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3L~3~5~
La présente inven~ion a pour objet une méthode
ainsi qu'un dispositif pour mesurer de facon quantitative
l'intensité de la cavitation érosive apparaissant dans un
liquide, notamment l'eau douce.
Le phénomène de cavitation que subissent notam-
ment les machines hydrauliques telles que les turbines,
pompes, hélices, vannes ou échangeurs,est un inconvénient
bien connu des spécialistes. Par phénomène'de cavitation,
on entend le phénomène par lequel une cavité ou une bulle
de vapeur se forme dans un ]iquide lorsque la pression
locale descend au-dessous de la pression de vapeur. Lorsque
la pression remonte au-dessus de celle de la vapeurr la
bulle gaz ou de vapeur implose soudainement. Cette implo-
sion s'accompagne de phénomènesphysiques puissants, notam-
ment d'un microjet qui sui~ la bulle et dont la vitesse
peut atteindre les valeurs de plusieurs centaines de mètres
par seconde.
Lorsqu'un tel microjet rencontre une parol, son
énergie cinétique est trans~ormée en une onde de choc
2~ localisée capable de déformer la surface'métallique la plus
dure et ainsi produire une érosion mécanique importante.
I,'intensité des contraintes locales produite par ces impul-
sions peut s'étendre sur une très grande gamme dépendant
des conditions de nature du liquide, de la température et
de la présence de gaz étranger, du taux de variation de
pression et de la vitesse du liquide. Ces chocs répétés
érodent la surface métallique par propagation de ~issures
par fatigue (déformation élastLque) ou par déformation
plastique conduisant à un arrachement de particules de
faiblesdimensions.
L'implosion des bulles de cavitation produit en
outre de très grande vitesse d'eau localisée, une produc-
tion et des déplacements de gaz tels que de l'oxygène et
de l'hydrogène, ou encore des charges électriques.
]
~2:3~
Tel que précédemmcnt indiqué, les inconvénients
~ssociés à la cavitation qui, si el]e n'est pas bien con-
trolée, peut conduire à une dégradation plus ou moins rapide
de n'importe quel type d'équipement hydraulique,ainsi que
les difficultés rencontrées pour la détecter sont bien
connus des spécialistes.
Des procédés et des dispositifs pour dé-tec-ter
la cavitation par mesure des bruits qui accompagnent en
général ce phénomène ont déjà été proposés. Ces procédés
et dispositifs s'avèrent toutefois de mise en oeuvre complexe
et délicate,e-t présentent en outre plusieurs gros inconvé-
nients tels que, notamment le fait de ne donner qu'une infor-
mation générale sans localisation et à partir d'un seuil
relativement élevé dans une installation bruyante. De plus,
ils ne peuvent préciser si l'on est réellement en présence
d'une cavitation de -type érosive.
L'un des deux inventeurs de la présente invention,
Monsieur Chincholle,a également proposé il y a plusieurs
années un procédé ainsi qu'un dispositif utilisant la mesure
de la variation du potentiel électrochimique produit par
l'érosion du film d'o~yde d'une surface passivé plongée dans
un liquide cavitant pour détecter la présence d'une cavita-
tion érosive. Cet-te invention~ qui fait l'objet du brevet
Eran~ais n~ 78-09255 du 30 mars 1978, lequel brevet a été
~5 publié sous le n~ 2.421.378, présente plusieùrs aspects
lntéressants dont le plus important sans aucun doute est
fait qu'elle permet de traduire la présence d'une cavitation
érosive en un signal électrique" ce qui la rend partlculière-
ment blen adapté aux cha1nes de régulation automatique d'une
installation hydraulique. Le dispositf décrit dans le brevet
francais présente toutefois l'inconvénient d'être de cali-
bration difficile, car, d'uneipart, les gammes d'intensité
de cavitation rencontée dans les machines hydrauliques
sont très larges et difficiles à reproduire en laboratoire
~3~
et, d'autre part, la tension électrique mesurée qui semble
être proportionnelle au taux de désactivation de la surface
de l'électrode de travail, n'est en fait proportionnelle quiau
taux d'érosion, c'est-à~dire à la perte de poids de la sur-
face de l'électrode, que sur une certaine gamme d'intensité
moyenne de cavitation.
La présente invention a pour objet un procédé
ainsi qu'un dispositif électrochimique, qui permet de remédier
à l'inconvénient précédemment mentionné relativement au
procédé et au dispositif décrit dans le brevet français
publié sous le numéro 2.421.378.
Plus précisément, la présente invention a pour
objet un procédé ainsi qu'un dispositif de type électro-
chimique, pour mesurer de façon quantitative, localisée,
instantanée et continue, l'intensité de la cavitation éro-
sive apparaissant dans un liquide, notamment dans l'eau
douce ou l'eau salée.
La présente invention est basée sur la découverte
faite par les inventeurs qu'il existe une relation de pro-
portionnalité directe entre la cavitation érosive dans un
liquide, représentée par le taux d'érosion dans ce même
liquide, et l'intensité du courant anodique mesurée sur une
électrode de travail faite en un matériau choisi parmi ceux
capable de former un film d'oxyde très isolant qui devient
~S plus épais par mobilité inonique sous l'action d'un champ
électrique.
