铜铝复合管与碳钢管板的胀接及拉脱力试验

Expansion Joint and Pull-Off Force Test of Aluminum Clad Copper Tube and Carbon Steel Tube Plate

杨标 Biao YANG , 叶毕彬 Bibin YE , 何寅 Yin HE , 杜胜男 Shengnan DU

1 约克〔无锡〕空调冷冻设备有限公司江苏无锡 214028 York 〔Wuxi〕 Air Conditioning & Refrigeration Co., Ltd., Wuxi, Jiangsu 214028, China 2 杭州三花微通道换热器有限公司浙江杭州 310018 Hangzhou Sanhua Micro-Channel Heat Exchanger Co., Ltd., Hangzhou, Zhejiang 310018, China 3 浙江开山压力容器有限公司浙江开山 324000 Zhejiang Kaishan Pressure Vessel Co., Ltd., Kaishan, Zhejiang 324000, China 4 哈尔滨东泰环保锅炉有限公司黑龙江哈尔滨 150431 Harbin Dongtai Environmental Protection Boiler Co., Ltd., Harbin, Heilongjiang 150431, China

摘要：

铜铝复合管(ACC管)是一种新型的铝包铜换热管，其将铜良好的瞬间吸热能力与铝良好的散热能力相结合，具有换热效果好、质量轻、制造成本低等特点。为考察其与碳钢管板的胀接工艺性能及胀接拉脱力，进行了胀接和拉脱力试验。结果表明，ACC管与碳钢管板在不开槽胀接时的胀接减薄率合格，其连接接头具有很强的拉脱强度，胀后的拉脱力满足国家标准的相关要求，为将ACC管用于管壳式换热器的制造提供了依据。

关键词：

铜铝复合管; 胀接; 拉脱力; 换热管;

Abstract：

Aluminum clad copper tube (ACC tube) is a new type of aluminum clad copper heat exchange tube, which combines the good instantaneous heat absorption capacity of copper with the good heat dissipation capacity of aluminum. It has the characteristics of good heat exchange effect, light weight, and low manufacturing cost, etc. In order to investigate the expansion joint process performance and pull-off force of the expansion joint with carbon steel tube plate, the expansion joint test and pull-off force test are carried out. The results show that the expansion joint thinning rate between the ACC tube and the carbon steel tube plate in the non-grooving expansion joint is qualified, the connection joint has a strong pull-off strength, and the pull-off force after expansion meets the relevant requirements of the national standard. The experimental results can provide a basis for the use of ACC tube in the manufacture of shell-and-tube heat exchangers.

Keyword：

aluminum clad copper tube(ACC); expansion joint; pull-off force; heat exchange tube;

铜铝复合管(ACC管)是一种新型的铝包铜换热管，其外侧为防锈铝合金，具有良好的散热能力；其内侧为无氧铜，具有良好的瞬间吸热能力；中间为铜铝冶金结合层，因此ACC管具有良好的传热性能。ACC管主要用来取代或替代纯铜管，与纯铜管相比，ACC管具有换热效果好、质量轻、制造成本低等特点，现已被广泛地用于家用空调及移动式空调的蒸发器及冷凝器中。澳大利亚、韩国等的一些外国公司，已经将ACC管应用到大型的中央空调及工业冷冻设备的管壳式换热器中^[1]。将ACC管用于管壳式换热器的制造，除考虑ACC管的传热性能，还要考虑其工艺性能，特别是ACC管的胀接性能必须得到保证，为此本文进行了ACC管与碳钢管板的胀接接头的拉脱力试验。

在多数中央空调换热器的制造中，管板材质大都为碳钢，换热管材质一般采用铜管，铜管与管板的连接方式为胀接连接，从铜管的力学性能可知，其抗拉强度≥200 MPa，断后伸长率≥50%，硬度≤HB70，这使得铜管有很好的扩展性能，而其硬度与碳钢管板的硬度相差不大，胀后的残余压缩应力使得胀接接头有很好的拉脱力，因此铜管的胀接工艺现在已经非常成熟。铝制换热管也已被应用于换热器中^[2]，铝制换热管与碳钢管板的连接方式一般采用黏接或者插入套管进行胀接的方式，这主要与铝制换热管的性能有关，根据国家标准《铝及铝合金拉(轧)制无缝管》(GB/T 6893—2010)，常规铝制管的抗拉强度在200 MPa左右，断后伸长率基本为15%，硬度≤HB60，铝制换热管与碳钢之间的材料性能存在差异，很难保证使用纯胀接接头的密封性能及拉脱性能，而铝管的断后伸长率小，会导致可扩展性差，胀接后容易开裂。使用纯胀接的铝制换热管与碳钢管板的胀接接头，在运输及使用过程中出现了管头泄漏的问题^[3]，多由胀接管头拉脱力不够引起的。

