Zašto se električne grijaće cijevi od nehrđajućeg čelika 316 s dodanim unutarnjim dielektričnim punilima-borom odupiru degradaciji struje curenja izmjenične struje u kućištima s visokom{2}}vlagom učinkovitije od standardnih punila od magnezijevog oksida?

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 do ispod 1 MΩ što rezultira okidanjem struje curenja i aktiviranjem zaštite od zemljospoja. Među njima je poznato da aditivi koji sadrže bor-, naime bor oksid (B 2 O 3 ) ili magnezijev borat (Mg 3 B 2 O 6 ), kemijski reagiraju s vodom stvarajući trajni, ne-higroskopni sloj hidratiziranog borata koji zatvara površine čestica od dodatne apsorpcije vlage kada se pomiješa s MgO u količini od 2–5% težine. Ovaj članak karakterizira kinetiku apsorpcije vlage i otpornost na električnu degradaciju borom-modificiranih MgO punila u odnosu na standardni MgO u omotačima od nehrđajućeg čelika 316 u okruženjima 40–60 stupnjeva i 95% relativne vlažnosti, pružajući smjernice za odabir punila za visoko-pouzdane aplikacije gdje je integritet kvara na zemlji kritičan.

Higroskopsko djelovanje standardnog punila od magnezijevog oksida u zatvorenim grijaćim cijevima
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%, što rezultira stvaranjem vodljive otopine koja povezuje grijaću žicu i plašt.

U grijaćoj cijevi s neprekinutim brtvama terminala unutarnje punilo ostaje zauvijek suho. U praksi, međutim, brtve terminala (obično od silikonske gume ili epoksida) kvare se pod toplinskim ciklusima i izlaganjem UV zračenju i stvaraju se mikropukotine široke 10-100 mikrometara. Ove pukotine dopuštaju ulazak vlažnog zraka. Nakon što vlaga dospije u MgO punilo, degradacija otpora slijedi proces u 3 faze. Prva faza: površinska hidroksilacija vanjskih slojeva MgO čestica, povećanje struje curenja za 10-100. Druga faza: povećanje unutarnje hidratacije s oticanjem koje može popucati ovojnicu zbog unutarnjeg pritiska. Treća faza: stvaranje elektrolitskog kanala od grijaće žice do plašta, što rezultira strujama zemljospoja većim od 5–10 mA i aktiviranjem uređaja za zaostalu struju (RCD). Podaci s terena iz instalacija industrijskih grijača na otvorenom potvrđuju da IR 316 omotača s konvencionalnim MgO punjenjem pada ispod 1 MΩ nakon 6-18 mjeseci u uvjetima s 95% RH.

Mehanizam dodavanja bora: kemijsko brtvljenje čestica MgO
MgO punilu dodajemo spojeve bora kako bismo izgradili samo{0}}ograničavajuću hidratacijsku barijeru pomoću kemije borne kiseline. Vrste bora preferirano adsorbiraju prvi monosloj vode i reagiraju stvarajući tanku prevlaku hidratiziranog borovog oksida (H3BO3 ili B2O3·3H2O) na površinama čestica kada se B2O3 ili magnezijev borat pomiješaju s MgO u koncentraciji od 2–5 % mase. Tri važna aspekta ovog hidratiziranog sloja su: Prvo, njegov ravnotežni tlak pare vode mnogo je niži od onog Mg(OH)2, stoga se formira brzo i potpuno prije bilo kakve značajne hidratacije MgO. Drugo, amorfna, kontinuirana hidratizirana boratna ploča potpuno prekriva svaku česticu MgO. Treće, film je stabilan i nije -higroskopan iznad 60-80 stupnjeva - temperaturnog raspona s kojim se susreće punilo unutar operativne grijaće cijevi (obično 150-300 stupnjeva u blizini žice, ali do 50-100 stupnjeva u blizini omotača tijekom ciklusa isključenja).

Jednom formirana boratna prevlaka sprječava daljnju difuziju vode u MgO ispod. Reakcija je samoograničavajuća jer debljina filma (obično 50-200 nm) prestaje rasti kada sav dostupni bor na površini čestice reagira. Za razliku od Mg(OH)2, koji raste prema unutra dok voda difundira kroz hidroksidni sloj, boratni film ima vrlo nisku difuznost vode (približno . 10-14 cm2/s pri 50 stupnjeva u odnosu na . 10-10 cm2/s za Mg(OH)2). Ova kinetička barijera povećava vrijeme do značajnog električnog sloma za faktor 10-50 za iste uvjete prodora vlage.

