Предварительно изолированные трубопроводы для систем централизованного теплоснабжения

Предварительно изолированные трубопроводы для систем централизованного теплоснабжения

к.т.н. В. Е. Бухин, старший научный сотрудник, НПО «Стройполимер» .

Россия является страной с высоким уровнем централизованного теплоснабжения (до 80%). Страну пронизывают около 280 тыс. км тепловых сетей (в двухтрубном исчислении) с диаметрами труб от 57 до 1400 мм, десятую часть которых составляют магистральные, остальные — распределительные теплосети.

Преобладающим способом прокладки тепловых сетей в Российской Федерации является прокладка в непроходных каналах с минераловатной теплоизоляцией (80%). Бесканальная прокладка, выполняемая из конструкций заводского изготовления с использованием изоляции из армопенобетона и битумосодержащих масс (битумоперлит, битумовермикулит, битумокерамзит), составляет 10% общей протяженности тепловых сетей.

Из-за увлажнения применяемых материалов в процессе эксплуатации теплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций резко снижаются, что приводит к потерям тепла, в 2−3 раза превышающим нормативные.

Общие потери тепла в системах централизованного теплоснабжения составляют около 20% от отпускаемого тепла (78 млн т условного топлива в год), что в 2 раза превышает аналогичный показатель передовых стран Западной Европы.

Системы централизованного теплоснабжения в Российской Федерации обеспечивают в настоящее время теплопотребление в объеме 2171 млн Гкал в год, что примерно соответствует годовому теплопотреблению всех стран Западной Европы и почти в 10 раз превышает теплопотребление, обеспечиваемое системами централизованного теплоснабжения в этих странах. Являясь пионером в области централизованного теплоснабжения и обладая самой крупной в мире системой тепловых сетей, Россия существенно отстала от передовых зарубежных стран в техническом уровне — в использовании современных материалов и технологий при прокладке теплопроводов.

Около 90% экономии топлива, полученной за счет комбинированных методов выработки тепла, «теряется» в тепловых сетях. Долговечность тепловых сетей в 1,5−2 раза ниже, чем за рубежом, и не превышает 12−15 лет. Не лучше обстоят дела в системе горячего водоснабжения.

Объемы планового ремонта и реконструкции тепловых сетей по Российской Федерации составляют в настоящее время 10−15% от общей потребности, но из-за экономических проблем фактически выполняется не более 4−6%.

Наиболее эффективным решением поставленных выше проблем является широкое внедрение в практику строительства тепловых сетей трубопроводов с пенополиуретановой теплоизоляцией типа «труба в трубе» .

Эта идея не нова. В газете «Вечерняя Москва» от 10 декабря 1963 г. сообщалось, что институтом «Мосинжпроект» были проведены опытные работы по использованию полиэтиленовых труб и вспененных полимерных материалов для изоляции подземных тепловых сетей. Однако в те годы это направление не получило широкого распространения.

Учитывая расширяющееся применение в России предварительно изолированных труб в системах централизованного теплоснабжения и большой интерес, проявляемый к этой проблеме специалистами проектных, строительных и эксплуатационных организаций, в настоящей статье рассмотрены основные положения новой технологии.

Применяемые теплоизоляционные материалы должны обладать высокими теплоизоляционными свойствами (коэффициент теплопроводности материала не должен превышать 0,06 Вт/(м.°С)) долговечностью (стойкостью к действию воды, химической и биологической агрессии), морозостойкостью, механической прочностью и экологической безопасностью, т. е. быть безопасными для жизни и здоровья людей и окружающей природной среды. Пенополиуретан наиболее полно отвечает этим требованиям.

Пенополиуретановая теплоизоляция обычно наносится на трубы в заводских условиях, а места стыков теплоизолируются на месте строительства, после сварки и испытания трубопровода. Схема трубы с теплоизоляцией из пенополиуретана и защитной оболочкой из полиэтиленовой трубы приведена на рис. 1.

