Koja maksimalna dozvoljena vršna hrapavost (Rz) na unutrašnjem prečniku 316 cijevi omotača grijača sprječava lokalizirano pregrijavanje zbog varijacije kontaktnog otpora s MgO izolacijskim slojem

Skrivena varijabla teksture površine provrta u ujednačenosti prijenosa topline

Završna obrada unutrašnjeg promjera površine, tj. hrapavost vrha (Rz, prosječna maksimalna visina površinskih vrhova) 316 cijevi za električno grijanje omotanih od nehrđajućeg čelika je kritičan faktor za kontrolu kontaktnog otpora između omotača i zbijenog izolacijskog sloja magnezijevog oksida (MgO). Za grubu unutrašnju površinu sa visokim vrhovima (Rz > 10-15 µm), prah MgO se neujednačeno zbija: visoki kontaktni pritisak na vrhovima rezultira većom lokalnom toplotnom provodljivošću, dok doline (sa nižim kontaktnim pritiskom ili vazdušnim prazninama) rezultiraju regionima veće toplotne otpornosti. Posljedična fluktuacija prijenosa topline oko obima i dolje po osi može dovesti do lokalnog pregrijavanja otporne žice na vrhovima (gdje je ekstrakcija topline najefikasnija) ili u dolinama (gdje se toplina akumulira). Kada je Rz veći od 20 mikrona, mogu se pojaviti lokalne temperaturne fluktuacije od 50-100 stepeni C, smanjujući vijek trajanja žice za 2-5 puta. U ovoj studiji kvantificirana je korelacija unutrašnjeg prečnika Rz, ujednačenosti kontaktnog otpora i vijeka trajanja grijača.

Mehanizam varijacije kontaktnog otpora sa površinskom teksturom

Toplotna provodljivost zbijenog MgO praha nije konstanta materijala, već jako ovisi o kontaktnom pritisku između MgO i omotača. Na mjestima gdje unutrašnja površina omotača ima vrhunac, lokalni kontaktni pritisak je značajan (zbog ljuskanja) i prisiljava kristale MgO u prisan kontakt s metalom. U dolini, gdje je površina najmanje zbijena, ostavljeni su vazdušni praznini (toplotna provodljivost=0.03 W/m·K) koji služe kao toplotni izolatori. Pad temperature preko vazdušnog jaza je 50-200 puta veći nego u čvrsto zbijenom području MgO za sličan protok toplote. Suštinski parametar je hrapavost vrha Rz (visina od najniže doline do najvišeg vrha) budući da najdublje doline stvaraju najveći toplinski otpor. Rz vrijednosti unutrašnjih prečnika veće od 10-15 µm dovešće do uočljivih vrućih tačaka.

Kvantifikovana korelacija između unutrašnjeg prečnika Rz i ujednačenosti temperature

Analiza konačnih elemenata, potkrijepljena mjerenjima termoelementa na 316 omotača (10 mm OD, 1,5 mm zid, NiCr žica), sa različitim završnim obradama površine unutrašnjeg prečnika, utvrdila je sljedeće veze između Rz, varijacije temperature i vijeka trajanja žice.

Rz (µm) of inner diameter (peak roughness) Surface texture (Ra equivalent, µm) Range of local contact pressure variation at MgO interface (MPa)Maximum Circumferential Sheath Temperature Variation at 6 W/cm² (°C) Maximum Wire Temperature Variation (°C) Time to Wire Burnout Relative to Rz=5 µm Baseline Recommended for Power Density >5 W/cm²<5 (electropolished bore) <0.4 <10 <5 <10 1.0× (baseline) Yes 5-8 (finish drawn) 0.4-0.6 10-20 5-10 10-20 0.9-1.0× Yes 8-10 (as-drawn, good) 0.6-0.8 15-30 8-15 15-30 0.8-0.9× Acceptable 10-12 (as-drawn, average) 0.8-1.0 20-40 12-25 25-45 0.6-0.8× Marginal 12-15 (rough drawn) 1.0-1.2 30-60 20-40 40-70 0.4-0.6× Not recommended 15-20 (very rough) 1.2-1.5 40-80 30-60 60-100 0.2-0.4× Unacceptable >20 (scored or galled) >1.5 >80 >60 >100 <0.2× Unacceptable
Utjecaj gustine snage na Rz osjetljivost

Štetni efekat visokog Rz raste sa povećanjem gustine snage jer ista varijacija toplotnog otpora daje veći apsolutni porast temperature.

