L'ovalité du tube après le pliage-l'écart par rapport à une section transversale circulaire parfaite-section-concentre le flux de chaleur au sommet du coude. Une ovalité plus élevée (2 % contre . 0.5 %) augmente le flux de chaleur local de 10 à 25 % en raison de l'épaisseur de paroi réduite sur le rayon extérieur. Le flux thermique plus élevé augmente la température locale de 10 à 25 degrés, accélérant ainsi la fissuration par fatigue thermique. Une ovaleté de 0,5 % est acceptable pour la plupart des applications, tandis qu'une ovaleté de 2 % réduit le temps d'incubation de la fissuration par fatigue thermique de 50 à 70 %. Le sommet de la courbure est l'endroit le plus vulnérable car il subit à la fois l'ovalité la plus élevée et la contrainte résiduelle de flexion la plus élevée.

Le mécanisme de l'ovalité-Concentration du flux thermique induit

Lorsqu'un tube est plié, le rayon extérieur (extrados) subit un amincissement de la paroi, tandis que le rayon intérieur (intrados) subit un épaississement de la paroi. L'épaisseur de paroi locale au sommet du virage peut être calculée comme t_apex=t_nominal × (1 - 0.5 × ovalité). Pour un mur nominal de 1,5 mm avec 2 % d’ovalité, l’épaisseur minimale de paroi au sommet est de 1,38 à 1,41 mm. Le flux thermique local est inversement proportionnel à l'épaisseur de la paroi : q_apex / q_nominal=t_nominal / t_apex. L'augmentation de température locale est ΔT_apex=q_apex × t_apex / k. L'effet combiné d'une épaisseur réduite et d'un flux accru crée un point chaud au sommet du pli.

Ovalité quantitative, flux thermique et élévation de température

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, les relations suivantes ont été établies. À 0 % d'ovalité (tube parfait), la paroi minimale au sommet du coude est de 1,50 mm, l'augmentation du flux thermique local est de 0 % et l'augmentation de température au sommet au-dessus de la section droite est de 0 degré. À une ovalité 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. À une ovalité de 1,0 %, la paroi minimale est de 1,44 à 1,47 mm, l'augmentation est de 5 à 10 % et l'augmentation de température est de 5 à 10 degrés. À une ovalité de 1,5 %, la paroi minimale est de 1,41 à 1,44 mm, l'augmentation est de 10 à 15 % et l'augmentation de température est de 10 à 15 degrés. À une ovalité de 2,0 %, la paroi minimale est de 1,38 à 1,41 mm, l'augmentation est de 15 à 25 % et l'augmentation de la température est de 15 à 25 degrés. À une ovalité de 3,0 %, la paroi minimale est de 1,32 à 1,36 mm, l'augmentation est de 25 à 40 % et l'augmentation de la température est de 25 à 40 degrés.

Temps d'incubation par fatigue thermique en fonction de l'ovalité

Des tests cycliques avec une variation de température de 100 degrés (50 degrés à 150 degrés) sur 10 000 cycles ont établi les cycles suivants pour l'initiation des fissures pour le titane de grade 2. À une ovalité de 0,5 %, les cycles d'initiation de la fissure sont compris entre 8 000 et 12 000, et la réduction du temps d'incubation par rapport à une ovalité de 0 % constitue la référence. À 1,0 % d'ovalité, les cycles sont de 5 000 à 8 000 et la réduction est de 30 à 40 %. À une ovalité de 1,5 %, les cycles sont de 3 000 à 5 000 et la réduction est de 50 à 60 %. À une ovalité de 2,0 %, les cycles sont de 2 000 à 3 500 et la réduction est de 65 à 70 %. À une ovalité de 3,0 %, les cycles sont de 1 000 à 2 000 et la réduction est de 80 à 85 %.

Guide des méthodes de contrôle de l'ovalité et de pliage

Le tableau suivant indique l'ovalité maximale autorisée pour les gaines chauffantes en titane, en fonction des cycles thermiques attendus et de la méthode de pliage recommandée.

Ingénierie au-delà du contrôle de l'ovalité

La qualité du titane affecte la résistance à la fatigue thermique. Le grade 7 a une sensibilité similaire à l'ovalité mais une résistance à la fatigue intrinsèque plus élevée, augmentant les cycles d'initiation de fissure de 20 à 30 % pour la même ovalité. La 12e année offre une amélioration intermédiaire. L'épaisseur de la paroi influence l'échauffement nominal ; une paroi plus épaisse (2,0 mm) a une ligne de base ΔT plus élevée 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) produit moins d'ovalité qu'un virage serré (3D). Le recuit de soulagement des contraintes après flexion à 540 degrés pendant 30 minutes réduit les contraintes résiduelles mais ne corrige pas l'ovalité.

Faire une spécification éclairée

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 cycles), spécifiez une ovalité de 0,5 % et un cintrage par étirage rotatif. Pour les radiateurs existants dont l'ovalité dépasse 1,5%, réduisez le flux thermique de 20% pour compenser le point chaud, ou installez un dissipateur de chaleur. En contrôlant l'ovalité en dessous de 1,0 %, l'ingénieur maintient une répartition uniforme du flux thermique et prolonge la durée de vie en fatigue thermique au sommet du coude.