Hvers vegna standast 316 ryðfrítt stálslíður rafmagnshitunarrör með bór-viðbætt innri dielektrísk fylliefni á áhrifaríkari hátt gegn niðurbroti AC lekastraums í háum-rakaskápum en venjuleg magnesíumoxíðfylliefni?

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 niður í 1 MΩ sem leiðir til þess að lekastraumurinn leysist út og jarðbilunarvörnin virkjar. Meðal þeirra eru bór-aukefni, þ.e. bóroxíð (B 2 O 3 ) eða magnesíumbórat (Mg 3 B 2 O 6 ), vitað fyrir að hvarfast efnafræðilega við vatn til að mynda varanlegt, ó-vökvafræðilegt vökvat bóratlag sem lokar yfirborð agnanna gegn aukinni rakaupptöku við 2-5% frásog MgO. Þessi grein einkennir rakagleypni og rafniðurbrotsþol bór-breyttra MgO fylliefna miðað við staðlaða MgO í 316 ryðfríu stáli slíðrum í 40–60 gráðu og 95% hlutfallslegum rakaumhverfi, sem veitir leiðbeiningar um val á fylliefni fyrir háan{18}}hreinleika í notkun þar sem jarðmistök eru mikilvæg.

Vökvasöfnun venjulegs magnesíumoxíðfyllingarefnis í lokuðum hitarörum
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%, sem leiðir til myndunar leiðandi lausnar sem tengir hitavír og slíður.

Í upphitunarröri með óslitnum lokaþéttingum helst innra fylliefnið þurrt að eilífu. Í reynd skemmast þó þéttingar (venjulega kísillgúmmí eða epoxý) við hitasveiflur og útsetningu fyrir útfjólubláu og örsprungur sem eru 10-100 míkrómetrar á breidd myndast. Þessar sprungur leyfa rakt loft að komast inn. Þegar rakinn hefur náð til MgO fylliefnisins fylgir niðurbrot viðnámsins þriggja þrepa ferli. Stig eitt: yfirborðshýdroxýlering ytri MgO agnalaga, eykur lekastrauminn um 10-100. Stig tvö: auka innri vökvun með bólgu sem getur sprungið slíðrið með innri þrýstingi. Stig þrjú: myndun rafgreiningarrásar frá hitunarvírnum að slíðrinu, sem veldur því að jarðstraumar eru meiri en 5–10 mA og að afgangsstraumstæki (RCD) leysist út. Vettvangsgögn frá iðnaðarhitarauppsetningum utanhúss staðfesta að IR 316 slíðranna með hefðbundinni MgO fyllingu fer niður fyrir 1 MΩ eftir 6-18 mánuði við aðstæður með 95% RH.

Bórablöndunarkerfi: Efnaþétting á MgO ögnum
Við erum að bæta bórsamböndum við MgO fylliefni til að byggja upp sjálf-takmarkandi vökvavörn með bórsýruefnafræði. Bórtegundir gleypa helst fyrsta einlagið af vatni og hvarfast til að mynda þunnt lag af vökvuðu bóroxíði (H3BO3 eða B2O3·3H2O) á yfirborð agnanna þegar B2O3 eða magnesíumbórat er blandað saman við MgO í 2–5 þyngdar%. Þrír mikilvægir þættir þessa vökvaða lags eru: Í fyrsta lagi er jafnvægisgufuþrýstingur þess í vatni mun lægri en Mg(OH)2, þess vegna myndast hann fljótt og að fullu áður en marktækur MgO vökvun er til staðar. Í öðru lagi umlykur formlausa, samfellda vökvaða bóratblaðið hverja MgO ögn að fullu. Í þriðja lagi er filman stöðug og ó-vökvasnuð yfir 60-80 gráður - hitastigssviðið sem fylliefni lendir í í hitaröri sem er í notkun (venjulega 150-300 gráður nálægt vírnum, en niður í 50-100 gráður nálægt slíðrinu þegar slíðri er óvirkt).

