Способ и устройство тепловой изоляции изделия
Изобретение относится к теплоизоляции при температурах окружающей среды или наружного потока, критических для работоспособности изолируемых изделий. Техническим результатом изобретения является кратковременное продление работоспособности изолируемого изделия при экстремальных тепловых нагрузках и повышение эффективности защиты длинномерного изделия при аварийных теплопритоках с температурой более 400°С. В способе теплоизоляции длинномерных изделий, включающем формирование на поверхности защищаемого изделия вспененного пористого покрытия путем взаимодействия предварительно смешанных в исходном состоянии наполнителя и вспенивателя, вспенивание наружного слоя покрытия осуществляют в процессе эксплуатации защищаемого изделия под действием аварийного теплового потока с температурой выше 400°С, при этом при размягчении наружного слоя покрытия, переходе его в жидкое состояние и срабатывании вспенивателя непрерывно формируют закрыто-пористую мелкоячеистую структуру - пенококс с равномерным увеличением толщины изделия. В устройстве для тепловой изоляции изделия, содержащем теплоизоляционное покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность изделия обмоткой теплоизоляционной лентой, на электрожгуты и трубчатые детали теплозащитное покрытие нанесено в виде самослипающейся ленты из эластичного материала, представляющего собой силоксановый каучук, и вспенивающейся системы, лента сформирована в виде полосы толщиной 1±0,1 мм, шириной 25±2 мм и длиной 10 м, причем лента нанесена на длинномерное изделие в 2-3 слоя. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к средствам теплоизоляции при температурах окружающей среды или наружного потока, критических для работоспособности изолируемых изделий, и теплоизоляции длинномерных изделий и может быть использовано для теплоизоляции трубопроводов, электрожгутов и других длинномерных изделий для продления их функционирования при аварийном нагреве, например при пожаре.
Необходимость надежного крепления и слабая стойкость к вибрационным нагрузкам ограничивает возможность использования покрытий с особо низкой теплопроводностью, что в конечном результате снижает надежность защиты трубопроводов от наружных тепловых притоков с высокими температурами.
Способом теплоизоляции по патенту RU №2133909 вокруг изолированного изделия накачивают пенопласт и выдерживают его до жесткого состояния.
Способом теплоизоляции по патенту RU №2189521 на изолируемое изделие наносят жидкую композицию расчетной массы. Далее предусмотрено ее вспенивание и отвердение. Полученная изоляция рассчитана на длительную эксплуатацию при температурах не более 150°С.
Теплоизоляция по патенту SU №3297802 может содержать оболочку, образованную лентой, намотанной по спирали.
Необходимость надежного крепления и слабая стойкость к вибрационным нагрузкам ограничивает возможность использования покрытий с особо низкой теплопроводностью, что в конечном результате снижает надежность защиты трубопроводов от наружных тепловых притоков с высокими температурами.
Для достижения повышенной эффективной защиты длинномерного изделия при аварийных теплопритоках с температурой более 400°С, вспенивание покрытия осуществляют в процессе эксплуатации защищаемого длинномерного изделия под действием аварийного теплового притока с температурой выше 400°С.
Теплоизоляционное покрытие наносится на внешнюю поверхность длинномерного изделия обмоткой теплоизоляционной лентой. Толщина ленты увеличивается равномерно путем непрерывного формирования закрытопористой мелкоячеистой структурой (пенококс) пропорционально тепловому воздействию при аварийном теплопритоке. В целях удобства теплозащитное покрытие на электрожгуты и детали трубчатого сечения наносят в виде самослипающейся ленты из эластичного материала, представляющего из себя силоксановый каучук, и вспенивающейся системы. Для удобства и простоты ленту формируют в виде полосы толщиной 1±0,1 мм, шириной 25±2 мм и длиной 10 м. Нанесенная лента на длинномерное изделие в 2-3 слоя защищает его от воздействия высокой температуры 1000-1100°С в течение не менее 5 минут.
На фиг.1 и 2 представлена теплоизоляция трубопровода, реализующая заявленный способ, в исходном и вспененном состоянии. На фиг.3 представлен график изменения температуры внутренней стенки трубопровода при эксплуатации, в том числе при аварийном теплопотоке с температурой выше 400°С.
