基于統(tǒng)計數據的分體式空調系統(tǒng)泄漏點及成因分析

葛瀅瀅 楊 昭 賀紅霞 陳裕博

(天津大學 中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室 天津 300072)

隨著制冷劑替代的不斷推進，根據《蒙特利爾議定書》的倡議，高GWP的HFCs制冷劑將逐漸被環(huán)保制冷劑替代[1]?，F階段環(huán)保型制冷劑主要有R290、R32、R1234yf及R1234ze(E)等。然而，上述環(huán)保型制冷劑均具有可燃性，在使用過程中存在潛在的泄漏燃爆風險。尤其分體式空調器(split air-conditioning,SAC)，應用廣泛，市場需求量大，環(huán)保型替代工質主要有R290和R32，因此，為了更安全的使用可燃工質，對分體式空調器泄漏位置及泄漏成因的研究是十分必要的。

針對分體式空調系統(tǒng)充注可燃環(huán)保型工質的研究，主要通過實驗和數值模擬相結合的方式進行，海騰蛟[2]選擇R290為制冷工質，設置室內機正下方中部為泄漏口進行模擬，研究表明泄漏形成的可燃制冷劑氣團在泄漏口下方附近高濃度聚集，該研究為簡化模型，并未考慮實際空調室內機可能發(fā)生泄漏的部位及不同部位泄漏對空間濃度場分布的影響。張網等[3]將泄漏點位置分別設為蒸發(fā)器內某點及空調器液體/氣體管路連接頭處，對R290分體式空調室內機泄漏的濃度分布進行了實驗研究，研究發(fā)現在蒸發(fā)器內某點泄漏時，其最終的濃度分布超過了燃燒下限，而連接頭位置發(fā)生泄漏時，泄漏形成的R290可燃氣團沿室內機與墻壁縫隙進行擴散，在該狹窄空間內，可燃氣團濃度未達到其燃燒下限。唐唯爾[4]實驗研究了R290分體式空調室內機蒸發(fā)器銅管彎頭處發(fā)生泄漏對空間濃度場的影響，結果表明泄漏形成的可燃氣團在泄漏彎頭的正下方區(qū)域達到濃度最高點，且超過了R290的燃燒下限。Hu Maojuan等[5]對R290空調系統(tǒng)蒸發(fā)器中點及室內機連接管處發(fā)生泄漏進行了數值模擬，研究發(fā)現泄漏位于蒸發(fā)器中點時最高平均濃度為LFL(lower flammable limit)的94.7%，遠高于室內機連接管處泄漏的平均濃度處于LFL的58.6%。Li Tingxun[6]實驗測試了泄漏位于蒸發(fā)器彎頭處及泄漏位于室內機與室外機連接管處對泄漏濃度分布的影響，研究表明在泄漏速率較高時，泄漏位于蒸發(fā)器彎管處的濃度相較于泄漏處于室內機與室外機連接管處高約15%，而當泄漏速率較低時，兩處泄漏的濃度分布相差較小。D.Colbourne等[7]實驗研究了R290泄漏點位于室內機不同位置對濃度分布的影響。與泄漏發(fā)生在蒸發(fā)器中心位置處相比，由于蒸發(fā)器彎管處氣體流通性較差，發(fā)生泄漏后難以對外擴散，導致可燃氣體聚集，使該處平均濃度較高。綜上所述，分體式空調室內機側發(fā)生泄漏，不同泄漏器件、同一器件不同位置處的泄漏對空間場內泄漏濃度分布均具有較大影響。因此，對制冷系統(tǒng)具體的泄漏位置及所處位置泄漏事故發(fā)生概率高低的研究對研究泄漏危險點濃度分布的影響更具有現實意義和必要性。

目前對于分體式空調室內側的泄漏研究，泄漏位置的選取一般基于經驗，而忽略了生產與使用過程中不同器件部位真實發(fā)生泄漏故障的概率，同時缺少對避免故障發(fā)生所需進行的具體風險防范措施。本文利用故障樹分析法，研究了分體式空調系統(tǒng)泄漏位置及泄漏成因，并對實際分體式空調泄漏故障統(tǒng)計數據中不同部位發(fā)生泄漏概率進行了統(tǒng)計學分析，為家用分體式空調系統(tǒng)的泄漏危險點選取提供了數據支撐，并針對性的提出了分體式空調泄漏的防護建議。

