Kako debelina stene plašča iz nerjavečega jekla 316 vpliva na dielektrično trdnost izolacije iz magnezijevega oksida po stiskanju v električnih grelnih elementih?

Za inženirje kakovosti in proizvajalce grelnih elementov razmerje med debelino stene plašča in zmogljivostjo električne izolacije ni vedno očitno. Prah magnezijevega oksida okoli uporovne žice je stisnjen do gostote, ki daje visoko toplotno prevodnost in visoko dielektrično trdnost-običajno nad 2,8 g/cm³, da dobi izolacijski upor več kot 100 megaomov pri sobni temperaturi. Glavni mehanizem za stiskanje MgO je postopek stiskanja, ki zmanjša zunanji premer plašča iz nerjavečega jekla 316. Toda radialni tlak skozi steno ovoja na MgO je odvisen od debeline stene. Debelejše stene absorbirajo več sile nihanja. MgO je lahko premalo stisnjen. Tanjše stene prenašajo večjo silo, vendar obstaja nevarnost zrušitve ali poškodbe uporovne žice. Ta članek analizira učinek debeline stene plašča 316 na možno gostoto MgO in dielektrično trdnost. Zagotavlja osnovo za določanje najmanjše debeline stene, ki uravnoteži mehansko celovitost in električno zmogljivost.

Tlačno obnašanje MgO med stiskanjem ovoja
Pri izdelavi grelnika je cev iz nerjavečega jekla 316 napolnjena z ohlapno mešanico prahu MgO in centralno nameščene uporovne žice. Sklop se nato spusti skozi stroj za stiskanje, v katerem vrtilne matrice udarjajo cev radialno navznoter in zmanjšajo zunanji premer za 10–30 %. Ta postopek zgosti prašek MgO iz začetne nasipne gostote ~1,5–1,8 g/cm3 na končno gostoto 2,8–3,2 g/cm3. Neto radialna sila iz matric za stiskanje je po odštevanju sile, uporabljene pri elastični in plastični deformaciji stene plašča 316, stiskalni tlak, ki se prenese na MgO. Za posebno zmanjšanje stiskanja in sile matrice povzroči tanjša stena plašča manj celotne deformacije, višji odstotek uporabljene sile pa se prenese na MgO. Modeliranje postopka stiskanja s končnimi elementi kaže, da 0,8 mm ovoj iz 316 prenese približno 85 % tlaka matrice na MgO, medtem ko 1,6 mm ovoj prenese samo 65 % pod enakimi pogoji stiskanja. Manj kot 50 % uporabljene sile se prenese skozi 2,5 mm ovoj, preostanek pa se zadrži kot energija elastične deformacije v debeli jekleni steni ali pa se sprosti kot toplota med plastično deformacijo. Ta razlika neposredno vpliva na možno gostoto MgO.

Kvantitativno razmerje med debelino stene in gostoto MgO
Nadzorovani preskusi, ki uporabljajo podobno opremo za stiskanje, komplete matric in redukcijska razmerja, kažejo jasno inverzno razmerje med debelino stene plašča 316 in končno gostoto MgO. Tipične gostote MgO, dosežene za ciljno zmanjšanje stiskanja za 20 % (npr. . 12.0 mm do 9,6 mm zunanjega premera), so: Končna gostota MgO 3,1–3,2 g/cm3 z debelino stene 0,8 mm znatno presega minimalni standard. Debelina stene je 1,2 mm, gostota 2,9–3,0 g/cm 3 , kar je še sprejemljivo za večino namenov. Gostota se zmanjša na 2,7–2,8 g/cm3, kar je na najmanjši dovoljeni ravni ali pod njo, pri debelini stene 1,6 mm. Gostota materiala z debelino stene 2,0 mm je 2,5–2,6 g/cm3, kar je premalo za zanesljivo električno izolacijo pri povišanih temperaturah. Pri manj kot 2,7 g/cm 3 ima MgO med seboj povezano poroznost, ki omogoča absorpcijo vlage in kanale za uhajanje električnega toka. Izolacijska upornost pri 500 stopinjah MgO, stisnjenega na 2,5 g/cm3, je pogosto 10- do 100-krat nižja kot pri MgO, stisnjenem na 3,1 g/cm3 . Dielektrična trdnost (zgornja meja električnega polja, ki ga lahko izolacija prenese brez razgradnje) se zmanjša s približno 15 kV/mm pri 3,1 g/cm³ na 5 kV/mm pri 2,5 g/cm³. Električno polje nad plastjo MgO 240 V grelnika z uporovno žico premera 1,0 mm je pri delovni napetosti približno 2-3 kV/mm. To daje udoben rob pri visoki gostoti MgO, vendar je obroben pri nizki gostoti, kjer lahko majhne napake povzročijo razpad dielektrika.

