Naturalne starzenie się izolacji rurociągów ciepłowniczych. Porównanie właściwości wełny mineralnej i pianek PUR

Starzenie się izolacji to bardzo ważny temat z punktu widzenia właścicieli i zarządców sieci ciepłowniczych, którzy wyboru technologii i rozwiązań muszą dokonywać w oparciu o długoletnią eksploatację i długoterminowy rachunek opłacalności. Porównajmy, jak czas wpływa na dwa najpopularniejsze materiały – wełnę mineralną i pianki PUR.

Normy od PN-EN 14303 do PN-EN 14314 dotyczące izolacji przemysłowych odnoszą się między innymi do trwałości oporu cieplnego wyrobów w funkcji starzenia/degradacji oraz w funkcji wysokiej temperatury. Na informacje o zmiennych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła w czasie oraz opisy procedur starzeniowych można się natknąć jedynie w specyfikacjach dotyczących pianek poliuretanowych / poliizocyjanurowych oraz pianek fenolowych / rezolowych. Specyfikacje innych wyrobów, w tym wełny mineralnej, zawierają zaś zapis potwierdzający, że ich wartość współczynnika przewodzenia ciepła nie zmienia się w czasie podczas stosowania wyrobu w zakresie temperatur stosowania. Przedstawmy to, co mówią normy, na przykładzie wyników konkretnych badań.

Wełna mineralna

Praktycznych informacji na temat tego, jak starzeje się wełna mineralna, dostarczają wyniki badań Instytutu Techniki Cieplnej na Wydziale Mechanicznym Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. W ramach badań pobrano 35 pasów wełny o szerokości 30 cm z obwodu rurociągów usytuowanych w podziemnych kanałach ciepłowniczych, z których wycinane były próbki o wymiarach 30×30 cm z górnej, bocznej i dolnej części rurociągu. Próbki poddano pomiarom współczynnika przewodzenia ciepła na aparacie płytowym z czujnikami strumienia ciepła. Średnia temperatura badań wynosiła 40°C, a pojedynczy pomiar trwał około 24 godzin. Rysunek 1. prezentuje funkcję czasu eksploatacji poszczególnych próbek w latach i zmierzonego współczynnika przewodzenia ciepła.

Rysunek 1. Wyniki pomiarów współczynnika przewodzenia ciepła.

m1

Źródło: Żarnowiecki T., Wiśniewski T., Starzenie się izolacji włóknistych stosowanych w ciepłownictwie i energetyce, INSTAL nr 12/2014, str. 21-27.

Na podstawie uzyskanych wyników  trudno byłoby wskazać jednoznaczny negatywny wpływ czasu na współczynnik przewodzenia ciepła materiału izolacyjnego. Najlepszą, stosunkowo niską przewodność cieplną uzyskano w części próbek najstarszych, aż 39-letnich.

Takie właściwości zauważono głównie w wycinkach górnych i bocznych, które były w mniejszym stopniu narażone na niesprzyjające warunki pracy – okresowe zalania wodami gruntowymi oraz wnikanie piasku i żwiru w głąb izolacji, które tworzyły swego rodzaju mostki cieplne. Prowadzi to do wniosku, że proces starzenia nie wpływa na właściwości termoizolacyjne wełny kamiennej. Zaobserwowane odchylenia przewodności cieplnej na przestrzeni lat najprawdopodobniej wynikają z czynników zewnętrznych i warunków w jakich eksploatowane były rurociągi.

Badania te empirycznie potwierdziły zapisy, które znaleźć można w normie PN-EN 13162 "Wyroby do izolacji cieplnej w budownictwie. Wyroby z wełny mineralnej (MW) produkowane fabrycznie. Specyfikacja". W normie tej w dziale 4.2.9.3 Trwałość oporu cieplnego i współczynnika przewodzenia ciepła w funkcji starzenia/degradacji znaleźć można zapis: "współczynnik przewodzenia ciepła wyrobów MW nie zmienia się w czasie". 

Pianki PUR

Aby zbadać wpływ czasu na współczynnik przewodzenia ciepła izolacji zamkniętokomórkowych, w laboratorium Heat-Tech Center w Warszawie przeprowadzono badania z udziałem rur preizolowanych z pianki PUR spienianej dwutlenkiem węgla (8 próbek pobranych z w.s.c.) i rur preizolowanych z pianki spienianej cyklopentanem (5 próbek pobranych z odkrywek rurociągów preizolowanych z Polski).

Na rysunku 2. przedstawiono i porównano uzyskane średnie wartości współczynnika przewodzenia ciepła λ50, W/mK izolacji z rurociągów zasilającego i powrotnego spienianej cyklopentanem i CO2 – po starzeniu w warunkach naturalnych – w zależności od czasu eksploatacji. Wartości współczynnika przewodzenia ciepła w okresach do 4 lat i 12 ÷ 30 lat (cyklopentan) oraz do 5 lat i 16 ÷ 30 lat (CO2) wyznaczono metodą ekstrapolacji.

Rysunek 2. Zmiana współczynnika przewodzenia ciepła λ50, W/mK (średnia wartość – zasilenie i powrót) izolacji z pianki PUR spienianej CO2 i cyklopentanem

m2

Źródło: Kręcielewska E., Menard D., Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji w rurach preizolowanych po naturalnym i sztucznym starzeniu, INSTAL nr 11/2014, str. 14-20.

Jak wynika z uzyskanych rezultatów, izolacje piankowe zawierające w komórkach gazy o niższym od powietrza współczynniku przewodzenia ciepła oraz o wyższej masie cząsteczkowej, ulegają starzeniu. Wynika to z naturalnego procesu dyfuzji. Pianki PUR najintensywniej starzeją się w ciągu kilku pierwszych lat użytkowania, kiedy to proces przyspiesza na skutek gwałtownego podwyższenia temperatury pracy izolacji. Współczynnik przewodzenia ciepła w ciągu kilku pierwszych lat może wzrosnąć nawet o 30%.