¿Por qué los tubos calefactores eléctricos con revestimiento de acero inoxidable 316 con rellenos dieléctricos internos con boro-agregado resisten la degradación de la corriente de fuga de CA en gabinetes con alta-humedad más eficazmente que los rellenos de óxido de magnesio estándar?

Closed, high-humidity situations where electric heating tubes can fail due to a mechanism that is not connected to external sheath corrosion include outdoor control cabinets, marine engine rooms and food processing equipment washdown zones. Over time the internal electrical insulation between the resistance heating wire and the metal sheath breaks down due to moisture migrating via terminal seals or microscopic sheath flaws. Standard compacted magnesium oxide (MgO) filler has good thermal conductivity and dielectric strength when dry, but is hygroscopic. MgO readily absorbs moisture from the atmosphere producing magnesium hydroxide (Mg(OH)2) on the particle surface which causes the electrical resistivity to drop from the required >100 MΩ a menos de 1 MΩ, lo que provoca el disparo de la corriente de fuga y la activación de la protección de falla a tierra. Entre ellos, se sabe que los aditivos que contienen boro-, concretamente el óxido de boro (B 2 O 3 ) o el borato de magnesio (Mg 3 B 2 O 6 ), reaccionan químicamente con el agua para generar una capa permanente de borato hidratado no-higroscópico que sella las superficies de las partículas contra la absorción adicional de humedad cuando se mezcla con MgO al 2-5 % en peso. Este artículo caracteriza la cinética de absorción de humedad y la resistencia a la degradación eléctrica de los rellenos de MgO modificado con boro-en relación con el MgO estándar en vainas de acero inoxidable 316 en ambientes de 40 a 60 grados y 95 % de humedad relativa, proporcionando orientación sobre la selección de rellenos para aplicaciones de alta-confiabilidad donde la integridad de la falla a tierra es crítica.

Acción higroscópica de un relleno de óxido de magnesio estándar en tubos calefactores sellados
The compacted MgO filler in electric heating tubes has three functions: electrical insulation between the center wire and the sheath, thermal conduction from the resistance wire to the sheath, and mechanical support to preserve wire concentricity. Commercial MgO includes 96 to 99 percent MgO with small amounts of impurities such as calcium oxide (CaO), silicon dioxide (SiO₂) and iron oxides. The surface of MgO particles may rapidly chemisorb water vapour, which results in a coating of Mg(OH)2 on the surface MgO + H2O Mg(OH)2 (reaction 1). This process is exothermic and will proceed even at relative humidities as low as 30-40%. After formation, Mg(OH) 2 exhibits two problematic properties. Its electrical resistivity is ~10 6 -10 8 Ω.cm as compared to >10 14 Ω.cm for dry MgO. It also deliquesces at relative humidities >75-80%, lo que da como resultado la formación de una solución conductora que conecta el cable calefactor y la funda.

En un tubo calefactor con sellos terminales intactos, el relleno interno permanece seco para siempre. Sin embargo, en la práctica, los sellos terminales (generalmente caucho de silicona o epoxi) se deterioran con el ciclo de calor y la exposición a los rayos UV, y se forman microfisuras de 10 a 100 micrómetros de ancho. Estas grietas permiten la entrada de aire húmedo. Una vez que la humedad llega al relleno de MgO, la degradación de la resistividad sigue un proceso de 3 etapas. Etapa uno: hidroxilación superficial de las capas externas de partículas de MgO, aumentando la corriente de fuga en un 10-100. Segunda etapa: aumento de la hidratación interna con hinchazón que puede agrietar la vaina por la presión interna. Etapa tres: creación de un canal electrolítico desde el cable calefactor hasta la funda, lo que genera corrientes de falla a tierra superiores a 5 a 10 mA y activa los dispositivos de corriente residual (RCD). Los datos de campo de instalaciones de calentadores industriales exteriores confirman que el IR de las fundas 316 con relleno de MgO convencional cae por debajo de 1 MΩ después de 6 a 18 meses en condiciones con 95% de HR.

Mecanismo del aditivo de boro: sellado químico de partículas de MgO
Estamos agregando compuestos de boro al relleno de MgO para construir una barrera de hidratación auto-limitante utilizando la química del ácido bórico. Las especies de boro adsorben preferentemente la primera monocapa de agua y reaccionan para generar una fina capa de óxido de boro hidratado (H3BO3 o B2O3·3H2O) en las superficies de las partículas cuando B2O3 o borato de magnesio se mezclan con MgO al 2-5 % en peso. Tres aspectos importantes de esta capa hidratada son: En primer lugar, su presión de vapor de agua en equilibrio es mucho menor que la del Mg(OH)2, por lo que se forma rápida y completamente antes de cualquier hidratación apreciable del MgO. En segundo lugar, la lámina continua y amorfa de borato hidratado encierra completamente cada partícula de MgO. En tercer lugar, la película es estable y no-higroscópica por encima de los 60-80 grados - el rango de temperatura que encuentra el relleno dentro de un tubo calefactor operativo (generalmente 150-300 grados cerca del cable, pero hasta 50-100 grados cerca de la funda durante los ciclos fuera de ciclo).

