黃春蓉 劉百春 周 暉 馬含悅 李國(guó)娜 葉 樺

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000

0 前言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫材料（PUR）廣泛用于國(guó)內(nèi)外埋地、直埋系統(tǒng)的鋼質(zhì)管道保溫，保溫管由鋼管、高密度聚乙烯外護(hù)管以及鋼管和外護(hù)管之間填充的硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層緊密結(jié)合而成。硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層具有機(jī)械性能、絕熱性能良好和價(jià)格適中等特點(diǎn)。聚乙烯外護(hù)管可以抵御土壤應(yīng)力或一定的外部撞擊對(duì)造成的損傷。而要抵御紫外線對(duì)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(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GB/T 50538-2010《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［1］、CJ/T 114-2000 《高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯泡沫預(yù)制直埋保溫管》、DIN EN253-2009《區(qū)域供暖管道鋼質(zhì)直埋式熱水供應(yīng)網(wǎng)用預(yù)制隔熱連接管道系統(tǒng)聚氨酯隔熱和聚乙烯外護(hù)層》［2］。這些標(biāo)準(zhǔn)雖然都是對(duì)聚氨酯保溫層和聚乙烯外護(hù)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(jù)原SYJ18-86《埋地鋼質(zhì)管道聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、SYJ 4014-87《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯、硬質(zhì)聚氨酯泡沫一次成型防腐保溫層施工及驗(yàn)收規(guī)范》和SYJ4016-87《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯、硬質(zhì)聚氨酯泡沫“管中管”法成型防腐保溫層施工及驗(yàn)收規(guī)范》［4］三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)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(yù)制保溫管》基礎(chǔ)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(chǔ)上，綜合了石油行業(yè)和城鎮(zhèn)建設(shè)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(shí)施，由于GB/T 50538-2010是由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)合并修改而成，為兼顧兩個(gè)行業(yè)不同的要求，該標(biāo)準(zhǔn)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上形成了兩大部分，即介質(zhì)溫度≤100℃和介質(zhì)溫度≤120℃的兩類，介質(zhì)溫度≤100℃類按照SY/T 0415-96的思路編制，介質(zhì)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(xiàn)行版本是在2003-06版基礎(chǔ)上修訂而成，由歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì) “區(qū)域供熱預(yù)制管道系統(tǒng)”TC107工作組編制。根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)和歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)內(nèi)部規(guī)程的要求，包括法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等30余個(gè)歐洲國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)化組織必須采用該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。

2 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

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

3 介質(zhì)溫度

GB/T 50538-2010總體要求是適用于輸送介質(zhì)溫度不超過(guò)120℃的埋地鋼質(zhì)管道外壁防腐層與保溫層，但按介質(zhì)溫度≤100℃和介質(zhì)溫度100～120℃分別對(duì)保溫結(jié)構(gòu)、保溫材料、端頭預(yù)留長(zhǎng)度、保溫層及防護(hù)層偏差等進(jìn)行要求。根據(jù)前面的介紹，適用于介質(zhì)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(xí)慣。而適用于介質(zhì)溫度100～120℃保溫層參照CJ/T 114-2000編制，更多兼顧城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)的做法和習(xí)慣。

DIN EN253標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了預(yù)制直埋熱水保溫管（管中管）的要求與測(cè)試方法，包括DN 15～1200的鋼質(zhì)工作管、硬質(zhì)聚氨酯泡沫保溫層和聚乙烯外護(hù)管。適用于連續(xù)工作溫度＜120℃、偶然峰值溫度＜140℃的預(yù)制保溫管。

4 導(dǎo)熱系數(shù)

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

聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)因密度和其它條件的不同為0.33～0.5W/m·K，密度越高，導(dǎo)熱系數(shù)越高。顯然聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù)較聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)大，但保溫性能卻更差。實(shí)際工況下聚氨酯泡沫和聚乙烯外護(hù)管配合，共同實(shí)現(xiàn)對(duì)管道的保溫，因此DIN EN253采用安裝系統(tǒng)的導(dǎo)熱系數(shù)作為判斷指標(biāo)更為合理。

導(dǎo)熱系數(shù)雖是材料固有的參數(shù)，但仍與泡沫溫度、含濕率、容重等因素有關(guān)。溫度對(duì)各類保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)均有直接影響，溫度提高，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)上升。所有的保溫材料都具有多孔結(jié)構(gòu)，容易吸濕，含濕率＞5%～10%時(shí)，保溫材料吸濕后濕分占據(jù)了原被空氣充滿的部分氣孔空間，引起有效導(dǎo)熱系數(shù)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(dǎo)熱系數(shù)通常小于固相導(dǎo)熱系數(shù)，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(dǎo)致導(dǎo)熱系數(shù)的下降，保溫材料中，大部分熱量是從孔隙中的氣體傳導(dǎo)的，因此，保溫材料的熱導(dǎo)率在很大程度上決定于填充氣體的種類［5］。

