Comment l'épaisseur de paroi de la gaine en acier inoxydable 316 affecte-t-elle le cheminement du courant de fuite électrique et la dégradation de la résistance d'isolation dans des environnements à forte -humidité ?

Les inspecteurs de sécurité électrique et les ingénieurs d'assurance qualité travaillant avec des thermoplongeurs électriques dans des applications extérieures, dans la transformation des aliments et dans la fabrication pharmaceutique sont toujours préoccupés par la dégradation de la résistance d'isolation dans des environnements à forte humidité. L'isolation en oxyde de magnésium autour du fil de résistance est hygroscopique, ce qui signifie qu'elle absorbe l'humidité de l'air lorsque le radiateur n'est pas sous tension et que la gaine n'est pas complètement scellée. L'humidité absorbée diminue la résistance isolante. Cela provoque un courant de fuite qui pourrait déclencher les systèmes de prévention des défauts à la terre et, dans des situations extrêmes, provoquer des risques de choc électrique. L'épaisseur de paroi du matériau de la gaine en acier inoxydable 316 affecte à la fois le taux d'intrusion d'humidité et la longueur du canal électrique pour le courant de fuite. Cet article évalue les relations entre l’épaisseur de la paroi de la gaine, la diffusion de l’humidité et la dégradation de la résistance de l’isolation et fournit des suggestions de sélection pour un service à humidité élevée.

Diffusion de l'humidité à travers les gaines et les joints d'extrémité en 316SS
La vapeur d'eau peut se diffuser à travers la paroi de la gaine de l'acier inoxydable 316 ou à travers les joints d'extrémité où le fil de résistance sort de la gaine, pénétrant ainsi l'isolation MgO. La perméabilité de l’acier inoxydable 316 à la vapeur d’eau est très faible, mais pas nulle. Le taux de pénétration de la vapeur d'eau à l'état stable à travers une épaisseur de 1,0 mm 316 à 40 degrés et 100 % d'humidité relative est d'environ 0,001 g/m2/jour. Cela représenterait moins de 0,4 gramme d’eau diffusée par mètre carré de surface de gaine en un an, ce qui est négligeable pour des radiateurs de taille normale. Le principal mécanisme d'infiltration de l'humidité passe par les pores microscopiques au niveau des joints d'extrémité, en particulier au niveau du contact entre la gaine, le MgO et les billes terminales en céramique. Pour les gaines à paroi mince inférieure à 1,0 mm, la conformité mécanique de la gaine permet une déformation mineure pendant le cycle thermique qui ouvre et ferme les espaces au niveau des joints d'extrémité pompant de l'air humide dans le MgO. Cependant, leur plus grande rigidité interdit cette action de pompage pour les gaines à paroi épaisse supérieure à 1,8 mm, ce qui diminue les taux d'intrusion d'humidité d'un facteur de 5 à 10. L'influence de l'épaisseur de la paroi sur la pénétration de l'humidité est donc indirecte, mais importante : des parois plus épaisses conservent mieux l'intégrité du joint d'extrémité sous cycle thermique.

Épaisseur de la paroi de la gaine et longueur du trajet du courant de fuite
Une fois que l’humidité pénètre dans le MgO, la résistance isolante diminue car les molécules d’eau créent des canaux conducteurs le long de la surface des grains de MgO. Le courant de fuite électrique du fil de résistance vers la gaine 316 mise à la terre était guidé radialement à travers la couche de MgO. La résistance de ce chemin est R=rho x ln(r2/r1) / (2 pi L) où rho est la résistivité du MgO humide, r2 et r1 sont les rayons extérieur et intérieur de la couche de MgO et L est la longueur chauffée. L'augmentation de l'épaisseur de la paroi de la gaine diminue en fait l'épaisseur de la couche de MgO pour un certain diamètre de gaine externe et un diamètre de fil de résistance fixe, car la gaine occupe une plus grande partie de l'espace radial. Une paroi plus épaisse équivaut à moins de MgO entre le fil et la gaine. Cette distance radiale plus petite conduit à une résistance d'isolation plus faible pour une teneur en humidité donnée et exacerbe ainsi les problèmes de courant de fuite. Par exemple, considérons une gaine de 10 mm de diamètre extérieur avec un fil de résistance de 3 mm de diamètre. L'épaisseur de la couche de MgO est de 10 - 2×1.0 - 3=5 mm, tandis que l'épaisseur de paroi est de 1,0 mm. Avec une épaisseur de paroi de 2,0 mm, l'épaisseur de la couche de MgO est de 10 - 4 - 3=3 mm. La couche de MgO plus fine diminue la résistance d'isolation radiale d'environ 40 % pour la même résistivité de MgO. Par conséquent, les gaines à parois épaisses-sont plus vulnérables à une faible résistance d'isolation en cas d'infiltration d'humidité, car il y a moins de MgO pour obstruer le canal de courant de fuite.

