針對(duì)EAST 裝置大型低溫杜瓦中內(nèi)外冷屏系統(tǒng)存在的泄漏及對(duì)外真空室真空度的影響，采用氦質(zhì)譜負(fù)壓真空、正壓真空及吸槍法相結(jié)合的方法，確定了多處泄漏點(diǎn)并分析了泄漏原因，通過(guò)修復(fù)使EAST外真空室低溫運(yùn)行時(shí)的壓強(qiáng)﹤1×10^-4 Pa，滿足了EAST 外真空室運(yùn)行的需要。EAST 內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的檢漏方法和經(jīng)驗(yàn)可以運(yùn)用到大型、復(fù)雜的和具有狹小活動(dòng)空間的真空系統(tǒng)檢漏，尤其是對(duì)多管道、復(fù)雜材料的檢漏具有一定的參考價(jià)值。

　　EAST 非圓截面大型全超導(dǎo)托卡馬克裝置是我國(guó)九五國(guó)家大科學(xué)工程項(xiàng)目。作為該聚變裝置心臟部件之一的大型超導(dǎo)磁體主機(jī)置于容積為170 立方米的大型低溫杜瓦內(nèi)，由4.5K 液氦冷卻的縱場(chǎng)磁體、極向場(chǎng)磁體和80K 冷氦氣制冷的內(nèi)外冷屏及構(gòu)成各分系統(tǒng)的低溫回路組成，其中內(nèi)外冷屏系統(tǒng)是超導(dǎo)磁體主機(jī)的一個(gè)重要組件，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為主要作用是減少來(lái)自真空室和外真空杜瓦的輻射熱以及支撐的傳導(dǎo)熱等各項(xiàng)熱負(fù)荷�？紤]到對(duì)超導(dǎo)磁體的絕熱需要和避免氣體擊穿等安全性要求，低溫杜瓦內(nèi)單個(gè)部件漏率低于3×10^-8 Pa.m³/s，在常溫下真空度優(yōu)于0.1Pa，超導(dǎo)情況下真空度優(yōu)于5×10^-4 Pa。

　　在嚴(yán)格檢漏的基礎(chǔ)上，2006 年裝置初始運(yùn)行時(shí)外真空室壓強(qiáng)可以達(dá)到5×10^-5Pa。但是經(jīng)過(guò)EAST的多輪實(shí)驗(yàn)，冷屏系統(tǒng)氦泄漏逐步增大，已成為外真空低溫杜瓦的主要?dú)廨d，使得壓強(qiáng)接近6×10^-4Pa，尤其是在等離子體放電時(shí)瞬時(shí)壓強(qiáng)變?yōu)?×10^-3Pa，使得外真空杜瓦安全性大大降低，影響了裝置的正常運(yùn)行。故內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的檢漏工作已成為EAST 裝置改造任務(wù)的重點(diǎn)之一。

　　本文介紹了EAST 裝置低溫杜瓦中內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)及存在的問(wèn)題，給出了內(nèi)外冷屏系統(tǒng)檢漏的方法、流程以及檢漏結(jié)果，采用合適措施修復(fù)漏孔，提高了EAST 裝置外真空低溫杜瓦真空度，滿足了EAST 裝置在等離子體運(yùn)行期間對(duì)超導(dǎo)體絕熱要求，也提高了裝置安全性。

1、內(nèi)外冷屏系統(tǒng)介紹

　　1.1、內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的構(gòu)成

　　EAST 裝置主機(jī)的冷屏系統(tǒng)由117 件冷屏加上109 個(gè)絕緣子以及構(gòu)成回路的連接管所組成，總冷卻回路長(zhǎng)約數(shù)千米，均具有真空氣密性要求。基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 冷屏基本組成示意圖

　　1.2、單件冷屏及絕緣子的基本結(jié)構(gòu)

　　1)單件冷屏的基本結(jié)構(gòu)

　　單件冷屏采用夾層結(jié)構(gòu)，包括兩層平行的3 mm的面板，夾層間鋪設(shè)截面19 mm×19 mm，壁厚2 mm的方管作為冷卻管道(此管道有真空氣密性要求)，材料均為304L 不銹鋼，管道內(nèi)部通冷氦氣來(lái)實(shí)現(xiàn)冷屏的降溫和保冷。

　　2)絕緣子的基本結(jié)構(gòu)

　　冷屏系統(tǒng)中采用的絕緣子主要用于長(zhǎng)管道的分段絕緣，具有真空氣密性要求，通過(guò)管路和對(duì)應(yīng)的冷質(zhì)部件構(gòu)成冷卻回路，它采用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料絕緣結(jié)構(gòu)，絕緣子的兩端是材料為316LN 的不銹鋼導(dǎo)管，中間為由環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維構(gòu)成的復(fù)合材料絕緣層。

