Γιατί οι ηλεκτρικοί σωλήνες θέρμανσης με θήκη από ανοξείδωτο χάλυβα 316 με πρόσθετα εσωτερικά διηλεκτρικά υλικά πλήρωσης αντιστέκονται στην υποβάθμιση του ρεύματος διαρροής εναλλασσόμενου ρεύματος σε περιβλήματα υψηλής-υγρασίας πιο αποτελεσματικά από τα τυπικά πληρωτικά με οξείδιο του μαγνησίου;

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 έως κάτω από 1 MΩ με αποτέλεσμα την ενεργοποίηση του ρεύματος διαρροής και την ενεργοποίηση της προστασίας γείωσης. Μεταξύ αυτών, το βόριο-που περιέχει πρόσθετα, συγκεκριμένα το οξείδιο του βορίου (B 2 O 3 ) ή το βορικό μαγνήσιο (Mg 3 B 2 O 6 ), είναι γνωστό ότι αντιδρούν χημικά με το νερό για να δημιουργήσουν ένα μόνιμο, μη-υγροσκοπικό ενυδατωμένο βορικό στρώμα που σφραγίζει την πρόσθετη υγρασία όταν απορροφάται από τις επιφάνειες των σωματιδίων. 2-5% κατά βάρος. Αυτό το άρθρο χαρακτηρίζει την κινητική απορρόφησης υγρασίας και την ηλεκτρική αντίσταση αποικοδόμησης των πληρωτικών βορίου{13}τροποποιημένου MgO σε σχέση με το τυπικό MgO σε 316 περιβλήματα από ανοξείδωτο χάλυβα σε περιβάλλοντα 40–60 μοιρών και 95% σχετικής υγρασίας, παρέχοντας καθοδήγηση σχετικά με την επιλογή πληρωτικού υλικού για την εφαρμογή υψηλής ακεραιότητας{18}.

Υγροσκοπική δράση ενός τυπικού πληρωτικού οξειδίου του μαγνησίου σε σφραγισμένους σωλήνες θέρμανσης
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%, με αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός αγώγιμου διαλύματος που συνδέει το καλώδιο θέρμανσης και το περίβλημα.

Σε ένα σωλήνα θέρμανσης με μη σπασμένα τερματικά στεγανοποιητικά, το εσωτερικό πληρωτικό παραμένει στεγνό για πάντα. Στην πράξη, ωστόσο, οι τερματικές στεγανοποιήσεις (συνήθως από καουτσούκ σιλικόνης ή εποξειδικές) αλλοιώνονται υπό τον κύκλο θερμότητας και την έκθεση στην υπεριώδη ακτινοβολία και δημιουργούνται μικρορωγμές πλάτους 10-100 μικρομέτρων. Αυτές οι ρωγμές επιτρέπουν την είσοδο υγρού αέρα. Μόλις η υγρασία φτάσει στο πληρωτικό MgO, η υποβάθμιση της ειδικής αντίστασης ακολουθεί μια διαδικασία 3 σταδίων. Στάδιο πρώτο: επιφανειακή υδροξυλίωση εξωτερικών στρωμάτων σωματιδίων MgO, αύξηση του ρεύματος διαρροής κατά 10-100. Στάδιο δεύτερο: αύξηση της εσωτερικής ενυδάτωσης με οίδημα που μπορεί να σπάσει το περίβλημα από εσωτερική πίεση. Στάδιο τρίτο: δημιουργία ενός ηλεκτρολυτικού καναλιού από το καλώδιο θέρμανσης στο περίβλημα, με αποτέλεσμα ρεύματα σφάλματος γείωσης μεγαλύτερα από 5–10 mA και ενεργοποίηση συσκευών υπολειπόμενου ρεύματος (RCD). Τα δεδομένα πεδίου από εγκαταστάσεις βιομηχανικών θερμαντήρων εξωτερικού χώρου επιβεβαιώνουν ότι το IR των θηκών 316 με συμβατική πλήρωση MgO πέφτει κάτω από 1 MΩ μετά από 6-18 μήνες σε συνθήκες με 95% RH.

