关于预制热水保温管聚氨酯炭化危害
聚氨酯保温材料是以多官能度有机异氰酸酯及混合聚醚多元醇为主要原料，在催化剂及添加剂的条件下，发生复杂化学反应而得到的一种硬质聚氨酯泡沫塑料（本文中的聚氨酯均指硬质聚氨酯泡沫塑料），具有比强度高、热导率小等特点，在供热领域被广泛应用特别是在预制热水保温管（本文简称预制保温管）。预制保温管采用工作钢管、聚氨酯保温层、PE外护管的三位一体结构，在确保保温性能的同时，能够承载竖直方向的土壤压力和水平方向的剪切力。
随着预制保温管运行时间的延长，易出现聚氨酯保温层炭化问题，特别是当供热介质温度高以及敷设在高地下水位、河道等高腐蚀环境中，炭化现象更为突出。聚氨酯保温层炭化后，易出现工作钢管腐蚀、保温结构失效、工作钢管滑移等问题，严重影响热网的安全、可靠运行。本文对预制热水保温管聚氨酯炭化危害及预防进行分析。
聚氨酯炭化机理与原因
1  炭化机理与表现
聚氨酯的炭化过程为热分解反应，在受热分解过程中，氨基甲酸酯基团在C-O键位置断裂，分解生成异氰酸酯、多元醇，然后进一步分解为胺类、烯烃、CO2。分子团逐渐变小，聚氨酯颜色逐渐加深，随着受热分解过程的持续，产物逐渐挥发，最终留下黑色碳氢化合物、添加剂分解产物等［3］。
聚氨酯的热分解温度为160~180 ℃，该分解温度是在非氧化环境中测得的。而在实际应用中，无论架空敷设还是管沟、直埋敷设，在聚氨酯炭化分解过程中都不可避免与氧接触。试验表明，在有氧环境中，聚氨酯的热分解温度会发生前移，热分解温度在120~140 ℃［3］。
聚氨酯发生炭化后，空泡结构逐渐消失，综合性能降低，主要反映在密度、热导率、压缩强度、闭孔率4项性能参数上。
密度：若聚氨酯的炭化仅存在有机物的分解，而外观体积相对不变的情况下，聚氨酯的密度一般都在40 kg/m3以下，炭化越严重，密度越小，常见于架空敷设的一级管网（供热介质温度较高）。对直埋保温管道，在聚氨酯炭化过程中，若伴随地下水进入空泡结构，密度反而增大，很多情况下，密度会大于60 kg/m3。
热导率：炭化必然会导致聚氨酯的空泡结构减少，热导率变大，保温性能降低。在聚氨酯长时间服役过程中，若外观颜色向偏红色发展时，热导率很多情况下不达标，导致保温管道散热量升高。
压缩强度：未炭化的聚氨酯具有一定弹性，但随着炭化的发生，聚氨酯的高分子链出现断裂，压缩强度普遍偏低，多数情况下小于0.1 MPa。
闭孔率：在炭化过程中，聚氨酯闭孔结构逐渐消失，闭孔率变小，保温性能下降。对于架空、干燥土壤环境中的保温管道，聚氨酯炭化后的闭孔率会在50%以下。若处在多水分的环境中（如高地下水的埋地环境），闭孔率会在20%以下。
2  炭化原因
①发泡原料耐热性不足
发泡原料与添加剂直接影响聚氨酯的耐热性能，若发泡原料耐热性能差、相对分子质量过低、调配不合理，易导致近工作钢管表面的聚氨酯出现受热分解，并伴随有效组分分解、挥发，高分子结构遭到破坏，聚氨酯出现变黄、变黑。一般经过2~3个供暖期后，整个保温层都会出现炭化变黑的情况，见图1。由图1可知，炭化后的聚氨酯呈黑粉状，保温结构全部失效。该管段被地下水长期浸泡，工作钢管出现了壁厚减薄情况，DN 500 mm工作钢管最薄处仅为2 mm左右，管道面临着开裂风险。调查发现，该保温管道为一级管网，而采用了适用于二级管网的发泡原料，由于发泡原料的耐温等级比较低，导致在运行过程中，全线均出现了聚氨酯严重炭化。

图1   炭化变黑的聚氨酯保温层
②聚氨酯密度偏低
聚氨酯的密度直接决定着预制保温管的质量，若密度过低，单位体积空泡占比高，而有效聚氨酯的含量占比降低，在受热过程中，聚氨酯过早出现炭化。随着运行时间的延长，炭化问题会越来越严重。架空敷设保温管道低密度聚氨酯的炭化情况见图2。由图2可知，低密度的聚氨酯沿工作钢管表面向外，颜色逐渐变浅，靠近钢管表面炭化最为严重，基本已呈黑色，并伴随保温层脱离工作钢管以及钢管表面腐蚀（DN 500 mm工作钢管最薄处仅为3 mm左右），管网每年出现多起泄漏事故。

图2   架空敷设保温管道低密度聚氨酯的炭化情况
③保温层进水
补口是直埋保温管道的薄弱环节，当补口出现泄漏后，地下水或河水将侵入聚氨酯保温层中，并受热沸腾。聚氨酯被高温热水浸泡，空泡结构逐渐消失，体积缩小，直至整个保温层空泡结构全部消失，聚氨酯炭化塌缩成带状、块状的硬质结构，不再具有保温性能，工作钢管也易出现腐蚀穿孔、开裂等问题。与聚氨酯材料耐热性能不足、密度过低导致的炭化不同的是，由于进水导致炭化的聚氨酯往往呈现红色，且聚氨酯的原始形态消失。
埋设于河道附近的保温管道聚氨酯炭化情况见图3。由于河道附近地下水位高，加之补口存在问题，导致地下水侵入保温层，长时间高温浸泡，聚氨酯炭化。由图3可知，炭化后的产物为红色硬块、硬条，硬度比较大，脆性比较强。

图3   埋设于河道附近的保温管道聚氨酯炭化情况
④使用温度不合理
为防止聚氨酯发生炭化，往往要求供热介质温度控制在140 ℃以下，若供热介质长期高于140 ℃，聚氨酯很容易出现炭化，特别是在热电联产项目的一级管网中。
某工厂输送蒸汽用管沟敷设保温管道聚氨酯炭化情况见图4。该保温管道工作钢管规格为DN 200 mm，采用聚氨酯保温层及PE外护管。由于输送蒸汽，聚氨酯工作在150 ℃甚至更高温度，超出允许的工作温度。由图4可知，使用1 a后，整条管道的聚氨酯保温层出现炭化，聚氨酯基本变黑，PE外护管变形。

图4   某工厂输送蒸汽用管沟敷设保温管道聚氨酯炭化情况