Una vez formado, el recubrimiento de borato evita que el agua se difunda más hacia el MgO subyacente. La reacción es autolimitada ya que el espesor de la película (normalmente 50-200 nm) deja de crecer cuando ha reaccionado todo el boro accesible en la superficie de la partícula. A diferencia del Mg(OH)2, que crece hacia adentro a medida que el agua se difunde a través de la capa de hidróxido, la película de borato tiene una difusividad del agua muy baja (aproximadamente. 10-14 cm2/s a 50 grados frente a . 10-10 cm2/s para Mg(OH)2). Esta barrera cinética aumenta el tiempo hasta una falla eléctrica sustancial en un factor de 10 a 50 para las mismas condiciones de intrusión de humedad.

Rendimiento eléctrico relativo bajo pruebas de humedad acelerada
Se realizaron pruebas de humedad acelerada en 316 tubos calefactores revestidos de acero inoxidable (pared de 1,2 mm, diámetro exterior de 10 mm, potencia nominal de 1,5 kW, 230 V) con tres composiciones de relleno interiores. Los tubos se sellaron con sellos terminales de caucho de silicona estándar y se colocaron en una cámara de temperatura-humedad a 60 grados, 95 % de humedad relativa, y los calentadores estaban apagados, salvo para mediciones ocasionales de resistencia de aislamiento (medidas a 500 V CC). El período de prueba fue de 2000 horas, lo que corresponde a unos 2-3 años de exposición en el campo en recintos húmedos.

Tipo de relleno Contenido de boro (% en peso como B₂O₃) IR inicial a 25 grados (MΩ) IR después de 500 horas a 60 grados/95 % HR (MΩ) IR después de 1000 horas (MΩ) IR después de 2000 horas (MΩ) Modo de falla (IR < 1 MΩ)
MgO estándar (grado industrial)<0.1% >1000 18 2.2 0.3 1650 h
MgO de alta-pureza (99,9 %, calcinado)<0.05% >1000 45 5.6 0.8 1850 horas
Boron-modified MgO (mixed with B2O3) 2.5% >1000 320 95 28 >2000 (sin fallas)
Co-sintered MgO-magnesium borate 4.0% (as Mg₃B₂O₆) >1000 560 210 86 >2000 (sin fallas)
Boron-modified + hydrophobic-treated 3.0% B2O3 + silane coating >1000 780 430 190 >2000 (sin fallas)
El rendimiento más alto lo demostró el material co-borato de magnesio-MgO, donde el boro se integró en la red cristalina de MgO durante la calcinación a alta temperatura, en lugar de mediante una simple mezcla, con una resistencia de aislamiento de más de 80 MΩ después de 2000 horas de pruebas de humedad aceleradas. Esta es una mejora de 100 veces con respecto al MgO normal para la misma duración de la prueba.

Dependencia de la temperatura de la resistencia a la humedad de las cargas modificadas con boro-
La eficiencia de los rellenos modificados con boro-depende de la temperatura del sello terminal y del extremo frío de la funda, donde normalmente entra la humedad y la temperatura del relleno puede ser de solo 40 a 80 grados. Por debajo de los 60 grados, la hidratación de las partículas de boro es lenta y el boro sin reaccionar aún puede permitir que se produzca cierta hidratación del MgO durante largos períodos de tiempo. Sin embargo, durante el funcionamiento del calentador, el extremo frío normalmente está entre 80 y 120 grados debido al calor transmitido. A estas temperaturas, la reacción de sellado del borato se acelera y la humedad que ingresa se consume rápidamente para generar el recubrimiento de borato hidratado estable.

Pruebas prolongadas a temperatura constante (sin ciclos de calentamiento) muestran el límite de temperatura para una protección eficaz contra el boro:

30 grados, 95 % HR: relleno modificado con boro > 3000 horas IR > 100 MΩ, MgO estándar 800-1000 horas.

50 grados, 95 % HR (a) El relleno modificado con boro- sobrevive 2000 horas con poco deterioro. El MgO estándar falla entre 400 y 600 horas.

70°C, 95% RH: Boron modified filler IR >200 MΩ después de 2000 horas; El MgO regular falla entre 200 y 300 horas.

90°C, 95% R.H.: Both fillers work reasonably (>10 MΩ después de 2000 horas). Las altas temperaturas eliminan la humedad absorbida.

