Kajian teknikal mengenai busa poliuretana keras anti-karat dan salutan penebat untuk saluran paip keluli yang terkubur

Abstrak: Kajian komprehensif ini menyelidiki teknologi busa poliuretana keras (HPU) Sebagai salutan anti karat dan penebat bersepadu untuk saluran paip keluli yang terkubur. Secara sistematik meneroka sifat bahan, proses pembuatan (terutamanya memberi tumpuan kepada berterusan ), Parameter Prestasi Utama, mekanisme kegagalan, Langkah -langkah kawalan kualiti, dan analisis perbandingan dengan sistem salutan lain. Penyelidikan ini menyoroti faktor kritikal yang memastikan integriti jangka panjang dan kecekapan terma saluran paip dalam menuntut persekitaran perkhidmatan, terutamanya untuk pemanasan daerah dan pengangkutan minyak mentah. Disokong oleh jadual data yang luas dan perbincangan terperinci, Laporan ini berfungsi sebagai rujukan teknikal untuk jurutera dan profesional dalam industri saluran paip.

Kata kunci: Paip keluli terkubur, Penebat busa poliuretana, Salutan Anti-Kakisan, Perlindungan katodik, Maksud kitaran hidup, Kekonduksian terma, Kekuatan lekatan, Penyerapan air, Kilang menggunakan salutan.

---

1. pengenalan

Permintaan global untuk pengangkutan tenaga yang cekap, Terutama tenaga terma untuk pemanasan daerah dan minyak mentah yang tinggi, telah memerlukan pembangunan sistem saluran paip yang sangat dipercayai. Paip keluli terkubur, sementara teguh, sentiasa terdedah kepada trifecta ancaman: kakisan dari elektrolit tanah, Kehilangan haba ke persekitaran sekitar, dan tekanan mekanikal dari pergerakan tanah dan pemuatan. Kegagalan dalam menangani sebarang kebimbangan ini boleh menyebabkan kerugian ekonomi bencana, kerosakan alam sekitar, dan bahaya keselamatan.

Kaedah tradisional melibatkan sistem berasingan: salutan kakisan (cth., Epoxy terikat fusion) untuk perlindungan dan penebat luaran (cth., bulu mineral) untuk pemuliharaan terma. Namun begitu, Pendekatan ini boleh menjadi kompleks, mahal, dan terdedah kepada kegagalan antara muka. Kedatangan busa poliuretana keras (HPU) sebagai komposit Salutan anti-kudus dan penebat (Acic) Sistem merevolusikan industri. Dengan menggabungkan sifat penebat haba yang sangat baik dengan ciri -ciri fizikal yang mantap dan keupayaan untuk disepadukan dengan lancar dengan jaket luar pelindung, Sistem HPU menyediakan penyelesaian holistik. Kajian ini bertujuan untuk memberikan analisis teknikal yang mendalam mengenai teknologi kritikal ini.

2. Komposisi dan sifat bahan HPU

Buih poliuretana adalah polimer yang dibentuk oleh tindak balas eksotermik antara poliol (Resin) dan isosianat (pengeras). Untuk aplikasi saluran paip, ia dirumuskan untuk membuat tegar, Struktur buih sel tertutup.

2.1 Komponen kimia:

• Polyols: Sering berasaskan petroleum, Tetapi poliol berasaskan bio dari minyak semula jadi muncul. Polyols-retardant yang mengandungi fosforus atau halogen digunakan untuk rintangan kebakaran yang dipertingkatkan semasa pembuatan dan pengendalian.

• Isocyyanates: Biasanya metilena diphenyl diisocyanate (Mdi) lebih disukai daripada toluene diisocyanate (Tdi) untuk buih saluran paip kerana tekanan wap yang lebih rendah dan sifat mekanikal yang lebih baik.

• Agen meniup: Dari segi sejarah, Chlorofluorocarbons (CFCS) digunakan tetapi dihentikan kerana kekurangan ozon. Hydrochlorofluorocarbons (HCFCS) Seperti HCFC-141b adalah perkara biasa tetapi kini digantikan oleh potensi pengurangan ozon sifar (ODP) dan potensi pemanasan global yang rendah (GWP) ejen seperti hidrofluorokarbon (HFCS, cth., HFC-245FA, HFC-365MFC), Hydrocarbons (cth., Cyclopentane, n-pentane), dan air (yang menghasilkan Co₂ sebagai ejen yang meniup). Pilihannya memberi kesan yang ketara kepada kekonduksian terma dan pematuhan alam sekitar.

