Jak tloušťka stěny pláště z nerezové oceli 316 ovlivňuje cestu elektrického svodového proudu a degradaci izolačního odporu v prostředí s vysokou-vlhkostí?

Inspektoři elektrické bezpečnosti a inženýři zajišťující kvalitu, kteří pracují s elektrickými ponornými ohřívači ve venkovních aplikacích, potravinářském a farmaceutickém průmyslu, se vždy obávají degradace izolačního odporu v prostředí s vysokou vlhkostí. Izolace z oxidu hořečnatého kolem odporového drátu je hygroskopická, což znamená, že absorbuje vlhkost ze vzduchu, když ohřívač není pod napětím, pokud plášť není zcela utěsněn. Absorbovaná vlhkost snižuje izolační odpor. To způsobí, že protéká svodový proud, který by mohl spustit systémy prevence zemního spojení a v extrémních situacích způsobit nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Tloušťka stěny materiálu pláště z nerezové oceli 316 ovlivňuje jak rychlost pronikání vlhkosti, tak délku elektrického kanálu pro svodový proud. Tento článek hodnotí tloušťku stěny pláště, difúzi vlhkosti a degradaci izolačního odporu a poskytuje návrhy na výběr pro provoz s vysokou vlhkostí.

Difúze vlhkosti skrz 316SS pouzdra a koncová těsnění
Vodní pára může difundovat skrz stěnu pláště z nerezové oceli 316 nebo přes koncová těsnění, kde odporový drát vystupuje z pláště, a tím prostupovat MgO izolací. Propustnost nerezové oceli 316 pro vodní páru je velmi nízká, ale ne nulová. Rychlost pronikání vodní páry v ustáleném stavu přes 1,0 mm tlustý 316 při 40 stupních a 100% relativní vlhkosti je kolem 0,001 g/m2/den. To by bylo méně než 0,4 gramu difundované vody na čtvereční metr povrchu pláště za jeden rok, což je pro běžné velikosti ohřívačů zanedbatelné. Hlavní mechanismus infiltrace vlhkosti je přes mikroskopické póry na koncových těsněních, zejména na kontaktu mezi pláštěm, MgO a keramickými koncovými kuličkami. U tenkostěnných plášťů pod 1,0 mm umožňuje mechanická poddajnost pláště malou deformaci během tepelného cyklování, které otevírá a uzavírá mezery na koncových těsněních pumpujících vlhký vzduch do MgO. Jejich větší tuhost však znemožňuje tuto pumpovací akci u tlustostěnných plášťů nad 1,8 mm a snižuje míru pronikání vlhkosti faktorem 5 až 10. Vliv tloušťky stěny na pronikání vlhkosti je tedy nepřímý, ale důležitý: silnější stěny lépe zachovávají integritu koncového těsnění při tepelném cyklování.

Tloušťka stěny pláště a délka svodového proudu
Jakmile vlhkost pronikne do MgO, izolační odpor se sníží, protože molekuly vody vytvářejí vodivé kanály podél povrchu zrn MgO. Elektrický svodový proud z odporového drátu do uzemněného 316 pláště byl radiálně veden skrz vrstvu MgO. Odpor této cesty je R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L), kde rho je měrný odpor vlhkého MgO, r2 a r1 jsou vnější a vnitřní poloměry vrstvy MgO a L je zahřátá délka. Zvýšení tloušťky stěny pláště ve skutečnosti snižuje tloušťku vrstvy MgO pro určitý vnější průměr pláště a pevný průměr odporového drátu, protože plášť zabírá více radiálního prostoru. Silnější stěna se rovná méně MgO mezi drátem a pláštěm. Tato menší radiální vzdálenost vede k nižšímu izolačnímu odporu pro daný obsah vlhkosti a tím zhoršuje problémy se svodovým proudem. Uvažujme například plášť o vnějším průměru 10 mm s odporovým drátem o průměru 3 mm. Tloušťka vrstvy MgO je 10 - 2×1.0 - 3=5 mm, zatímco tloušťka stěny je 1,0 mm. Při tloušťce stěny 2,0 mm je tloušťka vrstvy MgO 10 - 4 - 3=3 mm. Tenčí vrstva MgO snižuje radiální izolační odpor o přibližně 40 % při stejném odporu MgO. Silnostěnné pláště jsou proto v případě infiltrace vlhkosti zranitelnější vůči nízkému izolačnímu odporu, protože je zde méně MgO, který ucpe kanál svodového proudu.