1 分體式空調系統(tǒng)泄漏故障樹

故障樹分析法[8]是系統(tǒng)風險評估中進行定性定量分析的重要方法之一，其適應性強、適用范圍廣。將故障樹分析法應用于分體式空調制冷系統(tǒng)中，可較為全面且系統(tǒng)的對泄漏成因進行梳理判斷。

1.1 故障樹的建立

分體式空調系統(tǒng)所使用的銅管在制造、生產與安裝過程中，通常會經過熱脹、拉伸等工藝處理過程。對使用可燃環(huán)保型工質的空調系統(tǒng)而言，由于環(huán)境的腐蝕作用以及機組運行過程中產生振動，其部件及管路存在破裂并發(fā)生可燃工質泄漏的風險。本文以夏季工況的環(huán)境條件為基準，根據分體式空調制冷系統(tǒng)的室內外布置情況，將泄漏分為室內側和室外側泄漏。

圖1所示為分體式空調系統(tǒng)。本文依據家用分體式空調制冷系統(tǒng)循環(huán)工質的循環(huán)狀態(tài)，除劃分壓縮機、蒸發(fā)器、節(jié)流閥、冷凝器四大基礎部件之外，將系統(tǒng)連接閥門與管路進行歸納，具體如表1所示。其中室內機室外機連接管路等統(tǒng)歸為制冷系統(tǒng)連接管路，截止閥、四通閥等統(tǒng)一歸為制冷系統(tǒng)連接閥門。蒸發(fā)器、冷凝器分為進出口連接管段及中間管段；壓縮機區(qū)域主要部件為壓縮機、氣液分離器及油分離器。壓縮機分為進出口連接管段及中間腔體部分。

表1 分體式空調系統(tǒng)泄漏位置及對應符號Tab.1 Leakage parts and corresponding symbols of SAC

圖1 分體式空調系統(tǒng)Fig.1 SAC system

本文基于家用分體式空調系統(tǒng)狀態(tài)與工質循環(huán)特性，以及生產制造工藝特點，建立分體式空調系統(tǒng)泄漏故障樹如圖2所示，R、S分別為轉出和轉入事件符號，G為事件集合。

圖2 分體式空調系統(tǒng)泄漏故障樹((b)為(a)的分支)Fig.2 Fault tree of SAC leakage ((b)is part of (a))

1.2 基于故障樹的定性分析

利用下行法[9]對上述建立的故障樹進行定性分析，求得最小割集如表3所示。

表 2 分體式空調系統(tǒng)泄漏故障樹符號及含義Tab.2 Symbols and representative significance of leakage fault tree of SAC

表3 分體式空調泄漏故障樹最小割集列表Tab.3 Minimum cut set list of SAC leakage fault tree

表3中的最小割集構成了組成分體式空調泄漏發(fā)生的最小可能集合。

結構重要度[10]是故障樹定性分析中的重要環(huán)節(jié)，通過衡量基本事件由失效態(tài)轉為正常態(tài)時，故障樹中增加正常態(tài)的數目，用以描述不同泄漏成因在故障樹結構上對制冷系統(tǒng)泄漏的影響程度。結構重要度由式(1)[11]表示：

(1)

式中：I(i)表示第i個事件的重要度；xi∈Ej表示包含基本事件xi的每一個最小割集；ni表示基本事件所在最小割集中的基本事件的個數。由表2可知，一階割集為5個，二階割集為2個，利用式(1)計算得到最終的結構重要度為：

I(1)=I(2)>I(7)>I(5)>I(6)>I(3)=I(4)

根據結構重要度排序，結合表2與表3最小割集事件，從故障樹結構上可以預判出在分體式空調系統(tǒng)中，由釬焊不當、人為操作不當及工藝缺陷導致泄漏的可能性較大；對于腐蝕而言，由應力腐蝕導致制冷系統(tǒng)發(fā)生泄漏的可能性高于內、外腐蝕。

1.3 故障樹的定量分析

基于實際統(tǒng)計數據，對圖3中的故障樹進行定量分析。定量分析的基本函數為[10]：

或門N(X)=1-(1-X1)(1-X2)……(1-Xn)

(2)

定義泄漏概率為統(tǒng)計時間內發(fā)生泄漏事故的空調臺數與該時間段內的生產總臺數的比值，即：

(3)

基于2018—2020年M工廠分體式空調泄漏事件實際統(tǒng)計數據，調研分體式空調總臺數為1.16×106臺，泄漏事故發(fā)生3 489起，結合式(2)對數據進行定量分析，得到主要基本事件的泄漏概率值如圖3所示，對應符號可查表1。