• Pemangkin: Pemangkin amina dan organometal mengawal kelajuan tindak balas dan keseimbangan antara gelling (Pembentukan polimer) dan meniup (Pembentukan Gas) reaksi.

• Surfaktan: Surfaktan berasaskan silikon sangat penting untuk menstabilkan struktur sel, memastikan pakaian seragam, baik, dan sel tertutup, yang penting untuk penyerapan air yang rendah dan prestasi terma yang konsisten.

• Retardan api, Pengisi, dan Plasticizers ditambah untuk memenuhi keperluan khusus seperti rintangan kebakaran atau fleksibiliti.

2.2 Sifat fizikal dan mekanikal utama:
Sifat buih akhir sangat penting untuk prestasi. Jadual berikut menggariskan keperluan spesifikasi standard untuk buih HPU gred paip.

Jadual 1: Spesifikasi Harta Utama Pipeline Grade Hard Polyurethane Foam

Harta benda	Kaedah ujian standard	Unit	Julat spesifikasi biasa	Kepentingan
Ketumpatan teras	ASTM D1622 / ISO 845	kg/m³	60 – 80	Mempengaruhi kekuatan mekanikal, k-faktor, dan kos. Ketumpatan yang lebih tinggi secara amnya meningkatkan kekuatan.
Kekonduksian terma (k-faktor)	ASTM C518 / ISO 8301	W/(m · k)	0.020 – 0.024 (pada 50 ° C.)	Petunjuk utama prestasi penebat. Nilai yang lebih rendah menunjukkan penebat yang lebih baik.
Kekuatan mampatan	ASTM D1621 / ISO 844	KPA	≥ 200	Rintangan terhadap pemuatan tanah dan rintangan terhadap kerosakan semasa pengendalian dan penembusan.
Kandungan sel tertutup	ASTM D6226	%	≥ 90	Kritikal untuk penyerapan air rendah. Peratusan yang lebih tinggi menghalang masuk kelembapan.
Penyerapan air	ASTM D2842 / ISO 2896	vol%	< 5 (7-rendaman hari)	Menentukan prestasi jangka panjang. Kelembapan masuk secara drastik mengurangkan nilai penebat dan menggalakkan kakisan.
Kestabilan dimensi	ASTM D2126	% Vol. perubahan	< 5 (pada 100 ° C. & 100% RH selama 24h)	Rintangan untuk pengecutan atau pengembangan di bawah suhu dan kelembapan kitaran.
Kekuatan lekatan	ASTM D1623 / ISO 4624	KPA	> 200 (ke keluli dan jaket HDPE)	Menghalang disbondment, yang boleh membuat saluran air dan perlindungan perlindungan katodik.

3. Konfigurasi Sistem dan Proses Pembuatan

Lapisan HPU tidak pernah digunakan sendiri. Ia adalah sebahagian daripada lapisan berbilang “paip dalam paip” sistem yang digunakan secara berterusan, Proses terkawal kilang.

3.1 Lapisan sistem standard (Dari keluli ke luar):

1. Paip besi: Dibersihkan dan dipanaskan hingga suhu yang tepat.

2. Epoksi Berikat Gabungan (FBE) atau lapisan anti-karat: Ini adalah Perlindungan kakisan utama. Ia adalah nipis (biasanya 250-500 μm) salutan epoksi digunakan secara elektrostatik dan bersatu dengan keluli. Ia memberikan rintangan yang sangat baik dan rintangan katodik.

3. Lapisan penebat HPU: Lapisan busa utama, biasanya 25-50 mm tebal, digunakan secara langsung melalui FBE.

4. Polietilena Ketumpatan Tinggi (HDPE) Jaket Luar: Ini adalah perisai mekanikal dan alam sekitar. Ia melindungi busa lembut dari kerosakan fizikal, Tekanan tanah, dan air bawah tanah. Ia juga kalis air dan tahan terhadap bahan kimia yang terdapat di tanah.

Variasi: Dalam sesetengah sistem, Jaket polietilena diekstrusi terus ke busa. Pada orang lain, Lengan HDPE yang telah dibentuk telah ditarik ke atas paip yang baru berbuih.

3.2 Proses penyemburan yang berterusan:
Ini adalah kaedah pembuatan yang paling biasa dan cekap.

1. Persediaan permukaan: Paip keluli dikitar melalui stesen pembersihan dan pemanasan. Pertama kali dibersihkan ke kemasan logam hampir putih (pada 2.5) Menggunakan letupan kasar untuk memastikan lekatan sempurna untuk FBE.

2. Permohonan FBE: Paip yang dipanaskan (biasanya 180-220 ° C.) bergerak ke stesen di mana serbuk FBE disembur ke atasnya. Panas mencair dan menyembuhkan serbuk, membentuk filem yang berterusan.

