close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

193

код для вставкиСкачать
Работа выполнена в Открытом Акционерном Обществе «Всероссийский
научно-исследовательский, проектно-конструкторский и технологический
институт кабельной промышленности» (ОАО «ВНИИКП»)
Научный
руководитель:
Высоцкий Виталий Сергеевич
доктор технических наук,
заведующий отделением сверхпроводящих
проводов и кабелей ОАО «ВНИИКП»
Научный консультант: Потанина Людмила Владимировна
кандидат технических наук,
ведущий научный сотрудник отделения
сверхпроводящих проводов и кабелей ОАО
«ВНИИКП»
Официальные
оппоненты:
Круглов Сергей Леонидович
доктор технических наук,
ведущий
научный
сотрудник
«Курчатовский Институт»
РНЦ
Копылов Сергей Игоревич
доктор технических наук,
заведующий лабораторией ОИВТ РАН
Ведущая организация: АО «НИИЭФА» им. Д.В. Ефремова
Защита диссертации состоится «10» марта 2016г. в 13 часов 30 мин. на заседании
диссертационного совета Д 212.157.19 при ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» по адресу:
111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13, ауд. E-205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ».
Автореферат разослан _____ ____________ 2015 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 212.157.19 к.т.н., доцент
Боровкова А.М.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования
В 2007г. началось строительство международного экспериментального
термоядерного реактора ИТЭР (ITER – International Thermonuclear Experimental
Reactor) во Франции. Главной задачей этого проекта является демонстрация
возможности использования термоядерной энергетики для промышленного
производства электричества, а также создание теоретической и практической базы
знаний для строительства будущих реакторов. Впервые для такой крупной
магнитной системы, как по объёму материалов, так и по величине запасённой
энергии, используются сверхпроводящие токонесущие элементы (проводники)
типа «кабель в оболочке». На расчётно-инженерной стадии реализации проекта
ИТЭР было проведено множество исследований и разработок как проводников, так
и сверхпроводящих проводов. Задачей исследований являлась оптимизация
конструкции проводников по требованиям к электрическим потерям в
динамических режимах работы магнитной системы, по магнитной и тепловой
стабильности, по устойчивости к циклическим электромагнитным и
электромеханическим нагрузкам.
На промышленной стадии изготовления проводников был выявлен ряд
проблем, не учтенных на расчётной стадии. Было обнаружено, что проводникам на
основе Nb3Sn проводов свойственна деградация критических свойств при
циклических электромагнитных и тепловых нагрузках, при этом степень
деградации отличается в проводниках, изготовленных в разных странах.
Российские проводники во время испытаний не деградируют при испытаниях.
Одной из возможных причин подобной стабильности может служить большая
устойчивость российских Nb3Sn проводов к механическим нагрузкам. В этой связи
представляет интерес исследование степени повреждения сверхпроводящих
волокон в российских проводах после испытаний, и сравнение полученных
результатов с исследованиями, проводимыми на проводниках других
изготовителей.
Другим важным параметром проводников является тепловая стабильность,
за которую отвечает относительное остаточное сопротивление (RRR) матрицы
Nb3Sn проводов. На проектной стадии была определена нижняя граница параметра
RRR в 100 единиц, что должно обеспечивать заданный уровень тепловой
стабильности, однако не было ясно, как изменяется RRR после циклической
электромагнитной и тепловой нагрузки. Такие данные представляют большой
практический интерес, поскольку позволяют установить, при каком минимальном
значении RRR в исходном проводе этот параметр останется на приемлемом уровне
после изготовления проводника и его испытаний.
Важным параметром проводников, особенно проявляющимся при вводе тока
в проводники, являются электрические потери, которые находятся в прямой
зависимости от величины шага скрутки кабеля. Шаг скрутки строго
контролируется при изготовлении кабеля, но при его затягивании в оболочку для
формирования проводника под действием затягивающего усилия кабель
раскручивается, что приводит к увеличению шага скрутки. Для расчёта
дополнительных потерь, вызванных увеличенным шагом скрутки, необходимо
4
описать математически процесс изменения шага скрутки при затягивании кабеля в
оболочку, а также разработать методы, препятствующие увеличению шага скрутки.
Степень разработанности темы исследования
Исследованию дефектов, генерируемых в структуре Nb3Sn проводов в
процессе электромагнитного и теплового циклирования европейского проводника
тороидального поля, посвящена работа P. Lee, C. Sanabria, D. Larbalistier, M. C.
Jewell [1]. Авторами рассмотрены как методы подготовки образцов, так и
количественные оценки влияния деформации в процессе испытаний на
образование дефектов в волокнах сверхпроводящего провода. Для российского
проводника такое исследование проводится впервые.
Исследование изменения относительного остаточного сопротивления (RRR)
проводов проведено M. Sumption при изготовлении проводников резерфордовского
типа [2,3]. Было отмечено существенное снижение RRR, особенно на кромках
кабеля. Исследование изменения RRR проводов в процессе изготовления и
электромагнитных испытаний проводника типа «кабель в оболочке» проводится
впервые.
Процесс затягивания кабеля в оболочку для формирования проводника типа
«кабель в оболочке» исследовали D. Bessette, T. Paintner, Y. Takahashi, Qin [4,5].
Было обнаружено вращение кабелей, которое приводит к увеличению шага
скрутки, причем число вращений отличается у кабелей от разных производителей.
Делаются попытки описать процесс затягивания кабеля в оболочку математически.
Процесс затягивания российского кабеля в оболочку в настоящей работе изучен
впервые.
Цель и задачи работы
Целью работы является изучение процесса изготовления Nb3Sn проводников
типа «кабель в оболочке»; исследование изменения структуры и свойств Nb3Sn
проводов в процессе изготовления, термообработки и испытаний проводников;
исследование и моделирование процесса раскручивания кабеля при затягивании в
оболочку, а также разработка методов, препятствующих раскручиванию кабеля
при изготовлении проводников типа «кабель в оболочке». Эти исследования
позволяют понять влияние технологических процессов на такие важные параметры
сверхпроводящего проводника как критический ток, критическая температура
перераспределения тока, стабильность по отношению к тепловым возмущениям и
величина электрических потерь при работе в меняющемся магнитном поле.
