金 平 吳開(kāi)斌 武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所

關(guān)于NB/T 47012-2010中TP2管材的許用應(yīng)力

金 平 吳開(kāi)斌 武漢市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所

許用應(yīng)力的選取是強(qiáng)度計(jì)算的前提，TP2高效管由于加工工藝特點(diǎn)造成其許用應(yīng)力選取與其熱處理狀態(tài)有關(guān)，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)軋絲后的高效管的拉伸試驗(yàn)和硬度進(jìn)行測(cè)試，討論翅片加工工藝對(duì)強(qiáng)度和硬度的影響，并討論了同一根TP2管材不同熱處理狀態(tài)的許用應(yīng)力如何選取，并提出對(duì)銅合金材料，筆者認(rèn)為其許用應(yīng)力采用強(qiáng)度極限除以安全系數(shù)更加合理。

制冷裝置 壓力容器 許用應(yīng)力 銅合金

近年來(lái)，制冷裝置事故不斷出現(xiàn)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大損失。2013年4月21日20時(shí)05分，四川省眉山市金鳳食品廠生豬屠宰場(chǎng)凍庫(kù)再發(fā)液氨泄漏，造成4人死亡，22人急性氨中毒；2013年6月3日清晨，吉林省德惠市寶源豐禽業(yè)有限公司發(fā)生火災(zāi)，共造成120人遇難，70人受傷；2013年8月31日上午10時(shí)50分左右，上海翁牌冷藏實(shí)業(yè)有限公司，發(fā)生液氨泄漏事故，造成15人死亡，8人重傷，17人輕傷。制冷裝置的安全問(wèn)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(guó)現(xiàn)行的制冷裝置設(shè)計(jì)、制造標(biāo)準(zhǔn)一般選用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47012-2010《制冷裝置用壓力容器》(后文中簡(jiǎn)稱(chēng)“標(biāo)準(zhǔn)”)，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，許用應(yīng)力的選取也直接關(guān)系到材料厚度從而影響換熱器的安全性和經(jīng)濟(jì)性，本文就“標(biāo)準(zhǔn)”中對(duì)TP2管材的許用應(yīng)力相關(guān)條款理解及展開(kāi)討論。

1 TP2的許用應(yīng)力選取規(guī)定

根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”中4.6.1的規(guī)定了銅及銅合金管材的標(biāo)準(zhǔn)、使用狀態(tài)和許用應(yīng)力表11其中對(duì)TP2管材規(guī)定了材料的引用標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 1527-2006《銅及銅合金拉制管》或GB/T 17791-2007《空調(diào)與制冷設(shè)備用無(wú)縫銅管》，加工狀態(tài)是M(軟態(tài))，其強(qiáng)度極限(Rm)為205MPa，其非比例延伸強(qiáng)度(近似于屈服極限，Rp0.2)為45MPa,這個(gè)數(shù)值參考了JB/T 4755-2006《銅制壓力容器》的數(shù)據(jù)，在JB/T 4755中表5.4和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“標(biāo)準(zhǔn)”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《空調(diào)與制冷用高效換熱管》和GB/T 20928-2007《無(wú)縫內(nèi)螺紋銅管》的參數(shù)與技術(shù)要求的規(guī)定。在JB/T 10503-2005標(biāo)準(zhǔn)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)為≥205MPa和245～325MPa，其屈服極限(Rp0.5)為≥62MPa和≥205MPa。

2 實(shí)際選取中遇到的問(wèn)題

某空調(diào)機(jī)組制冷換熱器設(shè)計(jì)按照“標(biāo)準(zhǔn)”執(zhí)行，選用TP2直翅片內(nèi)螺紋高效換熱管作為換熱管，其強(qiáng)度計(jì)算時(shí)許用應(yīng)力應(yīng)如何選取，由于JB/T 10503標(biāo)準(zhǔn)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。這里從直翅片內(nèi)螺紋銅管的加工工藝過(guò)程來(lái)尋找答案，其胚管的通用加工工藝如下[1]：