Μηχανισμός πρόσθετου βορίου: Χημική σφράγιση σωματιδίων MgO
Προσθέτουμε ενώσεις βορίου στο πληρωτικό MgO για να δημιουργήσουμε ένα αυτο-φραγμό ενυδάτωσης χρησιμοποιώντας τη χημεία του βορικού οξέος. Τα είδη βορίου προσροφούν κατά προτίμηση την πρώτη μονοστιβάδα νερού και αντιδρούν για να δημιουργήσουν μια λεπτή επίστρωση ένυδρου οξειδίου του βορίου (H3BO3 ή B2O3·3H2O) στις επιφάνειες των σωματιδίων όταν το B2O3 ή το βορικό μαγνήσιο αναμειγνύεται με MgO σε ποσοστό 2–5 wt%. Τρεις σημαντικές πτυχές αυτού του ενυδατωμένου στρώματος είναι: Πρώτον, η τάση ισορροπίας ατμών του νερού είναι πολύ χαμηλότερη από αυτή του Mg(OH)2, επομένως σχηματίζεται γρήγορα και πλήρως πριν από οποιαδήποτε αξιόλογη ενυδάτωση MgO. Δεύτερον, το άμορφο, συνεχές ενυδατωμένο βορικό φύλλο περικλείει πλήρως κάθε σωματίδιο MgO. Τρίτον, το φιλμ είναι σταθερό και μη{16}}υγροσκοπικό πάνω από 60-80 μοίρες - το εύρος θερμοκρασίας που συναντά το πληρωτικό μέσα σε έναν λειτουργικό σωλήνα θέρμανσης (συνήθως 150-300 μοίρες κοντά στο καλώδιο, αλλά έως και 50-100 μοίρες κοντά στο περίβλημα κατά τη διάρκεια εκτός κύκλων).

Μόλις σχηματιστεί, η βορική επικάλυψη εμποδίζει τη διάχυση του νερού περαιτέρω στο υποκείμενο MgO. Η αντίδραση είναι αυτοπεριοριζόμενη καθώς το πάχος της μεμβράνης (συνήθως 50-200 nm) σταματά να αυξάνεται όταν έχει αντιδράσει όλο το προσβάσιμο βόριο στην επιφάνεια των σωματιδίων. Σε αντίθεση με το Mg(OH)2, το οποίο αναπτύσσεται προς τα μέσα καθώς το νερό διαχέεται μέσω του στρώματος υδροξειδίου, το βορικό φιλμ έχει πολύ χαμηλή διαχυτικότητα νερού (περίπου. 10-14 cm2/s σε 50 μοίρες έναντι. 10-10 cm2/s για Mg(OH)2). Αυτό το κινητικό φράγμα αυξάνει το χρόνο για ουσιαστική ηλεκτρική βλάβη κατά ένα συντελεστή 10–50 για τις ίδιες συνθήκες διείσδυσης υγρασίας.

Σχετική ηλεκτρική απόδοση κάτω από δοκιμές επιταχυνόμενης υγρασίας
Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές επιταχυνόμενης υγρασίας σε 316 σωλήνες θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα (τοίχωμα 1,2 mm, OD 10 mm, ονομαστική τιμή 1,5 kW, 230 V) με τρεις εσωτερικές συνθέσεις πλήρωσης. Οι σωλήνες σφραγίστηκαν με τυπικές στεγανοποιήσεις ακροδεκτών από καουτσούκ σιλικόνης και τοποθετήθηκαν σε θάλαμο θερμοκρασίας-υγρασίας στους 60 βαθμούς, 95% σχετική υγρασία, ενώ οι θερμαντήρες δεν τροφοδοτούνται εκτός από περιστασιακές μετρήσεις αντίστασης μόνωσης (μετρούμενες στα 500 V DC). Η περίοδος δοκιμής ήταν 2000 ώρες, που αντιστοιχεί σε περίπου 2-3 ​​χρόνια έκθεσης στο πεδίο σε υγρούς θαλάμους.

Τύπος πλήρωσης Περιεκτικότητα σε βόριο (wt% ως B2O3) Αρχικό IR σε 25 μοίρες (MΩ) IR Μετά από 500 ώρες σε 60 μοίρες /95% RH (MΩ) IR Μετά από 1000 ώρες (MΩ) IR Μετά από 2000 ώρες (MΩ) Λειτουργία αστοχίας MΩ (MΩ)
Standard MgO (βιομηχανικής ποιότητας)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO υψηλής-καθαρότητας (99,9%, φρυγμένο)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 ώρες
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (χωρίς αποτυχία)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (χωρίς αποτυχία)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (χωρίς αποτυχία)
Η υψηλότερη απόδοση επιδεικνύεται από το συν{0}}συσσωματωμένο βορικό μαγνήσιο{{1}υλικό MgO, όπου το βόριο ενσωματώθηκε στο κρυσταλλικό πλέγμα του MgO κατά τη φρύξη σε υψηλή θερμοκρασία, αντί για απλή ανάμειξη, με αντίσταση μόνωσης άνω των 80 MΩ μετά από 2000 ώρες επιταχυνόμενης δοκιμής humi. Αυτό είναι 100 φορές βελτίωση σε σχέση με το κανονικό MgO για την ίδια διάρκεια δοκιμής.

