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摘要：从装置的机械结构设计到热力设计。机械设计包括结构设计、强度设计、加工工艺设计、整体装配工艺设计。最终确定装置的整体设计加工方案。最终研制出本装置进行现场测试制冷机的工作性能使用。
关键词：低温系统；模拟负载；结构设计；装配工艺设计
一、模拟负载装置结构设计
1、外筒设计方案
真空腔密封性良好，真空度为10-4Pa–10-3Pa；每个焊接口漏率不低于1.e-10Pa•m3/s。
外筒是用304L的不锈钢板卷圆焊接而成的圆桶，其工艺是采用304L不锈钢钢板，卷管机械设备迫使形成壳体的形状，利用焊接工艺沿着外围直线进行焊接（需达到能够承受设计压力和无缝钢管的相关规定以及保持外观美丽）；划线进行确认各种接口的位置和相关技术要求并进行钻孔，扩孔等相关工序的进行；用打磨机进行去毛刺以及有针对性的进行外观的处理，务必使壳达到设计的相关。
根据模拟负载真空腔尺寸要求：直径不小于800mm，高度不小于1000mm，因为，现在设计外筒的内径为850mm，外径为900mm，高为1200mm，并且外筒的表面需要进行抛光，因为外筒是在真空度为10-4Pa–10-3Pa上工作的，因此，外筒体底部的厚度以及侧壁的厚度要能承担外力作用而不变形。计算外筒体厚度具有两种方法，第一种是查询国家标准GB150-1998，第二种是外压容器计算是先假定一个厚度，然后推算这个假设是否合格的，不合格的话重新假定。现在我选用第一种方法，假定外筒长为1200mm，名义厚度为25mm，考虑到腐蚀量都问题，现在取有效厚度为23mm，工作环境为26.8摄氏度，设计压力为1.4Mpa
（1）由于 ，
根据 的值，如图3.1所示，确定A值，从表中可得出A=3
因此，现在设计为外筒的内径为850mm，外径为900mm，高为1200mm
模拟负载装置上需要安装压力表，流量计，安全阀等等，因此外筒上需要准备好各类接口，并且各类接口需要按照国家标准定制，冷箱腔体真空抽气口经常拆卸，需设计为快速接头；为了外筒的密封性更好，外筒的圆筒盖与筒体之间增加一个密封圈，为了方便打开圆筒盖，圆筒盖上设置3个吊环，方便打开圆筒盖并且吊起此装置，盖上不仅安装压力表，流量计，温度传感器，而且液氦的入口、出口和加热管外壳也设置在此盖上。外筒的筒体上安装一个排气阀，方便抽出密封腔内的气体。
2、圆筒平盖、垫片以及螺栓的设计
模拟负载装置的密封圈采用金属橡胶密封圈，此密封圈采用不锈钢丝制成，不含有任何的橡胶成分，具有非常良好的性能，能在高真空、强辐射、高温、极低温、以及各种腐蚀环境下正常工作，并且密封强度好，效果好，可重复使用，此密封圈适用于各种不同压强的场合，一般使用范围为-80~800℃
根据此模拟负载装置的设计任务书，本模拟负载装置的使用环境是在常温温区（300K）以及液氮温区（80K）的环境中、而且经常受高低温循环冲击，因此选择金属橡胶密封圈。
1、垫片的计算
因为此垫片选定为O型圈，如图2.1所示，现在是垫片压紧类型，
（1）因为 ，取N=40mm，所以 =20mm
又因为 >6.4mm
所以 =11.3，因为对于筒体端部结构， 等于密封面平均直径，所以去 =48mm
其中：
-垫片基本密封宽度，mm
N-垫片接触宽度，mm
b-垫片有效密封宽度，mm
-法兰与翻边接触面的平均直径，mm
（2）垫片压紧力为：
预紧状态下需要的最小垫片压紧力：
=3.14×48×11.3×62.1=105754.75N
操作状态下需要的最小垫片压紧力：
==6.28×48×11.3×3.75×1.4=17882.93N
