管殼式換熱器機械脹接可靠性評價方法研究

陳景愛 李東濤 袁耀剛 于瑞軒 隴忠云 眭 敏

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

2020年7月1日起，出于環(huán)境保護的目的，國家要求各省生態(tài)環(huán)境廳全面執(zhí)行GB 37822-2019《揮發(fā)性有機物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，對顆粒物、非甲烷總烴、臭氣等大氣污染物嚴(yán)管控。普通焊接車間單個焊接崗位產(chǎn)生含有顆粒物風(fēng)量達到560 m3/h，廢氣彌漫，員工工作環(huán)境差，需要配備相應(yīng)的焊接廢氣治理設(shè)備。制造企業(yè)焊接構(gòu)件已大幅度限制或者更改為機加、彎制成型。對于大型中央空調(diào)管殼式換熱器換熱管和管板的主要連接方式有脹接或者脹接+焊接，而受環(huán)保和效率要求的影響，多采用機械脹接方式。但因受管板結(jié)構(gòu)設(shè)計、脹接工藝參數(shù)以及管板和換熱管材質(zhì)選用等多方面因素影響，換熱管和管板脹接接頭處一直是換熱器中最易發(fā)生失效泄漏的地方[1-3]。因此，換熱管和管板脹接工藝可靠性必須得到充分保證。

目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對換熱管和管板脹接可靠性評價方面，ASME標(biāo)準(zhǔn)對脹接工藝試驗評定變素提出了較為詳細的要求，但未對脹接評定合格給出明確的標(biāo)準(zhǔn)[4]。GB/T 151標(biāo)準(zhǔn)給出了機械脹接的脹度選用值，但只有設(shè)計壓力大于4.0 MPa的強度脹接接頭才需要進行脹接工藝試驗和拉脫力試驗[5]。NB/T 47012標(biāo)準(zhǔn)同樣只規(guī)定設(shè)計壓力大于4.0 MPa的強度脹接接頭才需要進行脹接工藝試驗，拉脫力滿足GB/T 151的要求[6]。為此，本文通過對脹接模型計算、脹接應(yīng)力分布、可靠性維度進行試驗，探索機械脹接可靠性評價方法，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)評價形成一套換熱管和管板機械脹接的可靠性評價與提升方法。

1 機械脹接原理

機械脹接是通過推動脹管器錐形芯軸，使芯軸前進頂出滾珠壓住換熱管內(nèi)壁，再啟動機械馬達使芯軸帶著滾珠旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)過程中，滾珠對換熱管內(nèi)壁進行碾壓，使換熱管壁厚減薄，發(fā)生塑性變形，而管板發(fā)生彈性變形。芯軸反向旋轉(zhuǎn)退出后，利用管板孔壁的彈性恢復(fù)，對發(fā)生塑性變形的換熱管壁施加徑向力，從而實現(xiàn)換熱管和管板脹緊密封。因此，要保證脹接密封可靠性，換熱管必須發(fā)生塑性變形，且要發(fā)生產(chǎn)足夠長度的塑性變形，同時，管板只能發(fā)生可恢復(fù)形變的彈性變形，保證在換熱管和管板接觸面產(chǎn)生足夠的殘余應(yīng)力P。換熱管和管板機械脹接原理如圖1所示。

圖1 換熱管和管板機械脹接原理圖

2 評價方法研究與建立

2.1 金相法

金相分析是材料試驗研究中一種重要分析手段，通過光學(xué)顯微鏡來觀察確定材料內(nèi)部組織形貌，從而根據(jù)顯微組織變化和分析結(jié)果，為材料研究和檢驗、工藝評定和改進、質(zhì)量問題失效分析等提供可靠的依據(jù)。

試驗采用T2銅管，外徑d=φ1 2.7 mm，壁厚δ=0.6 mm，脹接段為軟態(tài)M。管板采用Q345R，厚度為28 mm。脹接力矩為7 N·m。按圖2所示（A為脹接區(qū)、B為過渡區(qū)、C為非脹接區(qū)）進行線切割取樣并制備3組金相樣件。在金相顯微鏡下觀察測量脹接區(qū)A和非脹接區(qū)C銅管壁厚。

圖2 脹接取樣示意圖

通過對金相樣件脹接區(qū)和非脹接區(qū)銅管壁厚觀察，可以明顯看到銅管壁厚變化情況，且可以準(zhǔn)確測量脹接區(qū)和非脹接區(qū)各個位置銅管壁厚尺寸，從而獲得銅管脹接前后銅管壁厚減薄情況，如圖3所示。相對于采用千分尺測量脹接前換熱管內(nèi)外徑和壁厚、管板孔內(nèi)徑以及脹接后換熱管內(nèi)徑方式來計算脹接減薄率的方式[7]，金相法只需測量銅管脹接前后銅管壁厚，并按{（脹接區(qū)銅管壁厚-非脹接區(qū)銅管壁厚）/非脹接區(qū)銅管壁厚}計算就可得到脹接減薄率，可有效減少多次測量導(dǎo)致的誤差，且可以測量獲得所有脹接區(qū)域銅管壁厚減薄率情況，這一點也是采用千分尺測量無法做到的。因此，金相法可以顯著提升脹接評定的可靠性。

