Prečo elektrické vykurovacie rúrky z nehrdzavejúcej ocele 316 s bórovými-pridanými vnútornými dielektrickými plnivami odolávajú degradácii striedavým zvodovým prúdom v krytoch s vysokou-vlhkosťou efektívnejšie ako štandardné plnivá na báze oxidu horečnatého?

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 na menej ako 1 MΩ, čo vedie k vypnutiu zvodového prúdu a aktivácii ochrany proti zemnému poruche. Medzi nimi je známe, že aditíva obsahujúce bór-, menovite oxid boritý (B 2 O 3 ) alebo boritan horečnatý (Mg 3 B 2 O 6 ), chemicky reagujú s vodou za vzniku trvalej, -hygroskopickej hydratovanej boritanovej vrstvy, ktorá po zmiešaní s MgO v množstve 2–5 % utesňuje povrchy častíc proti ďalšej absorpcii vlhkosti. Tento článok charakterizuje kinetiku absorpcie vlhkosti a odolnosť voči elektrickej degradácii bórom{13}}modifikovaných MgO výplní v porovnaní so štandardným MgO v plášťoch z nehrdzavejúcej ocele 316 v prostredí s 40 až 60 stupňmi a 95 % relatívnej vlhkosti, pričom poskytuje návod na výber výplne pre aplikácie s vysokou spoľahlivosťou, kde je kritická integrita zemného spojenia.

Hygroskopické pôsobenie štandardného plniva oxidu horečnatého v utesnených vykurovacích rúrach
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%, čo vedie k vytvoreniu vodivého roztoku spájajúceho vykurovací drôt a plášť.

Vo vykurovacej trubici s neporušenými koncovými tesneniami zostáva vnútorná výplň navždy suchá. V praxi sa však koncové tesnenia (zvyčajne silikónová guma alebo epoxid) zhoršujú tepelným cyklom a vystavením UV žiareniu a vytvárajú sa mikrotrhliny široké 10 až 100 mikrometrov. Tieto trhliny umožňujú vstup vlhkého vzduchu. Keď vlhkosť dosiahne plnivo MgO, degradácia odporu nasleduje 3-stupňový proces. Prvý stupeň: povrchová hydroxylácia vonkajších vrstiev častíc MgO, zvýšenie zvodového prúdu o 10-100. Druhá fáza: zvýšenie vnútornej hydratácie s opuchom, ktorý môže popraskať puzdro vnútorným tlakom. Tretia etapa: vytvorenie elektrolytického kanála z vykurovacieho drôtu do plášťa, čo vedie k zemným poruchovým prúdom väčším ako 5–10 mA a vypínaniu prúdových chráničov (RCD). Údaje z terénu z inštalácií vonkajších priemyselných ohrievačov potvrdzujú, že IR plášťov 316 s konvenčnou náplňou MgO klesne pod 1 MΩ po 6-18 mesiacoch v podmienkach s 95 % RH.

Mechanizmus aditíva bóru: Chemické utesnenie častíc MgO
Do plniva MgO pridávame zlúčeniny bóru, aby sme pomocou chémie kyseliny boritej vybudovali samo-obmedzujúcu hydratačnú bariéru. Druhy bóru prednostne adsorbujú prvú monovrstvu vody a reagujú za vzniku tenkého povlaku hydratovaného oxidu bóru (H3BO3 alebo B2O3·3H2O) na povrchoch častíc, keď sa B2O3 alebo boritan horečnatý zmiešajú s MgO v množstve 2–5 % hmotn. Tri dôležité aspekty tejto hydratovanej vrstvy sú: Po prvé, jej rovnovážny tlak pár vody je oveľa nižší ako tlak Mg(OH)2, preto sa rýchlo a úplne vytvorí pred akoukoľvek výraznou hydratáciou MgO. Po druhé, amorfný, súvislý hydratovaný borátový list úplne obklopuje každú časticu MgO. Po tretie, film je stabilný a nie je -hygroskopický nad 60-80 stupňov - teplotný rozsah, s ktorým sa stretáva výplň vo vnútri prevádzkovej vykurovacej trubice (zvyčajne 150-300 stupňov v blízkosti drôtu, ale až do 50-100 stupňov v blízkosti plášťa počas mimocyklov).

