預(yù)制熱水保溫管聚氨酯炭化危害及預(yù)防

和宏偉

(1.北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所， 北京 100011； 2.北京市建設(shè)工程質(zhì)量第四檢測(cè)所， 北京 100011)

1 概述

聚氨酯保溫材料是以多官能度有機(jī)異氰酸酯及混合聚醚多元醇為主要原料，在催化劑及添加劑的條件下，發(fā)生復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)而得到的一種硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(本文中的聚氨酯均指硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料)，具有比強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率小等特點(diǎn)，在供熱領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]，特別是在預(yù)制熱水保溫管(本文簡(jiǎn)稱預(yù)制保溫管)。預(yù)制保溫管采用工作鋼管、聚氨酯保溫層、PE外護(hù)管的三位一體結(jié)構(gòu)，在確保保溫性能的同時(shí)，能夠承載豎直方向的土壤壓力和水平方向的剪切力[2]。

隨著預(yù)制保溫管運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，易出現(xiàn)聚氨酯保溫層炭化問題，特別是當(dāng)供熱介質(zhì)溫度高以及敷設(shè)在高地下水位、河道等高腐蝕環(huán)境中，炭化現(xiàn)象更為突出。聚氨酯保溫層炭化后，易出現(xiàn)工作鋼管腐蝕、保溫結(jié)構(gòu)失效、工作鋼管滑移等問題，嚴(yán)重影響熱網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行。本文對(duì)預(yù)制熱水保溫管聚氨酯炭化危害及預(yù)防進(jìn)行分析。

2 聚氨酯炭化機(jī)理與原因

2.1 炭化機(jī)理與表現(xiàn)

聚氨酯的炭化過程為熱分解反應(yīng)，在受熱分解過程中，氨基甲酸酯基團(tuán)在C-O鍵位置斷裂，分解生成異氰酸酯、多元醇，然后進(jìn)一步分解為胺類、烯烴、CO2。分子團(tuán)逐漸變小，聚氨酯顏色逐漸加深，隨著受熱分解過程的持續(xù)，產(chǎn)物逐漸揮發(fā)，最終留下黑色碳?xì)浠衔铩⑻砑觿┓纸猱a(chǎn)物等[3]。

聚氨酯的熱分解溫度為160～180 ℃，該分解溫度是在非氧化環(huán)境中測(cè)得的。而在實(shí)際應(yīng)用中，無論架空敷設(shè)還是管溝、直埋敷設(shè)，在聚氨酯炭化分解過程中都不可避免與氧接觸。試驗(yàn)表明，在有氧環(huán)境中，聚氨酯的熱分解溫度會(huì)發(fā)生前移，熱分解溫度在120～140 ℃[3]。

聚氨酯發(fā)生炭化后，空泡結(jié)構(gòu)逐漸消失，綜合性能降低，主要反映在密度、熱導(dǎo)率、壓縮強(qiáng)度、閉孔率4項(xiàng)性能參數(shù)上。

密度：若聚氨酯的炭化僅存在有機(jī)物的分解，而外觀體積相對(duì)不變的情況下，聚氨酯的密度一般都在40 kg/m3以下，炭化越嚴(yán)重，密度越小，常見于架空敷設(shè)的一級(jí)管網(wǎng)(供熱介質(zhì)溫度較高)。對(duì)直埋保溫管道，在聚氨酯炭化過程中，若伴隨地下水進(jìn)入空泡結(jié)構(gòu)，密度反而增大，很多情況下，密度會(huì)大于60 kg/m3。

熱導(dǎo)率：炭化必然會(huì)導(dǎo)致聚氨酯的空泡結(jié)構(gòu)減少，熱導(dǎo)率變大，保溫性能降低。在聚氨酯長(zhǎng)時(shí)間服役過程中，若外觀顏色向偏紅色發(fā)展時(shí)，熱導(dǎo)率很多情況下不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致保溫管道散熱量升高。

