Cum afectează grosimea peretelui învelișului din oțel inoxidabil 316 rezistența dielectrică a izolației cu oxid de magneziu după împingerea elementelor electrice de încălzire?

Pentru inginerii de calitate și producătorii de elemente de încălzire, relația dintre grosimea peretelui mantalei și performanța izolației electrice nu este întotdeauna evidentă. Pulberea de oxid de magneziu din jurul firului de rezistență este comprimată la o densitate care oferă o conductivitate termică ridicată și o rezistență dielectrică ridicată-de obicei peste 2,8 g/cm³ pentru a oferi o rezistență de izolare mai mare de 100 de megaohmi la temperatura camerei. Mecanismul principal de compactare a MgO este procesul de strângere care scade diametrul exterior al mantalei din oțel inoxidabil 316. Dar presiunea radială exercitată prin peretele învelișului asupra MgO depinde de grosimea peretelui. Pereții mai groși absorb mai mult din forța de swaling. MgO poate fi subcompactat. Pereții mai subțiri transmit o forță mai mare, dar riscă să se prăbușească sau să deterioreze firul de rezistență. Această lucrare analizează efectul grosimii peretelui de 316 înveliș asupra posibilei densități de MgO și rezistență dielectrică. Acesta oferă o bază pentru determinarea unei grosimi minime a peretelui care echilibrează integritatea mecanică față de performanța electrică.

Comportamentul compresiv al MgO în timpul învelirii tecii
La fabricarea unui încălzitor, un tub din oțel inoxidabil 316 este umplut cu un amestec liber de pulbere de MgO și un fir de rezistență situat central. Ansamblul este apoi trecut printr-o mașină de presărat în care matrițele de filare ciocănesc tubul radial spre interior și reduc diametrul exterior cu 10-30%. Acest proces densifică pulberea de MgO de la o densitate în vrac inițială de ~1,5 –1,8 g/cm3 la o densitate finală de 2,8 –3,2 g/cm3. Forța radială netă din matrițele de presărare, după scăderea forței utilizate în deformarea elastică și plastică a peretelui învelișului 316, este presiunea de compactare furnizată MgO. Pentru o anumită reducere de presărare și forță a matriței, un perete de manta mai subțire are ca rezultat mai puțină muncă de deformare generală efectuată și un procent mai mare din forța aplicată este transferat către MgO. Modelarea cu elemente finite a procesului de presărare arată că o manta 316 de 0,8 mm transferă aproximativ 85% din presiunea matriței către MgO, în timp ce o manta de 1,6 mm transferă doar 65% în condiții egale de presărare. Mai puțin de 50% din forța aplicată este transmisă prin mantaua de 2,5 mm, restul fiind reținut ca energie elastică de deformare în peretele gros de oțel, sau eliberat ca căldură în timpul deformării plastice. Această diferență are un impact direct asupra posibilei densități de MgO.

Relația cantitativă între grosimea peretelui și densitatea MgO
Testele controlate care utilizează echipamente similare de presărare, seturi de matrițe și rapoarte de reducere arată o relație inversă certă între grosimea peretelui învelișului de 316 și densitatea finală de MgO. Densitățile tipice de MgO atinse pentru o reducere a presiunii de 20% (de exemplu, . 12.0 mm până la 9,6 mm diametrul exterior) sunt: ​​Densitatea finală de MgO de 3,1-3,2 g/cm3 cu o grosime a peretelui de 0,8 mm depășește semnificativ standardul minim. Grosimea peretelui este de 1,2 mm, densitatea este de 2,9–3,0 g/cm 3 , ceea ce este încă acceptabil pentru majoritatea scopurilor. Densitatea scade la 2,7–2,8 g/cm3, care este la nivelul minim admis sau sub acesta, cu o grosime a peretelui de 1,6 mm. Densitatea materialului cu grosimea peretelui de 2,0 mm este de 2,5–2,6 g/cm3, ceea ce nu este suficient pentru o izolație electrică sigură la temperaturi ridicate. La mai puțin de 2,7 g/cm3, MgO are porozitate interconectată care permite absorbția umidității și canale de scurgere pentru curentul electric. Rezistența izolației la 500 de grade de MgO compactat la 2,5 g/cm3 este adesea de 10 până la 100 de ori mai mică decât cea a MgO compactat la 3,1 g/cm3 . Rigiditatea dielectrică (limita superioară a câmpului electric pe care izolația o poate susține fără defalcare) scade de la aproximativ 15 kV/mm3 la .1 kV/mm3 la. 2,5 g/cm³. Câmpul electric peste stratul de MgO al unui încălzitor de 240 V cu diametrul firului de rezistență 1,0 mm este de aproximativ 2-3 kV/mm la tensiunea de lucru. Acest lucru oferă o marjă confortabilă la densitate mare de MgO, dar este marginală la densitate scăzută, unde defecțiunile mici pot duce la defectarea dielectrică.