（3）垫片宽度，垫片在预紧状态下受到最大螺栓载荷的作用，当压紧过度将失去密封性能，垫片应该有足够的宽度，其值可按经验确定。所以取垫片宽度为45mm
2、螺栓的计算
螺栓用30CrMoA为材料，公称直径用20mm，因为法兰用焊制法兰结构，所以选用B组的数组，其中螺栓的布置，如表3.1所示：
3、脚轮的选用及设计
1、选择车轮材质：
首先考虑使用到使用场所、路面的材质、光滑程度、以及使用场地上残留物质的多少（如铁屑、油脂），并且还考虑所处环境的温度和模拟负载装置的重量等各种条件来决定选择适合的车轮材质。因为脚轮的工作环境在学校实验室，地方光滑平整，又因为通常车轮直径愈大愈容易推动，荷重能力也愈大同时也较能保护地面不受损坏，轮径大小的选择首先应考虑承载的重量和荷重下搬运车的起动推力来决定。因此选择平板式万向型脚轮，这种脚轮不论在室内室外工作，都能满足要求。
2、计算承载重量：
为了方便模拟负载装置的移动，为此，在此装置上安装脚轮，数量为3，模拟负 载装置的重量为420kg，为此，现在计算单个脚轮所承受的重量。
T=（E+Z）/M×N=420/3×1.5=210kg
其中：
E+Z=模拟负载装置的重量
T=单轮或脚轮所需承载重量
M=所用单轮和脚轮的数量
N=安全系数（约1.3—1.5），现在取安全系数为1.5
脚轮的数据如表3.2所示：
图4.5脚轮的安装
4、内胆结构设计
4.1、设计要求
考虑到加热棒与散热翘片的热传递效率，要求翘片与加热棒套筒过盈配合，翘片外边沿与内胆腔体内壁配合间隙不得超过2mm。
氦气传输管道可承受管内最低温度20K的液氦，不可发生泄漏。
氦气传输管道预留出流量计、温度计等检测仪器的安装位置。
每个焊接口漏率不低于1.e-10Pa•m3/s。
4.2、内胆腔体设计方案
内胆是用304L的不锈钢板卷圆焊接而成的圆桶，其工艺是采用304L不锈钢钢板——直接购买利用，卷管机械设备迫使形成壳体的形状，利用焊接工艺沿着外围直线进行焊接（需达到能够承受设计压力和无缝钢管的相关规定以及保持外观美丽）；划线进行确认各种接口的位置和相关技术要求并进行钻孔，扩孔等相关工序的进行；用打磨机进行去毛刺以及有针对性的进行外观的处理，务必 使壳达到设计的相关。
根据设计要求，现在设计内胆的尺寸为：直径426×高980mm，同外筒的壁厚设计方法一致，现在，内胆的直接为426mm，高为980mm，工作压强为1.4Mpa，环境温度为26.8度，下面是计算：
，即 ，取整取为3，所以考虑到腐蚀裕量，钢板的负偏差，取有效厚度为5
（2） ，其中 =99Mpa
（3）因为 ，所以有效厚度为5合格
-圆筒的计算厚度，mm
-圆筒的有效厚度，mm
-计算压力，Mpa
-设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa
-焊接接头系数，取为1
因此，现在计算内筒的壁厚为5mm，内筒的顶部用304L厚度为30mm的不锈钢板，底部用304L厚度为20mm的不锈钢板，与筒体整体焊接而成
内筒上的模具加热管安装插口和氦气的入口出口的接口需要按照国家标准设置，并且内胆要求密封性能良好；根据设计任务书，内胆的漏率不低于1.e-10Pa•m3/s；内胆侧壁开有氦气的入口出口，而且此接口需要安装氦气传输管道，这两个管道与内胆侧壁焊接而成，为了增加散热量，提高散热性能，内胆内安装散热翅片，此散热翅片与3根加热棒套筒串连在一起，还有，套筒与腔体上板焊接在一起，最终整个内胆成为一体而不可拆卸，为了能方便维修加热管，此加热管为模具加热管。如图4.2所示
图4.2内胆示意图
4.3氦气传输管道
1、技术要求：
（1）阀门、管件、管线等部件的制作、安装，存放过程需做到洁净施工，洁净封存，洁净安装，洁净打压，洁净验收。
