Πώς επηρεάζει το πάχος τοιχώματος του περιβλήματος από ανοξείδωτο χάλυβα 316 τη διηλεκτρική αντοχή της μόνωσης από οξείδιο του μαγνησίου μετά την εναλλαγή σε ηλεκτρικά θερμαντικά στοιχεία;

Για τους ποιοτικούς μηχανικούς και τους κατασκευαστές θερμαντικών στοιχείων, η σχέση μεταξύ του πάχους του τοιχώματος του περιβλήματος και της απόδοσης της ηλεκτρικής μόνωσης δεν είναι πάντα εμφανής. Η σκόνη οξειδίου του μαγνησίου γύρω από το σύρμα αντίστασης συμπιέζεται σε μια πυκνότητα που δίνει υψηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλή διηλεκτρική αντοχή-συνήθως πάνω από 2,8 g/cm³ για να δώσει μονωτική αντίσταση μεγαλύτερη από 100 megohms σε θερμοκρασία δωματίου. Ο κύριος μηχανισμός για τη συμπίεση του MgO είναι η διαδικασία αιώρησης που μειώνει την εξωτερική διάμετρο της θήκης από ανοξείδωτο χάλυβα 316. Αλλά η ακτινική πίεση που ασκείται μέσω του τοιχώματος του περιβλήματος στο MgO εξαρτάται από το πάχος του τοιχώματος. Τα παχύτερα τοιχώματα απορροφούν περισσότερη δύναμη αιώρησης. Το MgO μπορεί να είναι υποσυμπυκνωμένο. Τα λεπτότερα τοιχώματα μεταδίδουν μεγαλύτερη δύναμη, αλλά υπάρχει κίνδυνος κατάρρευσης ή ζημιάς στο σύρμα αντίστασης. Αυτή η εργασία αναλύει την επίδραση του πάχους τοιχώματος θηκών 316 στην πιθανή πυκνότητα MgO και τη διηλεκτρική αντοχή. Παρέχει μια βάση για τον προσδιορισμό ενός ελάχιστου πάχους τοιχώματος που εξισορροπεί τη μηχανική ακεραιότητα έναντι της ηλεκτρικής απόδοσης.

Συμπιεστική Συμπεριφορά MgO κατά την αιώρηση της θήκης
Στην κατασκευή ενός θερμαντήρα, ένας σωλήνας από ανοξείδωτο χάλυβα 316 γεμίζεται με ένα χαλαρό μείγμα σκόνης MgO και ένα κεντρικά τοποθετημένο σύρμα αντίστασης. Στη συνέχεια, το συγκρότημα περνά μέσα από μια μηχανή περιστροφής στην οποία περιστρεφόμενες μήτρες σφυρίζουν τον σωλήνα ακτινικά προς τα μέσα και μειώνουν την εξωτερική διάμετρο κατά 10-30%. Αυτή η διαδικασία συμπυκνώνει τη σκόνη MgO από μια αρχική χύδην πυκνότητα ~1,5 –1,8 g/cm3 σε μια τελική πυκνότητα 2,8 –3,2 g/cm3. Η καθαρή ακτινική δύναμη από τις μήτρες αιώρησης, μετά την αφαίρεση της δύναμης που χρησιμοποιείται στην ελαστική και πλαστική παραμόρφωση του τοιχώματος του περιβλήματος 316, είναι η πίεση συμπίεσης που παρέχεται στο MgO. Για μια συγκεκριμένη μείωση ταλάντωσης και δύναμη μήτρας, ένα λεπτότερο τοίχωμα περιβλήματος έχει ως αποτέλεσμα λιγότερη συνολική εργασία παραμόρφωσης και μεγαλύτερο ποσοστό της ασκούμενης δύναμης μεταφέρεται στο MgO. Η μοντελοποίηση πεπερασμένων στοιχείων της διαδικασίας αιώρησης δείχνει ότι ένα περίβλημα 0,8 mm 316 μεταφέρει περίπου το 85% της πίεσης της μήτρας στο MgO ενώ ένα περίβλημα 1,6 mm μεταφέρει μόνο το 65% υπό ίσες συνθήκες αιώρησης. Λιγότερο από το 50% της ασκούμενης δύναμης μεταδίδεται μέσω του περιβλήματος 2,5 mm, ενώ το υπόλοιπο διατηρείται ως ελαστική ενέργεια καταπόνησης στο παχύ χαλύβδινο τοίχωμα ή απελευθερώνεται ως θερμότητα κατά την πλαστική παραμόρφωση. Αυτή η διαφορά έχει άμεσο αντίκτυπο στην πιθανή πυκνότητα MgO.

