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 (відміна від повністю круглого поперечного перерізу) концентрує тепловий потік на вершині згину. Більша овальність (2 % проти 0,5 %) збільшує локальний тепловий потік на 10-25 %. Це пояснюється зменшенням товщини стінки по зовнішньому радіусу. Посилений тепловий потік підвищує місцеву температуру на 10–25 градусів, отже прискорюючи розтріскування від термічної втоми. Для більшості випадків овальність 0,5% є прийнятною, а овальність 2% зменшує тривалість інкубації для розтріскування від термічної втоми на 50–70%. Найбільш уразливим місцем є вершина вигину, яка має найбільшу овальність і найбільшу залишкову напругу від вигину.

Як овальність викликає фокусування теплового потоку?

Коли ви згинаєте трубу, зовнішній радіус (extrados) стає тоншим (товщина стінки), а внутрішній радіус (intrados) стає товщим (товщина стінки). Локальну товщину стінки на вершині вигину можна визначити за t_apex=t_nominal × (1 - 0.5 × ovality). Мінімальна товщина стінки на вершині становить 1,38–1,41 мм для умовної стінки 1,5 мм з 2% овальністю. Місцевий тепловий потік обернено пропорційний товщині стінки: qapex / qnominal=tnominal / tapex . Місцеве підвищення температури становить ΔT_apex=q_apex t_apex / k . Суперпозиція зменшеної товщини та більшого потоку призводить до гарячої точки на вершині кривої.

Тепловий потік, підвищення температури та кількісна овальність

Наступні співвідношення були отримані для трубки з зовнішнім діаметром 20 мм із номінальною стінкою 1,5 мм і радіусом вигину 5D при номінальному тепловому потокі 20 Вт/см2. При ідеальній трубі (овальність 0%) мінімальна стінка на вершині згину становить 1,50 мм, локальне збільшення теплового потоку становить 0%, а підвищення температури на вершині згину на прямій ділянці становить 0 градусів. Мінімальна стінка при овальності 0,5% 1,47-1,49 мм. Приріст теплового потоку 2-5% і підвищення температури 2-5 С. Овальність 1,0%, мінімальна стінка 1,44-1,47 мм, збільшення 5-10%, підвищення температури 5-10 град. При овальності 1,5% мінімальна стінка 1,41-1,44 мм, збільшення 10-15%, підвищення температури 10-15 С. При 2,0% овальності мінімальна стінка 1,38-1,41 мм Підвищення 15-25% Підвищення температури 15-25 градусів Для 3,0% овальності мінімальна стінка 1,32-1,36 мм, збільшення становить 25-40%, а підвищення температури 25-40С.

Інкубаційний час термічної втоми як функція овальності

Циклічні випробування з коливанням температури 100 градусів (від 50 градусів до 150 градусів) протягом 10 000 циклів показали наступні цикли для ініціювання тріщин для титану класу 2. 0.5% Овальність 8 000-12 000 циклів до ініціювання тріщин Зниження часу інкубації порівняно з 0% овальністю Тривалість базового циклу при овальності 1,0% становить 5000-8000. Зниження становить 30-40%. При овальності 1,5% циклів 3000-5000, редукція 50-60%. При овальності 2,0% цикли 2000-3500 і зменшення 65-70%. Цикли: від 1000 до 2000 при овальності 3,0%. Зниження: 80-85%.

Керівництво з контролю овальності та методу згинання

У супровідній таблиці вказано максимально допустиму овальність нагрівачів з титанової оболонки для передбачуваних термоциклів і необхідну техніку згинання.

Очікувані термічні цикли протягом терміну служби Максимально допустима овальність (%) 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 овальності

Сорт титану впливає на стійкість до термічної втоми. Ступінь 7 так само чутлива до овальності, але має вищу властиву втомну міцність, збільшуючи цикли до початку руйнування на 20–30% для тієї самої овальності. 12 клас: проміжне вдосконалення. Товщина стінки впливає на підвищення номінальної температури. Більша базова лінія ΔT для товщої стінки (2,0 мм), але пропорційне збільшення через овальність менше. Радіус вигину також відіграє роль в овальності. Широкий радіус згину (10D) матиме меншу овальність, ніж щільний згин (3D). Відпал для зняття напруги після згинання при 540 градусах протягом 30 хвилин зменшує залишкову напругу, але не виправляє овальність.

Упевненість у визначенні

A titanium sheath heater having a bent section is subjected to more than 5,000 thermal cycles and the maximum ovality is specified at 1.0%. Requires mandrel bending with internal support to attain this ovality. Optical comparator or a set of callipers to measure ovality at the bend apex at four angles. Spec 0.5% ovality and rotating draw bending for high cycle applications (>20 000 циклів). Зменшіть потік тепла на 20% для існуючих обігрівачів з овальністю понад 1,5%, щоб врахувати гарячу точку, або побудуйте розподільник тепла. Овальність контролюється нижче 1,0% інженером, щоб отримати однорідний розподіл теплового потоку та збільшити термін служби від термічної втоми на вершині вигину.