Основные научные задачи работы заключаются в:
1) Разработке метода подготовки поверхности образцов для исследования дефектов
в волокнах Nb3Sn проводов и методов их количественной оценки;
2) Изучении влияния электромагнитного и теплового циклирования на структуру
Nb3Sn проводов, отобранных из российского проводника для катушек
тороидального поля, который прошел испытания, имитирующие режим работы
магнитной системы реактора ИТЭР, и сравнении состояния структуры проводов
с зарубежными аналогами;
3) Исследовании изменения относительного остаточного электросопротивления
(RRR) Nb3Sn проводов в процессе изготовления и после испытаний российских
5
проводников, а также оценке тепловой стабильности проводников
тороидального поля по полученным данным;
4) Исследовании процесса раскручивания кабеля при затягивании в оболочку;
5) Разработке математической модели раскручивания кабеля при затягивании в
оболочку, которое вызывает увеличение шага скрутки;
6) Разработке методов, препятствующих раскручиванию кабеля при затягивании в
оболочку.
Научная новизна
В настоящей диссертации впервые:
1) Разработан метод подготовки поверхности образцов для исследования дефектов
в волокнах Nb3Sn проводов, а также программы для количественного подсчёта
характеристик;
2) Изучено влияние электромагнитного и теплового циклирования на генерацию
дефектов в сверхпроводящих волокнах Nb3Sn проводов, отобранных из
российского проводника тороидального поля, прошедшего испытания,
имитирующие рабочий режим магнитной системы ИТЭР;
3) Исследовано изменение относительного остаточного электросопротивления
(RRR) Nb3Sn проводов в процессе изготовления и испытаний российского
проводника для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР;
4) По результатам измерений RRR проводов, отобранных из проводника,
прошедшего испытания, обоснован выбор термообработки для формирования
сверхпроводящей фазы Nb3Sn;
5) Исследован процесс раскручивания российского кабеля при затягивании в
оболочку и разработана модель вращения кабеля при формировании
проводника;
6) Предложены и опробованы методы, препятствующие раскручиванию кабеля при
затягивании в оболочку или снижающие этот эффект.
Теоретическая и практическая значимость работы
Результаты работы использованы для совершенствования технологии
изготовления проводников тороидального поля для магнитной системы ИТЭР, а
также для разработки основ технологии изготовления проводников типа «кабель в
оболочке» для других применений. С использованием усовершенствованной
технологии изготовлены экспериментальные проводники типа «кабель в оболочке»
с более стабильным шагом скрутки. Обоснована необходимость более высокого
запаса по исходной величине относительного остаточного электросопротивления
сверхпроводящих проводов. Даны рекомендации по выбору оптимальной
термообработки для Nb3Sn проводов, обеспечивающей не только требуемые
токовые характеристики, но и требуемый уровень RRR. Исследована морфология
трещин, генерируемых в сверхпроводящих волокнах российского Nb 3Sn провода в
процессе электромагнитного и теплового циклирования. На основании полученных
результатов даны рекомендации по конструкции сверхпроводящих проводов для
снижения обрывности сверхпроводящих волокон.
Результаты, полученные в течение подготовки и апробации работы, могут
быть применены для изготовления проводников для будущих термоядерных
6
реакторов, магнитная система которых изготавливается на основе проводников
типа «кабель в оболочке».
Методология и методы исследования
Все измерения проведены на оборудовании высокой точности с применением
поверенных измерительных инструментов. Методы измерений прошли
необходимый контроль качества и были одобрены Международной Организацией
ИТЭР. Для металлографических исследований использовался лазерный
сканирующий конфокальный микроскоп (ЛСКМ) OLYMPUS LEXT 4000.
Объектом исследований являлись образцы сверхпроводящего Nb3Sn
провода, начиная от состояния поставки до состояния после завершения
электромагнитных испытаний проводника, а также образцы российских
проводников для катушек тороидального поля магнитной системы ИТЭР,
прошедшие полный цикл изготовления и испытаний. Исследование процесса
затягивания кабелей в оболочку проводили как на полномасштабных
длинномерных кабелях тороидального поля, так и на их образцах длиной до 5м.
Положения, выносимые на защиту
1) Результаты исследований по влиянию электромагнитного и теплового
циклирования на состояние волокон в Nb3Sn проводах в процессе испытаний
российского проводника типа «кабель в оболочке».
2) Результаты исследований по влиянию технологических и эксплуатационных
воздействий на изменение относительного остаточного электросопротивления
Nb3Sn проводов в процессе изготовления и испытания проводника;
3) Результаты исследований по влиянию технологии изготовления проводника на
изменение шага скрутки кабеля;
4) Математическая модель процесса раскручивания кабеля при затягивании в
оболочку;
5) Методы, препятствующие раскручиванию кабеля в процессе затягивания в
оболочку при изготовлении проводника типа «кабель в оболочке».
Степень достоверности и апробация результатов работы
Основные результаты диссертации были доложены на научных
конференциях по электромеханике, электротехнологии, электротехническим
материалам и компонентам ICEEE – 2012 в г. Алушта (Крым, Украина) и ICEEE –
2014 в г. Алушта (Крым, Россия), на международной конференции по магнитным
технологиям MT-23 в г. Бостон (США), на II национальной конференции по
прикладной сверхпроводимости (НКПС II) 2013г. (Москва, Россия), на
международной конференции по криогенной технике и криогенным материалам
ICEC/ICMC-2014 (Университет Твенте, Голландия), на международной
конференции по прикладной сверхпроводимости ASC-2014 (г. Шарлотт, США).
Результаты работ также докладывались на регулярных совещаниях по
изготовлению проводников для магнитной системы ИТЭР, организованных
Международной Организацией ИТЭР (Кадараш, Франция; Хефей, КНР; Москва,
Россия; Турин, Италия; Кокура, Япония; Гриндельвальд, Швейцария).
