Як овальність труби (0,5% проти . 2%) нагрівача з титанової оболонки після згинання впливає на локальний розподіл теплового потоку та час інкубації для розтріскування від термічної втоми на вершині згину?

Овальність труби після згину - відхилення від повністю круглого поперечного-перерізу – концентрація теплового потоку на вершині згину. Більша овальність (2% проти 0,5%) викликає збільшення локального теплового потоку на 10–25% через меншу товщину стінки на зовнішньому радіусі. Високий тепловий потік підвищує місцеву температуру на 10–25 градусів, а отже, посилює розтріскування від термічної втоми. Овальність 0,5% прийнятна для більшості застосувань. Овальність 2% скорочує час інкубації розтріскування від термічної втоми на 50-70%. Верхівка вигину є найбільш вразливою областю, оскільки вона має найбільшу овальність і найбільше залишкового натягу від згинання.

Механізм овальності індукованої концентрації теплового потоку

При згинанні труби стінка стає тоншою по зовнішньому радіусу (extrados) і товщі по внутрішньому радіусу (intrados). Локальну товщину стінки на вершині вигину можна обчислити як t_apex=t_nominal x (1-0,5xovalitiy). Для номінальної стінки 1,5 мм з овальністю 2 % мінімальна товщина стінки на вершині становить 1,38–1,41 мм. Місцевий тепловий потік обернено пропорційний товщині стінки: qapex/ qnominal=tnominal / tapex. Місцеве підвищення температури становить ∆Tapex=qapextapex/k. Комбінований вплив меншої товщини та більшого потоку створює гарячу точку поблизу вершини кривої.

Кількісний тепловий потік, підвищення температури та овальність

Наступні співвідношення були встановлені для трубки з зовнішнім діаметром 20 мм із номінальною стінкою 1,5 мм і радіусом вигину 5D при номінальному тепловому потоці 20 Вт/см². Для овальності 0% (ідеальна труба) мінімальна стінка на вершині згину становить 1,50 мм, локальне збільшення теплового потоку становить 0%, а підвищення температури на вершині відносно прямої ділянки становить 0 градусів. Овальність 0,5%, мінімальна стінка 1,47-1,49 мм, збільшення теплового потоку 2-5%, підвищення температури 2-5 град. Для овальності 1,0 %, мінімальна стінка 1,44–1,47 мм, збільшення 5–10 %, підвищення температури 5–10 градусів . 1.5% овальності мінімальна стінка 1,41–1,44 мм, збільшення 10–15 %, підвищення температури 10–15 градусів. При овальності 2,0% мінімальна стінка становить 1,38-1,41 мм. Підвищення 15-25% Підвищення температури 15-25 градусів. При овальності 3,0 % мінімальна стінка 1,32-1,36 мм, збільшення 25-40 %, підвищення температури 25-40 град.

Залежність овальності часу інкубації термічної втоми

Циклічне випробування з коливанням температури на 100 градусів (від 50 градусів до 150 градусів) протягом 10 000 циклів показало наступні цикли для початку утворення тріщин для титану класу 2: Для овальності 0,5%, кількість циклів до ініціювання тріщин становить 8 000–12 000, а скорочення часу інкубації відносно 0% овальності становить базова лінія. Овальність 1,0 %. Цикли 5000-8000. Зменшення становить 30-40 %. 3, 000-5000 циклів при 1,5% овальності та 50-60% зменшення. 2.0% овальності, 2000-3500 циклів, 65-70% зменшення. Цикли 1000-2,000. 3.0% овальності. Зниження 80-85%

Настанова щодо методу згинання та контролю овальності

У таблиці нижче наведено максимально допустиму овальність для нагрівачів з титанової оболонки для очікуваних теплових циклів і рекомендованого методу згинання.

Максимально допустима овальність (%) Очікувані термічні цикли протягом терміну служби Рекомендований метод згинання Очікувані цикли до утворення тріщин<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 (екстремальний цикл)<0.5 Rotary draw + mandrel >12,000
Інженерія поза контролем яйцеподібності

Якість титану впливає на стійкість до термічної втоми. Клас 7 демонструє порівнянну чутливість до овальності, але вищу власну втомну міцність, що призводить до збільшення на 20-30% циклів до виникнення тріщин для тієї самої овальності. 12 клас - це проміжне підвищення. Товщина стінки змінює номінальне підвищення температури. Більш товста стінка (2,0 мм) має більшу базову лінію ΔT, але відносне збільшення через овальність є меншим. Радіус згину також впливає на овальність, більший радіус згину (10D) матиме меншу овальність, ніж щільний згин (3D). Відпал для зняття напруги після вигину при 540 градусах протягом 30 хвилин зменшує залишкову напругу, але не виправляє овальність

Написання раціональної специфікації

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 циклів) забезпечують овальність 0,5% і згинання при поворотній тязі. Для існуючих обігрівачів з овальністю більше 1,5% зменште тепловий потік на 20%, щоб виправити гарячу точку або створити розподільник тепла. Однорідний розподіл теплового потоку та подовжений термін служби від термічної втоми на вершині вигину досягаються за допомогою контролю овальності < 1,0%.