Kritická tloušťka stěny pro integritu koncového těsnění
Následující tabulka uvádí doporučené 316 tloušťky stěny pláště elektrických topných těles pro situace s vysokou vlhkostí v závislosti na předpokládané frekvenci tepelného cyklu a potřebném izolačním odporu po delším skladování nebo době nečinnosti. Hodnoty předpokládají typickou konstrukci koncového těsnění s keramickými kuličkami a epoxidovým nebo silikonovým těsněním.

Vlhkost prostředí Očekávaný počet tepelných cyklů za rok Doporučené minimum 316 Tloušťka stěny Doporučené maximum 316 Tloušťka stěny Očekávaný izolační odpor po jednom roce ve vysoké vlhkosti Pronikání vlhkosti 2. Dominantní mechanismy
Občasná vysoká vlhkost (méně než 50 % času)Pod 100 0.8 mm 1,6 mm Přes 100 megaohmů Koncová difúze těsnění
Konstantně vysoká vlhkost (80–100 % relativní vlhkosti) Méně než 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megohmy Difuzní koncové těsnění
Konstantní vysoká vlhkost s denním tepelným cyklem 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megaohmů Tepelné čerpání na koncových těsněních
Kondenzační vlhkost (časté smývání nebo rosení) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megaohmů Tepelné čerpání a přímý vstup
Vlhkost Komprese Tlakové mytí Libovolné 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megaohmů Vyžaduje hermetické těsnění, přímý vstup vody
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1 000 megaohmů Teplo odvádí vlhkost; žádné zhoršení
Pro aplikace s trvalou vysokou vlhkostí a častým cyklováním teplot se však doporučuje plášť 316 o tloušťce 1,6 mm nebo silnější, i když by se tloušťka vrstvy MgO snížila. Výhoda celistvosti koncového těsnění překonává nevýhodu zkrácené délky únikové cesty. V takovém nastavení by měli inženýři také specifikovat konstrukci koncového těsnění odolného proti vlhkosti, např. hermetické těsnění sklo-na-kov nebo dvojitou epoxidovou bariéru s mezisušicí komorou.

Navrhování změn pro zlepšení izolačního odporu tenkých-stěn
V podmínkách vysoké-vlhkosti, kde je tenkostěnný-316 plášť<1.2 mm is generally employed for thermal response reasons, three design adjustments exist for maintaining insulation resistance. The first is to apply a moisture barrier coating over the whole sheath and end seal assembly. A conformal coating of parylene or silicone, 50 to 100 microns thick, reduces moisture intrusion by a factor of 10 to 50. The second change is the fitting of a low wattage stand-by heater circuit to maintain the sheath temperature at 50-60 deg C when idling. This keeps the MgO heated enough to avoid condensation of moisture and chases off any water that has been absorbed. Normally the power required is 5-10% of the full heater rating. The third change is the addition of a desiccant filled breather vent to the terminal housing. The desiccant takes moisture before it can get to the end seals. A color-indicating desiccant will change colour when saturated, so that it may be seen inspected and replaced in a timely manner. For essential applications where insulation resistance below 1 megohm can pose a safety threat, engineers should design a heater-service-rated ground fault circuit interrupter. If the MgO insulation has decayed, this provides some protection if there is a leakage over 5-30 mA the GFCI trips. When ordering heaters for high humidity locations, always obtain the insulation resistance test results after 48 hours exposure to 95% relative humidity at 40°C. Most industrial uses call for a heater that will hold 10 megohms or higher under these conditions. If the heater is below 1 megohm it may need more sealing or a different wall thickness.