Độ dày thành vỏ bọc bằng thép không gỉ 316 ảnh hưởng như thế nào đến độ bền điện môi của lớp cách điện oxit magiê sau khi hoán đổi trong các bộ phận làm nóng bằng điện?

Đối với các kỹ sư chất lượng và nhà sản xuất bộ phận làm nóng, mối quan hệ giữa độ dày thành vỏ bọc và hiệu suất cách điện hiếm khi rõ ràng. Bột oxit magie bao quanh dây điện trở phải được nén đến mật độ mang lại cả tính dẫn nhiệt cao và độ bền điện môi cao-thường trên 2,8 g/cm³ để đạt được điện trở cách điện vượt quá 100 megohm ở nhiệt độ phòng. Quá trình chuyển đổi làm giảm đường kính ngoài của vỏ thép không gỉ 316 là cơ chế chính để nén MgO. Tuy nhiên, áp suất xuyên tâm truyền qua thành vỏ bọc tới MgO phụ thuộc vào độ dày thành. Các bức tường dày hơn hấp thụ nhiều lực chuyển động hơn, có khả năng khiến MgO-bị nén chặt. Thành mỏng hơn truyền nhiều lực hơn nhưng có nguy cơ bị sập hoặc làm hỏng dây điện trở. Bài viết này định lượng độ dày thành vỏ bọc 316 ảnh hưởng như thế nào đến mật độ MgO và độ bền điện môi có thể đạt được, tạo cơ sở cho việc xác định độ dày thành tối thiểu cân bằng tính toàn vẹn cơ học với hiệu suất điện.

Cơ chế nén MgO trong quá trình chuyển đổi vỏ bọc

Trong quá trình sản xuất lò sưởi, một ống thép không gỉ 316 được đổ đầy hỗn hợp bột MgO và dây điện trở nằm ở giữa. Việc lắp ráp đi qua một máy ép sử dụng khuôn quay để đóng ống hướng tâm vào trong, làm giảm đường kính ngoài của nó từ 10–30%. Sự giảm này làm nén bột MgO từ mật độ khối ban đầu khoảng 1,5–1,8 g/cm³ đến mật độ cuối cùng là 2,8–3,2 g/cm³. Áp suất nén truyền tới MgO phụ thuộc vào lực hướng tâm tác dụng bởi khuôn dập trừ đi lực hấp thụ do biến dạng đàn hồi và dẻo của thành vỏ bọc 316. Đối với lực giảm dao động và lực khuôn nhất định, thành vỏ mỏng hơn chịu ít công biến dạng tổng thể hơn và truyền tỷ lệ phần trăm lực tác dụng lên MgO cao hơn. Mô hình phần tử hữu hạn của quá trình quấn cho thấy vỏ bọc 316 0,8 mm truyền khoảng 85% áp suất khuôn tới MgO, trong khi vỏ bọc 1,6 mm chỉ truyền 65% trong các điều kiện quấn giống hệt nhau. Vỏ bọc 2,5 mm truyền ít hơn 50% lực tác dụng, phần còn lại được lưu trữ dưới dạng năng lượng biến dạng đàn hồi trong bức tường thép dày hoặc tiêu tán dưới dạng nhiệt trong quá trình biến dạng dẻo. Sự khác biệt này ảnh hưởng trực tiếp đến mật độ MgO có thể đạt được.

Mối quan hệ định lượng giữa độ dày của tường và mật độ MgO

Các thí nghiệm được kiểm soát sử dụng thiết bị dập, bộ khuôn và tỷ lệ giảm giống hệt nhau chứng minh mối quan hệ nghịch đảo rõ ràng giữa độ dày thành vỏ bọc 316 và mật độ MgO cuối cùng. Để giảm độ dịch chuyển mục tiêu là 20% (ví dụ: đường kính ngoài từ 12,0 mm xuống 9,6 mm), mật độ MgO sau đây thường đạt được. Với độ dày thành 0,8 mm, mật độ MgO cuối cùng đạt 3,1–3,2 g/cm³, cao hơn nhiều so với thông số kỹ thuật tối thiểu. Với độ dày thành 1,2 mm, mật độ đạt 2,9–3,0 g/cm³, vẫn chấp nhận được đối với hầu hết các ứng dụng. Với độ dày thành 1,6 mm, mật độ giảm xuống 2,7–2,8 g/cm³, bằng hoặc dưới ngưỡng tối thiểu chấp nhận được. Với độ dày thành 2,0 mm, mật độ giảm xuống 2,5–2,6 g/cm³, không đủ để cách điện đáng tin cậy ở nhiệt độ cao. Dưới 2,7 g/cm³, MgO chứa các lỗ xốp liên kết với nhau cho phép hấp thụ độ ẩm và tạo ra các đường rò cho dòng điện. Điện trở cách điện ở 500 độ đối với MgO được nén ở mức 2,5 g/cm³ thường thấp hơn 10–100 lần so với MgO được nén ở mức 3,1 g/cm³. Độ bền điện môi-điện trường tối đa mà lớp cách điện có thể chịu được mà không bị đánh thủng-giảm từ khoảng 15 kV/mm ở mức 3,1 g/cm³ xuống 5 kV/mm ở mức 2,5 g/cm³. Đối với lò sưởi 240 V có đường kính dây điện trở 1,0 mm, điện trường trên lớp MgO xấp xỉ 2–3 kV/mm ở điện áp hoạt động. Điều này mang lại một biên độ thoải mái ở mật độ MgO cao nhưng trở nên cận biên ở mật độ thấp nơi các khuyết tật cục bộ có thể gây ra sự cố điện môi.

