Laboratorium do „męczenia” rur

W Laboratorium Badawczym należącym do Veolii Energii Warszawa jest jak w gabinecie alchemika skrzyżowanym z izbą tortur i nowoczesną kuchnią…  

Artykuł jest elementem płatnej współpracy z firmą Veolia Energia Warszawa

Inżynierowie bezpardonowo obchodzą się tam z różnymi materiałami: ogrzewają je, zgniatają, rozciągają, zasypują piachem, kąpią w gorącej wodzie czy detergentach – robią to, żeby sprawdzić, ile są w stanie wytrzymać. Badają też wodę, która powinna mieć specjalne parametry. A wszystko po to, żeby rurociągi, które doprowadzają ciepło do warszawskich domów, były bardziej niezawodne. Także po to, by testować inne materiały wymagające szczególnej wytrzymałości, np. ochraniacze sportowe. 

Witamy w świecie wyrafinowanych pras, wanien, akwariów i piaskownic! 

– Dzięki naszym badaniom prowadzonym tu, na górze, sprawiamy, że tam, na dole, rury mogą działać dużo dłużej – mówi Iwona Mazurkiewicz kierująca Działem Badań Materiałowych (czyli Laboratorium Badawczym) w Veolia Energia Warszawa. 

Woda wodzie nierówna

Zacznijmy od wody, bo to ona jest nośnikiem ciepła, które dociera do grzejników w warszawskich domach.

Woda w sieci ciepłowniczej powinna mieć konkretne określone parametry, żeby nie powodowała powstawania osadów i korozji rur. Musi więc mieć bardzo niską twardość i przewodność elektrolityczną. Ponadto trzeba ją specjalnie przygotować, czyli odtlenić, pozbawić większości rozpuszczonych soli i skorygować chemicznie, aby miała odpowiednie pH i nie zawierała substancji, które mogłyby działać agresywnie na stal. 

W ogóle sieć ciepłownicza to skomplikowany system, który skrywa naprawdę sporo niespodzianek. Czy wiedzieliście, że krążąca w niej woda jest czasem zabarwiana barwnikiem spożywczym, fluoresceiną, która daje jej zielonkawe zabarwienie? Fluoresceina jest substancją, która ma zdolność pochłaniania światła widzialnego, które następnie emituje w postaci charakterystycznego świecenia w kolorze zielonym. W świetle ultrafioletowym to zielone świecenie jest jeszcze bardziej intensywne nawet przy małych stężeniach.  

Sprawdzając, czy woda zawiera ten barwnik, można ustalić, czy ciecz, która wybija np. spod chodnika podczas awarii, pochodzi z rur ciepłowniczych, czy też z tych, które doprowadzają bieżącą wodę do naszych mieszkań. Sprytne, prawda?

Fluoresceina jest barwnikiem nieszkodliwym dla ludzi i środowiska, który z biegiem czasu się rozkłada, trzeba go więc od czasu do czasu uzupełniać. Jeśli od ostatniego uzupełnienia barwnika minęło już dużo czasu, to w laboratorium Veolii również można sprawdzić, czy dawniej tam był. Aby to ustalić, przepuszcza się wiązkę światła przez badaną próbkę i bada za pomocą spektrofotometru, ile tego światła zostało zaabsorbowane przez wodę.

Tropem mikroorganizmów

Zdolność świecenia posiada również fitoplankton (czyli mikroskopijne organizmy roślinne żyjące w wodach naturalnych). Dlaczego o tym wspominam? Kilka lat temu głośno było o jeziorku, którego woda zabarwiła się na zielono, a okoliczni mieszkańcy sądzili, że stało się tak dlatego, iż zostało zanieczyszczone wyciekiem z sieci ciepłowniczej. Fitoplankton, tak jak fluoresceina, pochłania światło widzialne, a następnie emituje energię w postaci zielonego świecenia. Podczas badań w świetle UV okazało się jednak, że próbka wody pobrana z jeziorka przyjęła barwę malinowoczerwoną, co udowodniło, że zielone zabarwienie nie było spowodowane zanieczyszczeniem wodą sieciową z rur przesyłających ciepło do domów, tylko właśnie naturalnie narastającym w jeziorku fitoplanktonem. 