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία της αντίστασης στην υγρασία του βορίου-Τροποποιημένα υλικά πλήρωσης
Η αποτελεσματικότητα των πληρωτικών που έχουν τροποποιηθεί με βόριο-εξαρτάται από τη θερμοκρασία του τερματικού στεγανοποιητικού και του ψυχρού άκρου του περιβλήματος, όπου εισέρχεται κανονικά η υγρασία και η θερμοκρασία του πληρωτικού μπορεί να είναι μόνο 40–80 βαθμούς . Κάτω από τους 60 βαθμούς, η ενυδάτωση των σωματιδίων του βορίου είναι υποτονική και το βόριο που δεν έχει αντιδράσει μπορεί ακόμα να επιτρέψει κάποια ενυδάτωση MgO για μεγάλες χρονικές περιόδους. Ωστόσο, κατά τη λειτουργία του θερμαντήρα το ψυχρό άκρο είναι συνήθως 80-120 μοίρες λόγω της μεταδιδόμενης θερμότητας. Σε αυτές τις θερμοκρασίες η αντίδραση σφράγισης βορικού επιταχύνεται και η υγρασία που εισέρχεται καταναλώνεται γρήγορα για να δημιουργηθεί η σταθερή ενυδατωμένη βορική επικάλυψη.

Παρατεταμένες δοκιμές σε σταθερή θερμοκρασία (χωρίς κύκλους θέρμανσης) δείχνουν το όριο θερμοκρασίας για αποτελεσματική προστασία από βόριο:

30 μοίρες, 95% RH: Γεμιστικό τροποποιημένο με βόριο > 3000 ώρες IR > 100 MΩ, τυπικό MgO 800-1000 ώρες.

50 μοίρες, 95% RH (α) Το τροποποιημένο πληρωτικό με βόριο-επιβιώνει για 2000 ώρες με μικρή φθορά. Το τυπικό MgO αποτυγχάνει στις 400-600 ώρες.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ μετά από 2000 ώρες. το κανονικό MgO αποτυγχάνει στις 200–300 ώρες.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ μετά από 2000 ώρες). Η υψηλή θερμοκρασία διώχνει την απορροφούμενη υγρασία.

Για θερμάστρες που δεν τροφοδοτούνται σε κρύες, υγρές ρυθμίσεις αναμονής (π.χ. εποχιακός εξοπλισμός, εφεδρικοί θερμαντήρες) η θερμοκρασία κρύου τέλους μπορεί να είναι περιβάλλοντος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, το τροποποιημένο πληρωτικό με βόριο- βελτιώνει κατά 3-5 φορές την αντίσταση στην υγρασία σε σχέση με το κανονικό MgO, αλλά δεν μπορεί να αποτρέψει την τελική φθορά εάν η διείσδυση υγρασίας είναι αμείλικτη. Για εφαρμογές ψυχρής αναμονής, η απάντηση είναι ερμητικά σφραγισμένοι ακροδέκτες (γυάλινες-σε-μεταλλικές τσιμούχες) ή ένας θερμαντήρας χαμηλής ισχύος (5-10% της ονομαστικής ισχύος) που διατηρεί τη θερμοκρασία κρύου τέλους πάνω από 60 βαθμούς.

Δοκιμή πεδίου θαλασσίου και εξωτερικού θαλάμου ελέγχου
Μια επιτόπια μελέτη ακολούθησε την απόδοση 316 σωλήνων θέρμανσης με επένδυση από ανοξείδωτο χάλυβα που τοποθετήθηκαν σε περιβλήματα ελέγχου εξωτερικού χώρου (με την ένδειξη NEMA 4X, αλλά με εσωτερική συμπύκνωση) σε μια παράκτια μονάδα επεξεργασίας λυμάτων. Συνθήκες περιβάλλοντος: 20 έως 35 μοίρες, 60 έως 95% RH, αερομεταφερόμενος ψεκασμός άλατος (από 0,1 έως 0,5 mg/m3 εναπόθεση χλωρίου). Η αντίσταση μόνωσης αξιολογούνταν κάθε τρεις μήνες για 36 μήνες για 50 θερμαντήρες με κανονικό πληρωτικό MgO και 50 θερμαντήρες με MgO τροποποιημένο με βόριο{- (συν-συντηλεμένο βορικό μαγνήσιο τύπου).

Αποτελέσματα για τυπικούς θερμαντήρες MgO: Μέσος όρος IR 45 MΩ (εύρος 8–210 MΩ) μετά από 6 μήνες. Μετά από 12 μήνες, 22 θερμαντήρες (44%) είχαν IR < 1 MΩ και ενεργοποίησαν την προστασία γείωσης. Σαράντα{10}}ένας (82%) θερμαντήρες απέτυχαν στους 24 μήνες . Μετά από 36 μήνες, 48 θερμάστρες (96 τοις εκατό) είχαν αποτύχει. Το κύριο σημείο αστοχίας ήταν το ψυχρό άκρο της στεγανοποίησης ακροδεκτών και το υλικό πλήρωσης βρέθηκε να είναι σκούρο γκρι και αγώγιμο.

