מדוע צינורות חימום חשמליים 316 נירוסטה עם בורון-נוספים חומרי מילוי דיאלקטריים פנימיים עמידים בפני ירידת זרם זרם זרם זרם חילופין במתחמי לחות- גבוהים ביעילות רבה יותר ממילוי מגנזיום אוקסיד סטנדרטי?

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 עד מתחת ל- 1 MΩ וכתוצאה מכך ניתוק זרם הדליפה והפעלת ההגנה מפני תקלות הארקה. ביניהם, תוספים המכילים בורון-, כלומר תחמוצת בורון (B 2 O 3 ) או מגנזיום בוראט (Mg 3 B 2 O 6 ), ידועים כמגיבים כימית עם מים ויוצרים שכבת בוראט הידרדרת קבועה, לא -היגרוסקופית, האוטמת את משטחי החלקיקים על ידי ספיגת לחות נוספת עם MgO. מאמר זה מאפיין את קינטיקה של ספיגת הלחות ועמידות הפירוק החשמלי של חומרי מילוי MgO שעברו שינויים בבור ביחס ל-MgO סטנדרטיים במעטפת 316 נירוסטה בסביבות של 40-60 מעלות ו-95% לחות יחסית, ומספק הדרכה לגבי בחירת חומרי מילוי עבור יישומים{18} עם תקלות קרקע קריטית.

פעולה היגרוסקופית של מילוי מגנזיום אוקסיד סטנדרטי בצינורות חימום אטומים
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%, וכתוצאה מכך היווצרות תמיסה מוליכה המחברת בין חוט החימום לנדן.

בצינור חימום עם אטימות מסוף לא נשברות המילוי הפנימי נשאר יבש לנצח. אולם בפועל, אטמי קצה (בדרך כלל גומי סיליקון או אפוקסי) מתקלקלים תחת מחזורי חום וחשיפה ל-UV, ונוצרים סדקים מיקרומטרים ברוחב 10-100 מיקרומטר. סדקים אלו מאפשרים כניסת אוויר לח. ברגע שהלחות מגיעה למילוי MgO, פירוק ההתנגדות מלווה בתהליך בן 3 שלבים. שלב ראשון: הידרוקסילציה פני השטח של שכבות חלקיקי MgO חיצוניות, הגדלת זרם הדליפה ב-10-100. שלב שני: הגברת הידרציה הפנימית עם נפיחות שעלולה לסדוק את הנדן על ידי לחץ פנימי. שלב שלישי: יצירת תעלה אלקטרוליטית מחוט החימום אל המעטפת, וכתוצאה מכך זרמי תקלה באדמה גדולים מ-5-10 mA והפסקת התקני זרם שיורי (RCDs). נתוני שדה ממתקני חימום תעשייתיים חיצוניים מאשרים שה-IR של 316 מעטפות עם מילוי MgO קונבנציונלי יורד מתחת ל-1 MΩ לאחר 6-18 חודשים בתנאים עם 95% RH.

מנגנון תוסף בורון: איטום כימי של חלקיקי MgO
אנו מוסיפים תרכובות בורון למילוי MgO כדי לבנות מחסום הידרציה-מגביל עצמי באמצעות כימיה של חומצת בור. מיני בורון סופחים בעדיפות את השכבה המונו-שכבה הראשונה של מים ומגיבים ליצירת ציפוי דק של תחמוצת בורון hydrated (H3BO3 או B2O3·3H2O) על משטחי החלקיקים כאשר B2O3 או מגנזיום בוראט מעורבבים עם MgO ב-2-5% משקל. שלושה היבטים חשובים של שכבה הלחה זו הם: ראשית, לחץ האדים בשיווי המשקל שלה של מים נמוך בהרבה מזה של Mg(OH)2, ולכן הוא נוצר במהירות ובאופן מלא לפני כל הידרציה ניכרת של MgO. שנית, גיליון הבוראט האמורפי והרציף מקיף כל חלקיק MgO לחלוטין. שלישית, הסרט יציב ואינו -היגרוסקופי מעל 60-80 מעלות - טווח הטמפרטורות בו נתקל חומר המילוי בתוך צינור חימום תפעולי (בדרך כלל 150-300 מעלות ליד החוט, אך עד 50-100 מעלות ליד הנדן במהלך מחזורי כיבוי).

לאחר היווצרות, ציפוי הבוראט מונע מהמים להתפזר הלאה לתוך ה-MgO הבסיסי. התגובה מגבילה את עצמה מכיוון שעובי הסרט (בדרך כלל 50-200 ננומטר) מפסיק לגדול כאשר כל הבור הנגיש על פני החלקיקים הגיב. בניגוד ל-Mg(OH)2, שגדל פנימה כשהמים מתפזרים בשכבת ההידרוקסיד, לסרט הבוראט דיפוזיות מים נמוכה מאוד (כ. 10-14 cm2/s ב-50 מעלות לעומת . 10-10 cm2/s עבור Mg(OH)2). מחסום קינטי זה מגדיל את הזמן עד להתמוטטות חשמלית משמעותית בפקטור של 10-50 עבור אותם תנאי חדירת לחות.

