Техническое исследование по антикоррозии и изоляционному покрытию с твердым полиуретаном пенопласта для захороненных стальных трубопроводов

Абстрактный: Это комплексное исследование углубляется в технологию жесткой полиуретановой пены (HPU) В качестве интегрированного антикоррозионного и изоляционного покрытия для захороненных стальных трубопроводов. Он систематически исследует свойства материала, производственный процесс (в первую очередь сосредотачиваясь на непрерывном ), Ключевые параметры производительности, механизмы отказа, меры контроля качества, и сравнительный анализ с другими системами покрытия. Исследование подчеркивает критические факторы, которые обеспечивают долгосрочную целостность и тепловую эффективность трубопроводов в требовательных средах обслуживания, особенно для районого отопления и переноса сырой нефти. Поддерживается обширными таблицами данных и подробными дискуссиями, Этот отчет служит техническим справочником для инженеров и специалистов в сфере работы по производству работ..

Ключевые слова: Похоронный стальной трубопровод, Полиуретановая пена изоляция, Антикоррозионное покрытие, Катодная защита, Средний жизненный цикл, Теплопроводность, Прочность на адгезию, Впитывание воды, Заводской прикладной покрытие.

---

1. Введение

Глобальный спрос на эффективную транспортировку энергии, Особенно тепловая энергия для районного отопления и сырой нефти с высокой страстью, потребовался разработку высококачественных трубопроводных систем. Похороненные стальные трубопроводы, пока устойчиво, постоянно подвержены трифекту угроз: Коррозия из почвенных электролитов, Потеря тепла в окружающей среде, и механическое напряжение от движения почвы и нагрузки. Неудача в решении любой из этих проблем может привести к катастрофическим экономическим потерям, ущерб окружающей среде, и опасности безопасности.

Традиционные методы включали отдельные системы: коррозионное покрытие (например, Эпоксидная смола) для защиты и внешней изоляции (например, минеральная вата) Для теплового сохранения. Однако, Этот подход может быть сложным, дорого, и восприимчиво к сбоям интерфейса. Появление жесткой полиуретановой пены (HPU) как композит Антикоррозия и изоляционное покрытие (Ака) Система революционизировала отрасль. Объединяя превосходные теплоизоляционные свойства с надежными физическими характеристиками и способностью беспрепятственно интегрироваться с защитной внешней курткой, Системы HPU обеспечивают целостное решение. Это исследование направлено на то, чтобы обеспечить глубокий технический анализ этой критической технологии.

2. Материал состав и свойства HPU

Полиуретановая пена является полимером, образованным экзотермической реакцией между полиолом (смола) и изоцианат (затвердевший). Для применений трубопровода, он сформулирован для создания жесткого, Структура пены с закрытыми клетками.

2.1 Химические компоненты:

• Полиолы: Часто на нефтяной основе, Но появляются биологические полиолы из натуральных масел. Пламя-сражающие полиолы, содержащие фосфор или галоген.

• Изоцинаты: Обычно метилен дифенилоизоцианат (MDI) предпочтительнее толуол -дизоцианата (TDI) Для пены трубопровода из -за более низкого давления паров и лучших механических свойств.

• Блуждающие агенты: Исторически, Хлорофторубен (CFCS) были использованы, но были поэтапны из -за истощения озона. Гидрохлорофлуорубен (HCFCS) Как HCFC-141B были обычными, но в настоящее время заменяются потенциалом истощения озона с нулевым озоном (Odp) и низкий потенциал глобального потепления (GWP) такие агенты, как гидрофторублеры (HFCS, например, HFC-245FA, HFC-365MFC), углеводороды (например, Циклопентан, н-пентан), и вода (который производит Co₂ как блуждающий агент). Выбор значительно влияет на теплопроводность и соблюдение окружающей среды.

• Катализаторы: Амина и органометаллические катализаторы контролируют скорость реакции и баланс между гелинг (Полимерное образование) и дует (формирование газа) реакция.