壓縮強(qiáng)度：未炭化的聚氨酯具有一定彈性，但隨著炭化的發(fā)生，聚氨酯的高分子鏈出現(xiàn)斷裂，壓縮強(qiáng)度普遍偏低，多數(shù)情況下小于0.1 MPa。

閉孔率：在炭化過程中，聚氨酯閉孔結(jié)構(gòu)逐漸消失，閉孔率變小，保溫性能下降。對(duì)于架空、干燥土壤環(huán)境中的保溫管道，聚氨酯炭化后的閉孔率會(huì)在50%以下。若處在多水分的環(huán)境中(如高地下水的埋地環(huán)境)，閉孔率會(huì)在20%以下。

2.2 炭化原因

① 發(fā)泡原料耐熱性不足

發(fā)泡原料與添加劑直接影響聚氨酯的耐熱性能，若發(fā)泡原料耐熱性能差、相對(duì)分子質(zhì)量過低、調(diào)配不合理，易導(dǎo)致近工作鋼管表面的聚氨酯出現(xiàn)受熱分解，并伴隨有效組分分解、揮發(fā)，高分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，聚氨酯出現(xiàn)變黃、變黑。一般經(jīng)過2～3個(gè)供暖期后，整個(gè)保溫層都會(huì)出現(xiàn)炭化變黑的情況，見圖1。由圖1可知，炭化后的聚氨酯呈黑粉狀，保溫結(jié)構(gòu)全部失效。該管段被地下水長(zhǎng)期浸泡，工作鋼管出現(xiàn)了壁厚減薄情況，DN 500 mm工作鋼管最薄處僅為2 mm左右，管道面臨著開裂風(fēng)險(xiǎn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該保溫管道為一級(jí)管網(wǎng)，而采用了適用于二級(jí)管網(wǎng)的發(fā)泡原料，由于發(fā)泡原料的耐溫等級(jí)比較低，導(dǎo)致在運(yùn)行過程中，全線均出現(xiàn)了聚氨酯嚴(yán)重炭化。

圖1 炭化變黑的聚氨酯保溫層

② 聚氨酯密度偏低

聚氨酯的密度直接決定著預(yù)制保溫管的質(zhì)量，若密度過低，單位體積空泡占比高，而有效聚氨酯的含量占比降低，在受熱過程中，聚氨酯過早出現(xiàn)炭化。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，炭化問題會(huì)越來越嚴(yán)重。架空敷設(shè)保溫管道低密度聚氨酯的炭化情況見圖2。由圖2可知，低密度的聚氨酯沿工作鋼管表面向外，顏色逐漸變淺，靠近鋼管表面炭化最為嚴(yán)重，基本已呈黑色，并伴隨保溫層脫離工作鋼管以及鋼管表面腐蝕(DN 500 mm工作鋼管最薄處僅為3 mm左右)，管網(wǎng)每年出現(xiàn)多起泄漏事故。

圖2 架空敷設(shè)保溫管道低密度聚氨酯的炭化情況

③ 保溫層進(jìn)水

補(bǔ)口是直埋保溫管道的薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)補(bǔ)口出現(xiàn)泄漏后，地下水或河水將侵入聚氨酯保溫層中，并受熱沸騰。聚氨酯被高溫?zé)崴?，空泡結(jié)構(gòu)逐漸消失，體積縮小，直至整個(gè)保溫層空泡結(jié)構(gòu)全部消失，聚氨酯炭化塌縮成帶狀、塊狀的硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，不再具有保溫性能，工作鋼管也易出現(xiàn)腐蝕穿孔、開裂等問題。與聚氨酯材料耐熱性能不足、密度過低導(dǎo)致的炭化不同的是，由于進(jìn)水導(dǎo)致炭化的聚氨酯往往呈現(xiàn)紅色，且聚氨酯的原始形態(tài)消失。

