Чому електричні нагрівальні труби з оболонкою з нержавіючої сталі 316 із внутрішніми діелектричними наповнювачами-бору протистоять погіршенню струму витоку змінного струму в корпусах із високою{2}}вологістю ефективніше, ніж стандартні наповнювачі з оксиду магнію?

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 МОм до нижче 1 МОм, що призводить до відключення струму витоку та активації захисту від замикання на землю. Серед них бор-вмісні добавки, а саме оксид бору (B 2 O 3 ) або борат магнію (Mg 3 B 2 O 6 ), як відомо, вступають у хімічну реакцію з водою з утворенням постійного, не-гігроскопічного шару гідратованого борату, який ущільнює поверхні частинок від додаткового поглинання вологи при змішуванні з MgO у кількості 2–5% за вагою. Ця стаття характеризує кінетику поглинання вологи та стійкість до електричної деградації наповнювачів MgO, модифікованих бором-, порівняно зі стандартним MgO в оболонках з нержавіючої сталі 316 у середовищах з температурою 40–60 градусів і відносною вологістю 95%, надаючи вказівки щодо вибору наповнювача для застосувань із високою-надійністю, де цілісність замикання на землю є критичною.

Гігроскопічна дія стандартного наповнювача з оксиду магнію в герметичних нагрівальних трубках
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%, в результаті чого утворюється провідний розчин, що з'єднує нагрівальний дріт і оболонку.

У нагрівальній трубці з непорушними клемними ущільненнями внутрішній наповнювач назавжди залишається сухим. На практиці, однак, ущільнювачі клем (зазвичай із силіконової гуми або епоксидної смоли) псуються під дією тепла та ультрафіолетового випромінювання, і утворюються мікротріщини шириною 10-100 мікрометрів. Через ці щілини проникає вологе повітря. Коли волога досягає наповнювача MgO, деградація питомого опору відбувається за 3 етапами. Перший етап: поверхневе гідроксилювання зовнішніх шарів частинок MgO, збільшення струму витоку на 10-100. Етап другий: посилення внутрішньої гідратації з набуханням, яке може призвести до тріщини оболонки через внутрішній тиск. Третій етап: створення електролітичного каналу від нагрівального дроту до оболонки, що призводить до струмів замикання на землю понад 5–10 мА та спрацьовування пристроїв захисного відключення (УЗО). Польові дані, отримані при встановленні промислових обігрівачів на відкритому повітрі, підтверджують, що інфрачервоне випромінювання оболонок 316 зі звичайним наповненням MgO падає нижче 1 МОм через 6-18 місяців в умовах з відносною вологістю 95%.

Механізм додавання бору: хімічне ущільнення частинок MgO
Ми додаємо сполуки бору до наповнювача MgO, щоб створити -самобмежувальний гідратаційний бар’єр за допомогою хімії борної кислоти. Види бору переважно адсорбують перший моношар води та реагують, утворюючи тонке покриття з гідратованого оксиду бору (H3BO3 або B2O3·3H2O) на поверхні частинок, коли B2O3 або борат магнію змішуються з MgO у кількості 2–5% мас. Три важливі аспекти цього гідратного шару: По-перше, його рівноважний тиск пари води набагато нижчий, ніж у Mg(OH)2, тому він утворюється швидко і повністю до будь-якої помітної гідратації MgO. По-друге, аморфний безперервний гідратований боратний лист повністю покриває кожну частинку MgO. По-третє, плівка є стабільною та не{16}}гігроскопічною вище 60-80 градусів - температурного діапазону, з яким стикається наповнювач всередині робочої нагрівальної трубки (зазвичай 150-300 градусів біля дроту, але до 50-100 градусів біля оболонки під час циклів вимкнення).