• Поверхностно -активные вещества: Силиконовые поверхностно-активные вещества имеют решающее значение для стабилизации клеточной структуры, обеспечение униформы, отлично, и закрытые ячейки, что жизненно важно для низкого водопоглощения и последовательных термических характеристик.

• Огнестойкие, Наполнители, и Пластификаторы добавляются в соответствии с конкретными требованиями, такими как пожарная стойкость или гибкость.

2.2 Ключевые физические и механические свойства:
Свойства последней пены имеют решающее значение для производительности. В следующей таблице рассказывается о стандартных требованиях к спецификации для пены HPU-конвейеры..

Стол 1: Ключевые характеристики свойства твердой полиуретановой пены с трубопроводом

Свойство	Стандартный метод испытаний	Единица	Типичный диапазон спецификаций	Значение
Плотность ядра	ASTM D1622 / ИСО 845	кг/м³	60 – 80	Влияет на механическую прочность, K-фактор, и стоимость. Более высокая плотность обычно улучшает прочность.
Теплопроводность (K-фактор)	ASTM C518 / ИСО 8301	ж/(м·К)	0.020 – 0.024 (при 50 ° C.)	Первичный показатель производительности изоляции. Более низкие значения указывают на лучшую изоляцию.
Прочность на сжатие	ASTM D1621 / ИСО 844	КПА	≥ 200	Сопротивление нагрузке почвы и сопротивлению повреждениям во время обработки и засыпания.
Контент с закрытыми клетками	ASTM D6226	%	≥ 90	Критическое для низкого поглощения воды. Более высокий процент предотвращает проникновение влаги.
Впитывание воды	ASTM D2842 / ИСО 2896	Vol%	< 5 (7-день погружения)	Определяет долгосрочную производительность. Вход влаги резко снижает значение изоляции и способствует коррозии.
Стабильность измерения	ASTM D2126	% тол. изменять	< 5 (при 100 ° C. & 100% RH в течение 24 часов)	Устойчивость к усадке или расширению при температуре и циклах влажности.
Прочность на адгезию	ASTM D1623 / ИСО 4624	КПА	> 200 (для стали и куртки HDPE)	Предотвращает недостаток, которые могут создавать водные каналы и катодическую защиту щита.

3. Конфигурация системы и процесс производства

Покрытие HPU никогда не применяется в одиночку. Это часть многослойного “труба в трубе” система применяется в непрерывном, Фабрика контролируется процесс.

3.1 Стандартные системные слои (Из стали наружу):

1. Стальная труба: Очищен и нагревается до точной температуры.

2. Эпоксидная смола, связанная сплавлением (ФБЕ) или антикоррозийный слой: Это Первичная защита от коррозии. Это тонкий (обычно 250-500 мкм) эпоксидное покрытие применяется электростатически и слито к стали. Он обеспечивает отличную адгезию и катодную устойчивость.

3. Изоляционный слой HPU: Основной пеной слой, обычно 25-50 мм толщиной, применяется непосредственно на FBE.

4. Полиэтилен высокой плотности (ПНД) Внешняя куртка: Это механический и экологический щит. Он защищает мягкую пену от физического повреждения, почвенные напряжения, и подземные воды. Он также водонепроницаемый и устойчив к химическим веществам, обнаруженным в почве.

Вариация: В некоторых системах, Полиэтиленовая куртка экструдируется прямо на пену. В других, Предварительно сформированный рукав HDPE натягивается на свежесесную трубу.

3.2 Процесс непрерывного распыления:
Это наиболее распространенный и эффективный метод производства.

1. Подготовка поверхности: Стальная труба проходит циклу через станцию ​​очистки и отопления. Сначала он очищается до почти белой металлической отделки (на 2.5) Использование абразивной взрывы для обеспечения идеальной адгезии для FBE.

