Kaip šildymo elemento laido skersmens tolerancija 316 nerūdijančio plieno apvalkalo viduje koreliuoja su vietiniu karštųjų taškų susidarymu ir priešlaikiniu perdegimu

Terminis pabėgimas, kurį sukelia pasipriešinimo kitimo procesas

Vidinės varžos vielos (pvz., nikelio -chromo (NiCr 80/20) arba geležies -chromo-aliuminio (FeCrAl) lydinio) iš 316 nerūdijančio plieno pagamintų elektrinių šildymo vamzdžių iš anksto nustatytas skersmens leistinas nuokrypis yra ± 3 mm, priklausomai nuo 0.0 mm iki 0.0 mm. Ši tolerancija, nors ir maža, iš karto atspindi pasipriešinimo pokyčius per visą laido ilgį. Elektrinė varža yra atvirkščiai proporcinga skerspjūvio plotui ( R=ρ × L / A kur A=π × d²/4 ). Vardinės 0,50 mm vielos skersmens sumažinimas tik 0,02 mm sumažina skerspjūvio plotą maždaug 8 %, o tai atitinkamai padidina vietinę varžą. Taikant pastovią įtampą, didesnės varžos dalis išsklaidys daugiau galios (P=V^2/R) ir taps karštesnė nei gretimos sekcijos. Šis lokalizuotas šildymas sukelia greitą varžos laido oksidaciją, padidina atsparumą ir terminį išsijungimą, dėl kurio atsiranda ankstyvas perdegimas. Šiame straipsnyje apibrėžiamas ryšys tarp laido skersmens tolerancijos ir vietinės temperatūros padidėjimo bei šildytuvo eksploatavimo trukmės ir apskaičiuojamos specifikacijų ribos patikimai ilgalaikei paslaugai.

Skersmens kitimas, sukeliantis terminį pabėgimo procesą

Jei turite varžos laidą ir jo skersmens pokytis yra lokalizuotas, srovei tekant didesnės varžos dalis gamins daugiau šilumos vienam ilgio vienetui. Tačiau šilumos išsklaidymo iš to segmento greitis nėra proporcingai didesnis, nes vielos paviršiaus plotas yra panašiai sumažintas (plotas ∝ d). Tai duoda grynąjį per mažos dalies temperatūros padidėjimo poveikį 1/d^3. Sumažinus skersmenį 2 % (pvz., . 0.49 mm, o ne 0,50 mm), temperatūra padidėja 6-8 %. 5% sumažinimas reiškia 15-20% temperatūros padidėjimą. NiCr vielos, kai nominali 750–850 laipsnių šerdies temperatūra (būdinga šildytuvams su apvalkalu), 20 % temperatūros padidėjimas pakelia laidą iki 900–1000 laipsnių, kur oksidacijos greitis padidėja 10–50 kartų. Greita oksidacija sunaudoja vielos skerspjūvį ir savaime įsibėgėjančio ciklo metu dar labiau padidina vietinį pasipriešinimą ir temperatūrą. Tai sukuria vietinį „karštą tašką“, kuris per šimtus ar tūkstančius valandų artėja prie lydymosi temperatūros (apie 1400 laipsnių NiCr) ir sukelia laido plyšimą bei šildytuvo gedimą.

Kiekybinė koreliacija tarp vielos skersmens tolerancijos ir karšto taško temperatūros

Žemiau esančioje lentelėje parodytas apskaičiuotas karšto taško temperatūros padidėjimas NiCr 80/20 varžos laidui (nominali darbinė temperatūra 800 laipsnių) kaip skersmens sumažėjimo nuo vardinės vertės funkcija, darant prielaidą, kad veikia pastovi įtampa ir vienodas šilumos išsklaidymo koeficientas. „Laiko iki perdegimo“ įvertinimai yra pagrįsti pagreitintais apvalkaluotų šildytuvų eksploatavimo bandymais su kontroliuojamais diametro pokyčiais.

Nominal Diameter Reduction (%) Local Resistance Increase (%)Local Power Density Increase (%) Local Wire Temperature (°C) at Nominal 800°C Relative Oxidation Rate to Nominal Estimated Burnout Time (hours)Maximum Recommended for Standard Service 0 (nominal) 0 0 800 1× >20 000 Taip 0.5 1.0 1.0 808 1.1× 15 000–20 000 Taip 1.0 2.0 2.0 816 1.3 × 10 000–15 000 Taip
1.5 3.0 3.0 825 1.6× 7 000–10 000 Priimtinas *3 2.0 4.1 4.2 834 2.0 × 5 000–8 000 Priimtinas vidutiniam darbui *4
2.5 5.1 5.3 844 2.5x 3 500–5 500 Ribinė dalis 3.0 6.2 6.5 854 3.2 x 2 500–4 000 Nerekomenduojama 4.0 8.3 8.8 876 5.0 x 1 500–2 500 Nepriimtina
5.0 10.5 11.3 898 8.0× 300–600 Nepriimtina 7.0 14.9 16.3 947 20× 800–1 500 Nepriimtina
10.0 21.0 23.5 1,010 80× 100–200 Neleidžiama
Vielos skersmens ir MgO tankinimo vienodumo ryšys

