Каква максимална допустима пикова грапавост (Rz) на вътрешния диаметър на тръбата на обвивката на нагревателя 316 предотвратява локализирано прегряване от промяна на съпротивлението при контакт с изолационния слой MgO

Скритата променлива на текстурата на повърхността на отвора в равномерността на преноса на топлина

Повърхностното покритие с вътрешен диаметър, т.е. пиковата грапавост (Rz, средна максимална височина на повърхностните пикове) на 316 електрически нагревателни тръби, обвити от неръждаема стомана, е критичен фактор за контролиране на контактното съпротивление между обвивката и изолационния слой от компактен магнезиев оксид (MgO). За грапава вътрешна повърхност с високи пикове (Rz > 10-15 µm), MgO прахът се уплътнява неравномерно: високото контактно налягане при пиковете води до по-висока локална топлопроводимост, докато долините (с по-ниско контактно налягане или въздушни междини) водят до региони с по-високо термично съпротивление. Последващите колебания в преноса на топлина около обиколката и надолу по оста могат да доведат до локално прегряване на съпротивителния проводник в върховете (където извличането на топлина е най-ефективно) или в долините (където се натрупва топлина). Когато Rz е по-голям от 20 микрона, могат да възникнат локални температурни колебания от 50-100 градуса C, намаляващи живота на проводника 2-5 пъти. В това изследване се определя количествено корелацията на вътрешния диаметър Rz, еднородността на контактното съпротивление и живота на нагревателя.

Механизмът на промяна на контактното съпротивление с текстурата на повърхността

Топлинната проводимост на компактния MgO прах не е константа на материала, а силно зависи от контактното налягане между MgO и обвивката. На места, където вътрешната повърхност на обвивката има пик, локалното контактно налягане е значително (поради прегъване) и принуждава кристалите MgO да влизат в плътен контакт с метала. В долината, където повърхността е най-малко уплътнена, се оставят въздушни междини (топлопроводимост=0.03 W/m·K), които функционират като топлоизолатори. Температурният спад над въздушна междина е 50-200 пъти по-голям, отколкото над плътно уплътнена MgO област за подобен топлинен поток. Основният параметър е пиковата грапавост Rz (височината от най-ниската вдлъбнатина до най-високия връх), тъй като най-дълбоките вдлъбнатини генерират най-високото топлинно съпротивление. Rz стойности на вътрешни диаметри, по-големи от 10-15 µm, ще доведат до забележими горещи точки.

Количествена корелация между вътрешния диаметър Rz и еднородността на температурата

Анализът на крайните елементи, потвърден от измервания на термодвойки на 316 обвивки (10 mm OD, 1,5 mm стена, NiCr тел), с различни покрития на повърхността с вътрешен диаметър, установи следните връзки между Rz, температурните промени и живота на проводника.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Ефект на плътността на мощността върху Rz чувствителността

Неблагоприятният ефект от високото Rz нараства с увеличаване на плътността на мощността, тъй като същата вариация на термичното съпротивление води до по-голямо абсолютно повишаване на температурата.

Плътност на мощността (W/cm^2) Максимално допустим Rz за 10 000 часа живот на проводника (um) Максимално допустим Rz за 5 000 часа живот на проводника (um) Препоръчителна спецификация за стандартна услуга<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Повърхностно покритие: Практическа спецификация на вътрешния диаметър

Рядко се случва покритието на повърхността на вътрешния диаметър да бъде посочено в стандартните листове с данни за купувачи, които определят 316 обвити нагреватели. Препоръчителният език на спецификацията за приложения с висока плътност на мощността или с удължен живот е следният:

Power Density >5 W/cm2 Целеви експлоатационен животRz (µm) Макс. вътрешен диаметър Ra (µm) Макс. вътрешен диаметър Mfg Изискван метод за проверка на процеса 20 000 часа<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Полева идентификация на горещи точки, предизвикани от Rz

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 µm. Съседните участъци (с оцелял проводник) са с по-нисък Rz. За такива неуспехи лекарството е да се зададе по-ниска граница Rz за бъдещи покупки. Нагревателят не подлежи на ремонт.

Ефект на покритието с вътрешен диаметър върху MgO уплътняването

Дори и с добър вътрешен диаметър Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >18% намаление гарантира, че дори дълбоките корита са пълни с MgO, но може да навреди на съпротивителната жица. Най-доброто намаляване на щампования за даден вътрешен диаметър е:

Вътрешен диаметър Rz (µm) Препоръчително минимално намаление на нагъване (%) Препоръчително максимално намаление на нагъване (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Не се препоръчва N/A
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Дефиниция на вътрешния диаметър Rz за високомощни нагреватели

За електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316 при плътност на мощността > 5 W/cm 2, пиковата грапавост (Rz) на вътрешния диаметър влияе върху редовността на контактното съпротивление с изолационния слой MgO. Стойностите на Rz над 10 до 12 µm причиняват локални горещи точки с температурни промени от 25 до 70 градуса и намаляват живота на проводника с 40 до 60% в сравнение с гладко{10}}тръбите. Когато поръчват 316 обвивки за приложения с висока-мощност или дълъг-живот, инженерите трябва да посочат критерий за максимален вътрешен диаметър Rz (напр.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15 000 часа), електрополиран отвор (Rz<6 µm) is recommended.