CN112448118B - 一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置及加工方法 - Google Patents

一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置及加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于超高真空及强辐射条件下的背板水冷装置及加工方法，包括：背板侧面加工特殊蛇形水槽是为了设计多通道弯曲结构的水槽截面，以增大冷却水与背板的接触面积，增大结构导热功效；电流带上侧背板区域使用纵向排孔，增加冷却水影响范围，为避免纵向孔与纵向孔连接管道与侧面蛇形水槽干涉同时减少机械加工难度，纵向排孔之间使用桥接管4连接；每块背板设计有三条水冷回路以增加导热效率，三条水冷回路在进出水口处汇流；所有的特征均在水槽焊后加工而成，最后成形加工前，进行去应力退火，有效减少了焊接及前期加工应力，减少加工完成后由于内应力产生的变形，保证加工精度，以满足使用要求。

Description

一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置及加工 方法
技术领域
本发明涉及超高真空及强辐照条件下的背板水冷技术领域，具体涉及一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置及加工方法。
背景技术
中科院等离子体物理研究所是国内主要从事聚变物理及聚变工程技术研究的科研单位，拥有全超导型聚变试验装置EAST，并且是国内参加国际热核聚变实验反应堆ITER装置建设的主要单位。
为了对聚变等离子体物理及聚变反应堆有深入的研究，中国聚变工程实验堆(CFETR)离子回旋天线被提上研制日程。CFETR离子回旋天线是未来核聚变辅助加热系统最重要的设备之一，其频率为60-70MHz,馈入功率为12MW，主要由法拉第屏蔽、电流带、背板、真空馈口、传输线及辅助支撑等组成。
背板为长方体结构，背板主体及盖板材料均为316L，背板主体使用机械加工，水槽盖板与背板主体焊接。背板尺寸较大，为保证导热效率，需要确保背板水冷回路覆盖面积，并能够承受4MPa的冷却水水压。背板外形结构如图1所示。
常规背板高度比较小，背板侧面水冷回路较短，焊接量较少，焊机完成后焊缝进行打磨抛光即可满足使用要求。并且背板上侧区域较薄，加工一排冷却水孔即可满足使用要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术的不足，提供一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置及加工方法，保证背板加工精度及管道在高压冷却水作用下的可靠性，该装置承受高能中子/伽马射线的辐照，且安装于CFETR装置主机真空室内，其整体漏率不大于1.2×10-9Pa·m3/s，真空等级不大于10-5Pa。
本发明技术解决方案：一种用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置，包括：背板主体1、蛇形盖板2、腰形盖板3、桥接管4和冷却水回路；所述蛇形盖板2及腰形盖板3通过V形坡口焊接于背板主体1，所述桥接管4通过角焊焊缝焊接于背板主体1；所述背板主体设计有三条冷却水回路，即第一回路7，第二回路8及第三回路9(如图3所示)，三条回路分布于背板四个侧面及上侧，三条水冷回路在背板上方的进水口5和出水口6汇流；所述第一回路7与第二回路8为多通道弯曲结构水冷回路，其结构形式具体表现为蛇形水槽；所述第三回路9采用纵向排孔结构，纵向孔之间使用桥接管4连接。
所述装置承受高能中子/伽马射线的辐照，且安装于CFETR装置主机真空室内，其整体漏率不大于1.2×10-9Pa·m3/s，真空等级不大于10-5Pa，冷却水回路承压不小于4MPa。
本发明的一种用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置的加工方法，实现步骤如下：
(1)在背板四周设置两条多通道弯曲结构水冷回路，即第一回路和第二回路，水冷回路横截面为10mmx10mm方形通道，背板上方设置横截面为φ10mm的冷却水回路，即第三回路；为保证三条水冷回路的流量，进水口及出水口管道内径为φ18mm；
(2)背板材料选择及加工工艺步骤为：
a.使用锻件整体加工，来料进行射线探伤，要求无裂缝，夹渣缺陷；
b.先对背板外侧面进行粗加工，外侧面留2mm的加工余量；
c.加工四周水槽及孔；
d.清洗水槽及孔，去除油污及铁屑；
e.蛇形盖板2、腰形盖板3加工焊接坡口，焊接盖板，焊缝形式如图2，蛇形盖板2、腰形盖板3均需焊透，盖板留有2mm加工余量，所有焊缝质量参考ISO 5817B级或相应检测验收标准参考ISO 5847B级要求执行；
f.整体退火，消除粗加工及焊接应力；
g.按照背板数模，背板内外表面及表面安装孔位。参考图4，保证图示平面度及垂直度；
(3)背板焊接加工完成后检测及要求：
a.射线检测：执行标准ISO 17636，要求焊缝无气孔，夹渣，缩孔，夹钨缺陷；
b.真空检漏：所有焊缝漏率小于1x10-9Pa.m3/s；
c.打压试验：每条水冷回路均需进行打压试验，试验压力4MPa，保压1小时，无渗漏，压降小于0.1MPa；
d.着色渗透检测：所有焊缝进行着色渗透检测，执行标准ISO 3452-5，要求无裂缝。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
