DB34∕T 2844.2-2017 大型低溫超導磁體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計準則 第2部分：金屬部件　　

大型低溫超導磁體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計準則第2部分：金屬部件DesigncriteriaforthemaincomponentsofsuperconductingmagnetsHYPERLINK2017-03-30發(fā)布2017-04-30實施安徽省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布IDB34/T2844《大型低溫超導磁體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計準則》分為三個部分：——第1部分：應(yīng)力術(shù)語；——第2部分：金屬部件；——第3部分：非金屬部件。本部分按照GB/T1.1-2009給出的規(guī)則起草。本部分由中國科學院等離子體物理研究所提出。本部分由安徽省核聚變工程技術(shù)及應(yīng)用標準化技術(shù)委員會歸口。本部分起草單位：中國科學院等離子體物理研究所、安徽省質(zhì)量和標準化研究院。本部分主要起草人：鄭金星、陸坤、宋云濤、衛(wèi)靖、丁昌東、張文秋、江峰、李明、吳維越、丁開忠、黃雄一、陳潔鶴。HYPERLINK1DB34/T2844.2—2017大型低溫超導磁體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計準則第2部分：金屬部件DB34/T2844的本部分規(guī)定了低溫超導磁體關(guān)于金屬結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計要求。本部分適用于低溫超導磁體系統(tǒng)中金屬結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅所注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。DB34/T2844.1大型低溫超導磁體結(jié)構(gòu)部件設(shè)計準則第1部分：應(yīng)力術(shù)語3術(shù)語和定義DB34/T2844.1界定的術(shù)語和定義適用于本文件。4導體鎧甲和輻板設(shè)計4.1導體鎧甲和輻板的塑性屈服4.1.1設(shè)計溫度下的一般結(jié)構(gòu)部件需要滿足式(1)的規(guī)定：式中：S許用應(yīng)力，單位為MPa;4.1.2一次膜應(yīng)力應(yīng)滿足式(2)的規(guī)定：式中：4.1.3一次膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和應(yīng)滿足式(3)的規(guī)定：Pb——彎曲應(yīng)力，單位為MPa。4.1.4一次局部膜應(yīng)力應(yīng)滿足式(4)的規(guī)定：2P?≤1.3K.SmP?——一次局部膜應(yīng)力，單位為MPa。4.1.5一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和應(yīng)滿足式(5)的規(guī)定：P——一次應(yīng)力，單位為MPa;4.1.6乘數(shù)K取決于使用限制級別，在表1中給出定義。表1對不同基底金屬和焊接接頭K因子的值使用限制級別基底金屬AB注1:*不需要對二次應(yīng)力進行評價；注2:一個焊接點定義為整個焊接區(qū)域，包括基底金屬，熱影響區(qū)(HAZ)和焊縫金屬；注3:未經(jīng)消應(yīng)力的焊縫有殘余應(yīng)力，在靜態(tài)評估4.1.7任何情況下一次膜應(yīng)力的最大值都不允許超過屈服應(yīng)力。4.2導體鎧甲和輻板的斷裂評估4.2.1工作應(yīng)力強度因子K由假設(shè)初始缺陷、外加負載和幾何條件得到。4.2.2Kr需要在設(shè)計溫度下與測量斷裂韌性Kc進行比較。