WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODZENIA CIEPŁA IZOLACJI W RURACH PREIZOLOWANYCH PO NATURALNYM I SZTUCZNYM STARZENIU. Ewa Kręcielewska Damien Menard

Transkrypt

1 WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODZENIA CIEPŁA IZOLACJI W RURACH PREIZOLOWANYCH PO NATURALNYM I SZTUCZNYM STARZENIU Ewa Kręcielewska Damien Menard

2 TRWAŁOŚĆ RUROCIGÓW PREIZOLOWANYCH Okres szacowanej przewidywanej trwałości rurociągów preizolowanych przewiduje się na około 30 lat. Zjawisko dyfuzji gazów i stopniowe pogarszanie się właściwości termoizolacyjnych pianki PUR mają istotne znaczenie z punktu widzenia kosztów eksploatacyjnych sieci ciepłowniczych i emisji zanieczyszczeń do środowiska. Zmiana współczynnika przewodzenia ciepła powoduje, że wraz z upływem czasu użytkowania sieci rosną straty ciepła przez przenikanie. W przypadku rur preizolowanych przenikanie tlenu przez rurę osłonową prowadzi również do: degradacji komórek izolacji, trwałego odkształcenia izolacji pod wpływem obciążenia, spadku wytrzymałości izolacji na ściskanie promieniowe, spadku wytrzymałości zespołu rurowego na ścinanie osiowe, przez co zmniejsza się przyczepność izolacji do rury przewodowej, a w konsekwencji pogorszeniu ulega mechaniczna integralność zespołu preizolowanego. 2

3 DYFUZJA GAZÓW Szybkość dyfuzji gazów w izolacji w rurach preizolowanych zależy: od rodzaju poroforu, a konkretnie od wielkości molekuł gazu znajdujących się w zamkniętych komórkach izolacji. Molekuły CO 2 są stosunkowo małe, więc jego dyfuzja będzie dużo szybsza od dyfuzji cyklopentanu gazu o dużo większych molekułach, temperatury nośnika ciepła im wyższa, tym proces dyfuzji zachodzi szybciej, grubości płaszcza osłonowego im cieńszy, tym dyfuzja będzie szybsza, co oznacza, że rury preizolowane o małych średnicach będą pogarszały swoje właściwości termoizolacyjne szybciej, niż rury o dużych średnicach, ponieważ zgodnie z normą EN 253 grubość ścianki rośnie wraz ze wzrostem średnicy nominalnej, od stosowanej metody produkcji rur preizolowanych. 3

4 METODY PRODUKCJI RUR PREIZOLOWANYCH TRADYCYJNA (DN20 DN1200), najbardziej powszechna, polega na wtrysku pianki poliuretanowej w obszar pomiędzy rurą przewodową i rurą osłonową. Stosowana jest przez wielu producentów przy produkcji rur preizolowanych. Osłonę izolacji stanowi rura polietylenowa z polietylenu o własnościach określonych w EN253. Rura osłonowa, na etapie produkcji, może zostać doposażona w dodatkową warstwę, tak zwaną barierę dyfuzyjną (np. rury trójwarstwowe prod. ZPU Jońca, rury pięciowarstwowe prod. RADPOL). W wyniku zastosowania warstwy barierowej z EVOH (Ethylene vinyl alcohol) przenikanie gazu z pianki, jak i tlenu do izolacji zostaje obniżone do wartości śladowych, co oznacza utrzymanie właściwości termicznych pianki na niezmienionym poziomie przez pełen okres eksploatacji systemu. W związku z brakiem degradacji tlenowej poliuretanu, nie ulega też pogorszeniu mechaniczna integralność systemu. Niektórzy producenci, jako barierę dyfuzyjną stosują folię tworzywową lub aluminiową pomiędzy izolacją i rurą osłonową, która wprawdzie chroni izolację przed dyfuzją gazów, ale jednocześnie w sposób istotny może pogorszyć jeden z najważniejszych parametrów wytrzymałościowych preizolowanego zespołu rurowego - wytrzymałość na ścinanie. 4