3. Penyejukan dan Pemeriksaan: Paip bersalut FBE disejukkan dan diperiksa untuk cuti (kecacatan) Menggunakan pengesan percutian voltan tinggi.

4. Stesen permohonan poliuretana: Paip memasuki jangka masa panjang, ruang tertutup. Mesin pengurangan ketepatan melintasi paip berputar.

   • Dua komponen cecair (poliol dan isosianat) dipegang di tangki terkawal suhu.

   • Mereka dipam pada tekanan tinggi ke kepala pencampuran di mana mereka bercampur dengan sangat.

   • Campuran dicurahkan ke permukaan paip berputar. Ia mula bertindak balas, Memperluas dan menyembuhkan untuk membentuk lapisan busa.

5. Aplikasi Jaket HDPE: Serentak atau sebaik sahaja, HDPE cair diekstrusi melalui mati silang kepala, membentuk tiub berterusan di sekitar buih yang berkembang, Membuat ikatan mekanikal yang ketat.

6. Menyembuhkan dan menyejukkan: Paip bersalut bergerak melalui terowong penyejuk di mana tindak balas eksotermik buih selesai dan keseluruhan sistem menguatkan.

7. Pemotongan akhir dan pemeriksaan akhir: Hujungnya dipotong bersih untuk mendedahkan keluli untuk kimpalan di tempat. Produk akhir diperiksa untuk ketebalan, ketumpatan, dan integriti (cth., Ujian ultrasonik untuk perpaduan buih).

4. Parameter Prestasi Kritikal dan Mod Kegagalan

Memahami parameter yang mengawal prestasi adalah kunci untuk mencegah kegagalan.

4.1 Prestasi haba dan penuaan:
Faktor k awal sangat baik, Tetapi prestasi jangka panjang bergantung kepada penyebaran gas di dalam sel tertutup. Lebih masa, udara (kebanyakannya nitrogen dan oksigen) meresap ke sel, Semasa gas meniup (cth., Cyclopentane) meresap keluar. Proses ini, dipanggil Penuaan terma, meningkatkan faktor k sehingga ia menstabilkan. Faktor k yang stabil adalah nilai reka bentuk. Menggunakan gas konduktiviti rendah seperti siklopentana menghasilkan faktor k-awal yang lebih rendah tetapi kesan penuaan yang lebih besar. Sistem dengan CO₂ sebagai usia ejen bertiup lebih cepat tetapi boleh direka dengan ketumpatan yang lebih rendah.

4.2 Pelekatan dan penyingkiran katodik:
Lekatan antara FBE/Steel dan Foam/HDPE adalah yang paling utama. Lekatan yang lemah boleh membuat ruang anulus. Sekiranya air memasuki pelanggaran dalam HDPE, ia dapat mengalir melalui ruang ini, menjejaskan penebat dan berpotensi melindungi paip dari perlindungan katodik (Cp). CP adalah sistem sandaran yang penting untuk saluran paip yang terkubur; jika dilindungi, kakisan dapat diteruskan tidak dapat dikesan. FBE mesti mempunyai disbondment katodik yang sangat baik (CD) rintangan (cth., < 15 Radius mm selepas 28 hari pada suhu 65 ° C per ASTM G8/G42).

4.3 Masuk air:
Ini adalah ancaman terbesar tunggal. Air mempunyai kekonduksian terma lebih kurang 25 kali HPU. Malah sedikit penyerapan air secara dramatik mengurangkan kecekapan penebat. Tambahan pula, Sekiranya air mencapai permukaan keluli, ia boleh memulakan kakisan, terutamanya jika CP dilindungi. Integriti Jaket HDPE adalah barisan pertahanan pertama.

4.4 Kerosakan mekanikal dan tekanan tanah:
Sistem mesti menahan pengendalian, pemasangan, dan dekad tekanan tanah, termasuk beban titik dari batu. Kekuatan komposit jaket busa dan HDPE mengedarkan beban ini. Kekuatan mampatan busa menghalang penghancuran, yang akan mengurangkan ketebalan dan nilai penebat.