上引／水平連鑄→冷軋→拉拔→光亮退火→聯(lián)合靜整→成品胚管

高效管的通用加工工藝如下：

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，溫度是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(méi)有這樣做，靠退火后的拉管的變形系數(shù)來(lái)保證軟硬要求)；拉管好的銅管就是Y2態(tài)了，不需要退火，GB/T 1527-2006中的銅管熱處理狀態(tài)就是M態(tài)。對(duì)于高效管，雖然管坯要求為M態(tài)，在其軋絲過(guò)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(guò)程中，JB/T 10503-2005在許用應(yīng)力選取是按GB 151-1999《管殼式換熱器》[8]的表D6來(lái)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(hù)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“標(biāo)準(zhǔn)”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JB/T 10503的高效管，在同一根銅管上存在兩種不同熱處理狀態(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(méi)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、硬度制度提出要求，所以檢驗(yàn)產(chǎn)品的熱處理狀態(tài)只能通過(guò)取樣檢測(cè)這三個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷。

3 取樣試驗(yàn)

取一段φ19mm×1.13mmTP2成品高效管，其化學(xué)成份見(jiàn)表1，在光管段和翅片段進(jìn)行分別取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，翅片段齒形檢測(cè)(見(jiàn)表4)。

表1 TP2的化學(xué)成分

表2 光管段拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 硬度測(cè)試結(jié)果

表4 齒形測(cè)試結(jié)果

翅片段拉伸試驗(yàn)因無(wú)法在試驗(yàn)前精確預(yù)測(cè)斷面的位置，所以無(wú)法精確測(cè)量其斷面尺寸，這里取斷面的平均徑壁厚來(lái)代替斷面厚度。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，成品胚管在進(jìn)行內(nèi)外齒加工過(guò)程中，光管段的力學(xué)性能變化很小，其力學(xué)性能指標(biāo)符合M態(tài)要求，翅片段由于加工硬化作用明顯，其強(qiáng)度極限和屈服極限明顯提高，其力學(xué)性能判斷符合Y2態(tài)要求。這就出現(xiàn)了在同一根換熱管上局部不同力學(xué)性能的現(xiàn)象，就本試驗(yàn)中的高效管而言，在光管段的強(qiáng)度極限和屈服極限遠(yuǎn)小于翅片段，但由于光管段的沒(méi)有加工減薄其壁厚為1.13mm，而翅片段由于加工減薄其徑壁厚平均值僅為0.66mm，所以在不考慮應(yīng)力集中的情況下，整根換熱管的薄弱位置應(yīng)考慮這兩部分的所能承受最大載荷中的較小者，按GB151要求，許用應(yīng)力取中較小值進(jìn)行計(jì)算，本試樣中光管段允許承受內(nèi)壓最大值為5.35MPa，翅片段允許承受內(nèi)壓最大值為6.48 MPa，所以最薄弱的位置應(yīng)為光管段，應(yīng)取光管段的許用應(yīng)力中較小值作為計(jì)算依據(jù)。

表5 翅片段測(cè)試結(jié)果

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JB/T 10503的中表1的基本參數(shù)要求即可，空調(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(guò)程也應(yīng)嚴(yán)格控制管材的伸長(zhǎng)變形量，這樣有益于產(chǎn)品的安全；實(shí)際銅合金材料沒(méi)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(guò)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(guò)程中由于光管的塑形變形后承載能力增強(qiáng)，最終最為薄弱位置還是翅片段，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 小結(jié)

通過(guò)以上分析，作者對(duì)TP2管材的許用應(yīng)力的選取總結(jié)如下：

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?。?/p>

2）如果選用高效管作為換熱管，若材質(zhì)證明書(shū)注明材料熱處理狀態(tài)為M態(tài)，其許用應(yīng)力按GB151-1999表D6中退火的許用應(yīng)力選??；若材質(zhì)證明書(shū)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??；

3）銅合金沒(méi)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(guò)程中嚴(yán)格控制其伸長(zhǎng)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 張御天,趙紅.TP2銅管的上引生產(chǎn)工藝探討.有色金屬加工, 2005,43(1):13～16

Selection of allowable stress plays an important role in strength calculation. Heat treatment condition affects the selection of allowable stress due to processing technology characteristics of TP2 high effcient tubular. In this study, the effect of fn processing technology on strength and hardness was discussed based on tensile test and hardness measurement, and the allowable stress under different heat treatment condition for the same TP2 tubular was chosen. The author thought that it was reasonable that the allowable stress of copper alloy was calculated by the strength limitation divided by safeness factor.

Refrigerating unit Pressure vessel Allowable stress Copper alloy

2013－10－23）