Relativna električna izvedba pod ubrzanim ispitivanjem vlage
Ubrzana ispitivanja vlažnosti provedena su na 316 grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom (stjenka 1,2 mm, vanjski promjer 10 mm, snaga 1,5 kW, 230 V) s tri sastava unutarnjeg punila. Cijevi su zapečaćene standardnim silikonskim gumenim brtvama terminala i stavljene u temperaturnu-komoru vlage na 60 stupnjeva, 95% relativne vlažnosti, grijači su bili bez napajanja osim za povremena mjerenja otpora izolacije (mjereno na 500 V DC). Razdoblje ispitivanja bilo je 2000 sati, što odgovara otprilike 2-3 godine izlaganja terenu u vlažnim ograđenim prostorima.

Vrsta punila Sadržaj bora (tež.% kao B₂O₃) Početna IR na 25 stupnjeva (MΩ) IR Nakon 500 sati na 60 stupnjeva /95% RH (MΩ) IR Nakon 1000 sati (MΩ) IR Nakon 2000 sati (MΩ) Način kvara (IR < 1 MΩ)
Standardni MgO (industrijski stupanj)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO visoke -čistoće (99,9%, kalciniran)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 sati
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (bez kvara)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (bez kvara)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (bez kvara)
Najveću izvedbu pokazao je ko-sinterirani magnezijev borat-MgO materijal, gdje je bor integriran u kristalnu rešetku MgO tijekom visokotemperaturnog kalciniranja, umjesto jednostavnim miješanjem, s izolacijskim otporom većim od 80 MΩ nakon 2000 sati ubrzanog ispitivanja vlage. Ovo je 100 puta poboljšanje u odnosu na uobičajeni MgO za istu duljinu ispitivanja.

Ovisnost otpornosti na vlagu borom{0}}modificiranih punila o temperaturi
Učinkovitost borom{0}}modificiranih punila ovisi o temperaturi brtve terminala i hladnog kraja plašta, gdje vlaga normalno ulazi, a temperatura punila može biti samo 40–80 stupnjeva. Ispod 60 stupnjeva, hidratacija čestica bora je spora i neizreagirani bor još uvijek može dopustiti hidrataciju MgO tijekom dugog vremenskog razdoblja. Međutim, tijekom rada grijača hladni kraj je obično 80-120 stupnjeva zbog prenesene topline. Na ovim temperaturama reakcija brtvljenja borata se ubrzava, a vlaga koja ulazi brzo se troši kako bi se stvorio stabilan hidratizirani boratni premaz.

Produljena ispitivanja na konstantnoj temperaturi (bez ciklusa zagrijavanja) pokazuju granicu temperature za učinkovitu zaštitu od bora:

30 stupnjeva, 95% RH: borom modificirano punilo > 3000 sati IR > 100 MΩ, standardni MgO 800-1000 sati.

50 stupnjeva, 95% relativne vlažnosti (a) borom-modificirano punilo preživi 2000 sati uz malo propadanja. Standardni MgO ne radi nakon 400-600 sati.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ nakon 2000 sati; regularni MgO otkaže nakon 200-300 sati.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ nakon 2000 sati). Visoka temperatura tjera apsorbiranu vlagu.

Za grijače bez napajanja u hladnim, vlažnim postavkama pripravnosti (npr. sezonska oprema, pomoćni grijači) krajnja hladna temperatura može biti ambijentalna. U tim situacijama, borom-modificirano punilo daje 3-5x poboljšanje otpornosti na vlagu u usporedbi s uobičajenim MgO, ali ne može spriječiti konačno propadanje ako je prodor vlage neumoljiv. Za aplikacije u hladnom stanju pripravnosti odgovor su hermetički zatvoreni terminali (staklene-na-metalne brtve) ili grijač male snage u vatima (5-10% nazivne snage) koji održava hladnu krajnju temperaturu iznad 60 stupnjeva.