La méthode pour mesurer de façon directe quan-
titative l'intensité de la cavitation érosive dans de l'eau
dans une zone donnée est caractérisée en ce que:
- on dispose dans l'eau un jeu d'électrodes
de mesure comprenant une électrode de référence, au moins
une électrode auxiliaire et au moins une électrode de travail
faite en un métal choisi parmi ceux capables de former des
films d'oxyde très isolants et devenant plus épais par
A - 3 -
~:3~
mobilité ionique sous l'action d'un champ électrlques,
l'électrode de travail étant localisée dans la zone où l'on
veut mesurer la cavitation;
- on incube l'électrode de travail en la soumet-
tant à une cavitation mécanique pendant une période suffi-
sante pour obtenir une stabilisation du phénomène de cavi-
tation érosive,
- on impose une tension anodique constante à
l'électrode de travail une fois celle-ci incubée à l'aide
des électrodes auxiliaire et de référence:
- on mesure l'intensité du courant anodique; et
- on détecte et mesure toute variation de l'inten-
sité de courant, chaque variation ainsi mesurée étant direc-
tement liée à l'intensité de la cavitation érosive dans la
zone de mesure.
Le dispositif pour mettre en oeuvre la méthode
ci-dessus mentionée, est caractérisé en ce qu'il comprend:
un jeu d'électrodes de mesure disposé dans
l'eau, ce jeu d'électrodes comprenant une électrode de
référence, au moins une électrode auxiliaire et au moins
une électrode de travail faite dans un des métaux répondant
aux critères ci-dessus mentionnés, l'électrode de travail
étant localisée dans la zone où l'on veut mesurer la cavi-
tation;
~5 - des moyens pour imposer une tension anodique
constante à chaque électrode de travail à l'aide des élec-
trodes auxiliaires et de référence; et
- des moyens pour mesurer l'intensité du courant
anodique et pour détecter et mesurer toute variation de
ladite intensité de courant après avoir préalablement incubé
l'électrode de travail en la soumettant à une cavitation mé-
canique pendant une période su~fisante pour obtenir une
stabilisation du phénomène de cavitation érosive, chaque
variation ainsi mesurée étant directement liée à l'intensité
-- 4
'~A
31 23~5~1[:11
de la cavitation érosive dans la zone de mesure.
Parmi les métaux répondant aux critères ci-dessus
mentionnés, on peut notamment citer le magnésium, le niobium,
le tantale, le titane et le zirconiurn. On peut également
citer l'aluminium bien que ce métal ne soit pas d'un très
grand intéret du point de vue pratique.
Selon un mode de réalisation préféré de l'inven-
tion appliqué à la mesure quantitative de l'intensité de
la cavitation érosive dans l'eau, l'électrode de travail
- 4a -
~23~
est avantageusement faite en titane de préEérence choisi de
façon à posséder la plus faible dureté possible,et la tension~
anodique constante imposée à cette électrode de travail est
de l'ordre de 0,5 V mesuré par rapport à une électrode de
référence au calomel saturé (ECS). Sous cette tension im-
posée, on a pu déterminer effectivement une relation de
proportionnalité directe entre l'intensité du courant ano-
dique et le taux d'érosion et ce sur plus de trois ordres
de yrandeur, de 0,05 à 100 mm par an. On a pu également
déterminer que cette proportionnalité ne varie que très
peu avec la température, l'étalonnage étant le même à 25 et
~0~C, bien qu'étant légèrement supérieur à 6~C.
Le dispositif selon l'invention est particulière-
ment intéressant dans la mesure où il peut être facilement
adapté pour permettre des mesures simultanées en plusieurs
endroits différents avec l'aide de plusieurs moyens de
"conditionnement" séparés. Ces moyens peuvent inclure un
potentiostat multiple à haute impédance pour fixer la ten-
sion anodique désirée pour chacune des électrodes de travail
du dispositif, ainsi que des galvanomètres à résistances
calibrées multi-échelles pour mesurer l'intensité des cou-
rants anodiques. Les signaux fournis par les sondes peuvent
être lus en sequence à l'aide d'un multiplexeur contrôlé par
un micro-ordinateur ou un micro-processeur. Pour plus de
2~ précision, un voltmetre di~ital avec intégrateur peut être
utili~é.
La méthode ainsi que le dispositif selon l'inven-
tion peuvent avantageusement être utilisés pour le dévelop-
pement de modèles de pompes, turbines, hélices ou robinets,
pour l'évaluation de la performance de prototypes, pour la
surveillance de machines hydrauliques, thermiques ou nuclé-
; aires, de stations de pompages d'eau douce ou d'eau salée,
ou pour tout autre type de recherche et développement impli-
quant un phénomène de cavitation.
~23~
Cette methode ainsi que ce dispositif sont
par-ticulièrement avantageux du fait qu'ils fournissent d'une
façon relativement simple, une mesure quantitative de llin-
tensite de la cavitation erosive et ce de façon localisee,
instantanee, continue et beaucoup plus sensible que tout
autre methode connue. Le dispositiE selon llinvention pre-
- sente egalement l'avantage d'etre quasi-inusable grâce au
choix approprie des matériaux utilises pour fabriquer les
electrodes de travail.
