热3016RGS-250型水铜热管工作的可靠性研究

1、编号热3016RGS250型水铜热管工作的可靠性研究宋英华哈尔滨空气调节机厂中国工程热物理学会 第一届热管会议传 热 传 质 学 会 1 9 8 3 年 8 月 一、前 言在1978年第三届国际热管会议上日本提出了一个大型热管换热器的设计，其换热元件为水铜热管（钢铜复合管，钢翅片）。在1979年前后我国许多单位亦开展了水铜热管的研制，但是在工业产和应用却遇到了困难，这就是许多热管在运行一段时间后失效的问题。我厂研制的水铜热管，1980年10月在抚顺石油三厂工业装置上应用以来，也曾出现部分热管工作一段时间就失效的问题。到82年秋完成了水铜热管工作的可靠性研究后，基本上解决了这一问题。目前在长岭炼

2、厂、首都钢铁公司、哈尔滨印染厂等单位应用的水铜热管，基本上都能满足长期运行的要求。影响热管长期使用的因素很多，但总的可分为两类问题。第一类是热管密封性的破坏，这是一个物理过程，这一过程发生比较迅速，会使热管很快失效，对这一类问题的研究，我们称之为热管工作的可靠性研究。第二类问题是热管管内不凝气体的产生，这是一个化学过程，这一过程发生比较缓慢，使热管的性能逐渐降低，以致最终失效。通常称之为热管的相 容性的研究，由于大量的研究（1）表明水铜的相容性很好。因此，水铜热管工作的可靠性的问题是水铜热管应用中的主要问题。水铜热管的可靠性问题主要由热管的应运条件和热管的品质设计、工艺、质量控制两方面因素构成

3、。二、RGS-250型水铜热管的许用温度热管主要借助于工质在管内的蒸发和凝结完成热量的传递，不同工质有其不同的温度适用范围和品质因数M（1）其中：工质的液相密度表面张力L汽化潜热工质的液相动力粘度在100250范围内，水的M数大，价格便宜，是一种理想的工质，但由于水的饱和蒸汽压随温度的升高而增长很快，如图1所示，过高的管内压力将会破坏热管的密封性，造成热的损坏。而RGS250型水铜热管则限定Tv250，即使用时管内压力不超过40kgf/cm2，热管管内温度高低则取决于管外冷热流体温度及冷热段的换热情况，对于热管的加质变段与冷却段有 T-Tv=QR (1)Tv-t=Qr (2)式中： T管外热流

4、体温度 t管外冷流体温度 Tv管内工质温度 Q热流量 R管外至管内的热阻（加热段） r管内至管外的热阻（冷却段）（1）÷（2）得 令 则得 （3）对于按一定设计和工艺要求制造的热管，允许管内最高工作温度为Tvm，用Tvm代替Tv，则由（3）式导出：T=（1+a）Tvm-at (4)定义（4）式为热管的许用温度关系式 a为热管的许用温度系数由于：则 （5）K1管外至管内的传热系数（加热段）K2管内至管外的传热系数（冷却段）F1加热段管外的传热面积F2冷却段管外的传热面积（4）式的特理意义是对于一定的热管（Tvm值）和一定的换热条件（a值）则热管的热、冷流体温度T、t满足该关系式时热管的

5、工作是可靠的，即满足（4）式的冷热流体温度为该热管的许用温度。对于RGS250型水铜热管Tvm=250则T=250（1+a）-at （6）由（6）式作图，如图2所示由图2可以看出线簇的极点即是Tvm，即当TTv时则热管的工作必然是可靠的，T>Tvm时，热管的工作点必须在T-t-a。围成的三角形面积内热管工作是可靠的。许用温度系数越大，则许用的温度越高。在设计中可以选择不同的t和a，以满足（6）式的要求，例如：t=174 a=0.66时，其许用温度为T=300。而=174 a=1时，其许用温度为T=326。所以，流体温度低于其许用温度时，热管的工作就是可靠的。对于气一气换热可用来计算，其中

6、G为流体质量流速。三、管壁温度与强度极限由于金属材料拉伸极限强度b一般是随温度的升高而降低，因此还必须考虑管外热流体温度的变化对壁温的影响，美国机械工程师学会ASME规范规定,对于不燃烧的压力容器，在任何温度下的最大许用应力是该温度下材料拉伸强度级限的1/4(2)。图3是文献2提供及本厂试验的b-tw曲线，可见按文献2提供的曲线计算是偏安的。计算管壁温度建立通过复合界面W处的热流通量方程则有 （7）其中：Tw 复合界面壁温 f外壁厚（钢）T管外热流温度 i内壁厚（钢）Tv管内工质温度 f外壁导热系数di管内径 i内壁导热系数d0管外径 f管外污垢热阻i管内放热系数 i管内污垢热阻0管

7、外放热系数f 取0.5×10-4 i 取0.2×10-4对于复合管（对于气体换热102）当G=3kg/m2s时 =354则b=10所以 Tw=1/11(T+10Tv)所以限定Tv=250时，则界面壁温随烟气温度的变化，如图4所示。可以看出壁温度接近于管内饱和温度，因此对于气一气换热，一般可简单地用：T=Tv+10来估算壁温（保持Tvm不变时）。由图3可以看出，可以用常温b°的1/2来计算250型热管,管壁的许用应力,即()=1/8b°b°为常温下强度极限。四、工艺性试验80年末我们对拆下来失效的热管进行检查，发现主要是由于封头焊接处和抽空接嘴处

