Hoe beïnvloedt de ovaliteit van de buis (0,5% vs.. 2%) van een titanium mantelverwarmer na het buigen de lokale warmtefluxverdeling en de incubatietijd voor scheuren door thermische vermoeidheid bij de buigtop?

De ovaliteit van de buis na het buigen (de variatie van een volledig cirkelvormige dwarsdoorsnede) concentreert de warmtestroom aan de top van de bocht. Een hogere ovaliteit (2% versus 0,5%) verhoogt de lokale warmtestroom met 10-25%. Dit komt door de verminderde wanddikte aan de buitenradius. De verbeterde warmteflux verhoogt de lokale temperatuur met 10-25 graden, waardoor het scheuren door thermische vermoeidheid wordt versneld. Voor de meeste toepassingen is een ovaliteit van 0,5% acceptabel, en een ovaliteit van 2% verkort de incubatietijd voor scheuren door thermische vermoeidheid met 50-70%. De meest kwetsbare plek is de top van de bocht, die de grootste ovaliteit heeft en de meeste restspanning door buigen.

Hoe veroorzaakt ovaliteit een focussering van de warmtestroom?

Wanneer je een buis buigt, wordt de buitenradius (extrados) dunner (wanddikte) en de binnenradius (intrados) dikker (wanddikte). De lokale wanddikte bij de top van de bocht kan worden bepaald door t_apex=t_nominaal × (1 - 0.5 × ovaliteit). De minimale wanddikte aan de top is 1,38–1,41 mm voor een denkbeeldige wand van 1,5 mm met een ovaliteit van 2%. De lokale warmtestroom is omgekeerd evenredig met de wanddikte: qapex / qnominaal=tnominaal / tapex . De lokale temperatuurstijging is ΔT_apex=q_apex t_apex / k . De superpositie van verminderde dikte en hogere flux leidt tot een hotspot aan de top van de curve.

Warmteflux, temperatuurstijging en kwantitatieve ovaliteit

De volgende relaties zijn afgeleid voor een buis met een buitendiameter van 20 mm, een nominale wand van 1,5 mm en een buigradius van 5D bij een nominale warmteflux van 20 W/cm2. Bij de ideale buis (0% ovaliteit) is de minimale wand aan de top van de bocht 1,50 mm, is de lokale toename van de warmtestroom 0% en is de temperatuurstijging aan de top van de bocht over het rechte gedeelte 0 graden. De minimale wand bij een ovaliteit van 0,5% is 1,47-1,49 mm. De toename van de warmteflux is 2-5% en de stijging van de temperatuur is 2-5 C. Ovaliteit 1,0%, minimale wand is 1,44-1,47 mm, toename is 5-10%, temperatuurstijging is 5-10 graden. Voor een ovaliteit van 1,5% is de minimale wand 1,41-1,44 mm, de toename is 10-15%, de temperatuurstijging is 10-15 C. Bij een ovaliteit van 2,0% is de minimale wand 1,38-1,41 mm Toename is 15-25% Temperatuurstijging is 15-25 graden Voor 3,0% ovaliteit is de minimale wand 1,32-1,36 mm, de toename is 25-40%, en de temperatuurstijging is 25-40C.

Incubatietijd van thermische vermoeidheid als functie van ovaliteit

Cyclische tests met een temperatuurschommeling van 100 graden (50 graden tot 150 graden) gedurende 10.000 cycli hebben de volgende cycli opgeleverd voor scheurinitiatie voor titanium van klasse 2. 0.5% ovaliteit 8.000-12.000 cycli tot scheurinitiatie Verkorting van de incubatietijd in vergelijking met 0% ovaliteit Basislijn Levensduur van de cyclus bij 1,0% ovaliteit is 5.000-8.000. De reductie bedraagt ​​30-40%. Bij een ovaliteit van 1,5% zijn de cycli 3000-5000, de reductie is 50-60%. Bij een ovaliteit van 2,0% zijn de cycli 2.000-3.500 en nemen ze af met 65-70%. Cycli: 1.000 tot 2.000 @ 3,0% ovaliteit. Reductie: 80 tot 85%.

Gids voor ovaliteitscontrole en buigmethode

De bijgevoegde tabel specificeert de maximaal toegestane ovaliteit van titanium mantelverwarmers voor verwachte thermische cycli en de vereiste buigtechniek.

Verwachte thermische cycli gedurende de levensduur Maximaal toegestane ovaliteit (%) Aanbevolen buigmethode Verwachte cycli tot scheurinitiatie<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 (extreme cyclus)<0.5 Rotary draw + mandrel >12,000
Techniek die verder gaat dan de controle van de ovaliteit

Titaniumkwaliteit heeft invloed op de weerstand tegen thermische vermoeiing. Graad 7 is eveneens gevoelig voor ovaliteit, maar heeft een hogere inherente vermoeiingssterkte, waardoor de cycli tot breukinitiatie met 20-30% toenemen bij dezelfde ovaliteit. Graad 12: tussentijdse verbetering. Wanddikte beïnvloedt de nominale temperatuurstijging. De grotere basislijn ΔT is voor de dikkere wand (2,0 mm), maar de proportionele toename als gevolg van ovaliteit is minder. Ook de buigradius speelt een rol bij de ovaliteit. Een brede buigradius (10D) zal minder ovaliteit hebben dan een krappe bocht (3D). Het spanningsontlaten na 30 minuten buigen bij 540 graden vermindert de restspanning, maar corrigeert de ovaliteit niet.

Met vertrouwen specificeren

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 cycli). Verminder de warmtestroom met 20% voor bestaande verwarmingstoestellen met een ovaliteit van meer dan 1,5% om rekening te houden met de hotspot of om een ​​warmteverspreider te bouwen. De ovaliteit wordt door de ingenieur tot onder 1,0% geregeld om een ​​homogene verdeling van de warmtestroom te verkrijgen en de thermische vermoeiingslevensduur aan de top van de bocht te verlengen.