Praktične omejitve "dielektrične celovitosti" debelo{0}}stenskih ovojov
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) za mehanske ali korozijske zahteve. Obstajajo tri prilagoditve proizvodnje, ki lahko ublažijo absorpcijo sile debelih sten. Prvi in ​​najbolj tipičen postopek je zvišanje razmerja zmanjšanja stiskanja. 30% zmanjšanje z 12,0 mm na 8,4 mm zunanji premer prenaša močnejše radialne napetosti na MgO, pri čemer se doseže gostota, podobna tanjšim stenam pri nižjem zmanjšanju, namesto 20-odstotnega zmanjšanja. Kazen je povečana možnost poškodb uporovne žice in višje preostale napetosti v plašču. Druga sprememba je uporaba več valovnih prehodov z vmesnim žarjenjem. Zmanjšanje za 15 % in nato žarjenje za zmanjšanje napetosti v plašču, ki mu sledi drugo 15-odstotno zmanjšanje, lahko zagotovi visoko gostoto MgO v debelo{12}}stenskih plaščih, ne da bi presegla meje oblikovanja cevi 316. Tretja sprememba je sprememba specifikacije prahu MgO: grobi, oglati delci MgO se lažje stisnejo kot fini, sferični prah. Razred MgO z visoko gostoto in regulirano porazdelitvijo velikosti delcev lahko poveča končno gostoto za 0,1–0,2 g/cm3 pri enakih pogojih stiskanja. Vsaka od teh prilagoditev poveča stroške izdelave. Toda stroški so upravičeni za situacije, ko so debele stene obvezne.

Izbirna matrika debeline stene in gostote MgO za zanesljivo dielektrično delovanje
Naslednja tabela prikazuje primerne kombinacije debeline stene plašča 316 in proizvodnih zahtev za pridobitev najmanjše sprejemljive gostote MgO 2,8 g/cm 3 in dielektrične trdnosti nad 10 kV/mm pri sobni temperaturi.

Zahtevana debelina stene stiskanja 316 Priporočeno zmanjšanje stiskanja Priporočeno število prehodov stiskanja Dosegljiva gostota MgO Posebni vidiki
0,8 – 1,0 mm 15 – 20 % Enkratni prehod 3,0 – 3,2 g/cm³ Standardna metoda, poceni
1,0 – 1,2 mm 18 – 22 % En prehod 2,9 – 3,1 g/cm³ Primeren standardni postopek 1,2 – 1,4 mm 20 – 25 % Enojni ali dvojni prehod svetlobe 2,8 – 3,0 g/cm³ Potrdite s testiranjem vzorcev 1,4 – 1,6 mm 25 – 30 % Priporočen dvojni prehod 2,7 – 2,9 g/cm³ Potreben je razred MgO z visoko gostoto
1,6 – 1,8 mm 28 – 32 % Potreben je dvojni prehod 2,6 – 2,8 g/cm3 Mejno, potrebno je kvalifikacijsko testiranje
1,8 – 2,0 mm 30 – 35 % Vmesno žarjenje dvojni prehod 2,5-2,7 g/cm³ Ni priporočljivo za napetosti nad 120 V > 2,0 mm Ni mogoče Ni mogoče Pod 2,5 g/cm³ Uporabite manjši premer ali drugo zlitino
Za kateri koli grelec z delovno napetostjo, večjo od 250 VAC, je treba najmanjšo dovoljeno gostoto MgO povečati na 3,0 g/cm3, kar učinkovito omejuje največjo debelino stene plašča 316 na 1,2 mm, razen če se uporabijo posebni postopki stiskanja. Pri visokonapetostnih aplikacijah nad 600 VAC – ki jih pogosto vidimo v nekaterih industrijskih in rudarskih napravah – mora biti debelina stene plašča pod 1,0 mm, da se ohrani sprejemljiva dielektrična trdnost, ali pa mora biti grelnik izdelan s kovinskim ščitom, ozemljen in ločen od izolacije MgO.

Metode za testiranje in validacijo zagotavljanja kakovosti proizvodnje
Samo na teoretična razmerja se ne zanašamo zaradi variacij, ki jih povzroča oprema za stiskanje, tehnika operaterja in tolerance vhodnih cevi. Če določite grelnike z debelino stene, večjo od 1,4 mm, bi morali inženirji od proizvajalca zahtevati, da predloži meritve gostote MgO iz proizvodnih vzorcev. To običajno naredimo tako, da odrežemo del grelnika in izmerimo maso in prostornino stisnjenega prahu. Najmanjšo gostoto je treba omeniti kot zahtevo glede kakovosti 2,8 g/cm3 in ne kot cilj. Končane grelnike je treba preizkusiti tudi na dielektrično trdnost. Običajni preskus je 1.500 VAC plus dvakratna delovna napetost, ki se uporablja eno minuto med uporovno žico in plaščem. To je 1,500 + 480=1,980 VAC za 240 V grelec. Debelostenski ovoji z mejno gostoto MgO na splošno prestanejo ta preizkus pri sobni temperaturi, ne pa tudi pri segrevanju na delovno temperaturo, ker se dielektrična trdnost MgO zmanjšuje s temperaturo. Najboljšo validacijo tako dobimo s preskusi vroče izolacijske odpornosti pri 500 stopinjah. Vroča izolacijska upornost industrijskih grelnikov običajno ni manjša od 1 megohma, čeprav je za podaljšano življenjsko dobo zaželeno 10 megaomov. Napake na polju dielektrične razgradnje so drage in pogosto nevarne. Dodatni stroški določitve tanjšega ovoja ali močnejšega stiskanja za doseganje gostote MgO so majhni v primerjavi s stroški garancijskega zahtevka ali še huje, pojava električnega udara.