Com afecta l'ovalitat del tub (0,5% vs. 2%) d'un escalfador de beina de titani després de la flexió a la distribució local del flux de calor i el temps d'incubació per a l'esquerda per fatiga tèrmica a l'àpex de la flexió?

Ovalitat del tub després de doblegar - la variació d'una secció transversal completament circular-: concentra el flux de calor a l'àpex del corbat. La major ovalitat (2% versus 0,5%) provoca un augment del 10-25% del flux de calor local a causa del gruix de paret més petit al radi exterior. El flux de calor més alt augmenta la temperatura local entre 10 i 25 graus i, per tant, millora l'esquerdament per fatiga tèrmica. Una ovalitat del 0,5% és acceptable per a la majoria de les aplicacions. L'ovalitat del 2% redueix el temps d'incubació per a l'esquerdament per fatiga tèrmica en un 50-70%. L'àpex de flexió és la zona més vulnerable, ja que té l'ovalitat més alta i la tensió més residual de la flexió.

Mecanisme de concentració del flux de calor induït per l'ovalitat

Quan un tub es doblega, la paret es torna més prima al radi exterior (extradós) i més gruixuda al radi interior (intrados). El gruix de la paret local a l'àpex del corbat es pot calcular com a t_apex=t_nominal x (1-0,5xovalitiy). Per a una paret nominal d'1,5 mm amb una ovalitat del 2%, el gruix mínim de la paret a l'àpex és d'1,38-1,41 mm. El flux de calor local és inversament proporcional al gruix de la paret: qapex/ qnominal=tnominal / tapex. L'augment de temperatura local és ∆Tapex=qapextapex/k. L'impacte combinat d'un gruix més baix i un flux més alt crea un punt calent prop de l'àpex de la corba.

Flux de calor quantitatiu, augment de temperatura i ovalitat

Les següents relacions s'han establert per a un tub de 20 mm de dia exterior amb una paret nominal d'1,5 mm i un radi de flexió 5D amb un flux de calor nominal de 20 W/cm². Per a una ovalitat del 0% (tub ideal), la paret mínima a l'àpex del corbat és d'1,50 mm, l'augment del flux de calor local és del 0% i l'augment de temperatura a l'àpex respecte a la secció recta és de 0 graus. L'ovalitat és del 0,5%, la paret mínima és d'1,47–1,49 mm, l'augment del flux de calor és del 2–5% i l'augment de la temperatura és de 2–5 graus. Per a l'ovalitat 1,0%, paret mínima 1,44-1,47 mm, augment del 5-10%, augment de la temperatura 5-10 graus . 1.5% ovalitat paret mínima és d'1,41-1,44 mm, l'augment és del 10-15% i l'augment de temperatura és de 10-15 graus . Amb una ovalitat del 2,0%, la paret mínima és d'1,38-1,41 mm L'augment és del 15-25% L'augment de la temperatura és de 15-25 graus. Amb una ovalitat del 3,0% la paret mínima és d'1,32-1,36 mm, l'augment és del 25-40%, l'augment de la temperatura és de 25-40 graus.

Dependència de l'ovalitat del temps d'incubació de la fatiga tèrmica

Les proves cícliques amb una variació de temperatura de 100 graus (de 50 a 150 graus) durant 10.000 cicles han mostrat els cicles següents per a l'inici de l'esquerda per al titani de grau 2: Per a una ovalitat del 0,5%, el nombre de cicles per a l'inici de l'esquerda és de 8.000-12.000% i el temps de reducció de la línia de base és de 8.000-12.000%. L'ovalitat és de l'1,0%. Els cicles són 5.000-8.000. La disminució és del 30-40%. 3,000-5.000 cicles amb un 1,5% d'ovalitat i un 50-60% de reducció. 2.0% d'ovalitat, 2.000-3.500 cicles, 65-70% de reducció. Cicles 1.000-2, 000. 3.0% d'ovalitat. Reducció 80-85%

Directriu sobre el mètode de flexió i el control de l'ovalitat

La taula següent mostra l'ovalitat màxima permesa per als escalfadors de funda de titani per als cicles tèrmics esperats i el mètode de flexió recomanat.

Ovalitat màxima permesa (%) Cicles tèrmics esperats durant la vida útil Mètode de flexió recomanat Cicles esperats fins a l'inici de l'esquerda<1,000 (low cycle) 2.0 Compression bending >1,000 1,000–5,000 (moderate cycle) 1.5 Mandrel bending 3,000–5,000 5,000–20,000 (high cycle) 1.0 Mandrel + internal support 5,000–8,000 20,000–50,000 (very high cycle) 0.5 Rotary draw bending 8,000–12,000 >50.000 (cicle extrem)<0.5 Rotary draw + mandrel >12,000
Enginyeria més enllà del control de l'ovoidesa

La qualitat del titani afecta la resistència a la fatiga tèrmica. El grau 7 presenta una sensibilitat comparable a l'ovalitat, però una resistència a la fatiga intrínseca més alta, la qual cosa comporta un augment del 20-30% en els cicles d'iniciació de fissurades per a la mateixa ovalitat. El grau 12 és una millora intermèdia. El gruix de la paret modifica l'augment nominal de la temperatura. La paret més gruixuda (2,0 mm) té un ΔT basal més gran, però l'augment relatiu degut a l'ovalitat és menor. El radi de flexió també afecta l'ovalitat, un radi de flexió més gran (10D) tindrà menys ovalitat que una flexió estreta (3D). El recuit d'alleujament de l'estrès posterior a la flexió a 540 graus durant 30 minuts redueix l'estrès residual però no corregeix l'ovalitat

Redacció d'una especificació racional

3. Specify a maximum ovality of 1.0% for a titanium sheath heater with a bent section that will be subjected to more than 5,000 thermal cycles. This ovality has to be bent on a mandrel with internal support. Using a set of calipers or an optical comparator, measure the ovality at the bend apex at four angles. For high cycle applications (>20.000 cicles) proporcionen una ovalitat del 0,5% i una flexió rotativa. Per als escalfadors existents amb una ovalitat superior a l'1,5%, reduïu el flux de calor un 20% per corregir el punt calent o construïu un dispersor de calor. S'aconsegueix una distribució homogènia del flux de calor i una vida útil prolongada a la fatiga tèrmica a l'àpex del corbat amb un control d'ovalitat < 1,0%.