چگونه ضخامت دیوار غلاف فولادی ضد زنگ 316 بر استحکام دی الکتریک عایق اکسید منیزیم پس از جابجایی در عناصر گرمایش الکتریکی تأثیر می گذارد؟

برای مهندسان با کیفیت و سازندگان عناصر گرمایش، رابطه بین ضخامت دیوار غلاف و عملکرد عایق الکتریکی به ندرت آشکار است. پودر اکسید منیزیم که سیم مقاومت را احاطه کرده است باید تا چگالی فشرده شود که هم رسانایی حرارتی بالا و هم قدرت دی الکتریک بالا-به طور معمول بالاتر از 2.8 گرم بر سانتی متر³ برای دستیابی به مقاومت عایق بیش از 100 مگا اهم در دمای اتاق ایجاد کند. فرآیند چرخاندن که قطر خارجی غلاف فولادی ضد زنگ 316 را کاهش می دهد، مکانیسم اولیه برای فشرده سازی MgO است. با این حال، فشار شعاعی منتقل شده از طریق دیواره غلاف به MgO به ضخامت دیواره بستگی دارد. دیواره‌های ضخیم‌تر، نیروی نوسان بیشتری را جذب می‌کنند و به طور بالقوه MgO را زیر-تراکم می‌کنند. دیوارهای نازک‌تر نیروی بیشتری را منتقل می‌کنند اما خطر فرو ریختن یا آسیب رساندن به سیم مقاومت را دارند. این مقاله چگونگی تأثیر ضخامت دیواره غلاف 316 بر چگالی MgO قابل دستیابی و استحکام دی الکتریک را تعیین می کند و مبنایی برای تعیین حداقل ضخامت دیواره فراهم می کند که یکپارچگی مکانیکی را در مقابل عملکرد الکتریکی متعادل می کند.

مکانیک تراکم MgO در حین جابجایی غلاف

در طول تولید بخاری، یک لوله از فولاد ضد زنگ 316 با مخلوط شل پودر MgO و یک سیم مقاومت در مرکز پر می شود. مونتاژ از یک ماشین چرخاننده عبور می کند که از قالب های چرخان برای کوبیدن لوله به صورت شعاعی به سمت داخل استفاده می کند و قطر بیرونی آن را 10 تا 30 درصد کاهش می دهد. این کاهش، پودر MgO را از چگالی ظاهری اولیه تقریباً 1.5-1.8 g/cm³ به چگالی نهایی 2.8-3.2 g/cm³ متراکم می کند. فشار تراکم منتقل شده به MgO بستگی به نیروی شعاعی اعمال شده توسط قالب های چرخشی منهای نیروی جذب شده توسط تغییر شکل الاستیک و پلاستیکی دیواره غلاف 316 دارد. برای کاهش نوسان و نیروی قالب، یک دیوار غلاف نازک‌تر تحت کار تغییر شکل کلی کمتری قرار می‌گیرد و درصد بیشتری از نیروی اعمال‌شده را به MgO منتقل می‌کند. مدل‌سازی المان محدود فرآیند جابجایی نشان می‌دهد که یک غلاف 0.8 میلی‌متری 316 تقریباً 85 درصد از فشار قالب را به MgO منتقل می‌کند، در حالی که یک غلاف 1.6 میلی‌متری تنها 65 درصد را در شرایط نوسانی یکسان منتقل می‌کند. یک غلاف 2.5 میلی متری کمتر از 50 درصد نیروی اعمال شده را منتقل می کند و باقیمانده به عنوان انرژی کرنش الاستیک در دیواره فولادی ضخیم ذخیره می شود یا به عنوان گرما در طی تغییر شکل پلاستیک پخش می شود. این تفاوت مستقیماً بر چگالی قابل دستیابی MgO تأثیر می گذارد.

