熱3016RGS250型水銅熱管工作的可靠性研究

1、編號(hào)熱3016RGS250型水銅熱管工作的可靠性研究宋英華哈爾濱空氣調(diào)節(jié)機(jī)廠中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì) 第一屆熱管會(huì)議傳 熱 傳 質(zhì) 學(xué) 會(huì) 1 9 8 3 年 8 月 一、前 言在1978年第三屆國(guó)際熱管會(huì)議上日本提出了一個(gè)大型熱管換熱器的設(shè)計(jì)，其換熱元件為水銅熱管（鋼銅復(fù)合管，鋼翅片）。在1979年前后我國(guó)許多單位亦開(kāi)展了水銅熱管的研制，但是在工業(yè)產(chǎn)和應(yīng)用卻遇到了困難，這就是許多熱管在運(yùn)行一段時(shí)間后失效的問(wèn)題。我廠研制的水銅熱管，1980年10月在撫順石油三廠工業(yè)裝置上應(yīng)用以來(lái)，也曾出現(xiàn)部分熱管工作一段時(shí)間就失效的問(wèn)題。到82年秋完成了水銅熱管工作的可靠性研究后，基本上解決了這一問(wèn)題。目前在長(zhǎng)嶺煉

2、廠、首都鋼鐵公司、哈爾濱印染廠等單位應(yīng)用的水銅熱管，基本上都能滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。影響熱管長(zhǎng)期使用的因素很多，但總的可分為兩類問(wèn)題。第一類是熱管密封性的破壞，這是一個(gè)物理過(guò)程，這一過(guò)程發(fā)生比較迅速，會(huì)使熱管很快失效，對(duì)這一類問(wèn)題的研究，我們稱之為熱管工作的可靠性研究。第二類問(wèn)題是熱管管內(nèi)不凝氣體的產(chǎn)生，這是一個(gè)化學(xué)過(guò)程，這一過(guò)程發(fā)生比較緩慢，使熱管的性能逐漸降低，以致最終失效。通常稱之為熱管的相 容性的研究，由于大量的研究（1）表明水銅的相容性很好。因此，水銅熱管工作的可靠性的問(wèn)題是水銅熱管應(yīng)用中的主要問(wèn)題。水銅熱管的可靠性問(wèn)題主要由熱管的應(yīng)運(yùn)條件和熱管的品質(zhì)設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量控制兩方面因素構(gòu)成

3、。二、RGS-250型水銅熱管的許用溫度熱管主要借助于工質(zhì)在管內(nèi)的蒸發(fā)和凝結(jié)完成熱量的傳遞，不同工質(zhì)有其不同的溫度適用范圍和品質(zhì)因數(shù)M（1）其中：工質(zhì)的液相密度表面張力L汽化潛熱工質(zhì)的液相動(dòng)力粘度在100250范圍內(nèi)，水的M數(shù)大，價(jià)格便宜，是一種理想的工質(zhì)，但由于水的飽和蒸汽壓隨溫度的升高而增長(zhǎng)很快，如圖1所示，過(guò)高的管內(nèi)壓力將會(huì)破壞熱管的密封性，造成熱的損壞。而RGS250型水銅熱管則限定Tv250，即使用時(shí)管內(nèi)壓力不超過(guò)40kgf/cm2，熱管管內(nèi)溫度高低則取決于管外冷熱流體溫度及冷熱段的換熱情況，對(duì)于熱管的加質(zhì)變段與冷卻段有 T-Tv=QR (1)Tv-t=Qr (2)式中： T管外熱流

