熱管失效機(jī)理研究進(jìn)展

供稿|李長(zhǎng)銀 / LI Chang-yin

內(nèi)容導(dǎo)讀

熱管是一種高效傳熱元件，在石油、冶金、電廠和余熱回收等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于電子器件冷卻、空間飛行器、節(jié)能和能源高效管理等方面。由于熱管常常工作在高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕環(huán)境下，因而使熱管出現(xiàn)了各種失效情況。文章闡述了熱管管內(nèi)失效和管外失效的原因和失效機(jī)理?？偨Y(jié)了熱管管內(nèi)失效的預(yù)防和保護(hù)措施為：在管內(nèi)壁上裸露基體；增加熱管的真空度；在管內(nèi)壁進(jìn)行鍍鉻或者鋁膜；在熱管冷凝段裝吸氫劑以解決不凝性氣體對(duì)熱管的影響，而定期排放氫氣是從根本上解決問(wèn)題的一個(gè)很好的方法。指出對(duì)于熱管管外失效更換熱管鋼管材料是較好的選擇。提出建立熱管失效的優(yōu)化管理系統(tǒng)，更加全面和科學(xué)地進(jìn)行熱管失效的預(yù)防保護(hù)和管理，充分發(fā)揮熱管的優(yōu)勢(shì)，提高熱管的安全運(yùn)行壽命。

1944年，R. S. Gaugler首次在美國(guó)專利中提出了熱管的概念。1963年，美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室G.M. Gover在美國(guó)“應(yīng)用物理”雜志上發(fā)表了文章，給出了以鈉為工作液體，不銹鋼為殼體，內(nèi)部裝有絲網(wǎng)吸液芯的傳熱元件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示其導(dǎo)熱率遠(yuǎn)超過(guò)任何一種金屬，并命名其為熱管(Heat Pipe)。1965年，Cotter首次提出了完整的熱管理論。1967年，一根不銹鋼-水熱管首次應(yīng)用于衛(wèi)星軌道并運(yùn)行成功。從此，國(guó)內(nèi)外科技工作者對(duì)熱管進(jìn)行了大量的研究工作。近30年來(lái)，我國(guó)熱管技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用研究發(fā)展迅速，熱管因其高效的傳熱性能、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)機(jī)械結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在電子器件冷卻、空間飛行器、節(jié)能和能源高效管理等方面，并隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，進(jìn)一步促進(jìn)了熱管的發(fā)展。

熱管工作原理及應(yīng)用

熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，管內(nèi)抽成(1.3×10-1～1.3×10-4)Pa負(fù)壓后充入適量的工作液體，在緊貼管內(nèi)壁的吸液芯充滿液體后密封。熱管結(jié)構(gòu)如圖1所示，一端為蒸發(fā)段，另一端為冷凝段，中間可布置絕熱段。工作原理為：當(dāng)熱管的蒸發(fā)段受熱時(shí)毛細(xì)芯中的液體蒸發(fā)汽化，蒸汽在壓差下流向冷凝段放出熱量凝結(jié)成液體，液體在毛細(xì)力的作用下回流到蒸發(fā)段。如此循環(huán)，熱量從熱管的一端流向另一端，實(shí)現(xiàn)了熱量的傳遞。熱管的工作機(jī)理使熱管具備了高導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、熱開(kāi)關(guān)性和環(huán)境的適用性。

熱管的種類因結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、工作液體和工作溫度的不同，分類很多。按溫度區(qū)間可分為低溫?zé)峁?-273～0℃)、常溫?zé)峁?0～250℃)、中溫?zé)峁?250～450℃)和高溫?zé)峁?450～1000℃)。按回流動(dòng)力分為有芯熱管、重力熱管、旋轉(zhuǎn)熱管等。按結(jié)構(gòu)分為普通熱管、分離熱管、脈動(dòng)熱管、毛細(xì)泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。按用途分為傳熱熱管、熱二級(jí)管、熱開(kāi)關(guān)、熱控制熱管、制冷熱管等。目前，普通熱管中的碳鋼-水重力熱管因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、制造方便，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用十分廣泛。

