Kodėl 316 nerūdijančio plieno apvalkalo elektriniai šildymo vamzdžiai su boru-pridėtais vidiniais dielektriniais užpildais kintamosios srovės nuotėkio srovės skilimui didelės-drėgmės korpusuose atlaiko veiksmingiau nei standartiniai magnio oksido užpildai?

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 MΩ iki mažesnio nei 1 MΩ, dėl ko išsijungia nuotėkio srovė ir suaktyvinama apsauga nuo įžeminimo gedimo. Tarp jų yra žinoma, kad boro -turintys priedai, būtent boro oksidas (B 2 O 3 ) arba magnio boratas (Mg 3 B 2 O 6 ), chemiškai reaguoja su vandeniu, sudarydami nuolatinį, ne-higroskopinį hidratuoto borato sluoksnį, kuris užsandarina dalelių paviršius nuo papildomos drėgmės, sugeriančios 2–5 % masės. Šiame straipsnyje aprašoma boro -modifikuotų MgO užpildų drėgmės sugerties kinetika ir atsparumas elektriniam skilimui, palyginti su standartiniu MgO 316 nerūdijančio plieno apvalkalų 40–60 laipsnių ir 95 % santykinės drėgmės aplinkoje, ir pateikiamos rekomendacijos, kaip pasirinkti užpildą didelio vientisumo taikymui, kai tai yra labai svarbu.

Higroskopinis standartinio magnio oksido užpildo uždarytuose šildymo vamzdeliuose veikimas
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%, todėl susidaro laidus tirpalas, jungiantis šildymo laidą ir apvalkalą.

Šildymo vamzdyje su nenutrūkusiomis gnybtų sandarikliais vidinis užpildas išlieka sausas amžinai. Tačiau praktikoje gnybtų sandarikliai (dažniausiai silikoninė guma arba epoksidinė derva) pablogėja veikiant karščiui ir UV spinduliams, susidaro 10–100 mikrometrų pločio mikroįtrūkimai. Šie įtrūkimai leidžia patekti drėgnam orui. Drėgmei pasiekus MgO užpildą, varža mažėja 3 etapais. Pirmas etapas: išorinių MgO dalelių sluoksnių paviršiaus hidroksilinimas, padidinant nuotėkio srovę 10-100. Antras etapas: didėja vidinė hidratacija ir patinimas, dėl kurio vidinis slėgis gali įtrūkti apvalkalo. Trečias etapas: elektrolitinio kanalo sukūrimas nuo šildymo laido iki apvalkalo, dėl kurio susidaro didesnės nei 5–10 mA įžeminimo srovės ir išjungiami liekamosios srovės įtaisai (RCD). Lauko duomenys iš lauko pramoninių šildytuvų patvirtina, kad 316 apvalkalų su įprastiniu MgO užpildu IR po 6–18 mėnesių nukrenta žemiau 1 MΩ esant 95 % santykiniam drėgniui.

Boro priedų mechanizmas: cheminis MgO dalelių sandarinimas
Į MgO užpildą pridedame boro junginių, kad sukurtume savaime{0}}ribojantį hidratacijos barjerą naudojant boro rūgšties chemiją. Boro rūšys pirmiausia adsorbuoja pirmąjį vandens sluoksnį ir reaguoja, kad susidarytų plona hidratuoto boro oksido (H3BO3 arba B2O3·3H2O) danga ant dalelių paviršių, kai B2O3 arba magnio boratas sumaišomas su 2–5 masės % MgO. Trys svarbūs šio hidratuoto sluoksnio aspektai: Pirma, jo pusiausvyros vandens garų slėgis yra daug mažesnis nei Mg(OH)2, todėl jis greitai ir pilnai susidaro prieš bet kokį pastebimą MgO hidrataciją. Antra, amorfinis, ištisinis hidratuotas borato lakštas visiškai apgaubia kiekvieną MgO dalelę. Trečia, plėvelė yra stabili ir ne{16}}higroskopiška virš 60-80 laipsnių - temperatūros diapazono, su kuriuo susiduria užpildas veikiančiame šildymo vamzdyje (paprastai 150-300 laipsnių šalia laido, bet iki 50-100 laipsnių šalia apvalkalo, kai ciklas neveikia).

Susidariusi borato danga neleidžia vandeniui toliau sklisti į apatinį MgO. Reakcija savaime ribojasi, nes plėvelės storis (paprastai 50–200 nm) nustoja augti, kai sureaguoja visas prieinamas boras dalelės paviršiuje. Skirtingai nuo Mg(OH)2, kuris auga į vidų, kai vanduo difunduoja per hidroksido sluoksnį, borato plėvelės vandens difuziškumas yra labai mažas (apie . 10-14 cm2/s esant 50 laipsnių, palyginti su . 10-10 cm2/s Mg(OH)2). Ši kinetinė barjera pailgina laiką iki esminio elektros gedimo 10–50 kartų tomis pačiomis drėgmės įsiskverbimo sąlygomis.