4、體溫度 t管外冷流體溫度 Tv管內(nèi)工質(zhì)溫度 Q熱流量 R管外至管內(nèi)的熱阻（加熱段） r管內(nèi)至管外的熱阻（冷卻段）（1）（2）得 令 則得 （3）對(duì)于按一定設(shè)計(jì)和工藝要求制造的熱管，允許管內(nèi)最高工作溫度為Tvm，用Tvm代替Tv，則由（3）式導(dǎo)出：T=（1+a）Tvm-at (4)定義（4）式為熱管的許用溫度關(guān)系式 a為熱管的許用溫度系數(shù)由于：則 （5）K1管外至管內(nèi)的傳熱系數(shù)（加熱段）K2管內(nèi)至管外的傳熱系數(shù)（冷卻段）F1加熱段管外的傳熱面積F2冷卻段管外的傳熱面積（4）式的特理意義是對(duì)于一定的熱管（Tvm值）和一定的換熱條件（a值）則熱管的熱、冷流體溫度T、t滿足該關(guān)系式時(shí)熱管的工作是可靠的

5、，即滿足（4）式的冷熱流體溫度為該熱管的許用溫度。對(duì)于RGS250型水銅熱管Tvm=250則T=250（1+a）-at （6）由（6）式作圖，如圖2所示由圖2可以看出線簇的極點(diǎn)即是Tvm，即當(dāng)TTv時(shí)則熱管的工作必然是可靠的，TTvm時(shí)，熱管的工作點(diǎn)必須在T-t-a。圍成的三角形面積內(nèi)熱管工作是可靠的。許用溫度系數(shù)越大，則許用的溫度越高。在設(shè)計(jì)中可以選擇不同的t和a，以滿足（6）式的要求，例如：t=174 a=0.66時(shí)，其許用溫度為T=300。而=174 a=1時(shí)，其許用溫度為T=326。所以，流體溫度低于其許用溫度時(shí)，熱管的工作就是可靠的。對(duì)于氣一氣換熱可用來(lái)計(jì)算，其中G為流體質(zhì)量流速。三

6、、管壁溫度與強(qiáng)度極限由于金屬材料拉伸極限強(qiáng)度b一般是隨溫度的升高而降低，因此還必須考慮管外熱流體溫度的變化對(duì)壁溫的影響，美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)ASME規(guī)范規(guī)定,對(duì)于不燃燒的壓力容器，在任何溫度下的最大許用應(yīng)力是該溫度下材料拉伸強(qiáng)度級(jí)限的1/4(2)。圖3是文獻(xiàn)2提供及本廠試驗(yàn)的b-tw曲線，可見(jiàn)按文獻(xiàn)2提供的曲線計(jì)算是偏安的。計(jì)算管壁溫度建立通過(guò)復(fù)合界面W處的熱流通量方程則有 （7）其中：Tw復(fù)合界面壁溫 f外壁厚（鋼）T管外熱流溫度 i內(nèi)壁厚（鋼）Tv管內(nèi)工質(zhì)溫度 f外壁導(dǎo)熱系數(shù)di管內(nèi)徑 i內(nèi)壁導(dǎo)熱系數(shù)d0管外徑 f管外污垢熱阻i管內(nèi)放熱系數(shù) i管內(nèi)污垢熱阻0管外放熱系數(shù)f 取0.510-4

7、i 取0.210-4對(duì)于復(fù)合管（對(duì)于氣體換熱102）當(dāng)G=3kg/m2s時(shí) =354則b=10所以 Tw=1/11(T+10Tv)所以限定Tv=250時(shí)，則界面壁溫隨煙氣溫度的變化，如圖4所示?？梢钥闯霰跍囟冉咏诠軆?nèi)飽和溫度，因此對(duì)于氣一氣換熱，一般可簡(jiǎn)單地用：T=Tv+10來(lái)估算壁溫（保持Tvm不變時(shí)）。由圖3可以看出，可以用常溫b的1/2來(lái)計(jì)算250型熱管,管壁的許用應(yīng)力,即()=1/8bb為常溫下強(qiáng)度極限。四、工藝性試驗(yàn)80年末我們對(duì)拆下來(lái)失效的熱管進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)主要是由于封頭焊接處和抽空接嘴處泄漏造成的。為了提高熱管工作的可靠性，從81年初至82年初進(jìn)行了一系列的工藝性試驗(yàn)。在81年