熱管的相容性在應(yīng)用中意義重大。相容性是指管內(nèi)工作液體同管殼不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)或物理變化，不足以影響熱管的工作性能。熱管的不相容體現(xiàn)在三個(gè)方面：產(chǎn)生不凝性氣體、工作液體熱物性惡化、管殼材料的腐蝕和溶解等。只有相容性良好的熱管，才能保證熱管的穩(wěn)定傳熱性能、長(zhǎng)期的工作壽命以及工業(yè)應(yīng)用的可能性。

工業(yè)應(yīng)用中，熱管常工作在高溫、高壓和帶腐蝕性的環(huán)境中，會(huì)導(dǎo)致熱管失效，無(wú)法保持運(yùn)行安全和使用壽命。本文針對(duì)熱管在不同外部環(huán)境下的失效原因、失效種類和失效機(jī)理進(jìn)行分析和綜述，為熱管失效的預(yù)防和保護(hù)提供借鑒。

熱管的失效機(jī)理

熱管失效主要分為管內(nèi)失效和管外失效。管內(nèi)失效主要有三種情況：不凝性氣體的產(chǎn)生[1]、真空度不達(dá)標(biāo)、管內(nèi)防腐蝕劑數(shù)量不達(dá)標(biāo)。管外失效可分為：熱管因腐蝕或磨損導(dǎo)致穿孔使熱管泄漏、熱管因高溫高壓發(fā)生變形、鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)不符合標(biāo)準(zhǔn)而使熱管失效三種情況。其中，管內(nèi)失效是主要失效形式，主要由管內(nèi)腐蝕和不凝性氣體的產(chǎn)生導(dǎo)致熱管傳熱性能的下降。

管內(nèi)失效

影響管內(nèi)失效的三種因素中，管壁腐蝕和不凝性氣體的產(chǎn)生是熱管失效的最主要原因，其產(chǎn)生機(jī)理與熱管工作液體的穩(wěn)定性及工作介質(zhì)與管殼的相容性等有關(guān)。熱管按管殼與工作液體的組合方式可分為銅-水熱管、銅鋼復(fù)合-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管和不銹鋼-鈉熱管。熱管常用工質(zhì)有水、有機(jī)工質(zhì)、萘和鈉等。

段松屏等[2]研究了鋼-水熱管不凝性氣體的產(chǎn)生機(jī)理，主要原因是管內(nèi)的工作液體水與熱管管殼材料的相容性較差，導(dǎo)致管內(nèi)水蒸汽與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生不凝性氣體。

其中，碳鋼-水熱管中水蒸汽與碳鋼管殼的化學(xué)反應(yīng)式為：

鋼-水熱管也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)式為：

當(dāng)熱管工作溫度在120℃以上時(shí)，產(chǎn)生的Fe(OH)2會(huì)分解生成氫氣，其化學(xué)反應(yīng)式為：

熱管在工作時(shí)產(chǎn)生的氫氣本身不會(huì)影響熱管的傳熱性能[3]，但由于產(chǎn)生的氫氣不斷地在冷凝段聚集形成堵塞，導(dǎo)致冷凝段有效換熱面積不斷減少，熱阻增大，傳熱性能下降，致使熱管失效。

管內(nèi)腐蝕也是導(dǎo)致熱管失效的另一主要因素。管內(nèi)腐蝕常發(fā)生在采用有機(jī)工質(zhì)作為工作介質(zhì)的熱管。因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)的不穩(wěn)定性，當(dāng)充有有機(jī)工質(zhì)的熱管在高溫、高壓的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，管內(nèi)有機(jī)工質(zhì)會(huì)發(fā)生逐漸分解，分解物質(zhì)與管殼材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致管內(nèi)腐蝕，所以，通常在管內(nèi)加入防腐蝕劑，來(lái)控制和預(yù)防有機(jī)工質(zhì)的分解及與管壁反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕。但由于防腐蝕劑數(shù)量不達(dá)標(biāo)或者防腐蝕條件不達(dá)標(biāo)，仍會(huì)使管壁發(fā)生腐蝕，從而導(dǎo)致熱管失效。

