Jakość izolacji długotrwałych

Zadaniem izolacji termicznych jest zapewnienie pewnej i długotrwałej sprawności termicznej urządzenia, niezależnie od stopnia agresywności otoczenia i parametrów pracy. Niezawodność i długotrwałość izolacji jest warunkiem niezbędnym do bezpiecznej i ekonomicznej pracy zakładu produkcyjnego. Długotrwała, efektywna izolacja to nie jest sprawa przypadku. Musi być ona wkomponowana w instalację przy zastosowaniu właściwych materiałów i zespołów. Jeśli wymagania stawiane izolacjom długotrwałym nie zostaną spełnione z należytą starannością, to może być to przyczyną poważnych problemów technicznych i ekonomicznych.

Typowe skutki degradacji izolacji

Wiele izolacji podlega degradacji wskutek bardzo agresywnego otoczenia i trudnych warunków pracy, w jakich dana izolacja pracuje. Wilgoć, najczęściej w postaci wody, jest podstawowym zagrożeniem efektywności izolacji, dzieje się tak, ponieważ wilgoć zwiększa przepływ ciepła, a w konsekwencji powoduje wzrost kosztów operacyjnych.

Problemy, takie jak nadmierne wrzenie produktu, straty produktu, przerwy produkcyjne spowodowane np. przez niewłaściwą lepkość, uszkodzenia urządzeń obsługujących instalacje, a nawet przestoje, wynikające z niesprawnej izolacji, mogą znacząco wpływać na jakość produktu i wydajność produkcji.

Termicznie niesprawna izolacja zwiększa koszty operacyjne i wydatki na nią poniesione mogą się nigdy nie zwrócić. Natomiast izolacja o niezmiennych parametrach eksploatacyjnych powoduje zmniejszenie kosztów przez dłuższy czas oraz szybki zwrot nakładów.

Inne istotne niekorzystne skutki degradacji to:

Korozja – absorpcja/adsorpcja wody zarówno w postaci ciekłej, jak i parowej może prowadzić do różnorodnych problemów korozyjnych.

Zagrożenia dla ochrony osobistej – degradacja izolacji w układach wysokotemperaturowych, powodowana przez wilgoć, starzenie się, pęknięcia itp., nieistotne, że często niewielka, może prowadzić do poparzeń skórnych lub innych uszkodzeń ciała. Nawet niewielkie zatrzymanie wilgoci może powodować wzrost temperatury na powierzchni izolacji o 20°C lub więcej, co jest wystarczające do spowodowania w niektórych przypadkach znacznego obrażenia.

 Schemat 1. Przewodnictwo cieplne jest jednym z najważniejszych

czynników podczas doboru materiału izolacyjnego

Problemy z wodą

Izolacje zawierające wodę w stanie ciekłym mogą mieć przewodnictwo cieplne nawet o 15 razy większe niż izolacje suche. W ujemnych temperaturach przewodnictwo może wzrosnąć nawet 60 razy lub więcej. Przy izolacjach włóknistych, wilgotne wykazują 24 razy większe przewodnictwo niż suche, a zamrożone do 100 razy wyższe.

Zależnie od porowatości izolacji, przepływ ciepła może wzrosnąć o 300% już przy wilgotności 20% (v/v). Nawet 1% (v/v) wilgotności może zwiększyć przewodnictwo o 30%. Dotyczy to szczególnie włókien szklanych i izolacji z wełny mineralnej.

Ponieważ przewodnictwo lodu wzrasta gwałtownie wraz ze spadkiem temperatury, pogorszenie właściwości izolacyjnych w warunkach kriogenicznych może być powodem poważnych niedostatków termicznej efektywności, przy potencjalnym wzroście przewodnictwa o ponad 200 razy.

Przepuszczalność (E – wilgotny kubek) i absorpcja wilgoci (C 240)

Tabela 1. Większość materiałów izolacyjnych traci swoją efektywność, gdy ulegną zawilgoceniu.