8、初我們同哈工大熱工教研室焊接教研室合作，進(jìn)行了焊接與溫變?cè)囼?yàn)。其結(jié)果如下：1、封頭焊口檢查：通過(guò)直觀及金相檢查，發(fā)現(xiàn)破裂處發(fā)生在焊接縫及其附近，主裂口邊緣有分支裂口，并有大量氣孔。分析其原因：（1）封頭與鋼銅復(fù)合管焊接時(shí)，造成雙金屬焊接，由于焊縫是由銅和鋼的機(jī)械混合物構(gòu)成，而銅的導(dǎo)熱系數(shù)約為鋼的8倍，線脹系數(shù)比鋼大50%，所以當(dāng)溫度變化時(shí)，鋼與銅的接觸面之間將會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)會(huì)使銅和鋼的界面裂開(kāi)，（溫變?cè)囼?yàn)證實(shí)）（2）復(fù)合管夾層中有油污，焊接時(shí)在高溫作用下將產(chǎn)生氫氣和一氧化碳。銅在液態(tài)時(shí)能溶解較多的氫氣，而凝固時(shí)其溶解度大為減少，焊縫冷卻較快時(shí)，過(guò)剩的氧氣來(lái)不及逸出便形成氣孔，

9、此外銅在液態(tài)時(shí)很容易氧化，而形成氧化亞銅，它與一氧化碳作用而產(chǎn)生二氧化碳，二氧化碳不溶于銅液，在焊縫冷卻過(guò)快，來(lái)不及逸出也會(huì)形成氣孔。2、封頭焊接結(jié)構(gòu)為避免雙金屬焊接和增強(qiáng)封頭焊接的強(qiáng)度與致密性，進(jìn)行了不同封頭結(jié)構(gòu)的焊接試驗(yàn)，其數(shù)據(jù)如下表：試件號(hào)件數(shù)常溫水壓熱載內(nèi)壓爆破 溫變?cè)囼?yàn)-20250試驗(yàn)強(qiáng)度極限管內(nèi)溫度對(duì)應(yīng)壓力次數(shù)結(jié)果P，kgf/cm2Tv, Pv，kgf/cm2013753漏3325032011044365305958不漏54250307966漏其中0號(hào)為原設(shè)計(jì)的角接結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度數(shù)據(jù)高是因?yàn)殡p金屬焊接，包含鋼的成份，但致密性差，應(yīng)變能力差。3號(hào)4號(hào)為對(duì)接結(jié)構(gòu)，3號(hào)為焊縫自熔，4號(hào)焊縫

10、焊接時(shí)加焊絲補(bǔ)強(qiáng)。5號(hào)則為角接結(jié)構(gòu)，加焊絲，能夠避免雙金屬焊接。相比之下，4號(hào)試件的強(qiáng)度，致密性，應(yīng)變能力均好。3、抽空接嘴：金相檢查4個(gè)試件，各兩件，縱向、橫向切開(kāi)，發(fā)現(xiàn)在接縫中，有夾雜物，有的地方似乎已焊好，但將其放大160倍觀察，仍可觀察到有夾雜物，即冷焊后只在其尖角處局部焊合，因而強(qiáng)度低，經(jīng)水壓試驗(yàn)136 kgf/cm2即發(fā)生泄漏。改變焊接工藝后，強(qiáng)度大為增加，在400 kgf/cm2水壓試驗(yàn)時(shí)仍不泄漏。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)溫度波動(dòng)，容易超溫和滿足批量生產(chǎn)熱管的要求。進(jìn)行了單體和復(fù)合承壓的試驗(yàn)，摘錄部分?jǐn)?shù)據(jù)如下：冷拉試驗(yàn)表2試件號(hào)規(guī)格mm材質(zhì)焊接條件抗拉強(qiáng)度b kgf/cm2換算受壓強(qiáng)度極限