Po vytvorení boritanový povlak bráni vode v ďalšej difúzii do pod ním ležiaceho MgO. Reakcia je samoobmedzujúca, pretože hrúbka filmu (normálne 50-200 nm) prestane rásť, keď všetok prístupný bór na povrchu častíc zreaguje. Na rozdiel od Mg(OH)2, ktorý rastie dovnútra, keď voda difunduje cez vrstvu hydroxidu, má boritanový film veľmi nízku difúznosť vody (približne . 10-14 cm2/s pri 50 stupňoch oproti . 10-10 cm2/s pre Mg(OH)2). Táto kinetická bariéra zvyšuje čas do podstatného elektrického rozpadu faktorom 10–50 pri rovnakých podmienkach vniknutia vlhkosti.

Relatívny elektrický výkon pri zrýchlenom testovaní vlhkosti
Zrýchlené testy vlhkosti sa uskutočnili na 316 vykurovacích rúrach s plášťom z nehrdzavejúcej ocele (1,2 mm stena, vonkajší priemer 10 mm, výkon 1,5 kW, 230 V) s tromi kompozíciami vnútorných výplní. Rúry boli utesnené štandardnými tesneniami zo silikónovej gumy a umiestnené v komore s teplotou -vlhkosti pri 60 stupňoch , 95 % relatívnej vlhkosti, pričom ohrievače boli bez napájania s výnimkou príležitostných meraní izolačného odporu (merané pri 500 V DC). Skúšobná doba bola 2000 hodín, čo zodpovedá približne 2-3 rokom vystavenia v teréne vo vlhkých priestoroch.

Typ plniva Obsah bóru (% hmotn. ako B₂O₃) Počiatočné IR pri 25 stupňoch (MΩ) IR Po 500 hodinách pri 60 stupňoch /95 % RH (MΩ) IR Po 1000 hodinách (MΩ) IR Po 2000 hodinách (MΩ) Režim zlyhania (IR) < 1
Štandardný MgO (priemyselná kvalita)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO vysokej{0}}čistoty (99,9 %, kalcinovaný)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 hodín
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (bez poruchy)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (bez poruchy)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (bez poruchy)
Najvyšší výkon preukázal spolu{0}}sintrovaný boritan horečnatý-MgO, kde bol bór integrovaný do kryštálovej mriežky MgO počas vysokoteplotnej kalcinácie namiesto jednoduchého miešania, s izolačným odporom viac ako 80 MΩ po 2000 hodinách zrýchleného testovania vlhkosti. Toto je 100-násobné zlepšenie oproti normálnemu MgO pri rovnakej dĺžke testu.

Teplotná závislosť odolnosti proti vlhkosti bórom{0}}modifikovaných plnív
Účinnosť bórom-modifikovaných plnív závisí od teploty koncového tesnenia a studeného konca plášťa, kam bežne vstupuje vlhkosť, a teplota plniva môže byť len 40 – 80 stupňov . Pri teplote nižšej ako 60 stupňov je hydratácia častíc bóru pomalá a nezreagovaný bór môže stále umožňovať určitú hydratáciu MgO počas dlhého časového obdobia. Avšak počas prevádzky ohrievača je studený koniec normálne 80-120 stupňov kvôli prenášanému teplu. Pri týchto teplotách sa boritanová tesniaca reakcia zrýchľuje a vlhkosť, ktorá vstupuje, sa rýchlo spotrebuje na vytvorenie stabilného hydratovaného boritanového povlaku.

Predĺžené testy pri konštantnej teplote (bez zahrievacích cyklov) ukazujú teplotný limit pre účinnú ochranu bórom:

30 stupňov, 95 % RH: Bórom modifikované plnivo > 3000 hodín IR > 100 MΩ, štandardný MgO 800-1000 hodín.

50 stupňov , 95 % RH (a) Bórom-modifikované plnivo vydrží 2 000 hodín s malým zhoršením kvality. Štandardný MgO zlyhá po 400-600 hodinách.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ po 2000 hodinách; bežný MgO zlyhá po 200 – 300 hodinách.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ po 2000 hodinách). Vysoká teplota odvádza absorbovanú vlhkosť.

Pre nenapájané ohrievače v chladnom, vlhkom pohotovostnom režime (napr. sezónne zariadenia, záložné ohrievače) môže byť teplota studeného konca okolitá. V týchto situáciách bórom-modifikované plnivo poskytuje 3-5-násobné zlepšenie odolnosti voči vlhkosti v porovnaní s bežným MgO, ale nemôže zabrániť konečnému zhoršeniu, ak je prenikanie vlhkosti nepoľavujúce. Pre aplikácie v režime studenej pohotovosti sú odpoveďou hermeticky uzavreté svorky (sklo{5}}na-kovové tesnenia) alebo nízkovýkonový udržiavací ohrievač (5 – 10 % menovitého výkonu), ktorý udržuje teplotu studeného konca nad 60 stupňov .