Þegar búið er að mynda kemur bórathúðin í veg fyrir að vatn dreifist lengra inn í undirliggjandi MgO. Hvarfið er sjálftakmarkandi þar sem filmuþykktin (venjulega 50-200 nm) hættir að vaxa þegar allt aðgengilegt bór á yfirborði agna hefur hvarfast. Ólíkt Mg(OH)2, sem vex inn á við þegar vatn dreifist í gegnum hýdroxíðlagið, hefur bóratfilman mjög litla vatnsdreifingu (u.þ.b. . 10-14 cm2/s við 50 gráður á móti . 10-10 cm2/s fyrir Mg(OH)2). Þessi hreyfihindrun eykur tímann fram að verulegu rafmagnsbilun um stuðulinn 10–50 fyrir sömu aðstæður rakainnskots.

Hlutfallsleg rafafköst við hraðari rakaprófun
Hröðun rakapróf voru gerðar á 316 hlífðar hitarörum úr ryðfríu stáli (1,2 mm vegg, 10 mm OD, 1,5 kW einkunn, 230 V) með þremur fylliefnissamsetningum að innan. Slöngur voru innsiglaðar með stöðluðum kísilgúmmílokum og settar í hita-rakahólf við 60 gráður, 95% rakastig, hitararnir voru óvirkir nema fyrir einstaka mælingar á einangrunarviðnámi (mældar við 500 V DC). Prófunartíminn var 2000 klukkustundir, sem samsvarar um 2-3 ára vettvangsásetningu í rökum girðingum.

Tegund fyllingar Bór Innihald (wt% sem B₂O₃) Upphafleg IR við 25 gráður (MΩ) IR Eftir 500 klst. við 60 gráður /95% RH (MΩ) IR Eftir 1000 klst. (MΩ) IR Eftir 2000 klst (MΩ) 1MΩ hamur (IR < )
Standard MgO (iðnaðareinkunn)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO með miklum-hreinleika (99,9%, brennt)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 klukkustundir
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (engin bilun)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (engin bilun)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (engin bilun)
Mesta frammistaðan var sýnd með sam-hertu magnesíumbórati-MgO efninu, þar sem bór var fellt inn í kristalgrind MgO við háhitabrennslu, í stað þess að nota einfalda blöndun, með einangrunarþol sem er meira en 80 MΩ eftir 2000 klukkustunda hraðari rakaprófun. Þetta er 100 sinnum framför yfir venjulegt MgO fyrir sömu prófunarlengd.

Hitastig háð rakaþoli bórs-Breytt fylliefni
Skilvirkni bór-breyttra fylliefna fer eftir hitastigi lokaþéttingarinnar og kalda enda slíðunnar, þar sem rakinn fer venjulega inn og hitastig fylliefnisins getur verið aðeins 40–80 gráður. Undir 60 gráður er vökvun bóragna treg og óhvarfað bór getur enn leyft MgO vökvun að eiga sér stað yfir langan tíma. Hins vegar, meðan hitari er í gangi, er kaldur endinn venjulega 80-120 gráður vegna sendandi hita. Við þessi hitastig er þéttingarhvarfi bórats hraðað og rakinn sem fer inn er neytt hratt til að mynda stöðuga vökvaða bórathúðun.

Langvarandi prófanir við stöðugt hitastig (engar upphitunarlotur) sýna mörk hitastigs fyrir skilvirka bórvörn:

30 gráður, 95% RH: Bór breytt fylliefni > 3000 klst. IR > 100 MΩ, staðlað MgO 800-1000 klst.

50 gráður, 95% RH (a) Bór-breytt fylliefni lifir af í 2000 klukkustundir með litla hrörnun. Hefðbundið MgO bilar við 400-600 klst.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ eftir 2000 klukkustundir; venjulegt MgO bregst við 200–300 klst.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ eftir 2000 klukkustundir). Hár hiti rekur frásogðan raka.

Fyrir rafmagnslausa hitara í köldum, rakum biðstöðu (td árstíðabundinn búnaður, varahitara) getur kalda endahitastigið verið umhverfið. Í þessum aðstæðum gefur bór-breytt fylliefni 3-5x betri rakaþol en venjulegt MgO, en getur ekki komið í veg fyrir endanlega hnignun ef rakaárás er óvægin. Fyrir kalda biðstöðuforrit er svarið loftþéttar skautar (gler-í-málmþéttingar) eða lágt afl hitari (5-10% af nafnafli) sem heldur köldu endahitastigi yfir 60 gráðum.

