NB/T 47012-2010中TP2管材许用应力探讨

2014-05-29吴开斌

化工机械 2014年3期

金平吴开斌

(武汉市锅炉压力容器检验研究所)

近年来，制冷装置事故不断出现，给国民经济和人民生命财产安全带来巨大损失。制冷装置的安全问题不容小觑，应该从源头抓起，从设计环节就严格把关，我国现行的制冷装置设计、制造一般选用行业标准NB/T 47012-2010[1]，换热管是制冷压力容器的主要受压元件，换热管的强度直接关系到容器的安全性能。在设计环节，许用应力的选取是强度计算的前提，也直接关系到材料厚度从而影响换热器的安全性和经济性，笔者就标准中对TP2管材的许用应力相关条款展开讨论。

1 TP2的许用应力选取规定

根据文献[1]中4.6.1的规定，铜及铜合金管材的标准、使用状态和许用应力见表11，表11中对TP2管材规定了材料的引用标准是GB/T 1527-2006[2]或GB/T 17791-2007[3]，加工状态是M(软态)，其强度极限Rm=205MPa，其非比例延伸强度(近似于屈服极限)Rp0.2=45MPa,这个数值参考了JB/T 4755-2006[4]的数据，在文献[4]的表5.4和表5.5注解中对Rp0.2的下限保证值在材料标准中未提及，45MPa为该标准推荐值。同时，在文献[1]的8.3.1.5中又规定高效换热管应按照JB/T 10503-2005[5]和GB/T 20928-2007[6]的参数与技术要求的规定。在文献[5]中TP2的加工状态分M和Y2(半硬)两种状态，其对应强度极限Rm≥205MPa(M)和Rm=245～325MPa(Y2)；对应屈服极限Rp0.5≥62MPa(M)和Rp0.5≥205MPa(Y2)。

2 实际选取中遇到的问题

某空调机组制冷换热器设计按照文献[1]执行，选用TP2直翅片内螺纹高效换热管作为换热管。由于文献[5]中TP2管材有两种加工状态：M和Y2，且两种加工状态的强度极限和屈服极限差别很大，得到的许用应力也相应差别很大。笔者从直翅片内螺纹铜管的加工工艺过程来寻找答案，其胚管的通用加工工艺为[7]：上引/水平连铸→冷轧→拉拔→光亮退火→联合精整→成品胚管。高效管的通用加工工艺为：成品胚管→轧丝→齿形检查→一次清洗→锯切倒角→二次清洗→光洁度检查→耐压试验→干燥→成品管。

铜管的退火一般采用真空退火，温度480～520℃，保温2～3h，这是M态的；Y2态是先退火好，再拉管一道(因炉内温度不均匀，理论是直接退火可以，实际厂家都没有这样做，靠退火后的拉管变形系数来保证软硬要求)；拉管好的铜管就是Y2态了，不需要退火，文献[2]中的铜管热处理状态就是M态。虽然高效管管坯要求为M态，在其轧丝过程中一般翅片段都有较大残余变形，存在加工硬化，所以其成品管中存在M态和Y2态两种状态。两种热处理状态的屈服强度差别很大，在应用过程中，文献[5]在许用应力选取是按GB 151-1999[8]的表D6来选取，其中包括了退火(M态)和轻拉(Y2态)，其20℃许用应力分别为41MPa和62MPa，后者为前者1.5倍。制造厂家进行设计计算时肯定倾向用Y2态铜管，其许用应力值更高，设计壁厚可以更小，节约铜管成本；从用户角度出发，期望用低许用应力的M态，设计壁厚大设备更安全，且壁厚大更耐均匀腐蚀。由于文献[1]中铜管的热处理状态规定只允许M态，所以市场上大多铜管的热处理状态只标注了胚管的热处理状态为M态，对实际加工后的热处理状态未标注。而对于文献[5]的高效管，在同一根铜管上存在两种不同的热处理状态，铜管的热处理状态的具体界定和如何检测，相关标准都没有明确要求，只是对不同热处理状态的强度极限、屈服极限、硬度指标提出了要求，所以检验产品的热处理状态只能通过取样检测这3个指标来判断。

3 取样试验

取一段φ19mm×1.13mmTP2成品高效管，铜管化学成分见表1。

表1 TP2的化学成分 %

光管段拉伸试验按GB/T 228.1-2010完成，测试结果：强度极限Rm=243MPa，屈服极限Rp0.2=63MPa，断后伸长率A=54.5%(标距50mm)。光管段硬度测试按GB/T 4340.1-2009完成，HV值为60(大头)和61(小头)。翅片段齿形测试结果平均值为：壁厚0.66mm，外齿高0.95mm，内齿高0.37mm。

高效管的生产图一般由铜管厂家根据空调制造单位的设计图样制造，同时符合文献[5]中表1的基本参数要求即可。空调制造单位在强度计算时应考虑整根换热管的最薄弱位置所能承受的最大载荷进行设计计算，加工过程也应严格控制管材的伸长变形量，这样有益于产品的安全。实际铜合金材料没有明显的屈服阶段，其屈服极限按产生0.2%的塑形变形的应力值作为屈服极限，在铜合金的塑形变形过程中，伴随着明显的加工硬化现象，即使在光管段出现屈服，其塑形变形后材料的承载能力就会增大，直到达到强度极限之后断裂失效，所以虽然薄弱环节在光管段，实际过程中由于光管塑形变形后承载能力增强，最终最为薄弱的位置还是翅片段，翅片段局部厚度小于光管段，所以笔者认为对于铜合金材料采用强度极限除以安全系数作为许用应力从理论上更加合理。