圖3 金相測量銅管壁厚示意圖

圖4是通過金相法對脹接區(qū)和非脹接區(qū)銅管壁厚取點測量并計算得到的脹接減薄率變化趨勢圖。從圖上可以看出，脹接減薄率范圍在4～12 %之間，脹接長度在26 mm，從端部位置開始呈現(xiàn)下降趨勢，這主要是滾珠機械脹接特點所決定的，但整體減薄率變化趨勢較為平穩(wěn)。從驗證數(shù)據(jù)結(jié)果表明，通過金相法可以準(zhǔn)確測量和獲得銅管脹接后壁厚減薄率和有效脹接區(qū)域長度，從而來評價銅管發(fā)生塑性變形情況以及脹度是否滿足要求，同時，也為脹接力矩的選定、脹管器滾珠長度的調(diào)節(jié)和滾珠各段的磨損程度等提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)來源。

圖4 銅管脹接區(qū)脹接減薄率變化趨勢圖

2.2 應(yīng)力應(yīng)變法

應(yīng)變片測量法是應(yīng)用電阻應(yīng)變計測量零件表面應(yīng)變，以確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)的一種試驗。使用時，用絕緣粘接劑將電阻應(yīng)變片粘貼在零件被測點的表面。當(dāng)零件在載荷作用下產(chǎn)生一定結(jié)構(gòu)變形時，應(yīng)變片的電阻值會發(fā)生相應(yīng)的變化，通過應(yīng)變儀可將阻值的變化測定出來，再根據(jù)應(yīng)變和應(yīng)力關(guān)系，即可計算出被測點的應(yīng)力[8]。

試驗采用T2銅管，外徑d=φ2 5.4 mm，壁厚δ=1.18 mm，脹接段為軟態(tài)M。管板采用Q345R,厚度為40 mm。脹接力矩分別為20 N·m、24 N·m、28 N·m、32 N·m。試驗通過選取脹接面其中一個管板孔作為脹接點，以此管板孔為中心，其周圍管板孔孔橋壁作為應(yīng)變片布點位置，測量脹接過程管板孔孔橋壁應(yīng)變變化，如圖5所示。

圖5 銅管脹接應(yīng)力應(yīng)變布點示意圖

圖6為脹接過程脹接管板孔周圍鄰近管板孔孔橋壁應(yīng)變動態(tài)曲線，從圖上可看出，脹接過程孔橋應(yīng)變先逐漸增大達到峰值，短暫陡降后又快速上升，隨后又逐漸下降。此應(yīng)變變化現(xiàn)象主要是脹接過程脹管器錐形芯桿先正轉(zhuǎn)推進，達到設(shè)定力矩值，芯桿停止轉(zhuǎn)動，再立即反向轉(zhuǎn)動退出。

圖6 脹接過程管板孔孔橋應(yīng)力應(yīng)變動態(tài)曲線圖

表1為不同脹接力矩管板孔橋壁受應(yīng)力應(yīng)變表，從表中可以看出，隨著脹接力矩的提高，管板孔孔橋壁受到的最大應(yīng)變也隨著提高，相應(yīng)的應(yīng)力也隨之增大。當(dāng)脹接力矩達到32 N·m時，管板孔橋壁受到的最大應(yīng)變達到294.38，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為61.53 MPa，已非常接近軟態(tài)T2銅管屈服強度62 MPa，但未達到管板屈服強度345 MPa，即此時脹接存在導(dǎo)致周圍已脹接的銅管發(fā)生沿徑向收縮塑料變形，根據(jù)機械脹接原理，會影響密封效果，出現(xiàn)泄漏。因此，從試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，通過應(yīng)力應(yīng)變法可以有效監(jiān)測脹接過程管板孔孔橋壁應(yīng)力狀態(tài)，從而來評定周圍鄰近換熱管是否受到影響，同時，該試驗方法也可以為脹接力矩的選定、管板厚度的設(shè)計提供有效的數(shù)據(jù)依據(jù)來源。

表1 不同脹接力矩管板孔橋受應(yīng)力應(yīng)變表

為驗證脹接時管板孔孔橋壁受力狀態(tài)，根據(jù)管板圖紙技術(shù)參數(shù)，利用Solid Works軟件建立管板的幾何模型。在ANSYS中導(dǎo)入上述管板三維模型，完成參數(shù)設(shè)置后，采用劃分網(wǎng)格方式，對管板孔一些關(guān)鍵過渡面做網(wǎng)格優(yōu)化處理，得出管板網(wǎng)格，并仿真不同脹接力矩下管板孔橋受應(yīng)力情況，仿真結(jié)果如表2所示。

