Miksi ruostumattomasta teräksestä valmistetut 316-sähkölämmitysputket, joissa on booria,-lisättyjä sisäisiä dielektrisiä täyteaineita kestävät vaihtovirtavuotovirran hajoamista korkean-kosteuden koteloissa tehokkaammin kuin tavalliset magnesiumoksiditäyteaineet?

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 alle 1 MΩ, mikä johtaa vuotovirran laukeamiseen ja maasulkusuojan aktivoitumiseen. Niiden joukossa booria -sisältävien lisäaineiden, nimittäin boorioksidin (B 2 O 3 ) tai magnesiumboraatin (Mg 3 B 2 O 6 ), tiedetään reagoivan kemiallisesti veden kanssa muodostaen pysyvän, ei--hygroskooppisen hydratoituneen boraattikerroksen, joka tiivistää hiukkasten pinnat sekoittuessaan ylimääräisellä kosteudella 2–5 %:lla. Tässä artikkelissa kuvataan boori-muokattujen MgO-täyteaineiden kosteuden absorptiokinetiikkaa ja sähköistä hajoamiskestävyyttä verrattuna tavanomaiseen MgO:han 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetun vaipan 40–60 asteen ja 95 %:n suhteellisessa kosteudessa ympäristöissä. Se antaa ohjeita täyteaineen valintaan korkean{18}eheyden sovelluksissa, joissa se on kriittistä.

Suljetuissa lämmitysputkissa olevan tavallisen magnesiumoksiditäyteaineen hygroskooppinen vaikutus
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 %, jolloin muodostuu johtava liuos, joka yhdistää lämmityslangan ja vaipan.

Lämmitysputkessa, jossa on ehjät päätetiivisteet, sisäinen täyteaine pysyy kuivana ikuisesti. Käytännössä päätetiivisteet (yleensä silikonikumi tai epoksi) kuitenkin heikkenevät lämpökierron ja UV-altistuksen vaikutuksesta ja muodostuu 10-100 mikrometriä leveitä mikrohalkeamia. Nämä halkeamat päästävät kosteaa ilmaa sisään. Kun kosteus saavuttaa MgO-täyteaineen, resistiivisyyden heikkeneminen seuraa 3-vaiheista prosessia. Vaihe yksi: ulompien MgO-hiukkaskerrosten pintahydroksylaatio, lisäämällä vuotovirtaa 10-100. Vaihe kaksi: lisääntynyt sisäinen nesteytys ja turvotus, joka voi halkeilla vaipan sisäisen paineen vaikutuksesta. Kolmas vaihe: elektrolyyttisen kanavan luominen lämmityslangasta vaippaan, mikä johtaa yli 5–10 mA:n maasulkuvirtoihin ja vikavirtalaitteiden (RCD) laukeamiseen. Kenttätiedot teollisuuslämmittimien ulkoasennuksista vahvistavat, että tavanomaisella MgO-täytteellä varustetun 316 vaipan IR putoaa alle 1 MΩ 6-18 kuukauden kuluttua olosuhteissa, joissa suhteellinen kosteus on 95 %.

Boorin lisäysmekanismi: MgO-hiukkasten kemiallinen sulkeminen
Lisäämme booriyhdisteitä MgO-täyteaineeseen rakentaaksemme itse-rajoittuvan hydraatiosulun boorihappokemian avulla. Boorilajit adsorboivat ensisijaisesti ensimmäisen yksikerroksisen veden ja reagoivat muodostaen ohuen hydratoituneen boorioksidikerroksen (H3BO3 tai B2O3·3H2O) hiukkasten pinnoille, kun B2O3:a tai magnesiumboraattia sekoitetaan MgO:n kanssa 2–5 painoprosenttia. Tämän hydratoidun kerroksen kolme tärkeää näkökohtaa ovat: Ensinnäkin, sen veden tasapainopaine on paljon alhaisempi kuin Mg(OH)2:n, joten se muodostuu nopeasti ja täydellisesti ennen huomattavaa MgO-hydratoitumista. Toiseksi amorfinen, jatkuva hydratoitu boraattilevy peittää täysin jokaisen MgO-hiukkasen. Kolmanneksi kalvo on vakaa ja ei-{16}}hygroskooppinen yli 60-80 asteen - lämpötila-alueella, jonka täyteaine kohtaa toimivan lämmitysputken sisällä (yleensä 150-300 astetta lähellä lankaa, mutta alaspäin 50-100 astetta vaipan lähellä off-syklien aikana).