5 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法

導(dǎo)熱系數(shù)是保溫材料的主要參數(shù)，測(cè)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(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，采用圓管法檢測(cè)，測(cè)試管道長(zhǎng)度＞3m，基本原理是通過(guò)測(cè)量保溫管內(nèi)表面溫度、保溫層內(nèi)表面溫度、保溫層外表面溫度及外護(hù)管外表面溫度，再根據(jù)管道和保溫層的尺寸等參數(shù)計(jì)算保溫管的導(dǎo)熱系數(shù)。

b）GB/T 50538-2010和CJ/T 114-2000均按照GB 10297-98《非金屬固體材料導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)定方法熱線法》標(biāo)準(zhǔn)，采用熱線法檢測(cè)?；驹硎窃诰|(zhì)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(jù)其溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，就可確定試樣的導(dǎo)熱系數(shù)。由于該方法僅適用于各向同性均質(zhì)材料，GB/T 50538-2010和CJ/T 114-2000采用該方法是對(duì)保溫層導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，而不是對(duì)安裝系統(tǒng)（保溫管）導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

c）平板法的基本原理是當(dāng)試樣上、下兩面處于不同的穩(wěn)定溫度下，測(cè)量通過(guò)試樣有效傳熱面積的熱流及試樣兩表面間溫差和厚度，計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。試驗(yàn)方法采用的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 3392-82《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法——護(hù)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(cè)樣品規(guī)格需達(dá)到200mm×200 mm×50mm，對(duì)于Φ114/200mm等較小管徑保溫管的樣品則無(wú)法測(cè)試。

6 發(fā)泡劑類型

雖然國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中都提出使用無(wú)氟發(fā)泡劑的要求，但在材料類型上存在差異，也導(dǎo)致了導(dǎo)熱系數(shù)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(shù)量對(duì)PU泡沫的物理機(jī)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(yīng)放出CO2作為起泡劑，即化學(xué)發(fā)泡劑；另一種是選用低沸點(diǎn)化合物，利用泡沫體系的反應(yīng)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(biāo)的差異

PU泡沫由大量封閉的泡孔結(jié)構(gòu)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(nèi)含CO2，環(huán)戊烷發(fā)泡劑的小泡孔內(nèi)含環(huán)戊烷，氟利昂發(fā)泡劑的小泡孔內(nèi)含氟利昂，泡孔內(nèi)氣體的導(dǎo)熱系數(shù)直接影響泡沫體的導(dǎo)熱系數(shù)［6］。資料顯示，氟利昂的導(dǎo)熱系數(shù)最低，其次是環(huán)戊烷，最高的是CO2。

國(guó)外公司為滿足《對(duì)關(guān)于消耗臭氧層物質(zhì)的蒙特利爾議定書》的要求，同時(shí)獲取盡可能低的導(dǎo)熱系數(shù)，采用環(huán)戊烷發(fā)泡劑。使用環(huán)戊烷時(shí)要遠(yuǎn)離熱源、火源、氧化劑和其他化學(xué)反應(yīng)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(jì)失調(diào)和麻痹；輕度刺激眼睛；引起皮膚脫脂、干燥、發(fā)紅等。因此，國(guó)內(nèi)在管道聚氨酯泡沫預(yù)制生產(chǎn)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(dǎo)熱系數(shù)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(shí)降低抗壓強(qiáng)度和抗沖擊性能。

7 其它指標(biāo)

GB/T 50538-2010和DIN EN253指標(biāo)方面的差異，見表1。

從表1可看出，國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)相對(duì)國(guó)內(nèi)保溫介質(zhì)≤100℃的系統(tǒng)在抗壓強(qiáng)度、老化前后導(dǎo)熱系數(shù)、泡沫閉孔率、外觀、長(zhǎng)期機(jī)械性能、剪切強(qiáng)度、抗蠕變要求、運(yùn)輸過(guò)程的表面條件等方面更優(yōu)；相對(duì)國(guó)內(nèi)保溫介質(zhì)≤120℃的系統(tǒng)在老化前后導(dǎo)熱系數(shù)、外觀、抗沖擊強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、抗蠕變要求、運(yùn)輸過(guò)程的表面條件等方面更優(yōu)于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)。

同時(shí)表1中還可看出，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)基本對(duì)泡沫層加聚乙烯外護(hù)層，即安裝系統(tǒng)無(wú)要求，雖然140℃下的剪切強(qiáng)度和抗蠕變的測(cè)試是針對(duì)熱水管道而制訂的，但其他指標(biāo)對(duì)100℃以下直埋保溫管仍是適用的。

8 結(jié)論及建議

采用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在條件允許的情況下建議補(bǔ)充安裝系統(tǒng)的要求，特別是對(duì)只注重導(dǎo)熱系數(shù)而忽略容重的情況，應(yīng)增加抗沖擊性和改善運(yùn)輸過(guò)程的表面條件等來(lái)到達(dá)對(duì)聚氨酯泡沫綜合性能的要求。

目前國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)在性能指標(biāo)的測(cè)試方法上存在較大差異，測(cè)試方法的比較和協(xié)調(diào)統(tǒng)一是材料優(yōu)選的前提。同時(shí)第三方試驗(yàn)室按照國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)開展相關(guān)試驗(yàn)方法的認(rèn)證也是目前技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

［1］GB/T 50538-2010，埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)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(zhì)直埋式熱水供應(yīng)網(wǎng)用預(yù)制隔熱連接管道系統(tǒng)聚氨酯隔熱和聚乙烯外護(hù)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(zhì)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(guó)內(nèi)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.應(yīng)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(guān)于預(yù)制直埋保溫管標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)問(wèn)題的探討［J］.暖通空調(diào)，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.