To wszystko można sprawdzić właśnie w laboratorium Veolii w Warszawie. Badania zawartości różnych substancji w wodzie wykonuje się m.in. poprzez miareczkowanie, czyli poddawanie wody działaniu określonych roztworów i sprawdzanie subtelnych zmian jej zabarwienia. Aby to zaobserwować, trzeba dobrze widzieć kolory i mieć duże doświadczenie. Przed tymi specjalistkami jakość wody nie ma żadnych tajemnic!

Rozciąganie i ściskanie

Aby sieć ciepłownicza działała sprawnie, musi być zbudowana z wytrzymałych rur. Muszą być odporne na naciski gruntu, rozciąganie pod wpływem płynącego przez nie gorąca – woda ma tam temperaturę nawet ponad 120 st. C! – i dobrze izolować od otoczenia, żeby nie uciekało z nich ciepło. 

Stalowe rury wykorzystywane we współczesnej sieci doprowadzającej ciepło do mieszkań są pokryte pianką poliuretanową o właściwościach termoizolacyjnych. Dodatkowo z wierzchu chronione są płaszczem polietylenowym, czyli wytrzymałą powłoką. Razem nosi to nazwę rur preizolowanych. Dawniej dla sieci ciepłowniczej budowało się specjalne murowane kanały, teraz nowoczesne rury są bezpośrednio zasypywane piaskiem i ziemią.

Pianka pozwala odizolować rurę od zewnętrznych czynników i zatrzymać więcej ciepła, które krąży w sieci. Podlega sporym naciskom pod wpływem naprężeń gruntu, dlatego w laboratorium bada się, jaką ma wytrzymałość przy ściśnięciu o 10 proc., co odpowiada warunkom, jakie panują w terenie. Robi się to za pomocą maszyny wytrzymałościowej, która służy do “męczenia” różnych materiałów. 

Maszyny tej używa się też do badania mat kompensacyjnych, czyli takich, które chronią załamania czy też zakręty rurociągu przed zbyt dużym naciskiem na grunt. A nacisk ten pojawia się dlatego, że rury pracują w wysokiej temperaturze, dlatego podlegają rozszerzalności cieplnej. Badanie chroniącej je maty polega na powolnym jej sprężaniu – odbywa się ono z prędkością 1 mm na minutę.

Możliwości badawcze laboratorium okazały się na tyle szerokie, że pozwoliły też na badania innych obiektów, np. ochraniaczy stosowanych w sportach walki. Muszą być one testowane pod kątem ich zdolności amortyzowania np. uderzeń przeciwnika w walce. Wypełnienie ochraniaczy głowy, rękawic bokserskich czy nagolenników inżynierowie poddają naciskom od 40 do 75 proc., sprawdzając, ile są w stanie wytrzymać.

Tortury rury 

Wracając do rur ciepłowniczych. Jak wspomniałam, z wierzchu są one chronione wytrzymałym płaszczem polietylenowym. Badania tego materiału polegają na sprawdzeniu, jak silnie można go rozciągnąć, zanim pęknie. 

Wszystkie te działania są monitorowane z poziomu komputera. Ze ściskania materiału można uzyskać około pięciu różnych badań, a z rozciągania – koło trzech. Te dane informują inżynierów o jakości badanych obiektów.

Inżynierowie starają się też w laboratorium dość wiernie odtworzyć warunki, w jakich na co dzień pracują rury ciepłownicze. W specjalnej wannie z roztworem detergentu i w temperaturze 80 st. C sprawdzają wytrzymałość płaszcza polietylenowego, czyli powłoki, którą pokryte są rury preizolowane. Jest ona nie tylko ogrzewana i degradowana, ale też poddawana obciążeniu o wartości 4 newtonów na 1 mm kw. – takiemu, jakie odpowiada naciskom gruntu na rurociąg. Niekiedy też powłoka jest celowo kaleczona ostrym narzędziem. Takie „męczenie” w gorącej kąpieli trwa przez co najmniej 300 godzin i fachowo nazywa się badaniem korozji naprężeniowej. 