Например, в Западной Европе такие конструкции успешно применяются с середины 60-х годов и нормализованы Европейским стандартом EN 253:1994, а также EN 448, EN 488 и EN 489. Они обеспечивают следующие преимущества перед существующими конструкциями:

• · повышение долговечности (ресурс трубопроводов) в 2−3 раза;
• · снижение тепловых потерь в 2−3 раза;
• · снижение эксплуатационных расходов в 9 раза (удельная повреждаемость снижается в 10 раз);
• · снижение капитальных затрат в строительстве в 1,3 раза;
• · наличие системы оперативного дистанционного контроля за увлажнением теплоизоляции.

Предварительно изолированные трубы успешно используются для строительства:

• · сетей теплоснабжения;
• · систем горячего водоснабжения;
• · технологических трубопроводов;
• · нефтепроводов.

Сами трубы изготавливаются из различных материалов в зависимости от условий эксплуатации. В настоящее время для строительства теплотрасс наиболее широко используются стальные трубы, основные физико-химические показатели которых приведены в табл.1.

Таблица 1. Основные физико-механические показатели стали трубопроводов.

Для изготовления изолированных труб используют стальные трубы наружными диаметрами 57 — 1020 мм, длиной до 12 м, соответствующие ГОСТ 550, ГОСТ 8731, ГОСТ 8733, ГОСТ 10 705, ГОСТ 20 295, требованиям действующих нормативных документов на тепловые сети и «Правилам устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» .

Стальные отводы, тройники, переходы и другие детали должны соответствовать требованиям ГОСТ 17 375, ГОСТ 17 376 и ГОСТ 17 378.

Чтобы избежать коррозии труб, необходимо использовать обработанную воду. Обработка воды зависит от местных условий, но рекомендуется соблюдать следующие требования:

• · рН=9,5−10;
• · отсутствие свободного кислорода;
• · общее содержание солей не более 3000 мг/л.

Стандартная длина труб 6,0−12,0 м, но технология позволяет наносить теплоизоляцию на трубы любой длины и изготовленные из других материалов (см., например, журнал «Трубопроводы и экология» 1997, № 1, с. 5 о трубах из полипропилена PPR с теплоизоляцией для горячего водоснабжения).

В России предварительно изолированные стальные трубы с теплоизоляцией из пенополиуретана и полиэтиленовой гидроизолирующей оболочкой применяются с 1993 г. Выпуск их организован на нескольких предприятиях (ЗАО «МосФлоулайн», Москва; АОЗТ «Корпорация ТВЭЛ» ,. Санкт-Петербург; ОАО НПО «Стройполимер», Москва; ЗАО «Теплоизолстрой», Мытищи; 000 Завод теплоизолированных труб «Александра», Нижний Новгород; ЗАО «Сибпромкомплект», Тюмень и др.), объединенных в Ассоциацию производителей и потребителей трубопроводов с индустриальной полимерной изоляцией.

Технические требования к изолированным трубам и деталям трубопровода нормализованы в ГОСТ 30 732–2001 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке», введенном в действие с 1 июля 2001 г. постановлением Госстроя России от 12.03.2001 № 19.

Стандарт на трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке составлен с учетом следующих европейских стандартов, разработанных Европейским Комитетом по Стандартизации (CEN):

EN 253−1994. Трубопроводы сварные, предварительно изолированные для подземных систем горячего водоснабжения — Система трубопроводов, состоящая из стального магистрального трубопровода с полиуретановой теплоизоляцией и наружной оболочки из полиэтилена;

EN 448−1994. Трубопроводы сварные, предварительно изолированные для подземных систем горячего водоснабжения — Сборная арматура из стальных разводящих труб с полиуретановой теплоизоляцией и наружной оболочкой из полиэтилена.

В новом стандарте, объединившем технические условия российских производителей, значения показателей, касающиеся кажущейся плотности, прочности при сжатии при 10% деформации, теплопроводности, водопоглощения, объемной доли закрытых пор соответствуют указанным в европейских нормах. Кроме того, требования к пенополиуретану с точки зрения требований безопасности и охраны окружающей среды также соответствуют требованиям европейских норм: класс опасности, категория взрывоопасное™ производства, группа горючести пенополиуретана, требования по утилизации отходов, образующихся при производстве труб, их вывозу и захоронению.

Стандарт распространяется на стальные трубы и фасонные изделия с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке (далее — изолированные трубы и изделия), предназначенные для подземной бесканальной прокладки тепловых сетей с расчетными параметрами теплоносителя: рабочим давлением до 1,6 МПа и температурой до 130 °C (допускается кратковременное повышение температуры до 150 °С).