埋設(shè)于河道附近的保溫管道聚氨酯炭化情況見圖3。由于河道附近地下水位高，加之補(bǔ)口存在問題，導(dǎo)致地下水侵入保溫層，長(zhǎng)時(shí)間高溫浸泡，聚氨酯炭化。由圖3可知，炭化后的產(chǎn)物為紅色硬塊、硬條，硬度比較大，脆性比較強(qiáng)。

圖3 埋設(shè)于河道附近的保溫管道聚氨酯炭化情況

④ 使用溫度不合理

為防止聚氨酯發(fā)生炭化，往往要求供熱介質(zhì)溫度控制在140 ℃以下，若供熱介質(zhì)長(zhǎng)期高于140 ℃，聚氨酯很容易出現(xiàn)炭化，特別是在熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目的一級(jí)管網(wǎng)中。

某工廠輸送蒸汽用管溝敷設(shè)保溫管道聚氨酯炭化情況見圖4。該保溫管道工作鋼管規(guī)格為DN 200 mm，采用聚氨酯保溫層及PE外護(hù)管。由于輸送蒸汽，聚氨酯工作在150 ℃甚至更高溫度，超出允許的工作溫度。由圖4可知，使用1 a后，整條管道的聚氨酯保溫層出現(xiàn)炭化，聚氨酯基本變黑，PE外護(hù)管變形。

圖4 某工廠輸送蒸汽用管溝敷設(shè)保溫管道聚氨酯炭化情況

3 聚氨酯炭化危害

① 三位一體結(jié)構(gòu)失效

隨著炭化，聚氨酯與鋼管之間的結(jié)合力降低，導(dǎo)致聚氨酯保溫層與工作鋼管脫離(見圖5)。此時(shí)，工作鋼管將在保溫層中自由伸縮，三位一體結(jié)構(gòu)失效。

圖5 保溫層與工作鋼管發(fā)生脫離

隨著炭化程度加劇，聚氨酯易出現(xiàn)塌縮現(xiàn)象，若有地下水滲入，極易造成三位一體結(jié)構(gòu)大面積失效。在這種情況下，對(duì)于供熱介質(zhì)溫度高、管徑大的熱網(wǎng)，即使補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)合理，閥門、補(bǔ)償器也易因?yàn)楣ぷ麂摴艽蟪叨任灰圃斐蓳p壞。因保溫管道三位一體結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的直埋波紋管補(bǔ)償器損壞見圖6。由圖6可知，由于聚氨酯炭化，出現(xiàn)塌縮，外護(hù)管與工作鋼管之間出現(xiàn)空層，三位一體結(jié)構(gòu)失效。由于缺少三位一體結(jié)構(gòu)在水平方向的束縛，工作鋼管過度熱伸長(zhǎng)過度擠壓波紋管補(bǔ)償器，從而導(dǎo)致波紋管補(bǔ)償器開裂損壞。

圖6 因三位一體結(jié)構(gòu)失效導(dǎo)致的直埋波紋管補(bǔ)償器損壞

② 工作鋼管腐蝕

聚氨酯炭化后，由于保溫層體積變小甚至塌縮，PE外護(hù)管存在開裂風(fēng)險(xiǎn)。若PE外護(hù)管發(fā)生開裂，腐蝕性地下水將侵入保溫層，導(dǎo)致工作鋼管腐蝕[4-5]。聚氨酯炭化位置出現(xiàn)的工作鋼管腐蝕穿孔見圖7。由圖7可知，由于該直埋保溫管道聚氨酯炭化，保溫層體積縮小，在土壓力應(yīng)力作用下，PE外護(hù)管表面出現(xiàn)了開裂，地下水進(jìn)入保溫層，工作鋼管在很短的時(shí)間內(nèi)就發(fā)生了腐蝕穿孔。

