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)量第四檢測所， 北京 100011)

1 概述

聚氨酯保溫材料是以多官能度有機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)，具有比強度高、熱導(dǎo)率小等特點，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外護管的三位一體結(jié)構(gòu)，在確保保溫性能的同時，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)制保溫管運行時間的延長，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，嚴重影響熱網(wǎng)的安全、可靠運行。本文對預(yù)制熱水保溫管聚氨酯炭化危害及預(yù)防進行分析。

2 聚氨酯炭化機理與原因

2.1 炭化機理與表現(xiàn)

聚氨酯的炭化過程為熱分解反應(yīng)，在受熱分解過程中，氨基甲酸酯基團在C-O鍵位置斷裂，分解生成異氰酸酯、多元醇，然后進一步分解為胺類、烯烴、CO2。分子團逐漸變小，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)，最終留下黑色碳氫化合物、添加劑分解產(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)境中測得的。而在實際應(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。試驗表明，在有氧環(huán)境中，聚氨酯的熱分解溫度會發(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、壓縮強度、閉孔率4項性能參數(shù)上。

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

熱導(dǎo)率：炭化必然會導(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。在聚氨酯長時間服役過程中，若外觀顏色向偏紅色發(fā)展時，熱導(dǎo)率很多情況下不達標，導(dǎo)致保溫管道散熱量升高。

壓縮強度：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個供暖期后，整個保溫層都會出現(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。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該保溫管道為一級管網(wǎng)，而采用了適用于二級管網(wǎng)的發(fā)泡原料，由于發(fā)泡原料的耐溫等級比較低，導(dǎo)致在運行過程中，全線均出現(xiàn)了聚氨酯嚴重炭化。

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。隨著運行時間的延長，炭化問題會越來越嚴重。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 保溫層進水

補口是直埋保溫管道的薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)補口出現(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，加之補口存在問題，導(dǎo)致地下水侵入保溫層，長時間高溫浸泡，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。

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)項目的一級管網(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，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，對于供熱介質(zhì)溫度高、管徑大的熱網(wǎng)，即使補償裝置設(shè)計合理，閥門、補償器也易因為工作鋼管大尺度位移造成損壞。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過度擠壓波紋管補償器，從而導(dǎo)致波紋管補償器開裂損壞。

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外護管存在開裂風(fēng)險。若PE外護管發(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外護管表面出現(xiàn)了開裂，地下水進入保溫層，工作鋼管在很短的時間內(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)。實際上，對于保溫層進水的直埋敷設(shè)保溫管道，工作鋼管的層狀腐蝕產(chǎn)物是腐蝕進程中的一個階段，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 加強預(yù)制保溫管的綜合檢測

利用現(xiàn)代檢測技術(shù)，通過進行長期熱老化性能、長期機械性能等重點試驗，確保預(yù)制保溫管的綜合質(zhì)量。嚴格把控預(yù)制保溫管的生產(chǎn)質(zhì)量與施工質(zhì)量，加強對補口的重點檢測。具備條件時，供熱企業(yè)應(yīng)根據(jù)熱網(wǎng)的運行情況，定期開展非開挖檢測工作，評估保溫層、補口情況，有效降低運行風(fēng)險。

② 嚴格把控使用溫度

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，在運行過程中，應(yīng)嚴格規(guī)范使用溫度，特別是熱電聯(lián)供項目的一級管網(wǎng)。

③ 合理設(shè)計管道路由

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)計階段，應(yīng)進行實地勘察，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)計需求和實際需要，對發(fā)泡原料的耐熱性能進行嚴格選擇。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，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(以下簡稱聚氨酯)炭化機理與原因，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)，主要原因為發(fā)泡原料耐熱性不足、聚氨酯密度偏低、保溫層進水、使用溫度不合理。為防止聚氨酯炭化，應(yīng)加強預(yù)制保溫管的綜合檢測、嚴格把控使用溫度、合理設(shè)計管道路由、提高產(chǎn)品質(zhì)量。