2. Приложение ФБЕ: Нагретая труба (Обычно 180-220 ° C.) Перемещается на станцию, где распыляется порошок FBE. Тепло растает и лечит порошок, формирование непрерывного фильма.

3. Охлаждение и проверка: Труба с покрытием FBE охлаждается и осматривается на праздники (дефекты) Использование праздничного детектора высокого напряжения.

4. Полиуретановая станция применения: Труба входит в долгое время, закрытая камера. Точность дозирующей машины проходит вдоль вращающейся трубы.

   • Два жидких компонента (полиол и изоцианат) удерживаются в резервуарах, контролируемых температурой.

   • Они перекачиваются при высоком давлении до смесительной головки, где они сильно смешаны.

   • Смесь выливают на поверхность вращающейся трубы. Он начинает реагировать, Расширение и отверждение для формирования слоя пены.

5. Приложение куртки HDPE: Одновременно или сразу после, Расплавленный HDPE экструдируется через поперечную головную., формирование непрерывной трубки вокруг расширяющейся пены, Создание жесткой механической связи.

6. Отверждение и охлаждение: Покрытая труба перемещается через охлаждающий туннель, где завершается экзотермическая реакция пены, а вся система затвердевает.

7. Конечная обрезания и окончательный осмотр: Концы обрезаны чистыми, чтобы обнажить сталь для сварки на месте. Конечный продукт проверяется на толщину, плотность, и целостность (например, ультразвуковое тестирование на сплоченность пены).

4. Критические параметры производительности и режимы отказа

Понимание параметров, которые регулируют производительность, является ключом к предотвращению сбоев.

4.1 Тепловые характеристики и старение:
Первоначальный K-фактор отличный, Но долгосрочная производительность зависит от диффузии газов внутри закрытых ячеек. Через некоторое время, воздух (в основном азот и кислород) диффундирует в клетки, Пока дующий газ (например, Циклопентан) диффундирует. Этот процесс, называется тепловое старение, увеличивает K-фактор, пока не стабилизируется. Стабилизированный K-фактор-это дизайн. Использование газа с низкой конструктивностью, подобным циклопентанам, приводит к более низкому начальному K-фактору, но больший эффект старения. Системы с Co₂ в качестве возраста выдувного агента быстрее, но могут быть разработаны с более низкой плотностью.

4.2 Адгезия и катодная ошибка:
Адгезия между FBE/сталью и пеной/HDPE имеет первостепенное значение. Плохая адгезия может создать кольцевые пространства. Если вода попадает через нарушение в HDPE, он может протекать через это пространство, компрометирование изоляции и потенциально защищать трубу от катодной защиты (Сн). CP является императивной системой резервного копирования для захороненных трубопроводов; если защищен, Коррозия может продолжаться незамеченной. FBE должен иметь отличное катодное недостаток (Диск) сопротивление (например, < 15 ММ радиус после 28 Дни при 65 ° C на ASTM G8/G42).

4.3 Водное вход:
Это единственная величайшая угроза. Вода обладает теплопроводностью приблизительно 25 Время от HPU. Даже небольшой объем поглощения воды резко снижает эффективность изоляции. Более того, Если вода достигает стальной поверхности, это может инициировать коррозию, особенно если CP защищен. Целостность куртки HDPE является первой линией защиты.

4.4 Механическое повреждение и напряжение почвы:
Система должна противостоять обработке, монтаж, и десятилетия давления в почве, включая точечные нагрузки из камней. Композитная прочность пены и куртки HDPE распределяет эти нагрузки. Прочность на сжатие пены предотвращает раздавливание, что уменьшит толщину и изоляцию.

