Kable wysokiego napięcia, złącza sieci ciepłowniczych, systemy magazynowania energii w akumulatorach, zbiorniki na wodór, inteligentne sieci – infrastruktura energetyczna jest zróżnicowana i złożona. Wszystkie te elementy mają jedną wspólną cechę: muszą poradzić sobie nawet w ekstremalnych warunkach. Kluczową rolę odgrywają tu tworzywa sztuczne sieciowane promieniowaniem. Nie ma znaczenia, czy chodzi o systemy kabli i przewodów, rury w sieciach ciepłowniczych, obudowy i elementy łączące w systemach magazynowania energii w akumulatorach, czy też o elementy stosowane w instalacjach wodorowych i elektrolizerach: dzięki doskonałej odporności na wysokie temperatury, chemikalia i trwałości elementy sieciowane promieniowaniem zapewniają znaczące korzyści.
Poprawa właściwości elementów z tworzyw sztucznych poprzez sieciowanie promieniowaniem
Promieniowanie elektronowe o wysokiej energii, o działaniu jonizującym, może być wykorzystywane do selektywnego wzmacniania elementów z tworzyw sztucznych, jak kable, rury, złączki i tuleje. Powstała w ten sposób struktura sieciowa zapewnia znacznie lepszą odporność na pękanie termiczne i naprężeniowe, a także zwiększoną odporność chemiczną na agresywne media. Właściwości te w znacznym stopniu przyczyniają się do bezpieczeństwa eksploatacji i zwiększają trwałość w trudnych warunkach. Szczególnie ważna jest lepsza odporność na pełzanie w podwyższonych temperaturach i ciśnieniach wewnętrznych. Ponadto sieciowanie promieniowaniem może służyć do regulacji właściwości odzyskiwania (efekt pamięci) – na przykład w tulejach termokurczliwych stosowanych w sieciach ciepłowniczych.
Do napromieniowania zazwyczaj wykorzystuje się promienie beta z akceleratorów elektronów o maksymalnej energii 10 megaelektronowoltów (MeV). Podczas sieciowania element przepuszcza się pod wiązką elektronów w akceleratorze elektronowym. W rezultacie uzyskuje się materiał o jednorodnej strukturze sieciowej. Wynik: znacznie lepsza odporność termiczna, odporność chemiczna, lepsza odporność na pełzanie oraz zwiększona odporność na ścieranie – co zapewnia trwałe wydłużenie okresu eksploatacji w najbardziej wymagających warunkach. Sieciowanie promieniowaniem to proces, który można precyzyjnie kontrolować. Poprzez dostosowanie dawki promieniowania można precyzyjnie ustawić i odtworzyć pożądane parametry materiału. To sprawia, że ta technologia idealnie nadaje się do produkcji wysokowydajnych i niezawodnych elementów kluczowej infrastruktury energetycznej.
Podsumowanie ulepszonych właściwości tworzyw sztucznych sieciowanych promieniowaniem
Aby zapewnić zgodność z niezbędnymi wymaganiami, elementy z tworzyw sztucznych stosowane w infrastrukturze energetycznej są od dziesięcioleci optymalizowane poprzez sieciowanie promieniowaniem. Szczególne znaczenie ma doskonała odporność na pełzanie – zwłaszcza w przypadku systemów rurociągowych funkcjonujących w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem wewnętrznym. Co do zasady, dzięki sieciowaniu promieniowaniem elementów z tworzyw sztucznych można oczekiwać poprawy czterech ważnych właściwości:
- Sieciowanie tworzyw sztucznych znacznie zmniejsza rozpuszczalność i pęcznienie wywołane przez rozpuszczalniki. Sieciowanie promieniowaniem poprawia również odporność na agresywne media i hydrolizę. Widać to między innymi w zwiększonej odporności na pękanie pod wpływem naprężeń oraz w znacznym zmniejszeniu spadku wytrzymałości po styczności z rozpuszczalnikami.