Після формування боратне покриття запобігає подальшій дифундії води в MgO, що лежить під ним. Реакція є самообмежувальною, оскільки товщина плівки (зазвичай 50-200 нм) припиняє рости, коли весь доступний бор на поверхні частинки прореагує. На відміну від Mg(OH)2, який росте всередину, коли вода дифундує крізь шар гідроксиду, боратна плівка має дуже низький коефіцієнт дифузії води (приблизно . 10-14 см2/с при 50 градусах проти . 10-10 см2/с для Mg(OH)2). Цей кінетичний бар’єр збільшує час до істотного електричного пробою в 10–50 разів за тих самих умов проникнення вологи.

Відносні електричні характеристики під час тестування на прискорену вологість
Прискорені випробування на вологість проводили на 316 нагрівальних трубах із оболонкою з нержавіючої сталі (стінка 1,2 мм, зовнішній діаметр 10 мм, номінальна потужність 1,5 кВт, 230 В) із трьома композиціями внутрішнього наповнювача. Трубки закривали стандартними силіконовими гумовими ущільнювачами та поміщали в камеру з-температурою вологості при 60 градусах, відносній вологості 95%, нагрівачі були відключені від живлення, за винятком періодичних вимірювань опору ізоляції (вимірюваного при 500 В постійного струму). Випробувальний період становив 2000 годин, що відповідає приблизно 2-3 рокам польового впливу у вологих приміщеннях.

Тип наповнювача Вміст бору (мас.% як B₂O₃) Початковий ІЧ при 25 градусах (МОм) ІЧ через 500 годин при 60 градусах /95% відносної вологості (МОм) ІЧ через 1000 годин (МОм) ІЧ після 2000 годин (МОм) Режим відмови (ІЧ < 1 МОм)
Стандартний MgO (промисловий клас)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO високої-чистоти (99,9%, кальцинований)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 год
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (без збою)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (без збою)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (без збою)
Найвищу продуктивність продемонстрував спечений борат магнію-MgO, де бор інтегрували в кристалічну решітку MgO під час високотемпературного кальцинування замість простого змішування, з опором ізоляції понад 80 МОм після 2000 годин прискореного тестування на вологість. Це 100-кратне покращення порівняно зі звичайним MgO для тієї ж тривалості тесту.

Температурна залежність вологостійкості наповнювачів, модифікованих бором-
Ефективність наповнювачів, модифікованих бором-, залежить від температури кінцевого ущільнення та холодного кінця оболонки, куди зазвичай потрапляє волога, а температура наповнювача може становити лише 40–80 градусів. При температурі нижче 60 градусів гідратація частинок бору відбувається повільно, і бор, що не прореагував, все ще може призвести до деякої гідратації MgO протягом тривалого періоду часу. Однак під час роботи нагрівача холодний кінець зазвичай становить 80-120 градусів через передане тепло. При цих температурах реакція ущільнення борату прискорюється, а волога, що надходить, швидко витрачається для створення стабільного гідратованого боратного покриття.

Тривалі випробування при постійній температурі (без циклів нагрівання) показують межу температури для ефективного захисту від бору:

30 градусів, 95% відносної вологості: наповнювач, модифікований бором > 3000 годин ІЧ > 100 МОм, стандартний MgO 800-1000 годин.

50 градусів, відносна вологість 95% (a) Бор-модифікований наповнювач витримує 2000 годин з незначним погіршенням. Стандартний MgO виходить з ладу через 400-600 годин.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 МОм після 2000 годин; звичайний MgO виходить з ладу через 200–300 годин.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 МОм після 2000 годин). Висока температура відводить поглинену вологу.

Для обігрівачів без електроживлення в холодних і вологих режимах очікування (наприклад, сезонне обладнання, резервні обігрівачі) холодна кінцева температура може бути кімнатною. У таких ситуаціях наповнювач, модифікований бором-, забезпечує 3-5-кратне покращення вологостійкості порівняно зі звичайним MgO, але не може запобігти остаточному погіршенню, якщо проникнення вологи невпинне. Для додатків у холодному режимі очікування відповіддю є герметичні клеми (ущільнювачі зі скла-до-металу) або низькопотужний підтримуючий нагрівач (5-10% від номінальної потужності), який підтримує температуру холодного кінця вище 60 градусів.

