РосТепло.ru - Информационная система по теплоснабжению
РосТепло.ру - всё о теплоснабжении в России
ИЗОПРОФЛЕКС-115А

Скорлупы из пенополиуретана

С.С. Кузьмин, генеральный директор
ООО «ГК Сибирский ориентир» с 2000 по 2012 г., Красноярск

Наиболее распространенными способами применения жесткого пенополиуретана (ППУ) в качестве теплоизолирующего материала являются предварительно изолированные стальные трубы и штучные сегменты из ППУ

- скорлупы. Производство изолированных ППУ труб контролируется государственным стандартом - «ГОСТ 30732-2006 Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой». Наличие такого документа значительно упрощает контроль качества изделий. А вот производство скорлуп, к сожалению, до сих пор регламентируется лишь техническими условиями (ТУ) каждого конкретного производителя. Отсутствие единого стандарта, устанавливающего строгие требования к данным изделиям, приводит к возникновению серьезных проблем при их эксплуатации (рис. 1).

Рис. 1. Проблемы ППУ скорлуп в результате несоблюдения правил монтажа, температурного режима и технологии производства.

В результате страдает конечный потребитель и дискредитируется не «дилетантский» подход к изготовлению и монтажу теплоизоляции, а сам материал - пенополиуретан.

Долговечность теплоизоляционной конструкции из ППУ скорлуп зависит от ряда факторов. К таковым относятся: качество сырья, из которого изготовлены скорлупы; соблюдение технологии производства и температуры эксплуатации; качество монтажа с соблюдением всех рекомендаций; изоляция стыков, исключающая попадание влаги в пространство между скорлупой и трубой; применение качественного покровного слоя скорлуп, соответствующего условиям, в которых эксплуатируется объект.

Какие бывают виды скорлуп, чем стоит руководствоваться при выборе того или иного вида и каковы наиболее уязвимые места при их эксплуатации - вот неполный перечень вопросов, на которые мы попытаемся ответить.

Температуростойкость

Разговор о пенополиуретановых скорлупах стоит начать с температуростойкости. Под температуростойкостью (по СНиП 41-03-2003) понимается способность материала длительное время сохранять основные свойства при воздействии на него температуры. Температуростойкость скорлуп напрямую зависит от качества и характеристик применяемых материалов, а также соблюдения технологии производства и условий эксплуатации.

Существует зависимость температуростойкости теплоизоляционного пенополиуретана от его плотности (удельного веса). Вместе с тем, температуростойкость ППУ имеет свой предел и ограничена самой природой материала. Так, при плотности 60 кг/м3 нам неизвестен скорлупочный ППУ, температуростойкость которого в изделии превышала бы 130 ОС. Большая же часть российских магистральных сетей построена исходя из температурного графика до 150 ОС. Соответственно, срок службы такой изоляции на тепловых сетях невелик. При длительном воздействии на пенополиуретан температурой более 130 ОС, он начинает обугливаться, при этом разрушаются поры, материал становится хрупким, гигроскопичным, ухудшаются его теплофизические характеристики.

Повысить температурный порог помогает введение в конструкцию скорлупы дополнительного, более температуростойкого слоя. Такими слоями могут быть базальтовые плиты и асбестовые прокладки. Некоторые предприятия в этом качестве используют пенополиизоцианурат (ПИР).

ПИР - это модифицированный пенополиуретан, с преобладанием в системе изоционатной группы. Внешне ПИР сложно отличить от ППУ При этом, температуростойкость ПИР превышает 160 ОС. Сочетание в одном изделии этих двух материалов, плотного и теплоэффективного ППУ и температуростойкого ПИР, дает надежную конструкцию, отвечающую современным требованиям энергоэффективности.

Сегодня нередки случаи, когда производители пенополиуретановой изоляции настаивают на возможности использования на теплотрассах собственных однослойных ППУ скорлуп при температурах теплоносителя 150 ОС. В качестве подтверждения этому предъявляются протоколы сертификационных испытаний, в которых максимальная температура применения ППУ определяется на основе «Метода определения температуры размягчения термопластов по ВИКА» (ГОСТ 15088-83). Применение данной методики испытаний к пенополиуретанам не корректно, поскольку она (методика) разработана для термопластов, коим ППУ не является.

Что такое термопласт? Это полимерный материал, способный обратимо переходить при нагревании в пластичное, либо вязкотекучее состояние. Пенополиуретан же является газонаполненным реактопластом. То есть пластмассой, переработка которой в изделии сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. При воздействии высоких температур ППУ начинает необратимо «стекловаться» и обугливаться (карбонизироваться).

