曲げ後のチューブの楕円率{0}}完全な円形断面からの偏差--により、曲げ頂点に熱流束が集中します。楕円率が高くなると（. 0.5% に対して 2%）、外側の半径の壁厚が減少するため、局所的な熱流束が 10 ～ 25% 増加します。熱流束が高くなると、局所温度が 10 ～ 25 度上昇し、熱疲労亀裂が加速します。楕円率 0.5% はほとんどの用途で許容されますが、楕円率 2% では熱疲労亀裂の潜伏時間が 50 ～ 70% 短縮されます。曲げ頂点は、曲げによる最も高い楕円率と最も高い残留応力の両方を受けるため、最も脆弱な場所です。

楕円性-による熱流束集中のメカニズム

チューブを曲げると、外側半径 (エクストラドス) では壁が薄くなり、内側半径 (イントラドス) では壁が厚くなります。曲げ頂点の局所的な肉厚は、t_apex=t_nominal × (1 - 0.5 × 楕円率) として計算できます。楕円率 2% の公称 1.5 mm 壁の場合、頂点での最小壁厚は 1.38 ～ 1.41 mm です。局所的な熱流束は壁の厚さに反比例します: q_apex / q_nominal=t_nominal / t_apex。局所的な温度上昇は、ΔT_apex=q_apex × t_apex / k です。厚さの減少と磁束の増加の複合効果により、曲げ頂点にホット スポットが形成されます。

定量的な楕円率、熱流束、および温度上昇

公称壁厚 1.5 mm、公称熱流束 20 W/cm2 での 5D 曲げ半径を備えた外径 20 mm のチューブの場合、次の関係が確立されています。楕円率 0% (完全な管) では、曲げ頂点の最小壁は 1.50 mm、局所的な熱流束の増加は 0%、直線セクション上の頂点での温度上昇は 0 度です。楕円率 0.5% では、最小壁は 1.47 ～ 1.49 mm、熱流束の増加は 2 ～ 5%、温度上昇は 2 ～ 5 度です。楕円率 1.0% では、最小壁は 1.44 ～ 1.47 mm、増加は 5 ～ 10%、温度上昇は 5 ～ 10 度です。楕円率 1.5% では、最小壁は 1.41 ～ 1.44 mm、増加は 10 ～ 15%、温度上昇は 10 ～ 15 度です。楕円率 2.0% では、最小壁は 1.38 ～ 1.41 mm、増加は 15 ～ 25%、温度上昇は 15 ～ 25 度です。楕円率 3.0% では、最小壁は 1.32 ～ 1.36 mm、増加は 25 ～ 40%、温度上昇は 25 ～ 40 度です。

楕円率の関数としての熱疲労潜伏時間

温度を 100 度 (50 度から 150 度) 変化させて 10,000 サイクルにわたる繰り返し試験により、グレード 2 チタンの亀裂発生までの次のサイクルが確立されました。卵率 0.5% では、亀裂開始までのサイクルは 8,000 ～ 12,000 であり、卵率 0% と比較したインキュベーション時間の短縮はベースラインです。卵率 1.0% では、サイクルは 5,000 ～ 8,000 で、縮小率は 30 ～ 40% になります。卵率 1.5% では、サイクルは 3,000 ～ 5,000 で、縮小率は 50 ～ 60% になります。卵率 2.0% では、サイクルは 2,000 ～ 3,500 で、縮小率は 65 ～ 70% になります。楕円率 3.0% では、サイクルは 1,000 ～ 2,000 で、縮小率は 80 ～ 85% になります。

長円度制御と曲げ方法ガイド

次の表は、予想される熱サイクルと推奨される曲げ方法に基づいたチタン シース ヒーターの最大許容楕円率を示しています。

楕円性制御を超えたエンジニアリング

チタンのグレードは耐熱疲労性に影響します。グレード 7 は楕円形に対する感度は同様ですが、固有疲労強度が高く、同じ楕円形でも亀裂発生までのサイクルが 20 ～ 30% 増加します。グレード 12 では中程度の改善が見られます。壁の厚さは公称温度上昇に影響します。壁が厚い (2.0 mm) と、ベースライン ΔT が高くなりますが、楕円形からの相対的な増加は小さくなります。曲げ半径も楕円性に影響します。曲げ半径が大きい (10D) と、きつい曲げ (3D) よりも楕円性が低くなります。 -曲げ後の応力除去焼鈍を 540 度で 30 分間行うと、残留応力は減少しますが、楕円性は修正されません。

情報に基づいた仕様の作成

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 サイクル)、0.5% の楕円率と回転絞り曲げを指定します。楕円率が 1.5% を超える既存のヒーターの場合は、熱流束を 20% 低減してホット スポットを補うか、ヒート スプレッダーを設置します。楕円率を 1.0% 未満に制御することで、エンジニアは均一な熱流束分布を維持し、曲げ頂点での熱疲労寿命を延長します。