Особенности и нормы теплоизоляции пенополиуретаном

Предварительно изолированные пенополиуретаном (ППУ) трубы широко используются в сетях центрального отопления. Предлагаемая конструкция «труба в трубе» зарекомендовала себя весьма надежной и эффективной и рассчитана на срок эксплуатации не менее 25 лет при температурах теплоносителя до 150°С.

 

Процесс изготовления таких труб, состоящих из металлической внутренней трубы, трубы-оболочки и изоляции из ППУ, является традиционным. Кольцевое пространство между стальной внутренней трубой и защитной оболочкой заполняется пеной. Реакционную смесь заливают с одного конца в зазор между трубами, при этом положение трубы может быть вертикальным, горизонтальным или слегка наклонным.

Применяемые в данном случае ППУ системы должны соответствовать ряду специальных требований в части технологии переработки, свойств получаемой изоляции и экологии. В Западной Европе минимальные требования к изоляции из ППУ для «подземных» труб были отражены в европейском стандарте EN253.

В России, несмотря на значительный рост в последнее время производства предварительно изолированных труб, такие требования до недавнего времени отсутствовали, что приводило к некоторому хаосу в оценке качества конечной продукции. Так, ряд отечественных производителей ориентировался в своей работе на международные стандарты, другие — на нормативы СНиПов или внутренние технические требования. При этом диапазон критериев оценки качества ППУ изоляции был достаточно широк.

Такая ситуация потребовала объединения усилий производителей предварительно изолированных труб, разработчиков ППУ систем, проектных и научных организаций для создания общероссийского стандарта ГОСТ 30732-2001, который вступил в действие с 01.07.2001. В данном стандарте сформулированы современные требования к ППУ изоляции предварительно изолированных труб. Представляет интерес сравнить свойства разработанных ООО НПП «Изолан» и поставляемых на российский рынок систем с показателями, содержащимися в новом ГОСТе, а заодно и проанализировать необходимость использования тех или иных показателей для оценки качества готовой продукции.

Особенности ППУ изоляции

Основные требования к ППУ изоляции для предварительно изолированных труб можно сформулировать в общем виде следующим образом:

• достаточно высокая плотность используемых пенопластов (обычно от 60 до 100 кг/м³);
• высокие механические свойства пенопласта;
• высокая теплостойкость ППУ (до 150°С);
• термомеханические свойства пенопласта должны сохраняться в течение десятилетий эксплуатации;
• ППУ композиция должна обладать отличной текучестью, необходимой для равномерного заполнения внутренней полости трубы длиной до 12 метров;
• ППУ системы не должны содержать озоноразрушающих фреонов;
• повышенные требования к безопасности, если в качестве вспенивающих агентов используются воспламеняющиеся жидкости.

Типы используемых вспенивающих агентов

До начала 90-х годов в качестве вспенивающего агента широко использовался фреон 11. Он обладал целым рядом преимуществ: химически инертен, негорюч, имеет самую низкую теплопроводность из всех газов, применяемых для вспенивания.

Кроме того, он слабо диффундирует из пенопласта и обеспечивает хорошие показатели при старении. Но способность разрушать озоновый слой стала препятствием на пути его использования, и в соответствии со взятыми на себя нашей страной международными обязательствами выпуск фреона 11 был прекращен в 2001 году. В настоящее время разработаны новые системы на альтернативных вспенивающих агентах, сравнительные особенности которых представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Хотелось бы коснуться разницы в теплопроводности ППУ на различных вспенивателях при повышенной температуре. Как видно из таблицы 1, теплопроводность паров вспенивающих агентов при комнатных температурах существенно отличается.

Однако при условиях эксплуатации предизолированных трубопроводов в теплосетях необходимо учитывать, что коэффициенты теплопроводности газов увеличиваются при росте температуры от 20°С до 150°С. Например, по сравнению с n-пентаном CO₂ обладает более высокой теплопроводностью при комнатной температуре, и более низкой — при температурах выше 100°С [1]. В целом, разница между коэффициентами теплопроводности паров различных вспенивающих агентов с ростом температуры уменьшается.

 

Таким образом, для теплотехнических расчетов влиянием на коэффициент теплопроводности пенополиуретановой изоляции природы вспенивающих агентов можно пренебречь.

Дополнительным основанием для этого являются достаточно высокие плотности ППУ и полиэтиленовая оболочка, препятствующая диффузии вспенивающего агента.

Эти обстоятельства способствуют и сохранению теплоизоляционных свойств ППУ в течение длительного периода времени [2].

Вместе с тем, ППУ системы на основе СО₂ и фреона 141b (F-141b) получили на сегодняшний день наибольшее распространение в нашей стране. Ограничивающим фактором для использования пентанов является их пожаро- и взрывоопасность. Перечисленные вспенивающие агенты позволяют выполнить все требования ГОСТ 30732-2001 к предизолированным трубопроводам, но в случае пентанов производство трубопроводов связано с дополнительными затратами на покупку нового оборудования и обеспечение безопасности.

Экспериментальная часть

Образцы ППУ получали методом перемешивания на механической мешалке с числом оборотов 3000 об/мин. Образцы труб с ППУ изоляцией получали с использованием заливочной машины высокого давления. Физико-механические показатели измерялись на испытательных машинах ZWICK-1445 и Instron, коэффициент теплопроводности — на приборе FOX-200.

Требования к физико-механическим свойствам ППУ изоляции центрального отопления 

В соответствии с п.5.2 ГОСТ 30732-2001 для теплоизоляции должны использоваться только озонобезопасные системы жестких ППУ.

Требования к физико-механическим свойствам тепловой изоляции труб согласно ГОСТ 30732-2001 показаны в таблице 2.

