Como a ovalidade do tubo (0,5% vs{1}}%) de um aquecedor de bainha de titânio após a dobra afeta a distribuição local do fluxo de calor e o tempo de incubação para trincas por fadiga térmica no ápice da curvatura?

Ovalidade do tubo após a curvatura - a variação de uma seção transversal-completamente circular – concentra o fluxo de calor no ápice da curvatura. A maior ovalização (2% versus 0,5%) causa um aumento de 10–25% no fluxo de calor local devido à menor espessura da parede no raio externo. O maior fluxo de calor aumenta a temperatura local em 10–25 graus e, portanto, aumenta a fissuração por fadiga térmica. A ovalização de 0,5% é aceitável para a maioria das aplicações. A ovalidade de 2% reduz o tempo de incubação para fissuras por fadiga térmica em 50-70%. O ápice da curvatura é a área mais vulnerável, pois possui a maior ovalidade e a maior tensão residual da flexão.

Mecanismo de concentração de fluxo de calor induzido por ovalidade

Quando um tubo é dobrado, a parede torna-se mais fina no raio externo (extrados) e mais espessa no raio interno (intrados). A espessura da parede local no ápice da dobra pode ser calculada como t_apex=t_nominal x (1-0,5xovalitiy). Para uma parede nominal de 1,5 mm com uma ovalização de 2%, a espessura mínima da parede no ápice é de 1,38–1,41 mm. O fluxo de calor local é inversamente proporcional à espessura da parede: qapex/ qnominal=tnominal / tapex. O aumento da temperatura local é ∆Tapex=qapextapex/k. O impacto combinado de menor espessura e maior fluxo cria um ponto quente próximo ao ápice da curva.

Fluxo de calor quantitativo, aumento de temperatura e ovalidade

As seguintes relações foram estabelecidas para um tubo com diâmetro externo de 20 mm com parede nominal de 1,5 mm e raio de curvatura 5D com fluxo de calor nominal de 20 W/cm². Para 0% de ovalidade (tubo ideal) a parede mínima no ápice da curvatura é de 1,50 mm, o aumento do fluxo de calor local é de 0% e o aumento de temperatura no ápice em relação à seção reta é de 0 grau. A ovalidade é de 0,5%, a parede mínima é de 1,47–1,49 mm, o aumento do fluxo de calor é de 2–5% e o aumento da temperatura é de 2–5 graus. Para ovalidade de 1,0%, parede mínima de 1,44–1,47 mm, aumento de 5–10%, aumento de temperatura de 5–10 graus . 1.5% da ovalidade da parede mínima é de 1,41-1,44 mm, o aumento é de 10-15% e o aumento de temperatura é de 10-15 graus. Com 2,0% de ovalidade, a parede mínima é de 1,38-1,41 mm. O aumento é de 15-25% O aumento de temperatura é de 15-25 graus. Com 3,0% de ovalização, a parede mínima é de 1,32-1,36 mm, o aumento é de 25-40%, o aumento de temperatura é de 25-40 graus.

Dependência da Ovalidade do Tempo de Incubação da Fadiga Térmica

Testes cíclicos com uma variação de temperatura de 100 graus (50 graus a 150 graus) ao longo de 10.000 ciclos mostraram os seguintes ciclos para o início da trinca para titânio de Grau 2: Para uma ovalidade de 0,5%, o número de ciclos para o início da trinca é de 8.000 a 12.000 e a redução no tempo de incubação em relação a 0% de ovalidade é a linha de base. A ovalidade é de 1,0%. Os ciclos são de 5.000 a 8.000. A diminuição é de 30-40%. 3.000-5.000 ciclos com 1,5% de ovalidade e 50-60% de redução. 2.0% de ovalidade, 2.000-3.500 ciclos, 65-70% de redução. Ciclos 1.000-2,000. 3.0% de ovalidade. Redução 80-85%

Diretriz sobre método de flexão e controle de ovalidade

A tabela abaixo mostra a ovalização máxima permitida para aquecedores de bainha de titânio para os ciclos térmicos esperados e método de dobra recomendado.

Ovalidade máxima permitida (%) Ciclos térmicos esperados ao longo da vida útil Método de dobra recomendado Ciclos esperados até o início da trinca<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
Engenharia além do controle da ovoididade

A qualidade do titânio impacta a resistência à fadiga térmica. O grau 7 exibe uma sensibilidade comparável à ovalização, mas uma resistência à fadiga intrínseca mais alta, o que leva a um aumento de 20-30% nos ciclos até o início da trinca para a mesma ovalidade. A 12ª série é um aprimoramento intermediário. A espessura da parede altera o aumento nominal da temperatura. A parede mais espessa (2,0 mm) tem um ΔT basal maior, mas o aumento relativo devido à ovalização é menor. O raio da curvatura também afeta a ovalidade; um raio de curvatura maior (10D) terá menos ovalização do que uma curvatura estreita (3D). O recozimento de alívio de tensão pós-curvatura a 540 graus por 30 min reduz a tensão residual, mas não corrige a ovalidade

Escrevendo uma Especificação Racional

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 ciclos) proporcionam 0,5% de ovalidade e curvatura rotativa. Para aquecedores existentes com ovalização superior a 1,5%, reduza o fluxo de calor em 20% para corrigir o ponto quente ou construa um dissipador de calor. Uma distribuição homogênea do fluxo de calor e uma vida útil prolongada à fadiga térmica no ápice da curvatura são alcançadas com um controle de ovalidade < 1,0%.