Комплексное исследование причин разрушения пенополиуретановой изоляции в системах теплоснабжения

Цель – рассмотреть механизмы образования дефектов пенополиуретановой изоляции, используемой в трубопроводах, в частности, для энергетики и централизованного теплоснабжения. Объектом исследования является пенополиуретановая изоляция, находящаяся между сталью и полиэтиленом. Численный термомеханический анализ был проведен с использованием программного обеспечения ANSYS на П-образном участке трубы с пенополиуретановой изоляцией для моделирования условий эксплуатации при температуре теплоносителя 130°C с различной температурой окружающей среды от -20 до +20°C с шагом в 5°C. Рассмотрены различные причины возникновения дефектов в изоляции, включая технологические факторы при производстве (например, неравномерное нанесение, неправильная температура вспенивания, загрязнение влагой), механические нагрузки (удары, вибрации) и термические напряжения. Описан процесс разрушения пенополиуретана, включающий конденсацию, коррозию и химический распад. В ходе проведенных исследований установлено, что значительные концентрации напряжений возникают в местах поворота труб с пенополиуретановой изоляцией. Показано, что максимальное напряжение фон Мизеса составляет 0,45678 МПа при температуре окружающей среды -20°C (с разницей температуры теплоносителя и окружающей среды 150°C). Это близко к пределу прочности пенополиуретана, что при циклических процессах сжатия и расширения может привести к возникновению дефектов с последующей деградацией изоляционного слоя. Таким образом, показано, что термические нагрузки, наряду с дефектами производства и механическими воздействиями, являются основными причинами возникновения дефектов в пенополиуретановой изоляции (таких как трещины, расслоения, усталости), которые нарушают структурную целостность и тепловые характеристики труб с полиуретановой изоляцией.

1. Кузник И.В., Колубков А.Н., Ильин Е.Т., Белов В.М., Михайлов М.А., Плехов А.Г. [и др.]. Методы повышения энергоэффективности в централизованном теплоснабжении // Сантехника. Отопление. Кондиционирование. 2017. № 10. Режим доступа: https://www.c-o-k.ru/articles/metody-povysheniya-energoeffektivnosti-v-centralizovannomteplosnabzhenii (дата обращения: 15.02.2025).

2. Ваньков Ю.В., Зиганшин Ш.Г., Горбунова Т.Г., Политова Т.О., Хабибуллин Р.М. Анализ повреждаемости тепловых сетей г. Казани и разработка рекомендаций для повышения их надежности // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. № 7-8. С. 9−18. EDN: PHGHNB.

3. Ostrogorsky A.G., Glicksman L.R., Reitz D.W. Aging of polyurethane foams // International Journal of Heat and Mass Transfer. 1986. Vol. 29. Iss. 8. Р. 1169−1176. https://doi.org/10.1016/0017-9310(86)90148-1.

4. Tesser R., Di Serio M., Sclafani A., Santacesaria E. Modeling of polyurethane foam formation // Journal of Applied Polymer Science. 2004. Vol. 92. Iss. 3. С. 1875−1886. https://doi.org/10.1002/app.20170.

5. McDonough W., Braungart M., Anastas P.T., Zimmerman J.B. Peer reviewed: applying the principles of green engineering to cradle-to-cradle design // Environmental Science and Technology. 2003. Vol. 37. Iss. 23. Р. 434A−441A. https://doi.org/10.1021/es0326322.

6. Eriksson D., Sundén B. Heat and mass transfer in polyurethane insulated district cooling and heating pipes // Journal of Thermal Envelope and Building Science. 1998. Vol. 22. Iss. 1. Р. 49−71. https://doi.org/10.1177/10971 9639802200105.

7. Vega A., Yarahmadi N., Jakubowicz I. Determination of the long-term performance of district heating pipes through accelerated ageing // Polymer Degradation and Stability. 2018. Vol. 153. Р. 15−22. https://doi.org/10.1016/ j.polymdegradstab.2018.04.003.