(1)背板侧面采用多通道弯曲结构的水冷回路，加工成特殊的蛇形水槽，以增大冷却水与背板的接触面积，增大装置的导热功效。
(2)电流带上侧背板区域使用纵向排孔，增加冷却水影响范围，为避免纵向孔与纵向孔连接管道与侧面蛇形水槽干涉同时减少机械加工难度，纵向排孔之间使用桥接管4连接。
(3)每块背板设计有三条水冷回路以增加导热效率，三条水冷回路在进出水口处汇流。
(4)所有的特征均在水槽焊后加工而成，最后成形加工前，进行去应力退火，有效减少了焊接及前期加工应力，减少加工完成后由于内应力产生的变形，保证加工精度，以满足使用要求。
(5)焊后对焊缝进行无损检测，以保证焊缝质量。
本发明的有益效果是：本发明工艺方法简单，实用性高，普通数控机床既能完成加工，与传统工艺方法相比不需要进行钻深孔。每块背板包含三条水冷回路，水路影响范围大，水槽盖板均焊透以满足承压要求。满足客户对产品质量要求的同时尽可能的节约成本，用新的方式方法解决难以解决的难题。
附图说明
图1为背板外形结构示意图；
图2水槽盖板焊接形式示意图；
图3为背板冷却水回路示意图；
图4为背板加工形位公差要求示意图，左图为背板加工正视图，右侧为背板加工左视图。
其中：背板主体1，蛇形盖板2，腰形盖板3，桥接管4，进水管5，出水管6，第一回路7、第二回路8、第三回路9。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明一种适用于超高真空及强辐射条件下的背板水冷装置，包括：背板主体1，蛇形盖板2，腰形盖板3，桥接管4，进水管5，出水管6。蛇形盖板2及腰形盖板3通过V形坡口焊接于背板主体1侧面，桥接管4、进水管5及出水管6通过角焊焊缝焊接于背板主体1。背板主体1与蛇形盖板2、蛇形盖板3、桥接管4焊接后形成第一回路7、第二回路8、第三回路9，如图3所示。
具体设计方案，加工工艺方法及检测验收方案如下：
(1)在背板四周设置两条多通道弯曲结构水冷回路，即第一回路和第二回路，水冷回路横截面为10mmx10mm方形通道，背板上方设置横截面为φ10mm的冷却水回路，即第三回路；为保证三条水冷回路的流量，进水口及出水口管道内径为φ18mm；
(2)背板材料选择及加工工艺步骤为：
a.使用锻件整体加工，来料进行射线探伤，要求无裂缝，夹渣缺陷；
b.先对背板外侧面进行粗加工，外侧面留2mm的加工余量；
c.加工四周水槽及孔；
d.清洗水槽及孔，去除油污及铁屑；
e.蛇形盖板2、腰形盖板3加工焊接坡口，焊接盖板，焊缝形式如图2，蛇形盖板2、腰形盖板3均需焊透，盖板留有2mm加工余量，所有焊缝质量参考ISO 5817B级或相应检测验收标准参考ISO 5847B级要求执行；
f.整体退火，消除粗加工及焊接应力；
g.按照背板数模，背板内外表面及表面安装孔。参考图4，保证图背板加工水槽水平面度满足0.05mm，垂直度满足0.1mm；
(3)背板焊接加工完成后检测验收方案：
a.射线检测：执行标准ISO 17636，要求焊缝无气孔，夹渣，缩孔，夹钨等缺陷；
b.真空检漏：所有焊缝漏率小于1x10-9Pa.m3/s；
c.打压试验：每条水冷回路均需进行打压试验，试验压力4MPa，保压1小时，无渗漏，压降小于0.1MPa；
d.着色渗透检测：所有焊缝进行着色渗透检测，执行标准ISO 3452-5，要求无裂缝。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置，其特征在，于包括：背板主体、蛇形盖板、腰形盖板、桥接管和冷却水回路；所述蛇形盖板及腰形盖板通过V形坡口焊接于背板主体，所述桥接管通过角焊焊缝焊接于背板主体；所述背板主体设计有三条冷却水回路，三条冷却水回路分布于背板四个侧面及上侧，三条冷却水回路在背板上方的进水口和出水口汇流；第一冷却水回路与第二冷却水回路为多通道弯曲结构水冷回路，结构形式具体表现为蛇形水槽；第三回路采用纵向排孔结构，纵向孔之间使用桥接管连接。
2.根据权利要求1所述的背板水冷装置，其特征在于：所述装置承受高能中子/伽马射线的辐照，且安装于CFETR装置主机真空室内，其整体漏率不大于1.2×10-9Pa·m3/s，真空等级不大于10-5Pa，冷却水回路承压不小于4MPa。
3.一种适用于超高真空及强辐射条件的背板水冷装置的加工方法，其特征在于，实现步骤如下：
(1)在背板四周设置两条多通道弯曲结构水冷回路，即第一冷却水回路和第二冷却水回路，冷却水回路横截面为10mmx10mm方形通道，背板上方设置横截面为φ10mm的冷却水回路，即第三冷却水回路；为保证三条冷却水回路的流量，进水口及出水口管道内径为φ18mm；
(2)背板材料选择及加工工艺步骤为：
a.使用锻件整体加工，来料进行射线探伤，要求无裂缝，夹渣缺陷；
b.先对背板外侧面进行粗加工，外侧面留2mm的加工余量；
c.加工四周水槽及孔；
d.清洗水槽及孔，去除油污及铁屑；
e.蛇形盖板、腰形盖板加工焊接坡口，焊接盖板，蛇形盖板、腰形盖板均需焊透，盖板留有2mm加工余量，所有焊缝质量参考ISO 5817B级或相应检测验收标准参考ISO 5847B级要求执行；
f.整体退火，消除粗加工及焊接应力；
g.按照背板数模，背板内外表面及表面安装孔，保证图示平面度及垂直度；
(3)背板焊接加工完成后检测及要求：
a.射线检测：执行标准ISO 17636，要求焊缝无气孔，夹渣，缩孔，夹钨缺陷；
b.真空检漏：所有焊缝漏率小于1x10-9Pa.m3/s；
c.打压试验：每条冷却水回路均需进行打压试验，试验压力4MPa，保压1小时，无渗漏，压降小于0.1MPa；
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