Д.т.н. А.Г. Дементьев, ОАО «ПОЛИМЕРСИНТЕЗ», г. Владимир.
В настоящее время во всем мире широко используется теплоизоляция труб тепловых сетей пенополиуретаном ППУ. Применение ППУ позволяет обеспечить безаварийное и эффективное теплоснабжение в условиях бесканальной прокладки трубопроводов.
Наличие заданного срока эксплуатации тепловых сетей (не менее 30 лет) позволяет обоснованно выбирать материалы, типы конструкций, защиту материалов и конструкций и т.п., а это значит, что долговечность приобретает количественное расчетное значение. Поэтому на первое место в необходимой совокупности свойств ППУ выходит долговечность, которая должна, как правило, превышать 30-летний срок, а затем уже эти материалы должны иметь необходимые прочностные, теплоизоляционные и деформативные свойства.
Для определения сохраняемости свойств изоляции труб тепловых сетей часто используются методы испытания моделей (фрагментов) теплопроводов \1-2\.
Методы НИИМОССТРОЯ, ВНИПИЭНЕРГОПРСЩ. Этот подход заключается в поэтапном проведении испытаний: 1. Определение показателей кратковременных свойств ППУ, устанавливающих возможность применения их для теплоизоляции труб; 2. Определение показателей долговременных свойств изоляции, подтверждающих срок службы ее на уровне общепринятых требований. Очевидно, такой подход к проведению долговременных испытаний фрагментов теплопроводов вполне оправдан, если предварительно установлена долговечность ППУ на требуемом уровне. Поэтому для оценки долговечности ППУ используются различные методы: ассоциации по сертификации материалов (ACERMI-метод) и Дельфтского технического университета (TU-DELFT-метод), основанные на учете газообмена в ячейках при прогнозировании изменения теплопроводности, метод НПО «ПОЛИМЕРСИНТЕЗ», основанный на использовании температурно-временной аналогии при прогнозировании изменения физико-механических свойств \3-4\ и другие. С учетом изложенного рассмотрим определение долговечности ППУ для теплоизоляции тепловых сетей.
Из показателей кратковременных свойств ППУ, устанавливающих возможность их применения для теплоизоляции труб, часто определяют: кажущуюся плотность, прочность при сжатии и при сдвиге, водопоглощение при повышенной температуре, объемное содержание закрытых пор, коэффициент термического линейного расширения при повышенных температурах, модуль упругости либо прочность при повышенной температуре, ползучесть, деформационную теплостойкость. Некоторые показатели из перечисленных кратковременных свойств пеноматериалов для тепловых сетей регламентированы стандартами \1-2\.
В качестве примера рассмотрим определение деформационной теплостойкости Тд пенополиуретанов. Тд определяется из дилатометрической кривой в точке пересечения касательных в месте первого перегиба на дилатометрической кривой. Испытания проводят на образцах в форме куба с длиной ребра 10 мм и при нагрузке 0,005 Н/см2 при скорости подъема температуры 5 К/мин. На рис. 1 приведены дилатометрические кривые (1) и их первые производные (2) для пенополиуретана ППУ-ЗЗ1М (а) и пенополиизоцианурата ИЗОЛАН-5 (б). Из рис.1 следует, что для ППУ-З31М деформационная теплостойкость составляет Тд = Т1 = 126°С, а для ИЗОЛАНА-5 соответственно Тд = Т1 = 217°С.
Поскольку подавляющее большинство тепловых сетей работает по графику 150...70 °С, то максимальное значение температуры должно быть принято для этого типа графика (для подающего трубопровода). Из рис.1 следует, что ППУ-ЗЗ1М строительного назначения не может быть рекомендован для теплоизоляции труб тепловых сетей, в то время как ИЗОЛАН-5 удовлетворяет этим требованиям по показателю Тд.
Долговечность ППУ для теплоизоляции труб в зависимости от температуры регламентирована стандартами \1-2\ и должна быть не ниже указанной на контрольной линии 1 (рис.2). При этом для подтверждения необходимой долговечности ППУ рекомендовано продолжить их дальнейшие исследования \1-2\.
Испытания вновь разработанных ППУ на тепловое старение проводят при трех температурах через интервалы температуры не менее 10°С. В качестве характерного показателя старения выбирают прочность при сжатии. Длительность и температуру испытаний выбирают таким образом, чтобы время предполагаемой эксплуатации превышало длительность ускоренных испытаний не более чем на десятичный порядок. Испытания проводят на образцах в форме куба с длиной ребра 30 мм либо с максимально достижимыми размерами, не превышающими 30 мм.
По полученным результатам определяют функцию прогноза изменения свойств ППУ при старении. Из полученной функции прогноза устанавливают зависимость долговечности на уровне сохранения 50% прочности Т50 от температуры, которая должна располагаться выше контрольной линии 1 на рис. 2.
В случае испытания пенополиуретана-аналога (отличающегося от базовой рецептуры ППУ, например, различием кажущейся плотности, либо введением наполнителя и т.д.) допускается проведение испытаний в режиме при наиболее высокой температуре. Если изменение характерного показателя старения базового и испытываемого материалов оказалось аналогичным, то долговечность испытываемого материала при различных температурах определяют по долговечности базового ППУ с учетом коэффициента поправки на ускорение (либо замедление) старения ППУ в выбранном режиме испытаний.