Действительно, с повышением температуры, перед «стеклованием», возникает короткий момент, когда поверхность материала «плывет», что и используется в методике, но этот параметр не является показателем долговременной температуростойкости.

Есть еще один нюанс, о котором должны знать покупатели ППУ скорлуп. Сущность метода определения температуры размягчения по ВИКА (ГОСТ 15088-83), заключается в определении температуры, при которой образец под действием силы сжимается на 1 мм. При этом прикладываемое усилие может быть:

■ по способу А - 10 Ньютонов;

■ по способу Б - 50 Ньютонов.

Если испытывать жесткий ППУ по способу А, то можно добиться значений температуры размягчения по ВИКА на уровне 150-180 ОС.

Итак, что мы имеем? В РФ сегодня нет тестированной методики испытаний температуростойкости ППУ, как и самого ГОСТа на ППУ скорлупы.

Для того чтобы все-таки понять, что же происходит с пенополиуретаном при воздействии высоких температур, на базе нашего предприятия была изготовлена установка для испытаний теплоизоляционных изделий (рис. 2).

Рис. 2. Установка для проведения испытаний теплоизоляционных конструкций в условиях, приближенных к натурным.

Установка представляет собой конструкцию, помещенную в металлический прямоугольный каркас. Внутри него находится стальная «труба в трубе», заваренная с торцов. Внутреннее пространство трубы заполнено теплоносителем - термостойким маслом, максимальная температура разогрева которого 160 ОС. Внешний диаметр трубы 1020 мм. Длина трубы, установленной на стенде, - 2,4 м, что позволяет установить на ней два погонных метра скорлупы, либо другого теплоизоляционного материала. Имеется возможность орошения скорлупы водой под давлением, с последующим нагревом поверхности (имитация ливня и солнечной радиации). Установка позволяет наблюдать за процессом карбонизации внутренних слоев скорлупы, образованием конденсата в процессе перепадов температур и проверять эффективность антикоррозийных составов. Предусмотрена видеофиксация процесса испытаний.

Проведенные на установке испытания на данном этапе имели следующие цели.

■ Сравнить изменение свойств двухслойных скорлуп ПИР/ППУ и однослойных скорлуп ППУ на разных компонентах при одинаковых условиях эксплуатации.

■ Определить стабильность геометрических размеров скорлуп в различных температурных условиях.

■ Выяснить эффективность слоя ПИР.

Во время испытаний мы использовали однослойные скорлупы на основе нескольких систем: Изолан А-213 с температуростойкостью до 120 ОС, некой высокотемпературной системы (НВТС) с заявленной температуростойкостью до 160 ОС, а также двухслойные скорлупы производства нашего предприятия (слой ПИР - Изолан А-360, основа - Изолан А-213).

В начале испытаний использовалось по одному п.м однослойных скорлуп следующих видов: СК 1020/70-ст. (покрытие из стеклопластика) и СК 1020/70-ф. (покрытие из фольма-ткани), все на системе Изолан А-213. Перед монтажом на стенд скорлупы были взвешены и замерены их геометрические размеры.

Для изучения поведения скорлупы на стенде было проведено несколько этапов исследований с изменением режимов тестирования.

На первом этапе в течение 120 ч имитировались нормальные условия эксплуатации скорлуп при температуре трубы 120 ОС. Изменений при этом не наблюдалось. Геометрические размеры также не изменились.

Затем, через 120 ч, от температуры 120 ОС начато плавное повышение температуры до 150 ОС. По истечении 120 ч такого нагрева отмечено ослабление бандажей вследствие сильной карбонизации и связанной с этим усадки скорлуп (рис. 3).

Рис. 3. Ослабление бандажа в результате карбонизации однослойных скорлуп при t=150 ОС.

На изображении видно значительное обугливание прилегающего к трубе слоя пенополиуретана.

На следующем этапе эксперимента использовались однослойные скорлупы постороннего производителя на НВТС и двухслойные скорлупы системы Изолан А-213 со слоем пенополиизоциану- рата (ПИР). Перед монтажом на стенд скорлупы так же были взвешены и замерены их геометрические размеры. В течение первых 120 ч имитировались нормальные условия эксплуатации скорлуп при температуре трубы 120 ОС. По истечении 120 ч перешли к плавному повышению температуры до 150 ОС. После выхода режима на температуру в 150 ОС проявились первые отличия скорлуп на НВТС и системе А-213 со слоем ПИР. Через 69 ч нагрева скорлупу на НВТС повело (рис. 4).