管外失效

管外失效主要是指熱管外壁發(fā)生磨損、腐蝕或高溫高壓變形而導(dǎo)致的熱管失效，失效的原因與熱管的工作環(huán)境有關(guān)，如飛灰磨損，低溫腐蝕，高溫?zé)煔飧g[4]，熱管積灰垢和氣蝕等問(wèn)題，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生都與熱管蒸發(fā)端所處的工作環(huán)境因素有關(guān)，致使熱管失效。

王錦麟等[5]進(jìn)行了鍋爐飛灰磨損的特性的研究，發(fā)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行中有大量含有飛灰顆粒和未燃盡的碳粒的煙氣，而如今鍋爐中余熱回收過(guò)程中大量使用熱管。當(dāng)熱管的蒸發(fā)段處于煙氣中時(shí)，由于鍋爐中含飛灰顆粒和碳粒的煙氣，再加上煙氣對(duì)管束的長(zhǎng)時(shí)間沖刷，導(dǎo)致管壁變薄或者穿孔，致使熱管內(nèi)部工質(zhì)泄漏和熱管失效。

郭贊揚(yáng)等[4]進(jìn)行了熱管的低溫腐蝕失效研究。指出當(dāng)熱管蒸發(fā)端與含硫燃料燃燒生成的煙氣進(jìn)行換熱時(shí)，因硫燃燒生成SO2，進(jìn)一步氧化成SO3，SO3與煙氣中的水蒸氣進(jìn)而反應(yīng)生成硫酸蒸汽，故煙氣中含有硫酸蒸汽。當(dāng)熱管外壁溫低于煙氣的酸露點(diǎn)溫度時(shí)，硫酸蒸汽在管壁上凝結(jié)，對(duì)管壁產(chǎn)生腐蝕作用，導(dǎo)致熱管外壁面凹凸不平，嚴(yán)重的部位導(dǎo)致穿孔，最終致使熱管失效。低溫腐蝕的化學(xué)反應(yīng)式為：

高溫?zé)煔飧g機(jī)理：帶有腐蝕性質(zhì)的熔融狀態(tài)的油灰附著在熱管外壁面上，使熱管外表面的氧化保護(hù)層融化，加速熱管管壁的腐蝕，最終導(dǎo)致熱管在高溫條件下難以承擔(dān)鍋爐的高壓力，管壁發(fā)生破裂，使得熱管失效。

熱管在換熱器中的應(yīng)用比較多，熱管換熱器使用過(guò)程中因積灰垢對(duì)熱管的使用會(huì)產(chǎn)生影響。煙氣中一般都含有硫物質(zhì)和較多的機(jī)械雜質(zhì)，在減壓加熱條件下，這些雜質(zhì)會(huì)結(jié)合在一起形成堅(jiān)硬的沉積物，沉積在熱管換熱器壁面和熱管翅片上，由于積灰垢的導(dǎo)熱性能與碳鋼相比要相差幾十倍，積灰垢嚴(yán)重阻礙了熱管傳熱，導(dǎo)致熱管管壁溫度升高，最終導(dǎo)致熱管失效。

李斌東等[6]研究了汽蝕對(duì)熱管失效的作用機(jī)理。提出了當(dāng)熱管冷側(cè)有換熱套管(水夾套)時(shí)，套管中的吸熱介質(zhì)(水)由于受熱不均加之存在局部壓降極易引起汽蝕，汽蝕造成熱管放熱段腐蝕嚴(yán)重，形成鼠咬狀外表，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生溝槽狀深痕，導(dǎo)致管壁破裂，致使熱管失效。

除了上述各種導(dǎo)致熱管失效的外部原因和失效機(jī)理外，對(duì)于使用熱管換熱器的鍋爐設(shè)計(jì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，是決定鍋爐能否長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也對(duì)熱管的使用壽命有著致命影響。在鍋爐設(shè)計(jì)中，一般都是先選定鍋爐的整體布置，然后進(jìn)行燃料估算，再確定爐膛結(jié)構(gòu)，進(jìn)行爐膛傳熱計(jì)算，之后確定對(duì)流換熱面的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行對(duì)流傳熱計(jì)算。上述計(jì)算中需要對(duì)熱管換熱器的材料、管徑壁厚進(jìn)行預(yù)選，之后進(jìn)行熱管壁溫計(jì)算，以及強(qiáng)度校核，確定是否符合標(biāo)準(zhǔn)。大量熱管失效的例子顯示，熱管失效與鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)選取和計(jì)算錯(cuò)誤有關(guān)。當(dāng)鍋爐的運(yùn)行條件與熱管的運(yùn)行條件不相符時(shí)，熱管的管壁會(huì)因?yàn)閴毫蛘邷囟冗^(guò)高導(dǎo)致破裂，致使熱管失效。