（2）所有焊缝需做到无漏，过度光滑，无氧化皮，做抛光处理。不得有裂纹，未融合，未焊透，咬边等缺陷。
（3）预制件与安装完成后的管道内部需做好清洁处理，坚决杜绝水、油、粉尘、颗粒物、焊渣等杂物的出现。
（4）成品管道完成后需做正压气压验收试验及氦气检漏验收试验。
（5）管道整体布线合理，美观。在满足工艺要求的基础上，做到管线横平竖直，无交叉、打架现象。
（6）所有压力仪表，温控仪表，阀门做到排布整齐，安装一致。
2、氦气传输管道的选择
模拟负载装置带有氦气传输管道，按照国家标准，此管道焊接而成，焊接口漏率不低于1.e-10Pa•m3/s；可承受管内最低温度20K的液氦，不可发生泄漏；
根据GB/T17395-2008《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》的规定是这样的：外径25mm的不锈钢管壁厚有0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.5，2.5，2.8，3.0因为工作压强为1.4Mpa，压强不大，因为壁厚选择为2.5mm。
3、管道焊结完成后的内部清洁
（１）焊接完成后，首先将管道内部的焊渣清除干净后再进行内部的清洁工作。以无氧化皮，无焊渣，无悬挂状的焊瘤为标准。
（２）清除完焊接面后，应用无水酒精对其进行彻底清洗。
4、管道焊结完成后的外表面处理
（１）必须对全部的不锈钢管焊缝的外表面进行酸洗处理，将管道外的去除表面氧化层去除以达到金属本色后，再对管道进行抛光处理。
（２）必须先用不锈钢钢丝对酸洗的焊缝表面进行刷刷洗，再用酸洗膏酸清洗，最后才做清洁处理。
5、酸洗后的处理
酸洗后的废液应集中收集至统一的废液处理地方上，加入适量的石灰中和后排放。
6、管道焊结完成后必须要对管道的内外表面进行清洁处理以及进行管道强度及严密性试验，管道的耐压试验和气密性试验均应符合《压力容器安全技术监察规程》的规定标。
4.4加热棒套筒
加热棒套筒负责将翘片串连在一起，作为连接内外腔体的主要部件，套筒上部与外圆筒盖进行焊接，下部与内胆上板焊接如图4.4所示，故要求其具有一定的刚性，导热性能好，而且套筒具有一定的密封性不可以漏气。
图4.6加热棒密封装置示意图
5、加热管破裂原因
（1）填粉的过程中，镁粉中混有杂质，经高温这些杂质将被碳化，使用长了就会出现管子炸裂现象；
（2）选材很重要，不锈钢有很多种，根据加热管使用的环境选择正确的材料；管子本身也有区别一种是有缝管，一种是无逢管，有缝钢管是用钢带焊接成的如果有一点焊的不到位就会管子炸裂，一般无逢管不会出现这种问题，有可能就是有缝管质导致的；
（3）不锈钢电热管用于加热的液体也有区别，有些是腐蚀性液体，有些是水，加热水有时候就是水质原因，因为很多可能多是用地下水，或者自来水，杂质较多，易结水垢，水垢太多太厚，会导致内部温度无法扩散，从而导致加热管爆管。如何有效的去除水垢，推荐阅读《推荐电热管水垢的解决方法》一文；
（4）加热管管壁太薄或者加热管功率设定过高，表面负荷太大，内部温度过高，容易引起加热管内部膨胀，从而导致加热管破裂。
4.6散热翘片设计
通常在需要进行热传递的换热装置表面通过增加导热性较强的金属片，增大换热装置的换热表面积，提高换热效率。具有此功能的金属片称之为翅片。
为了提高模拟负载装置的换热效率，从工艺要求、经济要求等各方面考虑，最终选定用铝挤型散热片，此散热片热传导能力强﹑密度小﹑价格便宜，并且片距为1.5mm，翅片外径为50mm，翅片节距p为2.5mm，翘片要求整体冲孔，并且去除翘片上的毛刺飞边，保持翘片的平整光滑，表面平整度为1mm；翘片的3个安装空位要求位置度不大于0.05mm。其中，翅片的安装，如图3.9所示
