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                          空調銅管若干問題的討論(論文)

                          發布時間:2022-03-28 21:37:54 審核編輯:本站小編下載該Word文檔收藏本文

                          空調制冷銅管若干問題的討論

                          張曉暉

                          摘要:本文通過對空調制冷用銅管在GB和YS中規定的主要問題進行力學性能、材料特性、清潔要求進行討論,同時提出了GB和YS中沒有規定的幾點問題,并且從銅管材料和加工工藝方面對銅管使用中的常見問題進行原因分析。

                          關鍵詞:銅管GBYS力學性能 材料特性加工工藝

                          1引言

                          空調銅管是制冷裝置的重要原材料,它主要有兩個用途:1、制造換熱器設備最常用的蒸發器、冷凝器(俗稱“兩器”);2、作為連接管道和管組件。不管哪種用途,它都是制冷劑的通道,其作用十分重要。這就要求銅管生產企業提供優質的銅管,另一方面要求空調制冷企業妥善地使用銅管。GB/T17791-1999《空調制冷用無縫銅管》和YS/T440-2001《內螺紋銅管》對銅管的質量作了詳細的規定,這些規定與美國的ASTMB280和日本的JISH3300是對應的。本文是從使用銅管的角度,既討論GB和YS中的主要問題,也討論GB和YS中沒有的有關問題。

                          2 有關標準(GB、YS等)中規定的有關質量要求

                          2.1銅管材料牌號和化學成分

                          2.1.1純銅的分類和各自特點

                          空調制冷用銅管牌號有T2和TP2,現多采用TP2。它們都是純銅,純銅主要分三大類:1、韌銅:中國牌號T1、T2、T3等,是含氧較多的銅,含氧量分別是0.02% 、0.06% 、0.1% ,其他雜質總含量也較高。2、無氧銅:中國牌號TU1、TU2 ,含氧量極低,分別為0.003% 以下和0.01% 以下。其他雜質總含量也是最低的。3、脫氧銅:其中又主要是磷脫氧銅,中國牌號TP1、TP2 ,其含量0.01%以下,含氧量大大低于韌銅,但比無氧銅高。其含磷量即用磷脫氧后銅中殘余的含磷量,控制在一定范圍,這表明,磷在這種材料中類似于合金元素的作用。依殘余磷含量范圍的不同,磷脫氧銅又分為二種,其牌號和成份點如表1所示:

                          表一

                          牌號

                          O%

                          P%

                          雜質

                          總量

                          CU

                          用途

                          中國(GB)

                          美國(ASTM)

                          日本(JIS)

                          GB5231

                          金龍Q/XT03

                          GB5231

                          金龍Q/XT03

                          %

                          %


                          TP1

                          DLP(C12100)

                          C1210

                          ≤0.010

                          ≤0.003

                          0.005-

                          0.012

                          /

                          ≤0.10

                          >99.9

                          電氣板帶絲

                          TP2

                          DHP(C12200)

                          C1220

                          ≤0.010

                          ≤0.003

                          0.013-

                          0.05

                          0.015-

                          0.04

                          ≤0.15

                          >99.85

                          管材

                          焊接

                          2.1.2磷脫氧銅的特點

                          由于如下特點,磷脫氧銅得到更廣泛的應用:

                          (1)它的強度高于無氧銅,這是含有較高磷的結果,而且TP2比TP1強度高;

                          (2) 它的焊接性優于韌銅與無氧銅,這是由于含的磷在焊接時起自釬劑(焊藥)作用,有去除氧化物作用和防止焊接時吸氧;這種優點使它在空調制冷應用中經受焊接的質量大大提高;

                          (3) 它不會發生氫病。這是由于含氧很低,在還原氣氛(H2)下不會發生氫與銅中氧反應形成水蒸汽而造成晶界裂紋。這使它比韌銅得到更廣泛的應用,特別是在化工和電子設備中;

