Miks peavad 316 roostevabast terasest mantliga elektrilised booriküttetorud-lisatud sisemised dielektrilised täiteained vastu vahelduvvoolu lekkevoolu lagunemisele kõrge{2}}niiskusega korpustes tõhusamalt kui tavalised magneesiumoksiidi täiteained?

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 kuni alla 1 MΩ, mille tulemuseks on lekkevoolu väljalülitamine ja maandusrikkekaitse aktiveerumine. Nende hulgas on teada, et boori -sisaldavad lisandid, nimelt booroksiid (B 2 O 3 ) või magneesiumboraat (Mg 3 B 2 O 6 ), reageerivad keemiliselt veega, tekitades püsiva, mitte-hügroskoopse hüdraatunud boraadi kihi, mis tihendab osakeste pindu täiendava niiskusesisalduse 2–5% massiga segamisel. See artikkel kirjeldab boor-modifitseeritud MgO täiteainete niiskuse neeldumise kineetikat ja elektrilist lagunemiskindlust võrreldes standardse MgO-ga 316 roostevabast terasest ümbrises 40–60-kraadises ja 95% suhtelises õhuniiskuses keskkonnas, pakkudes juhiseid täiteainete valimiseks kõrge terviklikkusega rakenduste jaoks, kus see on kriitilise tähtsusega.

Standardse magneesiumoksiidi täiteaine hügroskoopne toime suletud küttetorudes
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%, mille tulemusena moodustub juhtiv lahus, mis ühendab küttetraati ja kesta.

Katkematute klemmtihenditega küttetorus jääb sisemine täiteaine igavesti kuivaks. Praktikas aga klemmitihendid (tavaliselt silikoonkumm või epoksiid) lagunevad kuumuse ja UV-kiirguse mõjul ning tekivad 10-100 mikromeetri laiused mikropraod. Need praod võimaldavad niiske õhu sisenemist. Kui niiskus jõuab MgO täiteaineni, toimub takistuse halvenemine 3-etapilise protsessina. Esimene etapp: väliste MgO osakeste kihtide pinna hüdroksüülimine, suurendades lekkevoolu 10-100 võrra. Teine etapp: sisemise hüdratatsiooni suurendamine koos tursega, mis võib sisemise rõhu tõttu ümbrise mõraneda. Kolmas etapp: elektrolüütilise kanali loomine küttejuhtmest ümbrisesse, mille tulemuseks on üle 5–10 mA maandusvoolud ja rikkevooluseadmete (RCD) väljalülitamine. Tööstuslike väliskütteseadmete väliandmed kinnitavad, et tavapärase MgO täidisega 316 kesta IR langeb 6–18 kuu pärast 95% suhtelise õhuniiskusega tingimustes alla 1 MΩ.

Boori lisamise mehhanism: MgO osakeste keemiline sulgemine
Lisame booriühendeid MgO täiteainele, et luua ise{0}}piirav hüdratatsioonibarjäär, kasutades boorhappe keemiat. Booriliigid adsorbeerivad eelistatavalt esimest vee monokihti ja reageerivad, tekitades osakeste pinnale õhukese hüdraaditud booroksiidi (H3BO3 või B2O3·3H2O) katte, kui B2O3 või magneesiumboraat segatakse MgO-ga 2–5 massiprotsenti. Selle hüdraatunud kihi kolm olulist aspekti on: Esiteks on selle vee tasakaaluline aururõhk palju madalam kui Mg(OH)2 oma, seega moodustub see kiiresti ja täielikult enne märgatavat MgO hüdratatsiooni. Teiseks ümbritseb amorfne, pidev hüdraatunud boraatleht täielikult iga MgO osakese. Kolmandaks on kile stabiilne ja mittehügroskoopne üle 60-80 kraadi - temperatuurivahemikus, mida täiteaine kohtab töökorras kuumutustorus (tavaliselt 150-300 kraadi traadi lähedal, kuid 50-100 kraadi ümbrise lähedal väljalülitatud tsüklite ajal).

Kui boraatkate on moodustunud, takistab see vee edasist difundeerumist all olevasse MgO-sse. Reaktsioon on isemütlev, kuna kile paksus (tavaliselt 50-200 nm) lakkab kasvamast, kui kogu ligipääsetav boor osakese pinnal on reageerinud. Erinevalt Mg(OH)2-st, mis kasvab sissepoole, kui vesi difundeerub läbi hüdroksiidikihi, on boraatkile vee difusioonivõime väga madal (umbes . 10-14 cm2/s 50 kraadi juures vs . 10-10 cm2/s Mg(OH)2 puhul). See kineetiline barjäär pikendab samade niiskuse sissetungimistingimuste korral olulise elektrikatkestuseni kuluvat aega 10–50 korda.