图3.9翘片结构示意图
其中：
t-翅片最小厚度，m
T-翅片的厚度，m
-材料的需用用力，Mpa
-削弱系数
p-设计压力，Mpa
m-翅片间距，m
T-多孔翅片孔间距，m
d-多孔翅片孔径，m
n-翅片数量
L-加热管长度，mm
P-翅片节距，mm
套装翅片的工艺是首先用冲床加工出一批翅片，然后用人工或机械方法，按一定的距高（翅距），靠过盈将翅片套装在管子外表面上。
套装翅片的工艺是首先用冲床加工出一批翅片，然后用人工或机械方法，按一定的距高（翅距），靠过盈将翅片套装在管子外表面上。
二、装置的制造及检验
2.1焊前准备及施焊环境
1、焊条、焊剂及其他焊接材料的贮存库应保持干燥，相对湿度不得大于60%。
2、当施焊环境出现下列任一情况，且无有效防护措施时，禁止施焊：
（1）焊条电弧焊时风速大于10m/s；
（2）气体保护焊时风速大于2m/s；
（3）相对湿度大于90%；
（4）雨、雪环境；
（5）焊件温度低于－20℃。
3、当焊件温度低于0℃但不低于－20℃时，应在施焊处100mm范围内预热到15℃以上。
4、容器施焊前，受压元件焊缝、与受压元件相焊的焊缝、熔入永久焊缝内的定位焊缝、受压元件母材表面堆焊与补焊，以及上述焊缝的返修焊缝都应按NB/T47014进行焊接工艺评定或者具有经过评定合格的焊接工艺支持。
5、用于焊接结构受压元件的境外材料（含填充材料），压力容器制造单位在首次使用前，应按NB/T47014进行焊接工艺评定。
6、下列容器的焊缝表面不得有咬边：
（1）标准抗拉强度下限值Rm≥540MPa低合金钢材制造的容器；
（2）Cr-Mo低合金钢材制造的容器；
（3）不锈钢材料制造的容器；
（4）承受循环载荷的容器；
（5）有应力腐蚀的容器；
（6）低温容器；
（7）焊接接头系数￠为1.0的容器（用无缝钢管制造的容器除外）。其他容器焊缝表面的咬边深度不得大于0.5mm，咬边连续长度不得大于100mm，焊缝两侧咬边的总长不得超过该焊缝长度的10%。
阀门安装
2.2阀门安装时应遵循以下规则：
（1）检查垂直度
（2）管道投入试运行时，安全阀应及时委托有安全阀调校资质的单位进行调校。
（3）安全阀经调整后，工作压力下不得有泄漏；安全阀调校后，铅封处理。
2.3气密检漏试验的目的
根据设计要求，模拟负载装置的外筒和内筒的夹层真空度在低温可达10-4Pa–10-3Pa。外筒，内筒，加热棒外壳及每个焊接口均要在常温下检漏，漏率不低于1.e-10Pa•m3/s；内筒，加热棒外壳，传输管道焊接口要进行液氮冷激，再检漏，漏率不低于1.e-10Pa•m3/s。装置内胆内通过极低温氦气，为了保证装置正常工作，避免装置工作后发生事故，因此必须保证管道内部整洁，并且防止泄露，以及在每个焊接口外筒内筒加热管外壳进行捡漏。保证装置系统的各处，如管道与仪表的连接处、仪表座的焊接处等因漏率太高而造成抽真空难以达到预期的真空度标准。
因此，在装置投工作前，必须对外筒，内筒，加热棒外壳及每个焊接口均要在常温下检漏，漏率不低于1.e-10Pa•m3/s；内筒，加热棒外壳，传输管道焊接口要进行液氮冷激，再检漏，漏率不低于1.e-10Pa•m3/s。具体抽真空部位如图 2.1所示。本装置所进行的检漏试验是指借用氦检漏仪对装置进行漏率检查试验对漏率低于1.e-10Pa•m3/s的泄漏处进行处理，直到全部合格为止。
图2.3氦检漏仪抽真空处
2.4准备工作
（１）施工场地为封闭空间，施工现场杜绝粉尘，做到现场干净，现场工件、零件、施工工具应摆放整齐、有序。
（２）确保检漏所需的介质氦气的供应。
