L'ovalità del tubo dopo la piegatura-la deviazione da una sezione trasversale-circolare perfetta-concentra il flusso di calore all'apice della curvatura. Una maggiore ovalità (2% vs. 0.5%) aumenta il flusso di calore locale del 10–25% a causa del ridotto spessore della parete sul raggio esterno. Il flusso di calore più elevato aumenta la temperatura locale di 10–25 gradi, accelerando la fessurazione per fatica termica. Un'ovalizzazione dello 0,5% è accettabile per la maggior parte delle applicazioni, mentre un'ovalizzazione del 2% riduce il tempo di incubazione per le fessurazioni da fatica termica del 50–70%. L'apice della curvatura è la posizione più vulnerabile perché sperimenta sia la massima ovalizzazione che il massimo stress residuo derivante dalla flessione.

Il meccanismo dell'ovalizzazione-concentrazione del flusso di calore indotto

Quando un tubo viene piegato, il raggio esterno (estradosso) subisce un assottigliamento delle pareti, mentre il raggio interno (intradosso) subisce un ispessimento delle pareti. Lo spessore della parete locale all'apice della piega può essere calcolato come t_apex=t_nominale × (1 - 0.5 × ovalità). Per una parete nominale di 1,5 mm con un'ovalità del 2%, lo spessore minimo della parete all'apice è 1,38–1,41 mm. Il flusso di calore locale è inversamente proporzionale allo spessore della parete: q_apex / q_nominal=t_nominal / t_apex. L'aumento della temperatura locale è ΔT_apex=q_apex × t_apex / k. L'effetto combinato di spessore ridotto e flusso aumentato crea un punto caldo all'apice della curvatura.

Ovalità quantitativa, flusso di calore e aumento della temperatura

Per un tubo con diametro esterno di 20 mm con parete nominale di 1,5 mm e raggio di curvatura 5D con un flusso di calore nominale di 20 W/cm², sono state stabilite le seguenti relazioni. Allo 0% di ovalità (tubo perfetto), la parete minima all'apice della curvatura è 1,50 mm, l'aumento del flusso di calore locale è 0% e l'aumento della temperatura all'apice sopra la sezione diritta è 0 gradi. Con un'ovalità dello 0,5%, la parete minima è di 1,47–1,49 mm, l'aumento del flusso di calore è del 2–5% e l'aumento della temperatura è di 2–5 gradi. Con un'ovalità dell'1,0%, la parete minima è di 1,44–1,47 mm, l'aumento è del 5–10% e l'aumento della temperatura è di 5–10 gradi. All'1,5% di ovalizzazione, la parete minima è di 1,41–1,44 mm, l'aumento è del 10–15% e l'aumento della temperatura è di 10–15 gradi. Con un'ovalità del 2,0%, la parete minima è di 1,38–1,41 mm, l'aumento è del 15–25% e l'aumento della temperatura è di 15–25 gradi. Con un'ovalità del 3,0%, la parete minima è di 1,32–1,36 mm, l'aumento è del 25–40% e l'aumento della temperatura è di 25–40 gradi.

Tempo di incubazione della fatica termica in funzione dell'ovalità

Test ciclici con un'oscillazione della temperatura di 100 gradi (da 50 gradi a 150 gradi) su 10.000 cicli hanno stabilito i seguenti cicli di innesco della fessurazione per il titanio di grado 2. Con un'ovalità dello 0,5%, i cicli necessari per l'inizio della fessurazione sono 8.000-12.000 e la riduzione del tempo di incubazione rispetto allo 0% di ovalizzazione è al basale. Con un'ovalità dell'1,0%, i cicli sono 5.000–8.000 e la riduzione è del 30–40%. Con un'ovalità dell'1,5%, i cicli sono 3.000–5.000 e la riduzione è del 50–60%. Con un'ovalità del 2,0%, i cicli sono 2.000–3.500 e la riduzione è del 65–70%. Con un'ovalità del 3,0%, i cicli sono 1.000–2.000 e la riduzione è dell'80–85%.

Guida al metodo di controllo e piegatura dell'ovalità

La tabella seguente fornisce l'ovalità massima consentita per i riscaldatori a guaina in titanio in base ai cicli termici previsti e al metodo di piegatura consigliato.

Ingegneria oltre il controllo dell'ovalizzazione

Il grado di titanio influisce sulla resistenza alla fatica termica. Il grado 7 ha una sensibilità simile all'ovalizzazione ma una maggiore resistenza alla fatica intrinseca, aumentando i cicli di inizio cricca del 20-30% per la stessa ovalità. Il grado 12 offre un miglioramento intermedio. Lo spessore delle pareti influenza l'aumento della temperatura nominale; una parete più spessa (2,0 mm) ha un ΔT basale più elevato ma l'aumento relativo rispetto all'ovalità è minore. Anche il raggio di curvatura influisce sull'ovalità; un raggio di curvatura maggiore (10D) produce meno ovalizzazione rispetto a una curva stretta (3D). La ricottura di distensione post-piegatura a 540 gradi per 30 minuti riduce lo stress residuo ma non corregge l'ovalità.

Fare una specifica informata

For a titanium sheath heater with a bent section that will experience more than 5,000 thermal cycles, specify a maximum ovality of 1.0%. Require mandrel bending with internal support to achieve this ovality. Measure ovality at the bend apex using an optical comparator or a set of calipers at four angles. For high-cycle applications (>20.000 cicli), specificare l'ovalizzazione dello 0,5% e la piegatura a rotazione. Per i riscaldatori esistenti con ovalità superiore all'1,5%, ridurre il flusso di calore del 20% per compensare il punto caldo o installare un diffusore di calore. Controllando l'ovalità al di sotto dell'1,0%, l'ingegnere mantiene una distribuzione uniforme del flusso di calore e prolunga la durata della fatica termica all'apice della curvatura.