De ce tuburile electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316 cu bor-umpluturi dielectrice interne adăugate rezistă la degradarea curentului de scurgere de curent alternativ în carcasele cu umiditate ridicată-mai eficient decât umpluturile standard cu oxid de magneziu?

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 până la sub 1 MΩ, rezultând declanșarea curentului de scurgere și activarea protecției împotriva defecțiunii la pământ. Printre aceștia, se știe că aditivii care conțin bor-, și anume oxidul de bor (B 2 O 3 ) sau boratul de magneziu (Mg 3 B 2 O 6 ), reacţionează chimic cu apa pentru a genera un strat de borat hidratat permanent, non{-higroscopic, care etanșează suprafețele particulelor împotriva absorbției suplimentare de umiditate cu Mg 2-5% la absorbție suplimentară de umiditate. Acest articol caracterizează cinetica de absorbție a umidității și rezistența la degradarea electrică a materialelor de umplutură MgO modificate cu bor-în comparație cu MgO standard în mantale de oțel inoxidabil 316 în medii cu 40–60 de grade și umiditate relativă de 95%, oferind îndrumări cu privire la selectarea materialelor de umplutură pentru aplicațiile cu integritate{18}}înaltă, în care fiabilitatea la sol este critică.

Acțiunea higroscopică a unei umpluturi standard cu oxid de magneziu în tuburi de încălzire etanșate
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%, rezultând formarea unei soluții conductoare care conectează firul de încălzire și mantaua.

Într-un tub de încălzire cu garnituri terminale neîntrerupte, umplutura internă rămâne uscată pentru totdeauna. În practică, totuși, etanșările terminale (de obicei cauciuc siliconic sau epoxidice) se deteriorează sub ciclul de căldură și expunerea la UV și se formează microfisuri de 10-100 micrometri lățime. Aceste fisuri permit intrarea aerului umed. Odată ce umiditatea ajunge la umplutura cu MgO, degradarea rezistivității urmează un proces în 3 etape. Etapa unu: hidroxilarea de suprafață a straturilor exterioare de particule de MgO, creșterea curentului de scurgere cu 10-100. Etapa a doua: creșterea hidratării interne cu umflare care poate crăpa teaca prin presiunea internă. Etapa a treia: crearea unui canal electrolitic de la firul de încălzire la manta, rezultând curenți de eroare la pământ mai mari de 5–10 mA și declanșarea dispozitivelor de curent rezidual (RCD). Datele de teren de la instalațiile de încălzire industrială exterioară confirmă că IR al celor 316 teci cu umplere convențională cu MgO scade sub 1 MΩ după 6-18 luni în condiții cu 95% RH.

Mecanismul aditiv al borului: Sigilarea chimică a particulelor de MgO
Adăugăm compuși de bor la umplutura cu MgO pentru a construi o barieră de hidratare auto-{0}}limitantă folosind chimia acidului boric. Speciile de bor adsorb de preferință primul monostrat de apă și reacționează pentru a genera un strat subțire de oxid de bor hidratat (H3BO3 sau B2O3·3H2O) pe suprafețele particulelor atunci când B2O3 sau boratul de magneziu este amestecat cu MgO la 2-5 % în greutate. Trei aspecte importante ale acestui strat hidratat sunt: ​​În primul rând, presiunea sa de echilibru a vaporilor de apă este mult mai mică decât cea a Mg(OH)2, prin urmare se formează rapid și complet înainte de orice hidratare apreciabilă de MgO. În al doilea rând, foaia amorfă de borat hidratat continuu acoperă complet fiecare particulă de MgO. În al treilea rând, pelicula este stabilă și ne-higroscopică peste 60-80 - intervalul de temperatură întâlnit de material de umplutură în interiorul unui tub de încălzire operațional (de obicei 150-300 de grade lângă fir, dar până la 50-100 de grade lângă manta în timpul ciclurilor oprite).

Odată format, învelișul cu borat împiedică difuzarea apei în continuare în MgO subiacent. Reacția este autolimitată deoarece grosimea filmului (în mod normal 50-200 nm) încetează să crească atunci când tot borul accesibil de la suprafața particulei a reacționat. Spre deosebire de Mg(OH)2, care crește spre interior pe măsură ce apa difuzează prin stratul de hidroxid, pelicula de borat are o difuzivitate foarte scăzută a apei (aproximativ . 10-14 cm2/s la 50 de grade față de . 10-10 cm2/s pentru Mg(OH)2). Această barieră cinetică mărește timpul până la o defecțiune electrică substanțială cu un factor de 10-50 pentru aceleași condiții de pătrundere a umidității.

