Яка максимально допустима пікова шорсткість (Rz) внутрішнього діаметра трубки оболонки нагрівача 316 запобігає локалізованому перегріву через зміну опору контакту з ізоляційним шаром MgO

Прихована змінна текстури поверхні отвору в рівномірності теплопередачі

Внутрішній діаметр поверхні, тобто пікова шорсткість (Rz, середня максимальна висота піків поверхні) 316 електричних нагрівальних трубок, обгорнутих нержавіючої сталі, є критичним фактором для контролю контактного опору між оболонкою та ущільненим шаром ізоляції з оксиду магнію (MgO). Для шорсткої внутрішньої поверхні з високими піками (Rz > 10-15 мкм) порошок MgO ущільнюється нерівномірно: високий контактний тиск на піках призводить до вищої локальної теплопровідності, тоді як западини (з нижчим контактним тиском або повітряними проміжками) призводять до областей з вищим тепловим опором. Наступні коливання теплопередачі по колу та вниз по осі можуть призвести до локального перегріву резистивного дроту на вершинах (де відведення тепла є найбільш ефективним) або в западинах (де накопичується тепло). Коли Rz перевищує 20 мікрон, можуть виникнути місцеві температурні коливання на 50-100 градусів C, що зменшить термін служби дроту в 2-5 разів. У цьому дослідженні кількісно визначено співвідношення внутрішнього діаметра Rz, однорідності контактного опору та терміну служби нагрівача.

Механізм зміни контактного опору з текстурою поверхні

Теплопровідність ущільненого порошку MgO не є постійною величиною матеріалу, але сильно залежить від контактного тиску між MgO та оболонкою. У місцях, де внутрішня поверхня оболонки має пік, локальний контактний тиск є значним (через стискання) і змушує кристали MgO тісно контактувати з металом. У долині, де поверхня найменш ущільнена, залишаються повітряні проміжки (теплопровідність=0.03 Вт/м·К), які виконують функцію теплоізоляторів. Перепад температури над повітряним зазором у 50-200 разів більший, ніж над щільно ущільненою областю MgO для аналогічного теплового потоку. Важливим параметром є пікова шорсткість Rz (висота від найнижчої западини до найвищої вершини), оскільки найглибші западини створюють найвищий термічний опір. Значення Rz внутрішніх діаметрів більше 10-15 мкм призведуть до помітних гарячих точок.

Кількісна кореляція між внутрішнім діаметром Rz і однорідністю температури

Аналіз кінцевих елементів, підтверджений вимірюваннями термопари на 316 оболонках (10 мм OD, стінка 1,5 мм, NiCr дріт), з різним внутрішнім діаметром обробки поверхні, встановив наступні зв’язки між Rz, коливаннями температури та терміном служби дроту.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 Вт/см²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Вплив щільності потужності на чутливість Rz

Несприятливий вплив високого Rz зростає зі збільшенням питомої потужності, оскільки однакова зміна теплового опору дає більший абсолютний приріст температури.

Щільність потужності (Вт/см^2) Максимально допустима Rz для 10 000 годин служби дроту (мкм) Максимально допустима Rz для 5000 годин служби дроту (мкм) Рекомендовані характеристики для стандартного обслуговування<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Оздоблення поверхні: практична специфікація внутрішнього діаметра

Рідко буває, щоб обробка поверхні внутрішнього діаметра вказувалася в стандартних таблицях даних для покупців, які вказують нагрівачі 316 в оболонці. Рекомендована мова специфікації для додатків з високою щільністю потужності або подовженим терміном служби така:

Power Density >5 Вт/см2 Цільовий термін службиRz (мкм) Макс. внутрішній діаметр Ra (мкм) Макс. внутрішній діаметр Mfg Процес, необхідний метод перевірки20 000 годин<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Польова ідентифікація гарячих точок, викликаних Rz

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 мкм. Сусідні ділянки (із вцілілим проводом) мають нижчий Rz. Для таких невдач засобом є встановлення нижчої межі Rz для майбутніх покупок. Обігрівач ремонту не підлягає.

Вплив обробки внутрішнього діаметра на ущільнення MgO

Навіть при хорошому внутрішньому діаметрі Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >Зменшення на 18% гарантує, що навіть глибокі жолоби заповнені MgO, але може пошкодити дріт опору. Найкраще зменшення обтиску для даного внутрішнього діаметра обробки:

Внутрішній діаметр Rz (мкм) Рекомендоване мінімальне зменшення обтиснення (%) Рекомендоване максимальне зменшення обтиснення (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Не рекомендовано Н/З
ВИСНОВОК: Визначення внутрішнього діаметра Rz для потужних нагрівачів

Для електричних нагрівальних трубок з оболонкою з нержавіючої сталі 316 при щільності потужності > 5 Вт/см 2 пікова шорсткість (Rz) внутрішнього діаметра впливає на регулярність контактного опору з ізоляційним шаром MgO. Значення Rz понад 10–12 мкм спричиняють локальні гарячі точки зі зміною температури від 25 до 70 градусів і зменшують термін служби дроту на 40–60% порівняно з гладкоствольними трубками. Замовляючи 316 оболонок для високої-потужності або тривалого-життя, інженери повинні вказати критерій максимального внутрішнього діаметра Rz (наприклад,<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15 000 годин), електрополірований отвір (Rz<6 µm) is recommended.