5 METODY PRODUKCJI RUR PREIZOLOWANYCH CONTI (DN20 DN250) ciągła, polegająca na jednoczesnym formowaniu izolacji z barierą antydyfuzyjną i wytłaczaniu płaszcza osłonowego. Jest to bardzo trudna metoda produkcji, stosowana prawdopodobnie tylko przez dwóch producentów rur preizolowanych w Europie (firmy LOGSTOR oraz ISOPLUS). Ograniczenie stosowania rur preizolowanych wyprodukowanych tą metodą wynika z zakresu produkowanych średnic. OPTI (DN200 DN1200) półciągła, polegająca na formowaniu pianki na rurze stalowej, a następnie - po zdjęciu formy, nawinięciu na izolację płaszcza osłonowego lub folii aluminiowej (jako bariera dyfuzyjna) i płaszcza osłonowego. Produkowane są w zakresie średnic. 5

6 AKTUALNY STAN WIEDZY Badania naukowe wykonane przez niezależny szwedzki instytut badawczy - Chalmers Technical University (ChTU) wykazały, że wartość współczynnika przewodzenia ciepła rośnie w trakcie eksploatacji rurociągów preizolowanych, a w przypadku stosowania cyklopentanu jako środka pieniącego wartość współczynnika przewodzenia ciepła zależy od stosowanej metody produkcji rur. 50, W/mK 0,041 0,039 0,037 0,035 0,033 0,031 0,029 0,027 0, Czas eksploatacji, lata ChTU, dwutlenek węgla ChTU, cyklopentan - tradycyjna ChTU,cyklopentan - CONTI 6

7 LABORATORIUM BADAWCZE HTC Od 2003 roku Laboratorium Badawcze posiada akredytację Polskiego Centrum Akredytacji, które należy do Międzynarodowego Zrzeszenia Laboratoriów Akredytowanych (ILAC-MRA). Laboratorium posiada największe w Polsce doświadczenia w zakresie badań izolacji stosowanych w ciepłownictwie. Dzięki badaniom izolacji zgodnie z wymaganiami norm europejskich laboratorium znalazło się na liście referencyjnej Euroheat & Power. LB HTC jest członkiem Klubu Polskich Laboratoriów Badawczych POLLAB które należy do Europejskiej Federacji Krajowych Stowarzyszeń Laboratoriów Pomiarowych, Badawczych i Analitycznych EUROLAB. 7

8 BADANIA PROWADZONE W HTC Laboratorium HTC zajmuje się od kilkunastu lat m.in. badaniami współczynnika przewodzenia ciepła. Badania prowadzone są na aparacie rurowym zbudowanym zgodnie z EN ISO 8497 zgodnie z obowiązującymi wymaganiami, w tym przypadku z normą EN 253. Laboratorium prowadzi badania współczynnika przewodzenia ciepła: wyrobów nowych po naturalnym starzeniu (po eksploatacji w rzeczywistych warunkach pracy), po przyspieszonym starzeniu. 8

9 BADANIA PROWADZONE W HTC W latach prowadzono badania współczynnika przewodzenia ciepła izolacji z rur preizolowanych z pianki PUR spienianej dwutlenkiem węgla. Próbki odcinki rur preizolowanych pobierane były z warszawskiego systemu ciepłowniczego. Łącznie przebadano 8 próbek, eksploatowanych w okresie od 5 do 15 lat. Od 2008 roku prowadzono w LB badania współczynnika przewodzenia ciepła izolacji z rur preizolowanych spienianej cyklopentanem. Dzięki współpracy z polskimi przedsiębiorstwami energetyki cieplnej do badań trafiło 16 próbek z odkrywek rurociągów preizolowanych z różnych miejsc w Polsce eksploatowanych od 4 do 14 lat. W styczniu 2011 roku uruchomiona została w LB komora grzejna, służąca do przyspieszonego starzenia rur preizolowanych. Wg EN 253 przyspieszone starzenie przed badaniem współczynnika przewodzenia ciepła polega na wygrzewaniu zespołu rurowego w temperaturze t = 90 C przez 150 dni. 9

10 BADANIA PROWADZONE W HTC W LB HTC badania współczynnika przewodzenia ciepła prowadzone są równolegle z badaniami pianki PUR gęstości i wytrzymałości na ściskanie wg EN 253, EN ISO 845 i EN