Sjó- og útivistarkerfisprófun á eftirlitsbúnaði
Vettvangsrannsókn fylgdi frammistöðu 316 ryðfríu stálklæddra hitaröra sem settar voru upp í utanhússstýringargirðingar (merktar NEMA 4X, en með þéttingu innanhúss) í skólphreinsistöð við strandlengju. Umhverfisaðstæður: 20 til 35 gráður, 60 til 95% RH, saltúði í lofti (0,1 til 0,5 mg/m3 klóríðútfelling). Einangrunarþolið var metið á þriggja mánaða fresti í 36 mánuði fyrir 50 hitara með venjulegu MgO fylliefni og 50 hitara með bór-breyttu MgO (sam-hertu magnesíumborat gerð).

Niðurstöður fyrir dæmigerða MgO hitara: Meðal IR 45 MΩ (bil 8–210 MΩ) eftir 6 mánuði. Eftir 12 mánuði voru 22 hitarar (44%) með IR < 1 MΩ og leystu út jarðtengingarvörn. Fjörutíu-einn (82%) hitari bilaði eftir 24 mánuði. Eftir 36 mánuði höfðu 48 hitarar (96 prósent) bilað. Aðalbilunarpunkturinn var kaldur endinn á lokaþéttingunni og fylliefnið reyndist vera dökkgrátt og leiðandi.

Niðurstöður fyrir bór-breytt MgO hitara: Meðaltal IR eftir 12 mánuði var 280 MΩ (bil 110–650 MΩ). Eftir 24 mánuði var meðaltal IR 95 MΩ (bil 22–310 MΩ) og aðeins 3 hitarar (6%) voru með IR undir 1 MΩ. Eftir 36 mánuði var meðaltal IR 52 MΩ (bil 8-180 MΩ) og 8 hitarar (16%) biluðu. Þetta er 20-föld aukning á virkum endingartíma yfir venjulegt MgO fyrir þetta raka, salthlaða umhverfi, eins og sést á bættri lifun upp á 84% eftir 36 mánuði á móti 4%. Greining á rótum Af átta bilunum sýndu fimm sýnilegar skaða á innsigli (sprungin kísillstígvél) og þrír höfðu verið settir upp með kalda enda hitarans vísað upp, sem gerir þéttingu kleift að renna niður í tengisvæðið – uppsetningarvilla sem ekki einu sinni bórbreytt fylliefni gat bætt upp að fullu fyrir.

Forskriftartungumál fyrir hitara með miklum raka
Fyrir 316 rafhitunarrör sem eru vafðar úr ryðfríu stáli sem tilgreind eru fyrir girðingar þar sem rakastig getur reglulega farið yfir 80% eða þar sem þétting er líkleg, ættu verkfræðingar að gefa upp viðmið um samsetningu fylliefnis í kauplýsingunni. Innra raffylliefnið skal vera magnesíumoxíð breytt með bóroxíði eða magnesíumbórati með lágmarks bórinnihald sem samsvarar 2,5% B2O3 miðað við þyngd. Sam-hertu bórdópað MgO er hagstætt fyrir vélrænt blönduðu bórsamböndin. Fylliefnið skal metið fyrir rakaþol gegn IEEE Std 515 viðauka C (500 V DC einangrunarþol eftir 500 klukkustundir við 60 gráður, 95% RH). Leyfilegur lágmarks IR skal vera 50 MΩ. Fyrir forrit þar sem alger áreiðanleiki er mikilvægur – eins og kjarnorkuöryggi-tengdir hitarar eða ofnarar í ómannaða hafpöllum – tilgreindu loftþéttar skautanna með gler-í-málmþéttingum auk bór-breytts fylliefnis, og krefjast þess að halda- hitastigi á köldu stigi upp á 5 gráður til að halda köldu hitastigi upp á 5 gráður slökkt er á aðalhitara.

Vitneskjan um að bilunarferlið sé ekki slíðurtæring, heldur rakaspeglun fylliefnis, gerir verkfræðingum kleift að tilgreina bór-breytt MgO, til að forðast hæga niðurbrot raforku sem venjuleg fylliefni verða alltaf fyrir. Aukinn kostnaður við bór-breytt fylliefni (venjulega 10-15% af framleiðslukostnaði hitara) er fljótt greiddur til baka með minni viðhaldi, færri óþægindum í jarðvegsferðum og lengri skiptingum fyrir hitara.