L'invention ainsi que ses divers autres avantages
apparaltront mieux à la lectuxe de la description plus de-
taillee et non-limitative qui va suivre, faite en reference
aux dessins annexes dans lesquels:
- la figure 1 est une courbe representative de
l'activation anodique du titane,
- la figure 2 est une courbe donnant à la fois
l'intensite du courant d'activation et le taux d'erosion de
deux electrodes faites de deux types de titane en fonction
du temps;
- la figure 3 est une co'urbe d'etalonnage d'une
sonde en titane gr. 2 dans l'eau domestique douce et salee,
donnant le taux d'erosion en fonction de l'intensite du courant
anodique;
- la figure 4 est une courbe donnant l'intensite
~5 du courant d'activation anodique en fonction du temps de
cav:Ltation dans le cas d'une elec-trode de ti-tane soumise à
une dissolution superficielle a l'acide;
- la figure 5 est une courbe donnant l'intensite
du courant d'activation anodique de plusieurs metaux passifs
~0 en fonction du temps;
- la figure 6 est une vue schematique en coupe
longitudinale d'une pompe a ejecteur sur laquelle des sondes
de titane ont ete positionnees pour fin d'essais~
~L23~ )0
- la figure 7 est une vue en coupe transversale
de la partie aval de la pompe a éjecteur illustrée sur la
figure 6, montran-t le positionnement de deux des sondes
de titane;
- 6a -
~L23~
- la fi.gure 8 est ~ne vue en plan de la surface
exposée de l'une des sondes disposée en aval sur la pompe à
éjecteur il],ustrée sur la fi(Jure 6;
- la figure 9 est une courbe donnant la valeur
du courant anodique mesurée en :Eonction du temps par une
des sondes en aval de la pompe illustrée sur la figure 6;
- la figure 10 est une courbe donnant la valeur
de la tension anodique mesurée par la sonde utilisée pour
la mesure reportée sur la fiyure ~;
- la figure 11 est une courbe donnant la valeur du
courant anodique mesure parune autre sonde disposée en amont
dans la pompe illustrée sur la figure 6;
- la figure 12 est une courbe donnant.la valeur
du courant anodique mesurée par une troisième sonde dis-
posée en aval dans la pompe à éjecteur illustrée sur la
figure 6;
- la figure 13 est une courbe~donnant la valeur
du courant anodique (et du taux d'érosion) obtenu par cavita-
t.ion ultrasonique en présence de bulles d'air dans le liquide
2 n opératolre; et
- la figure 14 est un schéma bloc d'un dispositif
complet selon l'invention pour la mesure de l'intensi-té de
la cavltation érosive dans une machine hydraulique.
Tel que précédemment indiqué, la présente inven-
t.ion est basée sur la découverte fai-te par les inventeurs
~u'il existe une relation de proportionnalité directe entre
l'intensité du courant anodique que l'on peut mesurer à
l'aid~ d'une électrode de travail faite en un métal de type
bien précis auquel on impose une tension anodique constante,
~0 et le taux d'érosion correspondant à l'intensité de la
cavitation érosive survenant dans un liquide dans lequel
~ l'électrode de travail se trouve plongée"'
Selon l'invention,les métaux de type bien précis
utilisables pour la fabricati.on d'électrodes de travail
3~23~S~
assurant l'existence de la relation de proportionalité ci-
dessus mentionnée, sont les métaux connus sous le nom de
métaux "valve". Ces métaux ont de par leur configuration
électronique, la proprié-té commune de former des films
d'oxyde très isolants et rendus plus épais par la mobilité
ionique sous champ électrique. Les métaux présentant cette
caractéristique commune sont l'aluminium, le magnésium et
plus généralement tous les métaux des groupes IVs et vs du
tableau périodique, incluant notamment le titane, le nobium
le zirconium et le tantale.
Pour mieux comprendre le choix de ce type parti-
culier de métaux, on peut se référer aux travaux de recher-
che effectués par les inventeurs et dont les résultats
ont été exposées dans une communication intitulee "L'effet
d'activation anodique de la cavitation érosive'' lors d'un
symposium international organisé à Amsterdam en septembre
1982 dans le cadre de l'Association Internationale de
Recherche Hydraulique (AIRH). ~,es résultats ainsi exposés
ont permis de constater que, d'une part, la cavitation éro-
~0 siVe produit une diminution de tension anodique en régimegalvano- statique et une augmentation de courant anodique en
régime potentio-statique et que, d'autre part, ces diminu-
tions de tension anodique et augmentation de courant anodique
sont liées à un phénomène d'ac-tivation anodique (également
connu sous le nom de dépassivation),selon lequel l'érosion
due à la cavitation vient détruire le film d'oxyde qui
cherche à se reconstruire spontanément à la surface de
l'électrode de travail. Cet-te reconstruction du film de
passivation détruit en permanence à la surface de l'élec-
trode, change le potentiel électrochimique du métal composantl'électrode en le rendant moins noble et moins positif, ce
; qui implique alors le passage d'un couran-t anodique qui
s'avère proportionnel à la quantité de charge de repassiva-
tion nécessaire pour reconstituer une unité de volume du
~3~
film d'oxyde multiplié par le volume total d'oxyde à
reconstituer.
Il est donc bien évident que les métaux ci-dessus
mentionnés dont les films d'oxyde sont très isolants et,
de ce fait, permettent l'établissement d'un champ électrique
favorisant la diffusion ionique et la croissance du film
d'oxyde sous polarisation anodique, sont les métaux qui
montrent les courants anodiques d'activation les plus élevés.
A l'opposé, les métaux tels que le cobalt, le
chrome ou les aciers inoxydables qui forment des films
d'oxyde protecteurstrès minces, montrent des courants d'acti-
vation relativement faibles en présence d'un phénomène de
cavitation
Le tableau ci-dessous illustre bien cette consta-
tation expérimentale faite par les inventeurs.
~23~
.
