硬質聚氨酯泡沫保溫材料標準差異

黃春蓉 劉百春 周 暉 馬含悅 李國娜 葉 樺

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國石油塔里木油田公司，新疆 庫爾勒 841000

0 前言

硬質聚氨酯泡沫保溫材料（PUR）廣泛用于國內外埋地、直埋系統(tǒng)的鋼質管道保溫，保溫管由鋼管、高密度聚乙烯外護管以及鋼管和外護管之間填充的硬質聚氨酯泡沫保溫層緊密結合而成。硬質聚氨酯泡沫保溫層具有機械性能、絕熱性能良好和價格適中等特點。聚乙烯外護管可以抵御土壤應力或一定的外部撞擊對造成的損傷。而要抵御紫外線對聚乙烯層的損傷，則通常使用添加了一定炭黑的高密度聚乙烯，俗稱黑“夾克”。

目前國內外相關標準有GB/T 50538-2010《埋地鋼質管道防腐保溫層技術標準》［1］、CJ/T 114-2000 《高密度聚乙烯外護管聚氨酯泡沫預制直埋保溫管》、DIN EN253-2009《區(qū)域供暖管道鋼質直埋式熱水供應網用預制隔熱連接管道系統(tǒng)聚氨酯隔熱和聚乙烯外護層》［2］。這些標準雖然都是對聚氨酯保溫層和聚乙烯外護層系統(tǒng)的規(guī)范性要求，但相互間存在較大差異［3］。

1 編制背景

SY/T 0415-96主要根據原SYJ18-86《埋地鋼質管道聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術標準》、SYJ 4014-87《埋地鋼質管道聚乙烯、硬質聚氨酯泡沫一次成型防腐保溫層施工及驗收規(guī)范》和SYJ4016-87《埋地鋼質管道聚乙烯、硬質聚氨酯泡沫“管中管”法成型防腐保溫層施工及驗收規(guī)范》［4］三項標準修改、合并而成，在石油行業(yè)沿用了10余年。

CJ/T 114-2000在CJ/T 3002-1992《聚氨酯泡沫塑料預制保溫管》基礎上修訂而成，并引用了DIN EN253-1994的部分條款，為非等效采用。

GB/T 50538-2010是在SY/T 0415-96和CJ/T 114-2000基礎上，綜合了石油行業(yè)和城鎮(zhèn)建設行業(yè)的要求修改編制而成的。GB/T 50538-2010于2010年12月1日開始實施，由于GB/T 50538-2010是由兩個標準合并修改而成，為兼顧兩個行業(yè)不同的要求，該標準在結構和技術上形成了兩大部分，即介質溫度≤100℃和介質溫度≤120℃的兩類，介質溫度≤100℃類按照SY/T 0415-96的思路編制，介質溫度≤120℃類按照CJ/T 114-2000思路編制。

DIN EN253第一版1990年出版，第二版1994年出版，現行版本是在2003-06版基礎上修訂而成，由歐洲標準化委員會 “區(qū)域供熱預制管道系統(tǒng)”TC107工作組編制。根據歐洲標準化委員會和歐洲電工標準化委員會內部規(guī)程的要求，包括法國、德國、英國等30余個歐洲國家的標準化組織必須采用該項標準。

2 標準內容

GB/T 50538-2010和DINEN253均為直埋保溫標準，兩者之間最大的區(qū)別在于GB/T 50538-2010對防腐層、保溫層、防護層以及補口材料進行了較詳細的要求，而對安裝系統(tǒng)，即保溫層加外保護層系統(tǒng)幾乎沒有提出要求。DINEN253中未對防腐層和補口材料進行要求，對保溫和防護層的材料本身也未提出任何要求，但對保溫層、防護層以及安裝系統(tǒng)提出了較詳細的要求。

3 介質溫度

GB/T 50538-2010總體要求是適用于輸送介質溫度不超過120℃的埋地鋼質管道外壁防腐層與保溫層，但按介質溫度≤100℃和介質溫度100～120℃分別對保溫結構、保溫材料、端頭預留長度、保溫層及防護層偏差等進行要求。根據前面的介紹，適用于介質溫度≤100℃的保溫層參照SY/T 0415-96編制，更多兼顧石油行業(yè)的做法和習慣。而適用于介質溫度100～120℃保溫層參照CJ/T 114-2000編制，更多兼顧城鎮(zhèn)建設行業(yè)的做法和習慣。

DIN EN253標準規(guī)定了預制直埋熱水保溫管（管中管）的要求與測試方法，包括DN 15～1200的鋼質工作管、硬質聚氨酯泡沫保溫層和聚乙烯外護管。適用于連續(xù)工作溫度＜120℃、偶然峰值溫度＜140℃的預制保溫管。

