W jaki sposób grubość ścianki osłony ze stali nierdzewnej 316 wpływa na wytrzymałość dielektryczną izolacji z tlenku magnezu po kształtowaniu w elektrycznych elementach grzejnych?

Dla inżynierów ds. jakości i producentów elementów grzejnych związek między grubością ścianki osłony a właściwościami izolacji elektrycznej nie zawsze jest oczywisty. Proszek tlenku magnezu otaczający drut oporowy jest kompresowany do gęstości zapewniającej wysoką przewodność cieplną i wysoką wytrzymałość dielektryczną-zazwyczaj powyżej 2,8 g/cm3, co daje rezystancję izolacji większą niż 100 megaomów w temperaturze pokojowej. Głównym mechanizmem zagęszczania MgO jest proces kształtowania, który zmniejsza zewnętrzną średnicę osłony ze stali nierdzewnej 316. Jednak ciśnienie promieniowe wywierane przez ścianę osłony na MgO zależy od grubości ściany. Grubsze ścianki pochłaniają więcej siły kształtującej. MgO może być niedostatecznie zagęszczony. Cieńsze ścianki przenoszą większą siłę, ale istnieje ryzyko zawalenia się lub uszkodzenia drutu oporowego. W artykule przeanalizowano wpływ grubości ścianki płaszcza 316 na możliwą gęstość MgO i wytrzymałość dielektryczną. Stanowi podstawę do określenia minimalnej grubości ścianki, która równoważy integralność mechaniczną i parametry elektryczne.

Zachowanie ściskające MgO podczas kształtowania osłony
Podczas produkcji grzejnika rura ze stali nierdzewnej 316 jest wypełniona luźną mieszaniną proszku MgO i centralnie umieszczonego drutu oporowego. Następnie zespół przechodzi przez zakuwarkę, w której matryce wirujące wbijają rurę promieniowo do wewnątrz i zmniejszają jej średnicę zewnętrzną o 10–30%. Proces ten zagęszcza proszek MgO od początkowej gęstości nasypowej ~1,5 –1,8 g/cm3 do końcowej gęstości 2,8 –3,2 g/cm3. Wypadkowa siła promieniowa wywierana przez matryce kształtujące, po odjęciu siły użytej przy odkształceniu sprężystym i plastycznym ścianki osłony 316, jest ciśnieniem zagęszczania dostarczanym do MgO. W przypadku szczególnej redukcji kształtowania i siły matrycy, cieńsza ścianka osłony powoduje mniejszą całkowitą pracę odkształcenia i większy procent przyłożonej siły jest przenoszony na MgO. Modelowanie metodą elementów skończonych procesu kształtowania pokazuje, że osłona 316 o grubości 0,8 mm przenosi około 85% ciśnienia matrycy na MgO, podczas gdy osłona o średnicy 1,6 mm przenosi tylko 65% w równych warunkach kształtowania. Mniej niż 50% przyłożonej siły jest przenoszone przez osłonę o grubości 2,5 mm, pozostała część jest zatrzymywana w postaci energii odkształcenia sprężystego w grubej stalowej ścianie lub uwalniana w postaci ciepła podczas odkształcenia plastycznego. Różnica ta ma bezpośredni wpływ na możliwą gęstość MgO.