Αποτελέσματα για θερμαντήρες MgO με τροποποιήσεις βορίου-: Το μέσο IR μετά από 12 μήνες ήταν 280 MΩ (εύρος 110–650 MΩ). Μετά από 24 μήνες, το μέσο IR ήταν 95 MΩ (εύρος 22–310 MΩ) και μόνο 3 θερμαντήρες (6%) είχαν IR κάτω από 1 MΩ. Στους 36 μήνες, το μέσο IR ήταν 52 MΩ (εύρος 8-180 MΩ) και 8 θερμαντήρες (16%) απέτυχαν. Αυτό είναι 20-πλάσιο κέρδος στην αποτελεσματική διάρκεια ζωής σε σχέση με το κανονικό MgO για αυτό το υγρό περιβάλλον με αλάτι, όπως φαίνεται από το βελτιωμένο ποσοστό επιβίωσης 84% μετά από 36 μήνες έναντι 4%. Ανάλυση βασικής αιτίας Από τις οκτώ αστοχίες, πέντε εμφάνισαν ορατή ζημιά στο στεγανοποιητικό ακροδέκτη (ραγισμένες μπότες σιλικόνης) και τρεις είχαν εγκατασταθεί με το ψυχρό άκρο του θερμαντήρα στραμμένο προς τα πάνω, επιτρέποντας τη συμπύκνωση να αποστραγγιστεί στην περιοχή του τερματικού - ένα σφάλμα εγκατάστασης που ούτε το πληρωτικό τροποποιημένο με βόριο δεν μπορούσε να αντισταθμίσει πλήρως.

Γλώσσα προδιαγραφών θερμαντήρων περιβλήματος υψηλής υγρασίας
Για ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης τυλιγμένους από ανοξείδωτο χάλυβα 316 που καθορίζονται για περιβλήματα όπου η σχετική υγρασία μπορεί να υπερβαίνει τακτικά το 80% ή όπου είναι πιθανή η συμπύκνωση, οι μηχανικοί θα πρέπει να υποδεικνύουν κριτήρια σύνθεσης πληρωτικού στην προδιαγραφή αγοράς. Το εσωτερικό διηλεκτρικό πληρωτικό πρέπει να είναι οξείδιο μαγνησίου τροποποιημένο με οξείδιο του βορίου ή βορικό μαγνήσιο με ελάχιστη περιεκτικότητα σε βόριο που αντιστοιχεί σε 2,5% B2O3 κατά βάρος. Το συν-συντετηγμένο βόριο με πρόσμιξη MgO είναι ευνοϊκό για τις μηχανικά αναμεμιγμένες ενώσεις βορίου. Το πληρωτικό θα αξιολογηθεί για αντοχή στην υγρασία στο IEEE Std 515 Annex C (αντίσταση μόνωσης 500 V DC μετά από 500 ώρες στους 60 βαθμούς, 95% RH). Το ελάχιστο επιτρεπόμενο IR θα είναι 50 MΩ. Για εφαρμογές όπου η απόλυτη αξιοπιστία είναι κρίσιμης σημασίας – όπως θερμαντήρες που σχετίζονται με την πυρηνική ασφάλεια{{17} ή θερμάστρες σε μη επανδρωμένες πλατφόρμες ανοικτής θαλάσσης – καθορίστε ερμητικά σφραγισμένους ακροδέκτες με στεγανοποιήσεις από γυαλί-σε-μεταλλικές στεγανοποιήσεις εκτός από το τροποποιημένο υλικό πλήρωσης με βόριο{20}}και να διατηρήσετε ένα κύκλωμα ψυχρής θερμοκρασίας{22} τουλάχιστον{21} βαθμό όταν η κύρια θέρμανση είναι απενεργοποιημένη.

Η γνώση ότι η διαδικασία αστοχίας δεν είναι διάβρωση περιβλήματος, αλλά υγροσκόπηση εσωτερικού πληρωτικού υλικού, επιτρέπει στους μηχανικούς να προσδιορίσουν το τροποποιημένο MgO με βόριο-, για να αποφύγουν την αργή ηλεκτρική υποβάθμιση που υφίστανται πάντα τα συνηθισμένα πληρωτικά. Το προστιθέμενο κόστος του τροποποιημένου πληρωτικού βορίου- (συνήθως 10-15% του κόστους παραγωγής του θερμαντήρα) επιστρέφεται γρήγορα μέσω μειωμένης συντήρησης, λιγότερων ενοχλητικών διαδρομών γείωσης και μεγαλύτερους κύκλους αντικατάστασης θερμαντήρα.