Ποσοτική σχέση πάχους τοιχώματος και πυκνότητας MgO
Ελεγχόμενες δοκιμές που χρησιμοποιούν παρόμοιο εξοπλισμό αιώρησης, σετ καλουπιών και αναλογίες αναγωγής δείχνουν μια σαφή αντίστροφη σχέση μεταξύ του πάχους τοιχώματος του περιβλήματος 316 και της τελικής πυκνότητας MgO. Οι τυπικές πυκνότητες MgO που επιτυγχάνονται για μείωση της ταλάντωσης στόχου κατά 20% (π.χ.. 12.0 mm έως 9,6 mm εξωτερική διάμετρος) είναι: Η τελική πυκνότητα MgO 3,1-3,2 g/cm3 με πάχος τοιχώματος 0,8 mm υπερβαίνει σημαντικά το ελάχιστο πρότυπο. Το πάχος του τοιχώματος είναι 1,2 mm, η πυκνότητα είναι 2,9–3,0 g/cm 3 , το οποίο εξακολουθεί να είναι αποδεκτό για τους περισσότερους σκοπούς. Η πυκνότητα μειώνεται στα 2,7–2,8 g/cm3, που είναι στο ελάχιστο επιτρεπόμενο επίπεδο ή κάτω από αυτό, με πάχος τοιχώματος 1,6 mm. Η πυκνότητα του υλικού με πάχος τοιχώματος 2,0 mm είναι 2,5–2,6 g/cm3, κάτι που δεν αρκεί για αξιόπιστη ηλεκτρική μόνωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε λιγότερο από 2,7 g/cm 3 , το MgO έχει διασυνδεδεμένο πορώδες που επιτρέπει την απορρόφηση υγρασίας και τα κανάλια διαρροής για ηλεκτρικό ρεύμα. Η αντίσταση μόνωσης στους 500 βαθμούς MgO που συμπιέζεται στα 2,5 g/cm3 είναι συχνά 10 έως 100 φορές χαμηλότερη από εκείνη του MgO που συμπιέζεται στα 3,1 g/cm3 . Η διηλεκτρική ισχύς (το ανώτερο όριο του ηλεκτρικού πεδίου που μπορεί να υποστηρίξει η μόνωση χωρίς διάσπαση) μειώνεται από περίπου 15 kV/mm³ σε g3. 2,5 g/cm³. Το ηλεκτρικό πεδίο πάνω από το στρώμα MgO ενός θερμαντήρα 240 V με διάμετρο σύρματος αντίστασης 1,0 mm είναι περίπου 2-3 ​​kV/mm στην τάση λειτουργίας. Αυτό δίνει ένα άνετο περιθώριο σε υψηλή πυκνότητα MgO, αλλά είναι οριακό σε χαμηλή πυκνότητα, όπου μικρά σφάλματα μπορεί να οδηγήσουν σε διηλεκτρική βλάβη.

