Lorsqu'un tube chauffant électrique en titane est utilisé pour chauffer un bain d'huile de silicone qui s'est dégradé en acide formique (niveaux de traces), comment l'épaisseur de la paroi affecte-t-elle le temps de première piqûre détecté par l'émission acoustique ?

Un compromis de base-dans la conception du réchauffeur en titane pour l'huile de silicone dégradée
Les bains d'huile de silicone sont souvent utilisés pour les applications à haute température (150 à 200 degrés) en raison de leur résilience thermique. Cependant, un fonctionnement à long terme à haute température en présence d'oxygène ou d'humidité entraîne la formation de produits de dégradation de l'huile de silicone sous forme de traces d'acide formique (HCOOH) et d'autres siloxanes de faible poids moléculaire. L'acide formique attaque le titane, surtout à haute température, provoquant des piqûres. Les piqûres sont stochastiques-elles commencent à des endroits aléatoires sur la surface de la gaine-et peuvent être observées par des capteurs à émission acoustique (AE) qui captent les vibrations ultrasonores générées lorsqu'une piqûre se nuclée et se dilate. L'épaisseur de la paroi a un impact sur le temps nécessaire à la première piqûre (temps d'induction) car elle détermine la température de surface et l'état de contrainte au niveau de la couche passive. L'amorçage des fosses est accéléré par des parois plus épaisses, plus chaudes et qui amortissent également les émissions acoustiques, retardant ainsi la détection. Le lien entre l'épaisseur de la paroi, le temps nécessaire à la première piqûre et la détectabilité des émissions acoustiques est quantifié dans cette enquête.

Impact du mécanisme de piqûre de l'acide formique sur l'intégrité mécanique
À 180 degrés, de petites quantités (10 à 100 ppm) d'acide formique dans l'huile de silicium endommagent le titane par un mécanisme de piqûre. La réaction se poursuit : Ti + 4HCOOH → Ti(HCOO) 4 + 2H 2 Le formiate de titane est soluble dans l'huile et aucune couche protectrice n'est donc formée. Les piqûres sont initiées aux endroits où l'épaisseur du film passif est minimale ou aux zones de polluants. Le temps d'induction (temps jusqu'à la première piqûre) suit une connexion d'Arrhenius avec la température de surface : t ind=A x exp (E a ​​/RT). Pour une augmentation de 10°C de la température de surface, le temps d'induction est réduit d'environ 50 %.

À même densité de puissance, la paroi en titane plus épaisse (2,0 mm contre 1,0 mm) présente une température plus élevée sur la surface extérieure (de 2 à 4 degrés) en raison de la résistance électrique. Cette légère variation de température réduit le temps d'induction de 10 à 20 %. 1.0 mm de paroi à 180 degrés ; température de surface ~ 187 degrés, temps d'induction ~ 800 heures . 2.0 paroi mm : température de surface. ≈ 190 degrés, temps d'induction ≈ 650 heures. Fosse antérieure à paroi plus épaisse.

Influence sur les performances thermiques : amortissement du signal d'émission acoustique
La nucléation par fosse produit des signaux d'émission acoustique qui sont des ondes de stress à haute fréquence (100 kHz-1 MHz). Ces ondes sont atténuées au moment où elles atteignent le capteur AE (placé du côté froid ou sur la paroi du réservoir) à travers la paroi en titane. Le coefficient d'atténuation du titane est d'environ 5 dB/mm à 500 kHz. Un mur de 1,0 mm réduit la force du signal de 5 dB. Un mur de 2,0 mm réduit la force du signal de 10 dB. Pour chaque tranche de 6 dB d'atténuation, l'amplitude du signal au niveau du capteur est réduite de moitié. Par conséquent, le signal AE provenant d’une fosse sur un mur de 2,0 mm est 3 à 5 fois inférieur à celui d’un mur de 1,0 mm et est plus difficile à détecter. La fosse peut être devenue assez grande au moment où le signal peut être détecté.

Synthèse du compromis : Epaisseur de paroi et détection AE
Épaisseur de paroi (mm) Température de surface (degrés) Temps jusqu'à la première fosse (heures) Atténuation du signal AE (dB) Amplitude relative de l'AE Temps jusqu'à l'AE détectable (heures) 0,8 mm 186 degrés 850 heures 4 dB 1,6× ligne de base 850 heures
1,0 mm 187 degrés 800 h 5 dB 1,0x ligne de base 800 h
1,2 mm 188 degrés 750 heures 6 dB 0,8 ​​× 800 heures (détection retardée)
1,5 mm 189 degrés 700 h 7,5 dB 0,6 × 800 h (les creux se développent avant la détection)
2,0 mm 190 degrés 650 heures 10 dB 0,3 × 900 heures (détection après croissance significative)
Une paroi plus épaisse réduit le temps d'induction (les creux apparaissent plus tôt) et affaiblit les signaux AE (la détection est retardée). Cette combinaison signifie que les piqûres sur une paroi de 2,0 mm peuvent atteindre une profondeur de 50 à 100 µm avant d'être identifiées, tandis que les piqûres sur une paroi de 1,0 mm sont reconnues à une profondeur de 10 à 20 µm.

Ingénierie au-delà du mur : placement des capteurs AE et gestion des fluides
L'atténuation peut être surmontée via l'emplacement du capteur AE. La majeure partie de l'atténuation murale est éliminée en montant le capteur directement sur la gaine en titane à l'extrémité chaude (à l'aide d'un guide d'ondes haute température ou d'une pince magnétique). L'épaisseur de la paroi a peu d'effet sur la détectabilité en cas de fixation directe. Plus important encore, la prévention de la détérioration de l’huile de silicone augmente le temps d’induction quelle que soit l’épaisseur de la paroi. L'ajout d'un antioxydant (par exemple . 0.1 % de phénothiazine) à l'huile de silicone réduit la génération d'acide formique 10-20X et augmente le temps d'induction à 8,000+ heures. L'huile stabilisée avec une paroi de 1,5 mm offre une durée de vie sans piqûres plus longue que l'huile détériorée avec une paroi de 1,0 mm.

Conclusion : une paroi mince (1,0 mm) est idéale pour la surveillance AE
In the case of a silicone oil bath heated by a titanium electric heating tube that has deteriorated to trace formic acid, the thinner wall (1.0 mm) shows earlier identification of pitting by acoustic emission and a somewhat longer induction time (800 hours against 650 hours for 2.0 mm). The 1.0 mm wall offers a lower surface temperature (delaying pit commencement) and reduced acoustic attenuation (5 dB versus 10 dB) for detection of tiny pits. The suggested standard for AE monitored heaters is Grade 2 titanium with wall thickness of 1.0-1.2 mm + antioxidant added to the silicone oil for longer induction time. Thicker (>1,5 mm) retardent la détection et permettent la croissance inaperçue des piqûres. • Spécifiez le taux de dégradation de l'huile estimé et la position des capteurs AE lors de la spécification des réchauffeurs pour bains d'huile de silicone avec surveillance de l'état. Et des parois plus fines sont bien meilleures pour une détection AE fiable des piqûres précoces.