Како дебљина зида омотача од нерђајућег челика 316 утиче на диелектричну чврстоћу изолације од магнезијум оксида након заливања у електричним грејним елементима?

За квалитетне инжењере и произвођаче грејних елемената, однос између дебљине зида плашта и перформанси електричне изолације није увек очигледан. Прашак магнезијум оксида око отпорне жице је компримован до густине која даје високу топлотну проводљивост и високу диелектричну чврстоћу-обично изнад 2,8 г/цм³ да би се добио изолациони отпор већи од 100 мегома на собној температури. Главни механизам за сабијање МгО је процес савијања који смањује спољашњи пречник омотача од нерђајућег челика 316. Али радијални притисак који се врши кроз зид омотача на МгО зависи од дебљине зида. Дебљи зидови апсорбују више силе затезања. МгО може бити недовољно сабијен. Тањи зидови преносе већу силу, али ризикују колапс или оштећење отпорне жице. Овај рад анализира утицај дебљине зида плашта 316 на могућу густину МгО и диелектричну чврстоћу. Он пружа основу за одређивање минималне дебљине зида која балансира између механичког интегритета и електричних перформанси.

Компресивно понашање МгО током заливања омотача
У производњи грејача, цев од нерђајућег челика 316 је напуњена лабавом мешавином праха МгО и централно постављене отпорне жице. Склоп се затим пропушта кроз машину за увијање у којој центрифуге за предење забијају цев радијално ка унутра и смањују спољни пречник за 10–30%. Овај процес згушњава МгО прах од почетне запреминске густине од ~1,5 –1,8 г/цм3 до коначне густине од 2,8 –3,2 г/цм3. Нето радијална сила из калупа за набијање, након одузимања силе која се користи у еластичној и пластичној деформацији зида 316 плашта, представља притисак сабијања који се испоручује на МгО. За одређену редукцију савијања и силу матрице, тањи зид омотача резултира мањим укупним радом деформације и већи проценат примењене силе се преноси на МгО. Моделирање процеса стискања помоћу коначних елемената показује да омотач од 0,8 мм 316 преноси око 85% притиска матрице на МгО, док омотач од 1,6 мм преноси само 65% под једнаким условима клизања. Мање од 50% примењене силе се преноси кроз омотач од 2,5 мм, а остатак се задржава као енергија еластичне деформације у дебелом челичном зиду или се ослобађа као топлота током пластичне деформације. Ова разлика има директан утицај на могућу густину МгО.

Квантитативни однос између дебљине зида и густине МгО
Контролисана испитивања која користе сличну опрему за набијање, сетове калупа и редукционе односе показују дефинитивну инверзну везу између дебљине зида омотача 316 и коначне густине МгО. Типичне густине МгО које се постижу за циљно смањење савијања од 20% (нпр. . 12.0 мм до 9,6 мм спољашњег пречника) су: Коначна густина МгО од 3,1-3,2 г/цм3 са дебљином зида од 0,8 мм значајно премашује минимални стандард. Дебљина зида је 1,2 мм, густина 2,9–3,0 г/цм 3 , што је и даље прихватљиво за већину намена. Густина се смањује на 2,7–2,8 г/цм3, што је на минимално дозвољеном нивоу или испод њега, са дебљином зида од 1,6 мм. Густина материјала са дебљином зида од 2,0 мм је 2,5–2,6 г/цм3, што није довољно за поуздану електричну изолацију на повишеним температурама. Са мање од 2,7 г/цм 3 , МгО има међусобно повезану порозност која омогућава апсорпцију влаге и канале за цурење електричне струје. Отпор изолације на 500 степени МгО сабијеног до 2,5 г/цм3 је често 10 до 100 пута нижи од отпора МгО сабијеног на 3,1 г/цм3 . Диелектрична чврстоћа (горња граница електричног поља које изолација може да издржи без слома) опада са/мм на 5В к³Вмм на око 15 кВ кВ мм. на 2,5 г/цм³. Електрично поље изнад слоја МгО грејача од 240 В са пречником отпорне жице 1,0 мм је приближно 2-3 кВ/мм на радном напону. Ово даје угодну маргину при високој густини МгО, али је маргинално при малој густини где мали кварови могу довести до пробоја диелектрика.