* Perm-in – jest to jednostka przepuszczalności pary wodnej definiowana jako przepuszczalność 1 graina wody (1 grain= 0,0648 g) przez jedną stopę kwadratową w ciągu jednej godziny przy różnicy ciśnień 1 cala słupka rtęci.

** Jeden perm (metryczny) oznacza przepuszczalność jednego nanograma wody na metr kwadratowy materiału na sekundę przy różnicy ciśnień jednego paskala. 1 perm-in =57,5 ng/m2·s·Pa (w 23°C)

*** Tylko wilgoć zatrzymana, to jest taka, która przylega do powierzchni komórek po zanurzeniu.

**** Związki impregnujące mogą ulegać destrukcji pod działaniem temperatury 121°C lub wyższej.

Przewodnictwo cieplne różnych materiałów izolacyjnych jest przedstawione na schemacie 1.

Wnikanie wody. Wilgoć może wniknąć do izolacji bezpośrednio poprzez szczeliny na złączach i uszczelnieniach, otworki w płaszczach, pęknięcia w masach uszczelniających lub z wnętrza układu poprzez rury lub nieszczelności zbiornika. Zawsze jest to zjawisko niepokojące, gdyż izolacja ma niską chłonność wilgoci i małą prędkość przenikania par w stosunku do izolacji nowej o niskim przewodnictwie cieplnym.

Niektóre materiały o zamkniętych porach, np. komórkowe plastiki, powoli „oddychają” parą wodną i dlatego wymagają ochrony. Jednak nawet przy zastosowaniu opóźniaczy pary dyfuzja ma wciąż miejsce poprzez pęknięcia wynikające z naprężeń strukturalnych lub powstałe podczas manipulacji.

W układach kriogenicznych nawet otworek jak łepek szpilki może w ciągu kilku dni spowodować powstanie sopli na przewodach. Doświadczenia przeprowadzone z pianką fenolową, przy występowaniu gradientu temperatury, wykazały, że dyfuzja/kondensacja może wywołać przewodnictwo cieplne zbliżone do nasycenia wodą w 50% zaledwie w ciągu trzech tygodni. W przypadku poliizocyjanianów przewodnictwo izolacji w takim czasie może wzrosnąć nawet o 260%. Nawet przy powłoce chroniącej przed wodą ciepłe, wilgotne powietrze, w przypadku izolacji porowatych, wykazuje niesłabnącą tendencję do wnikania w pory i kondensowania.

Higroskopijne zachowanie.

Niektóre izolacje, takie jak krzemiany wapnia, wykazują naturalną skłonność do pochłaniania wilgoci. W rzeczywistości krzemian wapnia zwykle zawiera wilgoć w momencie otrzymania od producenta, czasami nawet aż do 50% w stosunku masowym.

Przepuszczalność i absorpcję wilgoci typowych materiałów izolacyjnych przedstawiono w tabeli 1. Przepuszczalność pary wodnej (paroprzepuszczalność) to iloraz gęstości strumienia pary wodnej w gramach (ilości pary wodnej przenikającej przez powierzchnię jednostkową w jednostce czasu, w określonych warunkach temperatury i wilgotności oraz określonej grubości badanej próbki) i różnicy ciśnień pary wodnej między dwiema powierzchniami czołowymi próbki podczas badania. Paroprzepuszczalność to pojęcie względne, zależne od temperatury oraz wilgotności względnej powietrza, dlatego badanie tego samego materiału w różnych warunkach wilgotności i temperatury (zależnie od metody badania) może dać różne wyniki.

Dodatkowe problemy

Starzenie materiału. Degradacja izolacji wskutek starzenia lub skoków termicznych jest powodowana przez dyfuzję gazu przez ścianki komórek izolacji. Zależy ona od czasu, ekstremalnych temperatur, obecności związków chemicznych i promieniowania.

Izolacje z pianek plastikowych są szczególnie czułe na tego typu wpływy. W miarę upływu czasu i zależnie od temperatury, powietrze dyfunduje w głąb pianki, podczas gdy gazy zawarte w komórkach dyfundują na zewnątrz. Powietrze ma dwa razy większe przewodnictwo cieplne w porównaniu z niektórymi związkami spieniającymi (poroforami).