4 導熱系數

導熱系數是指在傳熱穩(wěn)定的情況下，1m厚的材料，兩側表面溫度差為1℃（或K），在1 h內通過1m2面積傳遞的熱量，用λ表示，單位為W/m·K。GB/T 50538-2010對保溫層材料導熱系數的規(guī)定是：介質溫度≤100℃的為0.03W/m·K，介質溫度≤120℃為0.033W/m·K，但該標準未明確導熱系數是老化前還是老化后的。DIN EN253未對保溫層材料的導熱系數提出要求，但對安裝系統(tǒng)的導熱系數做了明確規(guī)定：DINEN253-2006明確要求老化前后的導熱系數均應為0.033W/m·K；DIN EN253-2009要求老化前后的導熱系數均為0.029W/m·K，熱老化條件為80±10℃。

聚乙烯導熱系數因密度和其它條件的不同為0.33～0.5W/m·K，密度越高，導熱系數越高。顯然聚乙烯導熱系數較聚氨酯泡沫導熱系數大，但保溫性能卻更差。實際工況下聚氨酯泡沫和聚乙烯外護管配合，共同實現對管道的保溫，因此DIN EN253采用安裝系統(tǒng)的導熱系數作為判斷指標更為合理。

導熱系數雖是材料固有的參數，但仍與泡沫溫度、含濕率、容重等因素有關。溫度對各類保溫材料導熱系數均有直接影響，溫度提高，保溫材料導熱系數上升。所有的保溫材料都具有多孔結構，容易吸濕，含濕率＞5%～10%時，保溫材料吸濕后濕分占據了原被空氣充滿的部分氣孔空間，引起有效導熱系數明顯升高。容重是保溫材料氣孔率的直接反映，由于氣相的導熱系數通常小于固相導熱系數，所以保溫材料都具有很大的氣孔率即很小的容重。一般情況下，增大氣孔率或減少容重都將導致導熱系數的下降，保溫材料中，大部分熱量是從孔隙中的氣體傳導的，因此，保溫材料的熱導率在很大程度上決定于填充氣體的種類［5］。

5 導熱系數測試方法

導熱系數是保溫材料的主要參數，測試方法主要有三種：

a）DIN EN253-2009 按照 EN ISO 8497《絕熱—管道用絕熱穩(wěn)態(tài)熱傳遞性能測定》標準，采用圓管法檢測，測試管道長度＞3m，基本原理是通過測量保溫管內表面溫度、保溫層內表面溫度、保溫層外表面溫度及外護管外表面溫度，再根據管道和保溫層的尺寸等參數計算保溫管的導熱系數。

b）GB/T 50538-2010和CJ/T 114-2000均按照GB 10297-98《非金屬固體材料導熱系數的測定方法熱線法》標準，采用熱線法檢測?；驹硎窃诰|均溫的試樣中放置1根電阻絲，即所謂的“熱線”，一旦熱線在恒定功率的作用下放熱，則熱線和熱線附近試樣的溫度將升高，根據其溫度隨時間的變化關系，就可確定試樣的導熱系數。由于該方法僅適用于各向同性均質材料，GB/T 50538-2010和CJ/T 114-2000采用該方法是對保溫層導熱系數進行測試，而不是對安裝系統(tǒng)（保溫管）導熱系數進行測試。

c）平板法的基本原理是當試樣上、下兩面處于不同的穩(wěn)定溫度下，測量通過試樣有效傳熱面積的熱流及試樣兩表面間溫差和厚度，計算導熱系數。試驗方法采用的標準為GB/T 3392-82《塑料導熱系數試驗方法——護熱平板法》。

三種方法中，熱線法誤差最大，平板法誤差最小。但平板法的缺陷是所測樣品規(guī)格需達到200mm×200 mm×50mm，對于Φ114/200mm等較小管徑保溫管的樣品則無法測試。

6 發(fā)泡劑類型

雖然國內外標準中都提出使用無氟發(fā)泡劑的要求，但在材料類型上存在差異，也導致了導熱系數的差異。

發(fā)泡劑是聚氨酯（PU）泡沫中最重要的一種助劑，發(fā)泡劑的種類、數量對PU泡沫的物理機械性能、泡沫密度、耐溫性等有直接影響。制備PU泡沫所使用的發(fā)泡劑一般分兩種類型：一種是利用水與異氰酸酯反應放出CO2作為起泡劑，即化學發(fā)泡劑；另一種是選用低沸點化合物，利用泡沫體系的反應熱使之汽化發(fā)泡，即物理發(fā)泡劑［5］。

