Cum afectează grosimea peretelui învelișului din oțel inoxidabil 316 calea curentului de scurgere electrică și degradarea rezistenței izolației în medii cu umiditate ridicată-?

Inspectorii de siguranță electrică și inginerii de asigurare a calității care lucrează cu încălzitoare electrice cu imersie în aplicații în aer liber, procesarea alimentelor și fabricarea farmaceutică sunt întotdeauna preocupați de degradarea rezistenței izolației în setări cu umiditate ridicată. Izolația de oxid de magneziu din jurul firului de rezistență este higroscopică, ceea ce înseamnă că preia umezeala din aer atunci când încălzitorul nu este alimentat dacă mantaua nu este complet etanșă. Umiditatea absorbită scade rezistența de izolare. Acest lucru determină curgerea curentului de scurgere care poate declanșa sistemele de prevenire a erorilor la pământ și, în situații extreme, poate cauza pericole de șoc electric. Grosimea peretelui materialului învelișului din oțel inoxidabil 316 afectează atât rata de pătrundere a umidității, cât și lungimea canalului electric pentru curentul de scurgere. Acest articol evaluează grosimea peretelui învelișului, difuzia umidității și relațiile de degradare a rezistenței izolației și oferă sugestii de selecție pentru serviciul cu umiditate ridicată.

Difuzarea umidității prin învelișuri 316SS și garnituri de capăt
Vaporii de apă pot difuza prin peretele tecii din oțel inoxidabil 316 sau prin etanșările de capăt unde firul de rezistență iese din manta, pătrunzând astfel izolația MgO. Permeabilitatea oțelului inoxidabil 316 la vaporii de apă este foarte scăzută, dar nu zero. Rata de penetrare a vaporilor de apă în stare de echilibru prin 316 grosime de 1,0 mm la 40 de grade și umiditate relativă 100% este de aproximativ 0,001 g/m2/zi. Aceasta ar fi mai puțin de 0,4 grame de apă difuză pe metru pătrat de suprafață înveliș într-un an, ceea ce este neglijabil pentru dimensiunile normale ale încălzitorului. Principalul mecanism de infiltrare a umidității este prin porii microscopici de la etanșările de la capăt, în special la contactul dintre manta, MgO și granulele terminale ceramice. Pentru tecile cu pereți subțiri sub 1,0 mm, complianța mecanică a tecii permite o deformare minoră în timpul ciclului termic, care deschide și închide golurile la etanșările de la capăt pompând aer umed în MgO. Cu toate acestea, rigiditatea lor mai mare interzice această acțiune de pompare pentru tecile cu pereți groși peste 1,8 mm, scăzând ratele de pătrundere a umidității cu un factor de 5 până la 10. Prin urmare, influența grosimii peretelui asupra pătrunderii umidității este indirectă, dar importantă: pereții mai groși păstrează mai bine integritatea etanșării la capăt sub ciclul termic.

Grosimea peretelui tecii și lungimea traseului curentului de scurgere
Odată ce umiditatea pătrunde în MgO, rezistența de izolare se reduce deoarece moleculele de apă creează canale conductoare de-a lungul suprafeței granulelor de MgO. Curentul de scurgere electrică de la firul de rezistență la învelișul 316 împământat a fost ghidat radial prin stratul de MgO. Rezistența acestei căi este R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L) unde rho este rezistivitatea MgO umed, r2 și r1 sunt razele exterioare și interioare ale stratului de MgO și L este lungimea încălzită. Creșterea grosimii peretelui învelișului scade de fapt grosimea stratului de MgO pentru un anumit diametru exterior de înveliș și un diametru fix al firului de rezistență, deoarece învelișul ocupă mai mult spațiu radial. Peretele mai gros înseamnă mai puțin MgO între sârmă și manta. Această distanță radială mai mică duce la o rezistență de izolație mai mică pentru un anumit conținut de umiditate și, prin urmare, agravează problemele curenților de scurgere. De exemplu, luați în considerare o manta cu diametrul exterior de 10 mm cu un fir de rezistență cu diametrul de 3 mm. Grosimea stratului de MgO este de 10 - 2×{1.0 - 3=5 mm, în timp ce grosimea peretelui este de 1,0 mm. Cu o grosime a peretelui de 2,0 mm, grosimea stratului de MgO este de 10 - 4 - 3=3 mm. Stratul mai subțire de MgO scade rezistența radială de izolație cu aproximativ 40% pentru aceeași rezistivitate MgO. Prin urmare, tecile cu pereți groși sunt mai vulnerabile la rezistența scăzută la izolație în cazul infiltrației de umiditate, deoarece există mai puțin MgO pentru a obstrucționa canalul de curent de scurgere.