（３）准备好检漏所需的工具：真空氦检漏仪、记号笔、试验记录等。
（４）准备好必要的垫片、盲板及拆卸工具以备更换之用。
（５）阀门已按照相应规范检验合格（数量，规格型号，压力，温度，耐压，检漏），填写入库记录后入库。
（６）管道安装前，对各系统，各区段需用的阀门、仪表配件等按设计图纸，分段组件编号，认真核对实物和施工记录一致
（７）安全阀处于动作状态。
（８）与设备连接的管道已找正合格，固定完毕，仪表、调节阀、流量计等安装就位。
（９）保证好加热管的正常工作
（10）管道材料已经按相应规范要求检验合格（数量、规格型号、材质合格证书，管壁厚度检验，检漏，管径），管段用水性笔或标签纸标明型号后填写入库记录，入库。
（11）试验人员熟悉工艺流程和气密及泄漏率试验方案。
2.5气密检漏试验的方法及事项
1、检查方法：
向系统抽真空要缓慢，当到试验的漏率达到预设值时，保持该设备继续抽气，在待检漏点，管道阀门（包括法兰、阀体及压盖堵头等），压力表，焊口，焊接及外壳连接处，真空腔桶体法兰焊接处，法兰板密封圈等进行喷液氦，看检漏仪是否报警，如发生报警说明该处漏率高于预设检漏值则进行标记等待处理；如无报警及异常情况，即可进行下一检漏点进行喷液氦检漏，反复此步骤直到所有检漏点都完成方可结束实验。
2、对以下内容进行检查：
（１）各法兰、管道、阀门连接处（包括真空腔桶体法兰焊接处，bayonet与气体输送管线、法兰焊管处，阀门盘根，各种温度传感器和压力表接头，Feed through接口，安全阀接管焊接处等）。
（２）所有拆除过的配管管线阀门、法兰、仪表部件。
（３）没有做强度试验的部分。
（４）所有补修过的部分。
（５）所有气体的进出口、信号线法兰部位。
（６）检查主要阀门的内漏情况，如调节阀、安全阀。
（７）检查安插盲板处的泄漏情况。
3、对漏率高于预设检漏值点的处理：
（１）对泄漏点的地方作好记号，同时记录，然后检修，再进行试验，直到消除；
（２）对泄漏点的处理应在常压后进行。
4、检漏试验的一般原则：
抽压时应缓慢进行，检漏压力不得超过规定限值；氦气进出装置的管线也必须进行检漏试验；为隔开系统而插入盲板的法兰应在试运转最初阶段用工作介质进行试漏；为保护非受压监视用压力表，在受压之前，应关闭仪表导压管；系统与系统之间的管线用阀门隔开，必要时用盲板隔开，泵体均用盲板隔开。
5、检漏试验注意事项；
保证抽真空前，装置内部干净并且无颗粒状固体，以免被检漏仪吸入照成损坏；缓慢向系统抽真空，当试验的漏率达到10-7时，在进行氦气检漏；各系统气密范围应做到各管线区甩头盲板处；气密试验后，拆卸盲板时要用新垫片，保证法兰不会泄漏。
6、检验与评定
（1）试样的检验与评定按NB/T47016和设计文件要求进行。
（2）当需要进行耐腐蚀性能检验时，应按相关标准和设计文件规定制备试样进行试验，并满足要求。其中，不锈钢的晶间腐蚀敏感性检验应按GB/T21433规定进行。
（3）对于低温容器，除另有规定外，冲击试验应包括焊缝金属和热影响区，并按NB/T47016和设计文件规定的试验温度和合格指标进行检验和评定。
参考文献：
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[5]单辉祖.《材料力学》第二版.北京：高等教育出版社，2004-08
[6]米思米精密机械贸易有限公司.《FA工厂自动化用零件2011简体版》，2011
论文作者:肖毅
论文发表刊物:《基层建设》2015年26期供稿
论文发表时间:2016/3/18
标签：装置论文; 管道论文; 氦气论文; 内胆论文; 垫片论文; 脚轮论文; 厚度论文; 《基层建设》2015年26期供稿论文;