11 WYNIKI BADAŃ HTC: PO NATURALNYM STARZENIU 50, W/mK 0,041 0,039 0,037 0,035 0,033 0,031 0,029 0, Czas eksploatacji, lata dane rzeczywiste, cyklopentan ekstrapolacja, cyklopentan dane rzeczywiste, dwutlenek węgla ekstrapolacja, dwutlenek węgla W przypadku rur preizolowanych wyprodukowanych metodą tradycyjną następuje wzrost współczynnika przewodzenia ciepła izolacji: o około 20 % w przeciągu pierwszych pięciu lat o około 1% w przeciągu kolejnych lat. 11

12 PORÓWNANIE WYNIKÓW BADAŃ PRZEPROWADZONYCH W CHTU I HTC 50, W/mK 0,0430 ZGODNE 50, W/mK 0,0380 ROZBIEŻNE 0,0410 0,0360 0,0390 0,0370 0,0350 0,0330 0, HTC dwutlenek węgla, NS Czas eksploatacji, lata ChTU dwutlenek węgla, PS Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji spienianej CO 2 po przyspieszonym starzeniu (PS) i po naturalnym starzeniu (NS). 0,0340 0,0320 0,0300 0,0280 0, HTC cyklopentan, NS Czas eksploatacji, lata ChTU cyklopentan, PS Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji spienianej cyklopentanem po przyspieszonym starzeniu (PS) i po naturalnym starzeniu (NS)? 12

13 WYNIKI BADAŃ HTC: PO PRZYSPIESZONYM STARZENIU Lp. 50, W/mK, przed starzeniem 50, W/mK, po DN/ D * starzeniu c 1 0,0273 0, / , , ,0281 0, / , , ,0265 0, / , ,0272 0, / ,0282 0, / ,0279 0, /125 Średnia 0,0281 0,

14 PORÓWNANIE WYNIKÓW BADAŃ PRZEPROWADZONYCH W CHTU I HTC Wyniki badań współczynnika przewodzenia ciepła izolacji spienianej cyklopentanem po przyspieszonym starzeniu (PS) i po naturalnym starzeniu (NS) po 30 latach eksploatacji. 50, W/mK 0,0390 0,0370 0,0350 0,0330 0,0310 Wyniki testów prowadzonych w HTC oraz ChTU po przyspieszonym starzeniu są zbieżne 0,0302 0,0288 0,0303 0,0300 0,0291 0,0299 0,0297 0,0310 0,0369 0,0290 0,0270 0,0250 Rury preizolowane z izolacją spienianą cyklopentanem: HTC, PS HTC, PS średnia ChTU, PS HTC, NS Wyniki badań izolacji po przyspieszonym starzeniu nie pokrywają się z wynikami badań po naturalnym starzeniu (ok. 20% różnicy) 14

15 WYNIKI BADAŃ PIANKI PUR: GĘSTOŚCI POZORNEJ I WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCISKANIE śr, kg/m Rury preizolowane z izolacją spienianą: dwutlenkiem węgla - od 5 do 15 lat eksploatacji cyklopentanem - od 4 do 11 lat eksploatacji cyklopentanem - przed przyspieszonym starzeniem (nowe) cyklopentanem - po przyspieszonym starzeniu 10 śr, MPa 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Stwierdzono tendencję do obniżania gęstości pianki PUR w rurach preizolowanych czego efektem jest obniżenie wytrzymałości na ściskanie. 11 z 17 zbadanych próbek (przed i po sztucznym starzeniu) charakteryzowało się wytrzymałością na ściskanie: 10śr < 0,3 MPa niezgodne z wymaganiami normy EN Rury preizolowane z izolacją spienianą: dwutlenkiem węgla - od 5 do 15 lat eksploatacji cyklopentanem - od 4 do 11 lat eksploatacji cyklopentanem - przed starzeniem (nowe) cyklopentanem - po przyspieszonym starzeniu 15