ACC管结合了铜和铝的特性，因增加了铜，使得ACC管的断后伸长率及扩口率比铝管大幅提高，断后伸长率≥35%，扩口率≥50%，故ACC管具有更好的胀接性能。由于将ACC管用于管壳式换热器的制造在国内刚刚起步，对于ACC管与碳钢管板的胀接工艺性能、胀接拉脱力以及其胀接接头是否和铝制换热管与碳钢管板的胀接接头一样容易脱落，国内很少有报道。为了保证ACC管换热器的制造质量，本文进行了ACC管与碳钢管板的胀接接头的拉脱力试验，以此来验证ACC管的胀接性能。为了更好地验证ACC管的拉脱性能，ACC管与碳钢管板的胀接方式采用了空调中铜管和碳钢管板一样的胀接方式，即不开槽胀接方式。

1 物料准备

1.1 管板制作

首先，制作胀接验证管板，管板的材料为低合金钢(Q345R)，采用矩形试样，管板厚度为32 mm。管孔的排列采用标准空调机组的容器管板的布孔方式即三角形布孔，管板上共加工19个孔。为更好地进行胀接减薄率及拉脱力的对比，将部分管孔的偏差故意放大，1~4、8~13号管孔的尺寸及偏差为Φ19.25_+0.10^+0.15mm，5~7、14~19号管孔的尺寸及公差为Φ19.25_-0.05^+0.10mm，管孔的粗糙度为Ra12.5，其中2、4、6号孔为拉脱力验证孔，见图 1^[4]。

图 1

拉脱力试验管板

1.2 ACC管准备

ACC管由江苏兴荣高新科技股份有限公司提供，规格为Φ 19.05 mm×1.0 mm, 覆铜厚度为管子壁厚的20%，该管材已被用于各种管壳式换热器制造。试验用ACC管的规格尺寸见表 1。

表 1

试验用ACC管的规格尺寸

对应管孔编号	外径/mm	壁厚/mm	覆铜厚度/mm	长度/mm
4	19.05	1.0	0.2	280
2、6	19.05	1.0	0.2	200
1、3、5、7	19.05	1.0	0.2	120
8~19	19.05	1.0	0.2	50

2 拉脱力试样要求

进行拉脱力试验的样管应为非边缘孔部位^[2]，胀接成型后的试样见图 2，对其中的2^#、4^#、6^#管进行拉脱力试验。

图 2

胀接成型示意图

3 试验过程

3.1 胀前准备

胀接前，对所有的换热管及管孔进行编号；测量管孔孔径、管子壁厚、管子内径，并记录数据。管子穿管前，将所有ACC管及管板、管孔清洗干净^[3]。常用的胀管器为三辊自进式胀管器，胀管机为手持式气动胀管机，均由美国Cooper Power Tool公司生产。

3.2 胀接

参照铜管的胀接减薄率，选择胀接减薄率范围为5%~9%。根据铝和铜的特性，将胀管减薄率限定得较高，按式(1)计算减薄率：

图 1

$ X = \frac{{{D_{\rm{i}}} - 2\delta - H}}{{2\delta }} \times 100\% $

式中：X——减薄率，%；

D_i——胀后管子内径，mm；

δ——管子壁厚，mm；

H——管孔内径，mm。

根据国家标准《热交换器》(GB/T 151—2014)的要求^[4]，胀接长度应为管板厚度减去3~50 mm内的小值，故胀接长度选择29 mm。调节好胀接长度后，按要求进行首孔试胀，得到合格的减薄率后，确定胀接参数，再进行其他管孔的胀接。

胀接完毕后，对管子的胀接部位进行内部检查，发现胀接部位完好，胀接接头无起皮、皱纹、裂纹、切口、偏斜等缺陷；ACC管的胀接部分与非胀接部分过渡明显，且过渡区圆滑，无急剧的棱角，见图 3。

图 3

胀接后端面图

3.3 拉脱力试验

ACC管的拉脱力试验由江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院进行检测，试验机型号为zwick/roell z600型万能材料试验机。

