分享：熱管失效機理研究進展
熱管是一種高效傳熱元件，在石油、冶金、電廠和余熱回收等領域廣泛應用于電子器件冷卻、空間飛行器、節能和能源高效管理等方面。由于熱管常常工作在高溫、高壓和強腐蝕環境下，因而使熱管出現了各種失效情況。文章闡述了熱管管內失效和管外失效的原因和失效機理。總結了熱管管內失效的預防和保護措施為：在管內壁上裸露基體；增加熱管的真空度；在管內壁進行鍍鉻或者鋁膜；在熱管冷凝段裝吸氫劑以解決不凝性氣體對熱管的影響，而定期排放氫氣是從根本上解決問題的一個很好的方法。指出對于熱管管外失效更換熱管鋼管材料是較好的選擇。提出建立熱管失效的優化管理系統，更加全面和科學地進行熱管失效的預防保護和管理，充分發揮熱管的優勢，提高熱管的安全運行壽命。
1944年，R. S. Gaugler首次在美國專利中提出了熱管的概念。1963年，美國Los Alamos國家實驗室G.M. Gover在美國“應用物理”雜志上發表了文章，給出了以鈉為工作液體，不銹鋼為殼體，內部裝有絲網吸液芯的傳熱元件的實驗結果，顯示其導熱率遠超過任何一種金屬，并命名其為熱管(Heat Pipe)。1965年，Cotter首次提出了完整的熱管理論。1967年，一根不銹鋼-水熱管首次應用于衛星軌道并運行成功。從此，國內外科技工作者對熱管進行了大量的研究工作。近30年來，我國熱管技術的工業化應用研究發展迅速，熱管因其高效的傳熱性能、結構簡單、無機械結構等優點，已廣泛應用在電子器件冷卻、空間飛行器、節能和能源高效管理等方面，并隨著科學技術的不斷發展，其應用領域不斷拓寬，進一步促進了熱管的發展。
熱管工作原理及應用
熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成，管內抽成(1.3×10–1~1.3×10–4)Pa負壓后充入適量的工作液體，在緊貼管內壁的吸液芯充滿液體后密封。熱管結構如圖1所示，一端為蒸發段，另一端為冷凝段，中間可布置絕熱段。工作原理為：當熱管的蒸發段受熱時毛細芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在壓差下流向冷凝段放出熱量凝結成液體，液體在毛細力的作用下回流到蒸發段。如此循環，熱量從熱管的一端流向另一端，實現了熱量的傳遞。熱管的工作機理使熱管具備了高導熱性、優良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向可逆性、熱開關性和環境的適用性。熱管的種類因結構、材質、工作液體和工作溫度的不同，分類很多。按溫度區間可分為低溫熱管(–273~0℃)、常溫熱管(0~250℃)、中溫熱管(250~450℃)和高溫熱管(450~1000℃)。按回流動力分為有芯熱管、重力熱管、旋轉熱管等。按結構分為普通熱管、分離熱管、脈動熱管、毛細泵回路熱管、微型熱管、平板熱管、徑向熱管等。按用途分為傳熱熱管、熱二級管、熱開關、熱控制熱管、制冷熱管等。目前，普通熱管中的碳鋼-水重力熱管因結構簡單、價格低廉、制造方便，在工業生產中應用十分廣泛。熱管的相容性在應用中意義重大。相容性是指管內工作液體同管殼不發生顯著的化學反應或物理變化，不足以影響熱管的工作性能。熱管的不相容體現在三個方面：產生不凝性氣體、工作液體熱物性惡化、管殼材料的腐蝕和溶解等。只有相容性良好的熱管，才能保證熱管的穩定傳熱性能、長期的工作壽命以及工業應用的可能性。工業應用中，熱管常工作在高溫、高壓和帶腐蝕性的環境中，會導致熱管失效，無法保持運行安全和使用壽命。本文針對熱管在不同外部環境下的失效原因、失效種類和失效機理進行分析和綜述，為熱管失效的預防和保護提供借鑒。
