Kāpēc 316 nerūsējošā tērauda apvalka elektriskās apkures caurules ar boru-pievienotām iekšējām dielektriskajām pildvielām efektīvāk iztur maiņstrāvas noplūdes strāvas noārdīšanos augsta-mitruma korpusos nekā standarta magnija oksīda pildvielas?

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 līdz zem 1 MΩ, kā rezultātā atslēdzas noplūdes strāva un aktivizējas zemējuma defekta aizsardzība. Ir zināms, ka starp tām boru -saturošas piedevas, proti, bora oksīds (B 2 O 3 ) vai magnija borāts (Mg 3 B 2 O 6 ), ķīmiski reaģē ar ūdeni, veidojot pastāvīgu, ne-higroskopisku hidratēta borāta slāni, kas noslēdz daļiņu virsmas pret papildu mitrumu, ja tiek sajaukts 2–5 % absorbcijas masas. Šajā rakstā ir aprakstīta bora-modificētu MgO pildvielu mitruma absorbcijas kinētika un elektriskās noārdīšanās pretestība attiecībā pret standarta MgO 316 nerūsējošā tērauda apvalkos 40–60 grādu un 95% relatīvā mitruma vidē, sniedzot norādījumus par pildvielu izvēli augstas integritātes lietojumiem, kur tas ir ļoti svarīgs.

Standarta magnija oksīda pildvielas higroskopiskā darbība noslēgtās sildīšanas caurulēs
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%, kā rezultātā veidojas vadošs šķīdums, kas savieno sildīšanas vadu un apvalku.

Sildīšanas caurulē ar neplīstām spaiļu blīvēm iekšējā pildviela paliek sausa mūžīgi. Tomēr praksē terminālu blīves (parasti silikona gumija vai epoksīdsveķu) sabojājas karstuma un UV iedarbības rezultātā, un veidojas 10–100 mikrometrus platas mikroplaisas. Šīs plaisas ļauj iekļūt mitrā gaisā. Kad mitrums sasniedz MgO pildvielu, pretestības degradācija notiek pēc 3 pakāpju procesa. Pirmais posms: ārējo MgO daļiņu slāņu virsmas hidroksilēšana, palielinot noplūdes strāvu par 10-100. Otrais posms: iekšējās hidratācijas palielināšanās ar pietūkumu, kas iekšējā spiediena ietekmē var saplaisāt apvalku. Trešais posms: elektrolītiskā kanāla izveide no sildīšanas vada līdz apvalkam, kā rezultātā zemes defekta strāvas ir lielākas par 5–10 mA un atslēdzas atlikušās strāvas ierīces (RCD). Lauka dati no āra rūpniecisko sildītāju instalācijām apstiprina, ka 316 apvalku ar parasto MgO pildījumu IR pēc 6–18 mēnešiem nokrītas zem 1 MΩ apstākļos ar 95% RH.

Bora piedevas mehānisms: MgO daļiņu ķīmiskā blīvēšana
Mēs pievienojam bora savienojumus MgO pildvielai, lai izveidotu pašierobežojošu hidratācijas barjeru, izmantojot borskābes ķīmiju. Bora sugas galvenokārt adsorbē pirmo ūdens monoslāni un reaģē, veidojot plānu hidratēta bora oksīda (H3BO3 vai B2O3·3H2O) pārklājumu uz daļiņu virsmām, ja B2O3 vai magnija borātu sajauc ar MgO 2–5 masas %. Trīs svarīgi šī hidratētā slāņa aspekti ir: Pirmkārt, ūdens līdzsvara tvaika spiediens ir daudz zemāks nekā Mg(OH)2, tāpēc tas ātri un pilnībā veidojas pirms jebkādas ievērojamas MgO hidratācijas. Otrkārt, amorfā, nepārtrauktā hidratētā borāta loksne pilnībā aptver katru MgO daļiņu. Treškārt, plēve ir stabila un ne{16}}higroskopiska virs 60-80 grādiem - temperatūras diapazonā, ar kādu saskaras pildviela funkcionējošās sildīšanas caurules iekšpusē (parasti 150-300 grādi pie stieples, bet līdz 50-100 grādiem apvalka tuvumā ārpus cikla).

Kad borāta pārklājums ir izveidots, tas neļauj ūdenim tālāk izkliedēt apakšā esošajā MgO. Reakcija ir pašierobežojoša, jo plēves biezums (parasti 50-200 nm) pārstāj augt, kad ir reaģējis viss pieejamais bors uz daļiņu virsmas. Atšķirībā no Mg(OH)2, kas aug uz iekšu, ūdenim difundējot caur hidroksīda slāni, borāta plēvei ir ļoti zema ūdens difūzija (aptuveni . 10-14 cm2/s pie 50 grādiem pret . 10-10 cm2/s Mg(OH)2). Šī kinētiskā barjera palielina laiku līdz būtiskam elektriskam pārtraukumam par 10–50 tādiem pašiem mitruma iekļūšanas apstākļiem.