Jadual 2: Mod kegagalan biasa dan strategi mitigasi mereka

Mod kegagalan	Punca akar	Akibat	Strategi Mitigasi
Degradasi prestasi terma	1. Kelembapan masuk. 2. Penuaan terma buih. 3. Kerosakan fizikal menghancurkan busa.	Peningkatan kehilangan haba, kos tenaga yang lebih tinggi, berpotensi terlalu panas kandungan paip.	Penggunaan berkualiti tinggi, Buih sel tertutup tinggi. Jaket HDPE yang kuat. Pemasangan yang betul untuk mengelakkan kerosakan. Merancang dengan K-Faktor Berumur.
Kakisan di bawah penebat (Yang)	1. Pelanggaran dalam jaket HDPE. 2. Lekatan yang lemah mencipta saluran air. 3. Melindungi perlindungan katodik.	Kehilangan integriti paip, kebocoran, kegagalan bencana.	Rintangan CD FBE yang sangat baik. 100% Pengesanan percutian HDPE. Memastikan sistem CP direka untuk dan dapat menembusi sistem salutan.
Buih pengecutan/retak	1. Formulasi buih yang lemah. 2. Suhu operasi yang berlebihan. 3. Kestabilan dimensi yang lemah.	Mewujudkan ruang anulus untuk penghijrahan air, mengurangkan penebat.	Kawalan kualiti ketat bahan mentah dan parameter proses. Memastikan suhu operasi berada dalam penarafan buih.
Kerosakan jaket HDPE	1. Pengendalian yang tidak betul. 2. Batu tajam semasa backfilling. 3. Tekanan tanah retak.	Titik masuk langsung untuk air dan tanah.	Penggunaan jaket HDPE yang lebih tebal untuk pengebumian yang lebih dalam. Padding pasir semasa pemasangan. Tempat tidur dan bahan backfill yang betul.

5. Rejim Kawalan dan Ujian Kualiti

Protokol QC yang ketat adalah penting dari bahan mentah ke paip siap.

Jadual 3: Ujian kawalan kualiti untuk paip bersalut HPU

Peringkat	Ujian	Standard	Kekerapan / Tujuan
Bahan mentah	Kereaktifan poliol/isosianat, kelikatan, dan lain-lain.	Spesifikasi dalaman	Setiap penghantaran batch
	Indeks cair resin HDPE, ketumpatan	ASTM D1238, D792	Setiap penghantaran batch
	Masa gel serbuk FBE, saiz zarah	ASTM D3794	Setiap penghantaran batch
Dalam proses	Profil permukaan keluli & kebersihan	ISO 8501, SSPC-Vis 3	Setiap paip
	Suhu pra-panas keluli	Pyrometer	Berterusan
	Ketebalan fbe	Tolok DFT	Berterusan
	Ketumpatan buih & ketebalan	Tolok kepadatan gamma, ultrasonik	Berterusan
	Ketebalan HDPE	Pengukur ultrasonik	Berterusan
Paip selesai	Pengesanan Percutian di FBE & HDPE	ASTM G62, NACE RP0274	Setiap paip
	Kekuatan lekatan (buih ke keluli, Buih ke HDPE)	ASTM D1623	Ujian merosakkan pada pertama, terakhir, dan paip sampel setiap peralihan
	Pensampelan teras buih untuk ketumpatan, k-faktor, sel tertutup	ASTM D1622, C518, D6226	Ujian merosakkan pada paip sampel setiap peralihan/pengeluaran berjalan
	Kesinambungan elektrik secara keseluruhan untuk CP		Setiap paip

6. Analisis perbandingan dengan sistem alternatif

Walaupun HPU dominan, Sistem lain digunakan untuk aplikasi tertentu.

Jadual 4: Perbandingan sistem penebat saluran paip terkubur

Sistem salutan	Struktur biasa	Kelebihan	Keburukan	Aplikasi Biasa
HPU + Jaket HDPE	Keluli -> Fbe -> HPU -> HDPE	Penebat yang sangat baik, Kualiti yang digunakan oleh kilang, sistem bersepadu, perlindungan mekanikal yang baik.	Risiko kegagalan meluas jika CP dilindungi, Pembaikan boleh menjadi kompleks, suhu atas terhad (~ 120-140 ° C.).	Pemanasan Daerah, Air Sejuk, Minyak mentah
Bulu mineral + Pada jaket	Keluli -> Fbe -> Mw -> PE	Sangat suhu tinggi rintangan (>200°C), tidak mudah terbakar, CP tidak dilindungi.	Lebih tebal, lebih berat, penebat kurang cekap (faktor k yang lebih tinggi), boleh menyerap air jika jaket gagal.	Garisan wap, Garisan minyak tempur sangat tinggi
Konkrit sintaks	Keluli -> Fbe -> Konkrit	Keapungan negatif untuk paip kapal selam, Perlindungan mekanikal yang sangat baik.	Sangat berat, penebat yang sangat miskin, Memerlukan lapisan penebat tambahan jika diperlukan.	Berat Balast Pipa Submarine
Paip dalam paip (Pip)	Paip pembawa -> Penebat -> Selongsong Luar	Boleh menggunakan pelbagai insulasi (cth., Airgel), prestasi terma tertinggi, Perlindungan Mekanikal Lengkap.	Kos yang sangat tinggi, fabrikasi dan pemasangan yang kompleks, sangat berat.	Aliran aliran air, Tie-backs jarak jauh

7. Pemasangan, Jointing Field, dan pembaikan

Salutan kilang terbaik dapat dikompromikan oleh amalan lapangan yang lemah.