رابطه کمی بین ضخامت دیوار و چگالی MgO

آزمایش‌های کنترل‌شده با استفاده از تجهیزات یکسان، مجموعه قالب‌ها و نسبت‌های کاهش، یک رابطه معکوس واضح بین ضخامت دیواره غلاف 316 و چگالی نهایی MgO را نشان می‌دهند. برای کاهش نوسانی هدف 20% (به عنوان مثال، از 12.0 میلی متر به 9.6 میلی متر قطر خارجی)، چگالی MgO زیر به طور معمول به دست می آید. با ضخامت دیواره 0.8 میلی متر، چگالی نهایی MgO به 3.1-3.2 g/cm³ می رسد که بسیار بالاتر از حداقل مشخصات است. با ضخامت دیواره 1.2 میلی متر، چگالی به 2.9-3.0 گرم بر سانتی متر مکعب می رسد که هنوز برای اکثر کاربردها قابل قبول است. با ضخامت دیواره 1.6 میلی متر، چگالی به 2.7-2.8 g/cm³ کاهش می یابد، در یا کمتر از حداقل آستانه قابل قبول. با ضخامت دیواره 2.0 میلی متر، چگالی به 2.5-2.6 g/cm³ کاهش می یابد که برای عایق الکتریکی قابل اعتماد در دماهای بالا کافی نیست. زیر 2.7 g/cm³، MgO حاوی تخلخل به هم پیوسته است که اجازه جذب رطوبت را می دهد و مسیرهای نشتی برای جریان الکتریکی را فراهم می کند. مقاومت عایق در 500 درجه برای MgO متراکم شده تا 2.5 g/cm³ معمولاً 10-100 برابر کمتر از MgO متراکم شده تا 3.1 g/cm³ است. قدرت دی الکتریک{32}}حداکثر میدان الکتریکی که عایق می‌تواند بدون شکستگی تحمل کند-از تقریباً 15 کیلوولت بر میلی‌متر در 3.1 گرم بر سانتی‌متر مکعب به 5 کیلو ولت در میلی‌متر در 2.5 گرم بر سانتی‌متر مکعب کاهش می‌یابد. برای یک بخاری 240 ولتی با قطر سیم مقاومتی 1.0 میلی متر، میدان الکتریکی در سراسر لایه MgO تقریباً 2-3 کیلوولت بر میلی متر در ولتاژ کاری است. این یک حاشیه راحت در چگالی MgO بالا فراهم می کند اما در چگالی کم حاشیه ای می شود که در آن نقص های موضعی می توانند باعث شکست دی الکتریک شوند.

محدودیت‌های عملی برای غلاف‌های دیواره ضخیم-برای حفظ یکپارچگی دی الکتریک

برای کاربردهایی که برای برآوردن الزامات مکانیکی یا خوردگی به غلاف 316 ضخیم-بیش از 1.6 میلی‌متر{3}}نیاز دارند، فرآیندهای swaging استاندارد ممکن است به چگالی MgO کافی دست پیدا نکنند. سه تغییر در ساخت می تواند نیروی جذب-دیوارهای ضخیم را جبران کند. اولین و رایج ترین روش افزایش نسبت کاهش swaging است. به جای کاهش 20 درصدی، کاهش 30 درصدی از 12.0 میلی متر به قطر خارجی 8.4 میلی متر، نیروهای شعاعی بالاتری را به MgO منتقل می کند و چگالی هایی قابل مقایسه با دیواره های نازک تر در کاهش کمتر به دست می آورد. کاهش{13}افزایش خطر آسیب سیم مقاومتی و تنش‌های پسماند بالاتر در غلاف است. اصلاح دوم، استفاده از چند گذر swaging با بازپخت میانی است. عبور اول با کاهش 15٪، به دنبال آنیل کردن برای کاهش تنش های غلاف، سپس عبور دوم با کاهش 15٪ دیگر، می تواند چگالی MgO بالایی را در غلاف های دیواره ضخیم{18} بدون تجاوز از محدودیت های شکل پذیری لوله 316 به دست آورد. اصلاح سوم تغییر مشخصات پودر MgO است. ذرات درشت تر و زاویه دارتر MgO راحت تر از پودرهای ریز کروی فشرده می شوند. تعیین گرید MgO با چگالی بالا با توزیع اندازه ذرات کنترل‌شده می‌تواند چگالی نهایی را ۰.۱ تا ۰.۲ گرم بر سانتی‌متر مربع برای شرایط نوسانی یکسان افزایش دهد. هر یک از این تغییرات هزینه ساخت را اضافه می کند، اما هزینه برای کاربردهایی که دیوارهای ضخیم اجتناب ناپذیر هستند، توجیه می شود.