2、內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的檢漏

　　EAST裝置改造希望通過(guò)對(duì)內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的檢漏，找出泄漏的部件并進(jìn)行修復(fù)，使修復(fù)后的外真空室壓強(qiáng)在低溫運(yùn)行時(shí)達(dá)到﹤1×10^-4Pa。

　　2.1、檢漏方法的設(shè)計(jì)

　　此次內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的檢漏工作面臨許多困難，包括：涉及到的檢漏對(duì)象種類和數(shù)量繁多(117 個(gè)單件冷屏、109 個(gè)絕緣子、數(shù)千條焊縫和數(shù)千米的連接管)；由于冷屏結(jié)構(gòu)的特殊性及冷卻連接管外包裹有保溫層，人和檢漏氣體很難甚至根本無(wú)法接觸到所要檢漏的對(duì)象；冷卻回路長(zhǎng)并且走向錯(cuò)綜復(fù)雜，操作空間極為狹��；涉及到新型復(fù)合材料絕緣子的檢漏等等。針對(duì)以上提及的各種難點(diǎn)，如果采用傳統(tǒng)的、單一的檢漏方法，則可能確定不出具體泄漏位置，從而導(dǎo)致檢漏失敗。

　　整個(gè)冷屏系統(tǒng)的實(shí)際工況為：工作時(shí)回路內(nèi)部通0.5 MPa 的冷氦氣。從冷屏系統(tǒng)的實(shí)際工況來(lái)看，其泄漏特點(diǎn)是由內(nèi)向外即由回路內(nèi)部向真空室內(nèi)泄漏，故檢漏設(shè)計(jì)的基本原則為模擬實(shí)際工況條件，從正壓、泄漏方向等方面選擇合理的檢漏方法，擬采用以正壓- 真空法為主，輔以真空負(fù)壓檢漏及吸槍法的方法。總體思路如下：

　　根據(jù)實(shí)際工況，先對(duì)人容易接觸到的絕緣子和所有可見(jiàn)連接管焊縫采用正壓- 真空法和吸槍法進(jìn)行檢漏，然后再采用正壓- 真空法將檢漏對(duì)象分段斷開(kāi)進(jìn)行初步判漏，根據(jù)檢漏結(jié)果逐步縮小檢漏區(qū)域，最后再利用真空負(fù)壓檢漏法確定最終泄漏位置(過(guò)程中還需要根據(jù)具體情況適時(shí)地采用總檢模式)。

　　2.2、檢漏方法和流程

　　內(nèi)外冷屏系統(tǒng)的檢漏采用氦質(zhì)譜負(fù)壓真空、正壓真空及吸槍法相結(jié)合的方法，檢漏設(shè)備采用德國(guó)萊寶公司生產(chǎn)的L200+ 型號(hào)的氦質(zhì)譜檢漏儀及LK-6 標(biāo)準(zhǔn)漏孔(石英玻璃滲氦型，校準(zhǔn)后的氦漏率為1.7×10^-6 Pa.m3/s)，檢出并修復(fù)了泄漏部件，同時(shí)預(yù)先處理了有潛在泄漏的部件。完成了內(nèi)外冷屏回路的檢漏、修復(fù)以及最后的總檢工作。具體流程如下：

　　1)內(nèi)外冷屏主進(jìn)出管路(共7 路)在外真空室內(nèi)與低溫系統(tǒng)斷開(kāi)，分別構(gòu)成回路。

　　2)對(duì)109 個(gè)絕緣子全部進(jìn)行正壓真空檢漏(絕緣子及其兩端焊縫用特殊的工裝卡上，逐個(gè)進(jìn)行正壓真空檢漏。檢漏時(shí)，檢漏儀對(duì)工裝直接抽真空，再對(duì)回路打氦壓0.5 MPa)；對(duì)所有可見(jiàn)連接管焊縫進(jìn)行吸槍時(shí)間積累法檢漏(回路打氦壓0.5 MPa，所有可見(jiàn)焊縫用鋁箔包住，積累數(shù)小時(shí)，再用吸槍進(jìn)行檢漏)。

　　3)對(duì)冷屏總回路的支回路分批斷開(kāi)，進(jìn)行正壓真空判漏(外真空室抽空，斷開(kāi)的支路回路打氦壓0.5 MPa)。對(duì)正壓真空判漏方法檢出的有漏支路再單獨(dú)抽空，進(jìn)行真空負(fù)壓檢漏，確定出具體泄漏部位。

　　4)對(duì)泄漏部件修復(fù)，支回路恢復(fù)，最后總回路恢復(fù)，進(jìn)行正壓真空總檢(外真空室抽空，冷屏回路打氦壓0.5 MPa)。

　　2.3、檢漏結(jié)果及泄漏分析

　　共檢出6 處泄漏，其中內(nèi)冷屏回路3 處(1處為單件冷屏，另2 處為絕緣子)，外冷屏回路3處(均為單件冷屏)。通過(guò)EAST 裝置內(nèi)外冷屏系統(tǒng)泄漏件分析，總結(jié)了以下幾種主要導(dǎo)致內(nèi)外冷屏系統(tǒng)泄漏增長(zhǎng)的原因。

