DB34∕T 2844.2-2017 大型低温超导磁体结构部件设计准则 第2部分：金属部件　　

大型低温超导磁体结构部件设计准则第2部分：金属部件DesigncriteriaforthemaincomponentsofsuperconductingmagnetsHYPERLINK2017-03-30发布2017-04-30实施安徽省质量技术监督局发布IDB34/T2844《大型低温超导磁体结构部件设计准则》分为三个部分：——第1部分：应力术语；——第2部分：金属部件；——第3部分：非金属部件。本部分按照GB/T1.1-2009给出的规则起草。本部分由中国科学院等离子体物理研究所提出。本部分由安徽省核聚变工程技术及应用标准化技术委员会归口。本部分起草单位：中国科学院等离子体物理研究所、安徽省质量和标准化研究院。本部分主要起草人：郑金星、陆坤、宋云涛、卫靖、丁昌东、张文秋、江峰、李明、吴维越、丁开忠、黄雄一、陈洁鹤。HYPERLINK1DB34/T2844.2—2017大型低温超导磁体结构部件设计准则第2部分：金属部件DB34/T2844的本部分规定了低温超导磁体关于金属结构部件的设计要求。本部分适用于低温超导磁体系统中金属结构部件的设计。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。DB34/T2844.1大型低温超导磁体结构部件设计准则第1部分：应力术语3术语和定义DB34/T2844.1界定的术语和定义适用于本文件。4导体铠甲和辐板设计4.1导体铠甲和辐板的塑性屈服4.1.1设计温度下的一般结构部件需要满足式(1)的规定：式中：S许用应力，单位为MPa;4.1.2一次膜应力应满足式(2)的规定：式中：4.1.3一次膜应力与弯曲应力之和应满足式(3)的规定：Pb——弯曲应力，单位为MPa。4.1.4一次局部膜应力应满足式(4)的规定：2P₁≤1.3K.SmP₁——一次局部膜应力，单位为MPa。4.1.5一次应力与二次应力之和应满足式(5)的规定：P——一次应力，单位为MPa;4.1.6乘数K取决于使用限制级别，在表1中给出定义。表1对不同基底金属和焊接接头K因子的值使用限制级别基底金属AB注1:*不需要对二次应力进行评价；注2:一个焊接点定义为整个焊接区域，包括基底金属，热影响区(HAZ)和焊缝金属；注3:未经消应力的焊缝有残余应力，在静态评估4.1.7任何情况下一次膜应力的最大值都不允许超过屈服应力。4.2导体铠甲和辐板的断裂评估4.2.1工作应力强度因子K由假设初始缺陷、外加负载和几何条件得到。4.2.2Kr需要在设计温度下与测量断裂韧性Kc进行比较。需要非破坏性测试程序证明其不大于“许用初始缺陷”的概率大于95%:a)在A级和B级使用限制下，应力强度因子K<Kc/1.5,Z缺陷与外加负载的结合可以接受；b)在C级使用限制下，应力强度因子K<Kc/1.2缺陷与外加负载的结合可以接受；c)在D级使用限制下，应力强度因字k<Kic/1.1,缺陷与外加负载的结合可以接受。4.2.3若运行过程中裂纹生长，在断裂评估中应使用完全生长的缺陷。4.2.4在指定应力载荷时应考虑最安全的组合。4.3导体铠甲和辐板疲劳应力4.3.1假定初始缺陷用于疲劳分析的假定初始缺陷是一个嵌入式的椭圆或半椭圆平面裂纹。非破坏性测试的真实灵敏度应在真实部件上得到验证。假定缺陷应与检查程序的灵敏度一致，并根据生产条件确认和调整。3部件检查中，非破坏性测试检查程序应证明没有一个“许用初始缺陷”的概率超过95%。验收程序的假定初始缺陷由两倍的许用最大缺陷面积(有95%的侦测概率)来计算。缺少测量数据时，可将此缺陷视作裂纹，且最小初始裂纹纵横比设为3,并认为该裂纹定向地置于最不利的位置。疲劳应力评估中的残余应力评估包括由生产工序引起的应力，即导体绕制、热处理、焊接等。