Giới hạn thực tế đối với vỏ bọc có thành dày-để duy trì tính toàn vẹn điện môi

Đối với các ứng dụng yêu cầu vỏ bọc 316 dày-trên 1,6 mm-để đáp ứng các yêu cầu về cơ học hoặc ăn mòn, quy trình quấn tiêu chuẩn có thể không đạt được đủ mật độ MgO. Ba cải tiến về sản xuất có thể bù đắp cho lực-hấp thụ của các bức tường dày. Đầu tiên và phổ biến nhất là tăng tỷ lệ giảm chuyển động. Thay vì giảm 20%, mức giảm 30% từ đường kính ngoài 12,0 mm xuống 8,4 mm sẽ truyền lực hướng tâm cao hơn đến MgO, đạt được mật độ tương đương với các bức tường mỏng hơn ở mức giảm thấp hơn. Sự đánh đổi{13}}là làm tăng nguy cơ hư hỏng dây điện trở và tăng ứng suất dư trong vỏ bọc. Sửa đổi thứ hai là sử dụng nhiều đường chuyển đổi với quá trình ủ trung gian. Lần đầu tiên giảm 15%, tiếp theo là ủ để giảm ứng suất vỏ, sau đó lần thứ hai với mức giảm 15% khác, có thể đạt được mật độ MgO cao trong các lớp vỏ có thành dày mà không vượt quá giới hạn khả năng định hình của ống 316. Sửa đổi thứ ba là thay đổi đặc điểm kỹ thuật của bột MgO. Các hạt MgO thô hơn, góc cạnh hơn sẽ dễ dàng nén lại hơn các loại bột mịn, hình cầu. Việc chỉ định loại MgO mật độ-cao với sự phân bố kích thước hạt được kiểm soát có thể tăng mật độ cuối cùng lên 0,1–0,2 g/cm³ trong cùng điều kiện chuyển đổi. Mỗi sửa đổi này đều làm tăng thêm chi phí sản xuất, nhưng chi phí này hợp lý cho các ứng dụng không thể tránh khỏi những bức tường dày.

Ma trận lựa chọn độ dày thành và mật độ MgO cho hiệu suất điện môi đáng tin cậy

Bảng sau đây cung cấp các kết hợp khuyến nghị giữa độ dày thành vỏ bọc 316 và thông số kỹ thuật sản xuất để đạt được mật độ MgO tối thiểu chấp nhận được là 2,8 g/cm³ và độ bền điện môi trên 10 kV/mm ở nhiệt độ phòng.

Đối với bất kỳ lò sưởi nào có điện áp hoạt động vượt quá 250 VAC, mật độ MgO tối thiểu chấp nhận được phải được tăng lên 3,0 g/cm³, điều này hạn chế hiệu quả độ dày thành vỏ bọc tối đa 316 ở mức 1,2 mm trừ khi sử dụng các quy trình chuyển đổi đặc biệt. Đối với các ứng dụng-điện áp cao trên 600 VAC-thường gặp trong một số thiết bị công nghiệp và khai thác mỏ-độ dày thành vỏ bọc phải được giữ dưới 1,0 mm để đảm bảo đủ độ bền điện môi hoặc bộ sưởi phải được thiết kế với tấm chắn kim loại nối đất tách biệt với lớp cách điện MgO.

Phương pháp kiểm tra và xác nhận để đảm bảo chất lượng sản xuất

Với sự thay đổi do thiết bị chuyển đổi, kỹ thuật của người vận hành và dung sai của ống dẫn đến gây ra, việc chỉ dựa vào các mối quan hệ lý thuyết là không đủ. Các kỹ sư chỉ định thiết bị gia nhiệt có độ dày thành trên 1,4 mm phải yêu cầu nhà sản xuất cung cấp phép đo mật độ MgO từ các mẫu sản xuất, thường thu được bằng cách cắt phần gia nhiệt và đo khối lượng cũng như thể tích của bột đã nén. Mật độ tối thiểu 2,8 g/cm³ phải được chỉ định là yêu cầu chất lượng chứ không chỉ đơn thuần là mục tiêu. Ngoài ra, việc kiểm tra độ bền điện môi phải được thực hiện trên các lò sưởi đã hoàn thiện. Một thử nghiệm tiêu chuẩn áp dụng 1.500 VAC cộng với gấp đôi điện áp hoạt động trong một phút giữa dây điện trở và vỏ bọc. Đối với máy sưởi 240 V, điều này có nghĩa là 1,{11}}980 VAC. Vỏ bọc có thành dày{14}}có mật độ MgO cận biên thường vượt qua thử nghiệm này ở nhiệt độ phòng nhưng không đạt khi được làm nóng đến nhiệt độ vận hành vì độ bền điện môi của MgO giảm theo nhiệt độ. Do đó, yêu cầu đo điện trở cách điện nóng ở 500 độ sẽ mang lại sự xác nhận đáng tin cậy nhất. Điện trở cách nhiệt tối thiểu 1 megohm là điển hình cho máy sưởi công nghiệp, mặc dù 10 megohm được ưu tiên để có tuổi thọ lâu dài. Sự cố tại hiện trường do sự cố điện môi rất tốn kém và thường nguy hiểm. Chi phí gia tăng của việc chỉ định lớp vỏ mỏng hơn hoặc lớp bọc mạnh hơn để đảm bảo mật độ MgO là không đáng kể so với chi phí yêu cầu bảo hành hoặc tệ hơn là sự cố điện giật.