~ ~ O O L~ O O U~ C~ LO O Lr) 0~ ~n o ~ Ln o
h ~ ~ r ~ J ~1
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~-1 ~-1 ~ ~1 ~-1 0 h ~ h O 1 ) O ~) i~l
E~ C Z C.) O Z ~
.. .
-- 10 --
~.2~
Dans ce tableau sont indi.qués le domaine de
passivation (défini arbitrairement comme la région où le
courant anodique est inférieur à 25 ~A) ainsi que l'intensité
du courant dlactivation ~Ic exprimée en ~A en fonction
d'une tension imposée Ea mes~lrée par rapport a une électrode
au cal.ome] saturé dans des conditions expérimentales ana-
logues à savoir:
. appareillage: banc de cavitation ultrasonique;
. amplitude de vibration: 40 ,um pic à pic;
. écartement entre le bou-t du cône vibrant e-t
l'échantillon: 0,5 mm; et
. liquide expérimental: eau à 20~C.
Comme ce tableau le fait clairement ressortir,
certains métaux tels que le cobalt ou l'acier au carbone
1020 présentent des domaines de passivation presque inexis-
tants. D'autres métaux tels que l'aluminium et le magné-
sium présentent des domaines de passivation très étroits
quoi qu'ils présentent des courants d'activation relativement
élevës. D'autres métaux -tels que les aciers inoxydables
~0 30~ et 316, le nobium, le titane, le zi.rconium et le tantale
montrent des domaines de passivation très larges e-t donc
un comportement très stable dans l'eau. D'autres métaux
en:~in, tels que l'aluminium, le magnésium, le titane, le
noblum, le zirconium et le tantale présentent des courants
d'activation importants sous tension imposée ce qui, -tel que
precedemment indiqué, s'explique aisément par le fait que
ces métaux ont la caractéristique commune de Eormer des
~ilms d'oxyde relativement épais dont la reconstitution au
cours de l'action d'un phénomène de cavitation produit des
courants d'activation anodique très élevés.
L'existence du phénomène d'ac-tivation anodique
; dont il vient d'être fait référence, appàralt clairement
au vu de la courbe de polarisation illustrée sur la figure
l des dessins, laquelle courbe a été obtenue à partir de
~ -- 11 --
~L23~
mesures effectuées sur une électrode de travail en titane
de grade 2 ~99% Ti; 0,03~ N2; 0,10% C; 0,3% Fe et ~,25~
~2 en poids). Ces mesures furent effectuées dans les mêmes
conditions expérimentales que précédemment mentionnées, si
ce n'est avec un écartement de 1 mm au lieu du 0,5 mm ci-
dessus mentionné.
Comme cette courbe le montre, on peut étudier le
phénomène d'activation anodique soi-t en observant les varia-
tions du courant anodique lorsque l'on maintient la tension
anodique constante (mesure potentio-statique), soit en
mesurant les changements de tension anodique lorsqu'on
maintient un courant constant (mesure galvano-statique);
Dans le-premier cas, la cavitation produit l'augmentation
de courant anodique ~ Ic, alors que dans l'autre cas, la
lS cavitation produit une diminution de la tension anodique
av~.
Tel que précédemment indiqué, la mesure de l'inten-
sité de la cavitation érosive selon l'.invention est effec-
tuée avantageusement en régirne potentio-statique. I1 s'est
en e:Efet avéré qu ~il existe une relation de proportionalité
directe entre le taux d'érosion mesuré par perte de poids
et l'intensi-té du courant d'activation mesuré dans le cas
particulier où les électrodes de travail utilisées sont
.~a.ites en un des métaux valves ci-dessus mentionnés qui
~5 presentent un comportement relativement stable dans l~eau
et des courants d'activation importants sous tension imposée.
~ L'existence de cette relation de proportionalité
appa.ralt clairement au vue de la courbe illustrée sur la
:Eigure 2, qui donne, en lignes con-tinues, l'intensité du
courant d'activation de deux électrodes faites en deux types
de titane en fonction du temps, et, en lignes pointillées,
le taux d'érosion de ces deux mêmes électrodes durant la
meme période de temps. Comme le montre une simple comparai-
son des intensités et des taux obtenus dans le cas de l'un.e
et l'autres des électrodes après une certaine période de
~3~
temps nécessaire à la stabilisation du phénomène de cavita-
tion (période d'incubation), il existe une relation directe
de proportionalité entre les taux d'érosion mesurés par
perte de poids (exprimés par milligrammes par heure) et les
intensités de ~ourant d'activation (exprimées en micro-
ampères), qui sont deux fois plus petits pour le titane de
grade 4 (98.5~ Ti; o~os% N2; 0,10% C ; 0,5% Fe et 0,40% ~2
en poids), plus dur et plus résistant que le titane de
grade 2.
