Защо електрическите нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316 с добавени вътрешни диелектрични пълнители-бор се противопоставят на влошаването на тока на утечка на променлив ток в заграждения с висока-влажност по-ефективно от стандартните пълнители с магнезиев оксид?

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 до под 1 MΩ, което води до изключване на тока на утечка и активиране на защитата от заземяване. Сред тях е известно, че бор-съдържащите добавки, а именно борен оксид (B 2 O 3 ) или магнезиев борат (Mg 3 B 2 O 6 ), реагират химически с вода, за да генерират постоянен, не-хигроскопичен хидратиран боратен слой, който запечатва повърхностите на частиците срещу допълнителна абсорбция на влага, когато се смеси с MgO при 2–5% от теглото. Тази статия характеризира кинетиката на абсорбция на влага и устойчивостта на електрическо разграждане на бор-модифицирани MgO пълнители по отношение на стандартния MgO в обвивки от неръждаема стомана 316 в среди с 40–60 градуса и 95% относителна влажност, предоставяйки насоки за избор на пълнител за приложения с висока-надеждност, където целостта на заземяване е критична.

Хигроскопично действие на стандартен пълнител от магнезиев оксид в запечатани нагревателни тръби
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%, което води до образуване на проводящ разтвор, свързващ нагревателния проводник и обвивката.

В нагревателна тръба с ненарушени клемни уплътнения вътрешният пълнител остава сух завинаги. На практика обаче клемните уплътнения (обикновено силиконова гума или епоксидна смола) се влошават при топлинен цикъл и излагане на ултравиолетови лъчи и се образуват микропукнатини с ширина 10-100 микрометра. Тези пукнатини позволяват навлизането на влажен въздух. След като влагата достигне MgO пълнителя, влошаването на съпротивлението следва 3-етапен процес. Първи етап: повърхностно хидроксилиране на външните слоеве на MgO частици, увеличаване на тока на утечка с 10-100. Втори етап: увеличаване на вътрешната хидратация с подуване, което може да напука обвивката от вътрешно налягане. Трети етап: създаване на електролитен канал от нагревателния проводник до обвивката, което води до токове на заземяване, по-големи от 5–10 mA и задействащи устройства за остатъчен ток (RCD). Полевите данни от външни промишлени нагревателни инсталации потвърждават, че IR на 316 обвивки с конвенционален MgO пълнеж пада под 1 MΩ след 6-18 месеца при условия с 95% RH.

Механизъм на добавяне на бор: Химическо запечатване на MgO частици
Добавяме съединения на бора към MgO пълнителя, за да изградим само-ограничаваща се хидратационна бариера, използвайки химията на борната киселина. Видовете бор преференциално адсорбират първия монослой вода и реагират, за да генерират тънко покритие от хидратиран борен оксид (H3BO3 или B2O3·3H2O) върху повърхностите на частиците, когато B2O3 или магнезиев борат се смесват с MgO при 2–5 тегл.%. Три важни аспекта на този хидратиран слой са: Първо, неговото равновесно налягане на парите на водата е много по-ниско от това на Mg(OH)2, следователно той се образува бързо и напълно преди някаква забележима хидратация на MgO. Второ, аморфният непрекъснат хидратиран боратен лист покрива напълно всяка частица MgO. Трето, филмът е стабилен и не-хигроскопичен над 60-80 градуса - температурния диапазон, в който се среща пълнителят вътре в работеща нагревателна тръба (обикновено 150-300 градуса близо до жицата, но до 50-100 градуса близо до обвивката по време на цикли на изключване).

Веднъж образувано, боратното покритие не позволява на водата да дифундира по-нататък в подлежащия MgO. Реакцията е самоограничаваща се, тъй като дебелината на филма (обикновено 50-200 nm) спира да нараства, когато целият достъпен бор на повърхността на частиците е реагирал. За разлика от Mg(OH)2, който расте навътре, когато водата дифундира през хидроксидния слой, боратният филм има много ниска дифузия на вода (приблизително . 10-14 cm2/s при 50 градуса спрямо . 10-10 cm2/s за Mg(OH)2). Тази кинетична бариера увеличава времето до значителен електрически срив с коефициент 10–50 за същите условия на проникване на влага.