　　1)冷屏加工過(guò)程中存在缺陷，所有冷屏均采用夾層結(jié)構(gòu)，單件冷屏的加工工序?yàn)椋豪鋮s管繞制成形→冷卻管與底板貼焊→冷卻管與上板的工藝孔塞焊→成型后的冷屏進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效應(yīng)力消除→冷屏按尺寸要求進(jìn)行整形→冷屏進(jìn)行真空檢漏和正壓真空檢漏。在實(shí)際加工過(guò)程中，尤其是冷卻管的貼焊和塞焊，會(huì)造成一些管材材料不同程度的損傷，這就造成了冷屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的氣密性缺陷，如圖2 所示。因?yàn)闊釕?yīng)力等影響，這些缺陷在反復(fù)降溫、升溫過(guò)程中不斷增大，導(dǎo)致泄漏增加。如何避免材料的損傷是超高真空系統(tǒng)構(gòu)建中需要注意的重要方面。

圖2 冷屏結(jié)構(gòu)缺陷

　　2)EAST 裝置主要采用熱氮?dú)鈱?duì)內(nèi)外真空室之間的夾層進(jìn)行烘烤，為了不影響外真空杜瓦的冷質(zhì)部件，溫度控制在150 度以下。但是由于夾層空間大，熱氮?dú)膺M(jìn)口和出口存在一個(gè)溫度差，一般為40 至50 度，導(dǎo)致外真空杜瓦內(nèi)冷屏所受熱輻射不同，造成一定的熱應(yīng)力。同時(shí)，烘烤的夾層與超低溫冷屏之間也會(huì)存在一個(gè)明顯的溫度梯度，在冷屏管道上產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。這些在冷屏部件上產(chǎn)生的溫度不均勻可能會(huì)產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，可能會(huì)使含有缺陷的焊縫產(chǎn)生裂紋從而使焊縫受損，造成冷屏泄漏。

　　3)EAST 等離子體放電過(guò)程中，尤其是大電流等離子體突然破裂的情況下，形成幾千高斯的強(qiáng)磁場(chǎng)，并且在冷屏及其管道上形成感應(yīng)電流，形成較強(qiáng)的電磁力。所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為裝置等離子體運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁力也可能是導(dǎo)致冷屏泄漏增大的一個(gè)因素。

3、檢漏效果

　　3.1、檢漏與修復(fù)前后兩輪實(shí)驗(yàn)外真空室壓強(qiáng)比較

　　如圖3 所示，2014 年夏季實(shí)驗(yàn)放電前外真空室壓強(qiáng)為6.0×10^-5 Pa (檢漏與修復(fù)后)，比2012年實(shí)驗(yàn)(放電前外真空室壓強(qiáng)為5.7×10^-4 Pa)好了約1 個(gè)數(shù)量級(jí)， 達(dá)到了改造要求(﹤1×10^-4 Pa)。并且在等離子體放電時(shí)瞬時(shí)壓強(qiáng)低于3×10^-4 Pa，外真空杜瓦安全性大大提高，滿足了裝置的正常運(yùn)行。

圖3 兩輪實(shí)驗(yàn)外真空壓強(qiáng)比較

　　3.2、檢漏與修復(fù)前后常溫下內(nèi)外冷屏系統(tǒng)漏率比較

　　檢漏與修復(fù)后常溫下的總漏率小于之前漏率約4 個(gè)量級(jí)。具體結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 常溫下內(nèi)外冷屏系統(tǒng)漏率比較結(jié)果

4、小結(jié)

　　(1)針對(duì)EAST 裝置大型低溫杜瓦中內(nèi)外冷屏系統(tǒng)存在的泄漏及對(duì)外真空室真空度的影響，設(shè)計(jì)了氦質(zhì)譜負(fù)壓真空、正壓真空及吸槍法相結(jié)合的方法，確定了多處泄漏并分析了泄漏原因，通過(guò)修復(fù)使EAST 外真空室低溫運(yùn)行時(shí)的壓強(qiáng)﹤1×10^-4Pa，滿足了EAST 外真空室運(yùn)行的需要。

　　(2)EAST 內(nèi)外冷屏系統(tǒng)采用逐步縮小檢漏范圍，多種交叉檢漏的方法和經(jīng)驗(yàn)可以運(yùn)用到大型、復(fù)雜的和具有狹小活動(dòng)空間的真空系統(tǒng)的檢漏，尤其是對(duì)多管道、復(fù)雜材料的檢漏具有一定的參考價(jià)值。