- Zwiększona odporność termiczna oraz znacznie lepsze właściwości mechaniczne w podwyższonych temperaturach. Ma to znaczenie w przypadku kabli wysokiego napięcia, złączy sieci ciepłowniczych oraz elementów stosowanych podczas elektrolizy.
- Można również oczekiwać znacznie wolniejszego tworzenia się pęknięć pod wpływem zewnętrznych obciążeń punktowych.
- Dodatkową zaletą rur i innych elastycznych elementów sieciowanych promieniowaniem jest ich lepsza plastyczność, co ułatwia montaż – szczególnie przy małych promieniach gięcia – oraz zmniejsza naprężenia mechaniczne po zamontowaniu.
Sieciowanie wiązką elektronów elementów z tworzyw sztucznych w infrastrukturze energetycznej
Sieciowanie promieniowaniem przeprowadza się po wytłaczaniu lub formowaniu przy użyciu szybkich elektronów o wysokiej energii. Sieciowanie gwarantuje, że nie występują typowe wady tworzyw termoplastycznych niesieciowanych – w szczególności gwałtowny spadek właściwości w wysokich temperaturach i pod ciśnieniem.
Nawet wielowarstwowe systemy kompozytowe, takie jak te stosowane w rurach preizolowanych, mogą być sieciowane promieniowaniem w jednym etapie procesu. Promieniowanie przenika przez elementy metalowe, co prowadzi do znacznej poprawy wytrzymałości kompozytu – czynnika niezbędnego do zapewnienia trwałości i niezawodności podczas pracy.
W przeciwieństwie do tworzyw sztucznych sieciowanych chemicznie (PE-Xa i PE-Xb) w elementach sieciowanych promieniowaniem (PE-Xc) nie ma ryzyka obecności pozostałości substancji chemicznych stosowanych do sieciowania. Ponadto, w porównaniu z procesami sieciowania chemicznego, fizyczne sieciowanie promieniowaniem zapewnia najwyższą jakość procesu oraz znacznie szybszą produkcję – co stanowi zaletę w przemysłowej produkcji wysokowydajnych elementów systemów energetycznych.
Porównanie techniczne sieciowania nadtlenkowego, silanowego i promieniowaniem można znaleźć w artykule na stronie internetowej BGS.
Efekt pamięci produktów termokurczliwych
Szczególna zaleta sieciowania promieniowaniem jest widoczna w przypadku produktów termokurczliwych: materiały półkrystaliczne zyskują pamięć kształtu (efekt pamięci) dzięki sieciowaniu określonych miejsc. Pamięć kształtu wynika z faktu, że sieciowanie promieniowaniem zachodzi głównie w obszarach amorficznych, gdzie sieciowane są splątane, długołańcuchowe cząsteczki PE. Jeśli produkt usieciowany w ten sposób zostanie rozciągnięty w stanie gorącym, jego kształt można tymczasowo „zamrozić”, schładzając go poniżej temperatury topnienia krystalitów. Po ponownym ogrzaniu produktu powyżej temperatury topnienia krystalitów w miejscu użytkowania, produkt odzyskuje swój pierwotny kształt z momentu sieciowania. Efekt ten jest szczególnie cenny w takich zastosowaniach, jak tuleje termokurczliwe w sieciach ciepłowniczych lub systemy ochrony antykorozyjnej rurociągów metalowych: tuleję nakłada się na złącze na zimno, a następnie poddaje się działaniu ciepła, co zapewnia trwałe uszczelnienie połączenia dzięki stabilnemu wymiarowo i szczelnemu dopasowaniu.