Стол 2: Распространенные способы сбоя и их стратегии смягчения

Режим сбоя	Первопричина	Последствия	Стратегии смягчения последствий
Унижение тепловых характеристик	1. Влажный вход. 2. Термическое старение пены. 3. Физический ущерб.	Увеличение потери тепла, Более высокие затраты на энергию, потенциальное перегрев содержимого труб.	Использование высококачественного, пена с высоким содержанием клеток. Надежная куртка HDPE. Правильная установка, чтобы избежать повреждений. Проектирование со старым K-фактором.
Коррозия при изоляции (КОТОРЫЙ)	1. Нарушение в куртке HDPE. 2. Плохая адгезия, создавая водные каналы. 3. Экранирование катодной защиты.	Потеря целостности трубы, утечки, Катастрофическая неудача.	Отличное сопротивление CB CD. 100% Праздничное обнаружение HDPE. Обеспечение того, чтобы система CP разработала и может проникнуть в систему покрытия.
Пена усадка/растрескивание	1. Плохая пена состав. 2. Чрезмерные рабочие температуры. 3. Плохая стабильность.	Создает кольцевое пространство для миграции воды, уменьшает изоляцию.	Строгий контроль качества сырья и параметров процесса. Обеспечение операционной температуры находится в пределах рейтинга пены.
Повреждение куртки HDPE	1. Неправильная обработка. 2. Острые камни во время засыпания. 3. Стресс почвы.	Прямая точка входа для воды и почвы.	Использование более толстых курток HDPE для более глубокого захоронения. Песочная прокладка во время установки. Правильное постельное белье и материал засыпки.

5. Режим контроля качества и тестирования

Строгой протокол QC имеет важное значение от сырья до готовой трубы.

Стол 3: Тесты контроля качества для труб с покрытием HPU

Этап	Тест	Стандартный	Частота / Цель
Сырье	Полиол/изоцианатная реакционная способность, вязкость, и т. д..	Внутренние характеристики	За партийную партию
	Индекс расплава смолы HDPE, плотность	ASTM D1238, D792	За партийную партию
	FBE Powder Gel Time, размер частиц	ASTM D3794	За партийную партию
В процессе	Стальная поверхность профиль & чистота	ИСО 8501, SSPC-Vis 3	Каждая труба
	Стальная температура до нагревания	Пирометр	Непрерывный
	Толщина FBE	DFT	Непрерывный
	Плотность пены & толщина	Гамма -плотность, ультразвуковой	Непрерывный
	Толщина HDPE	Ультразвуковой датчик	Непрерывный
Готовая труба	Праздничное обнаружение на FBE & ПНД	ASTM G62, NACE RP0274	Каждая труба
	Прочность на адгезию (пеня до стали, пена в HDPE)	ASTM D1623	Деструктивный тест на первом, последний, и образцы труб за смену
	Выборка ядра пены при плотности, K-фактор, закрытая ячейка	ASTM D1622, C518, D6226	Деструктивный тест на трубах выборки на смену/производство
	Общая электрическая непрерывность для CP		Каждая труба

6. Сравнительный анализ с альтернативными системами

В то время как HPU доминирует, Другие системы используются для конкретных применений.

Стол 4: Сравнение захороненных систем изоляции трубопровода

Система покрытия	Типичная структура	Преимущества	Недостатки	Типичные области применения
HPU + HDPE куртка	Сталь -> Fbe -> HPU -> ПНД	Отличная изоляция, Качество применения завода, интегрированная система, Хорошая механическая защита.	Риск широко распространенного неудачи, если CP защищен, Ремонт может быть сложным, Ограниченная верхняя температура (~ 120-140 ° C.).	Районное отопление, Охлажденная вода, Сырая масло
Минеральная шерсть + На куртке	Сталь -> Fbe -> MW -> ЧП	Очень высокая температура сопротивление (>200°С), невозможно, CP не защищен.	Толще, более тяжелый, менее эффективная изоляция (Более высокий K-фактор), может поглощать воду, если пиджак не удается.	Паровые линии, Очень высокие масляные линии
Синтаксический бетон	Сталь -> Fbe -> Конкретный	Негативная плавучесть для подводных труб, Отличная механическая защита.	Очень тяжелый, Очень плохая изоляция, Требуется дополнительный изоляционный слой при необходимости.	Вес балласта подводной трубы
Труба в трубе (Пип)	Перевозчика труба -> Изоляция -> Внешняя оболочка	Может использовать несколькосектер (например, аэрогель), Высокие тепловые характеристики, Полная механическая защита.	Чрезвычайно высокая стоимость, Сложное изготовление и установка, очень тяжелый.	Глубоководные линии, Способы с длинными дистанциями