Теплоизоляция трубопровода 1 образована двухслойным покрытием. Внутренний слой 2 - низкотеплопроводимый, эластичный материал, например вспененный фторкаучук, толщиной 0,25-0,5 от толщины вспенивающего покрытия, плотностью 0,5-0,7 г/см и относительным удлинением 150-250%.
Наружный слой 3 вспенивающегося покрытия образован наполнителем на основе высокотемпературного каучука, смешанного в исходном состоянии со вспенивателем.
Материал слоя 3 термореактивен и в исходном состоянии имеет удельный вес приблизительно 1,2 г/см3, удельную теплоемкость 0,35-0,4 кал/°С, теплопровопроводность (3,78-5,15)×10-4 кал/см°C и относительное удлинение 100-150%. Толщина слоя 2-3 мм.
При штатной эксплуатации длинномерных изделий (электрожгут, трубопровод и др.) и температуре длительных теплопритоков до 150-200°С низкая теплопроводность внутреннего 2 и наружного 3 слоев обеспечивает поддержание температуры длинномерного изделия в допустимых пределах за счет охлаждения трубопровода проходящими через него жидкостью или газом.
Сравнительная небольшая толщина изоляции в исходном состоянии обеспечивает простоту эксплуатации и обслуживания длинномерного изделия (трубопровода, электрожгута и др.), сохранение ее прочности при вибрации и ударах. При этом не требуется дополнительных средств для ее крепления и мер для антикоррозийной защиты трубопровода.
При аварийных теплопритоках с температурой более 400°С осуществляют вспенивание наружного слоя 3. Вспенивание начинают при достижении на поверхности слоя 3 температуры более 400°С. Поверхностный слой 3 под действием высокой температуры размягчается и затем кратковременно за период 0,2-0,5 сек переходит в жидкое состояние. Как только покрытие перешло в жидкое состояние, вспениватель срабатывает, образуя вспененный мелкоячеистый пенококс. Пенококс принимает на себя тепловой поток, под действием которого разрушается. На смену разрушенного слоя образуется новый слой и так до полного срабатывания покрытия.
При возникновении в процессе эксплуатации длинномерного изделия аварийных теплопритоков с предельными температурами до 1500°С вспененный слой 3 обеспечивает сохранение прочности алюминиевого трубопровода практически неизменной на период от 5 до 10 минут, что соответствует необходимому времени для ликвидации аварийной ситуации. При этом максимальная температура внутренней стенки длинномерного изделия не превышает 150°С (см. фиг.3).
Учитывая простоту нанесения и высокие теплозащитные свойства предлагаемой изоляции, считаем возможным ее применение в различных отраслях техники.
Изменение скорости нагрева материала длинномерного изделия (фиг.3) со временем наглядно иллюстрируют теплозащитные свойства предлагаемой теплоизоляции.
Комбинированное двухслойное покрытие имеет лучшие теплозащитные свойства, чем однослойные, выполненные из вспенивающего покрытия. Это очевидно из фиг.3, где применение фтор-каучука позволяет снижать температуру длинномерного изделия на 20-25% при аварийных теплопритоках.
Таким образом, теплоизоляция длинномерных изделий обеспечивается тем. Что равномерно образующийся пенококс при аварийных теплопритоках с температурой более 400°С имеет мелкоячеистую замкнутую структуру и обладает высоким сопротивлением теплопритоку. Под действием теплового притока поверхностный слой покрытия размягчается и кратковременно переходит в жидкое состояние, в то же время вспениватель, срабатывая, образует газообразные продукты, которые вспенивают образовавшуюся жидкость. Равномерность распределения вспенивателя в наполнителе и образование низковязкой жидкости обеспечивают получение пенококса, обладающего высоким сопротивлением теплопритоку.
С целью сохранения от сдува пенококса потоком воздуха с большой скоростью, более 50 м/сек, на электрожгут одевают кожух, выполненный из кремнеорганической ткани (нт-7). Это действие позволяет расширить поле деятельности защиты на большее время по сравнению со жгутом без чехла, т.е. фактически образованный пенококс продолжает работать больший срок.