Zastosowania tworzyw sztucznych sieciowanych promieniowaniem w infrastrukturze energetycznej
Infrastruktura ciepłownicza z komponentami usieciowanymi promieniowaniem. Obraz: Istock/Sergii Zhmurchak
Tworzywa sztuczne sieciowane promieniowaniem znajdują zastosowanie w różnych obszarach infrastruktury energetycznej:
1. Systemy kablowe i liniowe
Izolacje i powłoka kabli wysokiego i średniego napięcia są często sieciowane promieniowaniem. Wśród zalet można wymienić wyższą odporność na temperaturę, mniejsze ryzyko pożaru oraz dłuższą żywotność. Właściwości te mają szczególne znaczenie w inteligentnych sieciach energetycznych oraz przy podłączaniu odnawialnych źródeł energii. Rury termokurczliwe i złącza zapewniające odporne na warunki atmosferyczne, szczelne i wytrzymałe mechanicznie połączenia w sieciach dystrybucji energii i sieciach komunikacyjnych również zyskują dzięki sieciowaniu promieniowaniem, które umożliwia produkcję materiałów termokurczliwych.
2. Fotowoltaika i energia wiatrowa
Materiały sieciowane promieniowaniem stosowane w obudowach modułów, złączach i kablach zwiększają odporność na promieniowanie UV, czynniki atmosferyczne i obciążenia mechaniczne. Właściwości te są szczególnie ważne dla trwałości i bezpieczeństwa eksploatacji w morskich farmach wiatrowych lub wysokogórskich instalacjach fotowoltaicznych.
3. Ciepłownictwo
Produkty termokurczliwe do wstępnie izolowanych systemów ogrzewania są zaprojektowane z myślą o okresie użytkowania przekraczającym 50 lat i zazwyczaj montowane są pod ziemią. W tym przypadku stosuje się tuleje i złącza termokurczliwe sieciowane promieniowaniem, które dzięki wspomnianemu wcześniej efektowi pamięci zapewniają trwałe i szczelne połączenie między odcinkami rur. Siła obkurczania utrzymuje się nawet w przypadku przegrzania, co zapewnia niezawodność przez dziesiątki lat. W miarę rozbudowy infrastruktury ciepłowniczej w celu ograniczenia emisji CO2, popyt na te elementy stale rośnie.
4. Magazynowanie energii w akumulatorach
W przypadku stacjonarnego magazynowania energii w sieciach energetycznych i systemach zdecentralizowanych sprawdzonym rozwiązaniem są tworzywa sztuczne sieciowane promieniowaniem. Technologia ta znajduje tu zastosowanie przede wszystkim w kablach wysokiego napięcia, które muszą spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące ognioodporności i odporności termicznej. Sieciowanie promieniowaniem umożliwia produkcję tworzyw sztucznych o właściwościach ognioodpornych i samogasnących, które zachowują swoje właściwości bezpieczeństwa nawet pod wpływem obciążeń mechanicznych i termicznych. To sprawia, że ta technologia jest podstawą niezawodnych i trwałych systemów magazynowania energii.
5. Wodór/elektroliza
Półprzewodniki mocy oraz samoregulujące się kable grzewcze są wykorzystywane w infrastrukturze wodorowej, w tym w instalacjach do elektrolizy. Oba elementy są w stanie sprostać tym ekstremalnym wymaganiom wyłącznie dzięki napromieniowaniu wiązką elektronów. Półprzewodniki mocy przekazują dużą moc podczas procesu elektrolizy, a kable grzewcze zapewniają, aby np. betonowe fundamenty nie ulegały ciągłej kondensacji ani zawilgoceniu podczas kriogenicznego magazynowania wodoru.
Elementy sieciowane promieniowaniem w łańcuchu dostaw
W przypadku elementów z tworzyw sztucznych sieciowanie promieniowaniem odbywa się jako ostatni etap po formowaniu, podczas transportu do użytkownika końcowego. Zaletą obróbki promieniowaniem jonizującym jest możliwość natychmiastowego użytkowania lub dalszej obróbki produktów po przeprowadzeniu prostej procedury dopuszczenia do użytku.
