Dlaczego elektryczne rury grzewcze ze stali nierdzewnej 316 z borem-dodatkowym wewnętrznym wypełniaczem dielektrycznym są odporne na degradację prądu upływowego prądu przemiennego w obudowach-o wysokiej wilgotności skuteczniej niż standardowe wypełniacze z tlenku magnezu?

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 poniżej 1 MΩ, co powoduje wyzwolenie prądu upływowego i aktywację zabezpieczenia przed zwarciem doziemnym. Wiadomo, że wśród nich dodatki zawierające bor-, mianowicie tlenek boru (B 2 O 3 ) lub boran magnezu (Mg 3 B 2 O 6 ), reagują chemicznie z wodą, tworząc trwałą, nie-higroskopijną, uwodnioną warstwę boranu, która uszczelnia powierzchnie cząstek przed dodatkową absorpcją wilgoci po zmieszaniu z MgO w stężeniu 2–5% wagowych. W tym artykule scharakteryzowano kinetykę absorpcji wilgoci i odporność na degradację elektryczną wypełniaczy MgO-modyfikowanych borem w porównaniu ze standardowym MgO w osłonach ze stali nierdzewnej 316 w środowiskach o temperaturze 40–60 stopni i wilgotności względnej 95%, dostarczając wskazówek dotyczących wyboru wypełniacza do zastosowań o wysokiej-niezawodności, w których integralność zwarcia doziemnego ma kluczowe znaczenie.

Higroskopijne działanie standardowego wypełniacza tlenku magnezu w uszczelnionych rurach grzewczych
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%, w wyniku czego powstaje przewodzący roztwór łączący drut grzejny z osłoną.

W rurze grzewczej z nienaruszonymi uszczelkami końcówek wewnętrzny wypełniacz pozostaje suchy na zawsze. Jednak w praktyce uszczelki końcówek (zwykle z kauczuku silikonowego lub żywicy epoksydowej) ulegają zniszczeniu pod wpływem cykli cieplnych i ekspozycji na promieniowanie UV, w wyniku czego tworzą się mikropęknięcia o szerokości 10–100 mikrometrów. Przez te pęknięcia przedostaje się wilgotne powietrze. Gdy wilgoć dotrze do wypełniacza MgO, degradacja rezystywności przebiega w 3-etapowym procesie. Etap pierwszy: powierzchniowa hydroksylacja zewnętrznych warstw cząstek MgO, zwiększająca prąd upływu o 10-100. Etap drugi: zwiększenie nawodnienia wewnętrznego z obrzękiem, który może spowodować pęknięcie koszulki pod wpływem ciśnienia wewnętrznego. Etap trzeci: utworzenie kanału elektrolitycznego od drutu grzejnego do osłony, w wyniku czego powstają prądy zwarciowe doziemne większe niż 5–10 mA i wyzwalają wyłączniki różnicowoprądowe (RCD). Dane terenowe z zewnętrznych instalacji nagrzewnic przemysłowych potwierdzają, że IR osłon 316 z konwencjonalnym wypełnieniem MgO spada poniżej 1 MΩ po 6-18 miesiącach w warunkach 95% RH.

Mechanizm dodatku boru: chemiczne uszczelnianie cząstek MgO
Do wypełniacza MgO dodajemy związki boru, aby zbudować-samoograniczającą się barierę dla hydratacji, wykorzystując chemię kwasu borowego. Formy boru preferencyjnie adsorbują pierwszą monowarstwę wody i reagują, tworząc cienką powłokę uwodnionego tlenku boru (H3BO3 lub B2O3·3H2O) na powierzchni cząstek, gdy B2O3 lub boran magnezu miesza się z MgO w stężeniu 2–5% wag. Trzy ważne aspekty tej uwodnionej warstwy to: Po pierwsze, równowagowa prężność pary wody jest znacznie niższa niż w przypadku Mg(OH)2, dlatego tworzy się ona szybko i całkowicie przed jakąkolwiek zauważalną hydratacją MgO. Po drugie, amorficzny, ciągły arkusz uwodnionego boranu całkowicie otacza każdą cząstkę MgO. Po trzecie, folia jest stabilna i-niehigroskopijna w temperaturze powyżej 60-80 stopni - zakresu temperatur napotykanych przez wypełniacz wewnątrz działającej rury grzejnej (zwykle 150–300 stopni w pobliżu drutu, ale do 50–100 stopni w pobliżu osłony w okresach poza cyklem).