Πρακτικά όρια "διηλεκτρικής ακεραιότητας" παχιών-περιβλημάτων με τοιχώματα
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) για μηχανικές απαιτήσεις ή απαιτήσεις διάβρωσης. Υπάρχουν τρεις προσαρμογές παραγωγής που μπορούν να μετριάσουν την απορρόφηση δύναμης χοντρών τοίχων. Η πρώτη και πιο τυπική διαδικασία είναι η αύξηση του λόγου μείωσης ταλάντωσης. 30% μείωση από 12,0 mm σε 8,4 mm εξωτερική διάμετρος μεταδίδει ισχυρότερες ακτινικές τάσεις στο MgO, επιτυγχάνοντας πυκνότητες παρόμοιες με λεπτότερα τοιχώματα σε χαμηλότερη μείωση, αντί για μείωση 20%. Η ποινή είναι αυξημένη πιθανότητα ζημιάς στο σύρμα αντίστασης και υψηλότερες υπολειμματικές τάσεις στο περίβλημα. Η δεύτερη αλλαγή είναι η χρήση πολλών περασμάτων αιώρησης με ενδιάμεση ανόπτηση. Μια μείωση κατά 15% στη συνέχεια ανόπτηση για μείωση των τάσεων του περιβλήματος, ακολουθούμενη από μια δεύτερη μείωση κατά 15%, μπορεί να προσφέρει υψηλή πυκνότητα MgO σε παχιά{12}}θηκάρια τοιχώματος χωρίς υπέρβαση των ορίων μορφοποίησης του σωλήνα 316. Η τρίτη αλλαγή είναι η τροποποίηση της προδιαγραφής σκόνης MgO: Τα χονδροειδή, γωνιακά σωματίδια MgO συμπιέζονται πιο εύκολα από τις λεπτές, σφαιρικές σκόνες. Ένας βαθμός MgO υψηλής πυκνότητας με ρυθμισμένη κατανομή μεγέθους σωματιδίων μπορεί να αυξήσει την τελική πυκνότητα κατά 0,1–0,2 g/cm3 για τις ίδιες συνθήκες αιώρησης. Κάθε μία από αυτές τις προσαρμογές προσθέτει στο κόστος κατασκευής. Αλλά το κόστος είναι δικαιολογημένο για καταστάσεις όπου οι χοντροί τοίχοι είναι απαραίτητοι.

Πίνακας επιλογής πάχους τοιχώματος και πυκνότητας MgO για αξιόπιστη διηλεκτρική απόδοση
Ο ακόλουθος πίνακας δείχνει κατάλληλους συνδυασμούς πάχους τοιχώματος περιβλήματος 316 και απαιτήσεων κατασκευής για να ληφθεί ελάχιστη αποδεκτή πυκνότητα MgO 2,8 g/cm 3 και διηλεκτρική αντοχή άνω των 10 kV/mm σε θερμοκρασία δωματίου.

Απαιτούμενο πάχος τοιχώματος αιώρησης 316 Προτεινόμενη μείωση αιώρησης Προτεινόμενος αριθμός περασμάτων αιώρησης Επιτυχής Πυκνότητα MgO Ειδικές εκτιμήσεις
0,8 – 1,0 mm 15 – 20% Μονό πέρασμα 3,0 – 3,2 g/cm³ Τυπική μέθοδος, χαμηλό κόστος
1,0 – 1,2 mm 18 – 22% One pass 2,9 – 3,1 g/cm³ Τυπική διαδικασία κατάλληλη 1,2 – 1,4 mm 20 – 25%Single or double light pass 2,8 – 3,0 g/cm³ Επιβεβαιώστε με δοκιμή δείγματος 1,4 – 1,6 mm 2% 25 – συνιστάται Απαραίτητος βαθμός MgO υψηλής πυκνότητας
1,6 – 1,8 mm 28 – 32% Απαιτείται διπλό πάσο 2,6 – 2,8 g/cm3 Οριακό, απαιτείται δοκιμή προσόντων
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Διπλό πέρασμα ενδιάμεσης ανόπτησης 2,5-2,7 g/cm³Δεν συνιστάται για τάσεις πέραν των 120V > 2,0 mm Δεν είναι δυνατό Δεν είναι δυνατόν Κάτω από 2,5 g/cm³ Χρησιμοποιήστε μικρότερη διάμετρο ή διαφορετικό κράμα
Για οποιονδήποτε θερμαντήρα με τάση λειτουργίας μεγαλύτερη από 250 VAC, η ελάχιστη επιτρεπόμενη πυκνότητα MgO θα πρέπει να αυξηθεί στα 3,0 g/cm3, γεγονός που περιορίζει αποτελεσματικά το μέγιστο πάχος τοιχώματος θήκης 316 σε 1,2 mm, εκτός εάν εφαρμόζονται ειδικές διαδικασίες αιώρησης. Σε εφαρμογές υψηλής τάσης πέραν των 600 VAC – που συχνά παρατηρείται σε ορισμένους βιομηχανικούς και μεταλλευτικούς εξοπλισμό – το πάχος του τοιχώματος του περιβλήματος θα πρέπει να διατηρείται κάτω από 1,0 mm για να διατηρείται αποδεκτή διηλεκτρική αντοχή ή ο θερμαντήρας πρέπει να είναι κατασκευασμένος με μεταλλική θωράκιση, γειωμένη και ξεχωριστή από τη μόνωση MgO.