                          (4) 它的抗軟化性好。這是由于一定量的磷提高了再結晶溫度,使它在被焊接時因為高溫加熱而降低強度的傾向減少。

                          2.2 銅管的力學性能

                          在GB中規定了銅管在不同狀態時空白的力學性能,一般有兩項指標,即抗拉強度σb和延伸率δ5 。這兩項指標首先決定了銅管要滿足的使用性能,即銅管應當有足夠的強度和韌性,又反映了銅管應用加工過程中的必需的工藝性能,如銅管在經受彎曲、脹管、擴口過程中的可塑成形性。雖然GB中對擴口性能做了規定,但擴口性能只是在工藝性能的一個方面,不能代表全面的工藝性能。

                          對延伸率δ5要注意具體含義,人們往往籠統地稱延伸率δ,其實這是不夠準確的,一般延伸率分為δ10和δ5二種,同一種材料其δ10和δ5是不同,δ10是用長試樣測定的,δ5是用短試樣測定的,同一批材料,其δ10肯定比δ5小,對此在有關GB中規定的很清楚?照{制冷銅管的標準中規定δ5≥40%為合格,但如果試驗時按長試樣測定,就會出現測出的延伸率低于40%而誤以為不合格。

                          2.3 銅管的晶粒度

                          這是對銅管金相組織方面的一項要求,它的大小與銅管成分和生產工藝過程有關,晶粒的大小關系到銅管性能。在晶粒問題上要注意二點:1、它與鋼鐵材料的晶粒衡量標準不同,因為它的晶粒形態與鋼鐵的形態不同,它的晶粒度是以毫米為單位,而且有專用的標準圖譜。2、它受測試操作的影響較大,應當由有經驗的金相檢驗人員按規范的金相試驗操作進行,如取樣、磨樣、浸蝕和金相顯微鏡觀察都要規范、正確,否則就會得出不真實得結果,而導致誤判。

                          2.4 銅管的渦流探傷及標出的傷點

                          GB規定了銅管必須進行100%的渦流探傷,并規定了校核探傷儀用的樣品管上的人工缺陷(通孔)直徑,以保證渦流探傷的靈敏度,防止超標的缺陷漏檢。這項要求,在重視在線自動化質量控制的銅管廠是能充分保證的,因為渦流探傷儀是裝在水平纏繞機上,在精整工序完成的,這種在線渦流探傷保證了管子所有長度都經過渦流檢測,是100%的探測。正規的銅管渦流探傷要求標上每盤管(長達1000多米)上的傷點數目,并將傷點部位涂上標記,以使用戶在使用中識別出來挑出這段“黑管”?照{制冷企業要對操作工人講清這一點,預防這種帶傷點的管子裝到空調制冷裝置上。值得注意的是,有傷點的“黑管”并不全部立即在空調制冷裝置上暴露,因為有的傷點還不是已經漏通的,但可能在使用一段時間后發展擴大而泄漏。所以,一定要把“黑管”挑處報廢。

                          應當說明,一般渦流探傷儀的檢測線圈是固定式,對管子上的縱向缺陷檢出靈敏度很低,這些縱向缺陷往往造成擴裂或內漏(對兩器用薄壁銅管更為嚴重)。最先進的渦流探傷儀是旋轉線圈,而這種探傷儀投入實用的(在線的),只有德國和美國進口,價格昂貴,國內銅管廠配備的還不多,因此許多兩器加工存在著潛在的泄漏問題。同時,很多銅管廠由于連固定式在線探傷儀都沒有或有低水平的,導致空調連接管泄漏增多。

                          2.5 銅管的清潔度

                          空調制冷銅管對內壁清潔度要求有很嚴格的要求,這種高清潔度使空調冰箱廠使用銅管時無需要清洗。特別是替代CFC和HCFC的新型制冷劑HFC的使用,對銅管內壁清潔度要求更為嚴格,國內外對此還沒有統一的標準,各廠家要求差別很大,金龍公司的企標《HFC制冷劑專用銅管(Q/XT03-1999)》規定的指定是比較嚴格的,具體見表2 。

