预制热水保温管聚氨酯炭化危害及预防

和宏伟

(1.北京市公用事业科学研究所， 北京 100011； 2.北京市建设工程质量第四检测所， 北京 100011)

1 概述

聚氨酯保温材料是以多官能度有机异氰酸酯及混合聚醚多元醇为主要原料，在催化剂及添加剂的条件下，发生复杂化学反应而得到的一种硬质聚氨酯泡沫塑料(本文中的聚氨酯均指硬质聚氨酯泡沫塑料)，具有比强度高、热导率小等特点，在供热领域被广泛应用[1]，特别是在预制热水保温管(本文简称预制保温管)。预制保温管采用工作钢管、聚氨酯保温层、PE外护管的三位一体结构，在确保保温性能的同时，能够承载竖直方向的土壤压力和水平方向的剪切力[2]。

随着预制保温管运行时间的延长，易出现聚氨酯保温层炭化问题，特别是当供热介质温度高以及敷设在高地下水位、河道等高腐蚀环境中，炭化现象更为突出。聚氨酯保温层炭化后，易出现工作钢管腐蚀、保温结构失效、工作钢管滑移等问题，严重影响热网的安全、可靠运行。本文对预制热水保温管聚氨酯炭化危害及预防进行分析。

2 聚氨酯炭化机理与原因

2.1 炭化机理与表现

聚氨酯的炭化过程为热分解反应，在受热分解过程中，氨基甲酸酯基团在C-O键位置断裂，分解生成异氰酸酯、多元醇，然后进一步分解为胺类、烯烃、CO2。分子团逐渐变小，聚氨酯颜色逐渐加深，随着受热分解过程的持续，产物逐渐挥发，最终留下黑色碳氢化合物、添加剂分解产物等[3]。

聚氨酯的热分解温度为160～180 ℃，该分解温度是在非氧化环境中测得的。而在实际应用中，无论架空敷设还是管沟、直埋敷设，在聚氨酯炭化分解过程中都不可避免与氧接触。试验表明，在有氧环境中，聚氨酯的热分解温度会发生前移，热分解温度在120～140 ℃[3]。

聚氨酯发生炭化后，空泡结构逐渐消失，综合性能降低，主要反映在密度、热导率、压缩强度、闭孔率4项性能参数上。

密度：若聚氨酯的炭化仅存在有机物的分解，而外观体积相对不变的情况下，聚氨酯的密度一般都在40 kg/m3以下，炭化越严重，密度越小，常见于架空敷设的一级管网(供热介质温度较高)。对直埋保温管道，在聚氨酯炭化过程中，若伴随地下水进入空泡结构，密度反而增大，很多情况下，密度会大于60 kg/m3。

热导率：炭化必然会导致聚氨酯的空泡结构减少，热导率变大，保温性能降低。在聚氨酯长时间服役过程中，若外观颜色向偏红色发展时，热导率很多情况下不达标，导致保温管道散热量升高。

压缩强度：未炭化的聚氨酯具有一定弹性，但随着炭化的发生，聚氨酯的高分子链出现断裂，压缩强度普遍偏低，多数情况下小于0.1 MPa。

闭孔率：在炭化过程中，聚氨酯闭孔结构逐渐消失，闭孔率变小，保温性能下降。对于架空、干燥土壤环境中的保温管道，聚氨酯炭化后的闭孔率会在50%以下。若处在多水分的环境中(如高地下水的埋地环境)，闭孔率会在20%以下。

2.2 炭化原因

① 发泡原料耐热性不足

发泡原料与添加剂直接影响聚氨酯的耐热性能，若发泡原料耐热性能差、相对分子质量过低、调配不合理，易导致近工作钢管表面的聚氨酯出现受热分解，并伴随有效组分分解、挥发，高分子结构遭到破坏，聚氨酯出现变黄、变黑。一般经过2～3个供暖期后，整个保温层都会出现炭化变黑的情况，见图1。由图1可知，炭化后的聚氨酯呈黑粉状，保温结构全部失效。该管段被地下水长期浸泡，工作钢管出现了壁厚减薄情况，DN 500 mm工作钢管最薄处仅为2 mm左右，管道面临着开裂风险。调查发现，该保温管道为一级管网，而采用了适用于二级管网的发泡原料，由于发泡原料的耐温等级比较低，导致在运行过程中，全线均出现了聚氨酯严重炭化。

图1 炭化变黑的聚氨酯保温层

② 聚氨酯密度偏低

聚氨酯的密度直接决定着预制保温管的质量，若密度过低，单位体积空泡占比高，而有效聚氨酯的含量占比降低，在受热过程中，聚氨酯过早出现炭化。随着运行时间的延长，炭化问题会越来越严重。架空敷设保温管道低密度聚氨酯的炭化情况见图2。由图2可知，低密度的聚氨酯沿工作钢管表面向外，颜色逐渐变浅，靠近钢管表面炭化最为严重，基本已呈黑色，并伴随保温层脱离工作钢管以及钢管表面腐蚀(DN 500 mm工作钢管最薄处仅为3 mm左右)，管网每年出现多起泄漏事故。

图2 架空敷设保温管道低密度聚氨酯的炭化情况

③ 保温层进水

补口是直埋保温管道的薄弱环节，当补口出现泄漏后，地下水或河水将侵入聚氨酯保温层中，并受热沸腾。聚氨酯被高温热水浸泡，空泡结构逐渐消失，体积缩小，直至整个保温层空泡结构全部消失，聚氨酯炭化塌缩成带状、块状的硬质结构，不再具有保温性能，工作钢管也易出现腐蚀穿孔、开裂等问题。与聚氨酯材料耐热性能不足、密度过低导致的炭化不同的是，由于进水导致炭化的聚氨酯往往呈现红色，且聚氨酯的原始形态消失。