熱管的失效預(yù)防與保護(hù)

針對(duì)熱管的失效原因及產(chǎn)生機(jī)理，采取必要的失效預(yù)防及保護(hù)措施是保證熱管使用壽命、安全運(yùn)行及傳熱性能的重要手段。

針對(duì)管內(nèi)失效機(jī)理，采用提高熱管內(nèi)壁的處理技巧以及制造工藝的方法是防止熱管管內(nèi)失效的有效手段。常用方法有：(1)在管內(nèi)壁上裸露基體。如今很多熱管防腐蝕是利用多孔氧化物薄膜，但裸露金屬基體可能會(huì)有更好的耐磨性。(2)增加熱管的真空度[7]。即在熱管抽真空時(shí)盡量延長(zhǎng)排氣時(shí)間，增大排氣量，使熱管內(nèi)部的真空度盡量高，減少熱管內(nèi)部的氣態(tài)類雜質(zhì)。(3)在管內(nèi)壁進(jìn)行鍍鉻或者鋁膜[8]，使金屬基體表面形成一層致密的氧化物保護(hù)膜，這層氧化物薄膜會(huì)阻礙陽(yáng)極區(qū)域的反應(yīng)，減緩電化學(xué)腐蝕過(guò)程。(4)在熱管冷凝段裝吸氫劑以解決不凝性氣體對(duì)熱管的影響[9]。陳恩鑒[10]提出了一種滲透除氫熱管，管內(nèi)介質(zhì)是水，在熱管冷凝端裝上透氫活化金屬層和促氫脫附金屬層而形成復(fù)合層，可以防止因氫氣積聚而導(dǎo)致的熱管失效，但不能從根本上解決問(wèn)題。因此，定期排放氫氣是一個(gè)很好的方法。

針對(duì)因管外腐蝕或者磨損而導(dǎo)致的熱管失效，更換鋼管材料是較好的選擇。一般不銹鋼可以很好地解決管內(nèi)外的腐蝕問(wèn)題。也可以使用復(fù)合管，如碳鋼管內(nèi)襯鋁管或不銹鋼管，但是復(fù)合管的成本較高，且一定程度上會(huì)影響熱管的傳熱性能。另外，在設(shè)計(jì)鍋爐時(shí)要針對(duì)熱管的工作環(huán)境對(duì)熱管進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，盡可能使熱管的最低壁溫高于露點(diǎn)溫度，防止露點(diǎn)腐蝕。

針對(duì)熱管的失效預(yù)防管理應(yīng)建立鍋爐熱管失效的優(yōu)化管理系統(tǒng)，將熱管的設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用統(tǒng)一起來(lái)，強(qiáng)化失效分析研究，提高熱管的使用壽命，定期抽查熱管，及時(shí)更換已經(jīng)失效的熱管，形成一系列完整的企業(yè)熱管失效管理和預(yù)防保護(hù)措施。

結(jié)束語(yǔ)

熱管由于具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳熱性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但多年來(lái)，由于缺乏對(duì)熱管失效機(jī)理的系統(tǒng)研究和對(duì)熱管失效的有效防范，時(shí)常發(fā)生因各種原因?qū)е碌臒峁苁?。因此，只有加?qiáng)對(duì)熱管失效的系統(tǒng)研究以及失效機(jī)理的本質(zhì)研究，建立預(yù)防熱管失效的優(yōu)化管理系統(tǒng)，才能改變現(xiàn)階段熱管失效常采用的頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳的現(xiàn)狀，更加全面和科學(xué)地進(jìn)行熱管失效的預(yù)防保護(hù)和管理，充分發(fā)揮熱管的優(yōu)勢(shì)，提高熱管的安全運(yùn)行壽命。