Testiranje brodskih i vanjskih kontrolnih kućišta na terenu
Terenska studija pratila je izvedbu 316 grijaćih cijevi obloženih nehrđajućim čelikom montiranih u vanjskim kontrolnim kućištima (označenih NEMA 4X, ali s unutarnjom kondenzacijom) u obalnom postrojenju za pročišćavanje otpadnih voda. Uvjeti okoline: 20 do 35 stupnjeva, 60 do 95% RH, raspršeni slani sprej (0,1 do 0,5 mg/m3 taloženje klorida). Otpor izolacije ocjenjivan je svaka tri mjeseca tijekom 36 mjeseci za 50 grijača s običnim MgO punilom i 50 grijača s borom-modificiranim MgO (ko-sinterirani magnezijev borat).

Rezultati za tipične MgO grijače: prosječno IR 45 MΩ (raspon 8–210 MΩ) nakon 6 mjeseci. Nakon 12 mjeseci, 22 grijača (44%) imalo je IR < 1 MΩ i aktivirala zaštitu od zemljospoja. Četrdeset-jedan (82%) grijač nije uspio nakon 24 mjeseca. Nakon 36 mjeseci otkazalo je 48 grijača (96 posto). Glavna točka kvara bio je hladni kraj brtve terminala i pronađeno je da je punilo tamno sivo i vodljivo.

Rezultati za borom{0}}modificirane MgO grijače: prosječni IR nakon 12 mjeseci bio je 280 MΩ (raspon 110–650 MΩ). Nakon 24 mjeseca prosječni IR bio je 95 MΩ (raspon 22–310 MΩ), a samo 3 grijača (6%) imala su IR ispod 1 MΩ. Nakon 36 mjeseci prosječni IR bio je 52 MΩ (raspon 8-180 MΩ) i 8 grijača (16%) nije uspjelo. Ovo je 20-struki dobitak u efektivnom radnom vijeku u odnosu na normalni MgO za ovo vlažno okruženje puno soli, što se vidi po poboljšanoj stopi preživljavanja od 84% nakon 36 mjeseci u odnosu na 4%. Analiza temeljnog uzroka Od osam kvarova, pet je pokazalo vidljivo oštećenje brtve priključka (napuknute silikonske čizme), a tri su bila instalirana s hladnim krajem grijača okrenutim prema gore, dopuštajući kondenzaciji da se odvodi u područje terminala – pogreška pri ugradnji koju čak ni punilo modificirano borom nije moglo u potpunosti nadoknaditi.

Jezik specifikacije grijača za kućište visoke vlažnosti
Za električne grijaće cijevi omotane od nehrđajućeg čelika 316 specificirane za kućišta u kojima relativna vlažnost može redovito premašiti 80% ili gdje je vjerojatna kondenzacija, inženjeri bi trebali naznačiti kriterije sastava punila u kupovnoj specifikaciji. Unutarnje dielektrično punilo mora biti magnezijev oksid modificiran borovim oksidom ili magnezijevim boratom s minimalnim udjelom bora koji odgovara 2,5% masenog udjela B2O3. Ko-sinterirani borom dopirani MgO je povoljan za mehanički miješane spojeve bora. Punilo se procjenjuje na otpornost na vlagu prema IEEE Std 515 Annex C (otpor izolacije od 500 V DC nakon 500 sati na 60 stupnjeva, 95% RH). Minimalni dopušteni IR mora biti 50 MΩ. Za primjene u kojima je apsolutna pouzdanost ključna – kao što su grijači-povezani s nuklearnom sigurnošću ili grijači u platformama bez posade – odredite hermetički zatvorene terminale sa staklenim-prema-metalnim brtvama uz borom-modificirano punilo, i zahtijevajte-održivi krug za održavanje minimalne hladne-krajnje temperature od 65 stupnjeva kada glavni grijač je isključen.

Saznanje da proces kvara nije korozija omotača, već unutarnja higroskopija punila, omogućuje inženjerima da specificiraju borom-modificirani MgO, kako bi se izbjegla spora električna degradacija koju obična punila uvijek trpe. Dodatni trošak borom-modificiranog punila (obično 10-15% troškova proizvodnje grijača) brzo se vraća smanjenim održavanjem, manjim brojem neželjenih kvarova na zemlji i duljim ciklusima zamjene grijača.