Comment l'ovalité du tube (0,5 % contre . 2 %) d'une gaine chauffante en titane après pliage affecte-t-elle la distribution locale du flux de chaleur et le temps d'incubation pour la fissuration par fatigue thermique au sommet du coude ?

Ovalité du tube après pliage - variation par rapport à une section transversale complètement circulaire - – concentre le flux de chaleur au sommet du pliage. L'ovalité plus élevée (2 % contre 0,5 %) entraîne une augmentation de 10 à 25 % du flux thermique local en raison de la plus petite épaisseur de paroi sur le rayon extérieur. Le flux thermique plus élevé augmente la température locale de 10 à 25 degrés et améliore donc la fissuration par fatigue thermique. Une ovaleté de 0,5 % est acceptable pour la plupart des applications. Une ovaleté de 2 % réduit le temps d'incubation de la fissuration par fatigue thermique de 50 à 70 %. Le sommet du pli est la zone la plus vulnérable car il présente la plus grande ovalité et la plus grande tension résiduelle due au pliage.

Mécanisme de concentration du flux thermique induit par l'ovalité

Lorsqu'un tube est plié, la paroi devient plus fine au rayon extérieur (extrados) et plus épaisse au rayon intérieur (intrados). L'épaisseur de paroi locale au sommet du virage peut être calculée comme t_apex=t_nominal x (1-0,5xovalitiy). Pour un mur nominal de 1,5 mm avec une ovalité de 2 %, l'épaisseur minimale de paroi au sommet est de 1,38 à 1,41 mm. Le flux de chaleur local est inversement proportionnel à l'épaisseur du mur : qapex/ qnominal=tnominal / tapex. L'augmentation locale de la température est ∆Tapex=qapextapex/k. L’impact combiné d’une épaisseur plus faible et d’un flux plus élevé crée un point chaud près du sommet de la courbe.

Flux de chaleur quantitatif, élévation de température et ovalité

Les relations suivantes ont été établies pour un tube de 20 mm de diamètre extérieur avec une paroi nominale de 1,5 mm et un rayon de courbure 5D à un flux thermique nominal de 20 W/cm². Pour une ovalité de 0 % (tube idéal), la paroi minimale au sommet du coude est de 1,50 mm, l'augmentation du flux de chaleur local est de 0 % et l'augmentation de température au sommet par rapport à la section droite est de 0 degré. L'ovalité est de 0,5 %, la paroi minimale est de 1,47 à 1,49 mm, l'augmentation du flux thermique est de 2 à 5 % et l'augmentation de la température est de 2 à 5 degrés. Pour une ovalité de 1,0 %, une paroi minimale de 1,44 à 1,47 mm, une augmentation de 5 à 10 %, une augmentation de la température de 5 à 10 degrés . 1.5 % de la paroi minimale d'ovalité est de 1,41 à 1,44 mm, l'augmentation est de 10 à 15 % et l'augmentation de la température est de 10 à 15 degrés. À 2,0 % d'ovalisation, la paroi minimale est de 1,38 à 1,41 mm. L'augmentation est de 15 à 25 %. L'augmentation de la température est de 15 à 25 degrés. À 3,0 % d'ovalité, la paroi minimale est de 1,32 à 1,36 mm, l'augmentation est de 25 à 40 %, l'augmentation de température est de 25 à 40 degrés.

Dépendance de l'ovalité du temps d'incubation par fatigue thermique

Des tests cycliques avec une variation de température de 100 degrés (50 degrés à 150 degrés) sur 10 000 cycles ont montré les cycles suivants de démarrage de fissure pour le titane de grade 2 : Pour une ovalité de 0,5 %, le nombre de cycles jusqu'à l'initiation de fissure est de 8 000 à 12 000 et la réduction du temps d'incubation par rapport à une ovalité de 0 % est la ligne de base. L'ovalité est de 1,0 %. Les cycles sont de 5 000 à 8 000. La diminution est de 30 à 40 %. 3 000 à 5 000 cycles à 1,5 % d'ovalité et de 50 à 60 % de réduction. 2.0 % d'ovalité, 2 000 à 3 500 cycles, 65 à 70 % de réduction. Cycles 1 000-2, 000. 3.0 % d'ovalité. Réduction 80-85%

Ligne directrice sur la méthode de pliage et le contrôle de l'ovalité

Le tableau ci-dessous indique l'ovalité maximale autorisée pour les gaines chauffantes en titane pour les cycles thermiques attendus et la méthode de pliage recommandée.

Ovalité maximale autorisée (%) Cycles thermiques attendus pendant la durée de vie Méthode de pliage recommandée Cycles attendus pour l'initiation des fissures<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 (cycle extrême)<0.5 Rotary draw + mandrel >12,000
Ingénierie au-delà du contrôle de l'ovoïdité

La qualité du titane impacte la résistance à la fatigue thermique. Le grade 7 présente une sensibilité à l'ovalité comparable mais une résistance à la fatigue intrinsèque plus élevée, ce qui entraîne une augmentation de 20-30 % des cycles d'initiation de fissure pour la même ovalité. La 12e année est une amélioration intermédiaire. L'épaisseur de la paroi modifie l'échauffement nominal. La paroi la plus épaisse (2,0 mm) a une ligne de base ΔT plus grande mais l'augmentation relative due à l'ovalité est plus faible. Le rayon de courbure affecte également l'ovalité, un rayon de courbure plus grand (10D) aura moins d'ovalité qu'un virage serré (3D). Le recuit de soulagement des contraintes après pliage à 540 degrés pendant 30 minutes réduit les contraintes résiduelles mais ne corrige pas l'ovalité

Rédaction d'une spécification rationnelle

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 cycles) offrent une ovalité de 0,5 % et un cintrage par étirage rotatif. Pour les radiateurs existants ayant une ovalité supérieure à 1,5%, réduisez le flux thermique de 20% pour corriger le point chaud ou construisez un dissipateur de chaleur. Une répartition homogène du flux thermique et une durée de vie prolongée en fatigue thermique au sommet du pli sont obtenues avec un contrôle d'ovalité < 1,0 %.