7. Установка, Полевое соединение, и ремонтировать

Лучшее заводское покрытие может быть скомпрометировано плохими полевыми практиками.

7.1 Установка: Трубы должны быть обработаны с осторожностью, используя строки с широким разрешением, чтобы не повредить HDPE. Траншея должна быть приготовлена ​​с помощью песка или тонкой почвы без острых камней. Правильная заполнение и обратная засыпания имеют решающее значение.

7.2 Полевое соединение: Это самый важный и сложный аспект. После сварки двух участков трубы, открытая стальная швара и обрезанные концы системы покрытия должны быть изолированы и защищены до того же стандарта, что и заводское покрытие.

1. Сварка очищено и осмотрено.

2. Эпоксидная смола FBE или жидкая эпоксидная смола наносится на площадь сварки для защиты от коррозии.

3. А “комплект пенопласта в полевых условиях” используется. Обычно это включает в себя размещение предварительно сформированного рукава HDPE на соединение и впрыскивание двухкомпонентной полиуретановой пены в полость. Пена расширяется, чтобы заполнить пространство.

4. Концы рукава нагреваются до основной куртки HDPE, чтобы обеспечить непрерывность.

5. Каждый полевой сустав тщательно проверяется.

7.3 Ремонт: Повреждение куртки HDPE, идентифицированное перед захоронения. Целостность слияния имеет решающее значение.

8. Экологическое и экономическое воздействие

Сдвиг к выдувным агентам с низким GWP является значительной отраслевой тенденцией, обусловленной экологическими правилами, такими как поправка Кигали в протокол Монреаля. Углеводородочные системы (Циклопентан) теперь стандартные, Несмотря на то, что он воспламеняется и требует обновленных мер безопасности фабрики.

Экономически, Система HPU предлагает более низкую общую стоимость владения для большинства приложений для отопления. Более высокая начальная стоимость материала и заводской приложения компенсируется на срок службы трубопровода (часто 30+ годы) значительно уменьшенным потери энергии по сравнению с менее эффективными системами.

9. Заключение и будущие тенденции

Жесткая полиуретановая пена изоляция, Интегрирован с надежным антикоррозионным слоем и внешней курткой HDPE, остается выдающейся технологией для термически эффективных стальных трубопроводов. Его успех зависит от глубокого понимания материальной науки, строго контролируемый производственный процесс, и дотошное внимание к деталям установки и соединения на полевых условиях.

Будущие исследования и разработки сосредоточены на:

• Удушительные агенты следующего поколения: Разработка и коммерциализированная духовые агенты с нулевым ODP и Ultra-Low GWP, которые не ставят под угрозу K-фактор или обрабатываемость.

• Биологические полиолы: Увеличение возобновляемого содержания пены для повышения устойчивости без жертвоприношения производительности.

• Улучшенный мониторинг: Интеграция оптических волоконно-волоконно, разрешение для обнаружения утечки и оценки состояния.

• Высокотемпературные пены: Разработка составов, которые могут противостоять температурам выше 150 ° C, чтобы расширить диапазон применения в более высокую температурную нагрев и промышленные процессы.

• Расширенные технологии ремонта: Развиваясь быстрее, более надежно, и проверенные полевые и ремонтные методы для дальнейшего снижения рисков жизненного цикла.

Непрерывное улучшение этой зрелой технологии гарантирует, что она останется краеугольным камнем эффективной и безопасной энергетической инфраструктуры в течение десятилетий.