需要非破壞性測試程序證明其不大于“許用初始缺陷”的概率大于95%:a)在A級和B級使用限制下，應(yīng)力強度因子K<Kc/1.5,Z缺陷與外加負載的結(jié)合可以接受；b)在C級使用限制下，應(yīng)力強度因子K<Kc/1.2缺陷與外加負載的結(jié)合可以接受；c)在D級使用限制下，應(yīng)力強度因字k<Kic/1.1,缺陷與外加負載的結(jié)合可以接受。4.2.3若運行過程中裂紋生長，在斷裂評估中應(yīng)使用完全生長的缺陷。4.2.4在指定應(yīng)力載荷時應(yīng)考慮最安全的組合。4.3導體鎧甲和輻板疲勞應(yīng)力4.3.1假定初始缺陷用于疲勞分析的假定初始缺陷是一個嵌入式的橢圓或半橢圓平面裂紋。非破壞性測試的真實靈敏度應(yīng)在真實部件上得到驗證。假定缺陷應(yīng)與檢查程序的靈敏度一致，并根據(jù)生產(chǎn)條件確認和調(diào)整。3部件檢查中，非破壞性測試檢查程序應(yīng)證明沒有一個“許用初始缺陷”的概率超過95%。驗收程序的假定初始缺陷由兩倍的許用最大缺陷面積(有95%的偵測概率)來計算。缺少測量數(shù)據(jù)時，可將此缺陷視作裂紋，且最小初始裂紋縱橫比設(shè)為3,并認為該裂紋定向地置于最不利的位置。疲勞應(yīng)力評估中的殘余應(yīng)力評估包括由生產(chǎn)工序引起的應(yīng)力，即導體繞制、熱處理、焊接等。由導體繞制引起的彎曲度，可通過對其進行有限元模擬，進行殘余應(yīng)力評估。有限元分析中，允許考慮三維泊松效應(yīng)和材料的實際應(yīng)變曲線。4.3.2.3熱處理會消除一些殘余應(yīng)力，經(jīng)過反應(yīng)熱處理后導體內(nèi)的殘余應(yīng)力應(yīng)通經(jīng)過量化。各部件不同材料殘余應(yīng)力的建議量級見表2,可用于概念設(shè)計和初步設(shè)計。表2各部件不同材料殘余應(yīng)力建議量級殘余應(yīng)力焊接點導體鎧甲線圈盒/結(jié)構(gòu)線圈盒/結(jié)構(gòu)線圈盒/結(jié)構(gòu)導體鎧甲結(jié)構(gòu)導體鎧甲Sres(扭曲后)結(jié)構(gòu)4.3.3裂紋增長限制使用，請勿傳播或其他用途下列情況下，部件壽命結(jié)束：a)裂紋深度達到部件壁厚；b)裂紋表面上任意一點的峰值應(yīng)力強度因子超過許用的設(shè)計應(yīng)力強度；c)如果出現(xiàn)泄漏。應(yīng)考慮設(shè)計載荷對裂紋增長的累計影響。部件壽命應(yīng)為裝置系統(tǒng)運行周期的兩倍。5螺栓設(shè)計45.1.3螺栓的許用應(yīng)力應(yīng)根據(jù)不同運行溫度進行修正：a)設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力值Sm應(yīng)小于設(shè)計溫度下最小屈服應(yīng)力的1/2;b)裝配溫度下的許用應(yīng)力值Sm?應(yīng)小于裝配溫度下最小屈服應(yīng)力的1/2。余的預(yù)緊力及其他任何熱收縮帶來的載荷。應(yīng)滿足式(6)、式(7)的規(guī)定： K——在A級使用限制下，K=1.0;在B級使用限制下，K=1.1;在C級使用限制下，K=1.2;5.1.6螺栓和其他緊固件裝配時(常溫),在螺桿或其他緊固件上的初始預(yù)緊力Sas應(yīng)滿足式(8)的5.2螺栓預(yù)拉伸應(yīng)力設(shè)計5.2.1只承受拉應(yīng)力的螺栓在非正常工況下法羊分離，所有載荷由螺栓承受。org.cn剪切應(yīng)力計算時不考慮法蘭間螺栓的平均剪切應(yīng)力=法蘭上受到的剪切應(yīng)力/法蘭之間的螺栓面積(通常沒有螺紋)。螺栓的平均拉應(yīng)力=(外部載荷+殘余預(yù)緊力+不同材料的熱收縮造成的應(yīng)力)/法蘭之間的螺栓面積(通常沒有螺紋)。剪切應(yīng)力對螺栓螺紋處的拉應(yīng)5a)應(yīng)力安全系數(shù)為2;b)周期為20萬次。5.3.3疲勞曲線(S-N)應(yīng)在參考完全反向的負載情況下得到。5.4單向負載的螺栓設(shè)計5.4.1單向負載的螺栓不需要再經(jīng)過疲勞負載校驗。