Po czternastu miesiącach pracy zakład chemiczny wymienił grzałkę zanurzeniową z PTFE o mocy 5 kW. Grzejnik przeszedł test ciągłości, a powłoka nie wykazała widocznych pęknięć. Jednak rezystancja izolacji spadła poniżej 5 MΩ i częste były wyłączenia spowodowane zwarciem doziemnym. Kiedy urządzenie zostało rozcięte w celu analizy, wewnętrzny wypełniacz odbarwił się i zbrylił-zanieczyszczony tlenkiem żelaza, związkami siarczanowymi i wilgocią. Wypełniacz wchłonął chemię procesową poprzez powolną ścieżkę przenikania, a zanieczyszczenia zniszczyły izolację od wewnątrz.
Wewnętrzny wypełniacz-tlenek magnezu lub podobny materiał ceramiczny-jest izolatorem elektrycznym oddzielającym element oporowy od metalowej osłony. W grzałce zanurzeniowej z PTFE wypełniacz jest chroniony przed płynem procesowym przez zewnętrzną osłonę polimerową. Kiedy ta ochrona zostanie naruszona-nawet nieznacznie-, kolejną linią obrony staje się wypełniacz, który ma ograniczoną odporność na wilgoć i ataki chemiczne.
Rola wypełniacza w konstrukcji grzałki zanurzeniowej PTFE
Tlenek magnezu jest wybierany do izolacji elementów grzejnych, ponieważ ma wysoką wytrzymałość dielektryczną, dobrą przewodność cieplną i rozsądną stabilność w wysokich temperaturach. Jest on wtłoczony w przestrzeń pomiędzy elementem oporowym a metalową osłoną, tworząc gęstą, elektrycznie izolującą barierę.
Wysokiej-jakości wypełniacz MgO ma czystość powyżej 99% i gęstość powyżej 3,0 g/cm3. W stanie otrzymanym jest hydrofobowy, co oznacza, że jest odporny na wchłanianie wilgoci. Jednakże MgO jest higroskopijny- i jeśli będzie taka możliwość, będzie absorbował wodę z atmosfery lub płynu procesowego. Po wchłonięciu woda zmniejsza opór izolacji i może reagować z MgO, tworząc wodorotlenek magnezu, który ma niższą wytrzymałość dielektryczną.
| Właściwości wypełniacza | Stan nowy, suchy | Po ekspozycji na wilgoć | Wpływ na grzejnik |
|---|---|---|---|
| Wytrzymałość dielektryczna | >15 kV/mm | 5–10 kV/mm | Zmniejszone napięcie przebicia |
| Rezystancja izolacji | >500 MΩ | <50 MΩ | Ryzyko zwarcia doziemnego |
| Gęstość | 3,0–3,3 g/cm3 | 2,5–2,9 g/cm3 | Zmniejszona przewodność cieplna |
| Czystość | >99% MgO | 90–95% MgO | Zanieczyszczenie, korozja |
| Przewodność cieplna | 30–40 W/m·K | 15–25 W/m·K | Wyższa temperatura płaszcza |
Właściwości wypełniacza przed i po zawilgoceniu i zanieczyszczeniu chemicznym
Jak chemia procesu dociera do wypełniacza
Wypełniacz jest podatny na zanieczyszczenia trzema drogami: przenikaniem przez osłonę PTFE, przedostawaniem się przez uszczelkę końcówki i mechanicznym uszkodzeniem osłony.
Permeacja jest najwolniejszą drogą, ale najczęstszą w agresywnych chemikaliach. Cząsteczki wody, kwasy i rozpuszczone jony dyfundują przez PTFE przez wiele miesięcy pracy. Szybkość zależy od temperatury, składu chemicznego i grubości osłony. Po przejściu przez PTFE zanieczyszczenia migrują do wypełniacza, reagując z nim i zmniejszając jego właściwości izolacyjne.
Wnikanie uszczelki końcowej umożliwia przedostawanie się wilgoci i płynu procesowego do zimnej strefy i przemieszczanie się w dół wypełniacza w kierunku sekcji podgrzewanej. Ta ścieżka jest szybsza niż przenikanie, ale zwykle wpływa tylko na górną część grzejnika w pobliżu końcówki.
Mechaniczne naruszenie-pęknięcie, wyżłobienie lub dziura-umożliwia bezpośredni kontakt płynu procesowego z wypełniaczem. Zanieczyszczenie następuje szybko i jest zlokalizowane, a grzejnik zazwyczaj ulega awarii w ciągu dni lub tygodni.
| Ścieżka zanieczyszczeń | Czas na porażkę | Dotknięty obszar | Spadek rezystancji izolacji | Możliwość naprawy |
|---|---|---|---|---|
| Przenikanie powłoki | 6–18 miesięcy | Pełna podgrzewana długość | Stopniowy | NIE |
| Przedostanie się uszczelki terminala | 1–6 miesięcy | Górna część | Umiarkowane do szybkiego | Czasami |
| Naruszenie mechaniczne | Dni – tygodnie | Zlokalizowane | Szybki | NIE |
Drogi zanieczyszczeń i ich wpływ na wypełniacz z grzałką zanurzeniową PTFE
Reakcje chemiczne, które powodują degradację wypełniacza
Kiedy wilgoć dociera do MgO, reaguje tworząc wodorotlenek magnezu: MgO + H₂O → Mg(OH)₂. Wodorotlenek magnezu ma niższą wytrzymałość dielektryczną i niższą przewodność cieplną niż MgO. Reakcja jest egzotermiczna i wytwarza ciepło, które może dodatkowo przyspieszyć degradację.
