Как овальность трубки (0,5% по сравнению с . 2%) нагревателя с титановой оболочкой после изгиба влияет на локальное распределение теплового потока и время инкубации термоусталостного растрескивания в вершине изгиба?

Овальность трубы после изгиба - отличается от полностью круглого поперечного сечения- – тепловой поток концентрируется в вершине изгиба. Более высокая овальность (2% против 0,5%) приводит к увеличению локального теплового потока на 10–25% за счет меньшей толщины стенки по внешнему радиусу. Более высокий тепловой поток увеличивает местную температуру на 10–25 градусов и, следовательно, усиливает термическое усталостное растрескивание. Овальность 0,5% приемлема для большинства применений. Овальность 2% сокращает инкубационный период термоусталостного растрескивания на 50-70%. Вершина изгиба является наиболее уязвимой областью, поскольку она имеет самую высокую овальность и наибольшее остаточное напряжение от изгиба.

Механизм концентрации теплового потока, вызванного овальностью

Когда трубка сгибается, стенка становится тоньше по внешнему радиусу (экстрадос) и толще по внутреннему радиусу (внутридос). Локальную толщину стенки в вершине изгиба можно рассчитать как t_apex=t_nominal x (1-0,5xovalitiy). Для номинальной стенки 1,5 мм с овальностью 2 % минимальная толщина стенки у вершины составляет 1,38–1,41 мм. Локальный тепловой поток обратно пропорционален толщине стены: qapex/ qnominal=tnominal / Tapex. Локальное повышение температуры составляет ∆Tapex=qapextapex/k. Совместное воздействие меньшей толщины и более высокого потока создает горячую точку вблизи вершины кривой.

Количественный тепловой поток, повышение температуры и овальность

Следующие соотношения были установлены для трубки с внешним диаметром 20 мм, номинальной стенкой 1,5 мм и радиусом изгиба 5D при номинальном тепловом потоке 20 Вт/см². Для овальности 0% (идеальная труба) минимальная стенка на вершине изгиба составляет 1,50 мм, локальное увеличение теплового потока составляет 0%, а повышение температуры на вершине по отношению к прямому участку составляет 0 градусов. Овальность 0,5 %, минимальная стенка 1,47–1,49 мм, увеличение теплового потока 2–5 %, повышение температуры 2–5 град. При овальности 1,0 %, минимальной стенке 1,44–1,47 мм, увеличении 5–10 %, повышении температуры 5–10 град. . 1.5% минимальная овальность стенки 1,41–1,44 мм, прибавке 10–15 %, повышении температуры 10–15 град. При овальности 2,0% минимальная стенка составляет 1,38-1,41 мм. Увеличение - 15-25%. Повышение температуры - 15-25 градусов. При овальности 3,0 % минимальная стенка составляет 1,32-1,36 мм, увеличение 25-40 %, повышение температуры 25-40 град.

Овальная зависимость времени инкубации термоусталости

Циклические испытания с колебанием температуры на 100 градусов (от 50 до 150 градусов) в течение 10 000 циклов показали следующие циклы начала растрескивания для титана класса 2: Для овальности 0,5 % количество циклов возникновения трещин составляет 8 000–12 000, а сокращение времени инкубации относительно овальности 0 % является базовым уровнем. Овальность составляет 1,0 %. Циклов 5000-8000. Снижение составляет 30-40%. 3,000-5000 циклов при овальности 1,5% и уменьшении 50-60%. 2.0% овальности, 2000-3500 циклов, уменьшении 65-70%. Циклы 1000–2,000. 3.0 % овальность. Снижение 80-85%

Руководство по способу гибки и контролю овальности

В таблице ниже указаны максимально допустимая овальность нагревателей с титановой оболочкой для предполагаемых термических циклов и рекомендуемый метод изгиба.

Максимально допустимая овальность (%) Ожидаемые термические циклы в течение срока службыРекомендуемый метод изгиба Ожидаемые циклы до возникновения трещин<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 (экстремальный цикл)<0.5 Rotary draw + mandrel >12,000
Инженерия за пределами контроля яйцеобразности

Качество титана влияет на сопротивление термической усталости. Класс 7 демонстрирует сопоставимую чувствительность к овальности, но более высокую собственную усталостную прочность, что приводит к увеличению на 20-30 % циклов возникновения трещин для той же овальности. 12 класс – это промежуточное повышение. Толщина стенки изменяет номинальное повышение температуры. Более толстая стенка (2,0 мм) имеет большую базовую линию ΔT, но относительное увеличение из-за овальности меньше. Радиус изгиба также влияет на овальность: больший радиус изгиба (10D) будет иметь меньшую овальность, чем плотный изгиб (3D). Отжиг для снятия напряжения после изгиба при температуре 540 градусов в течение 30 минут снижает остаточное напряжение, но не корректирует овальность.

Написание рациональной спецификации

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 циклов) обеспечивают овальность 0,5% и изгиб при вращательной вытяжке. Для существующих обогревателей с овальностью более 1,5% уменьшите тепловой поток на 20%, чтобы исправить перегрев или построить теплораспределитель. Однородное распределение теплового потока и увеличенная термоусталостная долговечность в вершине изгиба достигаются при контроле овальности < 1,0%.