11、kgf/cm2斷裂情況1231.8T2銅A焊加焊絲20.5830熱影響區(qū)2251.520#鋼電焊70.62052熱影響區(qū)3251.520#鋼A焊，電焊621803熱影響區(qū)425120#鋼A焊621137熱影響區(qū)525120#鋼氣焊55.71012熱影響區(qū)注 A焊氬弧焊 熱拉試驗(yàn) 表3試件號(hào)材質(zhì)焊接條件試件溫度抗拉強(qiáng)度b kgf/mm2斷裂情況1T2A焊20015.5熱影響區(qū)2T2A焊25014.5熱影響區(qū)3T2A 焊30013.0熱影響區(qū)4T2A焊3509.5熱影響區(qū)5T2A焊4006.5熱影響區(qū) 從以上的試驗(yàn)看出常溫下鋼的強(qiáng)度約為銅的3倍，在溫度升高時(shí)，銅的強(qiáng)度降低比較多，因此不能只靠增加銅

12、壁厚來(lái)提高其承壓能力，為了提高其可靠性，需要采用復(fù)合承壓結(jié)構(gòu)。銅焊縫的金相檢查，對(duì)于壁厚為1.8mm的銅管與封頭焊接焊縫約有0.50.6mm未焊合，即占母材厚度的1/3。因此對(duì)于銅管與封頭的焊接，需要在工藝上保證焊縫的熔透。五、提高熱管工作可靠性的措施1、設(shè)計(jì)上的改進(jìn)80年4進(jìn)行了第一次設(shè)計(jì)，根據(jù)工藝性試驗(yàn)的結(jié)果，我們?cè)?1年3月及82年5月，又進(jìn)行了第二次和第三次設(shè)計(jì)進(jìn)一步提高了熱管工作的可靠性，主要指標(biāo)列表如下：第一次第二次第三次管材（外徑鋼厚銅厚）2511.52511.82511.8封頭焊接結(jié)構(gòu)角接對(duì)接對(duì)接承壓方式單體單體復(fù)合抽空接嘴冷焊A焊補(bǔ)強(qiáng)焊設(shè)計(jì)壓力kgf/cm2244064煙氣溫

13、度280300320應(yīng)用效果部分管換效基本良好良好2工藝上的改進(jìn)由一次熔焊改為二次溶焊，加深焊縫的熔透深度，由占母材的2/3左右提高到80-90%。冷拉伸試樣及熱拉伸試樣中有2030%是焊口斷裂，其拉伸極限只有母材的1/2，改進(jìn)工藝后，使焊接質(zhì)量趨于穩(wěn)定。以檢查熱管管內(nèi)真空度的好壞，如果真空度很差，就不能在設(shè)計(jì)的TVm時(shí)開(kāi)始工作，這樣的熱管在應(yīng)用中其工作也是不可靠的。3、加強(qiáng)質(zhì)量控制加強(qiáng)質(zhì)量控制，在生產(chǎn)中及出廠前進(jìn)行確保質(zhì)量的檢查，對(duì)于熱管工作的可靠性是十分重要的。（1）在抽空前對(duì)熱管的殼體及焊縫進(jìn)行氣壓檢漏，壓力為T對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓11.1倍，對(duì)于250型熱管采用4044kg/cm2的氣壓。壓力太低，有些微滲漏處很難發(fā)現(xiàn)，例如試驗(yàn)過(guò)，在12 kg/cm2發(fā)現(xiàn)不了滲漏，而在30 kg/cm2以上就發(fā)現(xiàn)明顯的滲漏處。（2）熱載檢查使熱管Tv=Tvm，即將熱管全長(zhǎng)放入250爐中恒溫半小時(shí)，這樣管內(nèi)溫度Tv=250，管內(nèi)形成40 kg/cm2的壓力，管嘴、管殼在熱態(tài)下承受這一壓力，如果無(wú)問(wèn)題，在應(yīng)用中就會(huì)可靠的工作，我們?cè)?jīng)試驗(yàn)過(guò)19支管，出爐冷卻后，聲響檢查就有一支是失效