                          表2單位:mg/m2

                          雜質總量

                          殘留油份

                          殘留水份

                          氯離子

                          石蠟

                          ≤30

                          ≤7

                          ≤30

                          ≤0.2

                          ≤0.5

                          應當說明:1、雜質總量是指固體物質如銅粉、污物,包括了可溶性和不溶性兩類雜質,但不包含水分;2、殘留油份是指生產銅管所用的潤滑油的殘余,包括礦物油和非礦物油,即合成油,通過選油、清洗、退火吹掃和精確的檢測等工藝控制達到極低的殘油含量。

                          2.6 銅管的外觀和表面質量

                          國際和類似標準中,一般都是要求“表面清潔光亮,不應有影響使用的有害缺陷”。我們理解是:表面包含內外表面;清潔就是不應有油污;有害缺陷就是機械`損傷,包括劃傷、碰傷、壓傷。這里要特別和大家討論一下“劃傷”和“光亮”。

                          關于劃傷(主要是外表面劃傷)大部分是在銅管制造過程中造成的。但是,我們分析原因時多次發現,有一些不是銅管制造中造成的而是在銅管使用中造成,特別是盤管,在放線時,由于放線裝置在放出的待彎曲供料的銅管牽引下旋轉,裝置的轉動慣性較大,造成銅管過多的放出(松卷),在下一次彎管進料動作的猛然牽動下已松了卷的銅管就被猛然拉緊,重新纏緊在盤管上,與下面一層管子接觸時發生相互摩擦和碰擊,使兩段發生相摩擦的管子表面都造成一定長度的劃傷。這樣,在有節奏的供料牽動作用下,沿管子表面就形成一段一段的劃傷。用顯微鏡對國內外的用戶提供的劃傷管樣的外觀特征和內部金相組織特征進行的觀察分析也表明不是銅管生產過程中造成的劃傷,而是放線過程中造成的。

                          “光亮”的要求,若是僅從粗糙度角度看,作為精密銅管的空調制冷管專業生產廠家是不難做到的。但若是從表面顏色看,由于銅管在空氣中不可避免地要產生不同程度地腐蝕,俗稱“氧化”,其顏色的輕重就有個尺度的掌握問題。因之,對銅管的顏色變化做如下討論:

                          以金龍公司生產的銅管為例,它是在含氫的還原性高純N2保護下進行最后退火的,因此退火后的銅管表面被還原的非常潔凈,沒有絲毫的氧化膜,是純銅的真實顏色,即很淺的淡黃色。按銅的化學性質必然在干燥的大氣中在常溫下與氧發生化學氧化,生成Cu2O,但這個過程較緩慢,顏色逐漸變紅,正因為這樣,很早人們就將純銅稱為紅銅或紫銅,相應地把含一定合金元素的銅合金稱為黃銅、青銅和白銅。但由于空氣往往含有一定的水蒸汽,純銅害可能在水和氧的共同作用下發生電化學腐蝕,這已不是純化學氧化,這種電化學腐蝕也稱為濕氧化,在腐蝕分類上屬于大氣腐蝕,這種電化學過程要快得多,原來得淡黃色純銅表面顏色很快變深,如果空氣中含有SO2、H2S、NH3和CO2等工業氣體,大氣腐蝕就更加劇烈。這就是我們經?吹降勉~管變色。有的籠統稱之為發黑。其實不都是黑色,往往是紅、橙、藍、綠或其中間過渡色彩,有的很鮮艷。但這些顏色并不完全是腐蝕產物膜得原色,大多是由膜厚度與各色光得波長相近(或成一定比例)時發出的相干光的顏色。美國材料與試驗學會(ASTM)公布銅表面膜數據,如表3:

                          顏色

                          暗褐

                          赤褐

                          藍綠(青)

                          紅(赤)

                          膜厚(納米)

                          20-35

                          30-40

                          35-45

                          40-50

                          60-80

                          80-100

                          100-120

                          110-150

                          說明:1納米(nm)=10埃(A)=0.001微米(μm)

