НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 622.276.012.05.004.5
© Коллектив авторов, 2015
О результатах исследований паропроницаемости новых видов теплоизоляционных материалов1
Е.В. Беляева, к.х.н., Н.А. Логинова, к.т.н., Е.Е. Лапин,
С.И. Погорелов, к.т.н., А.В. Рыженков, к.т.н, (Научный центр «Износостойкость», Национальный исследовательский университет «МЭИ»)
Адрес для связи: razumand@rambler.ru
Ключевые слова: паропроницаемость, барьерные свойства, теплоизоляционные материалы, микросферы.
About the results of research of vapor permeability of new thermal insulation materials
E.V. Belyaeva, N.A. Loginova, E.E. Lapin, S.I. Pogorelov, A.V. Rizhenkov (Scientific Research Center Wear Resistance, National Research University Moscow Power Engineering Institute, RF, Moscow)
E-mail: razumand@rambler.ru
Key words: vapor permeability, barrier properties, thermal insulation materials, microspheres.
The aim of this work was the experimental determination of the coefficient of water vapor permeability of thin-film thermal insulation coatings (TTC), polyurethane foam (PUF) and aerogel. The experimental values of the water vapor permeability coefficient TTC indicate its high barrier properties against water vapor Thus, water vapor permeability TTC is more than 40 times lower than the foam and aerogel. The obtained vapor permeability values TTC makes it very promising for use in thermal insulation designs of equipment and pipelines of the fuel and energy complex.
Деятельность предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК), включая добычу, хранение и транспорт нефти, во многом зависит от качества теплоизоляции эксплуатируемого оборудования и трубопроводов. Анализ рынка теплоизоляционных материалов свидетельствует об активной разработке и внедрении на рынок новых видов теплоизоляции. Возросшая конкуренция производителей предъявляет высокие требования к современным теплоизоляционным покрытиям: низкий коэффициент теплопроводности, высокая эксплуатационная надежность, экологичность.
Новые теплоизоляционные покрытия начинают вытеснять широко применяемые материалы из неорганических волокон, такие как шлако- и стекловата, базальтовая вата. Наиболее активно используется теплоизоляция из пенополиуретана (ППУ). В последнее время на рынке внедряются теплоизоляция на основе аэрогеля и тонкопленочные теплоизоляционные покрытия (ТТП), содержащие микросферы.
Теплоизоляция на основе аэрогеля представляет собой эластичную матрицу, состоящую из кварцевого аэрогеля, которая армирована нетканым материалом из стекловолокна. Данный вид теплоизоляционного материала, успешно используемого с середины ХХ века в криогенной технике, а в настоящее время в модернизированном варианте, рекомендуется для высокотемпературных объектов.
ТТП относятся к классу синтактных пеноматериалов, в которых газовая фаза заключена в сферическую оболочку, а твердая фаза состоит из этой оболочки (полимерной или минеральной природы) и межсферического пространства, заполненного полимером. Данный вид теплоизоляционных покрытий недостаточно изучен, и в настоящее время осуществляется активное исследование их физико-механических и эксплуатационных свойств [1].
Часто эксплуатация технологического, энергетического оборудования и трубопроводов осуществляется в условиях повышенной влажности окружающего воздуха. В связи этим особый интерес вызывает паропрони-цаемость, которая характеризует способность теплоизоляционного материала пропускать диффундирующий водяной пар. Проникновение паров воды в структуру теплоизоляционного материала приводит к накоплению влаги и, как следствие, ухудшению теплоизолирующих свойств, появлению плесени и грибков, коррозии металлических поверхностей [1]. При конденсации влаги на поверхности металла возникает атмосферная коррозия. Скорость ее зависит от состава конденсированной влаги, в которой могут содержаться промышленные газы (SO2, ТО2, H2S и др.), способствующие увеличению скорости коррозионных процессов. Коррозия конструкций энергетического оборудования и трубопроводов существенно сокращает их срок эксплуатации.
1Работа проведена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения 14.574.21.0022 от 17 июня 2014 г. «Разработка теплоизоляционных композитных материалов для обмуровки теплоэнергетического оборудования с использованием автономных мобильных высокопроизводительных установок». Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта) RFMEFI57414X0022.
В статье представлены результаты исследований барьерных свойств современных теплоизоляционных материалов к проникновению паров воды в их структуру с точки зрения определения эффективности их использования в теплоизоляционных конструкциях оборудования и трубопроводов предприятий ТЭК.
Описание оборудования и методика проведения
экспериментальных исследований
Исследования паропроницаемости выполнялись на образцах ППУ, ТТП и аэрогеля с применением инфракрасных датчиков [2]. Данный метод основан на измерении количества пара, прошедшего через образец при заданных температуре и влажности. Паропроницаемость материалов изучали на анализаторе поропроницаемости TotalPerm ExtraSolution в соответствии с действующим стандартом ASTM [2].