5.4.2張力與壓應(yīng)力都會引發(fā)裂紋，但只有張力引發(fā)的裂紋面才會使裂紋增長。5.4.3螺紋根部開始的裂紋不會增長到或穿過螺桿的壓力場。5.4.4一個周期內(nèi)，交變應(yīng)力幅度按式(9)計算：K螺紋的集中系數(shù)，K=4適用于螺紋部分的整體運行平均拉應(yīng)力Soto5.4.5單向負載的螺栓疲勞評估中，應(yīng)考慮平均應(yīng)力影響?？捎墒?10)計算。Sean——平均應(yīng)力；S工作溫度下的極限應(yīng)力。5.4.6如果在運行周期內(nèi)，螺紋上的最大應(yīng)力超過工作溫度下的屈服應(yīng)力，則平均應(yīng)力需要修正如下：5.5鉸制孔螺栓設(shè)計5.5.1在螺栓疲勞分析中，除上述螺栓設(shè)計外，應(yīng)考慮周期切應(yīng)力和周期張力造成的螺桿負載。5.5.2桿的應(yīng)力狀態(tài)需要使用有限元分析來計算峰值應(yīng)力并進行疲勞評估。6.1鍵的靜態(tài)應(yīng)力限制6鍵設(shè)計//6.1鍵的靜態(tài)應(yīng)力限制流使用，請勿傳播或其他用途6.1.1應(yīng)力限制按式(1)計算。6.1.2依據(jù)平均應(yīng)力設(shè)計鍵：a)鍵有兩種明確的載荷，剪切載荷和軸向載荷；b)鍵受到的初始平均切向應(yīng)力=切向載荷/切向力所加載的總面積。純剪切應(yīng)力加載面上的初始平均切向應(yīng)力<0.6KS;c)鍵受到的初始平均軸向應(yīng)力=軸向力/截面積。平均軸向應(yīng)力<1.0KS;d)在A級和B級使用限制下，K=1.0;6.1.3采用有限元應(yīng)力分析，取決于幾何狀態(tài)和應(yīng)力狀態(tài)，依據(jù)分析結(jié)果設(shè)計鍵的結(jié)構(gòu)。66.2鍵的疲勞應(yīng)力限制6.2.1鍵的疲勞評估采用S-N分析法。6.2.2鍵的峰值應(yīng)力計算采用有限元分析法。7線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計7.1線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的靜態(tài)應(yīng)力限制注：一端是4.5K,一端是室溫。c)許用應(yīng)力限制在室溫下為S時，應(yīng)力限制S取(2/3S,1/3Sa)中的最小值；d)初始膜拉應(yīng)力<1.0S,初始值(屈服應(yīng)力+膜應(yīng)力)<1.5S;注4:局部溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力也被認為是二次應(yīng)力。e)在小于77K的運行溫度下的部件，初始值+二次應(yīng)力≤1.5S;f)在77K以上運行溫度下的部件，初始值+二次應(yīng)力≤(2S,Sa)中的最小值。a)初始膜應(yīng)力<1.0KS,初始膜應(yīng)力+屈服應(yīng)力<1.5KS;b)D級使用限制下，初始膜應(yīng)力<(1.5Sm,1.2S,)中的最大值，同時初始膜應(yīng)力應(yīng)<0.7Su初始膜應(yīng)力+屈服應(yīng)力<1.5倍初始膜應(yīng)力；c)二次應(yīng)力的適用性則沒有限制。7.2線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的塑性屈服7.2.1設(shè)計溫度下的一般結(jié)構(gòu)部件需要滿足式(1)的規(guī)定。僅供學習交請勿傳播或其他用途 7.2.3室溫下預(yù)緊結(jié)構(gòu)的最大許用預(yù)負載，應(yīng)力限制應(yīng)小于式(1)或式(11)的計算結(jié)果。7.2.4室溫下線圈支撐結(jié)構(gòu)中張力部件的最大許用預(yù)負載，應(yīng)力限制應(yīng)小于式(12)的計算結(jié)果： 7.2.5一次膜應(yīng)力應(yīng)滿足式(2)的規(guī)定。7.2.6一次膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之和應(yīng)滿足式(13)的規(guī)定：Pm+P?