Рис. 4. Изменения геометрических размеров скорлуп на НВТС.

По завершению экспериментов геометрические размеры двухслойных скорлуп со слоем ПИР остались прежними, а скорлупы на НВТС значительно изменили геометрические размеры. Разница составила от 11 до 17%, что в трассовых условиях неприемлемо. Демонтированные скорлупы на НВТС имели изменение геометрии и перестали образовывать правильную окружность.

Таким образом, испытания температуростойкости показали, что однослойные скорлупы (рабочая температура до 120 ОС) не деформируются и не изменяются в пределах температур до 120 ОС. При повышении температуры до 150 ОС происходит значительная карбонизация и усадка изделий. Однако двухслойные скорлупы со слоем ПИР при таких температурах ведут себя без изменений, справляясь с поставленной перед ними задачей. Скорлупы на НВТС при температуре до 150 ОС меняют свои геометрические размеры и не могут быть использованы в качестве теплоизоляции магистральных трубопроводов на «подаче».

Поэтому, приобретая однослойные скорлупы, с указанными в сертификатах высокотемпературными свойствами изделий, потребитель должен понимать, что его могут дезинформировать и под видом теплостойких и высокотемпературных скорлуп предложить обычные изделия, температуростойкость которых не превышает 120 ОС. Срок службы таких изделий может быть коротким.

Подводя итог сказанному, прежде всего, хотелось бы отметить то, что нам неизвестны системы компонентов ППУ для производства скорлуп, позволяющие изготавливать теплоизоляционные изделия, соответствующие проектным параметрам российских тепловых сетей (до 150 ОС). На сегодняшний день указанным параметрам соответствуют только пенополиуретановые скорлупы с дополнительным температуростойким слоем, например, из пенополиизоцианурата.

Кроме того, стоит отметить, что организациям, использующим теплоизоляционные ППУ скорлупы, следует крайне осторожно относиться к предъявляемым производителями протоколам испытаний температуростойкости на такие изделия в связи с несоответствием цели испытаний методике.

Качество монтажа

Итак, скорлупы приобретены, приступаем к монтажу.

К сожалению, на данном этапе часто допускаются ошибки, приводящие впоследствии к серьезным эксплуатационным проблемам. Чтобы этого избежать, производителями пенополиуретановой теплоизоляции разработаны технические рекомендации. Но, как нередко бывает, инструкцию завода-изготовителя начинают читать только тогда, когда приобретенная вещь уже вышла из строя.

При монтаже теплоизоляции следует знать и выполнять несколько основных правил.

1. Располагать сегменты скорлуп рядами сверху и снизу с соблюдением горизонтальности стыков.

2. Устанавливать скорлупы на трубопроводе со смещением поперечных швов на половину длины скорлупы, «в разбежку» (подобно кирпичной кладке, рис. 5). Это позволит исключить тепловые потери в поперечных стыках сегментов и увеличить механическую прочность соединения.

3. Стягивать смонтированную на трубу скорлупу натяжными бандажами (не менее 2-х на 1 п.м) с использованием специальных стяжных устройств до полного прилегания к «телу» трубопровода и смыкания горизонтальных стыков сегментов (рис. 5).

4. Использовать качественные, рекомендованные производителем скорлуп материалы для гидроизоляции стыков.

5. Периодически контролировать состояние теплоизоляции и антикоррозионной защиты на теплотрассах (см. пп. 1.3.1 и 1.3.2 РД 153-34.0-20.518-2003 Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии).

Рис. 5. Монтаж скорлупы «в разбежку» с применением КГС.

Несоблюдение этих правил приводит к нарушению целостности конструкции. В результате этого, в пространство между скорлупой и трубой через стыки попадает атмосферная вода. При попадании влаги в пространство между трубой и скорлупой состояние изоляции значительно ухудшается: разогреваясь от трубы, вода закипает, разрушает (распечатывает) закрытые поры пенополиуретана, проникая все глубже и глубже, и остается в них, конденсируясь обратно в воду. Скорлупы из пенополиуретана деформируются под воздействием накопившейся в их порах воды, что приводит к расхождению швов и еще большему попаданию влаги в конструкцию. Высушить пенополиуретан и вернуть скорлупе первоначальное состояние после этого будет уже почти невозможно. Такую теплоизоляцию придется менять, чтобы избежать усиленной коррозии трубы. Иначе, помимо демонтажа и утилизации скорлуп, придется зачищать поверхность трубы от ржавчины, заново наносить антикоррозийное покрытие и устанавливать новую теплоизоляцию.