Limitele practice ale „integrității dielectrice” a tecilor cu pereți groși-
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) pentru cerințe mecanice sau de coroziune. Există trei ajustări de producție care pot atenua absorbția forței de pereți groși. Prima și cea mai obișnuită procedură este creșterea raportului de reducere a presăvării. 30% reducere de la 12,0 mm la 8,4 mm diametrul exterior transmite tensiuni radiale mai puternice către MgO, realizând densități similare cu pereții mai subțiri la o reducere mai mică, în loc de o reducere de 20%. Penalizarea este șansa crescută de deteriorare a firului de rezistență și tensiuni reziduale mai mari în manta. A doua modificare este utilizarea mai multor treceri de ștampire cu recoacere intermediară. O reducere de 15% apoi recoacere pentru a ușura tensiunile învelișului, urmată de o a doua reducere de 15%, poate oferi o densitate mare de MgO în tecile cu pereți groși, fără a depăși limitele de formabilitate ale tubului 316. A treia modificare este modificarea specificației pulberii de MgO: particulele grosiere, unghiulare de MgO sunt mai ușor de compactat decât pulberile fine, sferice. Un grad de MgO de înaltă densitate cu distribuție reglată a dimensiunii particulelor poate crește densitatea finală cu 0,1–0,2 g/cm3 pentru aceleași condiții de presărare. Fiecare dintre aceste ajustări se adaugă la costul de fabricație. Dar costul este justificat pentru situațiile în care pereții groși sunt o necesitate.

Matricea de selecție a grosimii peretelui și a densității MgO pentru o performanță dielectrică fiabilă
Următorul tabel prezintă combinații adecvate de grosime a peretelui de 316 înveliș și cerințe de fabricație pentru a obține o densitate minimă acceptabilă de MgO de 2,8 g/cm3 și rezistență dielectrică peste 10 kV/mm la temperatura camerei.

Grosimea necesară a peretelui de presărare 316 Reducerea recomandată a presăvării Număr recomandat de treceri de tamponare Densitatea MgO realizabilă Considerații speciale
0,8 – 1,0 mm 15 – 20% O singură trecere 3,0 – 3,2 g/cm³ Metodă standard, cost redus
1,0 – 1,2 mm 18 – 22% O trecere 2,9 – 3,1 g/cm³ Procedura standard adecvată 1,2 – 1,4 mm 20 – 25%Pasare simplă sau dublă 2,8 – 3,0 g/cm³ Confirmați prin testarea eșantionului 1,4 – 1,6 mm 25 – 2,30 % Recomandată dublă trecere înaltă 39,3 g/cm³ densitate grad MgO necesar
1,6 – 1,8 mm 28 – 32% Este necesară trecerea dublă 2,6 – 2,8 g/cm3 Marginal, este necesară testarea de calificare
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Recoacere intermediară trecere dublă 2,5-2,7 g/cm³Nerecomandat pentru tensiuni peste 120V > 2,0 mm Nu este posibil Nu este posibil Sub 2,5 g/cm³ Utilizați un diametru mai mic sau un aliaj diferit
Pentru orice încălzitor cu o tensiune de lucru mai mare de 250 VAC, densitatea minimă admisă de MgO ar trebui să fie crescută la 3,0 g/cm3, ceea ce limitează efectiv grosimea maximă a peretelui de 316 înveliș la 1,2 mm, cu excepția cazului în care se aplică proceduri speciale de presărare. În aplicațiile de înaltă tensiune peste 600 VAC – adesea văzute în unele echipamente industriale și miniere – grosimea peretelui învelișului trebuie menținută sub 1,0 mm pentru a menține rezistența dielectrică acceptabilă sau încălzitorul ar trebui să fie construit cu un ecran metalic, împământat și separat de izolația MgO.

Metode de testare și validare a asigurării calității producției
Nu se bazează numai pe relațiile teoretice din cauza variațiilor introduse de echipamentul de presărare, tehnica operatorului și toleranțele tubulaturii de intrare. Dacă se specifică încălzitoare cu grosimi de perete mai mari de 1,4 mm, inginerii ar trebui să ceară producătorului să dea măsurători ale densității MgO din probele de producție. Acest lucru se face de obicei prin tăierea unei porțiuni de încălzitor și măsurarea masei și volumului pulberii compactate. Densitatea minimă trebuie menționată ca o cerință de calitate de 2,8 g/cm3 și nu ca țintă. Încălzitoarele finite trebuie, de asemenea, testate pentru rezistența dielectrică. Testul obișnuit este de 1.500 VAC plus de două ori tensiunea de funcționare aplicată timp de un minut între firul de rezistență și manta. Adică 1,500 + 480=1,980 VAC pentru un încălzitor de 240 V. Învelișurile cu pereți groși cu densitate marginală de MgO trec în general acest test la temperatura ambiantă, dar nu atunci când sunt încălzite la temperatura de funcționare, deoarece rezistența dielectrică a MgO scade odată cu temperatura. Cea mai bună validare se obține astfel prin solicitarea testelor de rezistență la izolație la cald la 500 de grade. Rezistența de izolație la cald a încălzitoarelor industriale nu este, în mod normal, mai mică de 1 megaohm, deși 10 megaohm este de dorit pentru o viață prelungită. Defecțiunile câmpului de defecțiune dielectrică sunt costisitoare și adesea periculoase. Cheltuiala suplimentară de specificare a unei învelișuri mai subțiri sau de ștanțare mai viguroasă pentru a obține densitatea MgO este minoră în comparație cu costul unei cereri de garanție sau, mai rău, cu o incidență a șocurilor electrice.