16 WYNIKI BADAŃ PIANKI PUR: GĘSTOŚCI POZORNEJ I WYTRZYMAŁOŚCI NA ŚCISKANIE Gęstość pozorna izolacji zależy od zastosowanego systemu surowcowego, metody i warunków produkcji. Wraz z gęstością zmieniają się przewodność cieplna oraz wytrzymałość na ściskanie pianki PUR. Im mniejsza jest gęstość, tym mniejszy (lepszy) jest współczynnik przewodzenia ciepła, ale niższa (gorsza) jest wytrzymałość na ściskanie. Gęstość pianki PUR musi być tak dobrana, aby zapewnić jednoczesne zachowanie wymaganych w normie EN 253 parametrów ( 50 0,029 W/mK i 10 = min 0,3 MPa). Wytrzymałość izolacji na ściskanie promieniowe poniżej 0,3 MPa zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia awarii rurociągu preizolowanego, skraca przewidywany okres jego pracy i powoduje wzrost kosztów eksploatacyjnych sieci ciepłowniczej. Stwierdzone nie zachowanie właściwej wytrzymałości na ściskanie izolacji w badanych odcinkach rur preizolowanych wynika, z niewłaściwych lub braku zapisów w normie EN 253 edycja 2009, ponieważ: usunięto zapis dotyczący minimalnej gęstości izolacji (taki zapis istniał od 1994 roku), brakuje spójności pomiędzy zapisami dotyczącymi badań gęstości, wytrzymałości na ściskanie i współczynnika przewodzenia ciepła, tzn. przy badaniu współczynnika przewodzenia ciepła wymagane jest podawanie gęstości izolacji, natomiast nie wymagane jest podawanie wytrzymałości na ściskanie! 16

17 WNIOSKI Podczas eksploatacji rurociągów ciepłowniczych preizolowanych z upływem czasu pogarszają się właściwości termoizolacyjne pianki PUR. Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji spienianej CO 2, zbadany dla 8 próbek pobranych z rur preizolowanych eksploatowanych w różnych okresach w naturalnych warunkach, jest zbliżony do współczynnika przewodzenia ciepła po starzeniu przyspieszonym. Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji spienianej cyklopentanem, zbadany dla 14 próbek pobranych z rur preizolowanych eksploatowanych w różnych okresach w naturalnych warunkach, jest wyższy niż współczynnik przewodzenia ciepła po starzeniu przyspieszonym Wyniki badań współczynnika przewodzenia ciepła izolacji z rur preizolowanych po przyspieszonym starzeniu, wykonanych w różnych laboratoriach, są podobne. Różnica wartości współczynnika przewodzenia ciepła izolacji po przyspieszonym starzeniu i po starzeniu w rzeczywistych warunkach pracy może oznaczać konieczność weryfikacji parametrów przyspieszonego starzenia określonych w normie EN 253. W celu zachowania właściwych parametrów izolacji, zaleca się rozważenie przez CEN zmiany w normie EN 253: wprowadzenie w zakresie badań typu współczynnika przewodzenia ciepła, wymogu badania, obok gęstości rdzenia, wytrzymałości na ściskanie, ponownego wprowadzenia zapisu dotyczącego minimalnej gęstości pianki PUR. Dla możliwości poszerzenia wiedzy na temat wartości współczynnika przewodzenia ciepła izolacji spienianej cyklopentanem po starzeniu w warunkach naturalnych konieczne jest kontynuowanie badań pianki PUR z eksploatowanych odcinków rurociągów preizolowanych. 17

18 PERSPEKTYWY 1. Dla możliwości poszerzenia wiedzy na temat izolacji po starzeniu w warunkach naturalnych, konieczne jest kontynuowanie badań pianki PUR z eksploatowanych rurociągów preizolowanych nie tylko współczynnika przewodzenia ciepła, ale również właściwości fizycznych (gęstość) i mechanicznych (wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na ścinanie). 2. Należy kontynuować badania izolacji z rur preizolowanych (wyprodukowanych metodą tradycyjną i CONTI, z warstwą antydyfuzyjną i bez tej warstwy) po przyspieszonym starzeniu. 3. Dla możliwości poznania mechanizmów starzenia się izolacji nie tylko porowatych, ale również włóknistych niezbędne jest pozyskiwanie próbek po eksploatacji, z terenu pracujących w rzeczywistych warunkach pracy sieci ciepłowniczych. 18