Performanță electrică relativă la testarea umidității accelerate
Testele de umiditate accelerată au fost efectuate pe 316 tuburi de încălzire cu manta din oțel inoxidabil (1,2 mm perete, 10 mm OD, 1,5 kW, 230 V) cu trei compoziții de umplutură interioară. Tuburile au fost sigilate cu garnituri terminale standard din cauciuc siliconic și plasate într-o cameră de temperatură-umiditate la 60 de grade, 95% umiditate relativă, încălzitoarele fiind nealimentate cu excepția măsurătorilor ocazionale de rezistență a izolației (măsurată la 500 V DC). Perioada de testare a fost de 2000 de ore, ceea ce corespunde la aproximativ 2-3 ani de expunere la câmp în incinte umede.

Tip de umplutură Conținut de bor (% în greutate ca B₂O₃) IR inițial la 25 de grade (MΩ) IR După 500 de ore la 60 de grade /95% RH (MΩ) IR După 1000 de ore (MΩ) IR După 2000 de ore (MΩ) Mod de eroare (IR) < 1 MΩ
MgO standard (grad industrial)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO de puritate{0}înaltă (99,9%, calcinat)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 ore
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (fără eșec)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (fără eșec)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (fără eșec)
Cea mai înaltă performanță a fost demonstrată de materialul co-sinterizat de borat de magneziu-MgO, în care borul a fost integrat în rețeaua cristalină a MgO în timpul calcinării la temperaturi înalte, în loc de o simplă amestecare, cu o rezistență de izolație de peste 80 MΩ după 2000 de ore de testare accelerată a umidității. Aceasta este o îmbunătățire de 100 de ori față de MgO normală pentru aceeași lungime de test.

Dependența de temperatură a rezistenței la umiditate a materialelor de umplutură modificate cu bor-
Eficiența materialelor de umplutură-modificate cu bor depinde de temperatura garniturii terminale și de capătul rece al mantalei, unde umiditatea intră în mod normal, iar temperatura umpluturii poate fi de numai 40-80 de grade . Sub 60 de grade, hidratarea particulelor de bor este lenta, iar borul nereacționat poate permite totuși o anumită hidratare a MgO să aibă loc pe perioade lungi de timp. Cu toate acestea, în timpul funcționării încălzitorului, capătul rece este în mod normal de 80-120 de grade din cauza căldurii transmise. La aceste temperaturi, reacția de etanșare cu borat este accelerată și umiditatea care intră este consumată rapid pentru a genera stratul stabil de borat hidratat.

Testele prelungite la temperatură constantă (fără cicluri de încălzire) arată limita de temperatură pentru o protecție eficientă cu bor:

30 de grade, 95% RH: Filler modificat cu bor > 3000 ore IR > 100 MΩ, MgO standard 800-1000 ore.

50 de grade, 95% RH (a) Umplutura modificată cu bor- supraviețuiește 2000 de ore cu o mică deteriorare. MgO standard eșuează la 400-600 de ore.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ după 2000 de ore; MgO obișnuit eșuează la 200-300 de ore.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ după 2000 de ore). Temperatura ridicată alunga umezeala absorbită.

Pentru încălzitoarele nealimentate în setări de așteptare reci și umede (de exemplu, echipamente sezoniere, încălzitoare de rezervă), temperatura finală rece poate fi cea ambientală. În aceste situații, materialul de umplutură modificat cu bor-oferă o îmbunătățire de 3-5x a rezistenței la umiditate față de MgO obișnuit, dar nu poate preveni deteriorarea finală dacă pătrunderea de umiditate este constantă. Pentru aplicațiile de așteptare la rece, răspunsul este bornele închise ermetic (etanșări din sticlă-la-metal) sau un încălzitor cu putere redusă (5-10% din puterea nominală) care menține temperatura finală rece peste 60 de grade .