L'existence de cette relation de proportionalité
directe apparalt également au vue de la courbe d'étalonnage
illustrée sur la figure 3 des dessins, qui donne le taux
d'érosion d'une électrode de travail en titane grade 2 en
fonction de l'intensité du courant anodique mesurée dans de
l'eau douce à 6, 25, et 40~C ainsi que dans de l'eau salée
par addition de 3% de chlorure de sodium à 25~C. Comme cette
courbe le montre, il existe une relation de proportionalité
directe entre l'intensité du courant anodique et le taux
d'érosion sur plus de 3 ordre de grandeur (de.0,05 à 100 mm
2~ par an). Cette courbe montre également que l'étalonnage
varie très peu avec la température. Cet étalonnage est ].e
meme à 25 et 40~C. A 6~C, la réponse en courant s'avère
cependant un peu supérieure. Néanmoins, dans l'un et l'au-tre
cas, le courant et le taux d'érosion son-t l.i.es par une
r~lat.ion linéaire, la pente de la droite obtenue sur gra-
phi~ue log - log étant en effet égale à 1. Ceci vient con-
.~irme.r l'exactitude du modèle mathématique suggéré dans la
communica-tlon soumise à Amsterdam en septembre 1982 au cours
du symposium de l'AIRH ci-dessus mentionné, à savoir qu'il
existe une relation du type-
. -- = k
s
dans laquelle:
- 13 --
~3~35~
i est l'in-tensité du courant (exprimé en uA);
s est l'aire de la surface érodée (exprimée en
cm );
k est une constante; et
~ est le taux d'érosion (en mm par an)
Dans le cas illustré sur la figure 8, on a:
à 25 et 40~ k = 1,12
à 6~C k = 1,56
On peut ten-ta-tivement expliquer la différence
de constante mesurée pour des températures différentes par
~ le fait que les charges de passivation spécifiques sont plus
élevées à basse température.
Comme cette courbe le montre enfin, la relation
s'avère ne pas être linéaire aans de l'eau salée à 25~C,
comme si les charges de passlvation se trouvaie,nt alors plus
élevées ou les particules érodées plus petites aux faibles
taux d'érosion.
Cette courbe montre donc clairemen-t que le régime
potentio-statique pour mesurer l'intensité de la cavatition
~0 erosive offre une stabilité, une rep~oduc~ibilité et une
proportionalité excellentes. Cette constatation~ notamment
en ce qui concerne la stabilité et la reproductibilité des
mesures, est d'autant p:lus exacte que des essais eEfectués
en laboratoire ont clairement démontré que les traitements
cle surface que l'on pouvait ~aire subir à ''e]ectrode de travai'
n'avaient d'effet que ,sur la p~riode initia]e d'incubation observee,
telle qu'on peut le constater au vu de la courbe illustrée
sur la Eigure ~ qui donne l'intensité du courant anodique
mesuré en fonction du temps de cavi-tation pour une meme
~0 électrode de titane dans les mêmes conditions opératoires,
après avoir fait successivement subir à la surface de l'élec-
trode en question des traitements de surfàce différents
tels qu'une attaque à l'acide pendant une période de temps
plus ou moins longue ou un polissage mécanique poussé.
- 14 -
~23~
I,es resultats obtenus montrent que seule varie la période
d'incubation, l'intensi~é maximale obtenue étant identique
à chaque Eois dès que le phél~lomène électrochimique lie à la
cavitation est stabilisé. En outre, cette courbe montre
qu'une attaque à l'acide enlevant une couche superficielle
de 20 microns ou plus à la surface de l'échantillon de
titane préalablement incubée ou érodée, fait réapparaitre
complètement à la période d'incubation. Celle-ci est donc
reliée à l'incubation mécanique par déformation, écrouissage,
In fatigue ou fissuration d'une fine couche superficielle du
métal qui fait augmenter le taux d'érosion jusqu'à ce qu'un
régime permanent soit atteint.
La période d'incubation des divers métaux utili-
sables pour la fabrication des électrodes de travail selon
l'invention dépend bien entendu de la nature du métal et,
plus précisément, de sa dureté. La courbe illustrée sur la
figure 5, donne l'intensité du courant anodique mesuré en
Eonction du temps de cavitation pour des électrodes de
travail faites en alliage d'aluminium 6061, en nobium, en
~0 titane grade 2 en nickel, en zirconium et en acier inoxy-
dable du type 304. Cette courbe montre clairement que ces
périodes d'incubation varient grandement, en allant de
quelques minutes pour l'alum:inium à plusieurs heures dans le
cas d'~m metal très resistant tel que l'acier inoxydable. La
2~ courbe analogue illustrée sur la Eigure l montre également
une montée de courant plus rapide et par conséquent ulle
periode d'incubation plus courte dans le cas du titane de
~rade 2, c'est-à-dire dans le cas du titane le plus mou.
Selon l'invention il est donc préférable d'utiliser, pour
un même type de métal-valve choisi, celui dont la dureté
est la plus faible possible.
; Au vu de la courbe donnée sur'la figure l, on
pourrait penser que l'aluminium pur à 99.999~, lequel alu-
minium est-très mou, pourrait etre le métal valve le plus
3~
intéressant pour la mesure des taux d'érosion les plus
faibles, puisque ce métal s'.lvère présenter une très faible
résistance à la cavitation. Néanmoins, des essais effectués
ont montré que l'aluminium pur possède un domaine de passiva-
tion trop étroit dans l'eau domestique pour être vraiment
intéressant du point de vue industriel. De plus, on s'est
aperçu que la stabilité de son film d'oxyde et par consé-
quent son équilibre électrochimique, évoluait au cours du
temps après passivation. Il s'est en particulier avéré qu' un
Fi'm d'oxvde passivant frai~hement ,orme à la surface d'une élec-
~ trode pure,est très fragile et très peu protecteur, l'écoule-
ment de l'eau sans cavitation réussissant à l'enlever.