8. Gaidukovs S., Gaidukova G., Ivdre A., Cabulis U. Viscoelastic and thermal properties of polyurethane foams obtained from renewable and recyclable components // Journal of Renewable Materials. 2018. Vol. 6. Iss. 7. Р. 755−763. https://doi.org/10.7569/JRM.2018.634112.

9. Menges G., Knipschild F. Estimation of mechanical properties for rigid polyurethane foams // Polymer Engineering and Science. 1975. Vol. 15. Iss. 8. Р. 623−627. https://doi.org/10.1002/pen.760150810.

10. Chen Yichong, Li Dongyang, Zhang Hong, Ling Yijie, Wu Kaiwen, Tao Liu, et al. Antishrinking strategy of microcellular thermoplastic polyurethane by comprehensive modeling analysis // Industrial and Engineering Chemistry Research. 2021. Vol. 60. Iss. 19. Р. 7155−7166. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c00895. EDN: RUIENS.

11. Doyle L., Weidlich I., Illguth M. Anisotropy in polyurethane pre-insulated pipes // Polymers. 2019. Vol. 11. Iss. 12. Р. 2074. https://doi.org/10.3390/polym11122074.

12. Doyle L., Weidlich I. Moisture uptake and effects of hygrothermal exposure on closed-cell semicrystalline polyethylene terephthalate foam // Polymer Degradation and Stability. 2022. Vol. 202. Р. 110009. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.110009. EDN: GUGMWJ.

13. Pellizzi E., Lattuati-Derieux A., Lavédrine B., Cheradame H. Degradation of polyurethane ester foam artifacts: chemical properties, mechanical properties and comparison between accelerated and natural degradation // Polymer Degradation and Stability. 2014. Vol. 107. Р. 255–261. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2013.12.018.

14. Cotgreave T., Shortall J.B. Failure mechanisms in fibre reinforced rigid polyurethane foam // Journal of Cellular Plastics. 1977. Vol. 13. Iss. 4. Р. 240−244. https://doi.org/10.1177/0021955X7701300401.

15. Doyle L., Weidlich I. Effects of thermal and mechanical cyclic loads on polyurethane pre‐insulated pipes // Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 2021. Vol. 44. Iss. 1. Р. 156−168. https://doi.org/10.1111/ffe.13347. EDN: SQMJKG.

16. Yarahmadi N., Vega A., Jakubowicz I. Accelerated ageing and degradation characteristics of rigid polyurethane foam // Polymer Degradation and Stability. 2017. Vol. 138. Р. 192−200. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2017.03.012.

17. Kakroodi A.R., Khazabi M., Maynard K., Sain M., Kwon Oh-Sung. Soy-based polyurethane spray foam insulations for light weight wall panels and their performances under monotonic and static cyclic shear forces // Industrial Crops and Products. 2015. Vol. 74. Р. 1–8. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2015.03.092.

18. Johns A.I., Scott A.C., Watson J.T.R., Ferguson D., Clifford A.A. Measurement of the thermal conductivity of gases by the transient hot-wire method // Philosophical Transactions of the Royal Society A. Series: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1988. Vol. 325. Iss. 1585. Р. 295−356. https://doi.org/10.1098/rsta.1988.0054.

19. McLinden M.O., Klein S.A., Perkins R.A. An extended corresponding states model for the thermal conductivity of refrigerants and refrigerant mixtures // International Journal of Refrigeration. 2000. Vol. 23. Iss. 1. Р. 43−63. https://doi.org/10.1016/S0140-7007(99)00024-9. EDN: LTDREZ.

20. Ridha M., Shim V.P.W. Microstructure and tensile mechanical properties of anisotropic rigid polyurethane foam // Experimental Mechanics. 2008. Vol. 48. Iss. 6. Р. 763–776. https://doi.org/10.1007/s11340-008-9146-0. EDN: ZMUTPG.