Kun boraattipinnoite on muodostunut, se estää vettä diffundoitumasta edelleen alla olevaan MgO:hen. Reaktio on itserajoittuva, koska kalvon paksuus (normaalisti 50-200 nm) lakkaa kasvamasta, kun kaikki hiukkasen pinnalla oleva boori on reagoinut. Toisin kuin Mg(OH)2, joka kasvaa sisäänpäin veden diffundoituessa hydroksidikerroksen läpi, boraattikalvolla on erittäin alhainen veden diffuusiokyky (noin . 10-14 cm2/s 50 asteessa vs . 10-10 cm2/s Mg(OH)2:lle). Tämä kineettinen este pidentää aikaa merkittävään sähköiseen rikkoutumiseen kertoimella 10–50 samoissa kosteuden tunkeutumisolosuhteissa.

Suhteellinen sähköinen suorituskyky nopeutetussa kosteustestissä
Nopeutetut kosteustestit suoritettiin 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetylle lämmitysputkelle (1,2 mm seinä, 10 mm ulkohalkaisija, 1,5 kW luokitus, 230 V) kolmella sisätilojen täyteainekoostumuksella. Putket suljettiin tavallisilla silikonikumisilla päätetiivisteillä ja asetettiin lämpötilan -kosteuskammioon 60 astetta, 95 %:n suhteellinen kosteus, lämmittimien ollessa virrattomia lukuun ottamatta satunnaisia ​​eristysresistanssimittauksia (mitattu 500 V DC:ssä). Testijakso oli 2000 tuntia, mikä vastaa noin 2-3 vuoden kenttäaltistusta kosteissa koteloissa.

Täyteainetyyppi Booripitoisuus (paino-%, B2O₃) Ensimmäinen IR 25 asteessa (MΩ) IR 500 tunnin kuluttua 60 asteessa / 95 % RH (MΩ) IR 1000 tunnin jälkeen (MΩ) IR 2000 tunnin jälkeen (MΩ) < 1 MΩ.
Normaali MgO (teollinen laatu)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
Korkean -puhtauden MgO (99,9 %, kalsinoitu)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 tuntia
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (ei vikaa)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (ei vikaa)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (ei vikaa)
Parhaan suorituskyvyn osoitti ko-sintrattu magnesiumboraatti-MgO-materiaali, jossa boori integroitiin MgO:n kidehilaan korkean lämpötilan kalsinoinnin aikana yksinkertaisen sekoituksen sijaan. Eristysvastus oli yli 80 MΩ 2000 tunnin kiihdytetyn kosteustestin jälkeen. Tämä on 100-kertainen parannus normaaliin MgO:han verrattuna samalla testin pituudella.

Boori{0}}muokattujen täyteaineiden kosteudenkestävyyden lämpötilariippuvuus
Boori-muokattujen täyteaineiden tehokkuus riippuu päätetiivisteen lämpötilasta ja vaipan kylmästä päästä, jonne kosteus normaalisti tulee ja täyteaineen lämpötila voi olla vain 40–80 astetta. Alle 60 asteen lämpötilassa boorihiukkasten hydratoituminen on hidasta ja reagoimaton boori voi silti sallia jonkin verran MgO-hydratoitumista pitkiä aikoja. Lämmittimen käytön aikana kylmä pää on kuitenkin normaalisti 80-120 astetta siirtyvän lämmön vuoksi. Näissä lämpötiloissa boraatin tiivistysreaktio kiihtyy ja sisään tuleva kosteus kuluu nopeasti stabiilin hydratoidun boraattipinnoitteen muodostamiseksi.

Pitkät testit vakiolämpötilassa (ei lämmitysjaksoja) osoittavat lämpötilarajan tehokkaalle boorisuojalle:

30 astetta, 95 % RH: Boorimuunneltu täyteaine > 3000 tuntia IR > 100 MΩ, standardi MgO 800-1000 tuntia.

50 astetta, 95 % suhteellinen kosteus (a) Boori-muokattu täyteaine kestää 2000 tuntia vain vähän huononemalla. Normaali MgO epäonnistuu 400-600 tunnin kohdalla.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ 2000 tunnin jälkeen; tavallinen MgO hajoaa 200–300 tunnin kohdalla.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ 2000 tunnin jälkeen). Korkea lämpötila poistaa imeytyneen kosteuden.

Tehottomien lämmittimien ollessa kylmässä, kosteassa valmiustilassa (esim. kausivarusteet, varalämmittimet) kylmän loppulämpötila voi olla ympäristön lämpötila. Näissä tilanteissa boori-muokattu täyteaine antaa 3-5x paremman kosteudenkestävyyden tavalliseen MgO:han verrattuna, mutta ei voi estää lopullista heikkenemistä, jos kosteuden tunkeutuminen on hellittämätöntä. Kylmävalmiussovelluksissa vastaus on hermeettisesti suljetut liittimet (lasi---metallitiivisteet) tai pienitehoinen hengissäpitolämmitin (5-10 % nimellistehosta), joka pitää kylmän loppulämpötilan yli 60 astetta.