7
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Материалы
изложены на 128 страницах, содержат 94 рисунка и 11 таблиц. Список литературы
состоит из 153 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи
исследований, показана научная новизна и практическая ценность работы,
сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен литературный обзор, в котором приведено описание
сверхпроводящих проводов и токонесущих элементов (ТНЭ, проводники) на их
основе, используемых в магнитной системе ИТЭР. Приведены основные
требования к проводникам, их компонентам и процессам их изготовления.
Описаны основные процессы изготовления проводников для катушек
тороидального поля и показано, что во время затягивания сверхпроводящего
кабеля в оболочку происходит раскручивание кабеля с увеличением шага скрутки
на последней стадии. Это не только вызывает выход параметров проводника за
пределы спецификации, но, в конечном итоге, приводит к более высоким
электрическим потерям в динамических режимах работы магнитной системы
ИТЭР. Показано, что степень раскручивания кабеля при затягивании различна для
разных изготовителей проводников [4].
Далее рассмотрены финальные приёмочные испытания готовых
проводников, которые состоят из многократных циклов ввода-вывода тока в
проводники, находящиеся в постоянном внешнем и собственном магнитных полях.
Приёмочные испытания проводятся на установке «SULTAN» (Виллиген,
Швейцария). На этой установке испытываются сразу 2 образца проводников,
соединённых в одну электрическую цепь, по поперечному сечению каждого
проводника наблюдается перепад величины магнитного поля от 10,3Т до 11,9Т
(рисунок 1), что приводит к различным по величине механическим напряжениям в
процессе циклических испытаний. Приёмочным критерием испытаний является
температура перераспределения токов Tcs – максимальная критическая
температура, при которой проводник может нести рабочий ток.
В процессе испытаний ряда тороидальных проводников обнаружена
заметная деградация Tcs с увеличением числа циклов нагружения. Деградация Tcs
обычно составляет 0,35- 0,4К. Среди множества факторов, которые могут
приводить к деградации Tcs, наиболее важным является растрескивание
сверхпроводящих волокон, приводящее к снижению токонесущей способности
единичных проводов, содержащихся в проводнике.
В процессе циклического электромагнитного нагружения поведение
российских проводников производства ОАО «ВНИИКП» на основе проводов
производства ОАО «ЧМЗ», полученных по бронзовой технологии, отличается от
поведения зарубежных проводников (рисунок 2). При относительно невысоких
исходных значениях Tcs, российские проводники не деградируют с увеличением
количества циклов испытаний [6].
8
Стабильное поведение российского проводника в процессе испытаний
можно связать с возможно более слабым повреждением сверхпроводящих волокон
в проводах, однако для этого необходимо провести качественное и количественное
металлографическое исследование дефектов в волокнах и сравнить его результаты
с данными зарубежных работ.
Другой важной характеристикой сверхпроводящих проводов, отвечающей за
стабильность проводника в целом, является относительное остаточное
сопротивление (RRR) матрицы сверхпроводящего Nb3Sn провода. Стабильность
сверхпроводящей магнитной системы описывается уравнением на основе
теплового баланса. Выполнение условия стабильности композиционного
сверхпроводника зависит от объемной доли и удельного сопротивления
стабилизирующей меди. В спецификации ИТЭР установлено требование по
величине RRR не менее 100.
Рисунок 1 – Эпюра магнитного поля по
сечению проводника при испытаниях
Рисунок 2 – Tcs до и после электромагнитного циклирования для
проводников от различных поставщиков
В процессе изготовления проводников сверхпроводящий провод
подвергается множественным деформациям изгиба, что должно приводить к
снижению его относительного остаточного сопротивления. С другой стороны, для
формирования сверхпроводящего соединения Nb3Sn, проводник подвергается
длительной высокотемпературной термообработке, которая, может приводить к
увеличению относительного остаточного сопротивления его медной матрицы.
Результат суперпозиции этих двух процессов для проводников типа «кабель в
оболочке» не изучен. Кроме того, не изучено влияние электромагнитного
циклирования на степень деградации RRR при испытаниях, которые имитируют
условия работы проводника в реальном реакторе.
На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования.
Во второй главе приведено описание использованных материалов и представлены
методики, с помощью которых проводились измерения, расчёты и испытания.
Описан порядок отбора образцов для исследований. Материалами служили как
короткие образцы проводов, кабелей и проводников, так и штатные кабели. На
рисунке 3 показана схема 5-метрового образца кабеля с обозначенными местами
измерений шага скрутки кабеля и количества оборотов. Места, в которых
проводили измерения шага скрутки, обозначены  , а места, в которых были
установлены сенсоры вращения, обозначены как  . Зависимость удлинения кабеля
от величины приложенного усилия показана на рисунке 4.
При изготовлении проводников штатных длин (760 и 415 м по годной части)
на каждой операции затягивания кабеля в оболочку проводили контроль усилия
9
затягивания с помощью тензометра. Для измерения количества оборотов,
совершенных передним концом кабеля, между кабелем и тросом крепили датчик
вращения, оснащённый трёх-осевым акселерометром. Измерение шага скрутки
проведено на штатном кабеле длиной 770м, который был полностью затянут в
оболочку, а затем извлечен из нее. Экспериментальную апробацию метода,
препятствующего раскручиванию кабеля во время затягивания, проводили на
коротком образце кабеля.
