ค่าความหยาบสูงสุดที่อนุญาต (Rz) บนเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในของท่อปลอกฮีตเตอร์ 316 ช่วยป้องกันความร้อนสูงเกินไปเฉพาะจุดจากการเปลี่ยนแปลงความต้านทานการสัมผัสด้วยชั้นฉนวน MgO

ตัวแปรที่ซ่อนอยู่ของพื้นผิวเจาะในความสม่ำเสมอของการถ่ายเทความร้อน

พื้นผิวสำเร็จที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางด้านใน กล่าวคือ ความหยาบสูงสุด (Rz ความสูงสูงสุดเฉลี่ยของจุดสูงสุดของพื้นผิว) ของท่อความร้อนไฟฟ้าที่หุ้มด้วยสแตนเลส 316 เป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมความต้านทานการสัมผัสระหว่างปลอกและชั้นฉนวนแมกนีเซียมออกไซด์ (MgO) ที่อัดแน่น สำหรับพื้นผิวด้านในที่หยาบซึ่งมีจุดสูงสุดสูง (Rz > 10-15 µm) ผง MgO จะอัดแน่นไม่สม่ำเสมอ: แรงกดสัมผัสสูงที่จุดสูงสุดส่งผลให้ค่าการนำความร้อนเฉพาะจุดสูงขึ้น ในขณะที่หุบเขา (ที่มีความดันสัมผัสหรือช่องว่างอากาศต่ำกว่า) ส่งผลให้บริเวณที่มีความต้านทานความร้อนสูงขึ้น ความผันผวนที่ตามมาของการถ่ายเทความร้อนรอบๆ เส้นรอบวงและลงไปตามแกนอาจทำให้ลวดต้านทานร้อนเกินไปเฉพาะที่ที่จุดสูงสุด (ซึ่งการสกัดความร้อนมีประสิทธิภาพมากที่สุด) หรือที่หุบเขา (ที่ซึ่งความร้อนสะสม) เมื่อ Rz มากกว่า 20 ไมครอน อุณหภูมิในท้องถิ่นอาจผันผวน 50-100 องศาเซลเซียส ส่งผลให้อายุการใช้งานสายไฟลดลง 2-5 เท่า ในการศึกษานี้ เราจะหาความสัมพันธ์ของเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน Rz ความสม่ำเสมอของความต้านทานการสัมผัส และอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน

กลไกการเปลี่ยนแปลงความต้านทานการสัมผัสพื้นผิว

ค่าการนำความร้อนของผง MgO ที่อัดแน่นนั้นไม่ใช่ค่าคงที่ของวัสดุ แต่ขึ้นอยู่กับแรงกดสัมผัสระหว่าง MgO และเปลือกอย่างมาก ณ ตำแหน่งที่พื้นผิวด้านในของปลอกมีจุดสูงสุด แรงกดสัมผัสเฉพาะที่มีความสำคัญมาก (เนื่องจากการพันตัว) และบังคับให้ผลึก MgO สัมผัสกับโลหะอย่างใกล้ชิด ในหุบเขาที่พื้นผิวมีการอัดแน่นน้อยที่สุด ช่องว่างอากาศ (ค่าการนำความร้อน=0.03 W/m·K) จะถูกทิ้งไว้ซึ่งทำหน้าที่เป็นฉนวนความร้อน อุณหภูมิที่ลดลงเหนือช่องว่างอากาศนั้นใหญ่กว่าบริเวณ MgO ที่อัดแน่นถึง 50-200 เท่าเพื่อให้ความร้อนไหลเวียนใกล้เคียงกัน พารามิเตอร์ที่สำคัญคือค่าความหยาบพีค Rz (ความสูงจากหุบเขาต่ำสุดถึงจุดสูงสุด) เนื่องจากหุบเขาที่ลึกที่สุดจะสร้างความต้านทานความร้อนสูงสุด ค่า Rz ของเส้นผ่านศูนย์กลางภายในที่มากกว่า 10-15 µm จะทำให้เกิดจุดร้อนที่เห็นได้ชัดเจน

ความสัมพันธ์เชิงปริมาณระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน Rz และความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ

การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด ซึ่งยืนยันโดยการวัดเทอร์โมคัปเปิลบนปลอก 316 ปลอก (OD 10 มม. ผนัง 1.5 มม. ลวด NiCr) พร้อมพื้นผิวเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในที่หลากหลาย ได้สร้างการเชื่อมต่อระหว่าง Rz ความแปรผันของอุณหภูมิ และอายุการใช้งานของสายไฟดังต่อไปนี้

