Как толщина стенки оболочки из нержавеющей стали 316 влияет на диэлектрическую прочность изоляции из оксида магния после обжатия в электрических нагревательных элементах?

Для инженеров по качеству и производителей нагревательных элементов взаимосвязь между толщиной стенки оболочки и характеристиками электроизоляции не всегда очевидна. Порошок оксида магния вокруг резистивного провода сжимается до плотности, обеспечивающей высокую теплопроводность и высокую диэлектрическую прочность-обычно выше 2,8 г/см³, что обеспечивает сопротивление изоляции более 100 МОм при комнатной температуре. Основным механизмом уплотнения MgO является процесс обжатия, который уменьшает внешний диаметр оболочки из нержавеющей стали 316. Но радиальное давление, оказываемое через стенку оболочки на MgO, зависит от толщины стенки. Более толстые стенки поглощают большую часть силы обжатия. MgO может быть недостаточно уплотненным. Более тонкие стенки передают большую силу, но могут привести к обрушению или повреждению резистивного провода. В данной статье анализируется влияние толщины стенки оболочки 316 на возможную плотность MgO и диэлектрическую прочность. Он обеспечивает основу для определения минимальной толщины стенки, которая обеспечивает баланс между механической целостностью и электрическими характеристиками.

Сжимающее поведение MgO при обжатии оболочки
При изготовлении нагревателя трубка из нержавеющей стали 316 заполняется рыхлой смесью порошка MgO и расположенной в центре резистивной проволоки. Затем сборку пропускают через обжимную машину, в которой вращающиеся матрицы пробивают трубу радиально внутрь и уменьшают внешний диаметр на 10–30%. Этот процесс уплотняет порошок MgO от начальной объемной плотности ~ 1,5–1,8 г/см3 до конечной плотности 2,8–3,2 г/см3. Чистая радиальная сила от обжимных матриц после вычета силы, используемой при упругой и пластической деформации стенки оболочки 316, представляет собой давление прессования, оказываемое на MgO. Для определенного уменьшения обжима и силы штампа более тонкая стенка оболочки приводит к меньшей общей работе по деформации, и более высокий процент приложенного усилия передается MgO. Конечно-элементное моделирование процесса обжатия показывает, что оболочка из 316 толщиной 0,8 мм передает около 85% давления матрицы на MgO, тогда как оболочка толщиной 1,6 мм передает только 65% при равных условиях обжатия. Менее 50% приложенной силы передается через оболочку толщиной 2,5 мм, остальная часть сохраняется в виде энергии упругой деформации в толстой стальной стенке или выделяется в виде тепла во время пластической деформации. Эта разница напрямую влияет на возможную плотность MgO.

Количественная связь между толщиной стенки и плотностью MgO
Контролируемые испытания с использованием аналогичного обжимного оборудования, комплектов матриц и коэффициентов обжатия показывают определенную обратную зависимость между толщиной стенки оболочки 316 и конечной плотностью MgO. Типичные плотности MgO, достигаемые при целевом уменьшении обжима на 20 % (например, . 12.0 мм до наружного диаметра 9,6 мм), составляют: Конечная плотность MgO 3,1–3,2 г/см3 при толщине стенки 0,8 мм значительно превышает минимальный стандарт. Толщина стенки 1,2 мм, плотность 2,9–3,0 г/см 3 , что пока приемлемо для большинства целей. Плотность снижается до 2,7–2,8 г/см3, что находится на минимально допустимом уровне или ниже его, при толщине стенки 1,6 мм. Плотность материала при толщине стенки 2,0 мм составляет 2,5–2,6 г/см3, что недостаточно для надежной электроизоляции при повышенных температурах. При плотности менее 2,7 г/см 3 MgO имеет взаимосвязанную пористость, которая обеспечивает каналы поглощения влаги и утечки электрического тока. Сопротивление изоляции при 500 градусах MgO, уплотненного до 2,5 г/см3, часто в 10–100 раз ниже, чем у MgO, уплотненного до 3,1 г/см3. 3 . Диэлектрическая прочность (верхний предел электрического поля, которое изоляция может выдерживать без пробоя) снижается примерно с 15 кВ/мм при 3,1 г/см3 до 5 кВ/мм при 2,5 г/см3. Электрическое поле над слоем MgO нагревателя на 240 В с диаметром резистивной проволоки 1,0 мм составляет примерно 2-3 кВ/мм при рабочем напряжении. Это дает комфортный запас при высокой плотности MgO, но незначительный при низкой плотности, где небольшие дефекты могут привести к пробою диэлектрика.