W akwarium i piaskownicy

Oprócz wanny w laboratorium badawczym Veolii znajduje się też… akwarium. To urządzenie, w którym bada się chłonność pianki poliuretanowej – tej, którą pokrywane są rury. Pianki moczą się tam, przykładowo, przez 24 godziny lub 168 godzin. W ten sposób inżynierowie sprawdzają, ile wody chłonie w tym czasie pianka i jak zmieni swoje wymiary. 

Rury “męczone” są też w urządzeniu, które w dużym uproszczeniu można nazwać piaskownicą. W piaskownicy bada się szczelność złącza preizolowanego, czyli połączenia dwóch rur, które izoluje się specjalną mufą z polietylenu i pianką poliuretanową. Badane złącze wkłada się do skrzyni, zasypuje piaskiem i dodatkowo obciąża się trzema płytami stalowymi o wadze ponad 1 tony. Następnie włącza się w maszynie cykl polegający na przesuwaniu pod tym obciążeniem próbki materiału w tę i z powrotem. Sto cykli takiego ruchu posuwisto-zwrotnego ze skokiem o 75 mm oraz dodatkowo ogrzewaniem do 120 st. C symuluje 30 lat pracy rurociągu w terenie. Potem złącza są wyciągane z tej brutalnej “piaskownicy” i moczone przez 24 godziny w wodzie z fluoresceiną. Następnie są suszone i rozcinane. A finalnie specjaliści sprawdzają pod lampą ze światłem ultrafioletowym, czy woda z fluoresceiną zdołała przeniknąć do pianki otulającej rurę przez nieszczelności powstałe podczas obciążania. Jak widzicie, również tutaj przydaje się ten zielonkawy barwnik!

W piekarniku i pod mikroskopem

Do laboratorium Veolii przyjeżdżają zupełnie nowe rury, prosto z fabryki. Ale część badań wymaga ich postarzenia – po to, żeby określić ich charakterystykę po upływie jakiegoś czasu. Dlatego umieszcza się je na wiele godzin w specjalnym “piekarniku”, w którym panuje temperatura 90 st. C. Po 150 dniach takiego wygrzewania rury zostają postarzone o 30 lat. Pianka poddana temu procesowi ulega degradacji i często żółknie.

Ale na tym nie koniec przykrych doświadczeń, jakie są przeprowadzane na rurach w laboratorium Veolii. Inżynierowie sprawdzają, czy pod sporym naciskiem mechanicznym rura stalowa nie zostanie przypadkiem wypchnięta ze swojej otuliny. 

Na innym stanowisku z kolei nakładają na rury aparaturę pomiarową podłączoną do komputera i sprawdzają z jej pomocą parametry przewodzenia ciepła. 

Podobne badania prowadzą również np. na piankach poliuretanowych wykorzystywanych m.in. do termoizolacji rur. Tu opór cieplny zależy od wielkości komórek, znajdującego się w nich gazu i właściwości materiału, z którego ta pianka powstała. Na tym badania pianek się nie kończą – zapewne pamiętacie, że można je również bezlitośnie ściskać? Inżynierowie oglądają je również pod mikroskopem, aby sprawdzić, czy wypełnione gazem komórki w ich obrębie mają prawidłową wielkość. Ważnym parametrem jest też udział komórek zamkniętych w danej piance, od czego zależy jej współczynnik przewodzenia ciepła.

Jeśli pianka ma co najmniej 88-procentowy udział komórek zamkniętych, to spełnia normy obowiązujące w sieci ciepłowniczej.

Podsumowując. W laboratorium można badać różne typy materiałów, które powinny być odporne na nacisk, rozciąganie, otarcia, wysokie temperatury i czynniki zewnętrzne. Badania nie muszą ograniczać się do rur czy pianek termoizolacyjnych, ale mogą dotyczyć też innych materiałów, również tych nieużywanych w sieci ciepłowniczej. Co ciekawe, większość pracujących tu urządzeń to stanowiska autorskie, czyli samodzielnie skonstruowane przez pomysłowych inżynierów Veolii. Wygląda na to, że ich kreatywność została tu dobrze zagospodarowana.

Do korekty niektórych zdjęć użytych w artykule wykorzystaliśmy system AI