圖7 聚氨酯炭化位置出現(xiàn)的工作鋼管腐蝕穿孔

除了工作鋼管腐蝕穿孔外，供熱管道的腐蝕產(chǎn)物還往往呈現(xiàn)層狀。這主要與供熱管道季節(jié)性運(yùn)行有關(guān)，腐蝕環(huán)境下，工作管表面的腐蝕產(chǎn)物覆蓋在管道表面，在供暖期，管道徑向膨脹，供暖停止后，管道徑向收縮，但腐蝕產(chǎn)物(主要為氧化鐵)基本不會(huì)收縮，導(dǎo)致管體與腐蝕產(chǎn)物剝離，管體露出新的金屬被繼續(xù)腐蝕。如此往復(fù)，形成“剝洋蔥”式的腐蝕過程，加速了管道腐蝕[6]。直埋敷設(shè)保溫管道工作鋼管表面的層狀腐蝕產(chǎn)物見圖8。圖8中的保溫管道埋設(shè)環(huán)境土壤濕度較大，保溫層并未進(jìn)水。同樣的，受到腐蝕的架空敷設(shè)保溫管道也存在類似的情況(見圖9)。實(shí)際上，對(duì)于保溫層進(jìn)水的直埋敷設(shè)保溫管道，工作鋼管的層狀腐蝕產(chǎn)物是腐蝕進(jìn)程中的一個(gè)階段，最終導(dǎo)致壁厚減薄甚至穿孔。

圖8 直埋敷設(shè)保溫管道工作鋼管表面的層狀腐蝕產(chǎn)物

圖9 架空敷設(shè)保溫管道工作鋼管表面的層狀腐蝕產(chǎn)物

4 預(yù)防措施

① 加強(qiáng)預(yù)制保溫管的綜合檢測(cè)

利用現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)，通過進(jìn)行長(zhǎng)期熱老化性能、長(zhǎng)期機(jī)械性能等重點(diǎn)試驗(yàn)，確保預(yù)制保溫管的綜合質(zhì)量。嚴(yán)格把控預(yù)制保溫管的生產(chǎn)質(zhì)量與施工質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)補(bǔ)口的重點(diǎn)檢測(cè)。具備條件時(shí)，供熱企業(yè)應(yīng)根據(jù)熱網(wǎng)的運(yùn)行情況，定期開展非開挖檢測(cè)工作，評(píng)估保溫層、補(bǔ)口情況，有效降低運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

② 嚴(yán)格把控使用溫度

過高的使用溫度，將加速聚氨酯炭化過程，降低保溫管道壽命。因此，在運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范使用溫度，特別是熱電聯(lián)供項(xiàng)目的一級(jí)管網(wǎng)。

③ 合理設(shè)計(jì)管道路由

直埋保溫管道聚氨酯炭化普遍集中在高地下水位區(qū)域。因此，在供熱管網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)階段，應(yīng)進(jìn)行實(shí)地勘察，盡量避免將預(yù)制保溫管直埋敷設(shè)在河道周圍等高地下水位區(qū)域。若無法避免，可采取架空方式。

④ 提高產(chǎn)品質(zhì)量

預(yù)制保溫管生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)提高生產(chǎn)水平。一方面，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)需求和實(shí)際需要，對(duì)發(fā)泡原料的耐熱性能進(jìn)行嚴(yán)格選擇。另一方面，應(yīng)充分保證聚氨酯密度，特別是當(dāng)采用中間注料的發(fā)泡方式時(shí)，應(yīng)采取技術(shù)措施保證預(yù)制保溫管兩端的聚氨酯密度和均勻性。

5 結(jié)語

分析預(yù)制熱水保溫管硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料(以下簡(jiǎn)稱聚氨酯)炭化機(jī)理與原因，探討聚氨酯炭化危害及預(yù)防措施。聚氨酯的炭化過程為熱分解反應(yīng)，主要原因?yàn)榘l(fā)泡原料耐熱性不足、聚氨酯密度偏低、保溫層進(jìn)水、使用溫度不合理。為防止聚氨酯炭化，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)制保溫管的綜合檢測(cè)、嚴(yán)格把控使用溫度、合理設(shè)計(jì)管道路由、提高產(chǎn)品質(zhì)量。