简而言之，加热元件的失效几乎总是由两个因素引起的：运行温度过高和频繁的启停循环。高温度会加速一种称为氧化的破坏性过程，而热胀冷缩循环会在物理上随着时间的推移削弱元件，直到其断裂。
加热元件的寿命不是偶然事件。它是其工作温度与其加热和冷却循环应力相互作用决定的一个可预测的结果。
主要罪魁祸首：过高的温度和氧化
影响元件寿命的最重要因素是其温度。即使工作温度略有升高，也会大大缩短其使用寿命。
热量如何加速失效
每种加热元件合金都有一个推荐的最高工作温度。当元件接近这个极限时，其退化速率会呈指数级增加。一根在适中温度下可能使用多年的电线，如果运行温度过高，可能在几小时或几天内失效。
理解氧化
在高温下，元件的金属合金会与空气中的氧气发生反应，在其表面形成一层保护性氧化层。对于常见的镍铬合金元件，这是一层氧化铬。这一层至关重要，因为它能抵抗进一步的氧化并具有高电阻率。
然而，如果温度过高，这层保护层可能会受到损害，导致其下方的母体金属快速、不受控制地氧化。这实际上会“烧毁”元件材料。
“热点”的恶性循环
失效通常始于一个局部的热点。这个点的温度可能稍高，原因可能是气流受限、电线弯曲或受到污染。这个较热的区域氧化得更快，从而增加了其电阻率。
由于该点的电阻率现在更高，它会产生更多的热量，这反过来又导致氧化速度更快。这个失控的循环会持续下去，直到热点处的电线变薄、变弱，最终熔断或断裂。
热循环的影响
第二大失效原因是加热和冷却引起的重复应力。
什么是热循环？
热循环就是简单地开启和关闭元件的过程。每次元件加热时，它都会膨胀。每次冷却时，它都会收缩。这就是导致显著磨损的“间歇性操作”。
热应力的机制
保护性氧化层和其下方的基体金属以略微不同的速率膨胀和收缩。这种不匹配会随着每次循环产生机械应力。随着时间的推移，这种应力会导致脆性的氧化层产生微裂纹甚至完全剥落。
为什么循环比连续使用更具破坏性
当保护性氧化层剥落时，新鲜的、未受保护的金属暴露在空气中。下次元件加热时，会在这个裸露的金属上形成新的氧化层。
这个过程会随着每一次启停循环重复。每一次，一小部分元件的核心金属会被消耗以形成新的氧化层。电线会逐渐变细，直到无法再承载电流而断裂。连续以稳定温度运行的元件通常比频繁循环的元件寿命长得多。
理解权衡和其他因素
虽然温度和循环是主要的驱动因素，但其他现实世界的情况也会导致失效。
设计与操作
性能和寿命之间存在固有的权衡。元件必须足够热才能完成其功能，但将其运行温度降低总能延长其寿命。适当的系统设计可确保元件能够在不持续超出其热极限的情况下完成工作。
污染的作用
油、油脂、灰尘或制造化学品等异物可能具有破坏性。加热时，它们会干扰保护性氧化层，引起腐蚀元件电线的化学反应，并产生导致失效的初始热点。
机械损伤
振动、运输过程中的物理冲击或安装不当会在元件上产生薄弱点。这些刻痕、划痕或过紧的弯曲会成为应力集中点，热点很可能在这些地方形成，从而引发失效循环。
如何最大化加热元件的寿命
您可以通过控制其操作条件直接影响元件的使用寿命。
- 如果您的主要关注点是最大的可靠性：以实现工艺目标所需的最低温度运行元件，并使用功率控制器（如相控或过零SSR）提供稳定、连续的电源，而不是粗暴的启停循环。
- 如果您的主要关注点是延长现有设备的寿命：确保元件保持清洁且没有污染物，并验证是否有足够、无障碍的气流以防止局部热点的形成。
- 如果您的主要关注点是设计新系统：选择额定值适合任务的元件。稍微过大尺寸可以确保它能够在不接近其最高温度限制的情况下产生所需的热量。
通过了解元件失效是一个可预测的热磨损和机械磨损过程，您可以直接控制设备的可靠性。
摘要表：
| 失效原因 | 主要影响 | 结果 |
|---|---|---|
| 温度过高 | 氧化加速 | 形成热点，电线变弱并断裂 |
| 频繁启停循环 | 氧化层产生热应力 | 微裂纹、剥落和最终断裂 |
| 污染 | 破坏保护性氧化层 | 局部腐蚀和热点 |
| 机械损伤 | 物理薄弱点 | 应力集中导致失效 |
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