С целью обеспечения максимальной эффективности (стоимость изоляции/тепловые потери) устанавливается определенная толщина тепловой изоляции из пенополиуретана для различных климатических поясов. Поэтому трубы и фасонные изделия могут быть двух типов по толщине изоляции: тип 1 — стандартный, тип 2 — усиленный. Размеры изолированных труб показаны в табл. 2, конструкция — на рис. 1.

Таблица 2. Размеры теплоизолированных труб, мм.

Защитные кожухи обычно изготавливаются в виде тонкостенных труб (оболочек) из полиэтилена высокой плотности. Они предназначены для трубопроводов непосредственно расположенных в земле, обеспечивая их водонепроницаемость и механическую защиту (табл. 3). Для трубопроводов, расположенных над поверхностью земли, применяют защитную оболочку из оцинкованной стали с толщиной цинкового покрытия не менее 70 мкм.

Таблица 3. Размеры полиэтиленовых труб-оболочек, мм.

Размеры фасонных изделий (кроме диаметров стальной трубы и полиэтиленовой трубы-оболочки) являются рекомендуемыми и определяются проектным решением. Проектные решения обычно базируются на рекомендациях заводов-изготовителей. Например, НПО «Стройполимер» сопровождает свою продукцию руководством по проектированию и строительству «Стальные трубопроводы с заводской теплоизоляцией» .

Толщину стенки трубы и фасонных деталей определяют расчетом и округляют ее до рекомендуемых толщин, которые приведены в приложении к стандарту.

Изоляция соединительных деталей трубопровода (отводов, тройников) производится раскроем полиэтиленовой оболочки с последующей их контактной или экструзионной сваркой.

Для изготовления гидроизолирующих труб-оболочек используется полиэтилен высокой плотности марок 273−79, 273−80 и 273−81, классифицируемый как ПЭ 63. Европейские фирмы также используют полиэтилен ПЭ 80, имеющий более высокие показатели по минимальной длительной прочности и стойкости к распространению трещин. Основные характеристики труб-оболочек из полиэтилена приведены в табл. 4.

Таблица 4. Основные характеристики гидроизолирующих труб-оболочек из полиэтилена.

Применяемый для тепловой изоляции жесткий полиуретановый пенопласт изготавливается из высокомолекулярного спирта — полиола и изоцианата. Пенопласт представляет собой однородную массу, имеющую среднюю величину пор 0,5 мм и обладает физико-механическими характеристиками, приведенными в табл. 5.

Таблица 5. Свойства жесткого пенополиуретана в теплоизоляционной конструкции.

Тепловую изоляцию наносят на всю длину стальных труб и фасонных изделий за исключением концевых участков, равных 150 мм при диаметре труб до 219 мм, и 210 мм при диаметре 273 мм и более.

Срок службы тепловой изоляции труб и фасонных изделий должен составлять не менее 25 лет. Пенополиуретан не оказывает вредного влияния на окружающую среду и обеспечивает высококачественную эксплуатацию изоляции при температурах до 130 °C.

Изолирование участков труб со сварными стыками или ремонт изоляции может производиться по одной из указанных схем:

• 1. Установка изолирующих накладок (скорлупы) из жесткого пенополиуретана с дальнейшим нанесением гидроизолирующего материала.
• 2. Установка полиэтиленовых муфт с заливкой в полость муфты пенополиуретана.

Для гидроизоляции стыков широкое применение получили термоусаживающиеся полиэтиленовые оболочки, отличающиеся низкой стоимостью и простотой монтажа.

Для изоляции стыков теплоизолированных труб с защитной оболочкой из оцинкованной стали применяются специальные стальные муфты. Они используются на прямых участках трубопровода, на отводах и ответвлениях для труб с диаметрами внешней оболочки 63−450 мм, а также при горячей врезке, когда ответвление устанавливается без отключения подачи тепла.

Технология установки муфт проста и при этом используется минимум инструментов. Стык состоит из двух частей, которые скрепляются с помощью специальных конусов или винтов. Герметик, расположенный между внешней оболочкой трубы и муфтой, делает стык влагонепроницаемым. Теплоизоляция производится с помощью пенопакетов, которые просты в обращении и дают при заливке точную дозировку и однородность пенополиуретана по всему объему.

