Зашто цеви за електрично грејање од нерђајућег челика 316 са додатним унутрашњим диелектричним пунилима од бора-опиру деградацију струје цурења наизменичне струје у кућиштима са високом-ефективом влажношћу од стандардних пунила од магнезијум оксида?

Closed, high-humidity situations where electric heating tubes can fail due to a mechanism that is not connected to external sheath corrosion include outdoor control cabinets, marine engine rooms and food processing equipment washdown zones. Over time the internal electrical insulation between the resistance heating wire and the metal sheath breaks down due to moisture migrating via terminal seals or microscopic sheath flaws. Standard compacted magnesium oxide (MgO) filler has good thermal conductivity and dielectric strength when dry, but is hygroscopic. MgO readily absorbs moisture from the atmosphere producing magnesium hydroxide (Mg(OH)2) on the particle surface which causes the electrical resistivity to drop from the required >100 МΩ до испод 1 МΩ што доводи до окидања струје цурења и активирања заштите од земљоспоја. Међу њима, познато је да адитиви који садрже бор-, односно бор оксид (Б 2 О 3 ) или магнезијум борат (Мг 3 Б 2 О 6 ), хемијски реагују са водом да би створили трајни, не- хигроскопни хидратисани боратни слој који затвара површине честица при апсорпцији честица при мешању са додатном мешавином МгпО тежина. Овај чланак карактерише кинетику апсорпције влаге и отпорност на електричну деградацију бором-модификованих МгО пунила у односу на стандардни МгО у омотачима од нерђајућег челика 316 у окружењима од 40–60 степени и релативне влажности од 95%, пружајући смернице за избор пунила за апликације високе{18}}е интеграције где је критична грешка у земљи.

Хигроскопско дејство стандардног пунила магнезијум оксида у затвореним грејним цевима
The compacted MgO filler in electric heating tubes has three functions: electrical insulation between the center wire and the sheath, thermal conduction from the resistance wire to the sheath, and mechanical support to preserve wire concentricity. Commercial MgO includes 96 to 99 percent MgO with small amounts of impurities such as calcium oxide (CaO), silicon dioxide (SiO₂) and iron oxides. The surface of MgO particles may rapidly chemisorb water vapour, which results in a coating of Mg(OH)2 on the surface MgO + H2O Mg(OH)2 (reaction 1). This process is exothermic and will proceed even at relative humidities as low as 30-40%. After formation, Mg(OH) 2 exhibits two problematic properties. Its electrical resistivity is ~10 6 -10 8 Ω.cm as compared to >10 14 Ω.cm for dry MgO. It also deliquesces at relative humidities >75-80%, што резултира формирањем проводног раствора који повезује грејну жицу и омотач.

У цеви за грејање са непрекинутим заптивкама терминала унутрашње пуњење остаје суво заувек. У пракси, међутим, терминалне заптивке (обично силиконска гума или епоксид) се погоршавају под утицајем топлоте и излагања УВ зрачењу, а формирају се микропукотине ширине 10-100 микрометара. Ове пукотине омогућавају улазак влажног ваздуха. Када влага стигне до МгО пунила, деградација отпорности следи процес у 3 фазе. Прва фаза: површинска хидроксилација спољашњих слојева МгО честица, повећање струје цурења за 10-100. Друга фаза: повећање унутрашње хидратације са отицањем које може да напукне омотач унутрашњим притиском. Трећа фаза: стварање електролитичког канала од грејне жице до омотача, што резултира струјама земљоспоја већим од 5–10 мА и окидањем уређаја диферентне струје (РЦД). Подаци са терена из спољних индустријских грејача потврђују да ИР омотача 316 са конвенционалним МгО пуњењем пада испод 1 МΩ након 6-18 месеци у условима са 95% релативне влажности.