埋设于河道附近的保温管道聚氨酯炭化情况见图3。由于河道附近地下水位高，加之补口存在问题，导致地下水侵入保温层，长时间高温浸泡，聚氨酯炭化。由图3可知，炭化后的产物为红色硬块、硬条，硬度比较大，脆性比较强。

图3 埋设于河道附近的保温管道聚氨酯炭化情况

④ 使用温度不合理

为防止聚氨酯发生炭化，往往要求供热介质温度控制在140 ℃以下，若供热介质长期高于140 ℃，聚氨酯很容易出现炭化，特别是在热电联产项目的一级管网中。

某工厂输送蒸汽用管沟敷设保温管道聚氨酯炭化情况见图4。该保温管道工作钢管规格为DN 200 mm，采用聚氨酯保温层及PE外护管。由于输送蒸汽，聚氨酯工作在150 ℃甚至更高温度，超出允许的工作温度。由图4可知，使用1 a后，整条管道的聚氨酯保温层出现炭化，聚氨酯基本变黑，PE外护管变形。

图4 某工厂输送蒸汽用管沟敷设保温管道聚氨酯炭化情况

3 聚氨酯炭化危害

① 三位一体结构失效

随着炭化，聚氨酯与钢管之间的结合力降低，导致聚氨酯保温层与工作钢管脱离(见图5)。此时，工作钢管将在保温层中自由伸缩，三位一体结构失效。

图5 保温层与工作钢管发生脱离

随着炭化程度加剧，聚氨酯易出现塌缩现象，若有地下水渗入，极易造成三位一体结构大面积失效。在这种情况下，对于供热介质温度高、管径大的热网，即使补偿装置设计合理，阀门、补偿器也易因为工作钢管大尺度位移造成损坏。因保温管道三位一体结构失效导致的直埋波纹管补偿器损坏见图6。由图6可知，由于聚氨酯炭化，出现塌缩，外护管与工作钢管之间出现空层，三位一体结构失效。由于缺少三位一体结构在水平方向的束缚，工作钢管过度热伸长过度挤压波纹管补偿器，从而导致波纹管补偿器开裂损坏。

图6 因三位一体结构失效导致的直埋波纹管补偿器损坏

② 工作钢管腐蚀

聚氨酯炭化后，由于保温层体积变小甚至塌缩，PE外护管存在开裂风险。若PE外护管发生开裂，腐蚀性地下水将侵入保温层，导致工作钢管腐蚀[4-5]。聚氨酯炭化位置出现的工作钢管腐蚀穿孔见图7。由图7可知，由于该直埋保温管道聚氨酯炭化，保温层体积缩小，在土压力应力作用下，PE外护管表面出现了开裂，地下水进入保温层，工作钢管在很短的时间内就发生了腐蚀穿孔。

图7 聚氨酯炭化位置出现的工作钢管腐蚀穿孔

除了工作钢管腐蚀穿孔外，供热管道的腐蚀产物还往往呈现层状。这主要与供热管道季节性运行有关，腐蚀环境下，工作管表面的腐蚀产物覆盖在管道表面，在供暖期，管道径向膨胀，供暖停止后，管道径向收缩，但腐蚀产物(主要为氧化铁)基本不会收缩，导致管体与腐蚀产物剥离，管体露出新的金属被继续腐蚀。如此往复，形成“剥洋葱”式的腐蚀过程，加速了管道腐蚀[6]。直埋敷设保温管道工作钢管表面的层状腐蚀产物见图8。图8中的保温管道埋设环境土壤湿度较大，保温层并未进水。同样的，受到腐蚀的架空敷设保温管道也存在类似的情况(见图9)。实际上，对于保温层进水的直埋敷设保温管道，工作钢管的层状腐蚀产物是腐蚀进程中的一个阶段，最终导致壁厚减薄甚至穿孔。

图8 直埋敷设保温管道工作钢管表面的层状腐蚀产物

图9 架空敷设保温管道工作钢管表面的层状腐蚀产物

4 预防措施

① 加强预制保温管的综合检测

利用现代检测技术，通过进行长期热老化性能、长期机械性能等重点试验，确保预制保温管的综合质量。严格把控预制保温管的生产质量与施工质量，加强对补口的重点检测。具备条件时，供热企业应根据热网的运行情况，定期开展非开挖检测工作，评估保温层、补口情况，有效降低运行风险。

② 严格把控使用温度

过高的使用温度，将加速聚氨酯炭化过程，降低保温管道寿命。因此，在运行过程中，应严格规范使用温度，特别是热电联供项目的一级管网。

③ 合理设计管道路由

直埋保温管道聚氨酯炭化普遍集中在高地下水位区域。因此，在供热管网规划、设计阶段，应进行实地勘察，尽量避免将预制保温管直埋敷设在河道周围等高地下水位区域。若无法避免，可采取架空方式。

④ 提高产品质量

预制保温管生产企业应提高生产水平。一方面，应根据设计需求和实际需要，对发泡原料的耐热性能进行严格选择。另一方面，应充分保证聚氨酯密度，特别是当采用中间注料的发泡方式时，应采取技术措施保证预制保温管两端的聚氨酯密度和均匀性。

5 结语

分析预制热水保温管硬质聚氨酯泡沫塑料(以下简称聚氨酯)炭化机理与原因，探讨聚氨酯炭化危害及预防措施。聚氨酯的炭化过程为热分解反应，主要原因为发泡原料耐热性不足、聚氨酯密度偏低、保温层进水、使用温度不合理。为防止聚氨酯炭化，应加强预制保温管的综合检测、严格把控使用温度、合理设计管道路由、提高产品质量。