Ilościowa zależność pomiędzy grubością ścianki a gęstością MgO
Kontrolowane próby z zastosowaniem podobnego sprzętu do kształtowania, zestawów matryc i stopni redukcji wykazują wyraźną odwrotną zależność pomiędzy grubością ścianki osłony 316 a końcową gęstością MgO. Typowe gęstości MgO osiągane przy docelowej redukcji kształtowania o 20% (np. . 12.0 mm do średnicy zewnętrznej 9,6 mm) wynoszą: Końcowa gęstość MgO wynosząca 3,1-3,2 g/cm3 przy grubości ścianki 0,8 mm znacznie przekracza minimalną normę. Grubość ścianki wynosi 1,2 mm, gęstość 2,9–3,0 g/cm 3 , co jest nadal akceptowalne w większości zastosowań. Gęstość spada do 2,7–2,8 g/cm3, czyli do minimalnego dopuszczalnego poziomu lub poniżej niego, przy grubości ścianki 1,6 mm. Gęstość materiału o grubości ścianki 2,0 mm wynosi 2,5–2,6 g/cm3, co nie jest wystarczające do zapewnienia niezawodnej izolacji elektrycznej w podwyższonych temperaturach. Przy zawartości poniżej 2,7 g/cm 3 MgO ma wzajemnie połączoną porowatość, która umożliwia wchłanianie wilgoci i powstawanie kanałów wyciekowych dla prądu elektrycznego. Rezystancja izolacji przy 500 stopniach MgO zagęszczonego do 2,5 g/cm3 jest często 10 do 100 razy niższa niż MgO zagęszczonego do 3,1 g/cm3 . Wytrzymałość dielektryczna (górna granica pola elektrycznego, jakie izolacja może wytrzymać bez przebicia) spada z około 15 kV/mm przy 3,1 g/cm3 do 5 kV/mm przy 2,5 g/cm3. Pole elektryczne nad warstwą MgO grzejnika 240 V z drutem oporowym o średnicy 1,0 mm wynosi przy napięciu roboczym około 2-3 kV/mm. Daje to wygodny margines przy dużej gęstości MgO, ale jest marginalny przy niskiej gęstości, gdzie małe uszkodzenia mogą prowadzić do przebicia dielektryka.

Praktyczne ograniczenia „stałości dielektrycznej”-grubych osłon
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) ze względu na wymagania mechaniczne lub korozyjne. Istnieją trzy regulacje produkcyjne, które mogą złagodzić absorpcję siły przez grube ściany. Pierwszą i najbardziej typową procedurą jest zwiększenie współczynnika redukcji kształtowania. 30% redukcji z 12,0 mm do 8,4 mm. Średnica zewnętrzna przenosi większe naprężenia promieniowe na MgO, uzyskując gęstość podobną do cieńszych ścianek przy mniejszym redukcji, zamiast 20% redukcji. Karą jest zwiększone ryzyko uszkodzenia drutu oporowego i wyższe naprężenia szczątkowe w powłoce. Drugą zmianą jest zastosowanie kilku przejść kształtowania z wyżarzaniem przejściowym. Redukcja o 15%, a następnie wyżarzanie w celu złagodzenia naprężeń w powłoce, a następnie druga redukcja o 15%, może zapewnić wysoką gęstość MgO w grubych-osłonach bez przekraczania granic odkształcalności rurki 316. Trzecia zmiana polega na modyfikacji specyfikacji proszku MgO: Grube, kanciaste cząstki MgO są łatwiej zagęszczane niż drobne, kuliste proszki. Gatunek MgO o dużej gęstości i regulowanym rozkładzie wielkości cząstek może zwiększyć gęstość końcową o 0,1–0,2 g/cm3 przy tych samych warunkach kształtowania. Każda z tych korekt zwiększa koszt produkcji. Ale koszt jest uzasadniony w sytuacjach, w których grube ściany są koniecznością.

Macierz wyboru grubości ścianki i gęstości MgO zapewniająca niezawodne działanie dielektryczne
Poniższa tabela pokazuje odpowiednie kombinacje grubości ścianki osłony 316 i wymagań produkcyjnych w celu uzyskania minimalnej dopuszczalnej gęstości MgO wynoszącej 2,8 g/cm3 i wytrzymałości dielektrycznej powyżej 10 kV/mm w temperaturze pokojowej.

