چرا لوله‌های گرمایش الکتریکی غلاف فولادی ضد زنگ 316 با بور-پرکننده‌های دی‌الکتریک داخلی افزوده‌شده در برابر تخریب جریان نشتی AC در محفظه‌های رطوبت بالا{{2} مؤثرتر از پرکننده‌های استاندارد اکسید منیزیم مقاومت می‌کنند؟

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 تا کمتر از 1 MΩ که منجر به قطع جریان نشتی و فعال شدن محافظ خطای زمین می شود. در میان آنها، بور{3}}حاوی مواد افزودنی، یعنی اکسید بور (B 2 O 3 ) یا بورات منیزیم ( Mg 3 B 2 O 6 ) شناخته شده است که از نظر شیمیایی با آب واکنش می دهد و یک لایه بورات هیدراته دائمی و غیر{9}}رطوبت سنجی ایجاد می کند که در هنگام اختلاط ذرات اضافی در برابر مواد جذب شده O را می بندد. ۲ تا ۵ درصد وزنی این مقاله سینتیک جذب رطوبت و مقاومت در برابر تخریب الکتریکی فیلرهای MgO اصلاح‌شده بور را نسبت به استاندارد MgO در غلاف‌های فولادی ضد زنگ 316 در محیط‌های 40 تا 60 درجه و رطوبت نسبی 95 درصد مشخص می‌کند، و راهنمایی‌هایی را در مورد انتخاب پرکننده برای کاربردهای ناقص{18} ارائه می‌دهد.

عمل هیگروسکوپیک پرکننده استاندارد اکسید منیزیم در لوله های گرمایش مهر و موم شده
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٪، در نتیجه یک محلول رسانا تشکیل می شود که سیم گرمایش و غلاف را به هم متصل می کند.

در یک لوله حرارتی با مهر و موم ترمینال نشکن، پرکننده داخلی برای همیشه خشک می ماند. با این حال، در عمل، مهر و موم انتهایی (معمولاً لاستیک سیلیکونی یا اپوکسی) تحت چرخش گرما و قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش خراب می شود و ریزترک هایی به عرض 10-100 میکرومتر ایجاد می شود. این ترک ها اجازه ورود هوای مرطوب را می دهند. هنگامی که رطوبت به پرکننده MgO می رسد، کاهش مقاومت از یک فرآیند 3 مرحله ای پیروی می کند. مرحله اول: هیدروکسیلاسیون سطحی لایه های ذرات MgO بیرونی، افزایش جریان نشت 10-100. مرحله دوم: افزایش هیدراتاسیون داخلی همراه با تورم که ممکن است با فشار داخلی غلاف را ترک کند. مرحله سوم: ایجاد یک کانال الکترولیتی از سیم گرمایش به غلاف، که منجر به جریان‌های خطای زمین بیشتر از 5-10 میلی آمپر و قطع شدن دستگاه‌های جریان باقیمانده (RCD) می‌شود. داده های میدانی از تاسیسات بخاری صنعتی در فضای باز تایید می کند که IR غلاف 316 با پر کردن معمولی MgO پس از 6 تا 18 ماه در شرایط با RH 95٪ به زیر 1 MΩ کاهش می یابد.

مکانیسم افزودنی بور: آب بندی شیمیایی ذرات MgO
ما در حال اضافه کردن ترکیبات بور به پرکننده MgO هستیم تا با استفاده از شیمی اسید بوریک، یک سد هیدراتاسیون خود محدود{0} بسازیم. گونه های بور ترجیحاً اولین تک لایه آب را جذب می کنند و هنگامی که B2O3 یا بورات منیزیم با MgO با غلظت 2 تا 5 درصد وزنی مخلوط می شوند، برای تولید یک پوشش نازک از اکسید بور هیدراته (H3BO3 یا B2O3·3H2O) روی سطوح ذرات واکنش نشان می دهند. سه جنبه مهم این لایه هیدراته عبارتند از: اولاً، فشار بخار تعادل آب آن بسیار کمتر از Mg(OH)2 است، بنابراین قبل از هیدراتاسیون قابل ملاحظه MgO به سرعت و به طور کامل تشکیل می شود. دوم، ورقه بورات هیدراته پیوسته و آمورف به طور کامل هر ذره MgO را در بر می گیرد. ثالثاً، فیلم پایدار است و در محدوده دمایی بالاتر از 60-80 درجه - که پرکننده در داخل لوله گرمایش عملیاتی با آن مواجه می‌شود، پایدار نیست (معمولاً 150-300 درجه در نزدیکی سیم، اما تا 50-100 درجه در نزدیکی غلاف در طول چرخه خارج از چرخه).