Relatīvā elektriskā veiktspēja paātrinātā mitruma testēšanā
Paātrinātās mitruma pārbaudes tika veiktas 316 nerūsējošā tērauda apvalkotām apkures caurulēm (1,2 mm siena, 10 mm OD, 1,5 kW reitings, 230 V) ar trim iekšējām pildvielu kompozīcijām. Caurules tika noslēgtas ar standarta silikona gumijas spaiļu blīvēm un ievietotas temperatūras -mitruma kamerā 60 grādi un 95% relatīvais mitrums, sildītājiem nebija strāvas, izņemot neregulārus izolācijas pretestības mērījumus (mēra pie 500 V līdzstrāvas). Pārbaudes periods bija 2000 stundas, kas atbilst aptuveni 2-3 gadu ilgam lauka iedarbībai mitros iežogojumos.

Pildvielas veids Bora saturs (masas % kā B₂O₃) Sākotnējais IR pie 25 grādiem (MΩ) IR Pēc 500 stundām pie 60 grādiem /95% RH (MΩ) IR Pēc 1000 stundām (MΩ) IR pēc 2000 stundām (MΩ) < 1 MΩ
Standarta MgO (rūpnieciskā kvalitāte)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
Augstas -tīrības pakāpes MgO (99,9%, kalcinēts)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 stundas
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (bez neveiksmes)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (bez neveiksmes)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (bez neveiksmes)
Visaugstāko veiktspēju uzrādīja ko-saķepināts magnija borāts-MgO materiāls, kur bors tika integrēts MgO kristāliskajā režģī augstas temperatūras kalcinēšanas laikā, nevis vienkārši sajaucot, ar izolācijas pretestību vairāk nekā 80 MΩ pēc 2000 stundu paātrinātas mitruma pārbaudes. Tas ir 100 reižu uzlabojums salīdzinājumā ar parasto MgO tādā pašā testa garumā.

Bora{0}}Modificēto pildvielu mitruma izturības atkarība no temperatūras
Bora -modificēto pildvielu efektivitāte ir atkarīga no spaiļu blīvējuma temperatūras un apvalka aukstā gala, kur parasti iekļūst mitrums un pildvielas temperatūra var būt tikai 40–80 grādi. Zem 60 grādiem bora daļiņu hidratācija ir gausa, un nereaģējis bors joprojām var ļaut MgO hidratēt ilgu laiku. Tomēr sildītāja darbības laikā aukstais gals parasti ir 80-120 grādi siltuma pārneses dēļ. Šajās temperatūrās borāta blīvēšanas reakcija tiek paātrināta, un mitrums, kas nonāk iekšā, tiek ātri patērēts, lai izveidotu stabilu hidratētu borāta pārklājumu.

Ilgstoši testi nemainīgā temperatūrā (bez sildīšanas cikliem) parāda temperatūras robežu efektīvai bora aizsardzībai:

30 grādi, 95% RH: ar boru modificēta pildviela > 3000 stundas IR > 100 MΩ, standarta MgO 800-1000 stundas.

50 grādi, 95% RH (a) Modificēta bora- pildviela iztur 2000 stundas ar nelielu bojājumu. Standarta MgO neizdodas pēc 400–600 stundām.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ pēc 2000 stundām; parastais MgO sabojājas pēc 200–300 stundām.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ pēc 2000 stundām). Augsta temperatūra izvada absorbēto mitrumu.

Sildītājiem bez strāvas padeves aukstā, mitrā gaidstāves iestatījumos (piemēram, sezonas aprīkojums, rezerves sildītāji) aukstā gala temperatūra var būt apkārtējā temperatūra. Šādās situācijās ar boru-modificētu pildvielu nodrošina 3-5 reizes mitruma izturības uzlabojumu salīdzinājumā ar parasto MgO, taču nevar novērst galīgo bojāšanos, ja mitruma iekļūšana ir nerimstoša. Aukstā gaidstāves lietojumprogrammām atbilde ir hermētiski noslēgti spailes (stikla{5}}līdz-metāla blīves) vai zemas jaudas uzturēšanas sildītājs (5–10% no nominālās jaudas), kas uztur aukstā gala temperatūru virs 60 grādiem.

