Д.т.н. А.Г. Дементьев,
ОАО "ПОЛИМЕРСИНТЕЗ", г.Владимир.
по публикации журнала "ПЕНОПОЛИУРЕТАН" №2.2000Г
В настоящее время во всём мире широко используется теплоизоляция труб тепловых сетей пенополиуретаном (ППУ). Применение ППУ позволяет обеспечивать 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, ВНИПИЭНЕРГОПРОМ\ . 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 её 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 технологического 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 теплоизоляци 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 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 первогоперегиба на
дилатометрическоц 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 - 331М
(а) и пенополиизоцианурата ИЗОЛАН-5 (б). Из
рис.1 следует, что для ППУ - 331М
деформационная теплостойкость составляет
Ед - Тi = 126 град С, а для ИЗОЛАНА-5
соответственно Тд - ТI = 217 град С.
Поскольку подавляющее большинство тепловых сетей работает по графику 150... 70 град. С, то максимальное значение температуры должно быть принято для этого типа графика (для подающего трубопровода). Из рис. 1 следует, что ППУ - 331М 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 дальнейшее исследование \1-2\.
Испытания вновь разработанных ППУ на тепловое старение проводят при трех температурах через интервалы температуры не менее 10 град. 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, на 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 _50 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 учётом коэффициента поправки на ускорение (либо замедление) старения ППУ в выбранном режиме испытаний.
Определение срока службы ППУ-теплоизоляции труб с учётом температурного графика теплоносителя проводится с учётом продолжительности воздействия в отопительный сезон температур различных градаций \1-2\.
В качестве примера рассмотрим определение долговечности ИЗОЛАНА-5.
Результаты экспериментального
определения изменения прочности (xс)
ИЗОЛАНА-5 при тепловом старении
представлены на рис.3а.
Из рисунка видно, что полученные
зависимости являются монотонными и могут
быть описаны N-го порядка типа:
xс = xn + ((xo1-n - xn) - (1 - n) x t x e-E/RT )1/1-n
где: n = 3,798 - показатель порядка;
К = 5,62 х 1012 час. МПА-2,798 - постоянная по скорости;
Е = 123,2 кДж\моль (29,426 ккал моль) - эффективная энергия активации;
xn = 0,20 Мпа - предельное значение прочности;
xo = 0,65 Мпа - прочность в исходном состоянии;
R = 8,314 Дж/моль. К (1,987 кал/моль._С) - универсальная газовая постоянная;
Рис. 3 Зависимость прочности при t = длительность старения в часах;
сжатии ИЗОЛАНА-5 (g = 83 кг/м2) от длитель- Т = температура старения в К;
ности 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).
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 xс от длитеоьности старения при повышенных температурах представлена на рис. 3б, а измеренная долговечность t50 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 120o С.
В качестве примера пенопласта с низкой долговечностью рассмотрим результаты испытаний строительного пенополиуретана ППУ-316М.
Результаты определения изменения прочности (xс), эффективного коэффициента теплопроводности (l), объемного содержания открытых пор (Vоткр.) ППУ-316М представлены на рис.4 зависимости являются монотонными для xс могут быть аппроксированы кривыми, характерными для протекания в материале паралельных конкурирующих процессов 1-го порядка, для l - параллельных неконкурирующих процессов первого порядка и для Vоткр - обычного процесса первого порядка \4\.