Польові випробування корпусів керування на морському та зовнішньому обладнанні
Польове дослідження спостерігало за роботою 316 нагрівальних трубок із нержавіючої сталі, встановлених у зовнішніх корпусах управління (з позначкою NEMA 4X, але з внутрішньою конденсацією) на прибережній очисній станції. Умови навколишнього середовища: від 20 до 35 градусів, від 60 до 95% відносної вологості, розпилення солі в повітрі (осадження хлориду від 0,1 до 0,5 мг/м3). Опір ізоляції оцінювався кожні три місяці протягом 36 місяців для 50 нагрівачів із звичайним наповнювачем MgO та 50 нагрівачів із модифікованим бором-MgO (спів-спеченого борату магнію).

Результати для типових обігрівачів MgO: Середнє ІЧ 45 МОм (діапазон 8–210 МОм) через 6 місяців. Через 12 місяців 22 нагрівачі (44%) мали ІЧ < 1 МОм і спрацювали захист від замикання на землю. Сорок-один (82%) обігрівач вийшов з ладу через 24 місяці. Через 36 місяців 48 обігрівачів (96 відсотків) вийшли з ладу. Основною точкою несправності був холодний кінець ущільнення клеми, а наповнювач виявився темно-сірим і проводив.

Результати для нагрівачів MgO, модифікованих бором: середнє ІЧ через 12 місяців становило 280 МОм (діапазон 110–650 МОм). Через 24 місяці середнє ІЧ становило 95 МОм (діапазон 22–310 МОм), і лише 3 нагрівачі (6%) мали ІЧ нижче 1 МОм. Через 36 місяців середній ІЧ становив 52 МОм (діапазон 8-180 МОм), а 8 нагрівачів (16%) вийшли з ладу. Це 20-разовий приріст ефективного терміну служби порівняно зі звичайним MgO для цього вологого середовища, насиченого сіллю, про що свідчить покращений рівень виживання 84% після 36 місяців порівняно з 4%. Аналіз першопричини З восьми несправностей п’ять демонстрували видиме пошкодження ущільнення клеми (тріснуті силіконові чоботи), а три були встановлені холодним кінцем нагрівача вгору, дозволяючи конденсату стікати в область клеми – помилка встановлення, яку не міг повністю компенсувати навіть наповнювач, модифікований бором.

Мова специфікації обігрівачів для камер високої вологості
Для 316 обгорнутих нержавіючої сталі електричних нагрівальних трубок, призначених для корпусів, де відносна вологість може регулярно перевищувати 80% або де можлива конденсація, інженери повинні вказати критерії складу наповнювача в специфікації придбання. Внутрішній діелектричний наповнювач повинен бути оксидом магнію, модифікованим оксидом бору або боратом магнію з мінімальним вмістом бору, що відповідає 2,5% B2O3 за вагою. Ко-спечений бором легований MgO є сприятливим для механічно змішаних сполук бору. Наповнювач має бути оцінений на вологостійкість відповідно до IEEE Std 515 Annex C (опір ізоляції 500 В постійного струму через 500 годин при 60 градусах, 95% RH). Мінімально допустимий ІЧ має становити 50 МОм. Для застосувань, де абсолютна надійність має вирішальне значення, як-от нагрівачі,-пов’язані з ядерною безпекою, або нагрівачі на безпілотних морських платформах, укажіть герметичні термінали зі скляними-до-металевими ущільненнями на додаток до-модифікованого бору-наповнювача та вимагайте підтримувати-ланцюг для підтримки мінімальної-температури охолодження 65 градусів, коли основний нагрівач вимкнений.

Знання того, що процес руйнування — це не корозія оболонки, а гігроскопія внутрішнього наповнювача, дає змогу інженерам визначити модифікований бором -MgO, щоб уникнути повільної електричної деградації, від якої завжди страждають звичайні наповнювачі. Додаткова вартість наповнювача, модифікованого бором- (зазвичай 10-15% вартості виробництва нагрівача), швидко окупається за рахунок скорочення технічного обслуговування, меншої кількості неприємних замикань на землю та довших циклів заміни нагрівача.