Когато титаниева електрическа нагревателна тръба се използва за нагряване на баня със силиконово масло, която се е разградила до мравчена киселина (нива на следи), как дебелината на стената влияе на времето до първия питинг, открит от акустичната емисия?

Основен компромис-в дизайна на титанов нагревател за деградирало силиконово масло
Баните със силиконово масло често се използват за приложения с висока температура (150–200 градуса) поради тяхната термична устойчивост. Дългосрочната-работа обаче при висока температура в присъствието на кислород или влага води до образуване на продукти от разграждането на силиконовото масло като следи от мравчена киселина (HCOOH) и други силоксани с ниско молекулно тегло. Мравчената киселина атакува титана, особено при високи температури, което води до питинг. Питингът е стохастичен-започва от произволни точки на повърхността на обвивката-и може да се наблюдава от сензори за акустична емисия (AE), които улавят ултразвуковите вибрации, генерирани, когато ямката се образува и разширява. Дебелината на стената оказва влияние върху времето до първата ямка (индукционно време), тъй като определя температурата на повърхността и състоянието на напрежение в пасивния слой. Инициирането на ями се ускорява от по-дебели стени, които са по-горещи и които също така намаляват акустичните емисии, забавяйки откриването. Връзката между дебелината на стената, времето до първата яма и откриваемостта на акустичните емисии се определя количествено в това изследване.

Влияние на механизма на образуване на мравчена киселина върху механичната цялост
При 180 градуса малки количества (10–100 ppm) мравчена киселина в силиконовото масло увреждат титана чрез механизъм на питинг. Реакцията протича: Ti + 4HCOOH → Ti(HCOO) 4 + 2H 2 Титановият формиат е разтворим в маслото и следователно не се образува защитен слой. Питингът се инициира на места с минимална дебелина на пасивния филм или на места със замърсители. Времето на индукция (времето до първата ямка) следва връзката на Арениус с повърхностната температура: t ind=A x exp (E a ​​/RT). При повишаване на температурата на повърхността с 10 o C времето на индукция се намалява с около 50%.

При същата плътност на мощността по-дебелата титанова стена (2,0 mm срещу 1,0 mm) има по-висока температура на външната повърхност (с 2–4 градуса) поради електрическото съпротивление. Тази лека температурна промяна намалява времето за индукция с 10-20%. 1.0 mm стена при 180 градуса обем; температура на повърхността ~187 градуса, време на индукция ~800 часа. 2.0 mm стена: температура на повърхността ≈ 190 градуса, време на индукция ≈ 650 часа. По-дебела стена по-ранна яма.

Влияние върху топлинните характеристики: Затихване на сигнала за акустична емисия
Нуклеацията на ямата произвежда сигнали за акустични емисии, които са високочестотни стрес вълни (100 kHz-1 MHz). Тези вълни се отслабват, когато достигнат AE сензора (поставен в студения край или на стената на резервоара) през титановата стена. Коефициентът на затихване за титан е около 5 dB/mm при 500 kHz. 1,0 mm стена намалява силата на сигнала с 5 dB. 2,0 mm стена намалява силата на сигнала с 10 dB. За всеки 6 dB затихване амплитудата на сигнала в сензора се намалява наполовина. Следователно AE сигналът от вдлъбнатина на 2,0 mm стена е 3-5 пъти по-малък, отколкото на 1,0 mm стена и е по-труден за откриване. Ямата може да е станала доста голяма до момента, в който сигналът може да бъде открит.

Синтез на компромиса: дебелина на стената и откриване на AE
Дебелина на стената (mm) Повърхностна температура (градуси) Време до първа дупка (часове) Затихване на AE сигнала (dB) Относителна AE амплитуда Време до откриваема AE (часове) 0,8 mm 186 градуса 850 часа 4 dB 1,6 × базова линия 850 часа
1,0 мм 187 градуса 800 часа 5 dB 1,0x базова линия 800 часа
1,2 мм 188 градуса 750 часа 6 dB 0,8 ​​× 800 часа (забавено откриване)
1,5 mm 189 градуса 700 часа 7,5 dB 0,6 × 800 часа (вдлъбнатините растат преди откриването)
2,0 mm 190 градуса 650 часа 10 dB 0,3 × 900 часа (откриване след значителен растеж)
По-дебелата стена намалява времето за индукция (ямки се появяват по-рано) и отслабва AE сигналите (откриването се забавя). Тази комбинация означава, че вдлъбнатините на стена с дебелина 2,0 mm могат да достигнат дълбочина от 50-100 µm, преди да бъдат идентифицирани, докато вдлъбнатините на стена с дебелина 1,0 mm се разпознават на дълбочина 10-20 µm.

Инженерство отвъд стената: Поставяне на AE сензори и управление на течности
Затихването може да бъде преодоляно чрез местоположението на AE сензора. По-голямата част от затихването на стената се елиминира чрез монтиране на сензора директно върху титановата обвивка в горещия край (с помощта на високотемпературен вълновод или магнитна скоба). Дебелината на стената има малък ефект върху откриваемостта при директно фиксиране. По-важното е, че предотвратяването на влошаване на силиконовото масло увеличава времето за индукция, независимо от дебелината на стената. Добавянето на антиоксидант (напр. . 0.1% фенотиазин) към силиконовото масло намалява генерирането на мравчена киселина 10-20 пъти и увеличава времето за индукция до 8,000+ часа. Стабилизираното масло със стена от 1,5 mm предлага по-дълъг живот без ями в сравнение с повреденото масло със стена от 1,0 mm.

Заключение: Тънката стена (1,0 mm) е добра за наблюдение на 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) стените забавят откриването и позволяват незабелязан растеж на ями. • Посочете очакваната скорост на разграждане на маслото и позицията на AE сензорите, когато определяте нагреватели за бани със силиконово масло с мониторинг на състоянието. А по-тънките стени са много по-добри за надеждно AE откриване на ранен питинг.