ضخامت دیوار و ماتریس انتخاب چگالی MgO برای عملکرد دی الکتریک قابل اعتماد

جدول زیر ترکیبات توصیه شده از ضخامت دیواره غلاف 316 و مشخصات ساخت را برای دستیابی به حداقل چگالی قابل قبول MgO 2.8 g/cm³ و قدرت دی الکتریک بالای 10 kV/mm در دمای اتاق ارائه می دهد.

برای هر بخاری که ولتاژ کاری آن از 250 VAC تجاوز می کند، حداقل چگالی قابل قبول MgO باید به 3.0 g/cm³ افزایش یابد، که به طور موثر حداکثر ضخامت دیواره غلاف 316 را به 1.2 میلی متر محدود می کند، مگر اینکه از فرآیندهای swaging ویژه استفاده شود. برای -کاربردهای ولتاژ بالای 600 VAC-متداول در برخی تجهیزات صنعتی و معدنی{8}}ضخامت دیواره غلاف باید کمتر از 1.0 میلی متر باشد تا از استحکام دی الکتریک کافی اطمینان حاصل شود، یا بخاری باید با یک محافظ فلزی زمینی جدا از عایق MgO طراحی شود.

روش‌های آزمایش و اعتبارسنجی برای تضمین کیفیت تولید

با توجه به تنوع معرفی شده توسط تجهیزات جابجایی، تکنیک اپراتور و تلورانس های لوله ورودی، تکیه بر روابط نظری به تنهایی کافی نیست. مهندسانی که بخاری هایی با ضخامت دیواره بالاتر از 1.4 میلی متر را مشخص می کنند، باید از سازنده بخواهند که اندازه گیری های چگالی MgO را از نمونه های تولیدی ارائه دهد، که معمولاً با برش یک بخش بخاری و اندازه گیری جرم و حجم پودر فشرده شده به دست می آید. حداقل چگالی 2.8 g/cm³ باید به عنوان یک الزام کیفی مشخص شود، نه صرفاً یک هدف. علاوه بر این، آزمایش مقاومت دی الکتریک باید روی بخاری های تمام شده انجام شود. یک آزمایش استاندارد 1500 VAC به اضافه دو برابر ولتاژ کاری را به مدت یک دقیقه بین سیم مقاومت و غلاف اعمال می کند. برای یک بخاری 240 ولت، این به معنای 1,{500 + 480=1,980 VAC است. غلاف‌های دیواره‌ای{14} ضخیم با چگالی MgO حاشیه‌ای اغلب این آزمایش را در دمای اتاق انجام می‌دهند اما وقتی تا دمای عملیاتی گرم می‌شوند شکست می‌خورند زیرا قدرت دی الکتریک MgO با دما کاهش می‌یابد. بنابراین، درخواست اندازه گیری مقاومت عایق گرم در 500 درجه معتبرترین اعتبار را ارائه می دهد. حداقل مقاومت عایق حرارتی 1 مگا اهم برای بخاری های صنعتی معمول است، اگرچه 10 مگا اهم برای عمر طولانی ترجیح داده می شود. خرابی های میدانی ناشی از خرابی دی الکتریک پرهزینه و اغلب خطرناک است. هزینه افزایشی تعیین غلاف نازک‌تر یا پیچ‌خوردگی تهاجمی‌تر برای اطمینان از چگالی MgO در مقایسه با هزینه ادعای گارانتی یا بدتر از آن، یک حادثه شوک الکتریکی ناچیز است.