Kako debljina stijenke plašta od nehrđajućeg čelika 316 utječe na dielektričnu čvrstoću izolacije od magnezijevog oksida nakon prešanja u električnim grijaćim elementima?

Za inženjere kvalitete i proizvođače grijaćih elemenata, odnos između debljine stijenke plašta i performansi električne izolacije nije uvijek očit. Prah magnezijevog oksida oko otporne žice komprimiran je do gustoće koja daje visoku toplinsku vodljivost i visoku dielektričnu čvrstoću-obično iznad 2,8 g/cm³ kako bi se dobio izolacijski otpor veći od 100 megohma na sobnoj temperaturi. Glavni mehanizam za zbijanje MgO je proces prešanja koji smanjuje vanjski promjer plašta od nehrđajućeg čelika 316. Ali radijalni pritisak koji djeluje kroz stijenku omotača na MgO ovisi o debljini stijenke. Deblje stijenke apsorbiraju više sile savijanja. MgO može biti nedovoljno zbijen. Tanji zidovi prenose veću silu, ali postoji opasnost od kolapsa ili oštećenja otporne žice. Ovaj rad analizira učinak debljine stijenke plašta 316 na moguću gustoću MgO i dielektričnu čvrstoću. Osigurava osnovu za određivanje minimalne debljine stijenke koja uravnotežuje mehaničku cjelovitost u odnosu na električnu izvedbu.

Tlačno ponašanje MgO tijekom presovanja omotača
U proizvodnji grijača, cijev od nehrđajućeg čelika 316 ispunjena je rastresitom mješavinom MgO praha i središnje smještene otporne žice. Sklop se zatim prolazi kroz stroj za savijanje u kojem matrice za predenje zabijaju cijev radijalno prema unutra i smanjuju vanjski promjer za 10-30%. Ovaj proces zgušnjava prah MgO od početne nasipne gustoće od ~1,5 – 1,8 g/cm3 do konačne gustoće od 2,8 –3,2 g/cm3. Neto radijalna sila iz kalupa za savijanje, nakon oduzimanja sile korištene u elastičnoj i plastičnoj deformaciji stijenke plašta 316, je pritisak sabijanja koji se isporučuje na MgO. Za određeno smanjenje savijanja i sile matrice, tanja stijenka plašta rezultira manjim ukupnim obavljenim deformacijskim radom i veći postotak primijenjene sile prenosi se na MgO. Modeliranje procesa prešanja pomoću konačnih elemenata pokazuje da omotač od 0,8 mm 316 prenosi oko 85% pritiska matrice na MgO, dok omotač od 1,6 mm prenosi samo 65% pod jednakim uvjetima prešanja. Manje od 50% primijenjene sile prenosi se kroz omotač od 2,5 mm, a ostatak se zadržava kao energija elastične deformacije u debeloj čeličnoj stijenci ili se oslobađa kao toplina tijekom plastične deformacije. Ova razlika ima izravan utjecaj na moguću gustoću MgO.

Kvantitativni odnos između debljine stijenke i gustoće MgO
Kontrolirani pokusi koji koriste sličnu opremu za prešanje, setove kalupa i omjere redukcije pokazuju jasan obrnuti odnos između debljine stijenke plašta 316 i konačne gustoće MgO. Uobičajene gustoće MgO postignute za ciljano smanjenje savijanja od 20% (npr. . 12.0 mm do 9,6 mm vanjskog promjera) su: Konačna gustoća MgO od 3,1-3,2 g/cm3 s debljinom stijenke od 0,8 mm značajno premašuje minimalni standard. Debljina stjenke je 1,2 mm, gustoća 2,9–3,0 g/cm 3 , što je još prihvatljivo za većinu namjena. Gustoća se smanjuje na 2,7–2,8 g/cm3, što je na minimalno dopuštenoj razini ili ispod nje, uz debljinu stjenke od 1,6 mm. Gustoća materijala s debljinom stijenke od 2,0 mm iznosi 2,5–2,6 g/cm3, što nije dovoljno za pouzdanu električnu izolaciju pri povišenim temperaturama. S manje od 2,7 g/cm 3, MgO ima međusobno povezanu poroznost koja omogućuje upijanje vlage i kanale za curenje električne struje. Otpor izolacije pri 500 stupnjeva MgO zbijenog na 2,5 g/cm3 često je 10 do 100 puta niži od otpora MgO zbijenog na 3,1 g/cm3 . Dielektrična čvrstoća (gornja granica električnog polja koje izolacija može izdržati bez kvara) smanjuje se s oko 15 kV/mm na 3,1 g/cm³ na 5 kV/mm na 2,5 g/cm³. Električno polje iznad MgO sloja grijača od 240 V s otpornom žicom promjera 1,0 mm iznosi približno 2-3 kV/mm pri radnom naponu. To daje ugodnu marginu pri visokoj gustoći MgO, ali je marginalna pri niskoj gustoći gdje male greške mogu dovesti do proboja dielektrika.