由导体绕制引起的弯曲度，可通过对其进行有限元模拟，进行残余应力评估。有限元分析中，允许考虑三维泊松效应和材料的实际应变曲线。4.3.2.3热处理会消除一些残余应力，经过反应热处理后导体内的残余应力应通经过量化。各部件不同材料残余应力的建议量级见表2,可用于概念设计和初步设计。表2各部件不同材料残余应力建议量级残余应力焊接点导体铠甲线圈盒/结构线圈盒/结构线圈盒/结构导体铠甲结构导体铠甲Sres(扭曲后)结构4.3.3裂纹增长限制使用，请勿传播或其他用途下列情况下，部件寿命结束：a)裂纹深度达到部件壁厚；b)裂纹表面上任意一点的峰值应力强度因子超过许用的设计应力强度；c)如果出现泄漏。应考虑设计载荷对裂纹增长的累计影响。部件寿命应为装置系统运行周期的两倍。5螺栓设计45.1.3螺栓的许用应力应根据不同运行温度进行修正：a)设计温度下的许用应力值Sm应小于设计温度下最小屈服应力的1/2;b)装配温度下的许用应力值Sm₂应小于装配温度下最小屈服应力的1/2。余的预紧力及其他任何热收缩带来的载荷。应满足式(6)、式(7)的规定： K——在A级使用限制下，K=1.0;在B级使用限制下，K=1.1;在C级使用限制下，K=1.2;5.1.6螺栓和其他紧固件装配时(常温),在螺杆或其他紧固件上的初始预紧力Sas应满足式(8)的5.2螺栓预拉伸应力设计5.2.1只承受拉应力的螺栓在非正常工况下法羊分离，所有载荷由螺栓承受。org.cn剪切应力计算时不考虑法兰间螺栓的平均剪切应力=法兰上受到的剪切应力/法兰之间的螺栓面积(通常没有螺纹)。螺栓的平均拉应力=(外部载荷+残余预紧力+不同材料的热收缩造成的应力)/法兰之间的螺栓面积(通常没有螺纹)。剪切应力对螺栓螺纹处的拉应5a)应力安全系数为2;b)周期为20万次。5.3.3疲劳曲线(S-N)应在参考完全反向的负载情况下得到。5.4单向负载的螺栓设计5.4.1单向负载的螺栓不需要再经过疲劳负载校验。5.4.2张力与压应力都会引发裂纹，但只有张力引发的裂纹面才会使裂纹增长。5.4.3螺纹根部开始的裂纹不会增长到或穿过螺杆的压力场。5.4.4一个周期内，交变应力幅度按式(9)计算：K螺纹的集中系数，K=4适用于螺纹部分的整体运行平均拉应力Soto5.4.5单向负载的螺栓疲劳评估中，应考虑平均应力影响。可由式(10)计算。Sean——平均应力；S工作温度下的极限应力。5.4.6如果在运行周期内，螺纹上的最大应力超过工作温度下的屈服应力，则平均应力需要修正如下：5.5铰制孔螺栓设计5.5.1在螺栓疲劳分析中，除上述螺栓设计外，应考虑周期切应力和周期张力造成的螺杆负载。5.5.2杆的应力状态需要使用有限元分析来计算峰值应力并进行疲劳评估。6.1键的静态应力限制6键设计//6.1键的静态应力限制流使用，请勿传播或其他用途6.1.1应力限制按式(1)计算。6.1.2依据平均应力设计键：a)键有两种明确的载荷，剪切载荷和轴向载荷；b)键受到的初始平均切向应力=切向载荷/切向力所加载的总面积。纯剪切应力加载面上的初始平均切向应力<0.6KS;c)键受到的初始平均轴向应力=轴向力/截面积。平均轴向应力<1.0KS;d)在A级和B级使用限制下，K=1.0;6.1.3采用有限元应力分析，取决于几何状态和应力状态，依据分析结果设计键的结构。66.2键的疲劳应力限制6.2.1键的疲劳评估采用S-N分析法。6.2.2键的峰值应力计算采用有限元分析法。7线圈重力支撑结构的设计7.1线圈重力支撑结构的静态应力限制注：一端是4.5K,一端是室温。c)许用应力限制在室温下为S时，应力限制S取(2/3S,1/3Sa)中的最小值；d)初始膜拉应力<1.0S,初始值(屈服应力+膜应力)<1.5S;注4:局部温度梯度产生的应力也被认为是二次应力。