EAST2kW/4K氦制冷机检漏及真空系统运行情况

    1    引言

    中国科学院等离子体物理研究所建造的EAST (ExperimentalAdvanced SuperconductingTo-kamak)超导托卡马克是一个全超导的先进稳态可控核聚变实验装置,超导磁体由容量为2kW /4K的氦制冷机冷却,制冷机的换热器、液氮槽、吸附器及4台透平膨胀机安装在冷箱里,液氦温度级的低温阀都安装在阀箱里,为了保证制冷机在运行时达到需要的真空指标,系统氦质谱检漏是非常重要的。本文介绍了2kW /4K氦制冷机的检漏过程及真空系统运行情况。

    2   检漏过程

    作为自主设计并建造的目前国内最大的氦制冷机,它的检漏工作是非常巨大的和复杂的,贯穿整个制冷机建造的全过程。图1为整个EAST低温系统的流程示意图,主要分三大部分:压缩机站、氦制冷机和EAST装置。本文主要介绍氦制冷机部分的检漏。根据设计的需要,制冷机真空室分成冷箱和阀箱两个容器,但它们的真空是一体的(见图2)。真空室内的流程主要分为:主正流路、低压路、负压路、预冷路、冷屏正流、冷屏回流及液氮预冷路。主要的低温元件有: 8台板翅式换热器;一个液氮槽;五个吸附器;四台透平膨胀机;一个液氦槽;一个过冷槽。

    低温系统都工作在低温高压环境下,低温系统氦的实际泄漏大部分处于粘滞流范围,同种气体向真空环境中泄漏,高压、低温条件下的漏率与常压、常温条件下的漏率换算关系如公式(1)所示

    式中:G为气体粘滞系数;P为压力;A为气体的热物理常数,实测值AHe=(1/2+D)= 0.64。

    由公式(1)可以看出,漏率跟压力的平方成正比,和粘度系数成反比,压力越高,温度越低,漏率越大。这就说明我们系统工作时的漏率会比我们常温常压下所检出来漏率大很多,对于那些对漏率要求极其严格的或者发现漏率没有办法补漏的设备检漏,一般都尽量模仿设备的工作状态检漏,比如EAST超导线的检漏,就是给超导线充压至20bar(远大于工作压力),进行充压抽空检漏,一旦超导线安装进线圈盒,发现漏率超标的话是无法补救的,那损失就大了。低温制冷机系统的漏率一般都是可补的,考虑到经济性和效率,一般先采取分段常温负压喷吹法检,再采取充压总体检漏。发现漏率超标,就进行修补,直到漏率和真空达到要求。

    分部检漏:首先在安装前,对各个低温元件进行检漏。通常先要用氮气充到工作压力,用气泡法粗检,这种方法可以检出10-2到10-5Pa.m3/s的漏孔,而实际上大部分漏孔都分布在这个范围。充压气泡法不仅可以快速准确的找到漏点,节省检漏时间,而且可以对焊缝进行强度锻炼。气泡法之后采用负压喷吹法,对液氮槽、液氦槽、过冷槽、吸附器进行检漏。对于板翅式换热器,由于不知道每股流道所对应的焊缝,我们分流道采用氦罩法。检过漏的低温元件就可以安装到系统中进行管路连接了。从图1可以看出,系统管路可以分为主正流路、低压路、负压路、预冷路及冷屏正流路,冷屏回流及液氮预冷路,我们分流道先用气泡法然后采用负压喷氦法,需要说明的是,相对不锈钢氩弧焊焊缝,铝焊缝比较容易产生气泡,继而产生寄生空间,氦气通过寄生空间被检漏仪捕捉的时间会加长,同时也会影响检漏仪的最小可检漏率,所以在用负压喷吹法给铝焊缝检漏时,用塑料皮抱住焊缝,采用氦罩法,相当于延长喷氦时间,提高氦气浓度,以提高检漏仪的灵敏度。当系统安装结束后,分段检漏也就结束了。