ITER环氧基复合材料轴向绝缘子的低温气密性能研究

　　采用ANSYS 软件对国际热核聚变实验装置(ITER) 环氧基复合材料轴向绝缘子在低温、内气压、拉伸载荷作用下的热应力进行有限元分析，并且对低温冲击、内气压冲击和拉伸压缩应力冲击性能进行实验测试。分析和实验结果表明： 由于绝缘子的绝缘体与金属导体的热膨胀系数不同，由常温降到液氦温度时界面热应力是影响绝缘子气密性能的主要因素；在室温到液氮冷热循环25次后，承受4 MPa 氦气内压，2000 N 拉压载荷下气密性保持好于1.0 × 10^-9 Pa·m³ /s，能够满足ITER轴向绝缘子的技术要求。

　　耐低温耐高电压氦气密复合材料轴向绝缘子是国际热核聚变实验装置(ITER) 磁体系统的关键部件，在装置运行中轴向绝缘子通过管路和对应的冷质部件构成冷却回路，承担整个磁体系统液氦和液氮的通道，同时担负对地绝缘的作用。因此设计制作绝缘子的电绝缘材料性能要有足够的机械强度和必要的塑性，在低温下不会发生脆裂，耐低温密封性好；冷热收缩系数尽量小，在接头处不应产生太大的热应力，在多次冷热循环后，仍能保持所需的机械强度和真空密封性能，抗冷热冲击性好，抗振动性好；固化收缩率小，固化后不会产生大应力，引起界面的分离或开裂。

　　采用ANSYS 软件对ITER 环氧基复合材料轴向绝缘子在低温、内气压、拉伸等单一或综合载荷作用下进行热应力有限元仿真分析，并对低温冲击、内气压冲击和拉伸压缩应力冲击等单一或综合载荷作用下的性能进行人工加速老化实验测试。仿真分析和实验结果表明：由于绝缘子的绝缘体与金属导体的径向和环向热收缩系数不同，由常温降到液氦温度时界面热应力是影响绝缘子气密性能的主要因素；在室温到液氮冷热循环25 次后，承受4 MPa 氦气内压，2000 N 拉压载荷下气密性保持在好于1.0 ×10 ^-9 Pa. m³ /s，能够满足ITER 轴向绝缘子的技术要求。

1、ITER 轴向绝缘子结构工艺设计

　　ITER 复合材料轴向绝缘子结构由不锈钢金属电极、复合材料绝缘内衬管和外部绝缘加强层三部分构成。根据56 kV 的电性能要求， ITER 轴向绝缘子优化截面尺寸如图1 所示。

图1 ITER 轴向绝缘子截面尺寸示意图

　　由于绝缘子不锈钢金属电极与复合材料内衬管的连接接头是机械载荷最集中的区域，也是两种材料的径向和环向热收缩系数不同，在冷热循环冲击过程中热应力集中的区域，在设计绝缘子绝缘结构的工艺过程中应综合设计各关键位置，特别是要重点设计绝缘内衬管和金属不锈钢管接头，这是影响低温氦气密性能的关键技术。具体工艺技术包括不锈钢电极表面处理、接头螺纹密封接头粘接工艺以及固化成型工艺等。通过采用优化玻璃纤维增强内衬管外表面和不锈钢电极内表面的螺纹尺寸，以及夹层低温环氧树脂胶粘剂的热收缩系数和厚度，进而设计界面连接处的径向和环向热收缩系数，使之与连接的不锈钢金属管和内衬管的热收缩系数接近并满足一定的配合关系，避免材料结构件在冷热循环冲击过程中因热应力集中发生脆裂而影响电绝缘性能和机械氦气密性能。

2、绝缘子低温应力载荷下气密性实验

　　室温和低温拉压性能测试原理如图6 所示，绝缘子一端固定，另一端直接施加拉压载荷，内部通氦气，在外部真空腔中采用真空检漏的方法检测绝缘子在拉压载荷作用对气密性能的影响。绝缘子安装在波纹管真空室内，并在两端焊接密封连接，一端通过螺母与测试支架底部法兰连接，另一端通过法兰板螺钉与电子试验机拉伸杆相连，通过驱动试验机中横梁的上下移动实现对绝缘子拉伸和压缩的负荷加载。采用真空机组和氦质谱检漏仪对波纹管真空室抽真空和检漏，根据受力变化速度，计划在10 min 内实现载荷的施加，计算机控制拉伸端力载荷施加速度。

图6 ITER 绝缘子气密性测试实验装置

　　测试方法是在机械载荷作用过程中利用波纹管进行气密性测试，可以实时测试载荷对绝缘子性能的影响，但利用波纹管会增加附加影响，影响测量结果需要修正。

　　试验机调零是关键，在实验测试时，对波纹管抽真空检漏后安装在支架上，使其拉伸杆自由不受力时调零，在受拉时，向上移动，在施加力从零线性增大时再调零，同理在受压时，向下移动，在施加力从零线性增大时再调零，消除装置的回程误差。实验结果表明： 在氦气漏率为3.2 × 10^-10Pa·m³/s 的本底情况下，分别测量室温耐拉力3200 N，调零等效后相当于2000 N 拉伸力，以及4 MPa 内气压冲击循环25 次；液氮温度耐压力1400 N，调零等效后相当于2000 N 压缩力，以及4 MPa 内气压冲击循环25 次的漏率与循环次数的变化，受拉载荷和受压载荷作用下氦气漏率变化曲线如图7 所示，最大拉力3200 N 和最大压缩力1400 N 作用下基本上都是线性关系，其漏率都小于4 × 10^-10Pa·m³/s，因此满足绝缘子在2000 N 拉压载荷以及4 MPa 内气压疲劳冲击作用下25 次后，其氦气漏率好于1.0 ×10^-9Pa·m³ /s，能够满足ITER 轴向绝缘子的技术要求。

图7 综合载荷作用下气密性变化曲线

3、结论

　　ITER 复合材料轴向绝缘子的ANSYS 热应力有限元仿真分析以及人工加速气密性能实验测试结果表明：

　　(1) 由于绝缘体与金属导体的热膨胀系数不同，最大热应力位于金属电极和绝缘材料顶端界面处，冷热冲击引起的热应力是影响绝缘子气密性能的主要因素；

　　(2) 与热应力分析结果相比，最大应力和最大热应力位置非常接近，说明在热应力设计满足的情况下，2000 N 拉伸载荷对机械强度的影响很小。

　　(3) 根据机械设计标准，设计的绝缘子在低温4.2 K、内气压4 MPa、拉力2000 N 作用下绝缘子是非常安全的；

　　(4) 在室温到液氮冷热循环25 次后，承受4MPa 氦气内压，2000 N 拉压载荷下气密性保持在1.0 × 10^-9 Pa.m³/s 以上，能够满足ITER 轴向绝缘子的技术要求。