圖3 分體式空調系統(tǒng)泄漏定量分析圖Fig.3 Quantitative analysis diagram of leakage of SAC

由圖3可知，分體式空調系統(tǒng)泄漏發(fā)生多位于S13、S12、S5、S6等處，分別對應分體式空調系統(tǒng)連接管路、系統(tǒng)連接閥門及冷凝器處。

2 分體式空調系統(tǒng)泄漏分析

2.1 分體式空調系統(tǒng)泄漏成因分析

基于上述故障樹的定量分析數據，按照分體式空調泄漏主要成因對概率進行排序，可得如圖4所示結果。

注：其他a包括節(jié)流閥3.17%，壓縮機中間部分0.26%，汽液分離器0.26%，蒸發(fā)器中間管段1.23%，蒸發(fā)器進出口連接管段2.73%，壓縮機中間部分0.26%；其他b包括蒸發(fā)器彎管段0.04%，蒸發(fā)器進出口連接管段0.04%，冷凝器彎管段0.04%，冷凝器配管0.20%，冷凝器進出口連接管段0.04%，壓縮機進出口端0.04%，壓縮機中間部分 0.41%，汽液分離器0.41%，節(jié)流閥0.20%。圖4 分體式空調泄漏原因分析圖Fig.4 Analysis of leakage causes of SAC

由圖4(a)可知，工藝缺陷、釬焊不當和操作不當為家用分體式空調泄漏的主要原因。與1.3節(jié)定性分析結果相比可知，結構重要度較大的泄漏基本事件，其概率計算值也較大，結果表明定性分析結構重要度能夠較好的預測分體式空調泄漏的易漏成因。工藝缺陷導致分體式空調發(fā)生泄漏的概率比其他泄漏成因的概率高一個數量級，釬焊不當、操作不當、疲勞裂紋又比應力腐蝕、內腐蝕、外腐蝕高一個數量級。由圖4(a)可知，對于腐蝕導致的泄漏故障概率為外腐蝕>應力腐蝕>內腐蝕。外腐蝕的嚴重程度一般取決于環(huán)境因素的影響，對于管道外的腐蝕而言，環(huán)境中的陰離子、pH值、溫度、濕度等均會對管道外表面造成一定的影響。電化學腐蝕一般發(fā)生于濕潤環(huán)境，化學腐蝕一般發(fā)生于干燥環(huán)境中。應力腐蝕[12]主要由材料自身缺陷導致。制冷劑管路在連接的過程中，銅管難免會有拉伸、彎折、熱脹的過程。在銅管自身存在缺陷的前提條件下，同時受到外界殘余應力作用及腐蝕作用，最終導致銅管失效遭到破壞。管路受到應力腐蝕時，管路表面不會有明顯的變化，肉眼難以發(fā)現。內腐蝕一般是由于制冷劑系統(tǒng)管路內部未將雜質清理干凈，導致管道內部雜質與銅管壁面接觸發(fā)生化學腐蝕或電化學腐蝕，該腐蝕一般不易察覺，危害性較大，管路一旦被腐蝕穿洞，制冷系統(tǒng)就會遭到破壞發(fā)生泄漏。

由此可知，分體式空調系統(tǒng)腐蝕泄漏中受外界環(huán)境因素影響的概率較大，因此，分體式空調銅管外部加厚噴涂腐蝕防護層，從而降低外界環(huán)境因素的腐蝕作用；同時優(yōu)化銅管熱脹、拉伸工藝，降低殘余熱應力，從而減少由應力腐蝕導致的分體式空調制冷系統(tǒng)泄漏。

由圖4(b)可知，工藝缺陷主要發(fā)生在系統(tǒng)連接管段和系統(tǒng)連接閥門處，泄漏事件最多發(fā)的部位為系統(tǒng)連接管路處。

通過概率統(tǒng)計計算這兩部位發(fā)生泄漏的結果如表4所示。系統(tǒng)連接管路處泄漏點多位于管路喇叭口位置；系統(tǒng)連接閥門泄漏多位于四通閥和二通閥處。由生產工藝分析可知，在分體式空調系統(tǒng)進行管路連接時，需對銅管進行擴口處理，銅管若質量不佳，擴口時各處受力不均，則容易引發(fā)擴口部位出現細小裂縫，引發(fā)制冷系統(tǒng)的泄漏，需對系統(tǒng)進行制冷劑的補充同時對擴口段進行更換；分析系統(tǒng)連接閥門處泄漏的原因主要為閥門自身的質量問題，因此針對閥門處發(fā)生泄漏應采取的措施為優(yōu)化閥門澆注工藝或選擇質量更優(yōu)的閥門投入使用。