Pour cette raison, ce matériau particulier s'avère assez peu
intéressant pour la fabrication d'électrodes de travail pour
la mesure directe et continue de l'intensité de la cavita-
tion de composants immergés dans de l'eau. Cet inconvénient
peut toutefois devenir un avantage dans la mesure où, le
de~ré de dépassivation et de réactivation du film d'oxyde
cl'aluminium étant direc-tement proportionnel à la vitesse
d'eau à la surEace, on pourrait utiliser ce métal pour la
réalisation d'un débitmètre.
Des essais eEfectués par les inventeurs ont
montré que le métal qui s'avère le plus intéressant selon
l'invention, est le t:itane. En ef~et:, ce métal, en plus
d'8tre un des métaux valves présentant des courants anodiques
très Eorts et possèdan-t une bonne stabilité dans les eaux
cour~mment u-tilisées, a l'avantage d'être un matériau bien
connu avec des propriétés définies dans une norme ASTM et
reproductibles. De plus, il est habituellement utilisé dans
les machines hydraulique où son emploi comme matériau
donnerait une mesure directe des taux d'usure des compo-
sants. Enfin, ce matériau est particulièrement intéressant
dans la mesure où on peut l'utiliser facilement pour réaliser
des électrodes de grande surface, grâce à sa très bonne
- 16 -
~L23~5~)~
passivation et du courant n~gligeabl~ qui existe sur ses
surfaces non érodées.
Pour améliorer la limite de détection du titane,
on a essayé de le rendre moins résistant en lui faisant
subir des traitements thermiques de fragilisation ou de
durcissement à l'hydrogène. Ces tentatives se sont toute-
fois avérées infructueuses bien que, tel que précédemment
indiqué, les meilleurs résultats ont de toute évidence
été obtenus avec le titane le plus mou possible.
I0 Des essais effectués par les inventeurs ont
démontré que la limite de détection du titane aux très
faibles intensités en régime poten-tio-sta-tique,est optimisée
en ajustant la tension anodique imposée à ~0,5 volt ECS.
D'autres essais ont permis de montrer qu'une électrode en
lS titane, de par sa très bonne passivation, permet de déceler
une érosion localisée que sur une faible proportion de sa
surface, la proportion non activée par érosion ne fournis-
sant qu'un courant anodique négligeable. Cette dernière
constatation peut s'avérer intéressante pour permettre
une localisation fine sur une surface de sonde étendue, en
prenant simplement soin de teinter initialement par anodi-
sation la surface du titane, ceci pouvant se faire même en
opération, la zone soumise à la cavitation érosive se
trouvant alors révélée par un changement.de couleur. Grace
cette technique, on peut a:insi déceler, quantifier et
J.ocaliser toute érosion qui pourrait se produire à l'inté-
rieur d'un équipement hydra~llique fabriqué en titane.
L'ensemble des résultats ci-dessus mentionnés
montre donc clairement que ].'on peut facilement mesurer
de façon quantitative l'intensité de la cavitation érosive
apparaissant dans un liquide, en disposant dans un liquide
; un jeu d'électrodes de mesure comprenant une électrode
de référence qui peut être, par exemple, une électrode au
calomel saturée, ou en un métal stable tel que l'acier ino-
xydable ou le titane, au moins une electrode auxiliaire et au
- 17 -
~L~3~
moins une électrode de travail faite en un des métaux valve
ci-dessus mentionnés. Les électrodes auxiliai:res et de
travail peuvent etre avantageusement regroupées ensemble
pour former une sonde compacte comprenant un noyau fait en
un matériau isolant tel que ].a résine époxyde, dans lequel
sont enrobées d'une part, l'é].ectrode de travail, cette
dernière ay.ant une forme cycli.ndrique pour présenter une
surface exposée annulaire, et, d'autre part, l'électrode
auxiliaire constituée par une simple tige d'acier inoxydable
de type 316 positionnée au centre du noyau et de l'électrode
de travail. Cette sonde doit bien entendu être localisée
dans la zone où l'on veut mesurer la cavitation.
Il suffit alors d'imposer une tension anodique
constante à llélectrode de travail à l'aide des électrodes
lS auxiliaire et de référence, de mesurer l'intensité du
courant anodique puis de détecter et mesurer toute variation
de ladite intensité de courant pour mesurer l'intensité de
la cavitatlon dans la zone choisie chaque variation ainsi
mesurée étant en effet directement reliée à l'intensité de
2~ la cavitation érosive dans la zone de mesure.
Il convient bien sûr lors des mesures de tenir
compte de la période initiale d'incubation à moins qu'il
n'y ai eu préparation et cond:itionnement initial, pour
obtenir le meilleur signal reproductible avec la meilleure
~5 resolution~
Pour mettre en oeuvre la méthode ci-dessus men--
-tlonnée, i.l suffit d'utiliser un jeu d'électrodes de mesure
disposées dans le liquide, ce jeu d'électrodes comprenant
une électrode de référence et un jeu de sondes comprenant
3n chacune une électrode auxiliaire e-t une électrode de travail
faite en un des métaux-valve ci-dessus mentionnés. Il est
; bien entendu nécessaire d'utiliser des moyens pour imposer
une tension anodique constan~e à chaque électrode de travail
à l'aide des électrodes auxiliaire et de référence, et des
~Z3~
moyens pour mesurer l'intensité du courant anodique pour
detecter et mesurer toute variation de cette intensite.
