金 平 吳開斌

(武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所)

近年來，制冷裝置事故不斷出現(xiàn)，給國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來巨大損失。制冷裝置的安全問題不容小覷，應(yīng)該從源頭抓起，從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就嚴(yán)格把關(guān)，我國現(xiàn)行的制冷裝置設(shè)計(jì)、制造一般選用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47012-2010[1]，換熱管是制冷壓力容器的主要受壓元件，換熱管的強(qiáng)度直接關(guān)系到容器的安全性能。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，許用應(yīng)力的選取是強(qiáng)度計(jì)算的前提，也直接關(guān)系到材料厚度從而影響換熱器的安全性和經(jīng)濟(jì)性，筆者就標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TP2管材的許用應(yīng)力相關(guān)條款展開討論。

1 TP2的許用應(yīng)力選取規(guī)定

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中4.6.1的規(guī)定，銅及銅合金管材的標(biāo)準(zhǔn)、使用狀態(tài)和許用應(yīng)力見表11，表11中對(duì)TP2管材規(guī)定了材料的引用標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 1527-2006[2]或GB/T 17791-2007[3]，加工狀態(tài)是M(軟態(tài))，其強(qiáng)度極限Rm=205MPa，其非比例延伸強(qiáng)度(近似于屈服極限)Rp0.2=45MPa,這個(gè)數(shù)值參考了JB/T 4755-2006[4]的數(shù)據(jù)，在文獻(xiàn)[4]的表5.4和表5.5注解中對(duì)Rp0.2的下限保證值在材料標(biāo)準(zhǔn)中未提及，45MPa為該標(biāo)準(zhǔn)推薦值。同時(shí)，在文獻(xiàn)[1]的8.3.1.5中又規(guī)定高效換熱管應(yīng)按照J(rèn)B/T 10503-2005[5]和GB/T 20928-2007[6]的參數(shù)與技術(shù)要求的規(guī)定。在文獻(xiàn)[5]中TP2的加工狀態(tài)分M和Y2(半硬)兩種狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度極限Rm≥205MPa(M)和Rm=245～325MPa(Y2)；對(duì)應(yīng)屈服極限Rp0.5≥62MPa(M)和Rp0.5≥205MPa(Y2)。

2 實(shí)際選取中遇到的問題

某空調(diào)機(jī)組制冷換熱器設(shè)計(jì)按照文獻(xiàn)[1]執(zhí)行，選用TP2直翅片內(nèi)螺紋高效換熱管作為換熱管。由于文獻(xiàn)[5]中TP2管材有兩種加工狀態(tài)：M和Y2，且兩種加工狀態(tài)的強(qiáng)度極限和屈服極限差別很大，得到的許用應(yīng)力也相應(yīng)差別很大。筆者從直翅片內(nèi)螺紋銅管的加工工藝過程來尋找答案，其胚管的通用加工工藝為[7]：上引/水平連鑄→冷軋→拉拔→光亮退火→聯(lián)合精整→成品胚管。高效管的通用加工工藝為：成品胚管→軋絲→齒形檢查→一次清洗→鋸切倒角→二次清洗→光潔度檢查→耐壓試驗(yàn)→干燥→成品管。

銅管的退火一般采用真空退火，溫度480～520℃，保溫2～3h，這是M態(tài)的；Y2態(tài)是先退火好，再拉管一道(因爐內(nèi)溫度不均勻，理論是直接退火可以，實(shí)際廠家都沒有這樣做，靠退火后的拉管變形系數(shù)來保證軟硬要求)；拉管好的銅管就是Y2態(tài)了，不需要退火，文獻(xiàn)[2]中的銅管熱處理狀態(tài)就是M態(tài)。雖然高效管管坯要求為M態(tài)，在其軋絲過程中一般翅片段都有較大殘余變形，存在加工硬化，所以其成品管中存在M態(tài)和Y2態(tài)兩種狀態(tài)。兩種熱處理狀態(tài)的屈服強(qiáng)度差別很大，在應(yīng)用過程中，文獻(xiàn)[5]在許用應(yīng)力選取是按GB 151-1999[8]的表D6來選取，其中包括了退火(M態(tài))和輕拉(Y2態(tài))，其20℃許用應(yīng)力分別為41MPa和62MPa，后者為前者1.5倍。制造廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)肯定傾向用Y2態(tài)銅管，其許用應(yīng)力值更高，設(shè)計(jì)壁厚可以更小，節(jié)約銅管成本；從用戶角度出發(fā)，期望用低許用應(yīng)力的M態(tài)，設(shè)計(jì)壁厚大設(shè)備更安全，且壁厚大更耐均勻腐蝕。由于文獻(xiàn)[1]中銅管的熱處理狀態(tài)規(guī)定只允許M態(tài)，所以市場(chǎng)上大多銅管的熱處理狀態(tài)只標(biāo)注了胚管的熱處理狀態(tài)為M態(tài)，對(duì)實(shí)際加工后的熱處理狀態(tài)未標(biāo)注。而對(duì)于文獻(xiàn)[5]的高效管，在同一根銅管上存在兩種不同的熱處理狀態(tài)，銅管的熱處理狀態(tài)的具體界定和如何檢測(cè)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)都沒有明確要求，只是對(duì)不同熱處理狀態(tài)的強(qiáng)度極限、屈服極限、硬度指標(biāo)提出了要求，所以檢驗(yàn)產(chǎn)品的熱處理狀態(tài)只能通過取樣檢測(cè)這3個(gè)指標(biāo)來判斷。

