關(guān)于預(yù)制熱水保溫管聚氨酯炭化危害
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。
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(yán)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。
聚氨酯炭化機理與原因
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(yán)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(biāo)，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 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(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。隨著運行時間的延長，炭化問題會越來越嚴(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