Относителна електрическа производителност при тестване с ускорена влажност
Бяха проведени ускорени тестове за влажност на 316 нагревателни тръби с обшивка от неръждаема стомана (1,2 mm стена, 10 mm OD, 1,5 kW номинална мощност, 230 V) с три състава на вътрешния пълнител. Тръбите бяха запечатани със стандартни силиконови гумени клемни уплътнения и поставени в температура-камера за влажност при 60 градуса, 95% относителна влажност, като нагревателите бяха изключени, освен за случайни измервания на изолационното съпротивление (измерено при 500 V DC). Тестовият период беше 2000 часа, което съответства на около 2-3 години излагане на полето във влажни заграждения.

Тип пълнител Съдържание на бор (wt% като B₂O3) Първоначално IR при 25 градуса (MΩ) IR След 500 часа при 60 градуса /95% RH (MΩ) IR След 1000 часа (MΩ) IR След 2000 часа (MΩ) Режим на отказ (IR < 1 MΩ)
Стандартен MgO (промишлен клас)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO с висока-чистота (99,9%, калциниран)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 часа
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (без повреда)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (без повреда)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (без повреда)
Най-високата производителност беше демонстрирана от ко-спечения магнезиев борат-MgO материал, където борът беше интегриран в кристалната решетка на MgO по време на високотемпературно калциниране, вместо чрез просто смесване, с изолационно съпротивление от повече от 80 MΩ след 2000 часа ускорено изпитване на влажност. Това е 100 пъти подобрение спрямо нормалния MgO за същата дължина на теста.

Температурна зависимост на устойчивостта на влага на бор-модифицираните пълнители
Ефективността на бор{0}}модифицираните пълнители зависи от температурата на крайното уплътнение и студения край на обвивката, където обикновено навлиза влагата и температурата на пълнителя може да бъде само 40–80 градуса. Под 60 градуса хидратацията на борните частици е бавна и нереагиралият бор все още може да позволи известно хидратиране на MgO за дълги периоди от време. Въпреки това, по време на работа на нагревателя студеният край обикновено е 80-120 градуса поради предаваната топлина. При тези температури реакцията на боратно запечатване се ускорява и влагата, която влиза, се изразходва бързо, за да се генерира стабилно хидратирано боратно покритие.

Продължителните тестове при постоянна температура (без цикли на нагряване) показват границата на температурата за ефективна борна защита:

30 градуса, 95% RH: Модифициран с бор пълнител > 3000 часа IR > 100 MΩ, стандартен MgO 800-1000 часа.

50 градуса, 95% относителна влажност (a) Бор-модифицираният пълнител преживява 2000 часа с малко влошаване. Стандартният MgO се проваля при 400-600 часа.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ след 2000 часа; обикновеният MgO се проваля след 200–300 часа.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ след 2000 часа). Високата температура прогонва абсорбираната влага.

За нагреватели без захранване в режим на готовност при студени и влажни условия (напр. сезонно оборудване, резервни нагреватели) студената крайна температура може да бъде околната. В тези ситуации, бор-модифицираният пълнител дава 3-5 пъти подобрение на устойчивостта на влага в сравнение с обикновения MgO, но не може да предотврати окончателното влошаване, ако проникването на влага е безмилостно. За приложения в режим на студен режим на готовност отговорът е херметически затворени клеми (стъклени -към-метални уплътнения) или поддържащ нагревател с ниска мощност (5-10% от номиналната мощност), който поддържа студена крайна температура над 60 градуса.