Po utworzeniu powłoka boranowa zapobiega dalszej dyfuzji wody do znajdującego się pod spodem MgO. Reakcja ma charakter samoograniczający, gdyż grubość warstwy (zwykle 50-200 nm) przestaje rosnąć, gdy przereaguje cały dostępny bor na powierzchni cząstek. W przeciwieństwie do Mg(OH)2, który narasta do wewnątrz w miarę dyfuzji wody przez warstwę wodorotlenku, warstwa boranu ma bardzo niską dyfuzyjność wody (około. 10-14 cm2/s przy 50 stopniach w porównaniu z. 10-10 cm2/s dla Mg(OH)2). Ta bariera kinetyczna zwiększa czas do znacznego przebicia elektrycznego 10–50-krotnie przy tych samych warunkach wnikania wilgoci.

Względna wydajność elektryczna w przyspieszonych testach wilgotności
Przyspieszone testy wilgotności przeprowadzono na 316 rurach grzejnych w osłonie ze stali nierdzewnej (ścianka 1,2 mm, średnica zewnętrzna 10 mm, moc znamionowa 1,5 kW, 230 V) z trzema kompozycjami wypełniacza wewnętrznego. Rury uszczelniono standardowymi uszczelkami końcówek z gumy silikonowej i umieszczono w komorze o-wilgotności i temperaturze 60 stopni, przy wilgotności względnej 95%, przy czym grzejniki były odłączone od zasilania, z wyjątkiem sporadycznych pomiarów rezystancji izolacji (mierzonej przy napięciu 500 V DC). Okres testowy wynosił 2000 godzin, co odpowiada około 2-3 latom ekspozycji w terenie w wilgotnych pomieszczeniach.

Typ wypełniacza Zawartość boru (% wag. jako B₂O₃) Początkowa IR przy 25 stopniach (MΩ) IR Po 500 godzinach przy 60 stopniach / 95% RH (MΩ) IR Po 1000 godzinach (MΩ) IR Po 2000 godzinach (MΩ) Tryb awaryjny (IR < 1 MΩ)
Standardowy MgO (klasa przemysłowa)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO o wysokiej-czystości (99,9%, kalcynowany)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 godzin
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (bez awarii)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (bez awarii)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (bez awarii)
Najwyższą wydajność wykazał-współspiekany boran magnezu-MgO, w którym bor został zintegrowany z siecią krystaliczną MgO podczas kalcynacji w wysokiej temperaturze, a nie poprzez proste mieszanie, z rezystancją izolacji przekraczającą 80 MΩ po 2000 godzinach przyspieszonego testu wilgotności. Jest to 100-krotna poprawa w porównaniu ze zwykłym MgO przy tej samej długości testu.

Zależność temperaturowa odporności na wilgoć-modyfikowanych wypełniaczy borowych
Skuteczność wypełniaczy modyfikowanych borem- zależy od temperatury uszczelki końcowej i zimnego końca osłony, przez którą zwykle przedostaje się wilgoć, a temperatura wypełniacza może wynosić tylko 40–80 stopni. Poniżej 60 stopni hydratacja cząstek boru jest powolna, a nieprzereagowany bor może nadal powodować uwodnienie MgO przez długi czas. Jednakże podczas pracy grzejnika temperatura zimnego końca wynosi zwykle 80–120 stopni z powodu przekazywanego ciepła. W tych temperaturach reakcja uszczelniania boranem jest przyspieszana, a wnikająca wilgoć jest szybko zużywana w celu wytworzenia stabilnej uwodnionej powłoki boranowej.

Długotrwałe testy w stałej temperaturze (bez cykli ogrzewania) pokazują granicę temperatury dla skutecznej ochrony boru:

30 stopni, 95% RH: Wypełniacz modyfikowany borem > 3000 godzin IR > 100 MΩ, standardowy MgO 800-1000 godzin.

50 stopni, wilgotność względna 95% (a) Wypełniacz modyfikowany-borem wytrzymuje 2000 godzin przy niewielkim zniszczeniu. Standardowy MgO zawodzi po 400-600 godzinach.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ po 2000 godzinach; zwykły MgO zawodzi po 200–300 godzinach.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ po 2000 godzinach). Wysoka temperatura wypiera wchłoniętą wilgoć.

W przypadku niezasilanych grzejników w zimnych i wilgotnych ustawieniach gotowości (np. sprzęt sezonowy, grzałki rezerwowe) temperatura zimnego końca może być temperaturą pokojową. W takich sytuacjach wypełniacz modyfikowany borem-modyfikowany borem zapewnia 3-5-krotnie większą odporność na wilgoć w porównaniu ze zwykłym MgO, ale nie może zapobiec ostatecznemu pogorszeniu, jeśli wnikanie wilgoci nie ma końca. W przypadku zastosowań w trybie gotowości na zimno rozwiązaniem są hermetycznie uszczelnione zaciski (uszczelki-szkło-metalu) lub grzejnik podtrzymujący o niskiej mocy (5–10% mocy znamionowej), który utrzymuje temperaturę zimnego końca powyżej 60 stopni.