Рисунок 3 – Схема расположения датчиков и мест
измерений на образце кабеля
Рисунок 4 – График удлинения образца кабеля от
величины приложенной аксиальной нагрузки
Для измерения относительного остаточного сопротивления Nb 3Sn проводов
(RRR) проводили отбор образцов на разных стадиях изготовления проводника. По
совокупности этих данных был определен средний тренд деградации RRR. Для
исследования RRR сверхпроводящих проводов в проводнике, прошедшем
испытания, отбирали образцы из российского проводника RFTF3 [7]. Образцы
проводов отбирали из разных мест проводника как по воздействию
электромагнитного поля (зона высокого магнитного поля - ЗВП, с внешним
магнитным полем 10,78Т и зона низкого магнитного поля - ЗНП, с внешним
магнитным полем 0,4Т), так и в различных областях поперечного сечения
проводника, согласно схеме, изображённой на рисунке 5. RRR образцов измеряли
контактным методом в резервуаре с жидким гелием. Общий вид вставки для
измерений показан на рисунке 6. RRR сверхпроводящих проводов рассчитывали
как отношение сопротивлений при температурах 273К и 20К (1).
 =
273 ∙ 20
,
20 ∙ 273
(1)
где 273 и 20 – напряжение на образцах при 273 и 20К соответственно;
273 и 20 – ток в образцах при 273 и 20К соответственно.
Рисунок 5 – Схема отбора образцов сверхпроводящего
провода в проводнике
Рисунок 6 – Вставка для измерения RRR
Образцы сверхпроводящих проводов для исследования повреждения
волокон после электромагнитного и теплового циклирования отбирали также от
10
проводника RFTF3 [7], прошедшего испытания на установке «SULTAN». Схема
отбора образцов для исследований дефектов совпадает со схемой отбора образцов
для RRR (рисунок 5). От каждого провода, извлечённого из проводника, отрезали
отрезок длиной 25-40мм, а затем проводили подготовку поверхности для
металлографических исследований согласно разработанной методике.
В третьей главе представлены результаты исследования дефектов в
сверхпроводящих волокнах Nb3Sn проводов, возникающих в процессе
электромагнитного и теплового циклирования, а также описаны методики
подготовки образцов для исследований, режимы съемки, методы количественной
оценки структурных составляющих в продольном сечении провода.
Подготовка
образцов
для
металлографических
исследований
сверхпроводящего провода осложняется тем, что в его состав входит
интерметаллическое соединение Nb3Sn типа А15, имеющее практически нулевую
пластичность. Разработку методики проводили на двух типах образцов провода
после термообработки. Первый тип – это образцы провода, не подвергавшегося
никаким механическим воздействиям после термообработки, то есть изначально не
содержащие дефектов. Второй тип – это образцы провода, подвергнутые
множественным изгибам вручную, в сверхпроводящих волокнах которого
заведомо должны содержаться дефекты. Особое внимание было обращено на
многостадийную полировку поверхности образцов, поскольку характерная
пористость бронзовой матрицы в процессе шлифовки «замазывается» более мягкой
составляющей провода – медью стабилизатора. На рисунке 7 представлены
микрофотографии использованных для разработки методики образцов.
а)
б)
Рисунок 7 – Поверхность проводов для отработки методики; а) провод не подвергавшийся механическим
воздействиям; б) провод, подвергнутый множественным изгибам вручную
Исследование дефектов в образцах сверхпроводящего провода, отобранных
из разных областей проводника TFRF3, проводили на лазерном сканирующем
микроскопе (ЛСКМ) OLYMPUS LEXT4000. Всего было исследовано около 450
образцов. Морфология выявленных при просмотре дефектов в волокнах
достаточно разнообразна, однако можно выделить 4 основных, наиболее часто
встречаемых вида дефектов: поперечный разрыв; разрыв под углом; полу-разрыв и
продольный разрыв (рисунок 8) [8]. Для количественного анализа дефектов были
разработаны программы для подсчёта площади и длины сверхпроводящих волокон
и площади пор, образовавшихся в результате термообработки. Результат обработки
снимков для количественного анализа показан на рисунке 9.
11
а)
б)
в)
г)
Рисунок 8 – Основные виды дефектов в сверхпроводящих волокнах; а) поперечный разрыв; б) разрыв под углом;
в) полу-разрыв; г) продольный разрыв
Обычно выбирали 2 места для исследования - прямой и изогнутый участки.
Это позволило определить влияние деформации на образование дефектов в
волокнах сверхпроводящего провода в процессе электромагнитного циклирования.
На рисунке 10 показана типичная гистограмма распределения дефектов по ширине
образца провода, извлеченного из проводника. В общем случае значительная часть
дефектов расположена в зоне растяжения (выпуклая поверхность изгиба).
Рисунок 9 – Наложение мест расположения дефектов на
непрерывное распределение площади пор по
исследуемому образцу
Рисунок 10 – Распределение дефектов по сечению
образца провода, отобранного в ЗВП
Однако, наряду с типичной зависимостью, представленной на рисунке 10,
обнаружены места, где количество дефектов вблизи вогнутой поверхности изгиба
выше, чем вблизи растянутой поверхности. Детальное исследование таких мест
показало, что для них характерно присутствие большого количества пор вблизи
вогнутой поверхности исследуемого образца (рисунок 11). Таким образом, наличие
и распределение пор в бронзовой матрице может «смазывать» типичную
зависимость образования трещин при деформации изгиба. Поскольку наличие пор
ослабляет поддержку хрупкого волокна матрицей в случае каких-либо
механических воздействий, проанализировано, как влияет расположение пор по
отношению к сверхпроводящим волокнам на образование дефектов. Для этого
проведены статистические измерения минимального расстояния от дефекта в
образцах сверхпроводящей проволоки до ближайшей поры, в результате получена
гистограмма распределения числа дефектов в зависимости от расстояния до поры
(рисунок 12). Как видно, дефекты, в основном, располагаются в непосредственной
близости от пор, а зависимость числа дефектов от расстояния до поры носит
экспоненциальный характер. Следует отметить, что при размере сверхпроводящего
волокна около 3мкм, более 50% всех дефектов обнаруживаются при удалении от
поры на расстояние, не превышающее размер волокна. Таким образом, можно
сделать вывод о том, что наличие, размер и распределение пор на исследуемом
12
участке сверхпроводника увеличивает вероятность образования дефектов в
сверхпроводящих волокнах.
