Quelles sont les causes de la rupture et de la défaillance du manchon du thermocouple ?

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Ce post présente de manière professionnelle huit méthodes d’analyse des défaillances par rupture des gaines de thermocouples. Sur la base de recherches sur le terrain, d’expériences pratiques et de documents pertinents, Changhui Instruments a résumé les causes les plus fréquentes de rupture des gaines de thermocouples, à titre de référence pour les techniciens en instrumentation. La thermocouple est un élément sensible fréquemment utilisé dans les instruments de mesure de la température, et elle est largement employée dans des domaines tels que la production industrielle et la recherche scientifique. Elle mesure directement la température du milieu, convertit en temps réel le signal de température en signal de force électromotrice, puis, à l’aide d’instruments électriques, transforme ce dernier en température du milieu mesuré, afin de permettre l’affichage, la transmission et le contrôle de la température. Comme ils sont souvent utilisés dans des conditions de haute température, de haute pression, de forte corrosion ou sous l’impact de fluides à fort débit, afin d’assurer un fonctionnement normal, sûr et stable des capteurs de température, on protège généralement les thermocouples avec des gaines thermocouple. Bien que la conception de la gaine du thermocouple ait pour but initial de protéger son bon fonctionnement, et qu’elle serve souvent à cette fin dans la pratique, une analyse des types de pannes rencontrées par les thermocouples montre que la rupture de la gaine reste la forme de défaillance la plus fréquente. Changhui Instruments classe et explique les méthodes de recherche sur la rupture des gaines de thermocouples, résume et analyse les causes générales de cette défaillance, et synthétise les mesures préventives contre la rupture des gaines de thermocouples. Causes de rupture du manchon de thermocouple yunrun.com.cn/tech/2904.html 1. Apparence et sélection du manchon de thermocouple Figure 1 : Manchon de protection du capteur de température THERMOWELL Figure 2 : Manchon de thermocouple Les figures 1 et 2 présentent respectivement des images de manchons de thermocouple courants. Les informations relatives à la sélection et aux paramètres techniques des manchons de thermocouple peuvent être trouvées dans « Manchon de protection du capteur de température THERMOWELL ». 2. Méthode d’analyse des défaillances dues à la rupture du manchon de thermocouple : Dans cet article, Changhui Instruments effectue une analyse et une étude des manchons de thermocouple qui ont subi une rupture. Pour déterminer la cause de la rupture et trouver des mesures correctives, on utilise généralement l’analyse des fractures macroscopiques, l’analyse de la composition chimique, l’analyse des propriétés mécaniques, l’analyse microstructurale et l’analyse par microscope électronique à balayage. De plus, l’analyse d’évaluation de la corrosion, l’analyse modale et l’analyse par simulation numérique sont également des méthodes fréquemment utilisées dans l’analyse de la rupture des gaines causée par la corrosion structurelle, les vibrations intenses et les chocs de fluides. ①Analyse macroscopique de la fracture : L’analyse macroscopique de la fracture est généralement utilisée, après un traitement minimal ou une simple nettoyage par ultrasons du site de rupture de la gaine du thermocouple, pour déterminer l’emplacement de la zone de rupture ainsi que l’état général des composants environnants, les caractéristiques morphologiques de la section transversale, les dimensions, la distinction entre la zone de rupture instantanée et la zone de propagation, la répartition des couleurs de la fracture, le degré de planéité et de lissage du site de rupture, le type de rupture, la présence éventuelle de déformations plastiques significatives, l’existence de taches de corrosion ainsi que d’autres défauts de soudure tels que les morsures, afin d’établir une première compréhension de l’état de rupture de la gaine et de jeter les bases pour des analyses plus approfondies. La figure 3 montre une photo macro de la fracture d’un manchon de thermocouple ; la surface de la fracture est lisse et polie, et on y observe les motifs en forme de coquillage caractéristiques de la rupture par fatigue. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051714288764.png Figure 3 Photo macroscopique de la fracture du manchon du thermocouple ② Analyse de la composition chimique Un échantillon en bloc est prélevé sur le manchon du thermocouple fracturé, et l’analyse chimique ou l’analyse par spectrométrie d’énergie est utilisée pour analyser la composition chimique du matériau du manchon, afin de déterminer principalement si la teneur en éléments constitutifs du matériau réel correspond aux exigences des normes relatives au matériau de référence. Par exemple, Xia Mingliu et al., lors de l’analyse de la composition chimique d’un manchon en acier inoxydable fracturé, ont constaté que la teneur en élément P était conforme aux exigences de ce type de matériau en acier de haute qualité ； Cependant, la teneur en élément S est élevée, et un excès de S nuit gravement aux propriétés de cet