熱管的失效機理
熱管失效主要分為管內失效和管外失效。管內失效主要有三種情況：不凝性氣體的產生[1]、真空度不達標、管內防腐蝕劑數量不達標。管外失效可分為：熱管因腐蝕或磨損導致穿孔使熱管泄漏、熱管因高溫高壓發生變形、鍋爐設計參數不符合標準而使熱管失效三種情況。其中，管內失效是主要失效形式，主要由管內腐蝕和不凝性氣體的產生導致熱管傳熱性能的下降。
管內失效
影響管內失效的三種因素中，管壁腐蝕和不凝性氣體的產生是熱管失效的最主要原因，其產生機理與熱管工作液體的穩定性及工作介質與管殼的相容性等有關。熱管按管殼與工作液體的組合方式可分為銅-水熱管、銅鋼復合-水熱管、鋁-丙酮熱管、碳鋼-萘熱管和不銹鋼-鈉熱管。熱管常用工質有水、有機工質、萘和鈉等。段松屏等[2]研究了鋼-水熱管不凝性氣體的產生機理，主要原因是管內的工作液體水與熱管管殼材料的相容性較差，導致管內水蒸汽與管殼材料發生化學反應，從而產生不凝性氣體。其中，碳鋼-水熱管中水蒸汽與碳鋼管殼的化學反應式為：
熱管在工作時產生的氫氣本身不會影響熱管的傳熱性能[3]，但由于產生的氫氣不斷地在冷凝段聚集形成堵塞，導致冷凝段有效換熱面積不斷減少，熱阻增大，傳熱性能下降，致使熱管失效。管內腐蝕也是導致熱管失效的另一主要因素。管內腐蝕常發生在采用有機工質作為工作介質的熱管。因為有機工質的不穩定性，當充有有機工質的熱管在高溫、高壓的環境下長時間工作時，管內有機工質會發生逐漸分解，分解物質與管殼材料發生化學反應而導致管內腐蝕，所以，通常在管內加入防腐蝕劑，來控制和預防有機工質的分解及與管壁反應產生的腐蝕。但由于防腐蝕劑數量不達標或者防腐蝕條件不達標，仍會使管壁發生腐蝕，從而導致熱管失效。
管外失效
管外失效主要是指熱管外壁發生磨損、腐蝕或高溫高壓變形而導致的熱管失效，失效的原因與熱管的工作環境有關，如飛灰磨損，低溫腐蝕，高溫煙氣腐蝕[4]，熱管積灰垢和氣蝕等問題，這些現象的產生都與熱管蒸發端所處的工作環境因素有關，致使熱管失效。王錦麟等[5]進行了鍋爐飛灰磨損的特性的研究，發現鍋爐運行中有大量含有飛灰顆粒和未燃盡的碳粒的煙氣，而如今鍋爐中余熱回收過程中大量使用熱管。當熱管的蒸發段處于煙氣中時，由于鍋爐中含飛灰顆粒和碳粒的煙氣，再加上煙氣對管束的長時間沖刷，導致管壁變薄或者穿孔，致使熱管內部工質泄漏和熱管失效。郭贊揚等[4]進行了熱管的低溫腐蝕失效研究。指出當熱管蒸發端與含硫燃料燃燒生成的煙氣進行換熱時，因硫燃燒生成SO2，進一步氧化成SO3，SO3與煙氣中的水蒸氣進而反應生成硫酸蒸汽，故煙氣中含有硫酸蒸汽。當熱管外壁溫低于煙氣的酸露點溫度時，硫酸蒸汽在管壁上凝結，對管壁產生腐蝕作用，導致熱管外壁面凹凸不平，嚴重的部位導致穿孔，最終致使熱管失效。低溫腐蝕的化學反應式為：