Suhteline elektriline jõudlus kiirendatud õhuniiskuse testimisel
Kiirendatud niiskuskatsed viidi läbi 316 roostevabast terasest mantliga küttetoruga (1,2 mm sein, 10 mm OD, 1,5 kW reiting, 230 V) kolme sisetäite koostisega. Torud suleti standardsete silikoonkummist klemmtihenditega ja asetati temperatuuri-niiskusega kambrisse 60 kraadi juures 95% suhtelise õhuniiskusega, kusjuures küttekehad olid ilma toiteta, välja arvatud aeg-ajalt isolatsioonitakistuse mõõtmiseks (mõõdetuna 500 V DC juures). Katseperiood oli 2000 tundi, mis vastab umbes 2-3 aastasele välitingimustele niisketes ruumides.

Täiteaine tüüp Boorisisaldus (massiprotsent kui B₂O₃) Esialgne IR 25 kraadi juures (MΩ) IR 500 tunni pärast 60 kraadi juures /95% RH (MΩ) IR Pärast 1000 tundi (MΩ) IR Pärast 2000 tundi (MΩ) < tõrge režiim (MΩ)
Standardne MgO (tööstuslik)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
Kõrge -puhtusastmega MgO (99,9%, kaltsineeritud)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 tundi
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (puudub rike)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (puudub rike)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (puudub rike)
Suurimat jõudlust demonstreeris ka-paagutatud magneesiumboraat-MgO materjal, kus boor integreeriti MgO kristallvõresse kõrgel temperatuuril kaltsineerimisel, mitte lihtsa segamise teel ning mille isolatsioonitakistus oli pärast 2000-tunnist kiirendatud niiskuskatset üle 80 MΩ. See on 100 korda parem kui tavaline MgO sama testi pikkusega.

Boori{0}}Modifitseeritud täiteainete niiskuskindluse sõltuvus temperatuurist
Boor{0}}modifitseeritud täiteainete efektiivsus sõltub klemmi tihendi temperatuurist ja ümbrise külmast otsast, kuhu niiskus tavaliselt siseneb ja täiteaine temperatuur võib olla vaid 40–80 kraadi. Alla 60 kraadi on booriosakeste hüdratatsioon aeglane ja reageerimata boor võib siiski võimaldada MgO hüdratatsiooni pikema aja jooksul. Kuid küttekeha töötamise ajal on külm ots tavaliselt 80-120 kraadi soojuse edastamise tõttu. Nendel temperatuuridel boraadi tihendusreaktsioon kiireneb ja sisenev niiskus kulub kiiresti ära, et tekitada stabiilne hüdraatboraatkate.

Pikaajalised katsed konstantsel temperatuuril (ilma kuumutustsükliteta) näitavad tõhusa boorikaitse jaoks temperatuuri piiri:

30 kraadi, 95% suhteline õhuniiskus: booriga modifitseeritud täiteaine > 3000 tundi IR > 100 MΩ, standardne MgO 800-1000 tundi.

50 kraadi, 95% suhteline õhuniiskus (a) Boor-modifitseeritud täiteaine säilib vähese riknemisega 2000 tundi. Standardne MgO ebaõnnestub 400–600 tunni pärast.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ pärast 2000 tundi; tavaline MgO rikub 200–300 tunni pärast.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ pärast 2000 tundi). Kõrge temperatuur eemaldab imendunud niiskuse.

Toiteta kütteseadmete puhul külmas ja niiskes ooterežiimis (nt hooajalised seadmed, varukütteseadmed) võib külm lõpptemperatuur olla ümbritsev temperatuur. Sellistes olukordades parandab booriga modifitseeritud täiteaine niiskuskindlust 3-5 korda võrreldes tavalise MgO-ga, kuid ei saa vältida lõplikku riknemist, kui niiskuse sissetung on lakkamatu. Külma ooterežiimi rakenduste puhul on lahenduseks hermeetiliselt suletud klemmid (klaasist{5}}to-metallist tihendid) või väikese võimsusega elushoidev kütteseade (5–10% nimivõimsusest), mis hoiab külma lõpptemperatuuri üle 60 kraadi.