由表2不同脹接力矩下管板孔橋仿真應(yīng)力結(jié)果可以看出，脹接力矩為20 N·m、24 N·m、28 N·m時，管板孔橋受到的最大應(yīng)力為56.009 MPa，小于軟態(tài)T2銅管的屈服強度。當(dāng)脹接力矩提升至32 N·m時，管板孔橋受到的最大應(yīng)力為67.511 MPa，明顯大于軟態(tài)T2銅管的屈服強度，仿真應(yīng)力云圖如圖7所示。仿真結(jié)果最大應(yīng)力狀態(tài)和實際檢測到的應(yīng)力狀態(tài)相同，驗證了檢測方法的正確性。需要指出的是，對實際脹接而言，因受脹管器調(diào)節(jié)長度和磨損等因素影響，會導(dǎo)致實際應(yīng)力狀態(tài)和仿真應(yīng)力有所偏差。

圖7 32 N·m脹接力矩作用下管板孔橋應(yīng)力云圖

表2 不同脹接力矩下管板孔橋仿真應(yīng)力表

2.3 拉脫力法

拉脫力法是利用萬能試驗機的施力和測力功能，將試樣安放于試驗臺上，將力施加在換熱管上并逐漸增加，直至換熱管與管板發(fā)生拉脫，然后記錄拉脫過程中力的最大值，即得到將換熱管從管板中拉脫力F，再根據(jù)殘余應(yīng)力公式計算得到脹接接頭接觸面殘余應(yīng)力q。

殘余應(yīng)力公式[9]：

q—接觸面殘余應(yīng)力；

F—抗拉脫力；

Di—管板孔內(nèi)徑；

L—有效脹接長度；

μ—靜摩擦系數(shù)，取0.2。

試驗采用T2銅管，外徑d=φ7.94 mm，壁厚δ=0.52 mm的，長度為120 mm，脹接段為軟態(tài)M。管板采用Q345R，厚度34 mm。脹接力矩壓力分別為1.0 N·m、1.2 N·m、1.4 N·m、1.6 N·m、1.8 N·m、2.0 N·m。每個試件在萬能試驗機上進行脹接接頭拉脫試驗，如圖8所示。每組脹接力矩做5組試樣，為減少銅材蠕變影響，脹接試樣靜置48小時后再進行拉脫試驗，試驗后記錄拉脫力F，并按殘余應(yīng)力公式計算獲得對應(yīng)的接觸面殘余應(yīng)力。

表3為不同脹接力矩下獲得的平均拉脫力和殘余應(yīng)力。從表中可以看出，脹接力矩在1.0～1.6 N·m范圍內(nèi)，平均殘余應(yīng)力呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)脹接力矩為1.6 N·m時，平均殘余應(yīng)力達到最大值，為23.53 MPa，當(dāng)繼續(xù)提高脹接力矩，對應(yīng)的殘余應(yīng)力開始出現(xiàn)下降。因此，拉脫力試驗結(jié)果表明，脹接力矩的選定并非越大越好，而是有最佳選定值，其對應(yīng)的殘余應(yīng)力最大。

表3 不同脹接力矩對應(yīng)平均拉脫力和殘余應(yīng)力表

3 結(jié)論

本文通過試驗分析了金相、應(yīng)力應(yīng)變和拉脫力法對管殼式換熱器機械脹接可靠性的評價，并應(yīng)用了有限元模擬方法對脹接過程進行建模與分析，得到如下結(jié)論：

1）采用金相法，可以準(zhǔn)確測量評價銅管脹接前后壁厚減薄情況和脹接有效長度，且該方法的提出，使得銅管壁厚變化由宏觀測量變?yōu)榱宋⒂^測量，測量評價的準(zhǔn)確度得到了提升。

2）采用應(yīng)力應(yīng)變法，可以定量檢測脹接過程管板孔橋壁所受應(yīng)力大小，以此來評價周圍管板孔已脹接銅管是否發(fā)生徑向收縮塑性變形，和有限元模擬的結(jié)果相同。

3）采用拉脫力法，可獲取不同脹接參數(shù)下的接觸殘余應(yīng)力，且脹接參數(shù)存在最優(yōu)值，其對應(yīng)的殘余應(yīng)力最大，當(dāng)超過此最優(yōu)值時，殘余應(yīng)力反而會下降。

4）通過上述試驗結(jié)果表明，采用金相法、應(yīng)力應(yīng)變法以及拉脫力法相結(jié)合的方式，可以有效評價提升換熱管和管板脹接密封可靠性，同時也為脹接泄漏失效原因分析提供了新的途徑方法。