e)在小于77K的运行温度下的部件，初始值+二次应力≤1.5S;f)在77K以上运行温度下的部件，初始值+二次应力≤(2S,Sa)中的最小值。a)初始膜应力<1.0KS,初始膜应力+屈服应力<1.5KS;b)D级使用限制下，初始膜应力<(1.5Sm,1.2S,)中的最大值，同时初始膜应力应<0.7Su初始膜应力+屈服应力<1.5倍初始膜应力；c)二次应力的适用性则没有限制。7.2线圈重力支撑结构的塑性屈服7.2.1设计温度下的一般结构部件需要满足式(1)的规定。仅供学习交请勿传播或其他用途 7.2.3室温下预紧结构的最大许用预负载，应力限制应小于式(1)或式(11)的计算结果。7.2.4室温下线圈支撑结构中张力部件的最大许用预负载，应力限制应小于式(12)的计算结果： 7.2.5一次膜应力应满足式(2)的规定。7.2.6一次膜应力与弯曲应力之和应满足式(13)的规定：Pm+P₀<1.5KmSm (13)7DB34/T2844.2—20177.2.7一次局部膜应力应满足式(14)的规定：P₁≤1.5KmSm (14)7.2.8一次应力与二次应力之和应满足式(15)的规定：P+Q≤2.0K,Sm (15)7.2.9乘数K取决于使用限制级别，不同级别下的选取值见表1。注2:未经消应力的焊接点有残余应力，在静态评估中不予考虑。7.2.10任何情况下，最大许用一次膜应力都不应超过极限应力。7.3线圈重力支撑结构的断裂评估7.3.1若X光检查确定其具有多孔性缺陷，则不适用本条断裂评估准则，否则认为是二维裂缝的缺陷。7.3.2工作应力强度因子K由假设初始缺陷、外加负载和几何条件得到。K需要在设计温度下与测量断裂韧性Kc进行比较。7.3.3缺少测定数据时，断裂分析时使用的假定缺陷是嵌入式椭圆或者类似椭圆的表面二维缺陷：a)初始假定缺陷的最大纵横比=3;b)裂缝是正向，且位于最不利的位置。7.3.4需要使用NDT检查步骤来证明超出许用初始缺陷不存在的概率是否高于95%:a)在A级和B级使用限制下，应力强度因子K<Kc/1.5,缺陷与外加负载的结合可以接受；b)在C级使用限制下，应力强度因子K<Km/1.2,缺陷与外加负载的结合可以接受；c)在D级使用限制下，应力强度因子K<Kc/1.1,缺陷与外加负载的结合可以接受。7.3.5若运行过程中裂纹生长，在断裂评估中则应使用完全生长的裂纹。7.3.6在指定应力载荷时应考虑最安全的组合。7.4线圈重力支撑结构的疲劳应力限制7.4.1疲劳评估过程适用于所有支撑部件，但并不局限于连接板、塑性板、连接杆和支撑定位销。7.4.2与线圈绕组包相关的疲劳评估应考虑绕组包的弹性刚度，同时也包含可能的位移或裂纹。7.4.3线圈重力支撑结构的疲劳应力评估需要进行裂纹生长分析。7.4.4在线圈重力支撑结构的疲劳分析中所使用的假定初始缺陷应选取联大式椭圆形、类椭圆的表面二维裂缝中更保守的一个。7.4.5在线圈重力支撑结构的疲劳应力评估中应考虑残余应力：a)制造过程也应进行评估并且考虑在内，用于确定残余应力；b)由焊接引起的应力也应确定。7.4.6在线圈重力支撑结构的裂纹增长限制计算得到的寿命是额定运行周期的两倍以上：a)裂纹深度达到了部件的壁厚，则线圈重力支撑结构部件寿命结束；b)裂纹表面任一点(一般在最深处)的峰值应力强度系数超过了许用设计应力强度，则线圈重力支撑结构部件寿命结束。87.5线圈重力支撑结构的屈曲和稳定性限制7.5.1被压缩的可塑性金属板支撑的屈曲。7.5.2线圈支撑塑性板的设计载荷由结构模型得出，结构模型包括冗余性影响、载荷分散、热约束和其他可能的二次屈服因素。7.5.3屈服载荷从双态分析中得出，该分析随容量缩减因数而缩减。7.5.4同时应考虑到几何缺陷和线圈径向位移导致的初始弯曲：a)性能降低的因数选择应当和现有行业惯例一致；b)可以使用包括几何缺陷、材