Для защиты теплопроводов от попадания влаги применяются различные конструкции. Функциональность их сводится к тому, чтобы не допустить проникновения влаги к трубе, а в случае ее попадания (подтопление, прорыв) обеспечить максимально быстрое выведение воды и высушивание теплоизоляции. Приобретая ППУ скорлупы, обязательно спрашивайте у поставщиков о том, как ими решена проблема гидроизоляции стыков.

Защитное покрытие

Следующим важным фактором, влияющим на срок службы теплоизоляции из пенополиуретановых скорлуп, является наружное (защитное) покрытие. Оно необходимо для защиты от негативного воздействия внешних факторов, таких как: УФ излучение, дождь, снег, весенние пожоги и др.

Самым эффективным защитным покрытием скорлуп при наружной прокладке трубопроводов является оцинкованная сталь. Она не горит, не пропускает влагу, защищает пенополиуретан от солнечной радиации, не требует окрашивания. Кроме того, придает дополнительную жесткость сегментам, препятствуя их деформации. Другими распространенными материалами с менее надежными защитными свойствами являются фольма-ткань и стеклопластик. Фольма-ткань представляет собой двухслойный тепло- и гидроизоляционный продукт, созданный из стеклоткани и фольги или ее пленочной замены.

Дабы установить, какое из альтернативных покрытий эффективнее, мы провели еще одно исследование. В ходе эксперимента моделировались осадки и нагрев поверхностей скорлуп. Необходимо сразу отметить, что во время испытаний нами целенаправленно были созданы экстремальные условия эксплуатации, способствующие ускоренному старению материалов. Это позволило за короткое время зафиксировать изменения, которые происходили бы со скорлупами в течение длительной эксплуатации на объекте.

На первом этапе на испытательной установке было проведено внешнее орошение скорлуп при температуре теплоносителя 130 ОС. Через 53 часа после начала эксперимента, замечены первые вздутия на фольма-ткани, видны отслоения фольги от основы. Через 96 часов после начала эксперимента многие пузыри вскрылись, произошло значительное разрушение поверхностного слоя из фольги. Стеклопластик выдержал аналогичное испытание с незначительным подмоканием (рис. 6).

Рис. 6. Лоскутное отслоение фольги от основы и небольшие подмокания стеклопластика.

На фото видно, что внутренний разогрев скорлупы с внешним орошением негативно повлиял на покровный слой из фольма-ткани. Состояние стеклопластика почти не изменилось. Температура окружающего воздуха колебалась на протяжении эксперимента от 22 до 23 ОС.

Следующим этапом эксперимента стала имитация воздействия на скорлупы солнечной радиации. Для этих целей использовались мощные прожекторы. Температура внутри трубы составляла 130 ОС. Температура покровного слоя колебалась в пределах 69-75 ОС. Уже с первых часов эксперимента продолжилось отслоение и лоскутирование фольгированного слоя (рис. 7). Изменений поверхности стеклопластика не наблюдалось.

Рис. 7. Вскрытие образовавшихся пузырей на фольма-ткани и их расползание.

На заключительном этапе опыта была увеличена температура трубы до 150 ОС. В качестве защитного покрытия использовался стеклопластик. Экспериментом не зафиксировано дальнейших негативных изменений поверхности стеклопластика.

Мы не стали дальше проверять фольма-ткань, т.к. она была значительно повреждена во время предыдущих испытаний, причем в более щадящих условиях.

На основании полученных данных можно заключить, что в сравнении с фольма-тканью стеклопластик показал себя более надежным защитным покрытием скорлуп. Однако, для длительной эксплуатации изделий в стеклопластике необходима его периодическая окраска на трубопроводе.

Уже отмечалось выше, что самым эффективным защитным покрытием скорлуп при наружной прокладке теплотрасс является оцинкованная сталь. Как показывает опыт, она незаменима и в качестве защиты ППУ при весенних пожогах травы.

Условия, при которых возникают весенние пожоги, специфичны. Это длительно сухая и теплая погода, зачастую ветреная. Горючим материалом является мусор, оставшийся после таяния снега, прошлогодняя и более поздняя трава - так называемая «травяная ветошь». Пожар может занимать значительные площади, распространяться по кромке с большой скоростью и, натыкаясь на преграду, переходить от беглого к устойчивому. Такой преградой иногда являются конструкции надземных теплотрасс. На этих участках нередки огненные вихри, поскольку сооружение часто создает эффект конвекционной колонки (печного поддувала).

