Προκλήσεις ηλεκτρικής μόνωσης σε κρυογονικούς θερμαντήρες φυσιγγίων – Τι πρέπει να γνωρίζει κάθε μηχανικός
Η μόνωση οξειδίου του μαγνησίου μέσα σε ένα θερμαντήρα φυσιγγίων φαίνεται αρκετά απλή. Διατηρεί το καλώδιο αντίστασης από το να αγγίζει το μεταλλικό περίβλημα, αποτρέποντας τα ηλεκτρικά σορτς ενώ επιτρέπει τη ροή της θερμότητας από το καλώδιο προς τη θήκη. Σε εφαρμογές θερμοκρασίας δωματίου-, αυτό λειτουργεί άψογα. Σε κρυογονικές θερμοκρασίες, ωστόσο, η μόνωση γίνεται ένα από τα πιο κρίσιμα και ευάλωτα εξαρτήματα σε ολόκληρο το σύστημα.
Το οξείδιο του μαγνησίου υψηλής καθαρότητας-είναι εξαιρετικός ηλεκτρικός μονωτήρας και θερμικός αγωγός. Συμπιέζεται γύρω από το σύρμα αντίστασης σε υψηλή πίεση, επιτυγχάνοντας συνήθως πυκνότητες που υπερβαίνουν τα 3,2 γραμμάρια ανά κυβικό εκατοστό. Σε αυτές τις πυκνότητες, η μόνωση παρέχει διηλεκτρική αντοχή επαρκή για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές, ενώ μεταφέρει τη θερμότητα αποτελεσματικά από το σύρμα αντίστασης στο περίβλημα.
Το πρόβλημα είναι ότι το οξείδιο του μαγνησίου είναι υγροσκοπικό. Απορροφά την υγρασία από τον αέρα. Οποιοσδήποτε υδρατμός παγιδευτεί μέσα στο σώμα του θερμαντήρα κατά την κατασκευή ή που διαρρέει ατελείς σφραγίδες με την πάροδο του χρόνου, θα απορροφηθεί από το οξείδιο του μαγνησίου. Σε θερμοκρασία δωματίου, αυτή η υγρασία μπορεί να προκαλέσει μια ελαφρά μείωση της αντίστασης μόνωσης, αλλά σπάνια οδηγεί σε άμεση αστοχία. Σε κρυογονικές θερμοκρασίες, η κατάσταση αλλάζει δραματικά.
Όταν το νερό παγώνει, διαστέλλεται κατά περίπου εννέα τοις εκατό σε όγκο. Μέσα στο συμπιεσμένο οξείδιο του μαγνησίου, αυτή η διαστολή δημιουργεί πιέσεις που σπάνε τη μόνωση. Τα κατάγματα δημιουργούν κενά που μειώνουν τη διηλεκτρική αντοχή και παρέχουν μονοπάτια για ηλεκτρικό εντοπισμό. Μόλις ξεκινήσει η παρακολούθηση, η αντίσταση μόνωσης πέφτει γρήγορα και ο θερμαντήρας αποτυγχάνει.
Η λύση ξεκινά με την κατασκευή. Οι θερμαντήρες φυσιγγίων υψηλής ποιότητας για κρυογονική υπηρεσία χρησιμοποιούν διαδικασίες πλήρωσης{1}}κενού που εξαλείφουν τα κενά στη συμπύκνωση του οξειδίου του μαγνησίου. Μετά{3}}ψήσιμο-κατασκευής στους 120 έως 150 βαθμούς Κελσίου αφαιρέστε την υπολειμματική υγρασία πριν από την αποστολή. Η ερμητική στεγανοποίηση με χρήση κεραμικών-σε-συνδέσεων μετάλλου ή εξειδικευμένων εποξειδικών ενώσεων αποτρέπει την είσοδο υγρασίας κατά τη διάρκεια του σέρβις.