Épaisseur de paroi critique pour l'intégrité du joint d'extrémité
Le tableau suivant donne les 316 épaisseurs de paroi de gaine suggérées pour les thermoplongeurs électriques pour les situations d'humidité élevée en fonction de la fréquence du cycle thermique prévue et de la résistance d'isolation nécessaire après un stockage prolongé ou une période d'inactivité. Les valeurs supposent une construction de joint d'extrémité typique avec des billes de céramique et des joints époxy ou silicone.

Humidité Environnement Nombre prévu de cycles thermiques par an Épaisseur de paroi minimale recommandée de 316 Épaisseur de paroi maximale recommandée de 316 Résistance d'isolation attendue après un an dans une humidité élevéePénétration de l'humidité 2. Mécanismes dominants
Humidité élevée occasionnelle (moins de 50 % du temps)Inférieure à 100 0.8 mm 1,6 mm Supérieure à 100 mégohms Diffusion du joint d'extrémité
Humidité constamment élevée (80-100 % RH)Moins de 100 1.0 mm 2,0 mm 50 - 200 mégohms Joint d'extrémité de diffusion
Humidité élevée constante avec cycles thermiques quotidiens 200 – 500 1.4 mm 2,5 mm 10 – 100 mégohms Pompage thermique au niveau des joints d'extrémité
Humidité de condensation (lavage fréquent ou rosée) 100 – 300 1.6 mm 2,5 mm 5 – 50 mégohms Pompage thermique et entrée directe
Humidité Compression Lavage sous pressionTout 2,0 mm 2,5 mm 1 – 20 mégohms Joint hermétique requis, entrée d'eau directe
Any humidity Heater always on Any 0.8 mm 2.5 mm >1 000 mégohms La chaleur élimine l'humidité ; aucune détérioration
Cependant, une gaine 316 de 1,6 mm ou plus est conseillée pour les applications avec une humidité élevée continue et des cycles de température fréquents, même si l'épaisseur de la couche de MgO serait réduite. L’avantage de l’intégrité du joint d’extrémité surmonte l’inconvénient de la longueur réduite du trajet de fuite. Dans de tels contextes, les ingénieurs doivent également spécifier une conception de joint d'extrémité résistant à l'humidité, par exemple un joint hermétique en verre-sur-métal ou une double barrière époxy avec une chambre de séchage intermédiaire.

Conception de modifications pour améliorer la résistance d'isolation des gaines à paroi mince-
Dans des conditions d'humidité élevée-où une gaine 316 à paroi mince-<1.2 mm is generally employed for thermal response reasons, three design adjustments exist for maintaining insulation resistance. The first is to apply a moisture barrier coating over the whole sheath and end seal assembly. A conformal coating of parylene or silicone, 50 to 100 microns thick, reduces moisture intrusion by a factor of 10 to 50. The second change is the fitting of a low wattage stand-by heater circuit to maintain the sheath temperature at 50-60 deg C when idling. This keeps the MgO heated enough to avoid condensation of moisture and chases off any water that has been absorbed. Normally the power required is 5-10% of the full heater rating. The third change is the addition of a desiccant filled breather vent to the terminal housing. The desiccant takes moisture before it can get to the end seals. A color-indicating desiccant will change colour when saturated, so that it may be seen inspected and replaced in a timely manner. For essential applications where insulation resistance below 1 megohm can pose a safety threat, engineers should design a heater-service-rated ground fault circuit interrupter. If the MgO insulation has decayed, this provides some protection if there is a leakage over 5-30 mA the GFCI trips. When ordering heaters for high humidity locations, always obtain the insulation resistance test results after 48 hours exposure to 95% relative humidity at 40°C. Most industrial uses call for a heater that will hold 10 megohms or higher under these conditions. If the heater is below 1 megohm it may need more sealing or a different wall thickness.