ביצועים חשמליים יחסיים תחת בדיקת לחות מואצת
בדיקות לחות מואצות בוצעו על 316 צינורות חימום מנירוסטה (קיר של 1.2 מ"מ, 10 מ"מ OD, דירוג 1.5 קילוואט, 230 וולט) עם שלוש קומפוזיציות מילוי פנימיות. הצינורות נאטמו עם אטמים סטנדרטיים של גומי סיליקון והונחו בתא לחות טמפרטורה- ב-60 מעלות, 95% לחות יחסית, המחממים לא מופעלים, למעט מדידות התנגדות לבידוד מדי פעם (נמדד ב-500 V DC). תקופת הבדיקה הייתה 2000 שעות, מה שמתאים לכ-2-3 שנים של חשיפה בשטח במתחמים לחים.

סוג מילוי תכולת בורון (%% כ-B₂O₃) IR ראשוני ב-25 מעלות (MΩ) IR לאחר 500 שעות ב-60 מעלות /95% RH (MΩ) IR לאחר 1000 שעות (MΩ) IR לאחר 2000 שעות (MΩ) 1 מצב כשל (IR < )
MgO סטנדרטי (כיתה תעשייתית)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO בטוהר- גבוה (99.9%, מסוייד)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 שעות
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (ללא כשל)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (ללא כשל)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (ללא כשל)
הביצועים הגבוהים ביותר הוכחו על ידי חומר המגנזיום בוראט-המסונף בשיתוף עם MgO, שבו בורון השתלב בסריג הגביש של MgO במהלך סידוד בטמפרטורה גבוהה, במקום על ידי מיזוג פשוט, עם עמידות בידוד של יותר מ-80 MΩ לאחר 2000 שעות של בדיקת לחות מואצת. זהו שיפור של פי 100 לעומת MgO רגיל עבור אותו אורך בדיקה.

תלות בטמפרטורה של עמידות הלחות של בורון-חומרי מילוי שהשתנו
היעילות של חומרי מילוי שעברו שינויים בבור תלויה בטמפרטורה של האיטום המסוף ובקצה הקר של המעטפת, שם הלחות נכנסת בדרך כלל והטמפרטורה של חומר המילוי עשויה להיות רק 40-80 מעלות. מתחת ל-60 מעלות, ההידרציה של חלקיקי בורון היא איטית ובור שלא מגיב עדיין יכול לאפשר לחות של MgO להתרחש לאורך תקופות זמן ארוכות. עם זאת, במהלך פעולת המחמם, הקצה הקר הוא בדרך כלל 80-120 מעלות בשל החום המועבר. בטמפרטורות אלו תגובת איטום הבוראט מואצת והלחות הנכנסת נצרכת במהירות כדי ליצור את ציפוי הבוראט היציב.

בדיקות ממושכות בטמפרטורה קבועה (ללא מחזורי חימום) מראות את גבול הטמפרטורה להגנת בורון יעילה:

30 מעלות, 95% RH: חומר מילוי שונה בבור > 3000 שעות IR > 100 MΩ, MgO סטנדרטי 800-1000 שעות.

50 מעלות, 95% RH (א) בורון-חומר מילוי שורד 2000 שעות עם הידרדרות קטנה. MgO סטנדרטי נכשל ב-400-600 שעות.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ לאחר 2000 שעות; MgO רגיל נכשל לאחר 200-300 שעות.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ לאחר 2000 שעות). טמפרטורה גבוהה מונעת לחות שנספגה.

עבור תנורי חימום לא מופעלים בהגדרות המתנה קרות ולחות (למשל ציוד עונתי, מחממי גיבוי) טמפרטורת הקצה הקרה עשויה להיות הסביבה. במצבים אלה, חומר מילוי עם בורון-מעודן נותן שיפור של פי 3- בהתנגדות ללחות בהשוואה ל-MgO רגיל, אך אינו יכול למנוע הידרדרות סופית אם חדירת לחות אינה מרפה. עבור יישומי המתנה קרים התשובה היא טרמינלים אטומים הרמטית (אטמי זכוכית-ל-מתכת) או מחמם שמירה על הספק נמוך (5-10% מההספק הנקוב) ששומר על טמפרטורת קצה קר מעל 60 מעלות.