پس از تشکیل، پوشش بورات از انتشار بیشتر آب به MgO زیرین جلوگیری می کند. واکنش به خود محدود می شود زیرا ضخامت لایه (معمولاً 50 تا 200 نانومتر) با واکنش تمام بور قابل دسترس در سطح ذره از رشد متوقف می شود. برخلاف Mg(OH)2 که با انتشار آب از طریق لایه هیدروکسید به سمت داخل رشد می کند، فیلم بورات دارای نفوذ آب بسیار کم است (تقریباً{4}} cm2/s در 50 درجه در مقابل. 10-10 cm2/s برای Mg(OH)2). این مانع جنبشی زمان شکست الکتریکی قابل توجهی را با ضریب 10 تا 50 برای شرایط نفوذ رطوبت مشابه افزایش می دهد.

عملکرد نسبی الکتریکی تحت آزمایش رطوبت تسریع شده
آزمایش‌های رطوبت تسریع‌شده روی 316 لوله گرمایش غلاف فولادی ضد زنگ (دیواره 1.2 میلی‌متر، OD 10 میلی‌متر، امتیاز 1.5 کیلووات، 230 ولت) با سه ترکیب پرکننده داخلی انجام شد. لوله ها با مهر و موم های ترمینال لاستیکی سیلیکونی استاندارد آب بندی شدند و در یک محفظه رطوبت{6}در دمای 60 درجه، رطوبت نسبی 95% قرار گرفتند، بخاری ها بدون برق بودند، مگر برای اندازه گیری های گاه به گاه مقاومت عایق (اندازه گیری شده در 500 V DC). دوره آزمایش 2000 ساعت بود که مربوط به حدود 2-3 سال قرار گرفتن در معرض میدان در محوطه های مرطوب است.

نوع پرکننده محتوای بور (wt% به عنوان B2O3) IR اولیه در 25 درجه (MΩ) IR پس از 500 ساعت در 60 درجه / 95٪ RH (MΩ) IR پس از 1000 ساعت (MΩ) IR پس از 2000 ساعت (MΩ) حالت شکست 1Ω (MΩ)
استاندارد MgO (گرید صنعتی)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO-با خلوص بالا (99.9٪، کلسینه)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 ساعت
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (بدون شکست)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (بدون شکست)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (بدون شکست)
بالاترین کارایی توسط مواد-منیزیم بورات متخلخل-MgO نشان داده شد، که در آن بور در شبکه بلوری MgO در خلال کلسیناسیون در دمای بالا، به جای مخلوط کردن ساده، با مقاومت عایق بیش از 80 MΩ پس از 2000 ساعت آزمایش تسریع هومی، در شبکه کریستالی MgO ادغام شد. این یک بهبود 100 برابری نسبت به MgO معمولی برای همان طول آزمایش است.

وابستگی به دما مقاومت در برابر رطوبت بور-پرکننده‌های اصلاح‌شده
کارایی پرکننده‌های اصلاح‌شده بور به دمای مهر و موم پایانه و انتهای سرد غلاف بستگی دارد، جایی که معمولاً رطوبت وارد می‌شود و دمای پرکننده ممکن است فقط 40 تا 80 درجه باشد. زیر 60 درجه، هیدراتاسیون ذرات بور کند است و بور واکنش نداده هنوز هم می تواند اجازه دهد مقداری هیدراتاسیون MgO در دوره های زمانی طولانی رخ دهد. با این حال، در حین کار بخاری، انتهای سرد معمولاً 80-120 درجه به دلیل گرمای منتقل شده است. در این دماها واکنش آب بندی بورات تسریع می شود و رطوبتی که وارد می شود به سرعت مصرف می شود تا پوشش بورات هیدراته پایدار ایجاد شود.

آزمایش‌های طولانی‌مدت در دمای ثابت (بدون چرخه گرمایش) حد دما را برای محافظت کارآمد از بور نشان می‌دهد:

30 درجه، 95% RH: پرکننده اصلاح شده بور > 3000 ساعت IR > 100 MΩ، استاندارد MgO 800-1000 ساعت.

50 درجه، 95% RH (a) فیلر اصلاح شده بور- 2000 ساعت با خرابی کمی زنده می ماند. استاندارد MgO در 400-600 ساعت از کار می افتد.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ بعد از 2000 ساعت؛ MgO معمولی در 200-300 ساعت از کار می افتد.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ بعد از 2000 ساعت). دمای بالا رطوبت جذب شده را از بین می برد.

برای بخاری های بدون برق در تنظیمات آماده به کار سرد و مرطوب (مانند تجهیزات فصلی، بخاری های پشتیبان) دمای انتهای سرد ممکن است محیط باشد. در این شرایط، فیلر اصلاح‌شده بور 3-5 برابر نسبت به MgO معمولی مقاومت در برابر رطوبت را بهبود می‌بخشد، اما اگر نفوذ رطوبت بی‌امان باشد، نمی‌تواند از زوال نهایی جلوگیری کند. برای برنامه‌های آماده به کار سرد، پاسخ پایانه‌های مهر و موم شده هرمتیک (-به- مهر و موم‌های شیشه‌ای به-فلز) یا یک بخاری با وات پایین (5-10٪ توان نامی) است که دمای انتهایی سرد را بالای 60 درجه حفظ می‌کند.

