¿Cómo afecta el espesor de la pared de la cubierta de acero inoxidable 316 a la trayectoria de la corriente de fuga eléctrica y a la degradación de la resistencia del aislamiento en entornos de alta-humedad?

Los inspectores de seguridad eléctrica y los ingenieros de control de calidad que trabajan con calentadores eléctricos de inmersión en aplicaciones exteriores, procesamiento de alimentos y fabricación farmacéutica siempre están preocupados por la degradación de la resistencia del aislamiento en entornos de alta humedad. El aislamiento de óxido de magnesio alrededor del cable de resistencia es higroscópico, lo que significa que absorbe la humedad del aire cuando el calentador no está energizado si la funda no está completamente sellada. La humedad absorbida reduce la resistencia aislante. Esto provoca que fluya una corriente de fuga que podría activar los sistemas de prevención de fallas a tierra y, en situaciones extremas, causar peligro de descarga eléctrica. El espesor de la pared del material de la funda de acero inoxidable 316 afecta tanto a la tasa de intrusión de humedad como a la longitud del canal eléctrico para la corriente de fuga. Este artículo evalúa el espesor de la pared de la funda, la difusión de humedad y las relaciones de degradación de la resistencia del aislamiento y proporciona sugerencias de selección para servicios de alta humedad.

Difusión de humedad a través de fundas y sellos finales de acero inoxidable 316
El vapor de agua puede difundirse a través de la pared de la funda de acero inoxidable 316 o a través de los sellos de los extremos donde el cable de resistencia sale de la funda, permeando así el aislamiento de MgO. La permeabilidad del acero inoxidable 316 al vapor de agua es muy baja, pero no nula. La tasa de penetración de vapor de agua en estado estacionario a través de 316 de 1,0 mm de espesor a 40 grados y 100% de humedad relativa es de alrededor de 0,001 g/m2/día. Esto equivaldría a menos de 0,4 gramos de agua difundidos por metro cuadrado de superficie de la funda en un año, lo que es insignificante para los tamaños normales de calentadores. El principal mecanismo de infiltración de humedad es a través de poros microscópicos en los sellos de los extremos, particularmente en el contacto entre la funda, el MgO y las perlas terminales de cerámica. Para vainas de paredes delgadas por debajo de 1,0 mm, la flexibilidad mecánica de la vaina permite una deformación menor durante el ciclo térmico que abre y cierra espacios en los sellos de los extremos bombeando aire húmedo al MgO. Sin embargo, su mayor rigidez impide esta acción de bombeo para vainas de paredes gruesas-por encima de 1,8 mm, lo que disminuye las tasas de intrusión de humedad en un factor de 5 a 10. Por lo tanto, la influencia del espesor de la pared en la entrada de humedad es indirecta, pero importante: las paredes más gruesas retienen mejor la integridad del sello del extremo bajo el ciclo térmico.

Espesor de la pared de la vaina y longitud del recorrido de la corriente de fuga
Una vez que la humedad penetra en el MgO, la resistencia aislante se reduce porque las moléculas de agua crean canales conductores a lo largo de la superficie de los granos de MgO. La corriente de fuga eléctrica desde el cable de resistencia hasta la funda 316 conectada a tierra se guió radialmente a través de la capa de MgO. La resistencia de este camino es R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L) donde rho es la resistividad del MgO húmedo, r2 y r1 son los radios exterior e interior de la capa de MgO y L es la longitud calentada. Aumentar el espesor de la pared de la vaina en realidad disminuye el espesor de la capa de MgO para un determinado diámetro de la vaina exterior y un diámetro de alambre de resistencia fijo, ya que la vaina ocupa más espacio radial. Una pared más gruesa equivale a menos MgO entre el cable y la funda. Esta distancia radial más pequeña conduce a una resistencia de aislamiento más baja para un contenido de humedad dado y, por lo tanto, exacerba los problemas de corrientes de fuga. Por ejemplo, considere una funda de 10 mm de diámetro exterior con un cable de resistencia de 3 mm de diámetro. El espesor de la capa de MgO es 10 - 2×1.0 - 3=5 mm, mientras que el espesor de la pared es 1,0 mm. Con un espesor de pared de 2,0 mm, el espesor de la capa de MgO es de 10 - 4 - 3=3 mm. La capa más delgada de MgO disminuye la resistencia del aislamiento radial en aproximadamente un 40% para la misma resistividad de MgO. Por lo tanto, las vainas de paredes gruesas-son más vulnerables a una baja resistencia de aislamiento en caso de infiltración de humedad, ya que hay menos MgO que obstruya el canal de corriente de fuga.

Espesor de pared crítico para la integridad del sello final
La siguiente tabla proporciona espesores de pared de revestimiento 316 sugeridos para calentadores eléctricos de inmersión para situaciones de alta humedad, según la frecuencia del ciclo térmico anticipada y la resistencia de aislamiento necesaria después de un almacenamiento prolongado o un tiempo de inactividad. Los valores suponen una construcción típica de sello de extremo con perlas de cerámica y sellos de epoxi o silicona.

Ambiente de humedad Número esperado de ciclos térmicos por año Espesor de pared mínimo recomendado 316 Espesor de pared máximo recomendado 316 Resistencia de aislamiento esperada después de un año en alta humedad Penetración de humedad 2. Mecanismos dominantes
Humedad elevada ocasional (menos del 50 % del tiempo) Menos de 100 0.8 mm 1,6 mm Más de 100 megaohmios Difusión del sello final
Humedad constantemente alta (80-100 % HR) Menos de 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 megaohmios Difusión Sello final
Humedad alta constante con ciclos térmicos diarios 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 megaohmios Bombeo térmico en los sellos de los extremos
Humedad de condensación (lavado frecuente o rocío) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 megaohmios Bombeo térmico y entrada directa
Humedad Compresión Lavado a presión Cualquiera 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 megaohmios Se requiere sello hermético, entrada directa de agua
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1000 megaohmios El calor elimina la humedad; sin deterioro
Sin embargo, se recomienda una funda 316 de 1,6 mm o más de espesor para aplicaciones con alta humedad continua y ciclos de temperatura frecuentes, incluso si se redujera el espesor de la capa de MgO. La ventaja de la integridad del sello del extremo supera la desventaja de la longitud reducida de la ruta de fuga. En tales entornos, los ingenieros también deben especificar un diseño de sello terminal resistente a la humedad, por ejemplo, un sello hermético de vidrio-a-metal o una doble barrera epóxica con una cámara de secado intermedia.

Diseño de cambios para mejorar la resistencia del aislamiento de las cubiertas de paredes delgadas-
En condiciones de alta-humedad donde una funda-316 de paredes delgadas<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.