Santykinis elektros našumas atliekant pagreitinto drėgmės bandymą
Pagreitintos drėgmės bandymai buvo atlikti su 316 nerūdijančio plieno aptrauktų šildymo vamzdžių (1,2 mm siena, 10 mm OD, 1,5 kW vardinė galia, 230 V) su trimis vidaus užpildų kompozicijomis. Vamzdžiai buvo užsandarinti standartiniais silikoninės gumos gnybtų sandarikliais ir patalpinti į temperatūros{6}}drėgmės kamerą esant 60 laipsnių, santykinis drėgnis 95 %, šildytuvai buvo be maitinimo, išskyrus atsitiktinius izoliacijos varžos matavimus (matuojama esant 500 V DC). Bandymo laikotarpis buvo 2000 valandų, o tai atitinka maždaug 2–3 metus ekspozicijos lauke drėgnuose aptvaruose.

Užpildo tipas Boro kiekis (masės % kaip B₂O₃) Pradinis IR esant 25 laipsnių (MΩ) IR Po 500 valandų esant 60 laipsnių /95 % RH (MΩ) IR Po 1000 val. (MΩ) IR Po 2000 val. (MΩ) < 1 MΩ režimas (IR)
Standartinis MgO (pramoninis)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
Aukšto -grynumo MgO (99,9 %, kalcinuotas)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 val
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (be gedimo)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (be gedimo)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (be gedimo)
Didžiausią našumą parodė bendrai su{0}}sukepinta magnio borato-MgO medžiaga, kai boras buvo integruotas į MgO kristalinę gardelę deginant aukštoje temperatūroje, o ne paprasčiausiai maišant, o izoliacijos varža viršija 80 MΩ po 2000 valandų pagreitinto drėgmės bandymo. Tai yra 100 kartų pagerėjimas, palyginti su įprastu MgO, atliekant tą patį bandymo trukmę.

Modifikuotų boro užpildų{0}}atsparumo drėgmei priklausomybė nuo temperatūros
Boru{0}}modifikuotų užpildų efektyvumas priklauso nuo gnybtų sandariklio temperatūros ir šaltojo apvalkalo galo, kur paprastai patenka drėgmė, o užpildo temperatūra gali būti tik 40–80 laipsnių. Žemesnėje nei 60 laipsnių temperatūroje boro dalelių hidratacija yra vangi, o nesureagavęs boras ilgą laiką gali leisti šiek tiek hidratuoti MgO. Tačiau šildytuvo veikimo metu šaltasis galas paprastai būna 80-120 laipsnių dėl perduodamos šilumos. Esant tokioms temperatūroms, paspartėja borato sandarinimo reakcija, o patekusi drėgmė greitai sunaudojama, kad susidarytų stabili hidratuota borato danga.

Ilgalaikiai bandymai esant pastoviai temperatūrai (be šildymo ciklų) rodo temperatūros ribą veiksmingai apsaugai nuo boro:

30 laipsnių, 95 % RH: Boru modifikuotas užpildas > 3000 valandų IR > 100 MΩ, standartinis MgO 800-1000 val.

50 laipsnių, 95 % santykinis drėgnis (a) Boro -modifikuotas užpildas išgyvena 2000 valandų su nedideliu gedimu. Standartinis MgO sugenda po 400–600 valandų.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ po 2000 valandų; įprastas MgO sugenda 200–300 valandų.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ po 2000 valandų). Aukšta temperatūra pašalina sugertą drėgmę.

Nenaudojamiems šildytuvams esant šaltam, drėgnam budėjimo režimui (pvz., sezoninei įrangai, atsarginiams šildytuvams) šalta pabaigos temperatūra gali būti aplinkos temperatūra. Tokiomis aplinkybėmis boru{1}}modifikuotas užpildas 3-5 kartus pagerina atsparumą drėgmei, palyginti su įprastu MgO, bet negali užkirsti kelio galutiniam gedimui, jei drėgmė nepaliaujamai įsiskverbia. Šaltojo budėjimo režimo programoms atsakymas yra hermetiškai užsandarinti gnybtai (stikliniai{5}}į-metaliniai sandarikliai) arba mažos galios šildytuvas (5–10 % vardinės galios), palaikantis šaltą temperatūrą aukštesnę nei 60 laipsnių.