Promieniowaniem zajmują się zazwyczaj wyspecjalizowane firmy usługowe, ponieważ obsługa i instalacja takich urządzeń jest skomplikowana. Na przykład operatorzy akceleratorów elektronów muszą przestrzegać wysokich standardów bezpieczeństwa konstrukcyjnego oraz stosować rozbudowane systemy monitorowania. Zewnętrzni usługodawcy oferują zdecydowaną przewagę, która jest szczególnie widoczna w produkcji masowej. Dzięki wykorzystaniu mocy produkcyjnych i specjalistycznej wiedzy ich procesy są wysoce zautomatyzowane, co gwarantuje odpowiednią szybkość i wysoki standard wykonania.
Przejście produktu przez urządzenie napromieniowujące w zakładzie zajmuje zaledwie kilka sekund. Po napromieniowaniu przeprowadzana jest kontrola dopuszczenia do użytku z wykorzystaniem kodu kreskowego i danych systemowych. W zależności od produktu i konkretnego zastosowania można ponadto przeprowadzić badania materiałowe – po ich zakończeniu produkt jest gotowy do natychmiastowego użycia. W idealnym przypadku usługodawca rejestruje i dokumentuje każde zlecenie, od przyjęcia towaru, przez proces napromieniowania, aż po dostawę, co zapewnia możliwość pełnej identyfikacji.
Zrównoważona infrastruktura energetyczna dzięki tworzywom sztucznym sieciowanym promieniowaniem
W trosce o ochronę środowiska w przyszłości należy spodziewać się zaostrzenia przepisów dotyczących tworzyw sztucznych. Szczególną uwagę zwraca się zatem na zrównoważony rozwój i możliwość recyklingu. Elementy z tworzyw sztucznych sieciowanych promieniowaniem charakteryzują się wyjątkową trwałością, dzięki czemu mogą być użytkowane przez bardzo długi okres – ponad 30 lat. Pod koniec okresu eksploatacji istnieją trzy możliwości recyklingu: odzysk materiałowy (fizyczny), odzysk surowcowy (chemiczny) lub odzysk energii (termiczny). W ramach recyklingu materiałowego z surowców wtórnych wytwarza się nowe elementy z tworzyw sztucznych. Jeśli recykling materiałowy nie jest możliwy lub nie jest praktyczny, elementy sieciowane promieniowaniem można z łatwością poddać odzyskowi surowcowemu lub energetycznemu.
W ramach wspólnego, wieloetapowego projektu badawczego (który został zakończony do końca 2023 r.), w którym uczestniczą firmy BGS Beta-Gamma-Service i Nylon Polymers oraz Uniwersytet w Aalen i Politechnika Berlińska, zostały opracowane nowe metody recyklingu materiałów z sieciowanych promieniowaniem poliamidów PA 6 i PA 66. Analizy termiczne i mechaniczne wykazały, że po ponownym napromieniowaniu właściwości otrzymanych produktów pozostają na tym samym poziomie, a nawet ulegają znacznej poprawie w porównaniu z materiałami niepoddanymi napromieniowaniu. Dzięki temu możliwe jest również osiągnięcie oszczędności sięgających nawet 15 procent w zakresie kosztów materiałów. Recykling zmniejsza również zapotrzebowanie na surowce pierwotne, co ma bezpośredni wpływ na ślad węglowy.
Oprócz możliwości recyklingu elementy z tworzyw sztucznych sieciowanych promieniowaniem wyróżniają się szczególnie podczas długotrwałego użytkowania: zapewniają wysoki poziom bezpieczeństwa, wyjątkowo długi okres użytkowania oraz są niezwykle odporne na ciśnienie, temperaturę i czynniki chemiczne. Dzięki niezawodnemu działaniu w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych oraz wszechstronnym zastosowaniom stanowią praktyczne i korzystne cenowo rozwiązanie dla infrastruktury energetycznej.
Więcej informacji na temat odpowiednich materiałów i zastosowań dostępnych jest na stronie internetowej BGS sieciowania promieniowaniem.