Способ теплоизоляции изделий, при котором поверхность изделия покрывается смесью химического органического соединения и неорганического вещества, температура плавления которого близка температуре, критической для работоспособности изделия, со средством вспенивания этого соединения при температуре не ниже температуры его плавления.
При повышении температуры окружающей среды или наружного потока до величины, превышающей температуру плавления соединения, в процессе его вспенивания формируется мелкоячеистая закрытопористая структура, образованная неорганическим компонентом соединения, с соответствующим увеличением толщины покрытия. В результате этого теплоизоляцию изделия осуществляют мелкоячеистой закрытопористой структурой неорганического компонента соединения до ее разрушения под собственным весом или вследствие внешнего воздействия после сгорания или испарения органических компонентов соединения.
Толщина покрытия и его теплопроводность до вспенивания могут быть выбраны из условия сохранения невспенивающей части покрытия, расположенной под его вспенивающейся частью. Сначала вспенивают только наружную относительно изделия часть покрытия. В процессе или после разрушения наружной относительно изделия мелкоячеистой закрытопористой структуры вспенивают часть того же соединения, сохранившуюся под разрушающейся или разрушенной закрытопористой структурой и повторно формируют мелкоячеистую закрытопористую структуру, образованную неорганическим компонентом сохранившейся части соединения.
Указанное химическое соединение со средством вспенивания может быть нанесено на неметаллическую ленту, намотанную на изолируемое изделие двумя или более слоями. При повышении температуры окружающей среды или наружного потока до величины, превышающей температуру плавления соединения, его слои на ленте вспенивают поочередно.
Покрытие может быть выполнено на основе соединения органического вещества с кремнием. В частности, покрытие может быть выполнено на основе радиационно вулканизированного диметилсилоксанового каучука, а средство его вспенивания - на основе полифосфата аммония.
Покрытие, включающее в себя смесь химического соединения органического и неорганического веществ, температура плавления которого близка температуре, критической для работоспособности изделия, со средством вспенивания этого соединения при температуре не ниже температуры его плавления.
При повышении температуры окружающей среды или наружного потока до величины, превышающей температуру плавления, в процессе его вспенивания формируют мелкоячеистую закрытопористую структуру, образованную неорганическим компонентом соединения, с соответствующим увеличением толщины покрытия, осуществляют теплоизоляцию изделия мелкоячеистой закрытопористой структурой неорганического соединения до ее разрушения под собственным весом или вследствие внешнего воздействия после сгорания или испарения органических компонентов соединения.
Поверхность изделия покрывают двумя или более слоями соединения со средствами его вспенивания. При повышении температуры окружающей среды или наружного потока до величины, превышающей температуру плавления соединения, его слои вспенивают поочередно.
1. Способ теплоизоляции длинномерных изделий, включающий формирование на поверхности защищаемого изделия вспененного пористого покрытия путем взаимодействия предварительно смешанных в исходном состоянии наполнителя и вспенивателя, отличающийся тем, что для повышения эффективности защиты при аварийных теплопритоках с предельными температурами, вспенивание наружного слоя покрытия осуществляют в процессе эксплуатации защищаемого изделия под действием аварийного теплового потока с температурой выше 400°С, при этом при размягчении наружного слоя покрытия, переходе его в жидкое состояние и срабатывании вспенивателя непрерывно формируют закрыто-пористую мелкоячеистую структуру - пенококс с равномерным увеличением толщины изделия.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что уменьшают скорость нагрева защищаемого изделия за счет ограничения теплового потока к нему от вспененного покрытия путем увеличения термического сопротивления пенококса.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что уменьшают скорость нагрева защищаемого длинномерного изделия за счет понижения температуры на наружной поверхности изделия, для чего осуществляют газификацию с этой поверхности низкокипящего состава.
4. Устройство для тепловой изоляции изделия, содержащее теплоизоляционное покрытие, нанесенное на внешнюю поверхность изделия обмоткой теплоизоляционной лентой, отличающееся тем, что на электрожгуты и трубчатые детали теплозащитное покрытие нанесено в виде самослипающейся ленты из эластичного материала, представляющего собой силоксановый каучук, и вспенивающейся системы, лента сформирована в виде полосы толщиной 1±0,1 мм, шириной 25±2 мм и длиной 10 м, причем лента нанесена на длинномерное изделие в 2-3 слоя.