Μέθοδοι Δοκιμών και Επικύρωσης Διασφάλισης Ποιότητας Παραγωγής
Οι θεωρητικές σχέσεις από μόνες τους δεν βασίζονται λόγω της παραλλαγής που εισάγεται από τον εξοπλισμό αιώρησης, την τεχνική του χειριστή και τις ανοχές εισερχόμενων σωληνώσεων. Εάν καθορίζουν θερμάστρες με πάχος τοιχώματος μεγαλύτερο από 1,4 mm, οι μηχανικοί θα πρέπει να απαιτούν από τον κατασκευαστή να δώσει μετρήσεις της πυκνότητας MgO από δείγματα παραγωγής. Αυτό γίνεται συνήθως κόβοντας ένα τμήμα του θερμαντήρα και μετρώντας τη μάζα και τον όγκο της συμπιεσμένης σκόνης. Η ελάχιστη πυκνότητα θα πρέπει να αναφέρεται ως ποιοτική απαίτηση 2,8 g/cm3 και όχι ως στόχος. Οι έτοιμοι θερμαντήρες θα πρέπει επίσης να ελέγχονται για διηλεκτρική αντοχή. Η συνήθης δοκιμή είναι 1.500 VAC συν το διπλάσιο της τάσης λειτουργίας που εφαρμόζεται για ένα λεπτό μεταξύ του σύρματος αντίστασης και της θήκης. Αυτό είναι 1,500 + 480=1,980 VAC για έναν θερμαντήρα 240 V. Οι θήκες με παχύ{16} τοίχωμα με οριακή πυκνότητα MgO συνήθως περνούν αυτή τη δοκιμή σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά όχι όταν θερμαίνονται στη θερμοκρασία λειτουργίας, επειδή η διηλεκτρική ισχύς του MgO μειώνεται με τη θερμοκρασία. Έτσι, η καλύτερη επικύρωση επιτυγχάνεται κάνοντας δοκιμές αντίστασης θερμής μόνωσης στους 500 βαθμούς. Η αντίσταση θερμομόνωσης των βιομηχανικών θερμαντήρων δεν είναι κανονικά μικρότερη από 1 megohm, αν και τα 10 megohm είναι επιθυμητά για παρατεταμένη διάρκεια ζωής. Οι αστοχίες του πεδίου διηλεκτρικής βλάβης είναι ακριβές και συχνά επικίνδυνες. Η πρόσθετη δαπάνη για τον καθορισμό ενός λεπτότερου περιβλήματος, ή πιο έντονης ταλάντωσης, για την επίτευξη πυκνότητας MgO είναι μικρότερη σε σύγκριση με το κόστος μιας αξίωσης εγγύησης ή χειρότερα, μια συχνότητα ηλεκτροπληξίας.