La figure 14 illus-tre de façon schematique un
dispositif complet selon l'invention pour mesurer de façon
quantitative l'intensite de la cavitation erosive apparais-
sant dans un liquide. Ce dispositif est conçu pour pouvoir
mesurer simultanement l'intensite de la cavitation erosive
a plusieurs endroits differents dans une machine hydrauli-
que (non représentee) a l'aide de plusieurs electrodes de
travail 21 (au nombre de 10 par exemple).
Bien entendu, pour que cette mesure soit possible,
il faut que chaque electrode de travail 21 soit acondition
née~ séparément par imposition d'un potentiel anodique a
l'aide d'une electrode auxiliaire 23 et d'une electrode de
reference 25. L'une de ces deux dernieres peut en pratique,
etre constituee par l'ensemble de la machine hydraulique
tandis que l'autre de même que chaque electrode de travail
doivent être isolees electriquement de la machine a l'aide
de résine epoxyde ou de tout autre materiau isolant approprie.
Ainsij -tout ~debut~ de cavitation peut immediatement être de-
tecte et localisé.
A ce sujet, il convient de mentionner qu'il peut
~tre avantageux d'utiliser comme électrode de référence 23,
une électrode de même nature et de même forme que les élec-
trodes de travail 21, en prenant soin de localiser cetteélec-trode de référence dans un endroit ou l'écoulement du
liquide se iait sans cavitation.
En outre les electrodes 21, 23 et 25, le dispositiE
comprend'un ~conditionneur~ 27 incluant un potentiostat
multiple a haute impedance pour imposer une tension anodique
constante a chaque électrode de travail au moyen des élec-
trodes auxiliaires et de réference, ainsi qu1un ~alvanom'etre
multi-echelle a resistance calibree (de 0~1 ~ A à lOOO~A),
; pour mesurer l''intensité du courant anodique et ainsi de-
tecter et mesurer toute variation de l''intensite de courantmesuré par chacune des électrodes de travail 21.
- 19 -
~23~5~
I,es sign~ux fournis par ]es électro~es de travail
2l sont lus en séquence à l'~llde dl un multiplexeur 29 con-
trôlé par un dispositlf de contrôle programmable 31 qui peut
être un micro-ordinateur ou mic~o-processeur incluant une
horloge pour régler ]a fréquence et la durée des lectures.
Pour obtenir un maximum de précision, un voltmètre intégra-
teur digital 33 peut être disposé entre le multi-plexeur 29
et le dispositif 31 en vue de traiter les signaux transmis
de l'un à l'autre.
Le dispositif électronique programmable de
~ contrôle 31 peut être avantageusement pourvue de moyens pour
acquérir et stocker les mesures fournies par chaque sonde.
Ces moyens peuvent être constitués par une unité de mémoire,
telle que par exemple un disque. Le dispositif peut en outre
inclure des moyens de traiter les signaux ainsi stockés de
facjon à les traduire directement en unité de taux d'érosion,
en perte de métal accumulé, en profondeur de pénétration,
ou en temps d'opération avant la prochaine réparation. En
outre, le dispositif électronique programmable 31 peut être
pourvu de moyens pour présenter les résultats obtenus sous
Eorme analogique ou digitale par affichage continu en temps
réel ou par représentation graphique 35 ou vidéo 37.
Enfin, le dispositiE électronique programmable
31 peut être pourvu d'une sortie digitale 39 en vue d'une
interEace avec un système complet de surveillance ou de
co~trôle pour la machine hydraulique.
LXEMPLE 1
Un essai a été réalisé sur une pompe à éjecteur
èn utilisant un dispositif de base tel que celui précédem-
ment décrit.
Le -tube Ven-turi de la pompe sur laquelle cet
essai a été effectué est illustré de faco'n schématique sur
les figures 6 et 7. Cette pompe utilisait l'eau amont à
haute pression (chute de 240 m) pour pomper un plus grand
- 2~ -
~z~
volume d'eau aval pour fin de refroidissement.
L'intérieur du tube Venturi l de la pompe était
fait en acier inoxydable de type 316 et montrait une usure
localisée de cavitation éroslve variant entre 0,1 et l mm
par an aux pires endroits.
Trois sondes annul.aires de 0,8 cm2 de section ont
été installées sur cette pompe pour en mesurer le taux
d'érosion instantané. Les deux premières de ces sondes,
numérotées I et II respectivement, ont été installées dans
la région d'intensité de cavitation érosive maximale (en
~ aval du rétrécissement 3 du tube Venturi). La troisième
de ces sondes numérotée III a par contre été insérée dans
une zone où aucune usure n'était décelée (en amont du ré-
trécissement 3 du tube Venturi).
La sonde II, dont une vue en plan de la surface
exposée es-t illustrée sur la fiyure 8, comprenait un noyau
isolant 5 en résine époxyde incorporant une électrode de
travail en titane 7 (de grade 2) de forme cylindrique de
fa~on à présenter une surface exposée en forme d'anneau.
Cette sonde incorporait également une première électrode
auxiliaire 9 constituée par une tige d'acier inoxydable de
type 316 positionnée au centre de l'anneau. formé par
l'électrode de travail 7, et une seconde électrode auxiliare
ll constituée par un cylindre d'acier inoxydable de type
2~ 316 coaxialemen-t disposé autour de l'électrode de travail
en titane 7.
Les sondes I et III étaient de structures iden-
t.iques à la sonde II, si ce n'es-t qu'elle ne possédaient
pas de seconde électrode auxiliaire 11 tel]e qu'illustrée
sur la figure ~.