Grosimea critică a peretelui pentru integritatea etanșării la capăt
Următorul tabel oferă grosimi sugerate de perete de 316 mantale pentru încălzitoarele electrice cu imersie pentru situații cu umiditate ridicată, în funcție de frecvența ciclului termic anticipat și de rezistența de izolație necesară după depozitare prelungită sau timp de inactivitate. Valorile presupun o construcție tipică a etanșării la capăt cu margele ceramice și etanșări epoxidice sau silicon.

Umiditate Mediu Număr așteptat de cicluri termice pe an Recomandat minim 316 Grosimea peretelui Recomandat Maximum 316 Grosimea peretelui Rezistența așteptată la izolație după un an de umiditate ridicată Penetrarea umidității 2. Mecanisme dominante
Ocazional umiditate ridicată (mai puțin de 50% din timp) Sub 100 0.8 mm 1,6 mm Peste 100 megaohmi Difuziunea etanșării la capăt
Umiditate ridicată constant (80-100% RH) Mai puțin de 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megaohmi Difuzie Garnitură de capăt
Umiditate ridicată constantă cu ciclu termic zilnic 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megaohmi Pompare termică la etanșările de capăt
Umiditate de condensare (spălare frecventă sau rouă) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megaohmi Pompare termică și intrare directă
Umiditate Compresie Spălare cu presiuneOrice 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megaohmi Este necesară etanșare ermetică, intrare directă a apei
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1.000 de megaohmi Căldura elimină umezeala; nici o deteriorare
Cu toate acestea, se recomandă o înveliș 316 de 1,6 mm sau mai gros pentru aplicații cu umiditate ridicată continuă și cicluri frecvente de temperatură, chiar dacă grosimea stratului de MgO ar fi scăzută. Avantajul integrității etanșării la capăt depășește dezavantajul lungimii reduse a traseului de scurgere. În astfel de setări, inginerii ar trebui să specifice, de asemenea, un design de etanșare la capăt rezistent la umiditate, de exemplu o etanșare ermetică din sticlă-la-metal sau o barieră dublă epoxidica cu o cameră de uscare intermediară.

Schimbări de proiectare pentru îmbunătățirea rezistenței izolației-pereților subțiri
În condiții de-umiditate ridicată, în care o teaca 316 cu pereți-subțiri<1.2 mm is generally employed for thermal response reasons, three design adjustments exist for maintaining insulation resistance. The first is to apply a moisture barrier coating over the whole sheath and end seal assembly. A conformal coating of parylene or silicone, 50 to 100 microns thick, reduces moisture intrusion by a factor of 10 to 50. The second change is the fitting of a low wattage stand-by heater circuit to maintain the sheath temperature at 50-60 deg C when idling. This keeps the MgO heated enough to avoid condensation of moisture and chases off any water that has been absorbed. Normally the power required is 5-10% of the full heater rating. The third change is the addition of a desiccant filled breather vent to the terminal housing. The desiccant takes moisture before it can get to the end seals. A color-indicating desiccant will change colour when saturated, so that it may be seen inspected and replaced in a timely manner. For essential applications where insulation resistance below 1 megohm can pose a safety threat, engineers should design a heater-service-rated ground fault circuit interrupter. If the MgO insulation has decayed, this provides some protection if there is a leakage over 5-30 mA the GFCI trips. When ordering heaters for high humidity locations, always obtain the insulation resistance test results after 48 hours exposure to 95% relative humidity at 40°C. Most industrial uses call for a heater that will hold 10 megohms or higher under these conditions. If the heater is below 1 megohm it may need more sealing or a different wall thickness.