acier résistant à la chaleur ; cela peut provoquer une fragilité thermique du matériau, affaiblir sa résistance à long terme à haute température, ce qui affecte la durée de vie de la gaine. ③Analyse des propriétés mécaniques L’analyse des propriétés mécaniques des gaines de thermocouple consiste principalement à déterminer, par des essais de traction, si les propriétés mécaniques réelles du matériau répondent aux exigences des normes en la matière. Des études menées sur des gaines de thermocouple en 20Cr25Ni20 montrent que la résistance à la traction de ces gaines satisfait aux exigences standards pour ce type de matériau, tandis que leur plasticité est inférieure aux exigences prévues pour l’acier 20Cr25Ni20 ; en effet, après essai de traction, les échantillons présentent une certaine déformation plastique. ④Analyse microstructurale : Pour l’analyse microstructurale de la rupture du manchon de thermocouple, on préleve généralement des échantillons microstructuraux de la fracture, du point de soudure et de la jonction. Après broyage et polissage, ces échantillons sont traités par une solution d’acide oxalique à des proportions appropriées, puis leur structure microstructurale est observée au microscope afin de déterminer le type de structure du matériau de base, l’état de fusion du point de soudure, etc. La micrographie métallurgique d’un manchon de thermocouple est présentée à la figure 4. L’analyse a révélé une grande quantité de particules de carbures dans la structure du matériau de base, ce qui indique un taux élevé de carbone dans ce manchon. Une analyse plus approfondie a montré non seulement une abondance de carbures, mais aussi une distribution nettement bandée de ceux-ci, ce qui affecte directement les propriétés du acier et entraîne une anisotropie du matériau. De plus, les essais de dureté ont révélé que la précipitation d’un grand nombre de particules de phase carbonitée avait provoqué un durcissement significatif du matériau de l’enveloppe du thermocouple. http://yunrun.com.cn/upload/202002/05/202002051711177149.png Figure 4 Microphoto métallurgique de la gaine du thermocouple ⑤ Analyse par microscope électronique à balayage L’analyse par microscope électronique à balayage consiste généralement, sur la base de l’analyse métallurgique, à observer et analyser plus en détail la morphologie microscopique de la fracture à l’aide d’un microscope électronique à balayage. Selon les besoins de l’analyse, il est habituellement nécessaire de choisir plusieurs niveaux d’agrandissement différents pour effectuer des observations successives. C’est une étape clé permettant de déterminer l’emplacement d’origine des fissures, la direction de leur propagation, la taille de la zone de propagation, la morphologie de la zone de rupture instantanée ainsi que les caractéristiques de la fracture, afin d’évaluer finalement les causes de la rupture de la gaine. ⑥Analyse d’évaluation de la corrosion L’analyse d’évaluation de la corrosion n’est pas une option obligatoire ; elle est seulement nécessaire pour les gaines présentant des taches de corrosion évidentes, qui pourraient être à l’origine d’une rupture due à la corrosion. De plus, pour des enceintes de thermocouple dont certaines fissures n’ont pas été traitées depuis longtemps et présentent des oxydes visibles à la fracture, une analyse de corrosion peut également être effectuée. ⑦L’analyse modale : dans de nombreux cas, la rupture des gaines des thermocouples est causée par des vibrations intenses ou même par de la résonance ; c’est pourquoi l’analyse modale est souvent utilisée. Elle peut consister à effectuer des essais modaux sur site, ou bien à mener des simulations par analyse élémentaire finie. Son but est généralement de déterminer les fréquences propres de chaque ordre de la structure et du fluide, en particulier celles des ordres inférieurs qui ont un impact important sur les vibrations. Il convient d’éviter que les fréquences propres de la structure et du fluide soient identiques ou proches l’une de l’autre. ⑧L’analyse par simulation numérique : L’utilisation de logiciels d’analyse par éléments finis (tels qu’ANSYS, etc.) pour l’analyse modale, mentionnée dans l’analyse modale, relève également du domaine de l’analyse par simulation numérique. Cependant, il est également courant d’étudier la rupture des gaines des thermocouples à l’aide de méthodes basées sur la mécanique des fluides numériques (c’est-à-dire la méthode CFD). Par exemple, certaines études ont utilisé la méthode de simulation des grands tourbillons pour simuler numériquement les effets du flux dans un tube sur les gaines des thermocouples, permettant ainsi de calculer les forces exercées sur ces dernières. Une analyse plus approfondie des résultats a ensuite permis de proposer des mesures efficaces pour réduire ces forces. 3. Causes de la rupture du boîtier du thermocouple
Les causes de la rupture du boîtier du thermocouple sont diverses, et la situation réelle peut varier. Sur la base d’enquêtes sur le terrain, d’expérience pratique et de documents pertinents, Changhui Instruments a résumé les causes les plus fréquentes de rupture :
① Défauts de soudure
