热3016RGS250型水铜热管工作的可靠性研究.docx
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热3016RGS250型水铜热管工作的可靠性研究
编号热3016
RGS—250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
1983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。
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100~250℃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RGS—250型水铜热管则限定Tv≤250℃，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RGS——250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T≤Tv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σb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σb-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δf——外壁厚（钢）
T——管外热流温度δi——内壁厚（钢）
Tv——管内工质温度λf——外壁导热系数
di——管内径λi——内壁导热系数
d0——管外径γf——管外污垢热阻
αi——管内放热系数γi——管内污垢热阻
α0——管外放热系数
γf取0.5×10-4
γi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σb°的1/2来计算250型热管,管壁的许用应力,即（σ）=1/8σb°
σb°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-20~250℃
试验强度极限
管内温度
对应压力
次数
结果
P，kgf/cm2
Tv,℃
Pv，kgf/cm2
0
1
375
─
─
3
漏
3
3
250
320
110
─
─
4
4
365
305
95
8
不漏
5
4
250
307
96
6
漏
其中0号为原设计的角接结构，其强度数据高是因为双金属焊接，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136kgf/cm2即发生泄漏。
改变焊接工艺后，强度大为增加，在400kgf/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
σbkgf/cm2
换算受压强度极限kgf/cm2
断裂情况
1
φ23×1.8
T2铜
A焊加焊丝
20.5
830
热影响区
2
φ25×1.5
20#钢
电焊
70.6
2052
热影响区
3
φ25×1.5
20#钢
A焊，电焊
62
1803
热影响区
4
φ25×1
20#钢
A焊
62
1137
热影响区
5
φ25×1
20#钢
气焊
55.7
1012
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
σbkgf/mm2
断裂情况
1
T2
A焊
200℃
15.5
热影响区
2
T2
A焊
250℃
14.5
热影响区
3
T2
A焊
300℃
13.0
热影响区
4
T2
A焊
350℃
9.5
热影响区
5
T2
A焊
400℃
6.5
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0.5~0.6mm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×钢厚×铜厚）
φ25×1×1.5
φ25×1×1.8
φ25×1×1.8
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/cm2
24
40
64
烟气温度℃
280
300
320
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20~30%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1~1.1倍，对于250型热管采用40~44kg/cm2的气压。
压力太低，有些微渗漏处很难发现，例如试验过，在12kg/cm2发现不了渗漏，而在30kg/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40kg/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，声响检查就有一支是失效的。
（3）起动检查
使热管Tv=Tvo（热管起始稳定工作的温度）。
由于在设计、工艺和质量控制方面采取了改进措施，使水铜热管的品质有很大的提高，国外资料一般介绍水的工质温度范围30~200
（1）及5~220
（2）。
RGS-250型热管则使其工质的最高温度扩展到250℃。
此外在82年9月同某单位的水铜热管在同一条件下进行了性能、温度、起动、热爆破四项试验，前三项指标相近，而热爆破压力则是其2.5倍，表明RGS—250型热管的工作是可靠的。
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