Transport gazu zachodzi wskutek różnicy stężeń gazu wewnątrz i na zewnątrz komórek oraz temperaturowo indukowanych różnic ciśnienia wewnątrz i na zewnątrz komórek. Na przyśpieszenie procesu mają wpływ temperatura i wilgotność względna otoczenia. W rezultacie poziom przewodnictwa temperaturowego jest znacznie wyższy od publikowanych

danych, następuje poważny spadek efektywności izolacji.

Badania wykazały, że po 180 dniach próbki poliizocyjanianowe zwiększyły swój współczynnik k (współczynnik przewodnictwa cieplnego) o 20%, ponad deklarowany. W innych badaniach wykazano, że starzenie może trwać przez 22 lata od założenia izolacji i że przewodnictwo cieplne może wzrosnąć aż o 40% powyżej wartości deklarowanych, tylko wskutek naturalnego starzenia.

Absorpcja ciekłych związków chemicznych. Przewodnictwo cieplne związków chemicznych rozlanych na izolację, przeciekających lub nawet pochodzenia atmosferycznego, może wzmagać przewodnictwo już wilgotnej izolacji. Dodatkowe procesy destrukcyjne wynikające z działania związków chemicznych mogą dalej degradować sprawność termiczną izolacji oraz jej wytrzymałość fizyczną. W efekcie, chemiczna odporność izolacji w potencjalnie żrących zastosowaniach może odgrywać bezpośredni wpływ na długotrwałą sprawność termiczną. Absorpcja związków chemicznych może również zwiększać zagrożenie pożarowe.

Pianki plastikowe są podatne na utratę termicznej sprawności z powodu absorpcji związków chemicznych. Izolacje takie jak włókna szklane i wełna mineralna są również podatne na chemiczną absorpcję, szczególnie po uprzednim osłabieniu przez wilgoć. W przypadku tych izolacji może mieć miejsce fizyczna degradacja spoiwa izolacji oraz związków zabezpieczających przed działaniem wody.

Kompresja (ściskanie) i wibracja (drgania). Zarówno kompresja, jak i wibracja mają wpływ na degradację izolacji, szczególnie w przypadku wysoko ściśliwych, włóknistych materiałów. Jednakże odporność na ściskanie (kompresję) jest często pomijana. W badaniach wełny mineralnej, wykonanych na instalacjach petrochemicznych w USA, stwierdzono, że nowy materiał podlega ściskaniu pod działaniem własnego ciężaru nawet o 10%, a starszy nawet aż o 50%; efekt taki może wynikać zarówno z działania kompresji, jak i wibracji (drgań). W efekcie sprawność termiczna może ulec pogorszeniu wskutek zmiany grubości i gęstości izolacji.

Wpływ kompresji czy wibracji na sprawność izolacji może być szczególnie istotny w przypadku fundamentów zbiorników, kadzi trawiących i instalacji podpodłogowych (podziemnych), mocno ciążonych

podłóg, wsporników rurociągów, dachów i ścianek wspierających. W przypadku wielu izolacji wzrost temperatury powoduje spadek odporności na ściskanie i sprawności termicznej.

Konwekcja. Ruch powietrza może mieć degradujący wpływ na układy izolacyjne. W badaniach różnych izolacji na różnych układach rurociągowych złącza o rozmiarze 0,1 cala lub większym znacząco zmieniły swoją sprawność cieplną. Otwory o średnicy 0,25 cala zmniejszyły swoją wydajność o 15%.

W badaniach otworów wewnątrz układów stwierdzono, że z powodu niestabilności wymiarowej lub złej aplikacji stopień ich degradacji wzrastał nawet o 200%.

