關于NB/T 47012-2010中TP2管材的許用應力

金 平 吳開斌 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

關于NB/T 47012-2010中TP2管材的許用應力

金 平 吳開斌 武漢市鍋爐壓力容器檢驗研究所

許用應力的選取是強度計算的前提，TP2高效管由于加工工藝特點造成其許用應力選取與其熱處理狀態(tài)有關，本文通過試驗對軋絲后的高效管的拉伸試驗和硬度進行測試，討論翅片加工工藝對強度和硬度的影響，并討論了同一根TP2管材不同熱處理狀態(tài)的許用應力如何選取，并提出對銅合金材料，筆者認為其許用應力采用強度極限除以安全系數(shù)更加合理。

制冷裝置 壓力容器 許用應力 銅合金

近年來，制冷裝置事故不斷出現(xiàn)，給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)安全帶來巨大損失。2013年4月21日20時05分，四川省眉山市金鳳食品廠生豬屠宰場凍庫再發(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，共造成120人遇難，70人受傷；2013年8月31日上午10時50分左右，上海翁牌冷藏實業(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。制冷裝置的安全問題不容小覷，應該從源頭抓起，從設計環(huán)節(jié)就嚴格把關。我國現(xiàn)行的制冷裝置設計、制造標準一般選用行業(yè)標準NB/T 47012-2010《制冷裝置用壓力容器》(后文中簡稱“標準”)，換熱管是制冷壓力容器的主要受壓元件，換熱管的強度直接關系到容器的安全性能。在設計環(huán)節(jié)，許用應力的選取是強度計算的前提，許用應力的選取也直接關系到材料厚度從而影響換熱器的安全性和經(jīng)濟性，本文就“標準”中對TP2管材的許用應力相關條款理解及展開討論。

1 TP2的許用應力選取規(guī)定

根據(jù)“標準”中4.6.1的規(guī)定了銅及銅合金管材的標準、使用狀態(tài)和許用應力表11其中對TP2管材規(guī)定了材料的引用標準是GB/T 1527-2006《銅及銅合金拉制管》或GB/T 17791-2007《空調(diào)與制冷設備用無縫銅管》，加工狀態(tài)是M(軟態(tài))，其強度極限(Rm)為205MPa，其非比例延伸強度(近似于屈服極限，Rp0.2)為45MPa,這個數(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Rp0.2的下限保證值在材料標準中未提及，45MPa為該標準推薦值。同時，在“標準”的8.3.1.5中又規(guī)定高效換熱管應按照JB/T 10503-2005《空調(diào)與制冷用高效換熱管》和GB/T 20928-2007《無縫內(nèi)螺紋銅管》的參數(shù)與技術(shù)要求的規(guī)定。在JB/T 10503-2005標準中，TP2的加工狀態(tài)分M和Y2(半硬）兩種狀態(tài)，其對應強度極限(Rm)為≥205MPa和245～325MPa，其屈服極限(Rp0.5)為≥62MPa和≥205MPa。

2 實際選取中遇到的問題

某空調(diào)機組制冷換熱器設計按照“標準”執(zhí)行，選用TP2直翅片內(nèi)螺紋高效換熱管作為換熱管，其強度計算時許用應力應如何選取，由于JB/T 10503標準中TP2管材有兩種加工狀態(tài)：M和Y2，且兩種加工狀態(tài)的強度極限和屈服極限差別很大，得到的許用應力也相應差別很大。這里從直翅片內(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→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，實際廠家都沒有這樣做，靠退火后的拉管的變形系數(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，GB/T 1527-2006中的銅管熱處理狀態(tài)就是M態(tài)。對于高效管，雖然管坯要求為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)的屈服強度差別很大，在應用過程中，JB/T 10503-2005在許用應力選取是按GB 151-1999《管殼式換熱器》[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℃許用應力分別為41MPa和62MPa，后者為前者1.5倍。制造廠家進行設計計算時肯定傾向用Y2態(tài)銅管，其許用應力值更高，設計壁厚可以更小，節(jié)約銅管成本；從用戶角度出發(fā)，期望用低許用應力的M態(tài)，設計壁厚大設備更安全，且壁厚大更耐均勻腐蝕。由于“標準”中銅管的熱處理狀態(tài)規(guī)定只允許M態(tài)，所以市場上大多銅管的熱處理狀態(tài)只標注了胚管的熱處理狀態(tài)為M態(tài)，對實際加工后的熱處理狀態(tài)未標注；而對于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，相關標準都沒有明確要求，只是對不同熱處理狀態(tài)的強度極限、屈服極限、硬度制度提出要求，所以檢驗產(chǎn)品的熱處理狀態(tài)只能通過取樣檢測這三個指標來判斷。

3 取樣試驗

取一段φ19mm×1.13mmTP2成品高效管，其化學成份見表1，在光管段和翅片段進行分別取樣進行拉伸試驗結(jié)果見表2、硬度測試結(jié)果見表3，翅片段齒形檢測(見表4)。

表1 TP2的化學成分

表2 光管段拉伸試驗結(jié)果

表3 硬度測試結(jié)果

表4 齒形測試結(jié)果

翅片段拉伸試驗因無法在試驗前精確預測斷面的位置，所以無法精確測量其斷面尺寸，這里取斷面的平均徑壁厚來代替斷面厚度。試驗結(jié)果見表5。

從以上試驗結(jié)果可以看出，成品胚管在進行內(nèi)外齒加工過程中，光管段的力學性能變化很小，其力學性能指標符合M態(tài)要求，翅片段由于加工硬化作用明顯，其強度極限和屈服極限明顯提高，其力學性能判斷符合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性能的現(xiàn)象，就本試驗中的高效管而言，在光管段的強度極限和屈服極限遠小于翅片段，但由于光管段的沒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，所以在不考慮應力集中的情況下，整根換熱管的薄弱位置應考慮這兩部分的所能承受最大載荷中的較小者，按GB151要求，許用應力取中較小值進行計算，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為光管段，應取光管段的許用應力中較小值作為計算依據(jù)。

表5 翅片段測試結(jié)果

高效管的生產(chǎn)圖一般由銅管廠家根據(jù)空調(diào)制造單位的設計圖樣制造，同時符合JB/T 10503的中表1的基本參數(shù)要求即可，空調(diào)制造單位在強度計算時應考慮整根換熱管的最薄弱位置所能承受的最大載荷進行設計計算，加工過程也應嚴格控制管材的伸長變形量，這樣有益于產(chǎn)品的安全；實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增大，直到達到強度極限之后斷裂失效，所以雖然薄弱環(huán)節(jié)在光管段，實際過程中由于光管的塑形變形后承載能力增強，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，所以筆者認為對于銅合金材料采用強度極限除以安全系數(shù)作為許用應力從理論上更加合理。

4 小結(jié)

通過以上分析，作者對TP2管材的許用應力的選取總結(jié)如下：

1）如果選用光管作為換熱管，其許用應力的選取應嚴格遵循NB/T 47012-2010中表11的要求進行選??；

2）如果選用高效管作為換熱管，若材質(zhì)證明書注明材料熱處理狀態(tài)為M態(tài)，其許用應力按GB151-1999表D6中退火的許用應力選取；若材質(zhì)證明書中注明材料熱處理狀態(tài)為Y2態(tài)，則應根據(jù)設計圖樣中的翅片段的徑壁厚與光管段的壁厚進行計算，按所能承受較小載荷處的許用應力進行選??；

3）銅合金沒有明顯屈服極限，加工硬化現(xiàn)象比較嚴重，應在加工過程中嚴格控制其伸長變形量，其許用應力采用強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）