Ovalnost cevi po upogibu-odstopanje od popolnega krožnega prereza-prereza-koncentrira toplotni tok na vrhu upogiba. Večja ovalnost (2 % proti . 0.5 %) poveča lokalni toplotni tok za 10–25 % zaradi zmanjšane debeline stene na zunanjem polmeru. Večji toplotni tok zviša lokalno temperaturo za 10–25 stopinj, kar pospeši razpoke zaradi toplotne utrujenosti. Ovalnost 0,5 % je sprejemljiva za večino aplikacij, medtem ko ovalnost 2 % skrajša inkubacijski čas za razpoke zaradi toplotne utrujenosti za 50–70 %. Vrh upogiba je najbolj ranljiva lokacija, ker doživlja največjo ovalnost in največjo preostalo napetost zaradi upogibanja.

Mehanizem koncentracije-toplotnega toka zaradi ovalnosti

Ko je cev upognjena, se zunanji polmer (extrados) tanjša, notranji radij (intrados) pa zgosti steno. Lokalno debelino stene na vrhu krivine je mogoče izračunati kot t_apex=t_nominal × (1 - 0.5 × ovalnost). Za nazivno steno 1,5 mm z 2% ovalnostjo je najmanjša debelina stene na vrhu 1,38–1,41 mm. Lokalni toplotni tok je obratno sorazmeren z debelino stene: q_apex / q_nominal=t_nominal / t_apex. Lokalni dvig temperature je ΔT_apex=q_apex × t_apex / k. Skupni učinek zmanjšane debeline in povečanega toka ustvari vročo točko na vrhu krivine.

Kvantitativna ovalnost, toplotni tok in dvig temperature

Za cev z zunanjim premerom 20 mm z nominalno steno 1,5 mm in polmerom upogiba 5D pri nominalnem toplotnem toku 20 W/cm² so bila ugotovljena naslednja razmerja. Pri 0 % ovalnosti (popolna cev) je najmanjša stena na vrhu krivine 1,50 mm, lokalno povečanje toplotnega toka je 0 %, dvig temperature na vrhu nad ravnim odsekom pa 0 stopinj. Pri 0,5 % ovalnosti je najmanjša stena 1,47–1,49 mm, povečanje toplotnega toka je 2–5 %, dvig temperature pa 2–5 stopinj. Pri ovalnosti 1,0 % je najmanjša stena 1,44–1,47 mm, povečanje je 5–10 %, dvig temperature pa 5–10 stopinj. Pri 1,5-odstotni ovalnosti je najmanjša stena 1,41–1,44 mm, povečanje 10–15 %, dvig temperature pa 10–15 stopinj. Pri 2,0 % ovalnosti je najmanjša stena 1,38–1,41 mm, povečanje 15–25 %, dvig temperature pa 15–25 stopinj. Pri 3,0 % ovalnosti je najmanjša stena 1,32–1,36 mm, povečanje 25–40 %, dvig temperature pa 25–40 stopinj.

Inkubacijski čas toplotne utrujenosti kot funkcija ovalnosti

Ciklično testiranje s temperaturnim nihanjem 100 stopinj (50 stopinj do 150 stopinj) v 10.000 ciklih je vzpostavilo naslednje cikle za začetek razpok za titan stopnje 2. Pri 0,5-odstotni ovalnosti je ciklov do začetka razpok 8.000–12.000, zmanjšanje inkubacijskega časa glede na 0-odstotno ovalnost pa je izhodišče. Pri 1,0 % ovalnosti je ciklov 5.000–8.000, zmanjšanje pa 30–40 %. Pri 1,5 % ovalnosti je ciklov 3.000–5.000, redukcija pa 50–60 %. Pri 2,0 % ovalnosti je ciklov 2.000–3.500, zmanjšanje pa 65–70 %. Pri 3,0 % ovalnosti je ciklov 1000–2000, zmanjšanje pa 80–85 %.

Vodnik po metodi nadzora ovalnosti in upogibanja

Naslednja tabela prikazuje največjo dovoljeno ovalnost za grelnike iz titanovega plašča na podlagi pričakovanih toplotnih ciklov in priporočene metode upogibanja.

Inženiring onkraj nadzora ovalnosti

Stopnja titana vpliva na odpornost proti toplotni utrujenosti. Stopnja 7 ima podobno občutljivost na ovalnost, vendar višjo intrinzično utrujenostno trdnost, kar poveča cikle do nastanka razpok za 20–30 % za enako ovalnost. Razred 12 ponuja vmesno izboljšanje. Debelina stene vpliva na nazivni dvig temperature; debelejša stena (2,0 mm) ima višjo osnovno linijo ΔT, vendar je relativno povečanje zaradi ovalnosti manjše. Polmer upogiba vpliva tudi na ovalnost; večji radij upogiba (10D) povzroči manjšo ovalnost kot tesen upogib (3D). 30-minutno žarjenje za razbremenitev napetosti po upogibu pri 540 stopinjah zmanjša preostalo napetost, vendar ne popravi ovalnosti.

Izdelava informirane specifikacije

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 ciklov), določite 0,5-odstotno ovalnost in rotacijsko upogibanje. Za obstoječe grelnike z ovalnostjo, ki presega 1,5 %, zmanjšajte toplotni tok za 20 %, da kompenzirate vročo točko, ali namestite razpršilnik toplote. Z nadzorom ovalnosti pod 1,0 % inženir vzdržuje enakomerno porazdelitev toplotnega toka in podaljša življenjsko dobo toplotne utrujenosti na vrhu krivine.