Будет ошибкой считать такие пожары низкотемпературными. Мы были свидетелями, когда огонь легко расплавлял алюминиевые заклепки бандажей (температура плавления чистого алюминия 658 ОС), а ветер разносил обугленные скорлупы с покровным слоем из стеклопластика по полю. Скорлупочный ППУ - материал, не поддерживающий горение (класс огнестойкости Г-4). Он способен сгорать лишь в огне активных в пожарном отношении материалов. Однако весеннего пала часто хватает для того, чтобы, как минимум, испортить внешний вид теплотрассы.

На участках, подверженных весенним пожогам, мы рекомендуем или использование скорлуп с покровным слоем из оцинкованной стали, или обработку почвы гербицидами для предотвращения зарастания травой. Наши длительные наблюдения и эксперименты показывают эффективность оцинкованной стали в качестве защиты ППУ скорлуп от весенних пожогов. Существует опасность обугливания пенополиуретана под оцинковкой в местах нагревания, но, по нашему опыту, ущерб от этого ничтожен. Во- первых, защищенная оцинковкой скорлупа обугливается на незначительную глубину за счет низкой теплопроводности ППУ. Во-вторых, обугливаясь, ППУ практически не ухудшает функциональных характеристик (сопротивление теплопередаче ППУ в нормальном состоянии 0,03 Вт/м.К, а обугленного 0,034 Вт/м.К). Не ухудшаются также и прочностные характеристики (прочность на сжатие при 10% линейной деформации стандартного скорлупочного ППУ 0,48 МПа, а перегретого и обугленного 0,51 МПа, т.е. даже выше на 6,2%).

Немного экономики

ППУ скорлупы с покровным слоем из фольма-ткани и стеклопластика дешевле скорлуп в оцинковке лишь на 15 и 10%, соответственно. При автоматизации процесса раскроя оцинкованной стали для покровного слоя скорлуп также происходит некоторое снижение цен на скорлупы в оцинковке за счет повышения производительности труда.

Как уже указывалось, альтернативным вариантом защиты теплопроводов от огня при весенних палах является гербицидная обработка прилегающих земель. Применение гербицидов очень глубоко изучено специалистами многих стран, химически и технически обеспечено. Тем не менее, нам не известен ни один случай, когда бы это применялось на участках под теплотрассами на практике. Так, в мае 2006 г. после обгорания части скорлуп в результате весеннего пала на одной из теплотрасс пригорода, мы с помощью специалистов Красноярского агроуниверситета составили расчет затрат на химическую обработку земли под данной магистралью. В ценах 2006 г., при балансовой стоимости теплотрассы в 120 млн руб. и ущербе в 1,6 млн руб. (сюда входил демонтаж сгоревших скорлуп, монтаж и стоимость новой теплоизоляции), затраты на обработку участка земли под всей теплотрассой не превышали 70 тыс. руб.

К сожалению, расчеты делались по факту случившегося и, не взирая на нашу пропаганду, данное мероприятие не нашло дальнейшего применения.

Выводы и рекомендации

Завершая разговор о пенополиуретановых скорлупах, хотелось бы обратить внимание на следующее:

■ при выборе ППУ скорлуп изучите характеристики материала, заявленные производителем. Помните, что срок службы однослойных скорлуп при пиковых нагрузках может быть невелик;

■ соблюдайте рекомендации по монтажу изделий. Даже самые качественные скорлупы быстро придут в негодность при неправильном их монтаже. Обратите особое внимание на материалы и технологию гидроизоляции стыков;

■ применяйте наружное покрытие, соответствующее условиям эксплуатации изделий. При надземном способе прокладки лучшим защитным материалом скорлуп является оцинкованная сталь;

■ в случае использования скорлуп в стеклопластике (при наружной прокладке) рекомендуется его периодическая покраска, а также химическая обработка почвы под трассой.

Литература

1. Кузьмин С.С. Скорлупы из пенополиуретана: испытание температурой. // Промышленные страницы Сибири, 2011, № 8 (56).

2. Кузьмин С.С. Скорлупы из пенополиуретана. Монтаж и защита от повреждений. // Промышленные страницы Сибири, 2011, № 9 (57).

С.С. Кузьмин, Скорлупы из пенополиуретана

Источник: Журнал "Новости теплоснабжения" №02 (174), 2015 г. , www.rosteplo.ru/nt/174

Оставить комментарий

Тематические закладки (теги)

Тематические закладки - служат для сортировки и поиска материалов сайта по темам, которые задают пользователи сайта.

Похожие статьи:

Программы Auditor

Технический семинар «Организация ремонта и повышения ресурса тепловых сетей»

Подробнее