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，出于環境保護的目的，國家要求各省生態環境廳全面執行GB 37822-2019《揮發性有機物無組織排放控制標準》，對顆粒物、非甲烷總烴、臭氣等大氣污染物嚴管控。普通焊接車間單個焊接崗位產生含有顆粒物風量達到560 m3/h，廢氣彌漫，員工工作環境差，需要配備相應的焊接廢氣治理設備。制造企業焊接構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，而受環保和效率要求的影響，多采用機械脹接方式。但因受管板結構設計、脹接工藝參數以及管板和換熱管材質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。

目前國內外標準對換熱管和管板脹接可靠性評價方面，ASME標準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準[4]。GB/T 151標準給出了機械脹接的脹度選用值，但只有設計壓力大于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標準同樣只規定設計壓力大于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，依據試驗數據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壁，再啟動機械馬達使芯軸帶著滾珠旋轉，在旋轉過程中，滾珠對換熱管內壁進行碾壓，使換熱管壁厚減薄，發生塑性變形，而管板發生彈性變形。芯軸反向旋轉退出后，利用管板孔壁的彈性恢復，對發生塑性變形的換熱管壁施加徑向力，從而實現換熱管和管板脹緊密封。因此，要保證脹接密封可靠性，換熱管必須發生塑性變形，且要發生產足夠長度的塑性變形，同時，管板只能發生可恢復形變的彈性變形，保證在換熱管和管板接觸面產生足夠的殘余應力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，通過光學顯微鏡來觀察確定材料內部組織形貌，從而根據顯微組織變化和分析結果，為材料研究和檢驗、工藝評定和改進、質量問題失效分析等提供可靠的依據。

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、B為過渡區、C為非脹接區）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A和非脹接區C銅管壁厚。

圖2 脹接取樣示意圖

通過對金相樣件脹接區和非脹接區銅管壁厚觀察，可以明顯看到銅管壁厚變化情況，且可以準確測量脹接區和非脹接區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外徑和壁厚、管板孔內徑以及脹接后換熱管內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{（脹接區銅管壁厚-非脹接區銅管壁厚）/非脹接區銅管壁厚}計算就可得到脹接減薄率，可有效減少多次測量導致的誤差，且可以測量獲得所有脹接區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和非脹接區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。從驗證數據結果表明，通過金相法可以準確測量和獲得銅管脹接后壁厚減薄率和有效脹接區域長度，從而來評價銅管發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節和滾珠各段的磨損程度等提供有效的數據依據來源。

圖4 銅管脹接區脹接減薄率變化趨勢圖

2.2 應力應變法

應變片測量法是應用電阻應變計測量零件表面應變，以確定構件表面應力狀態的一種試驗。使用時，用絕緣粘接劑將電阻應變片粘貼在零件被測點的表面。當零件在載荷作用下產生一定結構變形時，應變片的電阻值會發生相應的變化，通過應變儀可將阻值的變化測定出來，再根據應變和應力關系，即可計算出被測點的應力[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變片布點位置，測量脹接過程管板孔孔橋壁應變變化，如圖5所示。

圖5 銅管脹接應力應變布點示意圖

圖6為脹接過程脹接管板孔周圍鄰近管板孔孔橋壁應變動態曲線，從圖上可看出，脹接過程孔橋應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。此應變變化現象主要是脹接過程脹管器錐形芯桿先正轉推進，達到設定力矩值，芯桿停止轉動，再立即反向轉動退出。

圖6 脹接過程管板孔孔橋應力應變動態曲線圖

表1為不同脹接力矩管板孔橋壁受應力應變表，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變也隨著提高，相應的應力也隨之增大。當脹接力矩達到32 N·m時，管板孔橋壁受到的最大應變達到294.38，產生的最大應力為61.53 MPa，已非常接近軟態T2銅管屈服強度62 MPa，但未達到管板屈服強度345 MPa，即此時脹接存在導致周圍已脹接的銅管發生沿徑向收縮塑料變形，根據機械脹接原理，會影響密封效果，出現泄漏。因此，從試驗數據結果表明，通過應力應變法可以有效監測脹接過程管板孔孔橋壁應力狀態，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、管板厚度的設計提供有效的數據依據來源。

表1 不同脹接力矩管板孔橋受應力應變表

為驗證脹接時管板孔孔橋壁受力狀態，根據管板圖紙技術參數，利用Solid Works軟件建立管板的幾何模型。在ANSYS中導入上述管板三維模型，完成參數設置后，采用劃分網格方式，對管板孔一些關鍵過渡面做網格優化處理，得出管板網格，并仿真不同脹接力矩下管板孔橋受應力情況，仿真結果如表2所示。

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

圖7 32 N·m脹接力矩作用下管板孔橋應力云圖

表2 不同脹接力矩下管板孔橋仿真應力表

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，再根據殘余應力公式計算得到脹接接頭接觸面殘余應力q。

殘余應力公式[9]：

q—接觸面殘余應力；

F—抗拉脫力；

Di—管板孔內徑；

L—有效脹接長度；

μ—靜摩擦系數，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，并按殘余應力公式計算獲得對應的接觸面殘余應力。

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

表3 不同脹接力矩對應平均拉脫力和殘余應力表

3 結論

本文通過試驗分析了金相、應力應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，得到如下結論：

1）采用金相法，可以準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為了微觀測量，測量評價的準確度得到了提升。

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

3）采用拉脫力法，可獲取不同脹接參數下的接觸殘余應力，且脹接參數存在最優值，其對應的殘余應力最大，當超過此最優值時，殘余應力反而會下降。

4）通過上述試驗結果表明，采用金相法、應力應變法以及拉脫力法相結合的方式，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。