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 วัตต์/ซม.²<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
ผลกระทบของความหนาแน่นของพลังงานต่อความไวของ Rz

ผลเสียของ Rz ที่สูงจะเพิ่มขึ้นตามความหนาแน่นของพลังงานที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงความต้านทานความร้อนที่เท่ากันจะทำให้อุณหภูมิสัมบูรณ์เพิ่มขึ้นมากขึ้น

ความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้า (W/ซม.^2) Rz สูงสุดที่อนุญาตสำหรับอายุการใช้งานสายไฟ 10,000 ชั่วโมง (um) Rz สูงสุดที่อนุญาตสำหรับอายุการใช้งานสายไฟ 5,000 ชั่วโมง (um) ข้อมูลจำเพาะที่แนะนำสำหรับบริการมาตรฐาน<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)
การขัดเงาพื้นผิว: ข้อกำหนดเชิงปฏิบัติของเส้นผ่านศูนย์กลางรูใน

เป็นเรื่องยากที่จะระบุการตกแต่งพื้นผิวของเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในในเอกสารข้อมูลมาตรฐานสำหรับผู้ซื้อที่ระบุเครื่องทำความร้อนแบบหุ้ม 316 ภาษาข้อกำหนดที่แนะนำสำหรับความหนาแน่นของพลังงานสูงหรือการใช้งานที่ยาวนานมีดังต่อไปนี้:

Power Density >5 W/cm2 อายุการใช้งานเป้าหมาย Rz (µm) เส้นผ่านศูนย์กลางภายในสูงสุด Ra (µm) เส้นผ่านศูนย์กลางภายในสูงสุด Mfg กระบวนการที่ต้องการ ตรวจสอบวิธีการ20,000 ชั่วโมง<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
การระบุสนามของจุดร้อนที่เหนี่ยวนำโดย 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 ไมโครเมตร ส่วนใกล้เคียง (ที่มีสายไฟเหลืออยู่) มี Rz ต่ำกว่า สำหรับความล้มเหลวดังกล่าว วิธีแก้ไขคือการกำหนดขีดจำกัด Rz ให้ต่ำลงสำหรับการซื้อในอนาคต เครื่องทำความร้อนไม่สามารถซ่อมแซมได้

ผลของการตกแต่งเส้นผ่านศูนย์กลางภายในต่อการบดอัด MgO

แม้จะมีเส้นผ่านศูนย์กลางรูในที่ดี 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. >การลดลง 18% รับประกันว่าแม้รางลึกจะเต็มไปด้วย MgO แต่อาจเป็นอันตรายต่อลวดต้านทาน การลดรอยหยักที่ดีที่สุดสำหรับการตกแต่งเส้นผ่านศูนย์กลางภายในที่กำหนดคือ:

เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน Rz (µm) การลดการกระจายขั้นต่ำที่แนะนำ (%) การลดการกระจายสูงสุดที่แนะนำ (%)<6 12 20 6-10 14 20 10-12 16 20 12-15 18 22 >15 ไม่แนะนำ N/A
สรุป: คำจำกัดความของเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน Rz สำหรับเครื่องทำความร้อนกำลังสูง

สำหรับท่อความร้อนไฟฟ้าที่มีปลอกสแตนเลส 316 ที่ความหนาแน่นของพลังงาน > 5 วัตต์/ซม. 2 ความหยาบจุดสูงสุด (Rz) ของเส้นผ่านศูนย์กลางด้านในจะส่งผลต่อความสม่ำเสมอของความต้านทานการสัมผัสกับชั้นฉนวน MgO ค่า Rz ที่สูงกว่า 10 ถึง 12 µm ทำให้เกิดฮอตสปอตเฉพาะที่โดยอุณหภูมิเปลี่ยนแปลง 25 ถึง 70 องศา และลดอายุการใช้งานของสายไฟลง 40 ถึง 60% เมื่อเทียบกับท่อเจาะแบบเรียบ เมื่อสั่งซื้อปลอก 316 อันสำหรับการใช้งาน-กำลังสูงหรือ-อายุการใช้งานยาวนาน วิศวกรจะต้องระบุเกณฑ์ Rz เส้นผ่านศูนย์กลางภายในสูงสุด (เช่น<8 µm) and a verification technique (sample profilometry). For the highest power densities (>8 W/cm 2) or longest life requirement (>15,000 ชั่วโมง) เจาะขัดด้วยไฟฟ้า (Rz<6 µm) is recommended.