Στεγανοποιήσεις από γυαλί-σε-μεταλλικά που χρησιμοποιούν κράματα σιδήρου{-νικελίου-κοβαλτίου με αντίστοιχους συντελεστές θερμικής διαστολής δημιουργούν μόνιμα, σφιχτά εμπόδια στο κενό-. Αυτές οι σφραγίδες διατηρούν την ακεραιότητά τους μέσω χιλιάδων θερμικών κύκλων, σε αντίθεση με τις τυπικές εποξειδικές σφραγίδες που υποβαθμίζονται με τον κύκλο της θερμοκρασίας. Οι εσωτερικοί δέκτες υγρασίας παρέχουν πρόσθετη προστασία, απορροφώντας τυχόν υπολειμματική υγρασία από την κατασκευή ή ελάχιστη διαρροή κατά τη διάρκεια ζωής.
Η ηλεκτρική συμπεριφορά της μόνωσης αλλάζει επίσης σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Το τυπικό οξείδιο του μαγνησίου υφίσταται ανεπαίσθητες κρυσταλλικές αλλαγές σε αυτές τις θερμοκρασίες, δυνητικά διακυβεύοντας τη διηλεκτρική αντοχή όταν λαμβάνει χώρα εισροή υγρασίας κατά τη διάρκεια του θερμικού κύκλου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η δοκιμή αντίστασης μόνωσης είναι κρίσιμη για κρυογονικές εφαρμογές. Οι δοκιμές που γίνονται ανά τρίμηνο και όχι ετησίως εντοπίζουν την είσοδο υγρασίας πριν αναπτυχθούν καταστροφικά βραχυκυκλώματα.
Όταν δοκιμάζονται κρύα, οι θερμαντήρες φυσιγγίων σε κρυογονική υπηρεσία θα πρέπει να παρουσιάζουν αντίσταση μόνωσης άνω των 500 megohms. Εάν οι τιμές μειωθούν, υποδηλώνει εισροή υγρασίας ή υποβάθμιση της μόνωσης που απαιτεί άμεση προσοχή. Η πτωτική τάση είναι συχνά πιο κατατοπιστική από μια μεμονωμένη μέτρηση. Η παρακολούθηση της τάσης αντίστασης με την πάροδο του χρόνου αποκαλύπτει αργές αλλαγές στην ποιότητα της μόνωσης και στην ακεραιότητα της στεγανοποίησης.
Το σημείο εξόδου του ηλεκτροδίου είναι ιδιαίτερα ευάλωτο στην είσοδο υγρασίας. Σε ψυχρά περιβάλλοντα, ο θερμικός κύκλος προκαλεί συμπύκνωση στο σημείο εξόδου του ηλεκτροδίου, όταν ο ζεστός, υγρός αέρας από τη θερμάστρα συναντά τον κρύο αέρα από το εξωτερικό. Οι εξειδικευμένοι κρυογονικοί τερματισμοί αποτρέπουν αυτούς τους τύπους αστοχιών. Τα καλώδια μολύβδου με μόνωση{3}}με τεφλόν παρέχουν καλύτερη αντίσταση στην υγρασία από τις τυπικές επιλογές από υαλοβάμβακα ή PVC, αλλά ακόμη και το τεφλόν πρέπει να σφραγίζεται σωστά για να αποφευχθεί η απομάκρυνση της υγρασίας κατά μήκος του αγωγού.
Για εγκαταστάσεις που λειτουργούν πολλαπλά κρυογονικά συστήματα, οι τυποποιημένες διαδικασίες επιθεώρησης μειώνουν τον κίνδυνο αστοχίας της μόνωσης. Η οπτική επιθεώρηση θα πρέπει να επικεντρώνεται ιδιαίτερα στις περιοχές τερματισμού και στις συγκολλημένες αρθρώσεις, αναζητώντας αποχρωματισμό που υποδηλώνει θερμική υπερένταση ή διάβρωση που υποδηλώνει ατμοσφαιρική μόλυνση. Οι δοκιμές αντίστασης μόνωσης πρέπει να γίνονται σε τακτά χρονικά διαστήματα, με τα αποτελέσματα να τεκμηριώνονται για να αποκαλύπτουν τις τάσεις με την πάροδο του χρόνου.