Praktična ograničenja "dielektričnog integriteta" debelozidnih omotača-
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) za mehaničke ili korozijske zahtjeve. Postoje tri proizvodne prilagodbe koje mogu ublažiti apsorpciju sile debelih stijenki. Prvi i najtipičniji postupak je povećanje omjera smanjenja savijanja. 30% smanjenja s 12,0 mm na 8,4 mm, vanjski promjer prenosi jače radijalne naprezanja na MgO, postižući gustoće slične tanjim stjenkama pri nižem smanjenju, umjesto 20% smanjenja. Kazna je povećana vjerojatnost oštećenja otporne žice i veće zaostale napetosti u omotaču. Druga promjena je korištenje nekoliko prolaza savijanja s međužarenjem. Smanjenje od 15%, a zatim žarenje kako bi se smanjilo naprezanje plašta, nakon čega slijedi drugo smanjenje od 15%, može osigurati visoku gustoću MgO u omotačima s debelim-zidkama bez prekoračenja granica mogućnosti oblikovanja cijevi 316. Treća promjena je modificiranje specifikacije praha MgO: Grube, uglate čestice MgO lakše se sabijaju od finih, sferičnih prahova. Vrsta MgO visoke gustoće s reguliranom distribucijom veličine čestica može povećati konačnu gustoću za 0,1–0,2 g/cm3 za iste uvjete prešanja. Svaka od ovih prilagodbi povećava troškove proizvodnje. Ali trošak je opravdan za situacije u kojima su debeli zidovi neophodni.

Matrica odabira debljine stijenke i gustoće MgO za pouzdanu dielektričnu izvedbu
Sljedeća tablica prikazuje prikladne kombinacije debljine stjenke plašta 316 i proizvodnih zahtjeva za postizanje minimalne prihvatljive gustoće MgO od 2,8 g/cm 3 i dielektrične čvrstoće preko 10 kV/mm na sobnoj temperaturi.

Potrebna debljina stjenke savijanja 316 Preporučeno smanjenje savijanja Preporučeni broj prolaza savijanja Dostižna gustoća MgO Posebna razmatranja
0,8 – 1,0 mm 15 – 20% Jednostruki prolaz 3,0 – 3,2 g/cm³ Standardna metoda, niska cijena
1,0 – 1,2 mm 18 – 22% Jedan prolaz 2,9 – 3,1 g/cm³ Prikladan standardni postupak 1,2 – 1,4 mm 20 – 25% Jednostruki ili dvostruki prolaz svjetla 2,8 – 3,0 g/cm³ Potvrdite ispitivanjem uzorka 1,4 – 1,6 mm 25 – 30% Preporučeno dvostruko prolaženje 2,7 – 2,9 g/cm³ Potreban stupanj MgO visoke gustoće
1,6 – 1,8 mm 28 – 32% Potreban dvostruki prolaz 2,6 – 2,8 g/cm3 Marginalno, potrebno je kvalifikacijsko testiranje
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Dvostruki prolaz srednjeg žarenja 2,5-2,7 g/cm³ Ne preporučuje se za napone iznad 120 V > 2,0 mm Nije moguće Nije moguće Ispod 2,5 g/cm³ Koristite manji promjer ili drugu leguru
Za bilo koji grijač s radnim naponom većim od 250 VAC, minimalna dopuštena gustoća MgO treba se povećati na 3,0 g/cm3 što učinkovito ograničava maksimalnu debljinu stjenke plašta 316 na 1,2 mm osim ako se ne primjenjuju posebni postupci prešanja. U visokonaponskim primjenama iznad 600 VAC – koje se često viđaju u nekoj industrijskoj i rudarskoj opremi – debljina stjenke plašta trebala bi biti manja od 1,0 mm kako bi se održala prihvatljiva dielektrična čvrstoća ili bi grijač trebao biti izrađen s metalnim štitom, uzemljen i odvojen od MgO izolacije.

Metode za ispitivanje i validaciju osiguranja kvalitete proizvodnje
Ne oslanja se samo na teoretske odnose zbog varijacija koje uvodi oprema za prešanje, tehnika rukovatelja i tolerancije ulaznih cijevi. Ako specificiraju grijače s debljinom stijenke većom od 1,4 mm, inženjeri bi trebali zahtijevati od proizvođača da dostavi mjerenja gustoće MgO iz proizvodnih uzoraka. To se obično radi rezanjem dijela grijača i mjerenjem mase i volumena zbijenog praha. Minimalna gustoća treba biti spomenuta kao zahtjev kvalitete od 2,8 g/cm3, a ne kao cilj. Gotove grijače također treba ispitati na dielektričnu čvrstoću. Uobičajeni test je 1500 VAC plus dvostruki radni napon primijenjen tijekom jedne minute između otporne žice i plašta. To je 1,500 + 480=1,980 VAC za grijač od 240 V. Debelostijeni omotači s marginalnom gustoćom MgO općenito prolaze ovaj test na temperaturi okoline, ali ne i kada se zagriju na radnu temperaturu jer dielektrična čvrstoća MgO opada s temperaturom. Najbolja potvrda se stoga dobiva ispitivanjem otpornosti na vruću izolaciju na 500 stupnjeva. Otpor vruće izolacije industrijskih grijača obično nije manji od 1 megohma, iako je 10 megohma poželjno za produženi vijek trajanja. Kvarovi polja dielektričnog proboja su skupi i često opasni. Dodatni trošak specificiranja tanjeg omotača ili snažnijeg prešanja za postizanje gustoće MgO je mali u usporedbi s troškom jamstvenog zahtjeva ili još gore, incidencije električnog udara.