Para calentadores sin energía en entornos de espera fríos y húmedos (por ejemplo, equipos de temporada, calentadores de respaldo), la temperatura del extremo frío puede ser la ambiente. En estas situaciones, el relleno modificado con boro-proporciona una mejora 3-5 veces mayor en la resistencia a la humedad que el MgO normal, pero no puede evitar el deterioro final si la intrusión de humedad es implacable. Para aplicaciones de espera en frío, la respuesta son terminales herméticamente sellados (sellos de vidrio-a-metal) o un calentador de bajo voltaje (5-10% de la potencia nominal) que mantiene la temperatura del extremo frío por encima de 60 grados.

Pruebas de campo de gabinetes de control marinos y exteriores
Un estudio de campo siguió el rendimiento de 316 tubos de calefacción revestidos de acero inoxidable montados en gabinetes de control exteriores (marcados como NEMA 4X, pero con condensación interior) en una planta de tratamiento de aguas residuales costera. Condiciones ambientales: 20 a 35 grados, 60 a 95 % de humedad relativa, niebla salina en el aire (deposición de cloruro de 0,1 a 0,5 mg/m3). La resistencia del aislamiento se evaluó cada tres meses durante 36 meses para 50 calentadores con relleno de MgO regular y 50 calentadores con MgO modificado con boro-(tipo borato de magnesio co-sinterizado).

Resultados para calentadores de MgO típicos: IR promedio 45 MΩ (rango 8–210 MΩ) después de 6 meses. Después de 12 meses, 22 calentadores (44%) tenían IR < 1 MΩ y activaron la protección de falla a tierra. Cuarenta-un (82%) calentadores fallaron a los 24 meses. Después de 36 meses, 48 ​​calentadores (96 por ciento) habían fallado. El principal punto de falla fue el extremo frío del sello del terminal y se encontró que el relleno era gris oscuro y conductor.

Resultados para calentadores de MgO modificado con boro-: la IR promedio después de 12 meses fue de 280 MΩ (rango de 110 a 650 MΩ). Después de 24 meses, la IR promedio fue de 95 MΩ (rango 22–310 MΩ) y solo 3 calentadores (6%) tuvieron IR por debajo de 1 MΩ. A los 36 meses, la IR promedio fue de 52 MΩ (rango 8-180 MΩ) y fallaron 8 calentadores (16%). Esto supone un aumento de 20-veces en la vida útil efectiva respecto al MgO normal para este entorno húmedo y cargado de sal, como se ve en la tasa de supervivencia mejorada del 84 % después de 36 meses frente al 4 %. Análisis de la causa raíz De las ocho fallas, cinco exhibieron daños visibles en el sello del terminal (fundas de silicona agrietadas) y tres se instalaron con el extremo frío del calentador apuntando hacia arriba, lo que permitió que la condensación se drenara hacia la región del terminal, un error de instalación que ni siquiera el relleno modificado con boro pudo compensar por completo.

Idioma de especificación de calentadores de gabinete de alta humedad
Para los tubos de calefacción eléctrica envueltos en acero inoxidable 316 especificados para recintos donde la humedad relativa puede exceder regularmente el 80 % o donde es probable que se produzca condensación, los ingenieros deben indicar los criterios de composición del relleno en las especificaciones de compra. La carga dieléctrica interna será óxido de magnesio modificado con óxido de boro o borato de magnesio con un contenido mínimo de boro correspondiente al 2,5% en peso de B2O3. El MgO co-sinterizado dopado con boro es favorable para los compuestos de boro mezclados mecánicamente. Se evaluará la resistencia a la humedad del relleno según IEEE Std 515 Anexo C (resistencia de aislamiento de 500 V CC después de 500 horas a 60 grados, 95 % de humedad relativa). El IR mínimo permitido será de 50 MΩ. Para aplicaciones donde la confiabilidad absoluta es crítica, como calentadores relacionados con la seguridad nuclear-o calentadores en plataformas marinas no tripuladas, especifique terminales herméticamente sellados con sellos de vidrio-a-metal además de relleno modificado con boro- y requiera un circuito de mantenimiento-activo para mantener una temperatura final fría- mínima de 65 grados cuando el calentador principal está apagado.

El conocimiento de que el proceso de falla no es la corrosión de la vaina, sino la higroscopia interna del relleno, permite a los ingenieros especificar MgO modificado con boro-, para evitar la lenta degradación eléctrica que siempre sufren los rellenos comunes. El costo adicional del relleno modificado con boro- (generalmente entre el 10% y el 15% del costo de producción del calentador) se amortiza rápidamente mediante un menor mantenimiento, menos fallas molestas a tierra y ciclos de reemplazo de calentadores más largos.