בדיקת שטח של מתחם בקרה ימית וחיצונית
מחקר שדה עקב אחר הביצועים של 316 צינורות חימום מצופים מנירוסטה שהותקנו במתחמי בקרה חיצוניים (מסומנים NEMA 4X, אך עם עיבוי פנימי) במפעל טיהור שפכים חופי. תנאי הסביבה: 20 עד 35 מעלות, 60 עד 95% RH, תרסיס מלח באוויר (0.1 עד 0.5 מ"ג/מ"ק שקיעת כלוריד). עמידות הבידוד הוערכה כל שלושה חודשים במשך 36 חודשים עבור 50 מחממים עם חומר מילוי MgO רגיל ו-50 מחממים עם MgO שונה עם בורון (סוג מגנזיום בוראט משולב בשילוב{15}).

תוצאות עבור מחממי MgO טיפוסיים: IR ממוצע 45 MΩ (טווח 8-210 MΩ) לאחר 6 חודשים. לאחר 12 חודשים, ל-22 תנורי חימום (44%) היה IR < 1 MΩ והגנת תקלות קרקע ניתקה. ארבעים-אחד (82%) מחממים נכשלו לאחר 24 חודשים. לאחר 36 חודשים 48 מחממים (96 אחוז) נכשלו. נקודת הכשל העיקרית הייתה הקצה הקר של החותם המסוף וחומר המילוי נמצא אפור כהה ומוליך.

תוצאות עבור מחממי MgO שעברו שינוי בורון-: IR ממוצע לאחר 12 חודשים היה 280 MΩ (טווח 110-650 MΩ). לאחר 24 חודשים, ה-IR הממוצע היה 95 MΩ (טווח 22-310 MΩ) ורק ל-3 מחממים (6%) היה IR מתחת ל-1 MΩ. לאחר 36 חודשים, ה-IR הממוצע היה 52 MΩ (טווח 8-180 MΩ) ו-8 מחממים (16%) נכשלו. זהו עלייה של פי 20- בחיי השירות האפקטיביים לעומת MgO רגילים עבור סביבה לחה ועמוסת מלח זו, כפי שניתן לראות בשיעור ההישרדות המשופר של 84% לאחר 36 חודשים לעומת 4%. ניתוח סיבת השורש מבין שמונה הכשלים, חמישה הראו נזק לאטם מסוף גלוי (מגפי סיליקון סדוקים) ושלושה הותקנו כשהקצה הקר של המחמם פונה כלפי מעלה, מה שמאפשר לעיבוי להתנקז לאזור המסוף - שגיאת התקנה שאפילו חומר מילוי שעבר שינוי בורון לא יכול לפצות עליה במלואה.

שפת מפרט של מחממי מתחם לחות גבוהה
עבור צינורות חימום חשמליים עטופים מנירוסטה 316 שצוינו עבור מארזים שבהם הלחות היחסית יכולה לעלות על 80% באופן קבוע או שבהם יש סיכוי להתעבות, על המהנדסים לציין קריטריונים של הרכב המילוי במפרט הקנייה. חומר המילוי הדיאלקטרי הפנימי יהיה תחמוצת מגנזיום שונה עם תחמוצת בורון או מגנזיום בוראט עם תכולת בורון מינימלית המקבילה ל-2.5% B2O3 במשקל. ה-MgO המסומם בורון מרוכז בשיתוף- טוב לתרכובות הבור המעורבות מכנית. חומר המילוי יוערך לגבי עמידות ללחות ל-IEEE Std 515 Annex C (התנגדות בידוד של 500 V DC לאחר 500 שעות ב-60 מעלות, 95% RH). ה-IR המינימלי המותר יהיה 50 MΩ. עבור יישומים שבהם אמינות מוחלטת היא קריטית - כגון תנורי חימום- הקשורים לבטיחות גרעינית או תנורי חימום בפלטפורמות ימיות בלתי מאוישות - ציין טרמינלים אטומים הרמטית עם אטמי זכוכית-ל-אטמי מתכת בנוסף למילוי-מתואם בורון, ודרש שמירה- על טמפרטורה קרה של 5 דרגת קצה מינימלית. המחמם הראשי כבוי.

הידיעה שתהליך הכשל אינו קורוזיה של מעטפת, אלא היגרוסקופיה פנימית של חומרי מילוי, מאפשרת למהנדסים לציין MgO עם בורון-, כדי למנוע את הפירוק החשמלי האיטי שתמיד סובלים חומרי מילוי רגילים. העלות הנוספת של חומר מילוי משתנה-בבור (בדרך כלל 10-15% מעלות ייצור המחמם) משולמת במהירות באמצעות ירידה בתחזוקה, פחות נסיעות מטרידות בתקלות קרקע ומחזורי החלפת מחמם ארוכים יותר.