Как дебелината на стената на обвивката от неръждаема стомана 316 влияе върху пътя на електрическия ток на утечка и влошаването на изолационното съпротивление в среда с висока-влажност?

Инспекторите по електрическа безопасност и инженерите по осигуряване на качеството, работещи с електрически потопяеми нагреватели при приложения на открито, хранително-вкусовата промишленост и фармацевтичното производство, винаги са загрижени за влошаване на изолационното съпротивление при условия на висока влажност. Изолацията от магнезиев оксид около съпротивителния проводник е хигроскопична, което означава, че поема влага от въздуха, когато нагревателят не е под напрежение, ако обвивката не е напълно запечатана. Абсорбираната влага намалява изолационното съпротивление. Това причинява протичане на ток на утечка, което може да задейства системите за предотвратяване на заземяване и в екстремни ситуации да причини опасност от електрически удар. Дебелината на стената на материала на обвивката от неръждаема стомана 316 влияе както върху скоростта на проникване на влага, така и върху дължината на електрическия канал за ток на утечка. Тази статия оценява дебелината на стената на обвивката, дифузията на влага и влошаването на съпротивлението на изолацията и предоставя предложения за избор за обслужване при висока влажност.

Дифузия на влага през обвивки от 316SS и крайни уплътнения
Водната пара може да дифундира през стената на обвивката на неръждаема стомана 316 или през крайните уплътнения, където съпротивителният проводник излиза от обвивката, като по този начин прониква през изолацията на MgO. Пропускливостта на неръждаема стомана 316 за водни пари е много ниска, но не нула. Скоростта на проникване на водна пара в стационарно състояние през 316 с дебелина 1,0 mm при 40 градуса и 100% относителна влажност е около 0,001 g/m2/ден. Това би било по-малко от 0,4 грама вода, разпръсната на квадратен метър повърхност на обвивката за една година, което е пренебрежимо малко за нормалните размери на нагревателя. Основният механизъм за проникване на влага е през микроскопични пори в крайните уплътнения, особено при контакта между обвивката, MgO и керамичните крайни перли. За тънкостенни обвивки под 1,0 mm механичната еластичност на обвивката позволява незначителната деформация по време на топлинен цикъл, който отваря и затваря пролуките в крайните уплътнения, изпомпвайки влажен въздух в MgO. Тяхната по-голяма твърдост обаче забранява това изпомпващо действие за дебело{16}}стенни обвивки над 1,8 mm, намалявайки степента на проникване на влага с коефициент от 5 до 10. Следователно влиянието на дебелината на стената върху навлизането на влага е непряко, но важно: по-дебелите стени запазват по-добре целостта на крайното уплътнение при термичен цикъл.

Дебелина на стената на обвивката и дължина на пътя на тока на утечка
След като влагата проникне в MgO, изолационното съпротивление намалява, тъй като водните молекули създават проводими канали по повърхността на MgO зърната. Електрическият ток на утечка от съпротивителния проводник към заземената обвивка 316 беше радиално насочен през слоя MgO. Съпротивлението на този път е R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L), където rho е съпротивлението на влажния MgO, r2 и r1 са външният и вътрешният радиус на слоя MgO и L е нагрятата дължина. Увеличаването на дебелината на стената на обвивката всъщност намалява дебелината на слоя MgO за определен диаметър на външната обвивка и фиксиран диаметър на съпротивителния проводник, тъй като обвивката заема повече от радиалното пространство. По-дебелата стена се равнява на по-малко MgO между проводника и обвивката. Това по-малко радиално разстояние води до по-ниско съпротивление на изолацията за дадено съдържание на влага и по този начин изостря проблемите с тока на утечка. Например, помислете за обвивка с външен диаметър 10 mm със съпротивителен проводник с диаметър 3 mm. Дебелината на слоя MgO е 10 - 2×{1.0 - 3=5 mm, докато дебелината на стената е 1,0 mm. При дебелина на стената от 2,0 mm, дебелината на слоя MgO е 10 - 4 - 3=3 mm. По-тънкият слой MgO намалява радиалното съпротивление на изолацията с около 40% за същото съпротивление на MgO. Поради това обвивките с дебели -стени са по-уязвими към ниско изолационно съпротивление в случай на проникване на влага, тъй като има по-малко MgO, който да възпрепятства канала за ток на утечка.

Критична дебелина на стената за целостта на крайното уплътнение
Следващата таблица дава предложените 316 дебелини на стените на обвивката за електрически потопяеми нагреватели за ситуации с висока влажност в зависимост от очакваната честота на топлинния цикъл и необходимото съпротивление на изолацията след продължително съхранение или време на престой. Стойностите предполагат типична конструкция на крайно уплътнение с керамични перли и епоксидни или силиконови уплътнения.

Влажност Околна среда Очакван брой топлинни цикли на година Препоръчителен минимум 316 Препоръчителна дебелина на стената Максимална 316 Дебелина на стената Очаквана изолационна устойчивост след една година при висока влажност Проникване на влага 2. Доминиращи механизми
Случайна висока влажност (по-малко от 50% от времето) Под 100 0.8 mm 1,6 mm Над 100 megohms Дифузия на крайно уплътнение
Постоянно висока влажност (80-100% относителна влажност) По-малко от 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megohms Дифузионно крайно уплътнение
Постоянна висока влажност с ежедневен топлинен цикъл 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megohms Термично изпомпване при крайни уплътнения
Кондензационна влажност (често измиване или оросяване) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megohms Термално изпомпване и директен вход
Влажност Компресия Измиване под налягане Всякакви 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megohms Изисква се херметично затваряне, директен вход на вода
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1000 мегаома Топлината премахва влагата; без влошаване
Препоръчва се обаче обвивка 316 с дебелина 1,6 mm или по-голяма за приложения с постоянна висока влажност и чести температурни цикли, дори ако дебелината на слоя MgO ще бъде намалена. Предимството на целостта на крайното уплътнение преодолява недостатъка на намалената дължина на пътя на изтичане. При такива настройки инженерите трябва също така да определят дизайн на крайно уплътнение, устойчиво на влага, напр. херметично уплътнение стъкло-към-метал или двойна епоксидна бариера с междинна камера за сушене.

Проектиране на промени за подобряване на изолационната устойчивост на тънкостенните обвивки
При условия на висока-влажност, където тънкостенна-обвивка 316<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.