表1 GB/T 50538-2010和DIN EN253指標的差異

PU泡沫由大量封閉的泡孔結構組成，封閉的小泡孔里含有氣體，不同的發(fā)泡劑使小泡孔里的氣體不同，水發(fā)泡劑的小泡孔內含CO2，環(huán)戊烷發(fā)泡劑的小泡孔內含環(huán)戊烷，氟利昂發(fā)泡劑的小泡孔內含氟利昂，泡孔內氣體的導熱系數直接影響泡沫體的導熱系數［6］。資料顯示，氟利昂的導熱系數最低，其次是環(huán)戊烷，最高的是CO2。

國外公司為滿足《對關于消耗臭氧層物質的蒙特利爾議定書》的要求，同時獲取盡可能低的導熱系數，采用環(huán)戊烷發(fā)泡劑。使用環(huán)戊烷時要遠離熱源、火源、氧化劑和其他化學反應劑，吸入環(huán)戊烷后可引起頭痛、頭暈、定向力障礙、興奮、倦睡、共濟失調和麻痹；輕度刺激眼睛；引起皮膚脫脂、干燥、發(fā)紅等。因此，國內在管道聚氨酯泡沫預制生產中很少采用環(huán)戊烷作發(fā)泡劑。如果采用水作為發(fā)泡劑，為保證導熱系數滿足要求，就要考慮泡沫的容重，較低的容重可獲得較多的泡孔和更好的絕緣熱性能，同時降低抗壓強度和抗沖擊性能。

7 其它指標

GB/T 50538-2010和DIN EN253指標方面的差異，見表1。

從表1可看出，國外標準技術指標相對國內保溫介質≤100℃的系統(tǒng)在抗壓強度、老化前后導熱系數、泡沫閉孔率、外觀、長期機械性能、剪切強度、抗蠕變要求、運輸過程的表面條件等方面更優(yōu)；相對國內保溫介質≤120℃的系統(tǒng)在老化前后導熱系數、外觀、抗沖擊強度、剪切強度、抗蠕變要求、運輸過程的表面條件等方面更優(yōu)于國內標準。

同時表1中還可看出，國內標準基本對泡沫層加聚乙烯外護層，即安裝系統(tǒng)無要求，雖然140℃下的剪切強度和抗蠕變的測試是針對熱水管道而制訂的，但其他指標對100℃以下直埋保溫管仍是適用的。

8 結論及建議

采用國內標準時，在條件允許的情況下建議補充安裝系統(tǒng)的要求，特別是對只注重導熱系數而忽略容重的情況，應增加抗沖擊性和改善運輸過程的表面條件等來到達對聚氨酯泡沫綜合性能的要求。

目前國內外標準在性能指標的測試方法上存在較大差異，測試方法的比較和協(xié)調統(tǒng)一是材料優(yōu)選的前提。同時第三方試驗室按照國際性標準開展相關試驗方法的認證也是目前技術發(fā)展的必然趨勢。

［1］GB/T 50538-2010，埋地鋼質管道防腐保溫層技術規(guī)范［S］.GB/T 50538-2010，Technical Standard for Anti-Corrosion and Insulation Coatings of Buried Steel Pipeline［S］.

［2］DIN EN 253-2009，區(qū)域供暖管道鋼質直埋式熱水供應網用預制隔熱連接管道系統(tǒng)聚氨酯隔熱和聚乙烯外護層［S］.German and English Version EN 253-2009，District Heating Pipes-Preinsulated Bonded Pipe Systems for Directly Buried Hot Water Networks-Pipe Assembly of Steel Service Pipe，Polyurethane Thermal Insulation and Outer Casing of Polyethylene［S］.

［3］蔣林林，韓文禮，張紅磊，等.聚氨酯保溫管“管中管”成型工藝及質量控制［J］.天然氣與石油，2011，29（3）：61-63.Jiang Linlin，Han Wenli，Zhang Honglei，etal.Moulding Process for Pipe-in-Pipe of Polyurethane Insulation Pipe and its Quality Control［J］.Natural Gasand Oil，2011，29（3）：61-63.

［4］劉海祿，史 靖.3LPE防腐層國內及國際標準對比分析［J］.天然氣與石油，2012，30（5）：71-74.Liu Hailu，Shi Jing.Comparative Analysison Chinese National Standardsand International Standards for 3LPE［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（5）：71-74.

［5］朱永飛，朱 明.聚氨酯泡沫塑料發(fā)泡劑研究現狀及發(fā)展趨勢［J］.應用化工，2007，34（3）：132-136.Zhu Yongfei，Zhu M ing.Present Research and Tendency of Foam ing Agentof Polyurethane Foam ing Plastics ［J］.Applied Chemical Industry，2007，34（3）：132-1136.

［6］楊 帆，周抗冰.關于預制直埋保溫管標準技術問題的探討［J］.暖通空調，2002（3）：27-28.Yang Fan，Zhou Kangbing.Discussion of an Industry Standard for Pre-Insulated and Direct-Buried Pipes［J］.Journal of Hv&ac，2002，（3）：27-28.