1 стр. из 1

Россия является страной с самым высоким уровнем централизованного теплоснабжения (до 80%). Страну пронизывают около 260 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, выполненная по конструкции 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 2 171 млн. Гкал в год, что примерно соответствует годовому теплопотреблению всех стран Западной Европы и почти в 10 раз превышает теплопотребление, обес-печиваемое системами централизованного теплоснабжения и 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 техническое 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 а 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. Еще в 60-х гг. в СССР 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 из-за ограниченности объемов производства и дороговизны используемых полимерных материалов.

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 статье рассмотрены основные положения новой технологии.

Применяемые теплоизоляционные материалы должны обладать высокими теплоизоляционными свойствами (коэффициент теплопроводности материала не должен превышать 0,06 Вт/(м•0С)), долговечностью (стойкостью к действию воды, химической и биологической агрессии), морозостойкостью и механической прочностью, пожаробезопасностью 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.

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 2 раза (удельная повреждаемость снижается в 10 раз);
 - снижение капитальных затрат в строительстве в 2–3 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.

Для изготовления изолированных труб используют стальные трубы наружными диаметрами 57–1020 мм, длиной до 12 м, соответствующие ГОСТ 550, ГОСТ 8731, ГОСТ 8733, ГОСТ 10705, ГОСТ 20295, требованиям действующих нормативныхдокументов 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 17375, ГОСТ 17376 и ГОСТ 17378.

Главная причина широкого применения стальных труб объясняется их сравнительно низкой стоимостью, легкостью обработки в сочетании с высокой прочностью, а также возможностью использования традиционной сварки в качестве метода соединения труб.

Чтобы избежать коррозии труб, необходимо использовать обработанную воду. Обработке веды зависит от местных условий, но рекомендуется соблюдать следующие требования:
 - рН=9,5–10;
 - отсутствие свободного кислорода;
 - общее содержание солей  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.

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; ООО «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 30732-2001 «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 стальные изделия 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 полиуретаневой 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 взрывоопасности 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 до1,6 МПа и температурой до 130 0С (допускается кратковременное повышение температуры до 150 0С).

С целью обеспечения максимальной эффективности (стоимость изоляции/тепловые потери) устанавливаются определенные диаметры наружной изоляции (ее толщина) трубопроводов 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.

Примечание. Предельное отклонение учитывает возможность увеличения наружного диаметра полиэтиленовой оболочки после заливки пенополиуретана до 2% от номинального диаметра.

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.

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, некоторые компании сопровождают свою продукции 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 аналогично изоляции труб, однако вместо полиэтиленовой оболочки используются полученные из нее раскроем детали 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.

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.

Тепловую изоляцию наносят на всю длину стальных труб и фасонных изделий за исключением концевых участков, равных 1500—20 мм при диаметре труб до 219 мм и 2100—20 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 0С.

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 час 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).

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 поли-этиленовой оболочки. Другие критические факторы включают изменения прочностных характеристик вышеназванных 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.

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 0С. В системе, где температура менее 95 0С, срок службы практически может быть неограниченным. На протяжении испытаний температура подаваемой воды варьировалась в диапазоне 100–115 0С, а температура 115 0С поддерживалась на протяжении трех самых холодных зимних месяцев. Если предположить, что максимальная температура подаваемой воды будет 110 0С на оставшийся срок до конца года, то система будет иметь общий срок службы 75 лет, а 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 30732, 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 притяжении 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 0С на протяжении длительного периода предел прочности на сжатие пенополиуретана с плотностью 75 кг/куб. м падает до нуля на протяжении приблизительно 15 месяцев. При температуре, превышающей 125 0С, 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 табл. 6 и 7 дают наглядное представление об экономической эффективности применения различных видов теплоизоляции. Из приведенных таблиц видны преимущества ППУ изоляции, которые подтверждены многолетним опытом эксплуатации тепловых сетей в России и зарубежных странах.

Табл. 6. Стоимость прокладки 1 км двухтрубной теплотрассы

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

Проектирование тепловых сетей осуществляется на основании действующих норм с использованием «Типовых решений прокладки трубопроводов в ППУ изоляции», «Технологических карт для строителей», разработанных во ВНИПИЭНЕРГОПРОМе, 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 отказаться от дренажа или перейти к его облегченным типам.

Новая нормативная документация:
1. Межгосударственный стандарт ГОСТ 30732-2001 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке. Технических условия». Центр проектной продукции в строительстве (ГУП ЦПП).
2. Нормы расчета на прочность трубопроводов тепловых сетей, РД 10-400-01 Серия 10. Выпуск 6. Госгортехнадзор НТЦ «Промышленная безопасность».
3. Изменение № 2 к СНиП 2.04.07-86* «Тепловые сети». Новое переиздание СНиП 2.04.07-86*.

Полная или частичная перепечатка материалов - только разрешения администрации!