熱3016RGS250型水銅熱管工作的可靠性研究

1、編號熱3016RGS250型水銅熱管工作的可靠性研究宋英華哈爾濱空氣調節(jié)機廠中國工程熱物理學會 第一屆熱管會議傳 熱 傳 質 學 會 1 9 8 3 年 8 月 一、前 言在1978年第三屆國際熱管會議上日本提出了一個大型熱管換熱器的設計，其換熱元件為水銅熱管（鋼銅復合管，鋼翅片）。在1979年前后我國許多單位亦開展了水銅熱管的研制，但是在工業(yè)產和應用卻遇到了困難，這就是許多熱管在運行一段時間后失效的問題。我廠研制的水銅熱管，1980年10月在撫順石油三廠工業(yè)裝置上應用以來，也曾出現(xiàn)部分熱管工作一段時間就失效的問題。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題。目前在長嶺煉

2、廠、首都鋼鐵公司、哈爾濱印染廠等單位應用的水銅熱管，基本上都能滿足長期運行的要求。影響熱管長期使用的因素很多，但總的可分為兩類問題。第一類是熱管密封性的破壞，這是一個物理過程，這一過程發(fā)生比較迅速，會使熱管很快失效，對這一類問題的研究，我們稱之為熱管工作的可靠性研究。第二類問題是熱管管內不凝氣體的產生，這是一個化學過程，這一過程發(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題是水銅熱管應用中的主要問題。水銅熱管的可靠性問題主要由熱管的應運條件和熱管的品質設計、工藝、質量控制兩方面因素構成

3、。二、RGS-250型水銅熱管的許用溫度熱管主要借助于工質在管內的蒸發(fā)和凝結完成熱量的傳遞，不同工質有其不同的溫度適用范圍和品質因數M（1）其中：工質的液相密度表面張力L汽化潛熱工質的液相動力粘度在100250范圍內，水的M數大，價格便宜，是一種理想的工質，但由于水的飽和蒸汽壓隨溫度的升高而增長很快，如圖1所示，過高的管內壓力將會破壞熱管的密封性，造成熱的損壞。而RGS250型水銅熱管則限定Tv250，即使用時管內壓力不超過40kgf/cm2，熱管管內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，對于熱管的加質變段與冷卻段有 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管內工質溫度 Q熱流量 R管外至管內的熱阻（加熱段） r管內至管外的熱阻（冷卻段）（1）（2）得 令 則得 （3）對于按一定設計和工藝要求制造的熱管，允許管內最高工作溫度為Tvm，用Tvm代替Tv，則由（3）式導出：T=（1+a）Tvm-at (4)定義（4）式為熱管的許用溫度關系式 a為熱管的許用溫度系數由于：則 （5）K1管外至管內的傳熱系數（加熱段）K2管內至管外的傳熱系數（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滿足該關系式時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即是Tvm，即當TTv時則熱管的工作必然是可靠的，TTvm時，熱管的工作點必須在T-t-a。圍成的三角形面積內熱管工作是可靠的。許用溫度系數越大，則許用的溫度越高。在設計中可以選擇不同的t和a，以滿足（6）式的要求，例如：t=174 a=0.66時，其許用溫度為T=300。而=174 a=1時，其許用溫度為T=326。所以，流體溫度低于其許用溫度時，熱管的工作就是可靠的。對于氣一氣換熱可用來計算，其中G為流體質量流速。三

6、、管壁溫度與強度極限由于金屬材料拉伸極限強度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壁溫的影響，美國機械工程師學會ASME規(guī)范規(guī)定,對于不燃燒的壓力容器，在任何溫度下的最大許用應力是該溫度下材料拉伸強度級限的1/4(2)。圖3是文獻2提供及本廠試驗的b-tw曲線，可見按文獻2提供的曲線計算是偏安的。計算管壁溫度建立通過復合界面W處的熱流通量方程則有 （7）其中：Tw復合界面壁溫 f外壁厚（鋼）T管外熱流溫度 i內壁厚（鋼）Tv管內工質溫度 f外壁導熱系數di管內徑 i內壁導熱系數d0管外徑 f管外污垢熱阻i管內放熱系數 i管內污垢熱阻0管外放熱系數f 取0.510-4