Jūrų ir lauko valdymo korpusų lauko bandymai
Lauko tyrimas buvo atliktas pagal 316 nerūdijančiu plienu dengtų šildymo vamzdžių, sumontuotų lauko valdymo gaubtuose (pažymėtuose NEMA 4X, bet su vidine kondensacija) veikimą pakrantės nuotekų valymo įrenginiuose. Aplinkos sąlygos: nuo 20 iki 35 laipsnių, nuo 60 iki 95 % santykinis oro drėgnumas, ore sklindanti druska (0,1–0,5 mg/m3 chlorido nusodinimo). Izoliacijos varža buvo vertinama kas tris mėnesius 36 mėnesius 50 šildytuvų su įprastu MgO užpildu ir 50 šildytuvų su boru -modifikuotu MgO (ko-sukepinto magnio borato tipo).

Tipiškų MgO šildytuvų rezultatai: vidutinis IR 45 MΩ (diapazonas 8–210 MΩ) po 6 mėnesių. Po 12 mėnesių 22 šildytuvai (44 %) turėjo IR < 1 MΩ ir suveikė apsauga nuo įžeminimo. Keturiasdešimt vienas (82 %) šildytuvas sugedo per 24 mėnesius . Po 36 mėnesių sugedo 48 šildytuvai (96 proc.). Pagrindinis gedimo taškas buvo šaltas gnybto sandariklio galas, o užpildas buvo tamsiai pilkas ir laidus.

Boro -modifikuotų MgO šildytuvų rezultatai: vidutinis IR po 12 mėnesių buvo 280 MΩ (diapazonas 110–650 MΩ). Po 24 mėnesių vidutinis IR buvo 95 MΩ (diapazonas 22–310 MΩ) ir tik 3 šildytuvuose (6 %) IR buvo mažesnis nei 1 MΩ. Po 36 mėnesių vidutinis IR buvo 52 MΩ (diapazonas 8-180 MΩ), o 8 šildytuvai (16 %) sugedo. Tai 20 -kartų ilgesnis efektyvus tarnavimo laikas, palyginti su įprastu MgO šioje drėgnoje, druskingoje aplinkoje, kaip matyti iš 84 % pagerėjusio išgyvenamumo po 36 mėnesių, palyginti su 4 %. Pagrindinės priežasties analizė Iš aštuonių gedimų penkiose buvo matomi gnybtų sandariklio pažeidimai (įtrūkę silikoniniai antgaliai), o trys buvo sumontuoti šaltu šildytuvo galu nukreiptu į viršų, todėl kondensatas galėjo nutekėti į terminalo sritį – montavimo klaida, kurios net boru modifikuotas užpildas negalėjo visiškai kompensuoti.

Didelės drėgmės korpuso šildytuvų specifikacijų kalba
316 nerūdijančio plieno apvyniotų elektrinių šildymo vamzdžių, skirtų korpusams, kuriuose santykinė oro drėgmė reguliariai gali viršyti 80 % arba kur tikėtinas kondensatas, inžinieriai pirkimo specifikacijoje turėtų nurodyti užpildo sudėties kriterijus. Vidinis dielektrinis užpildas turi būti magnio oksidas, modifikuotas boro oksidu arba magnio boratu, kurio minimalus boro kiekis atitinka 2,5 % B2O3 pagal masę. Ko-sukepintas boru legiruotas MgO yra palankus mechaniškai maišytiems boro junginiams. Užpildas turi būti įvertintas dėl atsparumo drėgmei pagal IEEE Std 515 C priedą (500 V nuolatinės srovės izoliacijos varža po 500 valandų esant 60 laipsnių, 95 % santykinė drėgmė). Mažiausias leistinas IR turi būti 50 MΩ. Tais atvejais, kai absoliutus patikimumas yra labai svarbus, pvz., su branduoline sauga-susiję šildytuvai ar nepilotuojamų jūrinių platformų šildytuvai, nurodykite hermetiškai uždarytus gnybtus su stiklo -į-metaliniais sandarikliais, neskaitant boro{20}}modifikuoto užpildo, ir reikalauti išlaikyti-gyvą temperatūrą, kai pagrindinės grandinės temperatūra yra ne mažesnė kaip 6}5}. išjungti.

Žinodami, kad gedimo procesas yra ne apvalkalo korozija, o vidinio užpildo higroskopija, inžinieriai gali nurodyti boro -modifikuotą MgO, kad būtų išvengta lėto elektrinio skilimo, nuo kurio visada kenčia įprasti užpildai. Papildomos boru -modifikuoto užpildo sąnaudos (paprastai 10–15 % šildytuvo gamybos sąnaudų) greitai susigrąžinamos, nes sumažėja techninė priežiūra, sumažėja trikdžių išjungimų dėl įžeminimo ir ilgesni šildytuvo keitimo ciklai.