Testare pe teren pentru incinte de control maritime și exterioare
Un studiu de teren a urmărit performanța a 316 tuburi de încălzire placate cu oțel inoxidabil montate în carcase de control exterior (marcate NEMA 4X, dar cu condensare interioară) la o stație de tratare a apelor uzate de coastă. Condiții ambientale: 20 până la 35 de grade, 60 până la 95% RH, pulverizare de sare în aer (depunere de clorură de 0,1 până la 0,5 mg/m3). Rezistența izolației a fost evaluată la fiecare trei luni timp de 36 de luni pentru 50 de încălzitoare cu umplutură de MgO obișnuită și 50 de încălzitoare cu MgO modificat cu bor-(tip co-sinterizat de borat de magneziu).

Rezultate pentru încălzitoarele tipice cu MgO: IR medie 45 MΩ (interval 8–210 MΩ) după 6 luni. După 12 luni, 22 de încălzitoare (44%) au avut IR < 1 MΩ și au declanșat protecția împotriva defecțiunii la pământ. Patruzeci-un (82%) de încălzitoare s-au defectat la 24 de luni . După 36 de luni, 48 de încălzitoare (96 la sută) s-au defectat. Principalul punct de defecțiune a fost capătul rece al garniturii terminale, iar materialul de umplutură a fost de culoare gri închis și conductiv.

Rezultate pentru încălzitoarele MgO modificate cu bor-: IR medie după 12 luni a fost de 280 MΩ (interval 110–650 MΩ). După 24 de luni, IR-ul mediu a fost de 95 MΩ (interval 22-310 MΩ) și doar 3 încălzitoare (6%) au avut IR sub 1 MΩ. La 36 de luni, IR medie a fost de 52 MΩ (interval 8-180 MΩ) și 8 încălzitoare (16%) au eșuat. Acesta este un câștig de 20-ori în ceea ce privește durata de viață efectivă față de MgO normal pentru acest mediu umed, încărcat cu sare, după cum se vede prin rata de supraviețuire îmbunătățită de 84% după 36 de luni față de 4%. Analiza cauzei principale Din cele opt defecțiuni, cinci au prezentat deteriorarea vizibilă a etanșării terminalelor (botine fisurate din silicon) și trei au fost instalate cu capătul rece al încălzitorului îndreptat în sus, permițând scurgerea condensului în regiunea terminalului - o eroare de instalare pe care nici măcar umplutura modificată cu bor nu a putut-o compensa pe deplin.

Limbă de specificații pentru încălzitoare de carcasă cu umiditate ridicată
Pentru tuburile electrice de încălzire învelite din oțel inoxidabil 316 specificate pentru carcasele în care umiditatea relativă poate depăși în mod regulat 80% sau unde este probabilă condensul, inginerii ar trebui să indice criteriile de compoziție a umpluturii în specificația de cumpărare. Umplutura dielectrică internă trebuie să fie oxid de magneziu modificat cu oxid de bor sau borat de magneziu cu un conținut minim de bor corespunzător la 2,5% B2O3 în greutate. MgO dopat cu bor co-sinterizat este favorabil compușilor de bor amestecați mecanic. Umplutura va fi evaluată pentru rezistența la umiditate conform IEEE Std 515 Anexa C (rezistență de izolație de 500 V CC după 500 de ore la 60 de grade, 95% RH). IR minim admisibil va fi de 50 MΩ. Pentru aplicațiile în care fiabilitatea absolută este critică – cum ar fi încălzitoarele legate de siguranța nucleară-sau încălzitoarele în platforme offshore fără echipaj – specificați terminale închise ermetic cu etanșări din sticlă-la-metal în plus față de umplutura-modificată cu bor și necesită un circuit de menținere{21}2}2}la rece de minimum grad când încălzitorul principal este oprit.

Cunoașterea faptului că procesul de defecțiune nu este coroziunea învelișului, ci higroscopia internă a umpluturii, le permite inginerilor să specifice MgO-modificat cu bor, pentru a evita degradarea electrică lentă pe care o suferă întotdeauna materialele de umplutură obișnuite. Costul suplimentar al umpluturii modificate cu bor-(de obicei 10-15% din costul de producție al încălzitorului) este rapid rambursat prin întreținere redusă, mai puține declanșări neplăcute și cicluri mai lungi de înlocuire a încălzitorului.