表4 分體式空調系統(tǒng)連接管路及閥門具體部件泄漏概率Tab.4 Leakage probability of details of connecting pipes and valves of SAC

由圖4(c)可知，釬焊不當主要發(fā)生在冷凝器處和壓縮機區(qū)域，冷凝器處發(fā)生泄漏的位置多位于銅管彎頭處，壓縮機區(qū)域泄漏點多位于壓縮機排氣口及壓縮機回氣口處。原因為冷凝器和壓縮機區(qū)域處的制冷工質相對于蒸發(fā)器及節(jié)流閥處的工質而言處于高溫狀態(tài)，冷凝器處的銅管位于彎頭處的焊點較多，壓縮機出口處以及冷凝器處的制冷劑溫度、壓力相對較高，對于焊點而言，溫度越高，焊點處受到的熱應力越大，容易導致泄漏。

由圖4(d)可知，操作不當大多數發(fā)生在系統(tǒng)連接管路部分，其次為系統(tǒng)其它連接閥門。系統(tǒng)連接管路部分中的操作不當，通常是在管路擴口時，由于擴口工藝不到位，導致擴口處未能擴張到適當大小，需要對擴口段進行重擴；系統(tǒng)連接閥門處的操作不當是由于人為操作失誤導致閥門處密封不嚴，需要對閥門處進行緊固或者進行機械調整。

制冷系統(tǒng)在運行過程中，機組難免會產生振動。制冷系統(tǒng)管道與閥門受到機組振動產生的交變應力則有可能導致疲勞裂紋。由于銅管在連接過程中是通過熱脹工藝使其受熱發(fā)生變形從而進行連接，當溫度變化時變形受阻，則會產生熱應力。制冷系統(tǒng)在運行時，溫度不斷變化，銅管受到熱應力的影響導致材料失效，就會產生疲勞裂紋。同時，制冷系統(tǒng)部件間隙設計的不合理或支撐物設計的不合理，導致相鄰部件之間由于振動發(fā)生摩擦，最終部件也會因疲勞裂紋而造成泄漏。為避免疲勞裂紋導致泄漏，首先應優(yōu)化分體式空調系統(tǒng)部件之間的間隙設計，避免由機組震動導致部件之間發(fā)生磨損。其次對于應力較大的位置應合理增加支撐件，并在支撐件與制冷系統(tǒng)部件之間應敷設緩沖層用于降低支撐件與部件之間的摩擦。

2.2 家用空調系統(tǒng)泄漏位置分析

基于實際泄漏故障數據，分析了家用分體式空調不同位置發(fā)生泄漏的概率，如圖5所示。

圖5 分體式空調泄漏位置分析圖Fig.5 Leakage parts analysis diagram of SAC

由圖5可知，分體式空調泄漏主要發(fā)生在系統(tǒng)連接管路、冷凝器和系統(tǒng)連接閥門處。結合表5與圖5可知，系統(tǒng)連接管路發(fā)生泄漏的主要誘因為工藝缺陷，分析其原因為在連接管路處有喇叭口的存在，由于擴口工藝或者銅管質量不佳的影響，導致發(fā)生泄漏較多；導致冷凝器處泄漏的主要成因為釬焊不當及疲勞裂紋，冷凝器處的泄漏主要為由于冷凝器處的制冷工質相對蒸發(fā)器及節(jié)流閥處的工質而言溫度和壓力較高，因此焊點處容易發(fā)生泄漏，且冷凝器處管路較多，因此管路與支撐件之間發(fā)生磨損的可能性更高，由疲勞裂紋導致泄漏的結果就更大；系統(tǒng)連接閥門處泄漏主要是閥門質量不佳及釬焊不當導致，在2.1節(jié)中已進行了詳細的分析。

表5 分體式空調泄漏位置具體成因分析Tab.5 Analysis of specific causes of leakage parts of SAC

對比分析圖4、圖5及表5可知，家用空調器的冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機區(qū)域導致泄漏的最大原因是釬焊不當。其次，疲勞裂紋是導致冷凝器和壓縮機區(qū)域泄漏的主要因素。焊接技術的優(yōu)劣受多方因素影響，如焊接電流強度、焊接速度、焊條質量等。加強專業(yè)焊接人員技能培訓、選用優(yōu)質原材與焊條，可有效提高焊接工藝。疲勞裂紋導致泄漏冷凝器和壓縮機區(qū)域泄漏的主要原因是制冷系統(tǒng)在運行過程中壓縮機會產生振動，振動導致壓縮機連接管與其固定件之間發(fā)生摩擦，且壓縮機處工質處于高溫高壓狀態(tài)，壓縮機處受到熱應力的作用加劇了疲勞裂紋的產生，冷凝器處產生疲勞裂紋較多的主要原因是銅管與翅片之間或管路與支撐件之間在機組振動的影響下發(fā)生磨損。具體易漏點位置在前面已給出，這里不再贅述。