Bien entendu, dans tous les cas, des moyens de
; fixation a~ropries 17(vissage dans la paroi 15 du tube
Venturi aux endroits choisis) et des fils de connexion 19
adéquatement branchés ont été utilisés.
- 21. -
~;~3~5~
Les mesures obtenues avec les sondes I, II et III
en opérant en régime potentio-statique (potentiel constant
fixé 0,3 volt) sont rapportées respectivement sur les
figures ]1, 12 et 9. Les résultats obtenus avec la sonde
II en régime galvano-statique (courant constant imposé de
1 ~A) sont reportés sur la figure 10.
Comme on peut le consta-ter, la sonde II placée
dans la zone d'érosion la plus Eorte, montre également la
plus forte augmentation de courant anodique lorsque le
ln robinet d'eau haute pression activant la pompe a été ouvert.
~ Cette augmentation de courant anodique mesurée est de 0,5 juA.
De plus, la figure 9 montre que en régime potentio-statique,
le temps de réponse de la sonde et par conséquent de l'en-
semble du système de détection est extrêmement rapide et
que l'on peut en outre observer les impulsions de courant
caractéristiques de la cavitation érosive irrégulière que
l'on peut d'ailleurs associer au bruit audible. La f gure
10 montre qu'en régime galvano-statique, cette même sonde
II mesure un changement de tension anodique de plus de
l00 m~7 produit par l'apparition où la disparition de la
cavitation érosive. On constate toutefois qu'avec un
courant anodique imposé de I ~A, la constante de temps de
la repassivation est assez longe (de l'ordre de 10 minutes)
et les irrégularités de la cavitat:ion érosive sont beau-
coup moins perçues.
La sonde I a montré un signal de 0,1 ~A environ
alors qu'aucune activation moyenne n'a été perçue sur la
sonde III placée dans une zone sans cavi-tation.
L'étalonnage effectué parallèlement en labora-
toire sur un banc de cavitation ultrasonique a montré que
pour les sondes utilisées, on obtenait un courant d'activa-
; tion d'environ 5 luA/cm pour un taux d'érosion de 1 mm par
an d'acier ionxydable 316. Selon cet étalonnage, la sonde
Il donnerait donc un taux d'érosion localisé de 0,1 mm/an
~;~3~5~1
pour de l'acier 316, alors que la sonde I donnerait un
taux de 0,02 mm/an.
Ces résultats semblen~ un peu faibles si l'on
les compare aux obsérvatlons faites sur une pompe semblable
en pleine opération. Cette différence peut toutefois
slexpliquer par une augmentation du diamètre des particules
érodées et/ou une diminutlon des charges de passivation dans
les conditions d'essai où l'eau était très pure.
La précision du détecteur utilisé dans cet essai
devrait donc pouvoir être amélioré en améliorant l'étalonnage
en laboratoire pour des taux d'érosion très faibles dans
des eaux se rapprochant un peu plus des conditions d'utili-
sation industrielle.
Néanmoins, cet essai montre l'efficacité ainsi
que le bon fonctionnement de la méthode ainsi que du dispo-
sitif selon la présente invention.
Cet essai montre également que la mesure des
courants d'activation anodique produits sur des surfaces
passivées en solution a~ueuse par érosion de particules
2n méta'lliques constitue un excellent moyen de détention quan-
titative du taux d'érosion de la cavitation. Toute usure
en milieu aqueux par érosion ou abrasion sans contact de
métal-métal peut être détectée par cette technique.
De plus~ l'utilisation d'un métal tel que le
titane, oEfre une reprodductibilité sur une grande gamme
de taux d'érosion allant de 0,05 à 100 mm/an.
Cette technique peut bien entendu être utilisée
avec une instrumentation adéquate pour le développement et
la surveillance de machine hydrauliques. Cette technique
peut donc contribuer à diminuer les coûts et les dommages
dus à la cavitation érosive.
EXEMPLE 2
~n dispositif selon l'inven-tion pour la détection
de l'intensité de la cavitation érosive a été expérimentée
sur un banc de cavitation ultrasonique en laboratoire pour
mettre en évidencè et quantifier l'effet absorban-t des
bulles d~alr sur le taux d'érosion à la surface d~une élec-
trode.
L'intensité du courant anodique mesurée sur une
électrode de titane (grade 2) sous un potentiel constant
de 1 volt ECS dans un banc de cavitation sous écartement de
0,5 mm pour une amplitude de vibration de 40 ,um est donnée en
fonction du temps sur la courbe illustrée sur la figure 13
des dessins. Comme on peut immédiatement le constater,
le fait que la présence de bu].les affecte directement la
mesure, démontre clairement l~efficacité du dispositif
seIon l'invention pour la mise en évidence et la quantifi-
cation de l'effet absorbant de bulles d~air sur la cavita-
tion érosive dans une machine hydraulique. Cette courbe
montre en effet l~effet ~~amortisseur~~ important des bulles
d'air, produites par l'utilisation d'un mélange d'eau chaude
et d'eau froide préssurisées,qui divise par deux le taux
d'érosion pour une même amplitude de vibration.
Bien sur, diverses modifications peuvent être
apportees à la methode ainsi qu'au dispositif précédemment
décrit sans sortir du cadre de la présente invention. De
meme, dlverses autres applications peuvent etre envisagées,
telles que par exemple, la mesure de n'importe quel type
d'usure, d'erosion ou d'abrasion sans contact metal-metal
en milieu aqueux (usure du sable dans de lleau, abrasion
d'une meule dans de l'eau, etc...).
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