Comment la méthode de pliage (mandrin ou compression) d'un tube chauffant en U-en titane affecte-t-elle la répartition des contraintes résiduelles au niveau du coude, et par la suite sa résistance à la fissuration induite par le chlorure-dans une pompe à chaleur marine ?

Le compromis de base-des méthodes de pliage pour les radiateurs marins en titane
Les pompes à chaleur marines utilisent des radiateurs à tubes en U-en titane immergés dans l'eau salée ou la saumure. La région de courbure du tube en U- est l'endroit le plus concentré de contraintes et le plus sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte (SCC) provoquée par les chlorures. Deux méthodes courantes de flexion entraînent des répartitions différentes des contraintes résiduelles. Le cintrage par mandrin utilise un support interne (mandrin) pour tracer l'intérieur du tube pendant le cintrage, ce qui permet d'obtenir une épaisseur de paroi lisse et constante et une contrainte résiduelle minimale. Le cintrage par compression, également connu sous le nom de cintrage par vérin, pousse le tube autour d'une matrice fixe sans aucun support interne. Le résultat est une section transversale aplatie-avec des déformations de traction résiduelles élevées sur le rayon extérieur, ou extradosse. Ces souches résiduelles, associées à une exposition au chlorure à des températures élevées (50 à 70 degrés), peuvent provoquer un CSC. Cette présentation analyse les deux méthodes de pliage et décrit pourquoi le pliage au mandrin est préféré pour le service maritime et comment l'épaisseur de la paroi affecte la répartition des contraintes résiduelles.

Impact sur l'intégrité mécanique : contrainte résiduelle due à la flexion
Le cintrage du mandrin utilise un mandrin interne qui soutient la paroi du tube pendant le formage pour empêcher l'affaiblissement de la paroi et maintenir la circularité. La contrainte de flexion est uniforme le long de la section transversale du tube. Après pliage du mandrin, les contraintes résiduelles sont généralement de l'ordre de 50 à 100 MPa (en traction sur l'extrados et en compression sur l'intrados). Ces contraintes sont inférieures au seuil d'initiation du SCC dans le titane dans l'eau de mer (environ 150-200 MPa). La région courbée présente toujours une résistance à la fissuration induite par le chlorure.

Lors du pliage par compression (sans mandrin), il y a un amincissement significatif de la paroi extérieure du coude (diminution de la paroi de 10 à 20 %), un flambage et éventuellement un plissement de la paroi intérieure. La contrainte de traction résiduelle sur l'extrados peut atteindre 200 à 300 MPa, proche ou supérieure à la limite d'élasticité du titane Grade 2 (275 MPa). Les contraintes résiduelles dépassent le seuil de SCC. Les ions chlorure dans l'eau salée peuvent entraîner des fissures au niveau de l'extrados du coude dans un délai de 6 à 12 mois à 60 degrés. Les fissures se développent de manière intergranulaire le long de la région fortement sollicitée, ce qui provoque une panne du réchauffeur.

Performance thermique Amincissement des parois d’impact et transfert de chaleur
La flexion par compression entraîne un amincissement localisé de la paroi au niveau de l'extrados de la courbure. Pour un mur nominal de 1,2 mm, l'épaisseur de l'extrados peut être réduite à 0,9-1,0 mm par flexion par compression. Cette partie plus fine est un peu plus chaude (1 à 2 degrés) que les sections droites pour la même densité de puissance, ce qui peut accélérer la corrosion. Le cintrage au mandrin préserve une épaisseur de paroi constante dans le pli, préservant ainsi l'homogénéité thermique.

Synthèse du compromis : technique de pliage et épaisseur de paroi
Méthode de pliage Uniformité de l'épaisseur de paroi Contrainte résiduelle à l'extrados (MPa) Risque de SCC (eau de mer, 60 degrés) Durée de vie de l'épaisseur de paroi recommandée (années)
Compression (mémoire)Non-uniforme (amincissement de 10 à 20 %) 200 à 300 MPaÉlevée (fissuration en 6 à 12 mois)Toute (aucun avantage)<2 years
Compression + recuit de détenteNon-uniforme 80-120 МПаFaible (après recuit) 1,5 mm (pour contrecarrer l'amincissement) 5-8 ans
Mandrin (support interne)Uniforme (±5 %) 50 – 100 MPaAucun (en dessous du seuil) 1,0-1,2 mm 10+ ans
Mandrin + électropolissage Égal 40 – 80 MpaAucun 1,0 mm 15+ ans
La combinaison optimale de faible contrainte résiduelle et de résistance SCC est obtenue avec le mandrin courbé avec une paroi de 1,0-1,2 mm. Pour le cintrage par compression en service maritime, aucun recuit après cintrage n’est autorisé, quelle que soit l’épaisseur de la paroi.

Ingénierie au-delà de la méthode de pliage : recuit de détente
Lorsque le cintrage par compression est requis en raison des limites de production, le recuit de relaxation des contraintes après-courbure (520 degrés pendant 45 minutes dans une atmosphère d'argon) réduit les contraintes résiduelles de 60 à 80 %. Les tubes en U recuits courbés par compression - ont des contraintes résiduelles de 80 à 120 MPa, toujours supérieures à celles du cintrage au mandrin, mais inférieures au seuil SCC. Cependant, la paroi s'amincit sous l'effet de la flexion en compression, c'est pourquoi une paroi nominale plus épaisse (1,5 mm) doit être utilisée pour garantir une épaisseur adéquate à l'extrados après amincissement (épaisseur restante=1.2 – 1,3 mm). La flexion par compression + recuit + paroi plus épaisse peuvent atteindre 5 à 8 ans de service dans les pompes à chaleur maritimes, acceptable mais pas excellent.

Conclusion : Le cintrage au mandrin est préféré pour le service maritime pour une épaisseur de paroi de 1,0 à 1,2 mm.
La méthode de pliage d'un tube chauffant en U-en titane dans une pompe à chaleur marine exposée à l'eau salée à 60 degrés est essentielle à la répartition des contraintes résiduelles au niveau du coude et à la résistance à la fissuration induite par le chlorure-. Le cintrage au mandrin (avec support interne) fournit une épaisseur de paroi homogène et de faibles contraintes résiduelles (50 à 100 MPa) en dessous du seuil SCC, permettant à une paroi conventionnelle de 1,0 à 1,2 mm de fournir 10+ années de service. La flexion par compression (sans mandrin) entraîne un amincissement de la paroi et des contraintes résiduelles élevées (200 à 300 MPa) au-dessus du seuil SCC, provoquant des fissures dans un délai de 6 à 12 mois, quelle que soit l'épaisseur de la paroi. La norme recommandée est un tube en titane de grade 2 courbé au mandrin, d'une épaisseur de paroi de 1,0 à 1,2 mm, avec une finition de surface électropolie. Si une flexion par compression est nécessaire, il faut un recuit de soulagement des contraintes après-courbure et une paroi plus épaisse (1,5 mm) pour compenser l'amincissement, mais il faut s'attendre à une durée de vie plus courte (5-8 ans). Si vous commandez des réchauffeurs à tubes en U pour pompes à chaleur maritimes, précisez la flexion du mandrin et exigez une preuve de mesure de contrainte résiduelle (<100 MPa) in the bend region. Wall thickness is no substitute for good bending exercise.