排气管路与三级保护腔连接,每条排气管路的出口均引出室外,在每条排气管路上均设有一条样气支路,在每条样气支路上均设有第四截止阀,四条样气支路与所述的第一进气管路汇于同一条检测支路,所述的气氛检测系统包括有氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪,所述的氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪均与所述的检测支路连接,在氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪的前端还分别设有第五截止阀。
2.根据权利要求1所述的一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,其特征在于:所述的一级保护腔是由Nb3Sn线圈本体构成的;第三进气管路和第四进气管路分别从Nb3Sn线圈的上、下端子进气,第一排气管路和第二排气管路分别从Nb3Sn线圈上层侧端与Nb3Sn线圈下层侧端出气。
3.根据权利要求2所述的一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,其特征在于:所述的二级保护腔是由不锈钢薄板构成的与磁体形状一致的环形空间。
4.根据权利要求3所述的一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,其特征在于:所述的三级保护腔为马弗罐。
5.根据权利要求1所述的一种Nb3Sn线圈热处理气氛保护系统,其特征在于:所述的冷却系统包括有水槽,在水槽内设有冷却水,所述的四条排气管路弯成盘管浸入冷却水中。
6.一种Nb3Sn线圈热处理气氛控制与检测方法,其特征在于:包括以下步骤:
a首先检测液氩罐内氩气纯度、氧含量、水含量、碳氢含量均小于1ppm;
b进行保护腔内初始气体置换,初始状态为一级保护腔内气体氧含量低于10ppm,水含量低于10ppm,C、H含量均低于1ppm;二级保护腔气体氧含量低于10ppm,水含量低于10ppm;三级保护腔气体氧含量低于30ppm,水含量低于30ppm;初始气体置换期间,一级保护腔的进气流量为25-100L/min,二级保护腔的进气流量为45-150L/min,三级保护腔进气流量为50-250L/min;
c 二级保护腔的压力控制在2至15KPa内,三级保护腔的压力控制在1-15KPa内;
d 在热处理升温期间,一级保护腔的进气流量控制在5-80L/min,二级保护腔的进气流量控制在10-110L/min,三级保护腔进气流量控制在20-200L/min;
e 排气管路温度低于60℃,当温度高于60℃需要重新置冷却系统中的冷却水;
f 在热处理升温期间,不间断向保护腔内通入氩气,杂质气体含量要求与步骤b阶段相同;
g 检测一级保护腔杂质气体含量,当氧含量高于10ppm或水含量高于10ppm或碳、氢含量高于1ppm时,则认定一级保护腔杂质气体含量超标;
h 检测二级保护腔杂质气体含量,当氧含量高于10ppm或水含量高于10ppm时,则认定二级保护腔杂质气体含量超标;
i 检测三级保护腔杂质气体含量,当氧含量高于30ppm或水含量高于30ppm时,则认定三级保护腔杂质气体含量超标;
j 杂质气体含量检测,独立交替检测四条排气管路杂质气体含量,当腔内杂质气体含量超标,则增大氩气进气流量;
k 热处理期间需要不间断向保护腔内通入氩气,直至热处理结束线圈温度降至室温为止。
7.根据权利要求6所述的一种Nb3Sn线圈热处理气氛控制与检测方法,其特征在于:步骤j中,在交替独立检测管路样气时需要等待氧分析仪、露点分析仪和总碳氢分析仪数值稳定后再能判定保护腔内杂质气体含量。
8.根据权利要求6所述的一种Nb3Sn线圈热处理气氛控制与检测方法,其特征在于:四条独立样气管路需要间隔2小时检测一次。
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