Pęknięcia w opóźniaczach pary wodnej (retarderach pary), uszczelnieniach i w samej izolacji, powstające wskutek niestabilności wymiarowych izolacji, wpływają na utratę ciepła poprzez promieniowanie, przewodzenie i konwekcję. W układach kriogenicznych, zawierających izolacje poliuretanowe indukowana konwekcja naturalna na złączach rur zwiększa ogrzanie wskutek wyższej gęstości powietrza i kontrakcji cieplnej poliuretanu. W układzie dwuwarstwowym ogrzanie było o 33% wyższe od oczekiwanego dla systemu –186°C. Przy powstaniu kondesacji z powietrza przy temperaturze –195°C nadmierne ogrzanie wzrosło o 174%.

Pianki fenolowe i polistyrenowe również są podatne na problemy wynikające z odwracalnej termicznej przemiany rozszerzalność/kurczenie lub nieodwracalnych zmian wymiarowych wskutek skurczu. Mostki termiczne. Obecność (inkluzja) materiałów o wysokiej przewodności, takich jak metale, ścieżki bezpośredniego promieniowania lub konwekcji, mogą być źródłami strat cieplnych lub ogrzania.

Testy podwieszeń rur i wsporników wykazały, że mogą one zwiększyć

straty cieplne do 40% w porównaniu z nieuszkodzonymi, zaizolowanymi sekcjami rurociągów. Chociaż straty nie mogą być wyeliminowane całkowicie, system wieszaków i wsporników zaizolowanych piankową izolacją szklaną wykazał w doświadczeniach ograniczenie strat cieplnych do 5%.

Uszkodzenia systemu. W przypadku układów niskotemperaturowych uszkodzona izolacja może prowadzić do powstania lodu powodującego uszkodzenie urządzeń i dalszą degradację izolacji. Tam, gdzie mamy do czynienia ze zbiornikami LNG (płynny gaz ziemny), niesprawna izolacja może spowodować zamrożenie podłoża oraz jego degradację, co z kolei może prowadzić do uszkodzenia fundamentów zbiornika.

Mity na temat degradacji

Mit 1: Izolacja wysycha w układach gorących. W rzeczywistości wilgoć może jedynie wędrować w systemie do miejsc o temperaturach poniżej 100°C i jeśli nawet ulegnie zmniejszeniu, istnieje prawdopodobieństwo, że znowu się pojawi. Jednakże szkło piankowe nałożone bezpośrednio na wilgotną izolację w układach gorących rzeczywiście powoduje, że układ robi się suchy.

Mit 2: Bariery parowe chronią systemy izolacji. Bariery parowe pełnią jedynie rolę „opóźniaczy”, a zatem im dłużej system pracuje w niskich temperaturach, tym więcej zbiera się w nim wilgoci. Z drugiej strony bariery te nie są także doskonałe. Pęknięcia, maleńkie otworki jak łepek szpilki i niedoskonałości uszczelnień powodują, że do izolacji może przedostać się para i powietrze. Nawet szczególnie dokładnie uszczelnione systemy umożliwiają migrację pary. W badaniach nad barierami parowymi w izolacjach uretanowych usuwanie wilgoci było prawie o 300% wolniejsze niż jej wnikanie.

Mit 3: Impregnaty wodne zapewniają ochronę izolacji w układach wysokotemperaturowych oraz chronią przed absorpcją wody lub pary wodnej. Stwierdzono, że związki impregnujące wypalają się, przez co absorpcja wody staje się możliwa. Związki te również mogą wykazywać tendencję do absorpcji i mogą ulec uszkodzeniu na przykład przy kontakcie z węglowodorami, przez co impregnacja nie ograniczy przepływu pary wodnej. Mimo to stała sprawność cieplna i fizyczna integralność izolacji ze szkła piankowego poprawiają jakość systemu i możliwości jego kontroli oraz zwiększają oszczędności energetyczne przez długi czas.

Ken Collier ma 18-letnie doświadczenie w technicznym doradztwie w zakresie izolacji przemysłowych.

Artykuł pod redakcją Haliny Gawrońskiej

Autor:

Ken Collier, Systems Engineer, Pittsburgh Corning Corporation, USA