Jūras un āra kontroles korpusa lauka pārbaude
Lauka pētījums sekoja 316 nerūsējošā tērauda pārklājumu apkures cauruļu darbībai, kas uzstādītas āra vadības korpusos (ar marķējumu NEMA 4X, bet ar iekšējo kondensāciju) piekrastes notekūdeņu attīrīšanas iekārtās. Apkārtējās vides apstākļi: 20 līdz 35 grādi, 60 līdz 95% RH, sāls izsmidzināšana gaisā (0,1 līdz 0,5 mg/m3 hlorīda nogulsnēšanās). Izolācijas pretestība tika novērtēta ik pēc trim mēnešiem 36 mēnešus 50 sildītājiem ar parasto MgO pildvielu un 50 sildītājiem ar boru-modificētu MgO (ko-saķepināts magnija borāta tips).

Rezultāti tipiskiem MgO sildītājiem: vidējais IR 45 MΩ (diapazons 8–210 MΩ) pēc 6 mēnešiem. Pēc 12 mēnešiem 22 sildītājiem (44%) bija IR < 1 MΩ un atslēgta zemējuma defekta aizsardzība. Četrdesmit{10}}(82%) sildītājs sabojājās 24 mēnešos. Pēc 36 mēnešiem 48 sildītāji (96 procenti) bija bojāti. Galvenais bojājuma punkts bija termināla blīvējuma aukstais gals, un tika konstatēts, ka pildviela ir tumši pelēka un vadoša.

Rezultāti bora-modificētiem MgO sildītājiem: vidējais IR pēc 12 mēnešiem bija 280 MΩ (diapazons 110–650 MΩ). Pēc 24 mēnešiem vidējais IR bija 95 MΩ (diapazons 22–310 MΩ), un tikai 3 sildītājiem (6%) IR bija zem 1 MΩ. Pēc 36 mēnešiem vidējais IR bija 52 MΩ (diapazons 8-180 MΩ), un 8 sildītāji (16%) nedarbojās. Tas ir 20-reižu lielāks efektīvais kalpošanas laiks, salīdzinot ar parasto MgO šajā mitrajā, ar sāli piesātinātajā vidē, par ko liecina uzlabotais izdzīvošanas rādītājs par 84% pēc 36 mēnešiem, salīdzinot ar 4%. Pamatcēloņu analīze No astoņām kļūmēm piecos bija redzami spailes blīvējuma bojājumi (saplaisājuši silikona zābaki), un trīs bija uzstādīti ar sildītāja auksto galu, kas vērsts uz augšu, ļaujot kondensātam noplūst termināļa zonā — uzstādīšanas kļūda, ko pat ar boru modificēta pildviela nevarēja pilnībā kompensēt.

Augsta mitruma kameras sildītāju specifikācijas valoda
Attiecībā uz 316 nerūsējošā tērauda ietītajām elektriskās apkures caurulēm, kas paredzētas korpusiem, kur relatīvais mitrums var regulāri pārsniegt 80% vai kur ir iespējama kondensācija, inženieriem pirkuma specifikācijā ir jānorāda pildvielas sastāva kritēriji. Iekšējā dielektriskā pildviela ir magnija oksīds, kas modificēts ar bora oksīdu vai magnija borātu ar minimālo bora saturu, kas atbilst 2,5 % B2O3 pēc svara. Kop-saķepinātais bora leģētais MgO ir labvēlīgs mehāniski sajauktiem bora savienojumiem. Pildvielai ir jānovērtē mitruma izturība saskaņā ar IEEE Std 515 pielikumu C (500 V līdzstrāvas izolācijas pretestība pēc 500 stundām 60 grādu temperatūrā, 95% RH). Minimālais pieļaujamais IR ir 50 MΩ. Lietojumprogrammām, kur absolūta uzticamība ir kritiska, piemēram, ar kodoldrošību saistīti sildītāji vai sildītāji bezpilota platformās atklātā jūrā, norādiet hermētiski noslēgtus termināļus ar stikla -līdz -metāla blīvēm papildus ar boru{20}}modificētu pildvielu, un ir nepieciešams uzturēt-aukstu temperatūru, kad galvenās ķēdes temperatūra ir vismaz 6}5}. izslēgts.

Zinot, ka atteices process nav apvalka korozija, bet gan iekšējās pildvielas higroskopija, ļauj inženieriem noteikt ar boru -modificētu MgO, lai izvairītos no lēnas elektriskās noārdīšanās, ar ko parasti cieš parastās pildvielas. Papildu izmaksas par boru-modificētu pildvielu (parasti 10–15% no sildītāja ražošanas izmaksām) tiek ātri atmaksātas, samazinot apkopi, samazinot traucējošos zemes defektu gadījumus un ilgākus sildītāja nomaiņas ciklus.