Vien tik vielos skersmens skirtumas ne visada sukelia perdegimą, jei aplinkui esantis MgO tankinimas taip pat nevienodas. Kai kurios per mažo dydžio vielos labai sutankintame MgO (didelis šilumos laidumas) gali pakakti papildomai šilumai išsklaidyti ir saugiai temperatūrai palaikyti. Kita vertus, vardinio skersmens viela, įdėta į prastai sutankintą MgO (mažas šilumos laidumas), taip pat gali būti perkaitintas. Blogiausia situacija susidaro, kai skersmens kritimas sutampa su mažo MgO tankio sritimi; statistinė tokio įvykio tikimybė auga didėjant laido ilgiui ir gamybos variantų skaičiui. Gamintojai, reguliuojantys vielos skersmenį (±0,01 mm), ir MgO tankį (±0,05 g/cm³), turi daug ilgesnį ir labiau nuspėjamą gyvenimą nei tie, kurie valdo tik vieną parametrą.

Nurodykite vielos skersmens toleranciją įvairiems aptarnavimo reikalavimams

Pirkėjai, nurodantys 316 šildytuvus su apvalkalu, turi atitikti vielos skersmens toleranciją, būtiną kritiškumui ir numatomam naudojimo laikui. Specifikacijų gairės pateiktos toliau esančioje lentelėje.

Šildytuvo naudojimo laido skersmens tolerancija Vielos skersmuo (mm) Tipinė gyvenimo trukmė (valandomis) Tikrinimo metodas
Bendras pramoninis vandens šildymas ±0,015 mm 0.40-0.80 10, 000–15 000 Gamintojo sertifikatas
Didelis patikimumas / nenutrūkstamas procesas ±0,010 mm 0.50-1.00 15,000-25 000 Matuojant mėginys sunaikinamas
Medicinos / farmacijos (kritinis) ±0,005 mm 0.60-1.20 25, 000–40 000 100 proc. patikrinimo ataskaita
Oro/dujinis šildymas, aukšta temperatūra ±0,010 mm 0.70-1.50 8,000-15 000 Gamintojo sertifikatas
Trumpas-eksploatavimo laikas / sunaudojami šildytuvai ±0,025 mm 0.30-0.60 3, 000–6 000 N/A Nėra
Laido skersmens karštojo taško gedimo lauko požymiai

Šildytuvo gedimas, kurį sukelia vielos skersmens kitimas, paprastai sukelia sugedusį apvalkalą su vienu vietiniu 10–30 mm ilgio iškilimu arba pūslele šalia per mažo vielos segmento. Kitų pažeidimų likusioje apvalkalo dalyje nematyti. Sugedusios varžos laido vietos mikroskopinė analizė rodo reikšmingą oksidaciją, įdubimą arba visišką išgaravimą, o aplinkinė viela yra nepažeista. Karštojo taško srityje esantis MgO gali būti susilydęs arba pakeisti spalvą (nuo tamsiai pilkos iki juodos). Jei sugedęs šildytuvas yra iš partijos su netinkamu skersmens valdymu, keli tos pačios partijos šildytuvai suges skirtingose ​​vietose, bet turi tą patį išskirtinį vieną karštą tašką. Pirkėjams, siekiant užtikrinti kokybę, šildytuvo gamintojas turi pateikti vielos skersmens matavimo sertifikatą (mažiausiai 10 matavimų vienoje ritėje) su dokumentais patvirtintu diapazonu ir standartiniu nuokrypiu.

Išvada: Vielos skersmens, kaip kritinio kokybės parametro, tolerancija

316 nerūdijančio plieno gaubtų šildytuvų vidinės varžos vielos skersmens tolerancija yra paslėptas kintamasis, kuris gali sutrumpinti šildytuvo tarnavimo laiką nuo 20 000 valandų iki 2 000 valandų dėl lokalizuoto karšto taško generavimo ir šilumos nutekėjimo. Vos 3 % sumažėjęs skersmuo gali pakelti vietinę vielos temperatūrą 50-60 laipsnių, o tai padidina oksidacijos greitį 3-5 kartus ir sukelia priešlaikinį perdegimą. Tais atvejais, kai reikia daugiau nei 5 000 valandų, inžinieriai, nurodantys šildytuvus, turi nurodyti vielos skersmens leistiną nuokrypį ±0,015 mm arba didesnį. Esant kritinei arba aukštai temperatūrai, reikia nurodyti ±0,010 mm arba ±0,005 mm. Čia aprašyta sistema sujungia vielos skersmens kitimą su išmatuojamu karšto taško temperatūros padidėjimu ir perdegimo laiku. Tai leidžia pirkėjams nurodyti 316 apvalkalų šildytuvų su atsparumo viela, kurios temperatūros pasiskirstymas yra nuoseklus, pašalinant dažniausiai pasitaikantį vidinį ankstyvo gedimo šaltinį.