高溫煙氣腐蝕機理：帶有腐蝕性質的熔融狀態的油灰附著在熱管外壁面上，使熱管外表面的氧化保護層融化，加速熱管管壁的腐蝕，最終導致熱管在高溫條件下難以承擔鍋爐的高壓力，管壁發生破裂，使得熱管失效。熱管在換熱器中的應用比較多，熱管換熱器使用過程中因積灰垢對熱管的使用會產生影響。煙氣中一般都含有硫物質和較多的機械雜質，在減壓加熱條件下，這些雜質會結合在一起形成堅硬的沉積物，沉積在熱管換熱器壁面和熱管翅片上，由于積灰垢的導熱性能與碳鋼相比要相差幾十倍，積灰垢嚴重阻礙了熱管傳熱，導致熱管管壁溫度升高，最終導致熱管失效。李斌東等[6]研究了汽蝕對熱管失效的作用機理。提出了當熱管冷側有換熱套管(水夾套)時，套管中的吸熱介質(水)由于受熱不均加之存在局部壓降極易引起汽蝕，汽蝕造成熱管放熱段腐蝕嚴重，形成鼠咬狀外表，嚴重時會產生溝槽狀深痕，導致管壁破裂，致使熱管失效。除了上述各種導致熱管失效的外部原因和失效機理外，對于使用熱管換熱器的鍋爐設計是否符合標準，是決定鍋爐能否長時間正常運行的一個重要環節，也對熱管的使用壽命有著致命影響。在鍋爐設計中，一般都是先選定鍋爐的整體布置，然后進行燃料估算，再確定爐膛結構，進行爐膛傳熱計算，之后確定對流換熱面的結構，進行對流傳熱計算。上述計算中需要對熱管換熱器的材料、管徑壁厚進行預選，之后進行熱管壁溫計算，以及強度校核，確定是否符合標準。大量熱管失效的例子顯示，熱管失效與鍋爐設計參數選取和計算錯誤有關。當鍋爐的運行條件與熱管的運行條件不相符時，熱管的管壁會因為壓力或者溫度過高導致破裂，致使熱管失效。
熱管的失效預防與保護
針對熱管的失效原因及產生機理，采取必要的失效預防及保護措施是保證熱管使用壽命、安全運行及傳熱性能的重要手段。針對管內失效機理，采用提高熱管內壁的處理技巧以及制造工藝的方法是防止熱管管內失效的有效手段。常用方法有：(1)在管內壁上裸露基體。如今很多熱管防腐蝕是利用多孔氧化物薄膜，但裸露金屬基體可能會有更好的耐磨性。(2)增加熱管的真空度[7]。即在熱管抽真空時盡量延長排氣時間，增大排氣量，使熱管內部的真空度盡量高，減少熱管內部的氣態類雜質。(3)在管內壁進行鍍鉻或者鋁膜[8]，使金屬基體表面形成一層致密的氧化物保護膜，這層氧化物薄膜會阻礙陽極區域的反應，減緩電化學腐蝕過程。(4)在熱管冷凝段裝吸氫劑以解決不凝性氣體對熱管的影響[9]。陳恩鑒[10]提出了一種滲透除氫熱管，管內介質是水，在熱管冷凝端裝上透氫活化金屬層和促氫脫附金屬層而形成復合層，可以防止因氫氣積聚而導致的熱管失效，但不能從根本上解決問題。因此，定期排放氫氣是一個很好的方法。針對因管外腐蝕或者磨損而導致的熱管失效，更換鋼管材料是較好的選擇。一般不銹鋼可以很好地解決管內外的腐蝕問題。也可以使用復合管，如碳鋼管內襯鋁管或不銹鋼管，但是復合管的成本較高，且一定程度上會影響熱管的傳熱性能。另外，在設計鍋爐時要針對熱管的工作環境對熱管進行合理設計和強度計算，盡可能使熱管的最低壁溫高于露點溫度，防止露點腐蝕。
針對熱管的失效預防管理應建立鍋爐熱管失效的優化管理系統，將熱管的設計、制造及應用統一起來，強化失效分析研究，提高熱管的使用壽命，定期抽查熱管，及時更換已經失效的熱管，形成一系列完整的企業熱管失效管理和預防保護措施。
結束語
熱管由于具備結構簡單、傳熱性能優良等特點，在工業領域得到了廣泛的應用。但多年來，由于缺乏對熱管失效機理的系統研究和對熱管失效的有效防范，時常發生因各種原因導致的熱管失效。因此，只有加強對熱管失效的系統研究以及失效機理的本質研究，建立預防熱管失效的優化管理系統，才能改變現階段熱管失效常采用的頭痛醫頭、腳痛醫腳的現狀，更加全面和科學地進行熱管失效的預防保護和管理，充分發揮熱管的優勢，提高熱管的安全運行壽命。
文章來源——金屬世界
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