Jaka maksymalna dopuszczalna szczytowa chropowatość (Rz) wewnętrznej średnicy rury osłonowej grzejnika 316 zapobiega miejscowemu przegrzaniu w wyniku zmiany rezystancji styku z warstwą izolacyjną MgO

Ukryta zmienna tekstury powierzchni otworu w równomierności przenoszenia ciepła

Wykończenie powierzchni średnicy wewnętrznej, tj. szczytowa chropowatość (Rz, średnia maksymalna wysokość wierzchołków powierzchni) elektrycznych rur grzewczych owiniętych stalą nierdzewną 316, jest krytycznym czynnikiem kontrolującym rezystancję styku pomiędzy osłoną a warstwą izolacyjną zagęszczonego tlenku magnezu (MgO). W przypadku chropowatej powierzchni wewnętrznej z wysokimi szczytami (Rz > 10-15 µm) proszek MgO zagęszcza się nierównomiernie: wysoki nacisk kontaktowy na szczytach skutkuje wyższą lokalną przewodnością cieplną, podczas gdy doliny (z niższym naciskiem kontaktowym lub szczelinami powietrznymi) skutkują obszarami o większym oporze cieplnym. Wynikające z tego wahania w wymianie ciepła na obwodzie i wzdłuż osi mogą prowadzić do lokalnego przegrzania drutu oporowego na szczytach (gdzie odprowadzanie ciepła jest najbardziej efektywne) lub w dolinach (gdzie gromadzi się ciepło). Gdy Rz jest większe niż 20 mikronów, mogą wystąpić lokalne wahania temperatury o 50-100 stopni C, skracając żywotność drutu 2-5 razy. W tym badaniu określono ilościowo korelację średnicy wewnętrznej Rz, równomierności rezystancji styku i trwałości grzejnika.

Mechanizm zmiany rezystancji styku w zależności od tekstury powierzchni

Przewodność cieplna zagęszczonego proszku MgO nie jest stałą materiałową, ale silnie zależy od ciśnienia kontaktowego pomiędzy MgO i osłoną. W miejscach, w których wewnętrzna powierzchnia powłoki ma szczyt, lokalny nacisk kontaktowy jest znaczny (z powodu zagniatania) i wymusza ścisły kontakt kryształów MgO z metalem. W dolinie, gdzie powierzchnia jest najmniej zagęszczona, pozostają szczeliny powietrzne (przewodność cieplna=0.03 W/m·K), które pełnią funkcję izolatorów termicznych. Spadek temperatury w szczelinie powietrznej jest 50-200 razy większy niż w przypadku ciasno zagęszczonego obszaru MgO przy podobnym przepływie ciepła. Istotnym parametrem jest chropowatość piku Rz (wysokość od najniższej doliny do najwyższego szczytu), ponieważ najgłębsze doliny generują największy opór cieplny. Wartości Rz dla średnic wewnętrznych większych niż 10-15 µm spowodują zauważalne gorące punkty.

Ilościowa korelacja między średnicą wewnętrzną Rz a jednorodnością temperatury

Analiza metodą elementów skończonych, potwierdzona pomiarami termopary na osłonach 316 (średnica zewnętrzna 10 mm, ścianka 1,5 mm, drut NiCr) o różnym wykończeniu powierzchni średnicy wewnętrznej, ustaliła następujące powiązania między Rz, zmianami temperatury i trwałością drutu.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Wpływ gęstości mocy na czułość Rz

Niekorzystny wpływ wysokiego Rz rośnie wraz ze wzrostem gęstości mocy, ponieważ ta sama zmiana oporu cieplnego powoduje większy bezwzględny wzrost temperatury.

Gęstość mocy (W/cm^2) Maksymalne dopuszczalne Rz dla 10 000 godzin trwałości przewodu (um) Maksymalne dopuszczalne Rz dla 5000 godzin trwałości przewodu (um) Zalecana specyfikacja dla usług standardowych<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Wykończenie powierzchni: praktyczna specyfikacja średnicy wewnętrznej

Rzadko zdarza się, aby wykończenie powierzchni średnicy wewnętrznej było określone w standardowych arkuszach danych dla nabywców określających grzejniki płaszczowe 316. Zalecany język specyfikacji dla zastosowań o dużej gęstości mocy i wydłużonej żywotności jest następujący:

Power Density >5 W/cm2 Docelowy okres użytkowaniaRz (µm) Maksymalna średnica wewnętrzna Ra (µm) Maksymalna średnica wewnętrzna Mfg Wymagany proces Metoda weryfikacji20 000 godzin<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Identyfikacja terenowa gorących punktów wywołanych przez Rz

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 µm. Sąsiednie odcinki (z zachowanym drutem) mają niższą Rz. W przypadku takich niepowodzeń rozwiązaniem jest ustalenie niższego limitu Rz dla przyszłych zakupów. Grzejnik nie podlega naprawie.

Wpływ wykończenia średnicy wewnętrznej na zagęszczenie MgO

Nawet przy dobrej średnicy wewnętrznej Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >Spadek o 18% zapewnia wypełnienie MgO nawet głębokich rynien, ale może uszkodzić drut oporowy. Najlepsza redukcja ugniatania dla danego wykończenia średnicy wewnętrznej to:

Średnica wewnętrzna Rz (µm) Zalecana minimalna redukcja odkształcania (%) Zalecana maksymalna redukcja odkształcania (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Niezalecane Nie dotyczy
WNIOSEK: Definicja średnicy wewnętrznej Rz dla grzejników dużej mocy

W przypadku elektrycznych rur grzewczych w osłonie ze stali nierdzewnej 316 o gęstości mocy > 5 W/cm 2 szczytowa chropowatość (Rz) średnicy wewnętrznej wpływa na regularność rezystancji styku z warstwą izolacyjną MgO. Wartości Rz powyżej 10 do 12 µm powodują lokalne gorące punkty ze zmianami temperatury od 25 do 70 stopni i skracają żywotność drutu o 40 do 60% w porównaniu z rurkami-gładkimi. Zamawiając osłony 316 do zastosowań o dużej-mocy lub{14}}długiej żywotności, inżynierowie muszą określić kryterium maksymalnej średnicy wewnętrznej Rz (np.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15 000 godzin), otwór elektropolerowany (Rz<6 µm) is recommended.