Практичне границе „диелектричног интегритета“ омотача са{0}}дебелим зидовима
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 мм) за механичке или корозивне захтеве. Постоје три подешавања производње која могу ублажити апсорпцију силе дебелих зидова. Први и најтипичнији поступак је повећање степена редукције . 30% смањења са 12,0 мм на 8,4 мм спољног пречника, чиме се на МгО преносе снажнија радијална напрезања, постижући густине сличне тањим зидовима при нижој редукцији, уместо смањења од 20%. Казна је повећана шанса за оштећење отпорне жице и веће преостале напетости у омотачу. Друга промена је употреба неколико пролаза за испирање са привременим жарењем. Смањење од 15% након жарења ради ублажавања напрезања у омотачу, праћено другим смањењем од 15%, може да обезбеди високу густину МгО у омотачу са дебелим-зидовима без прекорачења граница обликовања 316 цеви. Трећа промена је модификација спецификације праха МгО: грубе, угаоне честице МгО лакше се сабијају од финих, сферичних прахова. Квалитет МгО високе густине са регулисаном дистрибуцијом величине честица може повећати коначну густину за 0,1–0,2 г/цм3 за исте услове пражњења. Свако од ових прилагођавања повећава трошкове производње. Али трошак је оправдан за ситуације у којима су дебели зидови неопходни.

Матрица за одабир дебљине зида и густине МгО за поуздане диелектричне перформансе
Следећа табела приказује одговарајуће комбинације дебљине зида омотача 316 и производних захтева за добијање минималне прихватљиве густине МгО од 2,8 г/цм 3 и диелектричне чврстоће преко 10 кВ/мм на собној температури.

Потребна дебљина зида за натискање 316 Препоручено смањење затискања Препоручени број пролаза за набијање Достижна густина МгО Посебна разматрања
0,8 – 1,0 мм 15 – 20% Једноструки пролаз 3,0 – 3,2 г/цм³ Стандардна метода, ниска цена
1,0 – 1,2 мм 18 – 22% Један пролаз 2,9 – 3,1 г/цм³ Стандардна процедура погодна 1,2 – 1,4 мм 20 – 25% Једноструки или двоструки светлосни пролаз 2,8 – 3,0 г/цм³ Потврдите испитивањем узорка 1,4 – 1,6 мм – 25 – препоручује се двоструки пролаз 1,4 – 1,6 мм. г/цм³ Неопходан степен МгО високе густине
1,6 – 1,8 мм 28 – 32% Потребан дупли пролаз 2,6 – 2,8 г/цм3 Граница, потребно је квалификационо тестирање
1,8 – 2,0 мм 30 – 35% Двоструки пролаз средњег жарења 2,5-2,7 г/цм³Не препоручује се за напоне веће од 120В > 2,0 мм Није могуће Није могуће Испод 2,5 г/цм³ Користите мањи пречник или другу легуру
За било који грејач са радним напоном већим од 250 ВАЦ, минимална дозвољена густина МгО треба да се повећа на 3,0 г/цм3 што ефективно ограничава максималну дебљину зида омотача од 316 на 1,2 мм, осим ако се не примењују посебне процедуре савијања. У високонапонским апликацијама преко 600 ВАЦ – што се често виђа у некој индустријској и рударској опреми – дебљина зида омотача треба да буде испод 1,0 мм да би се одржала прихватљива диелектрична чврстоћа или грејач треба да буде направљен са металним штитом, уземљен и одвојен од МгО изолације.

Методе за испитивање и валидацију осигурања квалитета производње
Не ослањају се само на теоријске односе због варијација које уносе опрема за набијање, техника руковаоца и толеранције улазних цеви. Ако специфицирају грејаче са дебљином зида већом од 1,4 мм, инжењери би требало да захтевају од произвођача да да мерење густине МгО из производних узорака. Ово се обично ради сечењем дела грејача и мерењем масе и запремине збијеног праха. Минимална густина треба навести као услов квалитета од 2,8 г/цм3 а не као циљ. Готове грејаче такође треба испитати на диелектричну чврстоћу. Уобичајени тест је 1.500 ВАЦ плус двоструки радни напон примењен у току једног минута између отпорне жице и омотача. То је 1,500 + 480=1,980 ВАЦ за грејач од 240 В. Плашћи-дебелих зидова са маргиналном густином МгО генерално пролазе овај тест на собној температури, али не када се загреју на радну температуру јер се диелектрична чврстоћа МгО смањује са температуром. Најбоља валидација се на тај начин добија испитивањем отпорности топлотне изолације на 500 степени. Отпор топлотне изолације индустријских грејача обично није мањи од 1 мегома, иако је 10 мегома пожељно за продужени животни век. Кварови поља диелектричног квара су скупи и често опасни. Додатни трошак специфицирања тањег омотача, или снажнијег савијања, да би се постигла густина МгО је мали у поређењу са трошковима захтева за гаранцију или још горе, са електричним ударом.