Механизам адитива бора: хемијско заптивање МгО честица
Додамо једињења бора у МгО пунило да бисмо изградили само{0}}ограничавајућу баријеру за хидратацију коришћењем хемије борне киселине. Врсте бора преферентно адсорбују први монослој воде и реагују тако да генеришу танак слој хидратисаног бор оксида (Х3БО3 или Б2О3·3Х2О) на површинама честица када се Б2О3 или магнезијум борат помешају са МгО у количини од 2–5 теж. Три важна аспекта овог хидратисаног слоја су: Прво, његов равнотежни парни притисак воде је много нижи од Мг(ОХ)2, стога се формира брзо и потпуно пре било какве значајне хидратације МгО. Друго, аморфни, континуирани хидратисани боратни лист у потпуности обухвата сваку честицу МгО. Треће, филм је стабилан и не{16}}хигроскопичан изнад 60-80 степени - температурног опсега на који наилази пунилац унутар оперативне грејне цеви (обично 150-300 степени у близини жице, али до 50-100 степени у близини омотача током циклуса ван циклуса).

Једном формиран, боратни премаз спречава да вода даље дифундује у МгО који лежи испод. Реакција је самоограничавајућа јер дебљина филма (обично 50-200 нм) престаје да расте када сав доступни бор на површини честице реагује. За разлику од Мг(ОХ)2, који расте према унутра како вода дифундује кроз слој хидроксида, боратни филм има веома ниску дифузију воде (приближно . 10-14 цм2/с на 50 степени наспрам . 10-10 цм2/с за Мг(ОХ)2). Ова кинетичка баријера повећава време до значајног електричног квара за фактор 10–50 за исте услове продора влаге.

Релативне електричне перформансе под убрзаним тестирањем влажности
Убрзани тестови влажности изведени су на 316 грејних цеви обложених нерђајућим челиком (1,2 мм зид, 10 мм ОД, 1,5 кВ назив, 230 В) са три унутрашње композиције пунила. Цеви су запечаћене стандардним заптивкама од силиконске гуме и смештене у температурну{6}}комору за влажност на 60 степени, 95% релативне влажности, при чему су грејачи били без напајања, осим за повремена мерења отпора изолације (мерено на 500 В ДЦ). Период испитивања је био 2000 сати, што одговара око 2-3 године излагања на терену у влажним ограђеним просторима.

Тип пунила Садржај бора (теж.% као Б₂О₃) Почетни ИР на 25 степени (МΩ) ИР После 500 сати на 60 степени /95% РХ (МΩ) ИР После 1000 сати (МΩ) ИР После 2000 сати (МΩ) Режим грешке < 1 МΩ
Стандардни МгО (индустријска класа)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
МгО високе{0}}чистоће (99,9%, калцинисан)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 сати
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (без неуспеха)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (без неуспеха)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (без неуспеха)
Највеће перформансе показао је ко-синтеровани магнезијум борат-МгО материјал, где је бор интегрисан у кристалну решетку МгО током калцинације на високој температури, уместо једноставним мешањем, са отпором изолације од више од 80 МΩ након 2000 сати убрзаног тестирања влажности. Ово је 100 пута побољшање у односу на нормалан МгО за исту дужину теста.

Температурна зависност отпорности на влагу Бором{0}}модификованих пунила
Ефикасност бором{0}}модификованих пунила зависи од температуре терминалног заптивача и хладног краја омотача, где нормално улази влага, а температура пунила може бити само 40–80 степени. Испод 60 степени, хидратација честица бора је спора и неизреаговани бор и даље може дозволити да се хидратација МгО деси током дужег временског периода. Међутим, током рада грејача, хладни крај је нормално 80-120 степени због пренете топлоте. На овим температурама реакција заптивања бората се убрзава и влага која улази се брзо троши да би се створио стабилан хидратисани боратни премаз.

Продужени тестови на константној температури (без циклуса грејања) показују температурну границу за ефикасну заштиту бора:

30 степени, 95% РХ: Бором модификовано пунило > 3000 сати ИР > 100 МΩ, стандардни МгО 800-1000 сати.

50 степени, 95% релативне влажности (а) Бором-модификовани пунилац преживљава 2000 сати уз мало погоршања. Стандардни МгО отказује на 400-600 сати.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 МΩ након 2000 сати; обични МгО не успева на 200–300 сати.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 МΩ након 2000 сати). Висока температура уклања апсорбовану влагу.