3 取樣試驗(yàn)

取一段φ19mm×1.13mmTP2成品高效管，銅管化學(xué)成分見表1。

表1 TP2的化學(xué)成分 %

光管段拉伸試驗(yàn)按GB/T 228.1-2010完成，測(cè)試結(jié)果：強(qiáng)度極限Rm=243MPa，屈服極限Rp0.2=63MPa，斷后伸長率A=54.5%(標(biāo)距50mm)。光管段硬度測(cè)試按GB/T 4340.1-2009完成，HV值為60(大頭)和61(小頭)。翅片段齒形測(cè)試結(jié)果平均值為：壁厚0.66mm，外齒高0.95mm，內(nèi)齒高0.37mm。

高效管的生產(chǎn)圖一般由銅管廠家根據(jù)空調(diào)制造單位的設(shè)計(jì)圖樣制造，同時(shí)符合文獻(xiàn)[5]中表1的基本參數(shù)要求即可?？照{(diào)制造單位在強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮整根換熱管的最薄弱位置所能承受的最大載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，加工過程也應(yīng)嚴(yán)格控制管材的伸長變形量，這樣有益于產(chǎn)品的安全。實(shí)際銅合金材料沒有明顯的屈服階段，其屈服極限按產(chǎn)生0.2%的塑形變形的應(yīng)力值作為屈服極限，在銅合金的塑形變形過程中，伴隨著明顯的加工硬化現(xiàn)象，即使在光管段出現(xiàn)屈服，其塑形變形后材料的承載能力就會(huì)增大，直到達(dá)到強(qiáng)度極限之后斷裂失效，所以雖然薄弱環(huán)節(jié)在光管段，實(shí)際過程中由于光管塑形變形后承載能力增強(qiáng)，最終最為薄弱的位置還是翅片段，翅片段局部厚度小于光管段，所以筆者認(rèn)為對(duì)于銅合金材料采用強(qiáng)度極限除以安全系數(shù)作為許用應(yīng)力從理論上更加合理。

4 結(jié)論

4.1如果選用光管作為換熱管，其許用應(yīng)力的選取應(yīng)嚴(yán)格遵循NB/T 47012-2010中表11的要求進(jìn)行選取。

4.2如果選用高效管作為換熱管，若材料證明

書注明材料熱處理狀態(tài)為M態(tài)，其許用應(yīng)力按GB 151-1999表D6中退火的許用應(yīng)力選??；若材質(zhì)證明書中注明材料熱處理狀態(tài)為Y2態(tài)，則應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖樣中的翅片段的徑壁厚與光管段的壁厚進(jìn)行計(jì)算，按所能承受較小載荷處的許用應(yīng)力進(jìn)行選取。

4.3銅合金沒有明顯屈服極限，加工硬化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，應(yīng)在加工過程中嚴(yán)格控制其伸長變形量，其許用應(yīng)力采用強(qiáng)度極限除以安全系數(shù)更加合理。

[1] NB/T 47012-2010，制冷裝置用壓力容器[S].北京：新華出版社，2010.

[2] GB/T 1527-2006，銅及銅合金拉制管[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] GB/T 17791-2007，空調(diào)與制冷設(shè)備用無縫銅管[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4] JB/T 4755-2006，銅制壓力容器[S].北京：新華出版社，2006.

[5] JB/T 10503-2005，空調(diào)與制冷用高效換熱管[S]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[6] GB/T 20928-2007，無縫內(nèi)螺紋銅管[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[7] 張御天，趙紅.TP2銅管的上引生產(chǎn)工藝探討[J].有色金屬加工，2005，43(1):13～16.

[8] GB 151-1999，管殼式換熱器[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.