                          還應說明,憑顏色可能推測膜的厚度,但往往在顏色的觀察、理解和描述上發生很大差別,同一個銅管的顏色,不同的人在觀察后進行描述時,往往差別較大,這就使推測膜厚進而推測銅管受大氣腐蝕而變色的程度也差別較大。由表中所列數據我們可以看出,膜的厚度一般在0.02~0.15μm之間。

                          實踐表明,銅管變色有相當大的比例是在儲運過程發生的。特別是銅管的包裝破損或被拆除后,其防潮防水的密封件破壞后,發生變色的比例更大。如前所述,銅管變色是銅在潮濕大氣中發生的一種大氣腐蝕,而且這種電化學過程進行得很快。必須對包裝材料含水率和包裝車間的環境濕度進行了嚴格的控制。因此在對銅管的包裝防護中提出:1、銅管用戶在驗收銅管時一定要注意包裝的密封性是否完好無損,若是發現在運輸過程中已經破損,要立即提出并做好記錄以備交涉(當然更要記錄淋雨淋水)。2、用戶在取樣(進行理化性能測試)時,對包裝的開啟應盡量局部開小口,并在取樣后能及時用膠帶將開口封嚴。3、銅管包裝盡量不要在使用前過早打開,以減少暴露的空氣中的等待使用時間;若已打開而當日不用,最好用塑料袋或塑料布覆蓋,特別是在雨季濕熱季節和晝夜溫差大的情況下更要防護。

                          3 有關標準(GN、YS等)中規定的有關質量要求

                          3.1 物理性能和有關力學性能

                          熔點:1085℃;比重(密度):8.94g/cm3(20℃);彈性模量(楊氏模量)(E):10500~13700kgf/mm2(20℃);剪切,模量(G):3800~4800 kgf/mm2(20℃);泊松系數(υ)0.33~0.35(20℃)。

                          三種純銅(T2、TP1、TP2)的高溫力學性能(高溫短時拉伸強度σb,MPa)見表4。

                          表4

                          溫度

                          20

                          100

                          200

                          300

                          400

                          500

                          600

                          700

                          800

                          900

                          T2(退火)

                          215

                          /

                          /

                          185

                          /

                          120

                          75

                          50

                          35

                          20

                          TP1(退火)

                          230

                          200

                          176

                          150

                          /

                          /

                          /

                          /

                          /

                          /

                          TP2(退火)

                          240

                          /

                          /

                          189

                          168

                          129

                          105

                          47

                          37

                          15

                          TP2的低溫力學性能,人們主要是關心其是否有冷脆性,答案是TP2沒有冷脆性。因為隨著溫度的降低,純銅的抗拉強度σb和延伸率δ不但不降低,反而都提高。但銅管內有水被凍裂是由于水結冰時體積膨脹產生巨大膨脹力造成的,并非銅變脆了。純銅的疲勞強度(σ-1)(循環次數108)軟態約為70MPa,半硬態約為100MPa,硬態約為120MPa。

                          純銅的其他室溫力學性能如表5。

                          表5


                          彈性極限σe(MPa)

                          屈服點σS(MPa)

                          強度極限σb(MPa)

                          延伸率δ5(%)

                          斷面收縮率ψ(%)

                          硬度HB(kb/mm2

                          剪切強度σt(MPa)

                          硬態

                          280~300

                          340~350

                          370~420

                          4~6

                          35~45

                          110~130

                          210

                          軟態

                          20~50

                          50~70

                          220~240

                          40~50

                          65~75

                          35~45

                          150

                          3.2 直管的殘余應力測定

                          殘余應力太大,會導致銅管使用中變形,特別是變形導致應力的增加,有可能引起應力腐蝕開裂。測定直管殘余應力的方法如下:

                          取5米長的銅管,測某處(此處做標記)的外徑D0,轉90°方向沿縱向切開一側,在銅管冷卻到室溫時(避免切開時的升溫造成的測量誤差),在原測量處(做標記處)測外徑D1,則按下式計算:

                          殘余應力σC= Et(1/D0-1/D1)/(1-υ2)(Kgf/mm2)

                          式中:E——彈性模量(Kgf/mm2)