根據故障樹計算可得分體式空調系統(tǒng)室內側泄漏的概率為2.74×10-4，室外側泄漏的概率為2.72×10-3，總概率為2.99×10-3。對比室內室外側泄漏概率可知，室內側發(fā)生泄漏的概率低于室外側發(fā)生泄漏的概率。主要是由于室內側的系統(tǒng)部件只有蒸發(fā)器和室內機與室外機連接管路，蒸發(fā)器處泄漏易發(fā)位置如圖6所示。

圖6 分體式空調蒸發(fā)器易漏位置分析Fig.6 Analysis of leakage parts in evaporator of SAC

對于分體式空調蒸發(fā)器，泄漏易發(fā)位置主要在蒸發(fā)器配管(蒸發(fā)器粗管支路、分液頭、絲頭等)，其次為蒸發(fā)器的彎頭處。主要原因為蒸發(fā)器配管中粗管支路、分液頭在生產加工過程中需進行熱拉伸、焊接等工藝處理，同時翅片固定在蒸發(fā)管上一般為過盈配合，機組運行過程中的振動可能進一步造成管道發(fā)生摩擦導致泄漏，因此蒸發(fā)器配管的泄漏概率最高。

室外側部件發(fā)生泄漏概率較大主要是由于室外側部件較多，焊點多于室內機側，且制冷劑處于高溫高壓狀態(tài)時多位于室外側，同時由于室外側部件距離壓縮機更近，更容易受到壓縮機振動的影響，因此室外側的泄漏高于室內側的泄漏。對比其他廠家分體式空調泄漏概率范圍(6.93×10-4～1.23×10-3)[13-15]，計算所得的泄漏概率與其處在同一數量級。與美的熱泵型空調[16]失效原因的分析具有一致性。

3 結論

分體式空調泄漏受眾多因素的綜合作用，而泄漏位置的不同對泄漏空間濃度場的分布具有重要影響。本文基于實際統(tǒng)計數據，利用故障樹分析法對分體式空調的泄漏成因進行了系統(tǒng)分析，并進一步細化了分體式空調的易漏位置，得到如下結論：

1)分體式空調發(fā)生泄漏的總概率約為2.99×10-3，室外側泄漏概率約為2.72×10-3，室內側泄漏概率約為2.74×10-4；室外側主要部位發(fā)生泄漏的概率由高到低依次為：系統(tǒng)連接管路(1.32×10-3)>冷凝器(6.52×10-4)>系統(tǒng)連接閥門(5.81×10-4)。其中，系統(tǒng)連接管路處泄漏多位于管路連接的喇叭口，系統(tǒng)連接閥門泄漏按照泄漏事件發(fā)生可能性的由高到低依次為：四通閥>二通閥>三通閥；室內側部位泄漏按照發(fā)生概率由高到低依次為：蒸發(fā)器配管>蒸發(fā)器彎頭>蒸發(fā)器進出口連接管。

2)雖然室外側的泄漏概率高于室內側，但人員在室內側更為密集，室內側存在點火源的種類更多[13]，且點火源于室內側的點火概率高于室外側，因此研究室內側泄漏更為必要。室內側蒸發(fā)器泄漏中，蒸發(fā)器配管泄漏概率約為2.04×10-4，蒸發(fā)器彎頭處泄漏概率約為5.42×10-5，這兩處的泄漏概率較高，應重點考慮。

3)分體式空調系統(tǒng)泄漏發(fā)生的主要原因集中在工藝缺陷、釬焊不當、操作不當及疲勞裂紋。因此對于分體式空調制冷系統(tǒng)而言，應著重從焊接工藝、人員培訓、系統(tǒng)管路及閥門配件質量、設計的合理性等方面進行改進，避免制冷系統(tǒng)發(fā)生泄漏。對于由腐蝕引發(fā)的泄漏，應重點關注外腐蝕及應力腐蝕的危害，加強腐蝕保護層的噴涂并降低管路因工藝而產生的應力作用。