Определение срока службы ППУ-теплоизоляции труб с учетом температурного графика теплоносителя проводится с учетом продолжительности воздействия в отопительный сезон температур различных градаций \1-2\.
В качестве примера рассмотрим определение долговечности ИЗОЛАНА-5.
Результаты экспериментального определения изменения прочности (£с) ИЗОЛАНА -5 при тепловом старении представлены на рис. 3а. Из рис. За видно, что полученные зависимости являются монотонными и могут быть описаны уравнением N-ro порядка типа:
где: n = 3,798 -показатель порядка;
К=5, 62*1012час-1; МПА-2,798 - постоянная по скорости;
Е=123,2 кДж\моль
(29,426 ккал моль) - эффективная энергия активации;
£ n= 0,20 Мпа -предельное значение прочности;
£ о=0,65 Мпа -прочность в исходном состоянии;
R=8,314 Дж/моль.
К (1,987 кал/моль._С) - универсальная газовая постоянная;
Т= температура старения в К;
т = длительность старения в часах.
При этом общий коэффициент корреляции модели (1) и опытных данных оказался равным 0,948, а среднее квадратичное отклонение составило 0,0426 МПа, что свидетельствует о хорошем их соответствии.
Полученная из функции прогноза (1) зависимость изменения £с от длительности старения при повышенных температурах представлена на рис. 36, а измеренная долговечность т50 ИЗОЛАНА-5 составила: 5 лет при 423К, 21 год при 403К и представлена для различных температур на рис. 2 (линия 2). Из рис. 2 видно, что установленная кривая (2) для ИЗОЛАНА-5 проходит выше базовой линии (1), что показывает его соответствие по долговечности требованиям методики НПО «ПОЛИМЕРСИНТЕЗ» и стандарта EN253:1994 и подтверждает долговечность ИЗОЛАНА-5 не ниже 30 лет в случае постоянной эксплуатации при 120°С.
В качестве примера пенопласта с низкой долговечностью рассмотрим результаты испытаний строительного пенополиуретана ППУ-316М.
Результаты определения изменения прочности (£c), эффективного коэффициента теплопроводности (X), объемного содержания открытых пор (Vоткр.) ППУ-316М представлены на рис. 4. Полученные на рис. 4 зависимости являются монотонными и для £с могут быть аппроксимированы кривыми, характерными для протекания в материале параллельных конкурирующих процессов 1-го порядка, для К – параллельных неконкурирующих процессов первого порядка и для Vоткр - обычного процесса первого порядка \4\.
Рис. 3. Зависимость прочности при сжатии ИЗОЛАНА-5 (у=83 кг/м3) от длительности теплового старения.
а - эксперимент при температурах 373 (1), 398 (2), 423 (3), 473К(4).
б - функция прогноза для температур 283(1), 333 (2), 373 (3), 403 (4), 423К(5).
Рассчитанная на функции прогноза долговечность т50 для ППУ-316М составила 0,09 года при 423К; 0,23 года при 398К и предоставлена для различных температур на рис. 2 (линия 3). Из рис, 2 видно, что установленная зависимость (3) проходит существенно ниже базовой линии (1), что указывает на несоответствие строительного пенополиуретана ППУ-316М требованиям методики НПО «ПОЛИМЕРСИНТЕЗ» и стандарта ЕН253: 1994 для теплоизоляции труб тепловых сетей. В заключение следует отметить сделанные по методике
Во-первых, в \1-2\ предполагается существование всегда одной лимитирующей стадии старения с эффективной энергией активации Е=160 кдж моль (линия 1 на рис. 2), в то время как это практически никогда не имеет места. Действительно, кинетика изменения свойств материала описывается обычно уравнением, характерным для протекания нескольких (часто двух) процессов с различными эффективными энергиями активации (существенно отличающимися от 150 кдж/моль), либо уравнением n-го порядка \4\, и неучет этого приведет к значительным ошибкам.
Во-вторых, возможное изменение лимитирующих стадий старения на глубоких стадиях и его неучет могут многократно исказить результат. Поэтому в методике НПО «ПОЛИМЕРСИНТЕЗ» принято прогнозирование долговечности в пределах одного десятичного порядка в сравнении с длительностью лабораторных испытаний.
Таким образом, проведенные исследования позволили оценить эффективность методик для определения срока службы ППУ при теплоизоляции тепловых сетей.
ЛИТЕРАТУРА:
1. European Standard EN 253, October 1994. Preinsulated bonded pipe systems for under ground hot water networks. - Pipe assembly of steel service
pipes, polyurethane thermal insulation and outer casing of polyethylene.
2. Dansk Standard DS\EN 253 RU, 1995.01.26.
3. A.G. Dementyev, M.A. Dementyev, P.A. Zinger, I.R. Metlyakova. Effect of the cellular structure on the thermal conductivity of rigid closed-cell foam polymers during long-term aging. - Mechanics of composite materials, New York, 1999, Vol. 35, №2, p. 129-138.
4. А.Г. Дементьев,А.И. Дьячков, Л.В, Невский, M.A. Дементьев. Физические особенности кинетики старения строительных пенополиуретанов и прогнозирование их долговечности. Материалы международной конференции "Долговечность и защита конструкции от коррозии. Строительство, реконструкция". М., 1999, с.327- 332.