Полеви тестове на заграждение за управление на море и на открито
Проучване на място проследи работата на 316 нагревателни тръби с покритие от неръждаема стомана, монтирани във външни контролни камери (обозначени с NEMA 4X, но с вътрешна кондензация) в крайбрежна пречиствателна станция за отпадъчни води. Условия на околната среда: 20 до 35 градуса, 60 до 95% относителна влажност, солен спрей във въздуха (0,1 до 0,5 mg/m3 отлагане на хлорид). Изолационното съпротивление се оценява на всеки три месеца в продължение на 36 месеца за 50 нагревателя с обикновен MgO пълнител и 50 нагревателя с бор-модифициран MgO (ко-спечен тип магнезиев борат).

Резултати за типичните MgO нагреватели: Средно IR 45 MΩ (диапазон 8–210 MΩ) след 6 месеца. След 12 месеца 22 нагревателя (44%) имаха IR < 1 MΩ и задействаха защита срещу заземяване. Четиридесет-нагревателя (82%) се повреди след 24 месеца. След 36 месеца 48 нагревателя (96 процента) са се повредили. Основната точка на повреда беше студеният край на клемното уплътнение и беше установено, че пълнителят е тъмносив и проводим.

Резултати за бор-модифицирани MgO нагреватели: Средният IR след 12 месеца беше 280 MΩ (диапазон 110–650 MΩ). След 24 месеца средният IR е 95 MΩ (диапазон 22–310 MΩ) и само 3 нагревателя (6%) имат IR под 1 MΩ. На 36-ия месец средният IR е 52 MΩ (диапазон 8-180 MΩ) и 8 нагревателя (16%) не работят. Това е 20-кратно увеличение на ефективния експлоатационен живот в сравнение с нормалния MgO за тази влажна среда, наситена със сол, както се вижда от подобрената степен на преживяемост от 84% след 36 месеца спрямо 4%. Анализ на основната причина От осемте неизправности, пет показват видимо увреждане на клемното уплътнение (напукани силиконови ботуши) и три са били инсталирани със студения край на нагревателя, насочен нагоре, което позволява на конденза да се оттича в областта на терминала – грешка при монтажа, която дори модифицираният с бор пълнител не може да компенсира напълно.

Език на спецификациите на нагревателите за заграждения с висока влажност
За електрически нагревателни тръби с обвивка от неръждаема стомана 316, определени за заграждения, където относителната влажност може редовно да надвишава 80% или където е вероятна кондензация, инженерите трябва да посочат критерии за състава на пълнителя в спецификацията за покупка. Вътрешният диелектричен пълнител трябва да бъде магнезиев оксид, модифициран с борен оксид или магнезиев борат с минимално съдържание на бор, съответстващо на 2,5 % тегловни B2O3. Ко-спеченият MgO, легиран с бор, е благоприятен за механично смесените борни съединения. Пълнителят трябва да бъде оценен за устойчивост на влага съгласно IEEE Std 515 Annex C (500 V DC устойчивост на изолация след 500 часа при 60 градуса, 95% RH). Минималният допустим IR трябва да бъде 50 MΩ. За приложения, при които абсолютната надеждност е критична – като нагреватели,-свързани с ядрената безопасност или нагреватели в безпилотни офшорни платформи – посочете херметически затворени терминали със стъклени-към-метални уплътнения в допълнение към-модифициран пълнител и изисквайте поддържаща-електрическа верига за поддържане на минимална студена-крайна температура от 65 градуса, когато основният нагревател е изключен.

Знанието, че процесът на повреда не е корозия на обвивката, а вътрешна хигроскопия на пълнителя, позволява на инженерите да определят бор-модифицирания MgO, за да избегнат бавното електрическо разграждане, от което винаги страдат обикновените пълнители. Добавената цена на бор-модифицирания пълнител (обикновено 10-15% от производствените разходи на нагревателя) бързо се изплаща чрез намалена поддръжка, по-малко неудобни прекъсвания при заземяване и по-дълги цикли на смяна на нагревателя.