7、i 取0.210-4對于復合管（對于氣體換熱102）當G=3kg/m2s時 =354則b=10所以 Tw=1/11(T+10Tv)所以限定Tv=250時，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诠軆蕊柡蜏囟龋虼藢τ跉庖粴鈸Q熱，一般可簡單地用：T=Tv+10來估算壁溫（保持Tvm不變時）。由圖3可以看出，可以用常溫b的1/2來計算250型熱管,管壁的許用應力,即()=1/8bb為常溫下強度極限。四、工藝性試驗80年末我們對拆下來失效的熱管進行檢查，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年初進行了一系列的工藝性試驗。在81年

8、初我們同哈工大熱工教研室焊接教研室合作，進行了焊接與溫變試驗。其結果如下：1、封頭焊口檢查：通過直觀及金相檢查，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）封頭與鋼銅復合管焊接時，造成雙金屬焊接，由于焊縫是由銅和鋼的機械混合物構成，而銅的導熱系數約為鋼的8倍，線脹系數比鋼大50%，所以當溫度變化時，鋼與銅的接觸面之間將會產生較大的應力，當應力足夠大時會使銅和鋼的界面裂開，（溫變試驗證實）（2）復合管夾層中有油污，焊接時在高溫作用下將產生氫氣和一氧化碳。銅在液態(tài)時能溶解較多的氫氣，而凝固時其溶解度大為減少，焊縫冷卻較快時，過剩的氧氣來不及逸出便形成氣孔，

9、此外銅在液態(tài)時很容易氧化，而形成氧化亞銅，它與一氧化碳作用而產生二氧化碳，二氧化碳不溶于銅液，在焊縫冷卻過快，來不及逸出也會形成氣孔。2、封頭焊接結構為避免雙金屬焊接和增強封頭焊接的強度與致密性，進行了不同封頭結構的焊接試驗，其數據如下表：試件號件數常溫水壓熱載內壓爆破 溫變試驗-20250試驗強度極限管內溫度對應壓力次數結果P，kgf/cm2Tv, Pv，kgf/cm2013753漏3325032011044365305958不漏54250307966漏其中0號為原設計的角接結構，其強度數據高是因為雙金屬焊接，包含鋼的成份，但致密性差，應變能力差。3號4號為對接結構，3號為焊縫自熔，4號焊縫

10、焊接時加焊絲補強。5號則為角接結構，加焊絲，能夠避免雙金屬焊接。相比之下，4號試件的強度，致密性，應變能力均好。3、抽空接嘴：金相檢查4個試件，各兩件，縱向、橫向切開，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，因而強度低，經水壓試驗136 kgf/cm2即發(fā)生泄漏。改變焊接工藝后，強度大為增加，在400 kgf/cm2水壓試驗時仍不泄漏。針對現(xiàn)場使用時溫度波動，容易超溫和滿足批量生產熱管的要求。進行了單體和復合承壓的試驗，摘錄部分數據如下：冷拉試驗表2試件號規(guī)格mm材質焊接條件抗拉強度b kgf/cm2換算受壓強度極限

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 表3試件號材質焊接條件試件溫度抗拉強度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) 從以上的試驗看出常溫下鋼的強度約為銅的3倍，在溫度升高時，銅的強度降低比較多，因此不能只靠增加銅

12、壁厚來提高其承壓能力，為了提高其可靠性，需要采用復合承壓結構。銅焊縫的金相檢查，對于壁厚為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、設計上的改進80年4進行了第一次設計，根據工藝性試驗的結果，我們在81年3月及82年5月，又進行了第二次和第三次設計進一步提高了熱管工作的可靠性，主要指標列表如下：第一次第二次第三次管材（外徑鋼厚銅厚）2511.52511.82511.8封頭焊接結構角接對接對接承壓方式單體單體復合抽空接嘴冷焊A焊補強焊設計壓力kgf/cm2244064煙氣溫

13、度280300320應用效果部分管換效基本良好良好2工藝上的改進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，改進工藝后，使焊接質量趨于穩(wěn)定。以檢查熱管管內真空度的好壞，如果真空度很差，就不能在設計的TVm時開始工作，這樣的熱管在應用中其工作也是不可靠的。3、加強質量控制加強質量控制，在生產中及出廠前進行確保質量的檢查，對于熱管工作的可靠性是十分重要的。（1）在抽空前對熱管的殼體及焊縫進行氣壓檢漏，壓力為T對應飽和蒸汽壓11.1倍，對于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)，例如試驗過，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，即將熱管全長放入250爐中恒溫半小時，這樣管內溫度Tv=250，管內形成40 kg/cm2的壓力，管嘴、管殼在熱態(tài)下承受這一壓力，如果無問題，在應用中就會可靠的工作，我們曾經試驗過19支管，出爐冷卻后，聲響檢查就有一支是失效