Практические ограничения «диэлектрической целостности» толстостенных-оболочек
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 мм) для механических или коррозионных требований. Существует три производственных корректировки, которые могут смягчить поглощение силы толстыми стенками. Первая и наиболее типичная процедура заключается в увеличении степени обжатия.. 30%-ное сокращение с 12,0 мм до 8,4 мм. Внешний диаметр передает более сильные радиальные напряжения на MgO, достигая плотности, аналогичной более тонким стенкам при более низком обжатии вместо 20%-ного обжатия. Штрафом является повышенная вероятность повреждения резистивного провода и более высокие остаточные напряжения в оболочке. Второе изменение — использование нескольких проходов обжима с промежуточным отжигом. Уменьшение на 15 % с последующим отжигом для ослабления напряжений в оболочке, за которым следует второе уменьшение на 15 %, может обеспечить высокую плотность MgO в толстостенных оболочках без превышения пределов формуемости трубок 316. Третье изменение заключается в изменении спецификации порошка MgO: крупные угловатые частицы MgO легче уплотняются, чем мелкие сферические порошки. Высокоплотная марка MgO с регулируемым гранулометрическим составом позволяет увеличить конечную плотность на 0,1–0,2 г/см3 при тех же условиях обжима. Каждая из этих корректировок увеличивает стоимость производства. Но стоимость оправдана для ситуаций, когда толстые стены просто необходимы.

Матрица выбора толщины стенки и плотности MgO для обеспечения надежных диэлектрических характеристик
В следующей таблице показаны подходящие комбинации толщины стенки оболочки 316 и производственных требований для получения минимально приемлемой плотности MgO 2,8 г/см 3 и диэлектрической прочности более 10 кВ/мм при комнатной температуре.

Требуемая толщина стенки обжима 316 Рекомендуемое снижение обжима Рекомендуемое количество проходов обжима Достижимая плотность MgO Особые соображения
0,8–1,0 мм 15–20 % За один проход 3,0–3,2 г/см³ Стандартный метод, низкая стоимость
1,0 – 1,2 мм 18 – 22 % Один проход 2,9 – 3,1 г/см³ Подходит стандартная процедура 1,2 – 1,4 мм 20 – 25 % Одиночный или двойной световой проход 2,8 – 3,0 г/см³ Подтвердить испытанием образца 1,4 – 1,6 мм 25 – 30 % Рекомендуется двойной проход 2,7 – 2,9 г/см³ Высокий необходимая плотность MgO
1,6 – 1,8 мм 28 – 32 % Требуется двойной проход 2,6 – 2,8 г/см3 Предел, требуются квалификационные испытания
1,8–2,0 мм 30–35 % Промежуточный отжиг, двойной проход 2,5–2,7 г/см³Не рекомендуется для напряжений выше 120 В > 2,0 мм Невозможно Невозможно Ниже 2,5 г/см³ Используйте меньший диаметр или другой сплав
Для любого нагревателя с рабочим напряжением выше 250 В переменного тока минимально допустимая плотность MgO должна быть увеличена до 3,0 г/см3, что эффективно ограничивает максимальную толщину стенки оболочки 316 до 1,2 мм, если не применяются специальные процедуры обжатия. В приложениях с высоким напряжением выше 600 В переменного тока (часто встречающемся в некотором промышленном и горнодобывающем оборудовании) толщина стенки оболочки должна поддерживаться ниже 1,0 мм для поддержания приемлемой диэлектрической прочности, или нагреватель должен быть оснащен металлическим экраном, заземленным и отделенным от изоляции MgO.

Методы тестирования и подтверждения обеспечения качества продукции
На одни лишь теоретические соотношения нельзя полагаться из-за различий, вносимых обжимным оборудованием, техникой оператора и допусками на входящие трубы. При выборе нагревателей с толщиной стенок более 1,4 мм инженеры должны потребовать от производителя предоставить измерения плотности MgO в промышленных образцах. Обычно это делается путем отрезания части нагревателя и измерения массы и объема уплотненного порошка. Минимальную плотность следует упоминать как требование к качеству (2,8 г/см3), а не как целевую цель. Готовые нагреватели также следует проверить на электрическую прочность. Обычное испытание составляет 1500 В переменного тока плюс удвоенное рабочее напряжение, приложенное в течение одной минуты между резистивным проводом и оболочкой. Это 1,500 + 480=1,980 В переменного тока для нагревателя на 240 В. Толстостенные-оболочки с предельной плотностью MgO обычно выдерживают это испытание при температуре окружающей среды, но не при нагреве до рабочей температуры, поскольку диэлектрическая прочность MgO уменьшается с температурой. Таким образом, наилучшая проверка достигается путем проведения испытаний на сопротивление изоляции при температуре 500 градусов. Сопротивление горячей изоляции промышленных нагревателей обычно составляет не менее 1 МОм, хотя для увеличения срока службы желательно иметь значение 10 МОм. Отказы поля пробоя диэлектрика обходятся дорого и часто опасны. Дополнительные затраты на более тонкую оболочку или более энергичную обжимку для достижения плотности MgO незначительны по сравнению со стоимостью гарантийной претензии или, что еще хуже, возможностью поражения электрическим током.