 

При этом одна часть показателей должна определяться при приемосдаточных испытаниях каждой партии, другая — периодически, но не менее 2-х раз в год, третья — по требованию заказчика.

Следует отметить, что требования к ППУ по ГОСТ 30732-2001 достаточно высоки и практически ни в чем не уступают соответствующим требованиям европейского стандарта. НПП «Изолан» предлагает для ППУ изоляции труб центрального отопления следующие системы:

 

 
Рисунок 1

Как видно из рисунка 1, даже при минимальной плотности 60 кг/м³ Изолан-345 и Изолан-345/1М имеют показатели прочности на сжатие выше, чем регламентируемый показатель. При увеличении плотности до 80 кг/м³ показатель прочности на сжатие возрастает почти в 2 раза.

 

Водопоглощение пенопластов Изолан-345 и Изолан-345/1М, определенное различными производителями, находится обычно в диапазоне 3,5-7,5% в силу некоторой субъективности данного метода. На рисунке 2 показаны данные испытаний лабораторных образцов, изготовленных в НПП Изолан. Как видно из рисунка, наблюдается некоторое уменьшение значения данного показателя при увеличении плотности.

  

Рисунок 2 

Теплопроводность обеих марок при средней температуре 50°С находится значительно ниже, чем 0,033 Вт/моК (рисунок 3), при этом с увеличением температуры разница между коэффициентом теплопроводности системы на CO₂ (Изолан-345) и на F141b (Изолан-345/1М) снижается.

 

Рисунок 3 

 

Типичные значения объемной доли закрытых пор и прочности на сдвиг в осевом направлении представлены в таблице 3.

Таблица 3. Типичные показатели пенопластов Изолан-345, Изолан-345/1M

 

 

Следует отметить, что в соответствии с требованиями ГОСТ прочностные характеристики пенопласта должны соответствовать требованиям данного стандарта по всей длине трубы.

Особенно большие проблемы, связанные с неравномерным распределением плотности и соответствующим возможным снижением прочности возникают, как правило, при заливке труб малого диаметра. Разработанные НПП «Изолан» системы обладают достаточной растекаемостью и обеспечивают равномерное распределение прочности на сжатие ППУ по длине трубы даже для труб диаметром 57мм (рисунок 4).

 

Рисунок 4

Как видно из рисунка, прочностные характеристики во всех точках по длине трубы значительно выше, чем 0,3 МПа. Таким образом, все предлагаемые НПП «Изолан» системы компонентов для изоляции трубопроводов полностью соответствуют требованиям к ППУ-изоляции, содержащихся в ГОСТ 30732-2001.

 

Однако, на наш взгляд, среди показателей указанных в ГОСТе, не нашло отражение такое важное свойство ППУ изоляции, как теплостойкость. Дело в том, что ряд механических показателей, определяемых при повышенных температурах, таких, как прочность при осевом и тангенциальном сдвигах, измеряются в соответствии с ГОСТом только по требованию заказчиков. Для данных испытаний необходимо специальное оборудование и приспособления, которые в настоящее время отсутствуют практически у всех производителей изолированных труб.

 

Вместе с тем, существует достаточно простой и широко известный среди специалистов способ характеристики теплостойкости ППУ — температура размягчения по Вика при постоянной нагрузке по ГОСТ 15088-83. Сущность метода заключается в определении температуры, при которой образец под действием нагрузки сжимается на 1 мм. В данном случае необходимо использовать нагрузку не менее 50Н.

Этот метод позволил бы однозначно отбраковать ППУ системы, которые не смогут работать при температурах больше 120°С, хотя по остальным характеристикам они могут соответствовать требованиям нового ГОСТа.

 

Рисунок 5 

 

Как видно из рисунка 5, теплостойкость ППУ помимо химического состава композиции напрямую зависит от его плотности. Из рисунка видно, что для эксплуатации при 150°С необходимо иметь плотность ППУ, по крайней мере, не менее 75-80 кг/м³.

Использование показателя температуры размягчения по Вика при нагрузке 50Н позволяет оперативно контролировать качество ППУ изоляции с точки зрения теплостойкости, поставив барьер на пути различных «ППУ-суррогатов», не отвечающих требованиям долговременной температурной стабильности изоляции.

Это особенно важно для российских условий, где при проектировании теплоизолированных труб пиковая температура принимается равной 150°C. Указанные же в ГОСТ 30732-2001 испытания на прочность при осевом и тангенциальном сдвигах при повышенных температурах, на наш взгляд, целесообразно проводить только при сертификации продукции или при изменении поставщика исходных сырьевых компонентов.

Вместе с тем такой показатель, как «объемная доля закрытых пор», сам по себе не отражает какое-либо потребительское свойство ППУ и, на наш взгляд, может быть либо переведен в число показателей, определяемых по требованию заказчика, либо совсем исключен. Тем более, что конечные свойства продукции, с которыми может ассоциироваться данный показатель, такие как прочность при сжатии, водопоглощение и теплопроводность, непосредственно определяются во время периодических испытаний.

Создание нового ГОСТа способствовало унификации требований к ППУ изоляции для предварительно изолированных труб тепловых сетей. Однако, нам представляется целесообразным внесение некоторых изменений, касающихся свойств ППУ изоляции, что будет в большей степени соответствовать современным условиям.

На сегодняшний день, разработанные НПП «Изолан» и поставляемые на российский рынок системы компонентов Изолан-345, Изолан-345/1М полностью соответствуют требованиям ГОСТа и с успехом используются многими отечественными производителями.

 

1. R.Welte, Utech 96, The Hague, paper 69.

2.R. van den Bosch, Utech 96, The Hague, paper 67. 

к.х.н. Царфин М.Я., Васьков Г.Г. «Полиуретан», 2002, 4