Une analyse des endroits où se produisent les ruptures du boîtier du thermocouple montre que les zones de soudure et leurs environs sont des régions où les ruptures sont particulièrement fréquentes, ce qui est souvent dû à des défauts de soudure. La littérature, en analysant les causes de rupture des gaines de thermocouple dans une ligne de transfert d’huile sous dépression, mentionne que, en raison d’une qualité de soudure insuffisante, une structure inhomogène dans la zone affectée par la chaleur, ainsi que des défauts de morsure lors de la soudure de la gaine, provoquent une ségrégation d’impuretés dans la région de la base de la paroi extérieure. La microstructure présente également des défauts tels que de la porosité et des cavités. Sous l’effet de charges d’impact intenses, des fissures se forment et se propagent rapidement, entraînant finalement la rupture et la défaillance de la gaine de thermocouple. ②Vibrations de la gaine : Le circuit principal qui relie la gaine du thermocouple est généralement rempli de fluide. Si la densité du fluide est élevée, sa vitesse trop grande et qu’il se trouve dans un état turbulent, des tourbillons se forment à proximité de la gaine. Lorsque ces tourbillons se détachent périodiquement des deux côtés de la gaine, cela provoque des forces ascendantes et résistives variables dans le temps sur la gaine, ce qui entraîne une variation constante de la distribution de la pression à l’intérieur du tube. La pression du fluide agissant sur la gaine ainsi que sa direction changent également en permanence, ce qui finit par provoquer des vibrations du circuit. La résonance se produit lorsque la fréquence d’excitation du fluide est proche ou même égale à la fréquence propre du manchon. Lorsqu’une forte résonance se produit, des contraintes alternatives périodiques apparaissent à l’intérieur du manchon. Un manchon soumis pendant longtemps à de fortes contraintes alternatives peut subir une rupture par fatigue en certains points où les contraintes sont particulières. ③Décollement par corrosion : Les gaines des thermocouples se trouvent fréquemment dans des environnements extrêmes tels que des températures élevées, des pressions élevées et une humidité élevée, ainsi que en présence de milieux fortement corrosifs. Il est donc courant que ces gaines se brisent ou deviennent inutilisables à cause de la corrosion. Certaines formes de corrosion peuvent être observées directement à l’œil nu, tandis que d’autres nécessitent une analyse microstructurale pour être détectées, comme la corrosion intergranulaire. Les zones affectées par cette corrosion deviennent souvent également des sources de fissures pouvant entraîner une rupture par fatigue. ④Matériau inadapté pour la gaine : les gaines de thermocouple exigent une grande résistance mécanique et une capacité à résister à des conditions environnementales extrêmes. Il existe principalement trois cas de rupture de la gaine dus à un choix de matériau inapproprié : premièrement, le matériau ne répond pas du tout aux exigences des normes pertinentes ； Deuxièmement, le matériau utilisé en pratique ne correspond pas à celui choisi pour la conception (c’est un problème fréquemment constaté dans l’analyse des compositions chimiques, et c’est aussi une raison importante pour laquelle cette analyse est nécessaire) ； Troisièmement, le choix des matériaux se concentre sur l’impact de la résistance, sans tenir compte de la résistance aux hautes températures et pressions, de la résistance à la corrosion, ou sans prendre en compte les effets à long terme de ces facteurs. ⑤Emplacement incorrect du thermocouple : Si la rupture du manchon du thermocouple a lieu à proximité de pièces telles que des tuyaux courbes, des plaques orificielles, des raccords de différentes tailles ou des vannes, c’est très probablement dû à un emplacement incorrect du thermocouple. En effet, ces zones sont des endroits où les forces de vibration et l’énergie se concentrent fortement ; par conséquent, si ce n’est pas indispensable pour la mesure et le contrôle de la température, l’emplacement du thermocouple doit être choisi en évitant autant que possible ces zones. ⑥Mauvaise installation du thermocouple : si le manchon du thermocouple est installé verticalement sur le tuyau, son état de contraintes peut être simplifié en un modèle de poutre suspendue. La rupture se produit généralement au niveau de la jonction entre le manchon et le tuyau principal ; cette zone correspond à la racine de la poutre suspendue, c’est-à-dire l’endroit où les contraintes sont les plus élevées et où la concentration des contraintes est susceptible de survenir. Par conséquent, pour les thermocouples dont l’installation inclinée suffit à répondre aux exigences d’utilisation, il est possible de les installer sous un certain angle. De plus, la longueur à laquelle le manchon du thermocouple s’enfonce dans le tuyau principal est également un facteur important influençant sa rupture ; elle doit donc être choisie de manière appropriée. Cet article présente principalement les méthodes d’analyse des défaillances par rupture des gaines de thermocouples ainsi que les causes fréquentes de cette rupture. N’hésitez pas à continuer à suivre l’article « Quelles sont les mesures pour prévenir la rupture des gaines de thermocouples ? ». Auteurs : Yuan Wei, Yang Zhirong