                          υ——泊松系數

                          t——銅管壁厚(mm)

                          取E = 11200 Kgf/mm2,υ=0.33,則σC =12568.735t(1/D0-1/D1)(Kgf/mm2)

                          3.3 銅管的耐壓性與爆裂性(水壓試驗)

                          銅管的耐壓性與爆裂性能在空調熱交換的銅管標準中沒有這項要求,其原因是空調制冷裝置的工作壓力不高。但許多空調制冷企業仍然對銅管的耐壓能力提出質詢,特別是在采用代替CFC(氯氟烴)[如R11和R12,對臭氧有明顯破壞作用,是當前淘汰的重點。]和HCFC(含氫氯氟烴)的新制冷劑之后,由于使用新型制冷劑的空調制冷裝置的壓力提高了約50%,許多人就擔心銅管的耐壓性能是否滿足。我們認為空調機在使用HCFC22時,管道工作壓力最大為1.5MPa,裝置的耐壓試驗壓力是工作壓力的1.5倍,即2.25MPa,最大為3MPa,在采用新型制冷劑HFC(如R410A)后,管道工作壓力提高到2.25MPa,試驗壓力提高到4.5MPa。管道壓力可以做如下分析:

                          管道壓力 Pb = 2σbt/(D-0.8t)(MPa)

                          式中: σb——管子材料的抗拉強度(MPa)

                          t——管子壁厚最小值(對內螺紋管應是其底壁厚)(mm)

                          D ——管子外徑(mm)

                          水壓試驗時,計算Pb時所代入的σb不是銅管的實際σb,而是如表6所示。

                          表6 MPa

                          狀態

                          硬態

                          半硬態

                          軟態在不同溫度時的σb計算取值

                          <50℃

                          50~75℃

                          75~125℃

                          125~150℃

                          150~175℃

                          175~200℃

                          σb

                          63

                          50

                          41.2

                          34

                          33

                          32

                          28

                          21

                          按上述公式和σb計算出來的Pb稱為管子的最大工作壓力,水壓試驗時試驗壓力應為1.5Pb 。在1.5Pb的壓力下管子不發生滲漏或永久變形即為合格。然后繼續加壓直到管子爆裂,記下此值為P爆。我們也可以按銅管實際抗拉強度σb實代入計算出P爆。如果我們將上式簡化為Pb = 2σbt/D(這恰恰是材料力學的純理論公式),用此簡化公式計算管子的P爆十分方便,其誤差也不大。

                          3.4 銅管彎管中的常見問題(見表7)

                          表7


                          內側起皺

                          外側開裂

                          管徑變形率超標

                          管內表面擦傷

                          銅管本身原因

                          1、 狀態偏軟

                          2、 壁厚不均或偏心

                          3、 壁厚偏小,內徑偏大

                          1、 狀態偏硬

                          2、 壁厚不均或偏心

                          3、 表面或內部有缺陷

                          4、 壁厚偏大,內徑偏小

                          5、 銅管表面粗糙

                          1、 狀態偏硬或過軟

                          2、 壁厚不均或偏心

                          3、 退火工藝不當,狀態不均

                          銅管原來有擦傷

                          彎管工藝的原因

                          1、 芯頭尺寸偏小

                          2、 芯頭位置偏后

                          3、 潤滑過度

                          4、 芯頭型面不當

                          5、 夾緊塊過松或滑脫

                          6、 彎曲半徑過小

                          1、 芯頭尺寸偏大

                          2、 芯頭位置偏前

                          3、 潤滑不足

                          4、 芯頭表面磨損

                          5、 小彎頭彎曲時管內有切削等異物

                          6、 彎管機夾緊力過大

                          1、 芯頭過小或型面不當

                          2、 芯頭位置偏后

                          3、 模具管槽尺寸配合過大

                          4、 夾緊塊過松

                          5、 夾緊塊與彎輪管夾部位配合不當

                          6、 彎曲半徑過小

                          1、 彎管機調整不當

                          2、 芯頭安裝松動

                          3、 芯頭有傷痕

                          彎管時很艱難沒有內側起皺,對起皺程度的控制大都缺少量的規定,這里推薦一些空調制冷企業的控制辦法:起皺數目≤3個,起皺高度≤0.5mm,供參考。至于管徑變形率可以通過下式計算:

                          △Φ=[(Dmax - Dmin)/D] ×100%

                          式中:Dmax——最大管子外徑

                          Dmin ——最小管子外徑

                          D——銅管公稱外徑

                          一般當△Φ≤15% 時判為合格。

                          3.5 銅管脹擴管中的常見問題(見表8)

                          兩器脹管時不均勻收縮,對擴裂影響很大,因此對于有些產品脹管存在一定難度時可以考慮將脹擴分二步工序進行。

                          表8


                          脹管時收縮不均

                          脹不緊

                          擴口開裂

                          銅管本身原因

                          1、 狀態軟硬不均

                          2、 壁厚不均,內螺紋管底壁厚不均,齒高不均

                          3、 內表面有嚴重變色膜

                          1、 壁厚偏小,內螺紋管底壁厚小,齒高小

                          1、 性能偏硬

                          2、 性能不均

                          3、 壁厚不均或偏心嚴重

                          4、 表面或內部有缺陷(壓入物、夾雜、折迭、劃傷等)

                          脹擴工藝的原因

                          1、 脹頭尺寸不均

                          2、 脹頭磨損

                          3、 潤滑不足、不均

                          1、 脹頭直徑銅管直徑與鋁翅片的孔徑不匹配

                          2、 脹頭磨損,直徑偏小

                          1、 發卡管長度設定偏差

                          2、 管口切割不平整,有毛刺

                          3、 無屑下料時切口收縮太大,冷作硬化

                          4、 管口偏斜

                          3.8 銅管釬焊中的常見問題

                          在空調制冷裝置生產中,焊接工序很多,其中許多是釬焊,焊料大都采用磷銅,加熱方法是氣焊火焰。釬焊焊接接頭(包括焊縫和其附近的熱影響區)的常見問題是泄露,其原因分析見表9。

                          表9


                          虛焊

                          溶蝕穿孔

                          過燒穿孔

                          銅管本身質量原因

                          1、 銅管表面殘油過多

                          2、 銅管表面變色膜太厚

                          /

                          /

                          焊接原因

                          1、 彎管、脹管時的潤滑油未去除干凈

                          2、 焊接加熱不足,溫度較低或加熱時間短,焊料與母材界面上未發生相互溶解擴散;有的焊縫未填滿焊料;

                          焊接加熱時間過長,加熱溫度過高,致使熔化的焊料液體溶蝕管材母體,使之減薄,甚至穿孔;有的減薄處則在工作受力一定時間后形成開裂。焊縫上方2~5mm處是焊炬火焰集中加熱處及補焊處,最易發生嚴重溶蝕

                          焊接火焰調整不當,使用了氧化焰;錯誤采用焰心部位集中加熱銅管局部,造成局部表面晶粒長大,晶界氧化加粗開裂,甚至晶粒燒損脫落,再嚴重時就局部熔化穿孔。

                          除焊接操作中的火焰性質(氧化焰、中性焰、還原焰),火焰部位(焰心、外焰),加熱部位(管子、焊料),加熱均勻性和加熱時間之外,還需要注意焊件組合裝配的焊縫間隙大。ㄣ~管件一般為0.05mm~0.15mm),和焊料的牌號與成份的控制等。特別說明,磷銅焊料不止一種,其成份和特性都有較大差別,若其成份變化,必然引起熔點變化,就應調整火焰大小加熱時間等。所以要慎重選用,嚴格控制,以確保焊接質量完好。

                          參 考 文 獻

                          1、 GB/T17791-1999《空調制冷用無縫銅管》

                          2、 YS/T440-2001《內螺紋銅管》

                          3、 金龍銅業有限公司公司企業標準《HFC制冷劑專用銅管(Q/XT03-1999)》

                          4、 《中外常用金屬材料手冊》 陜西科學技術出版社

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