Gustina snage (W/cm^2) Maksimalno dozvoljeni Rz za 10.000 sati trajanja žice (um) Maksimalno dozvoljeni Rz za 5.000 sati trajanja žice (um) Preporučena specifikacija za standardnu ​​uslugu<3 15 20 Rz <12 3-4 12 15 Rz <10 4-5 10 12 Rz <10 5-6 9 11 Rz <8 6-8 7 9 Rz <7 8-10 6 7 Rz <6 (electropolish bore)10 5 6 Rz <5 (electropolish needed)
Završna obrada: praktična specifikacija unutrašnjeg prečnika

Rijetko je da se površinska obrada unutrašnjeg prečnika navede u standardnim tehničkim listovima za kupce koji navode 316 grijača s plaštom. Preporučeni jezik specifikacije za aplikacije velike gustine snage ili produženog vijeka trajanja je sljedeći:

Power Density >5 W/cm2 Ciljani vijek trajanja Rz (µm) Maksimalni unutrašnji prečnik Ra (µm) Maksimalni unutrašnji prečnik Mfg Proces Potrebna metoda verifikacije 20.000 sati<6 <0.5 Electropolished bore + final draw Surface profilometer on tube ID 10,000-20,000 hours <8 <0.6 Fine drawn (diamond or ceramic die) Sample sectioning + measurement 5,000-10,000 hours <10 <0.8 Standard polished mandrel drawn Manufacturer certification <5,000 hours <15 <1.2 As drawn (suitable for low power)Not applicable
Terenska identifikacija vrućih tačaka izazvanih Rz

If the heater burns out in the wire with no outward signs of scale or corrosion and the position of the burnout is not related to any obvious external feature, then inner diameter roughness should be questioned. Destructive examination of the failed heater (i.e. opening the sheath at the region of the burnout) shows a deep valley on the inner surface (visible to the naked eye or under low magnification) corresponding to the position of the burnout. The inner diameter at the failure location measured with a profilometer will show Rz >15-20 µm. Susjedni dijelovi (sa preživjelom žicom) imaju niži Rz. Za takve kvarove lijek je postavljanje donje granice Rz za buduće kupovine. Grijač se ne može popraviti.

Utjecaj završne obrade unutrašnjeg prečnika na zbijanje MgO

Čak i sa dobrim unutrašnjim prečnikom Rz (<10 µm) uneven MgO compaction can cause comparable hotspots. The amount of swage reduction (often 15 to 20 percent reduction in OD) must be enough to drive the MgO into the valleys. A decrease of <12% leads to undercompacted valleys, so Rz becomes more important. >Smanjenje od 18% osigurava da su čak i duboka korita napunjena MgO, ali može oštetiti otpornu žicu. Najbolja redukcija zatezanja za datu završnu obradu unutrašnjeg prečnika je:

Unutarnji prečnik Rz (µm) Preporučeno minimalno smanjenje zatiska (%) Preporučeno maksimalno smanjenje zatiska (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 Ne preporučuje se N/A
ZAKLJUČAK: Definicija unutrašnjeg prečnika Rz za grejače velike snage

Za električne cijevi za grijanje s omotačem od nehrđajućeg čelika 316 pri gustini snage > 5 W/cm 2, vršna hrapavost (Rz) unutrašnjeg prečnika utiče na pravilnost kontaktnog otpora sa MgO izolacionim slojem. Vrijednosti Rz iznad 10 do 12 µm uzrokuju lokalne vruće tačke sa temperaturnim promjenama od 25 do 70 stepeni i smanjuju vijek trajanja žice za 40 do 60% u poređenju sa cijevima sa glatkim{10}}profilom. Prilikom naručivanja 316 omotača za primjenu velike-i dugotrajne{14}}uporabe, inženjeri moraju specificirati maksimalni unutrašnji prečnik Rz kriterij (npr.<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15.000 sati), elektropolirani provrt (Rz<6 µm) is recommended.