¿Cómo afecta el espesor de la pared de la funda de acero inoxidable 316 a la rigidez dieléctrica del aislamiento de óxido de magnesio después de estampar en elementos calefactores eléctricos?

Para los ingenieros de calidad y fabricantes de elementos calefactores, la relación entre el espesor de la pared de la cubierta y el rendimiento del aislamiento eléctrico no siempre es evidente. El polvo de óxido de magnesio alrededor del cable de resistencia se comprime hasta alcanzar una densidad que proporciona una alta conductividad térmica y una alta rigidez dieléctrica-generalmente superior a 2,8 g/cm³ para brindar una resistencia aislante de más de 100 megaohmios a temperatura ambiente. El principal mecanismo para compactar el MgO es el proceso de estampado que disminuye el diámetro exterior de la vaina de acero inoxidable 316. Pero la presión radial ejercida a través de la pared de la vaina sobre el MgO depende del espesor de la pared. Las paredes más gruesas absorben más fuerza de estampado. El MgO puede estar poco compactado. Las paredes más delgadas transmiten mayor fuerza pero corren el riesgo de colapsar o dañar el cable de resistencia. Este artículo analiza el efecto del espesor de pared de la vaina 316 sobre la posible densidad de MgO y rigidez dieléctrica. Proporciona una base para determinar un espesor mínimo de pared que equilibre la integridad mecánica con el rendimiento eléctrico.

Comportamiento compresivo del MgO durante el estampado de la funda
En la fabricación de un calentador, se llena un tubo de acero inoxidable 316 con una mezcla suelta de polvo de MgO y un cable de resistencia situado en el centro. Luego, el conjunto se pasa a través de una máquina de estampación en la que unos troqueles giratorios martillan el tubo radialmente hacia adentro y reducen el diámetro exterior entre un 10% y un 30%. Este proceso densifica el polvo de MgO desde una densidad aparente inicial de ~1,5 –1,8 g/cm3 hasta una densidad final de 2,8 –3,2 g/cm3. La fuerza radial neta de los troqueles de estampación, después de restar la fuerza utilizada en la deformación elástica y plástica de la pared de la vaina 316, es la presión de compactación entregada al MgO. Para una reducción de estampado y una fuerza de troquel particulares, una pared de vaina más delgada genera menos trabajo de deformación general realizado y un mayor porcentaje de la fuerza aplicada se transfiere al MgO. El modelado de elementos finitos del proceso de estampado muestra que una vaina 316 de 0,8 mm transfiere aproximadamente el 85 % de la presión del troquel al MgO, mientras que una vaina de 1,6 mm solo transfiere el 65 % en condiciones iguales de estampado. Menos del 50% de la fuerza aplicada se transmite a través de la vaina de 2,5 mm, y el resto se retiene como energía de deformación elástica en la gruesa pared de acero o se libera en forma de calor durante la deformación plástica. Esta diferencia tiene un impacto directo en la posible densidad de MgO.

Relación cuantitativa entre el espesor de la pared y la densidad de MgO.
Los ensayos controlados que emplean equipos de estampado, juegos de troqueles y relaciones de reducción similares muestran una relación inversa definida entre el espesor de la pared de la vaina 316 y la densidad final de MgO. Las densidades típicas de MgO alcanzadas para una reducción de estampado objetivo del 20 % (por ejemplo, de . 12.0 mm a 9,6 mm de diámetro exterior) son: La densidad final de MgO de 3,1-3,2 g/cm3 con un espesor de pared de 0,8 mm supera significativamente el estándar mínimo. El espesor de la pared es de 1,2 mm y la densidad es de 2,9 a 3,0 g/cm 3, lo que sigue siendo aceptable para la mayoría de los fines. La densidad disminuye hasta 2,7-2,8 g/cm3, que está en el nivel mínimo permitido o por debajo de él, con un espesor de pared de 1,6 mm. La densidad del material con un espesor de pared de 2,0 mm es de 2,5 a 2,6 g/cm3, lo que no es suficiente para un aislamiento eléctrico fiable a temperaturas elevadas. Con menos de 2,7 g/cm 3 , el MgO tiene una porosidad interconectada que permite la absorción de humedad y canales de fuga de corriente eléctrica. La resistencia del aislamiento a 500 grados de MgO compactado a 2,5 g/cm3 es a menudo de 10 a 100 veces menor que la del MgO compactado a 3,1 g/cm3 . La rigidez dieléctrica (el límite superior del campo eléctrico que el aislamiento puede soportar sin romperse) disminuye de aproximadamente 15 kV/mm a 3,1 g/cm³ a ​​5 kV/mm a 2,5 g/cm³. El campo eléctrico sobre la capa de MgO de un calentador de 240 V con un cable de resistencia de 1,0 mm de diámetro es de aproximadamente 2-3 kV/mm al voltaje de trabajo. Esto proporciona un margen cómodo a una densidad alta de MgO, pero es marginal a una densidad baja, donde pequeñas fallas pueden provocar una ruptura dieléctrica.