7.1 Pemasangan: Paip mesti ditangani dengan berhati-hati dengan menggunakan tali pinggang lebar untuk mengelakkan merosakkan HDPE. Parit mesti disediakan dengan katil pasir atau tanah halus tanpa batu tajam. Padding dan backfilling yang betul adalah penting.

7.2 Jointing Field: Ini adalah aspek yang paling kritikal dan mencabar. Setelah mengimpal dua bahagian paip, Kimpalan keluli yang terdedah dan hujung pemotongan sistem salutan mesti dilindungi dan dilindungi dengan standard yang sama dengan salutan kilang.

1. Kimpalan dibersihkan dan diperiksa.

2. Lengan FBE atau epoksi cecair digunakan untuk kawasan kimpalan untuk perlindungan kakisan.

3. A “kit buih bersama medan” digunakan. Ini biasanya melibatkan meletakkan lengan HDPE yang telah dibentuk di atas sendi dan menyuntik buih poliuretana dua komponen ke dalam rongga. Buih berkembang untuk mengisi ruang.

4. Hujung lengan dipakai panas ke jaket HDPE utama untuk memastikan kesinambungan.

5. Setiap medan sendi diperiksa dengan ketat.

7.3 Pembaikan: Kerosakan pada jaket HDPE yang dikenal pasti sebelum pengebumian boleh dibaiki menggunakan lengan baju panas atau patch pakar yang dimeteraikan dengan kimpalan penyemperitan. Integriti gabungan itu kritikal.

8. Kesan alam sekitar dan ekonomi

Peralihan kepada agen meniup GWP rendah adalah trend industri yang penting yang didorong oleh peraturan alam sekitar seperti Pindaan Kigali kepada Protokol Montreal. Sistem berasaskan hidrokarbon (Cyclopentane) kini standard, Walaupun mudah terbakar dan memerlukan langkah keselamatan kilang yang dinaik taraf.

Dari segi ekonomi, Sistem HPU menawarkan kos pemilikan yang lebih rendah untuk kebanyakan aplikasi pemanasan. Bahan awal dan kos permohonan kilang yang lebih tinggi diimbangi sepanjang jangka hayat saluran paip (selalunya 30+ tahun) dengan mengurangkan kerugian tenaga berbanding dengan sistem yang kurang cekap.

9. Kesimpulan dan trend masa depan

Penebat busa poliuretana keras, Bersepadu dengan lapisan anti-karat yang mantap dan jaket luar HDPE, kekal sebagai teknologi terkemuka untuk saluran paip keluli yang dikebumikan secara termal. Kejayaannya bergantung pada pemahaman yang mendalam mengenai sains material, proses pembuatan yang dikawal dengan ketat, dan perhatian yang teliti terhadap perincian pemasangan dan lapangan.

Penyelidikan dan pembangunan masa depan difokuskan:

• Ejen meniup generasi akan datang: Membangun dan mengkomersialkan ejen meniup dengan sifar ODP dan GWP ultra-rendah yang tidak berkompromi dengan faktor k atau proses.

• Polyol berasaskan bio: Meningkatkan kandungan buih yang boleh diperbaharui untuk meningkatkan kemampanan tanpa mengorbankan prestasi.

• Pemantauan yang dipertingkatkan: Mengintegrasikan sensor serat optik dalam lapisan busa atau di antara buih dan jaket untuk pemantauan masa nyata profil suhu sepanjang panjang saluran paip, Membenarkan Pengesanan Kebocoran dan Penilaian Keadaan.

• Buih suhu tinggi: Membangunkan formulasi yang dapat menahan suhu melebihi 150 ° C untuk mengembangkan julat aplikasi ke dalam pemanasan daerah dan proses perindustrian yang lebih tinggi.

• Teknologi Pembaikan Lanjutan: Membangunkan lebih cepat, lebih dipercayai, dan teknik bersama dan pembaikan medan yang dapat disahkan untuk mengurangkan risiko kitaran hayat.

Peningkatan berterusan teknologi matang ini memastikan ia akan menjadi asas kepada infrastruktur tenaga yang cekap dan selamat selama beberapa dekad yang akan datang.