8、泄漏造成的。为了提高热管工作的可靠性，从81年初至82年初进行了一系列的工艺性试验。在81年初我们同哈工大热工教研室焊接教研室合作，进行了焊接与温变试验。其结果如下：1、封头焊口检查：通过直观及金相检查，发现破裂处发生在焊接缝及其附近，主裂口边缘有分支裂口，并有大量气孔。分析其原因：（1）封头与钢铜复合管焊接时，造成双金属焊接，由于焊缝是由铜和钢的机械混合物构成，而铜的导热系数约为钢的8倍，线胀系数比钢大50%，所以当温度变化时，钢与铜的接触面之间将会产生较大的应力，当应力足够大时会使铜和钢的界面裂开，（温变试验证实）（2）复合管夹层中有油污，焊接时在高温作用下将产生氢气和一氧化碳。铜在液态时

9、能溶解较多的氢气，而凝固时其溶解度大为减少，焊缝冷却较快时，过剩的氧气来不及逸出便形成气孔，此外铜在液态时很容易氧化，而形成氧化亚铜，它与一氧化碳作用而产生二氧化碳，二氧化碳不溶于铜液，在焊缝冷却过快，来不及逸出也会形成气孔。2、封头焊接结构为避免双金属焊接和增强封头焊接的强度与致密性，进行了不同封头结构的焊接试验，其数据如下表：试件号件数常温水压热载内压爆破 温变试验-20250试验强度极限管内温度对应压力次数结果P，kgf/cm2Tv, Pv，kgf/cm2013753漏3325032011044365305958不漏54250307966漏其中0号为原设计的角接结构，其强度数据高是因为双

10、金属焊接，包含钢的成份，但致密性差，应变能力差。3号4号为对接结构，3号为焊缝自熔，4号焊缝焊接时加焊丝补强。5号则为角接结构，加焊丝，能够避免双金属焊接。相比之下，4号试件的强度，致密性，应变能力均好。3、抽空接嘴：金相检查4个试件，各两件，纵向、横向切开，发现在接缝中，有夹杂物，有的地方似乎已焊好，但将其放大160倍观察，仍可观察到有夹杂物，即冷焊后只在其尖角处局部焊合，因而强度低，经水压试验136 kgf/cm2即发生泄漏。改变焊接工艺后，强度大为增加，在400 kgf/cm2水压试验时仍不泄漏。针对现场使用时温度波动，容易超温和满足批量生产热管的要求。进行了单体和复合承压的试验，摘录部

11、分数据如下：冷拉试验表2试件号规格mm材质焊接条件抗拉强度b kgf/cm2换算受压强度极限kgf/cm2断裂情况123×1.8T2铜A焊加焊丝20.5830热影响区225×1.520#钢电焊70.62052热影响区325×1.520#钢A焊，电焊621803热影响区425×120#钢A焊621137热影响区525×120#钢气焊55.71012热影响区注 A焊氩弧焊 热拉试验 表3试件号材质焊接条件试件温度抗拉强度b kgf/mm2断裂情况1T2A焊20015.5热影响区2T2A焊25014.5热影响区3T2A 焊30013.0热影响区4T2

12、A焊3509.5热影响区5T2A焊4006.5热影响区 从以上的试验看出常温下钢的强度约为铜的3倍，在温度升高时，铜的强度降低比较多，因此不能只靠增加铜壁厚来提高其承压能力，为了提高其可靠性，需要采用复合承压结构。铜焊缝的金相检查，对于壁厚为1.8mm的铜管与封头焊接焊缝约有0.50.6mm未焊合，即占母材厚度的1/3。因此对于铜管与封头的焊接，需要在工艺上保证焊缝的熔透。五、提高热管工作可靠性的措施1、设计上的改进80年4进行了第一次设计，根据工艺性试验的结果，我们在81年3月及82年5月，又进行了第二次和第三次设计进一步提高了热管工作的可靠性，主要指标列表如下：第一次第二次第三次管材（外径

13、×钢厚×铜厚）25×1×1.525×1×1.825×1×1.8封头焊接结构角接对接对接承压方式单体单体复合抽空接嘴冷焊A焊补强焊设计压力kgf/cm2244064烟气温度280300320应用效果部分管换效基本良好良好2工艺上的改进由一次熔焊改为二次溶焊，加深焊缝的熔透深度，由占母材的2/3左右提高到80-90%。冷拉伸试样及热拉伸试样中有2030%是焊口断裂，其拉伸极限只有母材的1/2，改进工艺后，使焊接质量趋于稳定。以检查热管管内真空度的好坏，如果真空度很差，就不能在设计的TVm时开始工作，这样的热管在应用中其

14、工作也是不可靠的。3、加强质量控制加强质量控制，在生产中及出厂前进行确保质量的检查，对于热管工作的可靠性是十分重要的。（1）在抽空前对热管的壳体及焊缝进行气压检漏，压力为T对应饱和蒸汽压11.1倍，对于250型热管采用4044kg/cm2的气压。压力太低，有些微渗漏处很难发现，例如试验过，在12 kg/cm2发现不了渗漏，而在30 kg/cm2以上就发现明显的渗漏处。（2）热载检查使热管Tv=Tvm，即将热管全长放入250炉中恒温半小时，这样管内温度Tv=250，管内形成40 kg/cm2的压力，管嘴、管壳在热态下承受这一压力，如果无问题，在应用中就会可靠的工作，我们曾经试验过19支管，出炉冷却后，声响检查就