Распределение дефектов в волокнах проводов, отобранных в ЗВП и ЗНП
проводника TFRF3 из разных мест его поперечного сечения, показано на рисунке
13. Максимальное количество дефектов обнаружено в ЗВП в проводах,
расположенных вблизи оболочки проводника.
Рисунок 11 – Дефекты на сжатой части провода при
высокой локальной концентрации пор
Рисунок 12 – Минимальное расстояние от дефекта до
ближайшей поры
Сравнивая полученные результаты с результатами исследований,
проведенных на европейском проводнике [1], можно отметить, что в проводах
российского проводника обнаружено существенно меньшее количество дефектов
[8]. В работе [1] предложена 5-ти уровневая градация дефектов в сверхпроводящих
волокнах по их количеству на квадратный миллиметр площади волокон. Для
российского проводника характерны дефекты, соответствующие уровням 1-3.
Сравнение с европейским проводником [1] представлено на рисунке 14. Как видно
из представленной гистограммы, локальных количеств дефектов, относящихся к
уровням 4 и 5, в российском проводнике не обнаружено, в то время как их доля от
общего числа дефектов для европейского проводника составляет более 17%.
Рисунок 13 – Относительное количество дефектов в проводах,
отобранных из различных зон проводника TFRF3 по
воздействию внешнего магнитного поля
Рисунок 14 – Количество дефектов на единицу площади
сверхпроводящих волокон, обнаруженное в российском и
европейском проводниках после испытаний
Таким образом, на примере исследования состояния структуры проводов
после испытаний российского проводника TFRF3 показано, что:
1) В общем случае, значительная часть обнаруженных дефектов расположена в
зоне растяжения волокон.
2) При механическом воздействии во время электромагнитного циклирования в
процессе испытаний, наличие, размер и распределение пор в прореагировавшей
бронзе увеличивает вероятность образования дефектов в волокнах из-за
13
ослабления механической поддержки хрупкого сверхпроводящего волокна
окружающей бронзовой матрицей.
3) Максимальное количество дефектов обнаружено в проводах, располагающихся
вблизи оболочки в субкабеле, испытавшем максимальное воздействие силы
Лоренца в ЗВП.
4) В проводах, находившихся при испытаниях в ЗНП, дефектов не обнаружено, это
косвенно указывает на то, что тепловое циклирование не влияет на образование
дефектов в сверхпроводящих Nb3Sn проводах.
5) При сравнении повреждения волокон в российском проводнике с повреждением
волокон в европейском проводнике, показано, что локальные области сильного
повреждения волокон (более 2000 на мм2 волокон), составляющие 17% в
европейском проводнике, не характерны для российского проводника. Таким
образом, отсутствие деградации Tcs российских проводников в процессе
испытаний можно связать с меньшим повреждением волокон при
электромагнитном циклировании.
В четвёртой главе изложены результаты исследования изменения относительного
остаточного электросопротивления (RRR) в Nb3Sn сверхпроводящих проводах на
всех стадиях изготовления кабеля, а также в проводах, извлечённых из проводника,
прошедшего электромагнитные и тепловые испытания.
Были проведены измерения RRR сверхпроводящих проводов как в состоянии
поставки, так и в течение цикла подготовки проводов к изготовлению кабеля – на
операциях электрохимической очистки и гальванического нанесения покрытия.
Гистограммы распределения RRR представлены на рисунках 15-17.
Во время изготовления кабеля и проводника провода постоянно испытывают
деформационную нагрузку. Все это приводит к снижению электросопротивления,
а значит и RRR проводов.
Исследование RRR сверхпроводящих проводов, отобранных из разных мест
в сечении готового проводника, проведено на проводнике TFRF3 до испытаний [9].
Гистограмма распределения RRR показана на рисунке 18, а среднее RRR
сверхпроводящих проводов по сечению проводника – на рисунке 19. Среднее
значение RRR проводов в готовом проводнике составляет 137 единиц, а провода с
минимальной величиной RRR располагаются в центре каждого субкабеля.
Рисунок
15
–
Гистограмма
распределения RRR Nb3Sn проводов
в состоянии поставки
Рисунок
16
–
Гистограмма
распределения RRR Nb3Sn проводов
после электрохимической очистки
Рисунок
17
–
Гистограмма
распределения RRR Nb3Sn проводов
после нанесения покрытия
Для формирования сверхпроводящего соединения Nb3Sn, провода должны
пройти вакуумную термическую обработку. Регламентируются 2 режима
термообработки - цикл «А» и цикл «Б», отличающиеся длительностью последней
высокотемпературной ступени, которая составляет 200 часов и 100 часов для цикла
14
«А» и цикла «Б» соответственно. Измерения RRR образцов Nb3Sn проволоки после
термообработки по циклу «А» показали, что около 15% образцов имеют значения
RRR меньше допустимого по спецификации, а среднее значение RRR составляет
113 единиц. В то же время образцы, которые подвергались термообработке по
циклу «Б» имели RRR выше 100 единиц при среднем значении 131 единица. На
рисунке 20 и 21 представлены гистограммы распределения RRR для образцов,
которые проходили термообработку по обоим циклам.
Рисунок 18 – Гистограмма распределения RRR
сверхпроводящих проводов, отобранных из проводника
TFRF3 после компактирования
Рисунок 19 – Величина RRR проводов, отобранных из
разных позиций в одном субкабеле, взятом из готового
проводника
Рисунок 20 – гистограмма распределения RRR после
термообработки по циклу «А»
Рисунок 21 – гистограмма распределения RRR после
термообработки по циклу «Б»
Для оценки изменения RRR сверхпроводящих проводов во время испытаний,
из образца проводника TFRF3 вырезали отрезки, находившиеся во время
испытаний в ЗНП и в ЗВП. Отбор образцов для измерения RRR проводился
согласно схеме, изображённой на рисунке 5. Гистограмма распределения значений
RRR всех измеренных образцов, отобранных из ЗНП, представлена на рисунке 22,
а для образцов, отобранных в ЗВП - на рисунке 23. Среднее значение RRR всех
измеренных образцов, отобранных из ЗНП, составило 118 единиц, а для образцов,
отобранных из ЗВП - 107 единиц.
