¿Cómo afecta la ovalidad del tubo (0,5% frente a . 2%) de un calentador de vaina de titanio después de doblarlo la distribución del flujo de calor local y el tiempo de incubación para el agrietamiento por fatiga térmica en el ápice de la curvatura?

La ovalidad del tubo después de doblarlo (la variación de una sección transversal completamente circular) concentra el flujo de calor en el vértice de la curvatura. Una ovalidad más alta (2 % frente a 0,5 %) aumenta el flujo de calor local entre un 10 y un 25 %. Esto se debe al espesor reducido de la pared en el radio exterior. El flujo de calor mejorado eleva la temperatura local entre 10 y 25 grados, acelerando así el agrietamiento por fatiga térmica. Para la mayoría de las aplicaciones, una ovalidad del 0,5% es aceptable y una ovalidad del 2% disminuye la duración de la incubación del agrietamiento por fatiga térmica entre un 50% y un 70%. El punto más vulnerable es el vértice de la curvatura, que tiene la ovalidad más grande y la mayor tensión residual de la curvatura.

¿Cómo induce la ovalidad una concentración del flujo de calor?

Cuando se dobla un tubo, el radio exterior (extradós) se vuelve más delgado (grosor de la pared) y el radio interior (intradós) se vuelve más grueso (grosor de la pared). El espesor de la pared local en el vértice de la curvatura se puede determinar mediante t_apex=t_nominal × (1 - 0.5 × ovalidad). El espesor mínimo de la pared en el vértice es de 1,38 a 1,41 mm para una pared teórica de 1,5 mm con un 2 % de ovalidad. El flujo de calor local es inversamente proporcional al espesor de la pared: qapex / qnominal=tnominal / tapex. El aumento de temperatura local es ΔT_apex=q_apex t_apex / k . La superposición de un espesor reducido y un flujo mayor conduce a un punto caliente en el vértice de la curva.

Flujo de calor, aumento de temperatura y ovalidad cuantitativa

Las siguientes relaciones se han obtenido para un tubo de 20 mm de diámetro exterior con una pared nominal de 1,5 mm y un radio de curvatura 5D con un flujo de calor nominal de 20 W/cm2. En el tubo ideal (0% de ovalidad), la pared mínima en el vértice de la curvatura es de 1,50 mm, el aumento del flujo de calor local es del 0% y el aumento de temperatura en el vértice de la curvatura sobre la sección recta es de 0 grados. La pared mínima con una ovalidad del 0,5 % es de 1,47-1,49 mm. El aumento del flujo de calor es del 2-5 % y el aumento de la temperatura es de 2-5 C. La ovalidad es del 1,0 %, la pared mínima es de 1,44-1,47 mm, el aumento es del 5-10 % y el aumento de temperatura es de 5-10 grados. Para una ovalidad del 1,5 %, la pared mínima es de 1,41 a 1,44 mm, el aumento es del 10 al 15 %, el aumento de temperatura es de 10 a 15 C. Con una ovalidad del 2,0 %, la pared mínima es de 1,38 a 1,41 mm El aumento es del 15 al 25 % El aumento de temperatura es de 15 a 25 grados Para una ovalidad del 3,0 %, la pared mínima es de 1,32 a 1,36 mm, el aumento es 25-40% y el aumento de temperatura es de 25-40C.

Tiempo de incubación de la fatiga térmica en función de la ovalidad.

Las pruebas cíclicas con una oscilación de temperatura de 100 grados (de 50 grados a 150 grados) durante 10 000 ciclos han arrojado los siguientes ciclos para el inicio del crack para titanio Grado 2. 0.5% de ovalidad 8000-12 000 ciclos para el inicio del crack Reducción del tiempo de incubación en comparación con el 0 % de ovalidad La vida útil del ciclo base con un 1,0 % de ovalidad es 5.000-8.000. La reducción es del 30-40%. Con una ovalidad del 1,5%, los ciclos son 3000-5000, la reducción es del 50-60%. Con una ovalidad del 2,0%, los ciclos son de 2.000 a 3.500 y disminuyen entre un 65 y un 70%. Ciclos: 1000 a 2000 @ 3,0% de ovalidad. Reducción: 80 a 85%.

Guía para el control de la ovalidad y el método de doblado

La tabla adjunta especifica la ovalidad máxima permitida de los calentadores de vaina de titanio para los ciclos térmicos anticipados y la técnica de doblado requerida.

Ciclos térmicos esperados durante la vida útil Ovalidad máxima permitida (%) Método de doblado recomendado Ciclos esperados hasta el inicio de la grieta<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 (ciclo extremo)<0.5 Rotary draw + mandrel >12,000
Ingeniería más allá del control de la ovalidad

El grado de titanio afecta la resistencia a la fatiga térmica. El grado 7 es igualmente sensible a la ovalidad, pero tiene una mayor resistencia a la fatiga inherente, lo que aumenta los ciclos hasta el inicio de la fractura en un 20-30% para la misma ovalidad. Grado 12: perfeccionamiento intermedio. El espesor de la pared afecta el aumento de temperatura nominal. El ΔT inicial mayor es para la pared más gruesa (2,0 mm), pero el aumento proporcional debido a la ovalidad es menor. El radio de curvatura también influye en la ovalidad. Un radio de curvatura amplio (10D) tendrá menos ovalidad que uno cerrado (3D). El recocido de alivio de tensión después de doblar a 540 grados durante 30 minutos reduce la tensión residual, pero no corrige la ovalidad.

Especificar con confianza

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 ciclos). Reduzca el flujo de calor en un 20 % para los calentadores existentes con una ovalidad superior al 1,5 % para tener en cuenta el punto caliente o construir un disipador de calor. El ingeniero controla la ovalidad por debajo del 1,0% para obtener una distribución homogénea del flujo de calor y aumentar la vida útil de la fatiga térmica en el vértice de la curvatura.