Mere- ja väliskontrollkorpuse välikatsed
Väliuuring jälgis rannikuäärses reoveepuhastis 316 roostevabast terasest plakeeritud küttetoru toimimist, mis olid paigaldatud välistingimustes kasutatavatesse juhtimiskambritesse (tähisega NEMA 4X, kuid sisemise kondensatsiooniga). Ümbritsev tingimused: 20 kuni 35 kraadi, 60 kuni 95% suhteline õhuniiskus, õhus leviv soolapihustus (0,1 kuni 0,5 mg/m3 kloriidi sadestumine). Isolatsioonitakistust hinnati iga kolme kuu järel 36 kuu jooksul 50 tavalise MgO täiteainega ja 50 boor-modifitseeritud MgO-ga (ko-paagutatud magneesiumboraadi tüüpi) küttekeha puhul.

Tulemused tüüpiliste MgO-soojendite puhul: keskmine IR 45 MΩ (vahemik 8–210 MΩ) 6 kuu pärast. 12 kuu pärast oli 22 kütteseadmel (44%) IR < 1 MΩ ja maandusrike kaitse rakendunud. Nelikümmend{10}}üks (82%) kütteseadet ebaõnnestus 24 kuu jooksul. 36 kuu pärast oli 48 kütteseadet (96 protsenti) üles öelnud. Peamine rikkekoht oli klemmi tihendi külm ots ja täiteaine leiti olevat tumehall ja juhtiv.

Tulemused boor-modifitseeritud MgO-soojendite kohta: keskmine IR 12 kuu pärast oli 280 MΩ (vahemik 110–650 MΩ). 24 kuu pärast oli keskmine IR 95 MΩ (vahemik 22–310 MΩ) ja ainult kolmel kütteseadmel (6%) oli IR alla 1 MΩ. 36 kuu pärast oli keskmine IR 52 MΩ (vahemik 8-180 MΩ) ja 8 kütteseadet (16%) ebaõnnestusid. See on 20-kordne tõhus kasutusiga võrreldes tavalise MgO-ga selles niiskes ja soolarikkas keskkonnas, mida näitab paranenud elulemus 84% ​​pärast 36 kuud võrreldes 4%. Algpõhjuste analüüs Kaheksast rikkest viiel olid nähtavad klemmi tihendi kahjustused (mõranenud silikoonsaapad) ja kolm olid paigaldatud nii, et küttekeha külm ots oli suunatud üles, võimaldades kondensaadil voolata terminali piirkonda – paigaldusviga, mida isegi booriga modifitseeritud täiteaine ei suutnud täielikult kompenseerida.

Kõrge õhuniiskusega korpusesoojendite spetsifikatsioonikeel
316 roostevabast terasest pakitud elektriküttetoru puhul, mis on ette nähtud karpide jaoks, kus suhteline õhuniiskus võib regulaarselt ületada 80% või kus on tõenäoline kondensatsioon, peaksid insenerid märkima täiteaine koostise kriteeriumid ostu spetsifikatsioonis. Sisemine dielektriline täiteaine on booroksiidi või magneesiumboraadiga modifitseeritud magneesiumoksiid, mille minimaalne boorisisaldus vastab 2,5 massiprotsendile B2O3. Kaas{7}}paagutatud booriga legeeritud MgO on soodne mehaaniliselt segatud booriühenditele. Täiteaine niiskuskindlust tuleb hinnata vastavalt standardile IEEE Std 515 lisa C (500 V DC isolatsioonitakistus pärast 500 tundi 60 kraadi juures, 95% suhteline niiskus). Minimaalne lubatud IR peab olema 50 MΩ. Rakenduste jaoks, kus absoluutne töökindlus on kriitilise tähtsusega (nt tuumaohutusega seotud küttekehad või mehitamata avamereplatvormidel asuvad kütteseadmed), määrake lisaks booriga modifitseeritud täiteainele hermeetiliselt suletud klemmid klaas---metallist tihenditega ja nõuavad, et küttekeha 6-5 kraadini madala temperatuuriga vooluahela temperatuur püsiks. välja.

Teadmine, et rikkeprotsess ei ole ümbrise korrosioon, vaid täiteaine sisemine hügroskoopia, võimaldab inseneridel määrata boor-modifitseeritud MgO, et vältida aeglast elektrilist lagunemist, mida tavalised täiteained alati kannatavad. Boor-modifitseeritud täiteaine lisakulud (tavaliselt 10–15% küttekeha tootmiskuludest) tasutakse kiiresti tagasi tänu väiksemale hooldusele, vähematele häirivatele maandusvigadele ja pikematele küttekehade vahetustsüklitele.