آزمایش میدانی محفظه کنترل دریایی و فضای باز
یک مطالعه میدانی به دنبال عملکرد 316 لوله گرمایش با روکش فولاد ضد زنگ نصب شده در محفظه های کنترل در فضای باز (با علامت NEMA 4X، اما با تراکم داخلی) در یک کارخانه تصفیه فاضلاب ساحلی انجام شد. شرایط محیطی: 20 تا 35 درجه، 60 تا 95 درصد RH، اسپری نمک در هوا (0.1 تا 0.5 میلی گرم در متر مکعب رسوب کلرید). مقاومت عایق هر سه ماه یکبار به مدت 36 ماه برای 50 هیتر با پرکننده MgO معمولی و 50 هیتر با MgO اصلاح‌شده بور (نوع منیزیم بورات متخلخل) ارزیابی شد.

نتایج برای بخاری های معمولی MgO: میانگین IR 45 MΩ (محدوده 8-210 MΩ) بعد از 6 ماه. پس از 12 ماه، 22 بخاری (44٪) دارای مادون قرمز کمتر از 1 MΩ بودند و حفاظت خطای زمین را قطع کردند. چهل{10}}هیتر (82%) در 24 ماه از کار افتاد. پس از 36 ماه، 48 بخاری (96 درصد) از کار افتاده بود. نقطه شکست اصلی انتهای سرد مهر و موم ترمینال بود و پرکننده خاکستری تیره و رسانا بود.

نتایج برای بخاری‌های MgO اصلاح‌شده بور{0}: میانگین مادون قرمز پس از ۱۲ ماه ۲۸۰ MΩ (محدوده ۱۱۰–۶۵۰ MΩ) بود. پس از 24 ماه، متوسط ​​IR 95 MΩ (محدوده 22-310 MΩ) بود و تنها 3 بخاری (6٪) IR زیر 1 MΩ داشتند. در 36 ماهگی، میانگین IR 52 MΩ (محدوده 8-180 MΩ) بود و 8 بخاری (16%) از کار افتادند. این افزایش 20{26} برابری در طول عمر مفید نسبت به MgO معمولی برای این محیط مرطوب و مملو از نمک است، همانطور که توسط نرخ بقای بهبود یافته 84٪ بعد از 36 ماه در مقابل 4٪ مشاهده می شود. تجزیه و تحلیل علت ریشه ای از هشت خرابی، پنج مورد آسیب مهر و موم ترمینال قابل مشاهده بودند (چکمه های سیلیکونی ترک خورده) و سه مورد با انتهای سرد بخاری به سمت بالا نصب شده بودند که اجازه می داد تراکم در ناحیه ترمینال تخلیه شود - یک خطای نصب که حتی پرکننده اصلاح شده با بور نیز نمی تواند به طور کامل آن را جبران کند.

زبان مشخصات بخاری محفظه با رطوبت بالا
برای 316 لوله های گرمایش الکتریکی پیچیده شده از فولاد ضد زنگ مشخص شده برای محفظه هایی که رطوبت نسبی می تواند به طور منظم از 80٪ تجاوز کند یا در جایی که میعان محتمل است، مهندسان باید معیارهای ترکیب پرکننده را در مشخصات خرید مشخص کنند. پرکننده دی الکتریک داخلی باید اکسید منیزیم اصلاح شده با اکسید بور یا بورات منیزیم با حداقل محتوای بور مربوط به وزنی 2.5٪ B2O3 باشد. بور زینتر شده دوپ شده MgO برای ترکیبات بور مخلوط مکانیکی مطلوب است. پرکننده باید از نظر مقاومت در برابر رطوبت به IEEE Std 515 Annex C (مقاومت عایق 500 V DC بعد از 500 ساعت در 60 درجه، RH 95%) ارزیابی شود. حداقل IR مجاز باید 50 MΩ باشد. برای برنامه‌هایی که قابلیت اطمینان مطلق حیاتی است - مانند بخاری‌های مرتبط با ایمنی هسته‌ای{{17} یا بخاری‌ها در سکوهای دریایی بدون سرنشین- پایانه‌های مهر و موم شده هرمتیک با مهر و موم شیشه‌ای به فلز را علاوه بر پرکننده اصلاح‌شده بور{20}}و نیاز به حفظ حداقل درجه حرارت{22} تا یک مدار سرد{21} داشته باشید{21} درجه زمانی که بخاری اصلی خاموش است.

آگاهی از اینکه فرآیند شکست خوردگی غلاف نیست، بلکه رطوبت سنجی پرکننده داخلی است، مهندسان را قادر می سازد تا MgO اصلاح شده بور را تعیین کنند تا از تخریب الکتریکی آهسته ای که پرکننده های معمولی همیشه متحمل می شوند، اجتناب کنند. هزینه اضافی فیلر اصلاح شده بور (معمولاً 10-15٪ هزینه تولید بخاری) به سرعت از طریق کاهش تعمیر و نگهداری، کاهش آسیب‌های ناشی از خطای زمین و چرخه‌های طولانی‌تر تعویض بخاری بازپرداخت می‌شود.