Когда титановая электрическая нагревательная трубка используется для нагрева ванны с силиконовым маслом, которое разложилось до муравьиной кислоты (следовые уровни), как толщина стенки влияет на время первого появления точечной коррозии, определяемой с помощью акустической эмиссии?

Базовый компромисс-в конструкции титанового нагревателя с испорченным силиконовым маслом
Ванны с силиконовым маслом часто используются при высоких температурах (150–200 градусов) из-за их термической устойчивости. Однако длительная-работа при высокой температуре в присутствии кислорода или влаги приводит к образованию продуктов разложения силиконового масла в виде следовых количеств муравьиной кислоты (HCOOH) и других низкомолекулярных силоксанов. Муравьиная кислота разъедает титан, особенно при высоких температурах, что приводит к образованию питтинговой коррозии. Питтинг носит стохастический характер-он начинается в случайных точках на поверхности оболочки-и может наблюдаться с помощью датчиков акустической эмиссии (АЭ), которые улавливают ультразвуковые колебания, генерируемые при зарождении и расширении язвы. Толщина стенки влияет на время появления первых углублений (время индукции), поскольку она определяет температуру поверхности и напряженное состояние пассивного слоя. Возникновение ям ускоряется за счет более толстых стенок, которые являются более горячими и которые также поглощают акустические выбросы, что задерживает обнаружение. В этом исследовании количественно определена связь между толщиной стенки, временем появления первой ямки и обнаруживаемостью акустической эмиссии.

Влияние механизма точечной коррозии муравьиной кислоты на механическую целостность
При 180 градусах небольшие количества (10–100 частей на миллион) муравьиной кислоты в силиконовом масле повреждают титан по механизму питтинговой коррозии. Реакция протекает: Ti + 4HCOOH → Ti(HCOO) 4 + 2H 2 Формиат титана растворим в масле и, следовательно, защитного слоя не образуется. Питтинг начинается в местах минимальной толщины пассивной пленки или в местах загрязнения. Время индукции (время до появления первой ямки) зависит от аррениусовской связи с температурой поверхности: t ind=A x exp (E a ​​/RT). При повышении температуры поверхности на 10°C время индукции сокращается примерно на 50%.

При одинаковой плотности мощности более толстая стенка титана (2,0 мм против 1,0 мм) имеет более высокую температуру на внешней поверхности (на 2–4 градуса) из-за электрического сопротивления. Это небольшое изменение температуры сокращает время индукции на 10–20 %. 1.0 мм стенки при 180 градусах объема; температура поверхности ~ 187 градусов, время индукции ~ 800 часов . 2.0 мм стены: температура поверхности. ≈ 190 градусов, время индукции ≈ 650 часов. Более толстая стенка раньше ямы.

Влияние на тепловые характеристики: демпфирование сигнала акустической эмиссии
Зарождение ямок производит сигналы акустической эмиссии, которые представляют собой высокочастотные волны напряжения (100 кГц-1 МГц). Эти волны ослабляются к моменту, когда они достигают датчика АЭ (расположенного на холодном конце или на стенке резервуара) через титановую стенку. Коэффициент затухания титана составляет около 5 дБ/мм на частоте 500 кГц. Стена толщиной 1,0 мм снижает уровень сигнала на 5 дБ. Стенка толщиной 2,0 мм снижает уровень сигнала на 10 дБ. На каждые 6 дБ ослабления амплитуда сигнала на датчике уменьшается вдвое. Поэтому сигнал АЭ от ямки на стенке толщиной 2,0 мм в 3-5 раз меньше, чем на стенке толщиной 1,0 мм, и его труднее обнаружить. К моменту обнаружения сигнала яма могла стать довольно большой.

Синтез компромисса: толщина стенки и обнаружение АЭ
Толщина стенки (мм) Температура поверхности (градусы) Время до появления первой ямки (часы) Затухание сигнала АЭ (дБ) Относительная амплитуда АЭ Время до обнаружения АЭ (часы) 0,8 мм 186 градусов 850 часов 4 дБ 1,6 × базовый уровень 850 часов
1,0 мм 187 градусов 800 ч 5 дБ 1,0x базовая линия 800 ч
1,2 мм 188 градусов 750 часов 6 дБ 0,8× 800 часов (задержка обнаружения)
1,5 мм 189 градусов 700 часов 7,5 дБ 0,6× 800 часов (ямки растут до обнаружения)
2,0 мм 190 градусов 650 часов 10 дБ 0,3× 900 часов (обнаружение после значительного роста)
Более толстая стенка сокращает время индукции (ямки появляются раньше) и ослабляет сигналы АЭ (детектирование задерживается). Эта комбинация означает, что ямки на стенке толщиной 2,0 мм могут достигать глубины 50–100 мкм, прежде чем их можно будет идентифицировать, тогда как ямки на стенке толщиной 1,0 мм распознаются на глубине 10–20 мкм.

Инженерное дело за стеной: размещение датчиков AE и управление потоками жидкости
Затухание можно преодолеть за счет расположения датчика АЭ. Большая часть затухания на стене устраняется путем установки датчика непосредственно на титановую оболочку на горячем конце (с использованием высокотемпературного волновода или магнитного зажима). Толщина стенки мало влияет на обнаруживаемость при прямом креплении. Что еще более важно, предотвращение порчи силиконового масла увеличивает время индукции независимо от толщины стенки. Добавление антиоксиданта (например, . 0.1% фенотиазина) к силиконовому маслу снижает образование муравьиной кислоты в 10-20 раз и увеличивает время индукции до 8,000+ часов. Стабилизированное масло со стенкой 1,5 мм обеспечивает более длительный срок службы без ямок, чем устаревшее масло со стенкой 1,0 мм.

Вывод: Тонкая стенка (1,0 мм) хороша для мониторинга АЭ.
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 (>Стенки толщиной 1,5 мм задерживают обнаружение и позволяют незаметно расти ямкам. • Укажите расчетную скорость разложения масла и положение датчиков AE при выборе нагревателей для ванн с силиконовым маслом с контролем состояния. А более тонкие стенки намного лучше подходят для надежного АЭ-обнаружения ранних питтингов.