Testovanie námorného a vonkajšieho krytu v teréne
Štúdia v teréne sledovala výkon 316 vykurovacích rúrok pokrytých nehrdzavejúcou oceľou namontovaných vo vonkajších regulačných skriniach (označených NEMA 4X, ale s vnútornou kondenzáciou) v pobrežnej čistiarni odpadových vôd. Okolité podmienky: 20 až 35 stupňov, 60 až 95 % RH, vzdušná soľná hmla (0,1 až 0,5 mg/m3 usadzovania chloridu). Izolačný odpor bol hodnotený každé tri mesiace počas 36 mesiacov pre 50 ohrievačov s bežným plnivom MgO a 50 ohrievačov s bórom-modifikovaným MgO (sú-spekaný typ boritanu horečnatého).

Výsledky pre typické ohrievače MgO: Priemerná IR 45 MΩ (rozsah 8–210 MΩ) po 6 mesiacoch. Po 12 mesiacoch malo 22 ohrievačov (44 %) IR < 1 MΩ a aktivovala zemná ochrana. Štyridsať{10}}jeden (82 %) ohrievačov zlyhalo po 24 mesiacoch . Po 36 mesiacoch zlyhalo 48 ohrievačov (96 percent). Hlavným bodom zlyhania bol studený koniec koncového tesnenia a zistilo sa, že výplň je tmavosivá a vodivá.

Výsledky pre ohrievače MgO modifikované bórom{0}: Priemerná IR po 12 mesiacoch bola 280 MΩ (rozsah 110–650 MΩ). Po 24 mesiacoch bola priemerná IR 95 MΩ (rozsah 22–310 MΩ) a iba 3 ohrievače (6 %) mali IR pod 1 MΩ. Po 36 mesiacoch bola priemerná IR 52 MΩ (rozsah 8-180 MΩ) a zlyhalo 8 ohrievačov (16 %). Ide o 20-násobné zvýšenie efektívnej životnosti v porovnaní s normálnym MgO pre toto vlhké prostredie plné solí, ako je vidieť na 84 % zlepšenej miere prežitia po 36 mesiacoch oproti 4 %. Analýza základnej príčiny Z ôsmich porúch päť vykazovalo viditeľné poškodenie koncového tesnenia (prasknuté silikónové návleky) a tri boli nainštalované so studeným koncom ohrievača smerujúcim nahor, čo umožnilo odtok kondenzátu do oblasti koncovky – chyba inštalácie, ktorú nedokázalo úplne kompenzovať ani plnivo upravené bórom.

Jazyk špecifikácie ohrievačov pre vysokú vlhkosť
Pre elektrické vykurovacie rúrky z nehrdzavejúcej ocele 316 určené pre kryty, kde môže relatívna vlhkosť pravidelne presahovať 80 % alebo kde je pravdepodobná kondenzácia, by mali inžinieri uviesť kritériá zloženia plniva v špecifikácii nákupu. Vnútorným dielektrickým plnivom musí byť oxid horečnatý modifikovaný oxidom bóru alebo boritanom horečnatým s minimálnym obsahom bóru zodpovedajúcim 2,5 % hmotnosti B2O3. Spolu-sintrovaný bór dopovaný MgO je priaznivý pre mechanicky zmiešané zlúčeniny bóru. Výplň musí byť hodnotená z hľadiska odolnosti voči vlhkosti podľa IEEE Std 515 Annex C (500 V DC izolačný odpor po 500 hodinách pri 60 stupňoch, 95 % RH). Minimálne prípustné IR musí byť 50 MΩ. Pre aplikácie, kde je kritická absolútna spoľahlivosť – ako sú ohrievače súvisiace s jadrovou bezpečnosťou{17}}alebo ohrievače na bezobslužných pobrežných plošinách – špecifikujte hermeticky uzavreté terminály s tesnením zo skla-do{19}}kovu okrem bórom-modifikovanej výplne a požadujte udržiavanie-okruhu pod napätím, keď je teplota hlavného ohrievača vypnutá minimálne 5}.

Znalosť, že procesom zlyhania nie je korózia plášťa, ale interná hygroskopia výplne, umožňuje inžinierom špecifikovať bórom-modifikované MgO, aby sa predišlo pomalej elektrickej degradácii, ktorou obyčajné výplne vždy trpia. Dodatočné náklady na bórom-modifikované plnivo (zvyčajne 10 – 15 % výrobných nákladov ohrievača) sa rýchlo vrátia vďaka zníženej údržbe, menšiemu počtu nepríjemných zemných porúch a dlhším cyklom výmeny ohrievača.