Límites prácticos de la "integridad dieléctrica" ​​de vainas de paredes-gruesas
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) para requisitos mecánicos o de corrosión. Hay tres ajustes de producción que pueden mitigar la absorción de fuerza de paredes gruesas. El primer procedimiento y el más típico es aumentar la relación de reducción de estampación. 30% de reducción de 12,0 mm a 8,4 mm. El diámetro exterior transmite tensiones radiales más fuertes al MgO, logrando densidades similares a paredes más delgadas con una reducción más baja, en lugar de una reducción del 20%. La penalización es una mayor posibilidad de dañar el cable de resistencia y mayores tensiones residuales en la funda. El segundo cambio es el uso de varias pasadas de estampado con recocido provisional. Una reducción del 15 % y luego un recocido para aliviar las tensiones de la vaina, seguido de una segunda reducción del 15 %, puede proporcionar una alta densidad de MgO en vainas de paredes gruesas-sin exceder los límites de formabilidad de los tubos 316. El tercer cambio es modificar la especificación del polvo de MgO: las partículas de MgO angulares y gruesas se compactan más fácilmente que los polvos esféricos finos. Un grado de MgO de alta densidad con distribución regulada del tamaño de partículas puede aumentar la densidad final entre 0,1 y 0,2 g/cm3 para las mismas condiciones de estampado. Cada uno de estos ajustes aumenta el costo de fabricación. Pero el costo se justifica en situaciones donde las paredes gruesas son imprescindibles.

Matriz de selección de espesor de pared y densidad de MgO para un rendimiento dieléctrico confiable
La siguiente tabla muestra combinaciones adecuadas de espesor de pared de vaina 316 y requisitos de fabricación para obtener una densidad mínima aceptable de MgO de 2,8 g/cm 3 y una rigidez dieléctrica superior a 10 kV/mm a temperatura ambiente.

Espesor de pared de estampado requerido 316 Reducción de estampado recomendada Número recomendado de pasadas de estampado Densidad de MgO alcanzable Consideraciones especiales
0,8 – 1,0 mm 15 – 20 % Una sola pasada 3,0 – 3,2 g/cm³ Método estándar, bajo coste
1,0 – 1,2 mm 18 – 22 % Una pasada 2,9 – 3,1 g/cm³ Procedimiento estándar adecuado 1,2 – 1,4 mm 20 – 25 % Una pasada ligera o doble 2,8 – 3,0 g/cm³ Confirmar con prueba de muestra 1,4 – 1,6 mm 25 – 30 % Se recomienda una pasada doble 2,7 – 2,9 g/cm³ Se necesita un grado de MgO de alta densidad
1,6 – 1,8 mm 28 – 32% Se necesita doble pasada 2,6 – 2,8 g/cm3 Marginal, se requieren pruebas de calificación
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Recocido intermedio de doble paso 2,5-2,7 g/cm³ No recomendado para voltajes superiores a 120 V > 2,0 mm No es posible No es posible Por debajo de 2,5 g/cm³ Utilice un diámetro más pequeño o una aleación diferente
Para cualquier calentador con un voltaje de funcionamiento superior a 250 VCA, la densidad mínima permitida de MgO debe aumentarse a 3,0 g/cm3, lo que restringe efectivamente el espesor máximo de pared de la funda 316 a 1,2 mm, a menos que se apliquen procedimientos especiales de estampado. En aplicaciones de alto voltaje superiores a 600 VCA (que se observan a menudo en algunos equipos industriales y mineros), el espesor de la pared del revestimiento debe mantenerse por debajo de 1,0 mm para mantener una rigidez dieléctrica aceptable o el calentador debe construirse con un blindaje metálico, conectado a tierra y separado del aislamiento de MgO.

Métodos de prueba y validación del aseguramiento de la calidad de la producción.
No se confía únicamente en las relaciones teóricas debido a las variaciones introducidas por el equipo de estampado, la técnica del operador y las tolerancias de la tubería entrante. Si especifican calentadores con espesores de pared superiores a 1,4 mm, los ingenieros deben exigir al fabricante que proporcione mediciones de la densidad de MgO a partir de muestras de producción. Esto generalmente se hace cortando una porción del calentador y midiendo la masa y el volumen del polvo compactado. La densidad mínima debe mencionarse como un requisito de calidad de 2,8 g/cm3 y no como un objetivo. Los calentadores terminados también deben probarse para determinar su rigidez dieléctrica. La prueba habitual es 1500 VCA más el doble del voltaje operativo aplicado durante un minuto entre el cable de resistencia y la funda. Eso es 1.500 + 480=1.980 VCA para un calentador de 240 V. Las vainas-de paredes gruesas con densidad marginal de MgO generalmente pasan esta prueba a temperatura ambiente, pero no cuando se calientan a la temperatura de funcionamiento porque la rigidez dieléctrica del MgO disminuye con la temperatura. La mejor validación se obtiene realizando pruebas de resistencia de aislamiento en caliente a 500 grados. La resistencia de aislamiento térmico de los calentadores industriales normalmente no es inferior a 1 megaohmio, aunque es deseable 10 megaohmios para una vida útil más larga. Las fallas en el campo por ruptura dieléctrica son costosas y a menudo peligrosas. El gasto adicional de especificar una funda más delgada o un estampado más vigoroso para lograr la densidad de MgO es menor en comparación con el costo de un reclamo de garantía o, peor aún, una incidencia de descarga eléctrica.