Для изоляции и ремонта стыков труб диаметрами 90−1300 мм используются бандажные муфты из полиэтилена с закладной электроспиралью. Бандажные муфты выпускаются трех типов и отличаются способом фиксации на внешней оболочке в процессе сварки.

Маленькие бандажные муфты применяются для труб с диаметрами внешней оболочки 90−200 мм. Бандажные муфты средних размеров применяются для диаметров 225−800 мм. Для внешней оболочки диаметрами 800−1200 мм используются бандажные муфты, состоящие из двух частей. Все муфты поставляются со всеми необходимыми компонентами. Во время сварки муфты малых размеров прижимаются к полиэтиленовой оболочке трубы с помощью механических зажимов, а муфты средних и больших размеров — с помощью пневматических. Во всех случаях процесс сварки производится автоматически и контролируется с помощью специального сварочного компьютера.

Бандажные муфты отвечают самым высоким требованиям прочности и надежности. В 1993 г. была протестирована труба центрального отопления длиной 2,5 м, диаметром 200 мм. Стык с бандажной муфтой успешно прошел испытания, включающие в себя 1000 осевых колебаний в ящике с песком и 600 ч в емкости с водой при повышенном давлении. Этот тест соответствует 30 годам эксплуатации. В настоящее время в мировой практике установлено более 350 000 бандажных муфт. Специальные инструменты и сварка, контролируемая компьютером, гарантируют быструю и надежную установку изоляции стыков. Необходимое для сварки оборудование установлено на автомобильных прицепах и включает генератор, компрессор и компьютеризованный сварочный агрегат.

Описанная система тепловых сетей с полимерной теплоизоляцией предназначена для непосредственной прокладки в грунте. Система является «связанной», т. е. стальная труба, теплоизоляция и внешняя оболочка прочно связаны между собой. Изоляция стыков производится с использованием соединительных деталей, обеспечивающих 100%-ную герметичность.

Такие системы удовлетворяют всем требованиям СНиП по проектированию и строительству тепловых сетей. Для обеспечения оптимальной адгезии между стальной трубой и пеноизоляцией все стальные трубы предварительно подвергаются пескоструйной обработке. Внешняя оболочка изготовлена из полиэтилена высокой плотности, а ее внутренняя поверхность обрабатывается коронным разрядом для получения оптимальной адгезии между полиэтиленом и пеноизоляцией.

Каков предположительный срок службы предварительно изолированных трубопроводов? Этот вопрос является существенным для всех предприятий централизованного теплоснабжения (ЦТ).

В статье «Испытания по определению срока службы предварительно изолированных труб в системах централизованного теплоснабжения», опубликованной в журнале «Трубопроводы и экология», 2000, № 1, рассмотрены результаты исследований и наблюдений, проведенных в Дании на сети магистральных трубопроводов, включающей подающий и обратный трубопроводы длиной 100 км диаметрами 100−800 мм. Испытания проводились с 1987 г.

Срок службы предварительно изолированных труб в системах ЦТ зависит от процесса старения предварительно изолированной трубы, включая возможную коррозию стальной трубы, температурное сопротивление пенополиуретанового изоляционного материала, а также полиэтиленовой оболочки. Другие критические факторы включают изменения прочностных характеристик названных выше материалов на протяжении длительного периода, влияние температур и давления, а также условия деформации в системе трубопроводов.

Коррозия стальной трубы зависит прежде всего от того, насколько система герметично закрыта от проникновения воды извне, поскольку внутренняя коррозия рабочей стальной трубы едва ли может наблюдаться в системах, эксплуатируемых на подготовленной воде. Следовательно, непременным условием является соблюдение герметичности стыков трубы-оболочки. труба теплоизоляция пенополиуретан полиэтилен Полимерные материалы, используемые в предварительно изолированных трубах, диктуют введение ограничений на температурный режим подаваемой воды и таким образом влияют на срок службы труб. Технические воздействия на систему на протяжении всего срока ее службы предъявляют повышенные требования к изоляционному материалу (пенополиуретану), его прочности на сжатие и адгезии (сцеплению) между стальной трубой и гидроизолирующей оболочкой.