<1.5KmSm (13)7DB34/T2844.2—20177.2.7一次局部膜應(yīng)力應(yīng)滿足式(14)的規(guī)定：P?≤1.5KmSm (14)7.2.8一次應(yīng)力與二次應(yīng)力之和應(yīng)滿足式(15)的規(guī)定：P+Q≤2.0K,Sm (15)7.2.9乘數(shù)K取決于使用限制級別，不同級別下的選取值見表1。注2:未經(jīng)消應(yīng)力的焊接點有殘余應(yīng)力，在靜態(tài)評估中不予考慮。7.2.10任何情況下，最大許用一次膜應(yīng)力都不應(yīng)超過極限應(yīng)力。7.3線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的斷裂評估7.3.1若X光檢查確定其具有多孔性缺陷，則不適用本條斷裂評估準則，否則認為是二維裂縫的缺陷。7.3.2工作應(yīng)力強度因子K由假設(shè)初始缺陷、外加負載和幾何條件得到。K需要在設(shè)計溫度下與測量斷裂韌性Kc進行比較。7.3.3缺少測定數(shù)據(jù)時，斷裂分析時使用的假定缺陷是嵌入式橢圓或者類似橢圓的表面二維缺陷：a)初始假定缺陷的最大縱橫比=3;b)裂縫是正向，且位于最不利的位置。7.3.4需要使用NDT檢查步驟來證明超出許用初始缺陷不存在的概率是否高于95%:a)在A級和B級使用限制下，應(yīng)力強度因子K<Kc/1.5,缺陷與外加負載的結(jié)合可以接受；b)在C級使用限制下，應(yīng)力強度因子K<Km/1.2,缺陷與外加負載的結(jié)合可以接受；c)在D級使用限制下，應(yīng)力強度因子K<Kc/1.1,缺陷與外加負載的結(jié)合可以接受。7.3.5若運行過程中裂紋生長，在斷裂評估中則應(yīng)使用完全生長的裂紋。7.3.6在指定應(yīng)力載荷時應(yīng)考慮最安全的組合。7.4線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力限制7.4.1疲勞評估過程適用于所有支撐部件，但并不局限于連接板、塑性板、連接桿和支撐定位銷。7.4.2與線圈繞組包相關(guān)的疲勞評估應(yīng)考慮繞組包的彈性剛度，同時也包含可能的位移或裂紋。7.4.3線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力評估需要進行裂紋生長分析。7.4.4在線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的疲勞分析中所使用的假定初始缺陷應(yīng)選取聯(lián)大式橢圓形、類橢圓的表面二維裂縫中更保守的一個。7.4.5在線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的疲勞應(yīng)力評估中應(yīng)考慮殘余應(yīng)力：a)制造過程也應(yīng)進行評估并且考慮在內(nèi)，用于確定殘余應(yīng)力；b)由焊接引起的應(yīng)力也應(yīng)確定。7.4.6在線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的裂紋增長限制計算得到的壽命是額定運行周期的兩倍以上：a)裂紋深度達到了部件的壁厚，則線圈重力支撐結(jié)構(gòu)部件壽命結(jié)束；b)裂紋表面任一點(一般在最深處)的峰值應(yīng)力強度系數(shù)超過了許用設(shè)計應(yīng)力強度，則線圈重力支撐結(jié)構(gòu)部件壽命結(jié)束。87.5線圈重力支撐結(jié)構(gòu)的屈曲和穩(wěn)定性限制7.5.1被壓縮的可塑性金屬板支撐的屈曲。7.5.2線圈支撐塑性板的設(shè)計載荷由結(jié)構(gòu)模型得出，結(jié)構(gòu)模型包括冗余性影響、載荷分散、熱約束和其他可能的二次屈服因素。7.5.3屈服載荷從雙態(tài)分析中得出，該分析隨容量縮減因數(shù)而縮減。7.5.4同時應(yīng)考慮到幾何缺陷和線圈徑向位移導致的初始彎曲：a)性能降低的因數(shù)選擇應(yīng)當和現(xiàn)有行業(yè)慣例一致；b)可以使用包括幾何缺陷、材