Wymagana grubość ścianki walcowania 316 Zalecana redukcja walcowania Zalecana liczba przejść walcowania Osiągalna gęstość MgO Uwagi specjalne
0,8 – 1,0 mm 15 – 20% Jednoprzebiegowe 3,0 – 3,2 g/cm3 Metoda standardowa, niski koszt
1,0 – 1,2 mm 18 – 22% Jedno przejście 2,9 – 3,1 g/cm3 Odpowiednia procedura standardowa 1,2 – 1,4 mm 20 – 25% Pojedyncze lub podwójne przejście światła 2,8 – 3,0 g/cm3 Potwierdzić badaniem próbki 1,4 – 1,6 mm 25 – 30% Zalecane podwójne przejście 2,7 – 2,9 g/cm3 Wysoka gęstość MgO ocena konieczna
1,6 – 1,8 mm 28 – 32% Wymagane podwójne przejście 2,6 – 2,8 g/cm3 Marginalne, wymagane badanie kwalifikacyjne
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Wyżarzanie pośrednie, podwójne przejście 2,5-2,7 g/cm³ Niezalecane dla napięć powyżej 120 V > 2,0 mm Niemożliwe Niemożliwe Poniżej 2,5 g/cm³ Użyć mniejszej średnicy lub innego stopu
Dla każdego grzejnika o napięciu roboczym większym niż 250 VAC minimalną dopuszczalną gęstość MgO należy zwiększyć do 3,0 g/cm3, co skutecznie ogranicza maksymalną grubość ścianki osłony 316 do 1,2 mm, chyba że zostaną zastosowane specjalne procedury kształtowania. W zastosowaniach wysokiego napięcia powyżej 600 VAC – często spotykanych w niektórych urządzeniach przemysłowych i górniczych – grubość ścianki osłony powinna być utrzymywana poniżej 1,0 mm, aby zachować akceptowalną wytrzymałość dielektryczną, lub grzejnik powinien być skonstruowany z metalowym ekranem, uziemionym i oddzielonym od izolacji MgO.

Metody badania i walidacji zapewnienia jakości produkcji
Nie należy opierać się wyłącznie na zależnościach teoretycznych ze względu na różnice spowodowane sprzętem do kształtowania, techniką operatora i tolerancjami rur wchodzących. W przypadku specyfikacji grzejników o grubości ścianek większej niż 1,4 mm inżynierowie powinni zażądać od producenta dostarczenia pomiarów gęstości MgO z próbek produkcyjnych. Zwykle dokonuje się tego poprzez odcięcie części grzejnika i zmierzenie masy i objętości sprasowanego proszku. Minimalną gęstość należy wymienić jako wymóg jakościowy wynoszący 2,8 g/cm3, a nie jako cel. Gotowe grzejniki należy również sprawdzić pod kątem wytrzymałości dielektrycznej. Typowy test to 1500 VAC plus dwukrotność napięcia roboczego przyłożonego przez jedną minutę pomiędzy drutem oporowym a osłoną. To jest 1,500 + 480=1,980 VAC dla grzejnika 240 V. Grubościenne-osłony o marginalnej gęstości MgO zazwyczaj przechodzą ten test w temperaturze otoczenia, ale nie po podgrzaniu do temperatury roboczej, ponieważ wytrzymałość dielektryczna MgO maleje wraz z temperaturą. Najlepszą weryfikację uzyskuje się w ten sposób poprzez wykonanie testów rezystancji izolacji na gorąco w temperaturze 500 stopni. Rezystancja gorącej izolacji grzejników przemysłowych wynosi zwykle nie mniej niż 1 megaom, chociaż w celu zapewnienia dłuższej żywotności pożądane jest 10 megaomów. Awarie pola przebicia dielektryka są kosztowne i często niebezpieczne. Dodatkowy koszt stosowania cieńszej powłoki lub bardziej energicznego tłoczenia w celu uzyskania gęstości MgO jest niewielki w porównaniu z kosztem roszczenia gwarancyjnego lub, co gorsza, porażeniem prądem.