Напряжения и деформации зависят от условий эксплуатации, температурных режимов и давления, а также от технологии укладки труб и состояния окружающего грунта. В связи с тем, что именно свойства материала (пенополиуретановая изоляция и полиэтиленовая оболочка) оказывают решающее влияние на срок службы предварительно изолированных труб в системах ЦТ, рассматривались характеристики двух свойств пенополиуретана, а именно: температурное сопротивление и прочность на сжатие.

Температурное сопротивление. В соответствии с требованиями европейского стандарта EN 253 срок службы предварительно изолированных труб должен составлять по меньшей мере 30 лет при условии постоянной эксплуатации системы с температурой 120 °C. В системе, где температура менее 95 °C, срок службы практически может быть неограниченным. На протяжении испытаний температура подаваемой воды варьировалась в диапазоне 100−115 °С, а температура 115 °C поддерживалась на протяжении трех самых холодных зимних месяцев. Если предположить, что максимальная температура подаваемой воды будет 110 °C на оставшийся срок до конца года, то система будет иметь общий срок службы 75 лет, и это соответствует стандарту EN 253. Срок службы 75 лет не означает, что предварительно изолированные трубы на определенном участке трубопровода не нуждаются в ремонте вообще. Это только значит, что пенополиуретановый изоляционный материал, как предполагается, сохранит свои прочностные характеристики на протяжении указанного периода. При проектировании системы ЦТ просчитывается определенное число циклов нагружений — температурные колебания от рабочих температур до температур грунта и обратно до рабочих температур на протяжении 30 лет, что должно использоваться при расчетах усталостных характеристик. (В России срок службы тепловой изоляции из пенополиуретана определяют по ГОСТ Р 30 732, приложение Д — Методика интегральной оценки срока службы пенополиуретановой изоляции тепловых сетей при переменном температурном графике теплоносителя.). Указанное число циклов нагружений остается, хотя пенополиуретановый изоляционный материал сохраняет свои свойства на протяжении более длительного периода. Таким образом, очень важно обеспечить условие, при котором трубы для систем ЦТ при постоянной ежедневной эксплуатации подвергались бы меньшему числу циклов нагружений, чем допускается в соответствии с расчетами, чтобы можно было полностью использовать более высокий срок службы пенополиуретанового изоляционного материала.

Предел прочности на сжатие для пенополиуретанового изоляционного материала ограничен и определяет условия максимального заглубления укладываемых труб и технологию укладки труб для систем ЦТ. Было установлено, что при воздействии температуры 140 °C на протяжении длительного периода предел прочности на сжатие пенополиуретана с плотностью 75 кг/мі падает до нуля на протяжении приблизительно 15 месяцев. При температуре, превышающей 125 °C, предел прочности на сжатие останется таким же, как и у нового пенополиуретана, приблизительно после двух лет эксплуатации. Ограниченный предел прочности на сжатие изоляционного материала диктует ограничения по максимальному заглублению укладываемых труб в системах ЦТ, особенно в случаях, когда требуется изменение направления трассы трубопровода. Для снижения давления грунта при горизонтальном перемещении труб в качестве альтернативы должны использоваться другие меры предосторожности.

Приведенные ниже табл. 6 и 7 дают наглядное представление об экономической эффективности применения различных видов теплоизоляции.

Таблица 6. Стоимость прокладки 1 км двухтрубной теплотрассы.

Таблица 7. Оценка экономической эффективности 1 км двухтрубной теплотрассы в USD.

Из приведенных таблиц видны преимущества ППУ изоляции, которые подтверждены многолетним опытом эксплуатации тепловых сетей в России и зарубежных странах.

Проектирование тепловых сетей осуществляется на основании действующих норм с использованием «Типовых решений прокладки трубопроводов в ППУ изоляции», «Технологических карт для строителей», разработанных в институте ВНИПИЭНЕРГОПРОМ, и методических рекомендаций заводов-изготовителей. Методики проектирования и расчета практически ничем не отличаются от традиционной бесканальной прокладки. Максимально использованы существующие типовые строительные конструкции. Также существует возможность отказа от дренажа или переход к его облегченным типам.