3.4 胀接及拉脱力数据

胀接减薄率试验数据见表 2，ACC管拉脱力试验数据见表 3。

表 2

胀接减薄率试验数据

ACC管号	管孔/mm	壁厚/mm		胀后内径/mm	减薄率/%
ACC管号	管孔/mm	测定值	平均值	胀后内径/mm	减薄率/%
1	19.399	1.005，0.996，1.008	1.003	17.549	7.78
2	19.398	1.009，0.991，0.990	0.997	17.552	7.39
3	19.401	0.978，0.994，0.996	0.989	17.569	7.41
4	19.400	1.018，1.024，0.969	1.004	17.545	7.59
5	19.283	0.987，0.985，1.015	0.996	17.426	6.75
6	19.284	1.005，1.004，1.006	1.005	17.414	6.97
7	19.282	1.046，1.003，0.974	1.008	17.411	7.16
8	19.400	0.998，0.985，0.993	0.992	17.571	7.81
9	19.398	1.001，0.989，0.996	0.995	17.552	7.27
10	19.397	1.019，1.015，0.978	1.004	17.541	7.57
11	19.402	1.015，1.007，0.969	0.997	17.568	8.02
12	19.399	1.008，0.974，0.982	0.988	17.565	7.19
13	19.398	0.995，1.022，1.005	1.007	17.541	7.83
14	19.281	0.976，1.014，1.009	1.000	17.422	7.02
15	19.283	0.988，0.967，1.015	0.990	17.438	6.82
16	19.279	1.001，0.971，1.013	0.995	17.432	7.19
17	19.284	0.996，0.953，0.971	0.973	17.468	6.71
18	19.282	0.984，0.995，1.001	0.993	17.435	7.03
19	19.278	0.988，0.991，0.999	0.993	17.437	7.27

表 3

ACC管拉脱力试验数据

ACC管号	管孔/mm	壁厚平均值/mm	胀后内径/mm	减薄率/%	胀接长度/mm	实测拉脱力/kN	实测拉脱应力/MPa	GB/T 151—2014标准拉脱应力/MPa
2	19.398	0.997	17.552	7.39	29	7.92	4.599	3
4	19.400	1.004	17.545	7.59	29	7.94	4.601	3
6	19.284	1.005	17.414	6.97	29	7.95	4.611	3

由表 2可知：管孔的偏差对减薄率的影响并不太大，减薄率无大的波动，且均在合格范围内，数值均偏向标准范围的上限值，与试验前的预期结果一致。这表明ACC管的胀接性能较好，减薄率能满足试验要求。

GB/T 151—2014中并没有ACC管与管板非开槽强度胀接的拉脱力要求，因此试验参照其中7.4.7条款规定的有色金属管与管板开槽胀接时的许用拉脱力[q]为3 MPa^[4]进行考察。在进行ACC管与碳钢管板胀接的拉脱力试验时，ACC管并未从管板中拉脱，而是在管子部分直接拉断，用拉断力进行计算得到的值远大于许用拉脱力3 MPa，说明ACC管与碳钢管板的胀接拉脱力满足标准要求，胀接接头性能良好。

4 结语

试验表明，ACC管与碳钢管板在不开槽胀接时的胀接减薄率合格，其连接接头具有很强的拉脱强度，胀后的拉脱力满足GB/T 151—2014的相关要求，如采用ACC管，在考虑一定的加工成本时，管板可以不用开槽。经过此次试验，为后续ACC管在换热器产品制造中的运用积累了一定的数据，确定了ACC管在换热器产品制造时采用的胀管和管板的制造方法。此工艺方法的确定，也为ACC管在用于换热器产品制造时成本的降低提供了依据。

ckwx 参考文献

全国锅炉压力容器标准化技术委员会.热交换器: GB/T 151-2014[S].北京: 中国标准出版社, 2014.

曾吉清.铝管胀接及拉脱力试验[J].化工设计通讯, 1994, 20(1): 47-50.

金梅芳, 包武蓉, 蔡仁龙.铝管冷凝器强度胀接探讨[J].化工设备与管道, 2004(5): 17, 19.

田福生.铜铝复合管(ACC管)的研发与应用[J].中国铝业, 2007(6): 25-32.

王荣贵.换热器换热管与管板的胀管技术[J].化肥设计, 2002, 40(6): 8-11.