Kiedy formy kwasowe docierają do MgO, reagują, tworząc sole magnezu. Kwas siarkowy tworzy siarczan magnezu, który jest rozpuszczalny i przewodzący. Kwas solny tworzy chlorek magnezu, który jest również rozpuszczalny i silnie żrący dla elementu oporowego. Sole te zwiększają przewodność wypełniacza i mogą powodować korozję drutu oporowego.
Szczególnie szkodliwe jest połączenie wilgoci i kwasu. Kwas rozpuszcza MgO, tworząc puste przestrzenie i ścieżki umożliwiające dalsze wnikanie. Element oporowy jest wystawiony na działanie chemii procesowej, a grzejnik ulega awarii od wewnątrz.
Objawy zanieczyszczenia wypełniacza
Zanieczyszczony wypełniacz daje charakterystyczny zestaw objawów, które odróżniają go od innych rodzajów awarii.
Oporność izolacji zmniejsza się stopniowo w ciągu tygodni lub miesięcy. Spadek jest zwykle monotoniczny,-każdy odczyt jest niższy od poprzedniego. Stabilny odczyt, po którym następuje nagły spadek, wskazuje na inny problem, np. uszkodzenie mechaniczne.
W miarę postępu zanieczyszczenia wyzwalania zwarcia doziemnego stają się coraz częstsze. Pierwsze wyłączenie może nastąpić po miesiącach normalnej pracy. Kolejne wyłączenia następują bliżej siebie i ostatecznie nagrzewnica wyłącza się natychmiast po zresetowaniu.
Jeśli zanieczyszczenie zlokalizowane jest w pobliżu pęknięcia, na osłonce może pojawić się odbarwienie lub miękki obszar z pęcherzami. Jednakże w przypadku zanieczyszczeń spowodowanych przenikaniem-powłoka często wygląda na nienaruszoną, nawet jeśli wypełniacz ulega znacznej degradacji.
| Objaw | Zanieczyszczenie wypełniacza | Pęknięcie powłoki | Tworzenie skali |
|---|---|---|---|
| Rezystancja izolacji | Stopniowy spadek | Nagły spadek | Stabilny |
| Wyłączenia spowodowane zwarciem doziemnym | Zwiększanie częstotliwości | Natychmiastowy | Nic |
| Wygląd powłoki | Często nienaruszone | Widoczne pęknięcie | Widoczny depozyt |
| Czas nagrzewania | Nieznacznie zwiększone | Normalny lub zwiększony | Zwiększony |
| Aktualne losowanie | Normalna | Normalna | Normalna |
Porównanie objawów typowych usterek grzałki zanurzeniowej PTFE
Zapobieganie zanieczyszczeniu wypełniacza
Najskuteczniejszym środkiem zapobiegawczym jest utrzymywanie nienaruszonej osłony PTFE i uszczelnienia obudowy terminala. Oznacza to wybór gęstości watów, która utrzymuje temperaturę płaszcza w bezpiecznych granicach, utrzymanie odpowiedniej głębokości zanurzenia i regularne sprawdzanie grzejnika pod kątem oznak uszkodzenia.
Wypełniacz MgO o dużej-gęstości i niskiej absorpcji wilgoci zapewnia lepszą odporność na zanieczyszczenia niż standardowy wypełniacz. Niektórzy producenci oferują MgO z powłoką-odporną na wilgoć lub dodatkiem hydrofobowym, który spowalnia wchłanianie wody i środków chemicznych.
Uszczelnione obudowy zacisków ze środkiem osuszającym lub otworami odpowietrzającymi ograniczają wnikanie wilgoci po stronie zimnej. Uszczelkę należy sprawdzać przy każdej konserwacji i wymieniać, jeśli jest ściśnięta lub pęknięta.
Gdy zanieczyszczenie wypełniacza sygnalizuje problem ze specyfikacją
Powtarzające się awarie zanieczyszczenia wypełniacza w tym samym zbiorniku wskazują, że grzejnik pracuje w warunkach przekraczających ograniczenia projektowe. Wysoka temperatura, agresywna chemia lub duża gęstość watów przyspieszają przenikanie i skracają czas do zanieczyszczenia. Niestandardowa konfiguracja grzałki zanurzeniowej z PTFE z grubszą osłoną, niższą gęstością mocy i ulepszonym uszczelnieniem wydłuża czas przed wystąpieniem zanieczyszczenia. Proces specyfikacji wymaga składu chemicznego kąpieli, temperatury roboczej, grubości osłony i historii awarii poprzednich grzejników.