Анализатор позволяет фиксировать количество пара, проходящего через единицу площади за единицу времени при определенной разности давления и постоянных влажности и температуре. В конструкции прибора предусмотрены две камеры, между которыми устанавливается образец таким образом, чтобы создать герметичный барьер между камерами. Перед началом измерения па-ропроницаемости образца проводится кондиционирование, при котором поток безводного азота (газа-носителя) циркулирует в обеих камерах, удаляя другие газы и влагу, оставшиеся после загрузки, а также во внутренней части образца (рис. 1, а). Время кондиционирования для каждого образца устанавливается индивидуально в зависимости от барьерных свойств покрытия, но не менее 6 ч.
Образец
Подача ^^^äftftfi ff ^Hj^lJUl
газа-носителя
Нижняя камера (сенсор)
Вывод
газа-носителя
Подача проникающего пара
Образец с Подача ^ газа-носителя
Вывод
проникающего пара
Нижняя камера (сенсор)
газа-носителя и проникающего пара
Рис. 1. Схема циркуляции потока газа-носителя (а) и проникающего пара (б)
После завершения процесса кондиционирования, когда концентрация водяного пара в потоке азота приближается к нулю, измеряется поток проникающего водяного пара, который подается в верхнюю камеру (см. рис. 1, б). Поток, проходя через разделительную перегородку (образец), подхватывается газом-носителем и подается на инфракрасный датчик, где определяется содержание водяного пара.
Все исследования были выполнены с поддержанием постоянной температуры и относительной влажности в
камере. В качестве газа-носителя использовался особо чистый азот (99,999 %), источника водяного пара - дистиллированная вода. Измерения проводили при стандартных условиях: температура 23 °С, относительная влажность 60 %, барометрическая компенсация 1 бар.
При выполнении экспериментальных исследований на газоанализаторе фиксировалось стационарное значение скорости переноса водяного пара через образец WVTR (г/(м2-сут). Паропроницаемость Р (г/(м2-сут-бар), которая является физической характеристикой материала, определяли по формуле [2]
Р = ^Т^р^,
где рк - разность давлений пара на лицевых гранях образца во время испытания, бар; d - толщина образца, мм.
Методика приготовления образцов
Образцы ППУ, ТТП и аэрогеля для исследования паропроницаемости изготавливали в форме прямоугольного параллелепипеда с основанием 30x30 мм и толщиной 1 мм. Для испытания отбирали не менее трех образцов равномерной толщины без вздутий, трещин, расслоения, раковин, сколов, царапин, и других видимых дефектов. Образцы устанавливались в измерительную камеру с использованием специальной стальной «маски», при этом их рабочая площадь составляла 2,01 мм2. На рис. 2 представлен подготовленный к измерению образец ТТП.
Рис. 2. «Маска» с закрепленным образцом ТТП:
1 - образец ТТП; 2 - адгезив; 3 - стальная «маска»; 4 - рабочая площадь образца ТТП
Результаты исследования и их обсуждение
Паропроницаемость материала зависит от его типа (изотропный, ортотропный, анизотропный), химической природы и структурных характеристик (строения, расположения и взаимодействия макромолекул, размера пор, плотности) [3]. Например, высокоэластичные кау-чукоподобные полимеры имеют максимальные коэффициенты паропроницаемости, а жесткие полимеры с большим числом полярных групп - минимальные. Перенос паров воды через материалы осуществляется за счет диффузии и растворимости [4, 5], которые вклю-
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО
08'2015 115
чают сорбцию водяного пара на границе высокого давления, молекулярную диффузию водяного пара через материал и его десорбцию на границе низкого давления [6]. Усредненные значения паропроницаемости исследуемых образцов теплоизоляционных материалов приведены в таблице.
Образец Скорость переноса водяного пара, г/(м2-сут) Коэффициент паропроницаемости, мг/(м-ч-Па)
ТТП 17,0 0,00042
ППУ 711,2 0,01757
Аэрогель 740,1 0,01828
Измеренный коэффициент паропроницаемости образцов ППУ (0,01757 мг/(м-ч-Па) коррелирует с данными СТО «Теплозащитные свойства ограждающих конструкций зданий», что подтверждает корректное проведение экспериментальных исследований. Коэффициент паропроницаемости образцов ТТП сопоставим с коэффициентом паропроницаемости пластиков и эластомеров, которые применяют для изготовления упаковочных материалов. Для таких материалов паропроницаемость является основной характеристикой. Например, для пленки на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (АБС) коэффициент паропроницаемости составляет 0,00016 мг/(м-ч-Па) [7], что достаточно близко к паропроницаемости ТТП. В связи с этим можно охарактеризовать ТТП, как покрытия с хорошими барьерными свойствами, которые обусловлены его структурой. ТТП представляет собой наполненный полимер, паропроницаемость которого зависит от матрицы и наполнителя. Паропроницаемость напол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.