Рисунок 22 – гистограмма распределения
проводов, взятых из ЗНП образца TFRF3
RRR
Рисунок 23 – гистограмма распределения
проводов, взятых из ЗВП образца TFRF3
RRR
15
Основные результаты исследования изменения RRR Nb3Sn проводов при
изготовлении и испытаниях проводника TFRF3 приведены в таблице 1.
Таблица 1 – изменение RRR Nb3Sn проволоки на основных этапах изготовления и испытания проводника TFRF3
Стадия
Провода в состоянии поставки
Провода после электрохимической очистки и
хромирования
Хромированный провод, взятый из образца
проводника после компактирования
Хромированный провод после термообработки по
циклу "Б"
Провод, взятая из ЗНП образца проводника TFRF3
Провод, взятая из ЗВП образца проводника TFRF3
Среднее значение
RRR
214
Стандартное
отклонение
14
Падение
RRR, %
174
18
18,7
137
9
21,3
131
14
4,4
118
107
14
12
9,9
19,1
По данным, приведённым в таблице 1, можно сказать что падение RRR
происходит на всех этапах изготовления и испытания проводника. В основном
падение RRR связано с деформационными воздействиями на провод, за
исключением термообработки, где снижение вызвано диффузионными процессами
на границе медная матрица – хромовое покрытие.
На основании данных, полученных в ходе настоящего исследования,
расчётным путём было определено, что при использовании термообработки по
режиму «А» среднее значение RRR проводов, находившихся в проводнике в ЗВП,
составит 91 единицу, что ниже заданного в спецификации значения.
Таким образом, впервые проведено систематическое статистическое
исследование изменения RRR в процессе изготовления и испытания проводника
типа «кабель в оболочке» на основе сверхпроводящего Nb3Sn провода [9]. На
примере изготовления и испытания российского проводника TFRF3 показано, что:
1) Около 34% проводов, отобранных на отрезке проводника, находившемся в ЗВП,
имеют RRR менее 100 единиц;
2) Термообработка по циклу «Б» предпочтительнее для проводников
тороидального поля, так как после испытаний среднее значение RRR проводника
остается выше 100 единиц;
3) В целом, при использовании режима диффузионного отжига по циклу «Б»,
среднее значение RRR в проводнике составляет 107 единиц, что обеспечивает
требуемый уровень тепловой стабильности.
В пятой главе приведено описание математической модели увеличения шага
скрутки при затягивании кабеля в оболочку для формирования проводника. В
настоящей работе предложена простая математическая модель, на основании
которой шаг скрутки по всей длине кабеля после затягивания можно описать с
помощью параметров, которые легко измерить в процессе изготовления
проводника - числа оборотов кабеля во время затягивания, длины кабеля и усилия
затягивания. Существо модели заключается в том, что при приложении аксиальной
нагрузки к телам, обладающим геликоидальной анизотропией, например к кабелю,
на его переднем конце возникает вращающий момент, приводящий к его
16
вращению. При реализации модели были введены следующие граничные условия
и допущения:
1) Все деформации, возникающие в результате затягивания кабеля – малые;
2) Объём малого участка кабеля не изменяется в результате любых малых
деформаций, деформация спирали незначительна;
3) Увеличение силы затягивания кабеля, зависит от длины затянутого в оболочку
кабеля – есть величина линейно возрастающая;
4) До приложения аксиальной нагрузки на кабель все его параметры, такие как шаг
скрутки кабеля, радиус кабеля и спирали, одинаковы по всей его длине и равны
номинальным величинам;
5) Увеличение шага скрутки за счёт чистого растяжения не велико;
6) Удлинение и кручение кабеля, в том месте, где он начинает заходить в стальную
оболочку, равны нулю, т.е.: ()|=0 = 0 и ∆()|=0 = 0.
Сформировав таким образом граничные условия и допущения, можно было
перейти к математической реализации модели. Для этого были составлены
характерные уравнения, решая которые были получены зависимости количества
оборотов (2) и шага скрутки (3) по всей длине кабеля.
1
2
0 2
1
√ 2 − 2 ) ∙ ,
() = ( −
4
ℎ0 1 ∙  2 +  2 ∙ (2 − 1) + 
4
ℎ0 


 √0
2 ∙  ∙ ℎ0
ℎ(, ()) =
,
 − ()ℎ0
∆
где  = √

(2)
(3)
+ 1 – обобщённый безразмерный параметр, учитывающий механические и конструкционные
характеристики кабеля;
 – радиус спирали;
0 – начальный радиус кабеля;
ℎ0 – номинальный шаг скрутки кабеля;
0 – длина субкабеля;
 – количество оборотов кабеля после затягивания;
ℎ - шаг скрутки кабеля после затягивания;
 – длина кабеля.
На основании уравнений (2) и (3) можно легко определить количество
оборотов и шаг скрутки по всей длине кабеля, зная начальные параметры кабеля и
безразмерный параметр A. Задача сводилась к численному и аналитическому
определению параметра A.
Для численного определения параметра А, совместно с нашими коллегами
из «Hitachi Cable» (Япония) были проведены эксперименты на коротком образце
российского кабеля. Результатом этих экспериментов стало получение
зависимости изменения шага скрутки кабеля и количества оборотов, совершённых
передним концом кабеля в зависимости от величины прикладываемого
растягивающего усилия (рисунок 24 и рисунок 25) [10]. Также в ходе
экспериментов была получена зависимость количества оборотов кабеля от его
длины для разной величины растягивающего усилия (рисунок 26).
17
Рисунок 24 – Увеличение шага скрутки
Рисунок 25 – Количество оборотов образца кабеля
На основании результатов этих экспериментов был рассчитан безразмерный
параметр A. С использованием экспериментальных данных для шага скрутки
(рисунок 24), был определён параметр A как функция от количества оборотов,
совершенных передним концом кабеля (рисунок 27).