Meren ja ulkoilman ohjauskoteloiden kenttätestaus
Kenttätutkimus seurasi 316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyn lämmitysputken suorituskykyä, jotka oli asennettu ulkosäätökoteloihin (merkitty NEMA 4X, mutta sisätiloissa kondensoitunut) rannikon jätevedenpuhdistamolla. Ympäristöolosuhteet: 20 - 35 astetta, 60 - 95 % RH, ilmassa oleva suolasuihku (0,1 - 0,5 mg/m3 kloridilaskeuma). Eristysresistanssi arvioitiin kolmen kuukauden välein 36 kuukauden ajan 50 lämmittimelle, joissa oli tavallinen MgO-täyteaine, ja 50 lämmittimelle, joissa oli boori-modifioitu MgO (ko-sintrattu magnesiumboraattityyppi).

Tulokset tyypillisille MgO-lämmittimille: Keskimääräinen IR 45 MΩ (alue 8–210 MΩ) 6 kuukauden kuluttua. 12 kuukauden kuluttua 22 lämmittimessä (44 %) IR < 1 MΩ ja maasulkusuoja laukesi. Neljäkymmentäyksi{10}}(82 %) lämmitintä epäonnistui 24 kuukauden kuluttua. 36 kuukauden jälkeen 48 lämmitintä (96 prosenttia) oli vioittunut. Pääasiallinen vikakohta oli liittimen tiivisteen kylmä pää ja täyteaine todettiin tummanharmaaksi ja johtavaksi.

Tulokset boori-muunnetuista MgO-lämmittimistä: Keskimääräinen IR 12 kuukauden jälkeen oli 280 MΩ (väli 110–650 MΩ). 24 kuukauden kuluttua keskimääräinen IR oli 95 MΩ (alue 22–310 MΩ) ja vain kolmella lämmittimellä (6 %) IR oli alle 1 MΩ. 36 kuukauden kohdalla keskimääräinen IR oli 52 MΩ (alue 8-180 MΩ) ja 8 lämmitintä (16 %) epäonnistui. Tämä on 20 --kertainen lisäys tehokkaassa käyttöiässä verrattuna normaaliin MgO:hen tässä kosteassa, suolapitoisessa ympäristössä, mikä näkyy 84 %:n parantuneena eloonjäämisasteena 36 kuukauden jälkeen verrattuna 4 %:iin. Perimmäissyyanalyysi Kahdeksasta viasta viidessä osoitti näkyvää päätetiivistevauriota (säröillä silikonisaappaat) ja kolme oli asennettu lämmittimen kylmäpää osoittaa ylöspäin, jolloin kondenssivesi pääsi valumaan päätealueelle – asennusvirhe, jota edes boorimuunneltu täyteaine ei pystynyt täysin kompensoimaan.

Korkean kosteuden kotelon lämmittimien erittelykieli
316 ruostumattomasta teräksestä kääritetylle sähkölämmitysputkelle, jotka on tarkoitettu koteloihin, joissa suhteellinen kosteus voi säännöllisesti ylittää 80 % tai joissa kondensaatio on todennäköistä, insinöörien tulee ilmoittaa täyteaineen koostumuksen kriteerit ostospesifikaatioissa. Sisäisen dielektrisen täyteaineen on oltava boorioksidilla tai magnesiumboraatilla modifioitua magnesiumoksidia, jonka booripitoisuus on vähintään 2,5 painoprosenttia B2O3. Ko-sintrattu boorilla seostettu MgO on suotuisa mekaanisesti sekoitetuille booriyhdisteille. Täyteaineen kosteudenkestävyys on arvioitava standardin IEEE Std 515 Annex C mukaisesti (500 V DC eristysvastus 500 tunnin jälkeen 60 asteessa, 95 % RH). Pienin sallittu IR on 50 MΩ. Sovelluksissa, joissa ehdoton luotettavuus on kriittinen – kuten ydinturvallisuuteen liittyvät lämmittimet tai miehittämättömien offshore-alustojen lämmittimet – määritä hermeettisesti suljetut liittimet, joissa on lasi---metallitiivisteet boori-muokatun täyteaineen lisäksi ja vaativat pitämään-elossa, kun pääpiirin lämpötila on vähintään 6}5}5}. pois päältä.

Tieto siitä, että vikaprosessi ei johdu vaipan korroosiosta, vaan täyteaineen sisäisestä hygroskoopista, antaa insinöörille mahdollisuuden määrittää boori-muokattu MgO, jotta vältetään hidas sähköinen hajoaminen, josta tavalliset täyteaineet aina kärsivät. Boori-muokatun täyteaineen lisäkustannukset (yleensä 10–15 % lämmittimen tuotantokustannuksista) maksetaan nopeasti takaisin vähentyneen huollon, vähemmän häiritsevien maavikalaukaisujen ja pidempien lämmittimen vaihtojaksojen ansiosta.