Testy terenowe szaf sterowniczych do zastosowań morskich i zewnętrznych
W badaniu terenowym sprawdzono działanie 316 rur grzewczych pokrytych stalą nierdzewną 316 zamontowanych w zewnętrznych obudowach kontrolnych (oznaczonych NEMA 4X, ale z wewnętrzną kondensacją) w przybrzeżnej oczyszczalni ścieków. Warunki otoczenia: 20 do 35 stopni, 60 do 95% wilgotności względnej, mgła solna unosząca się w powietrzu (osadzanie chlorków od 0,1 do 0,5 mg/m3). Rezystancję izolacji oceniano co trzy miesiące przez 36 miesięcy dla 50 grzejników ze zwykłym wypełniaczem MgO i 50 grzejników z MgO modyfikowanym borem (typu współ-spiekanego boranu magnezu).

Wyniki dla typowych grzejników MgO: Średni IR 45 MΩ (zakres 8–210 MΩ) po 6 miesiącach. Po 12 miesiącach 22 grzejniki (44%) miały IR < 1 MΩ i zadziałały zabezpieczenie ziemnozwarciowe. Czterdzieści-jeden (82%) grzejników uległo awarii po 24 miesiącach. Po 36 miesiącach awarii uległo 48 grzejników (96%). Głównym punktem awarii był zimny koniec uszczelki końcówki, a wypełniacz okazał się ciemnoszary i przewodzący.

Wyniki dla grzejników-modyfikowanych borem MgO: Średni IR po 12 miesiącach wyniósł 280 MΩ (zakres 110–650 MΩ). Po 24 miesiącach średnia IR wyniosła 95 MΩ (zakres 22–310 MΩ), a tylko 3 grzejniki (6%) miały IR poniżej 1 MΩ. Po 36 miesiącach średnia IR wyniosła 52 MΩ (zakres 8-180 MΩ), a 8 grzejników (16%) uległo awarii. Jest to 20-krotny wzrost efektywnej żywotności w porównaniu z normalnym MgO w tym wilgotnym, zasolonym środowisku, co widać na podstawie poprawy wskaźnika przeżycia wynoszącego 84% po 36 miesiącach w porównaniu z 4%. Analiza pierwotnej przyczyny Spośród ośmiu awarii, w pięciu stwierdzono widoczne uszkodzenie uszczelki zacisków (pęknięte silikonowe osłony), a trzy zostały zamontowane tak, aby zimny koniec grzejnika był skierowany do góry, co umożliwiło odpływ skroplin do obszaru zacisków – był to błąd montażowy, którego nawet wypełniacz modyfikowany borem nie był w stanie w pełni skompensować.

Język specyfikacji grzejników do obudów o wysokiej wilgotności
W przypadku elektrycznych rur grzewczych owiniętych stalą nierdzewną 316 przeznaczonych do obudów, w których wilgotność względna może regularnie przekraczać 80% lub gdzie prawdopodobna jest kondensacja, inżynierowie powinni wskazać kryteria składu wypełniacza w specyfikacji zakupu. Wewnętrzny wypełniacz dielektryczny powinien stanowić tlenek magnezu modyfikowany tlenkiem boru lub boranem magnezu o minimalnej zawartości boru odpowiadającej 2,5% wagowo B2O3. Współ-spiekany MgO domieszkowany borem jest korzystny w porównaniu z mechanicznie mieszanymi związkami boru. Wypełniacz należy ocenić pod kątem odporności na wilgoć zgodnie z IEEE Std 515 załącznik C (rezystancja izolacji 500 V DC po 500 godzinach w temperaturze 60 stopni i 95% RH). Minimalna dopuszczalna wartość IR powinna wynosić 50 MΩ. W przypadku zastosowań, w których krytyczna jest absolutna niezawodność – takich jak grzejniki związane z bezpieczeństwem nuklearnym lub grzejniki na bezzałogowych platformach wiertniczych – należy wybrać hermetyczne zaciski z uszczelkami szklano--metalowymi oraz wypełniaczem modyfikowanym borem-i wymagają obwodu podtrzymującego-pracującego, aby utrzymać minimalną-temperaturę zimnego końca wynoszącą 65 stopni, gdy główny grzejnik jest wyłączony.

Świadomość, że procesem zniszczenia nie jest korozja powłoki, ale higroskopia wewnętrzna wypełniacza, umożliwia inżynierom określenie MgO-modyfikowanego borem, aby uniknąć powolnej degradacji elektrycznej, na którą zawsze narażone są zwykłe wypełniacze. Dodatkowy koszt wypełniacza modyfikowanego borem (zwykle 10–15% kosztów produkcji grzejnika) szybko się zwraca dzięki zmniejszonej konserwacji, mniejszej liczbie uciążliwych wyłączeń z powodu zwarcia doziemnego i dłuższym cyklom wymiany grzejnika.