Рисунок 26 – Количество оборотов образца кабеля по
его длине в зависимости от величины прикладываемого
растягивающего усилия
Рисунок 27 – Зависимость параметра  от количества
оборотов, совершённых свободным концом кабеля
Также была определена величина параметра A по длине образца кабеля для
различных величин растягивающего усилия. Для этого перестраивали зависимость,
изображённую на рисунке 27, используя при этом данные зависимости по
количеству оборотов кабеля от его длины для разной величины растягивающего
усилия (рисунок 26), получая зависимость, изображённую на рисунке 28.
Семейство прямых линий, изображённых на рисунке 28 в общем виде можно
описать как систему линейных уравнений (4). Для каждого из этих уравнений
изменяется коэффициент  , который зависит от величины прикладываемого
усилия, свободный же член  для всех уравнений системы идентичен. Далее были
найдены наклонные коэффициенты для каждой линии (рисунок 28) и по ним был
определён общий вид коэффициента  от величины растягивающего усилия для
уравнения определяющего параметр A (рисунок 29).
(, ) =  () ∙  +  ,
где  () – коэффициент, зависящий от приложенной силы;
 – приложенная сила;
 – значение параметра  при  = 0 или  = 0.
(4)
18
Рисунок 28 – Зависимость параметра  от длины
образца
кабеля
для
различной
величины
растягивающего усилия
Рисунок 29 – Зависимость коэффициента  от
величины приложенного усилия
Найдя графически все необходимые коэффициенты, был определён вид
функции параметра A, который зависит от величины растягивающего усилия и от
длины образца (5).
(, ) = (1,565 ∙ 10−5 ∙  − 1,451 ∙ 10−4 ) ∙  + 0,999,
(5)
где  – длина кабеля;
 – приложенное усилие во время затягивания кабеля.
Затем, используя найденное уравнение для параметра A, был рассчитан шаг
скрутки (рисунок 30) и количество оборотов (рисунок 31) кабеля после того, как он
затянут в оболочку и было проведено сравнение с прямыми измерениями. Как
следует из представленных на рисунках данных, расчеты и прямые измерения
имеют хорошую сходимость. Таким образом, только по штатным измерениям
усилия затягивания и количества оборотов можно определить шаг скрутки по всей
длине кабеля, а по найденному шагу скрутки спрогнозировать увеличение
электрических потерь.
Рисунок 30 – Шаг скрутки кабеля после затягивания в
оболочку
Рисунок 31 – Количество оборотов кабеля по всей его
длине
На основании предложенной модели предложено 2 способа компенсации
раскручивания кабеля во время затягивания. Первый способ – это скрутка кабеля с
переменным шагом, а второй способ – это использование устройства, суть которого
состоит в том, что оно создаёт такой же по величине, но противоположный по
направлению вращающий момент. По конструкции это устройство представляет
собой такой же кабель, скрученный в противоположном направлении. Устройство
было проверено на коротком образце кабеля, где показало свою эффективность.
ВЫВОДЫ
Основные результаты проделанной работы заключаются в следующем:
19
1) Разработан метод подготовки поверхности образцов для исследования дефектов
в волокнах Nb3Sn проводов, а также разработаны программы для
количественной оценки дефектов в сверхпроводящих волокнах;
2) Выявлены типы наиболее характерных дефектов. Обнаружено, что в общем
случае значительная часть дефектов локализуется на выпуклой части проводов,
но также показано, что дефекты генерируются в основном в непосредственной
близости от пор – там, где ухудшена механическая поддержка бронзовой
матрицей;
3) Показано, что при электромагнитных испытаниях дефекты в волокнах проводов
образуются в зоне воздействия максимального магнитного поля, в зоне низкого
поля дефектов не обнаружено. Путем сравнения с результатами исследований
зарубежных аналогов, сделано предположение, что стабильность российских
проводников обусловлена меньшим повреждением сверхпроводящих волокон во
время испытаний;
4) Проведены систематические статистические исследования по влиянию
технологических факторов при изготовлении проводников на величину
относительного остаточного сопротивления (RRR). Показано, что среднее
падение RRR в процессе изготовления проводника составляет около 40%;
5) Проведены систематические статистические исследования изменения
относительного остаточного электросопротивления (RRR) сверхпроводящих
проводов после испытаний проводника. Показано, что в проводах, отобранных в
зоне высокого поля проводника, падение RRR может составлять до 20%;
6) На примере образца проводника, прошедшего электромагнитные испытания,
показано, что термообработка с меньшей длительностью высокотемпературной
ступени является наиболее предпочтительной, поскольку в этом случае среднее
значение RRR даже в ЗВП составляет 107 единиц, что обеспечивает достаточный
запас по тепловой стабильности;
7) Разработана модель вращения кабеля при затягивании в оболочку для
формирования проводника, которая позволяет определять шаг скрутки по всей
длине кабеля, используя только параметры, измеряемые во время изготовления
проводника;
8) Разработаны методы, препятствующие раскручиванию кабеля во время
затягивания, а именно: скрутка кабеля с переменным шагом и применение
устройства антивращения.
Список работ, опубликованных автором по теме диссертации
А-1
А-2
Vysotsky, V.S; Shutov, K.A. ; Taran, A.V. ; Ipatov, Y.P. ; Marinin, K.S. ; Kaverin, D.S. ;
Paramonov, A.V. ; Kochetov, M.V. ; Chensky, I.F. ; Potanina, L.V. ; Svalov, G.G. ; Patrikeev,
V.M. ; Shikov, A.K., «Status and Achievements in Production of ITER TF Conductors and PF
Cables in Russian Cable Institute», Applied Superconductivity, IEEE Transactions on
(Volume:22, Issue: 3 ), June 2012, article: 4200505.