За грејаче без напајања у хладном, влажном стању приправности (нпр. сезонска опрема, резервни грејачи) температура на хладном крају може бити амбијентална. У овим ситуацијама, бором{1}}модификовани пунилац даје 3-5к побољшање отпорности на влагу у односу на обични МгО, али не може спречити коначно пропадање ако је продор влаге неумољив. За апликације у хладном стању мировања одговор су херметички затворени терминали (заптивке од стакла{5}}на-металне) или грејач ниске снаге (5-10% називне снаге) који одржава температуру хладног краја изнад 60 степени.

Тестирање на терену у морским и спољашњим контролним кућиштима
Теренска студија је пратила перформансе 316 цеви за грејање обложених нерђајућим челиком монтираних у спољашњим контролним кућиштима (ознака НЕМА 4Кс, али са унутрашњом кондензацијом) у постројењу за пречишћавање приобалних отпадних вода. Услови околине: 20 до 35 степени, 60 до 95% релативне влажности, сони спреј у ваздуху (таложење хлорида од 0,1 до 0,5 мг/м3). Отпорност изолације је процењивана свака три месеца током 36 месеци за 50 грејача са обичним МгО пунилом и 50 грејача са бором{14}}модификованим МгО (ко-синтеровани магнезијум борат).

Резултати за типичне МгО грејаче: Просечна ИР 45 МΩ (опсег 8–210 МΩ) после 6 месеци. После 12 месеци, 22 грејача (44%) су имала ИР < 1 МΩ и активирала је заштиту од земљоспоја. Четрдесет-један (82%) грејач је отказао за 24 месеца. После 36 месеци 48 грејача (96 процената) је покварило. Главна тачка квара је био хладан крај заптивке терминала и утврђено је да је пунило тамно сиво и проводљиво.

Резултати за бор{0}}модификоване МгО грејаче: Просечна ИР после 12 месеци била је 280 МΩ (опсег 110–650 МΩ). После 24 месеца, просечна ИР је била 95 МΩ (опсег 22–310 МΩ) и само 3 грејача (6%) су имала ИР испод 1 МΩ. Са 36 месеци, просечна ИР је била 52 МΩ (опсег 8-180 МΩ) и 8 грејача (16%) је покварило. Ово је 20-вишеструко повећање ефективног века трајања у односу на нормалан МгО за ово влажно окружење препуно соли, што се види по побољшаној стопи преживљавања од 84% након 36 месеци у односу на 4%. Анализа основног узрока Од осам кварова, пет је показало видљиво оштећење заптивке терминала (напукле силиконске чизме) и три су биле уграђене са хладним крајем грејача окренутим нагоре, омогућавајући кондензацији да се одведе у крај терминала – грешка у инсталацији коју чак ни пунило модификовано бором није могло у потпуности да надокнади.

Језик спецификације за грејаче кућишта високе влажности
За електричне цеви за грејање умотане од нерђајућег челика 316 које су специфициране за кућишта где релативна влажност редовно може да пређе 80% или где је вероватна кондензација, инжењери би требало да наведу критеријуме састава пунила у спецификацији за куповину. Унутрашње диелектрично пунило треба да буде магнезијум оксид модификован бор оксидом или магнезијум боратом са минималним садржајем бора који одговара 2,5% Б2О3 по тежини. Ко-МгО допирани бором је повољан за механички мешана једињења бора. Отпорност пунила на влагу према ИЕЕЕ Стд 515 Анекс Ц (отпорност изолације од 500 В ДЦ након 500 сати на 60 степени, 95% РХ). Минимална дозвољена ИР ће бити 50 МΩ. За апликације где је апсолутна поузданост критична – као што су грејачи који се односе на нуклеарну безбедност-или грејачи на беспилотним платформама на мору – наведите херметички затворене терминале са заптивкама од стакла{18}}на- поред бором-модификованог пунила и захтевајте одржавање-минималне температуре од 5 степени на хладном колу{2 да би се одржала температура на хладном месту{2 грејач је искључен.

Сазнање да процес квара није корозија омотача, већ хигроскопија унутрашњег пунила, омогућава инжењерима да одреде бором{0}}модификовани МгО, како би избегли спору електричну деградацију коју обични пуниоци увек трпе. Додатни трошак бором-модификованог пунила (обично 10-15% трошкова производње грејача) се брзо враћа кроз смањено одржавање, мање проблема са земљом и дуже циклусе замене грејача.