Tronza, V.I. ; Pantsyrny, V.I. ; Stepanov, B. ; Bruzzone, P. ; Paramonov, A.V. ; Kochetov,
M.V. ; Kaverin, D.S. ; Shutov, K.A. ; Vysotsky, V.S. ; Vorobieva, A.E. ; Abdyukhanov, I.M. ;
Polikarpova, M.V., «Testing of RF 100 m TF Qualification Conductor in the SULTAN Test
Facility», Applied Superconductivity, IEEE Transactions on (Volume:23 , Issue: 3 ), June
2013, article: 9500805.
20
А-3
А-4
А-5
А-6
А-7
А-8
Кравцов Д.Э., Каверин Д.С., Шутов К.А., Маринин К.С., Порватова Е.А., Высоцкий В.С.,
«Контроль качества при изготовлении проводников для магнитной системы ИТЭР»,
Журнал «Кабели и провода», выпуск 2 (339), 2013г., стр. 20-24.
Denis. S. Kaverin, Vasily V. Zubko, Kirill A. Shutov, Konstantin S. Marinin, Maxim V.
Kochetov, Alexander V. Paramonov, Vitaly S. Vysotsky, Vladimir I. Tronza and Yoshikazu
Takahashi, «VNIIKP RF TF Cable Untwisting and Elongation Under Tensile Force», IEEE
Transactions on Applied Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, article: 4801104, 2014.
Sergey S. Fetisov, Nelly V. Polyakova, Denis S. Kaverin, Liudmila V. Potanina, Kirill A.
Shutov, Grigory G. Svalov, Vladimir I. Tronza and Vitaly S. Vysotsky, «Residual Resistance
Ratio in Nb3Sn Strands during ITER TF Conductor Manufacture аnd After SULTAN Tests»,
IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, article: 8800305, 2014.
V. Tronza, B. Stepanov, S. Lelekhov, P. Bruzzone, D.Kaverin, K. Shutov, V. Vysotsky, «Test
Results of RF ITER TF Conductors in the SULTAN Facility», IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, article: 4801905, 2014.
D. Kaverin, L. Potanina, K. Shutov, V. Vysotsky, V.Tronza, A. Mitin, I. Abdyukhanov, M.
Alekseev, « Analysis of Nb3Sn strand microstructure after full-size «SULTAN» test of ITER
TF conductor sample», «Physics Procedia», Volume: 67, pp. 914-919, 2015
Каверин Д.С., Зубко В.В., Шутов К.А., Маринин К.С., Кочетов М.В., Ченский И.Ф.,
«Раскручивание жил кабелей под действием аксиальной нагрузки», журнал «Кабели и
провода», №4 (347), 2014г., стр. 24-27
Список цитируемой литературы
1. Carlos Sanabria, Peter J. Lee, William Starch, Ian Pong, Alexander Vostner, Matthew C. Jewell,
Arnaud Devred and David C. Larbalestier, “Evidence that filament fracture occurs in an ITER
toroidal field conductor after cyclic Lorentz force loading in SULTAN,” Supercond. Sci. Technol. 25
(2012) 075007 (11pp)
2. M. Sumption et al. “Measurements of RRR variation of strand extracted from Nb3Sn-type Rutherford
cables,” in Adv. Cryog. Eng. AIP Conf. Proc., Melville, NY, 2008, vol. 54, p.277
3. M. Sumption et al. “Effect of Cable Edge Deformation on RRR and Magnetization of Strands
Extracted From Nb3Sn Rutherford-Type Cables,” IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED
SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 19, NO. 3, JUNE 2009, pp. 2481-2485
4. D. Bessette, “Cabling and Jacketing,” Conductor Meeting, 30 of September – 3 of October, Torino,
Italy, 2013, Режим доступа: https://user.iter.org/?uid=L54P33
5. Y. Takahashi, Y. Nabara, T. Hemmi et al., Cable Twist Pitch Variation in Nb3Sn Conductors for
ITER Toroidal Field Coils in Japan, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 23 (3), 4801504, 2013
6. V. Tronza, B. Stepanov, S. Lelekhov, P. Bruzzone, D.Kaverin, K. Shutov, V. Vysotsky, «Test Results
of RF ITER TF Conductors in the SULTAN Facility», IEEE Transactions on Applied
Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, article: 4801905, 2014.
7. Tronza, V.I. ; Pantsyrny, V.I. ; Stepanov, B. ; Bruzzone, P. ; Paramonov, A.V. ; Kochetov, M.V. ;
Kaverin, D.S. ; Shutov, K.A. ; Vysotsky, V.S. ; Vorobieva, A.E. ; Abdyukhanov, I.M. ; Polikarpova,
M.V., «Testing of RF 100 m TF Qualification Conductor in the SULTAN Test Facility», Applied
Superconductivity, IEEE Transactions on (Volume:23 , Issue: 3 ), June 2013, article: 9500805.
8. D. Kaverin, L. Potanina, K. Shutov, V. Vysotsky, V.Tronza, A. Mitin, I. Abdyukhanov, M. Alekseev,
« Analysis of Nb3Sn strand microstructure after full-size «SULTAN» test of ITER TF conductor
sample», «Physics Procedia», Volume: 67, pp. 914-919, 2015
9. Sergey S. Fetisov, Nelly V. Polyakova, Denis S. Kaverin, Liudmila V. Potanina, Kirill A. Shutov,
Grigory G. Svalov, Vladimir I. Tronza and Vitaly S. Vysotsky, «Residual Resistance Ratio in Nb3Sn
Strands during ITER TF Conductor Manufacture аnd After SULTAN Tests», IEEE Transactions on
Applied Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, article: 8800305, 2014.
10. Denis. S. Kaverin, Vasily V. Zubko, Kirill A. Shutov, Konstantin S. Marinin, Maxim V. Kochetov,
Alexander V. Paramonov, Vitaly S. Vysotsky, Vladimir I. Tronza and Yoshikazu Takahashi,
«VNIIKP RF TF Cable Untwisting and Elongation Under Tensile Force», IEEE Transactions on
Applied Superconductivity, Volume: 24, Issue: 3, article: 4801104, 2014.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
1 354 Кб
Теги
193
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа