Исследование защитных свойств и особенностей технического текстиля для оборудования и трубопрводов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 691.619.8

Н. В. Шильникова, Т. В. Андрияшина

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ И ОСОБЕННОСТЕЙ ТЕХНИЧЕСКОГО ТЕКСТИЛЯ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРВОДОВ

Ключевые слова: технический текстиль, теплоизоляционные материалы, оборудование, трубопроводы, безопасность.

В статье рассмотрены защитные свойства и характеристики отечественных волокнистых теплоизоляционных материалов для промышленного оборудования. Проведена сравнительная оценка расчетных значений оптимальных расходов технического текстиля для конструкций теплоизоляции трубопроводов, в соответствии с актуализированным нормативом. Показана необходимость комплексного подхода к оценке безопасности волокнистых изоляционных материалов.

Key words: technical textiles, insulation materials, equipment, piping, safety.

In the article the protective properties and the characteristics of domestic fibrous insulating materials for the industrial equipment. The comparative estimation of calculated values of optimal costs of technical textiles for constructions thermal insulation ofpipelines, in accordance with the updated standard. Shows the need for an integrated approach to assessing the safety of fibrous insulating materials.

Применение технического текстиля в различных сферах хозяйственной деятельности в качестве теплоизоляции достигло существенных масштабов, наибольшее его использование отмечается в энергетике, нефтеперерабатывающей, химической, легкой, пищевой, и других отраслях промышленности для защиты и безопасной эксплуатации горизонтальных и вертикальных аппаратов, резервуаров для хранения жидкостей, теплообменников для качественного поддержания соответствующей температуры теплоносителя и др.

Функционирование многочисленных и разнообразных трубопроводов, необходимых составляющих производственного оборудования, в неудовлетворительном техническом состоянии, несоответствии нормативным требованиям, неправильном выборе технического текстиля и проектирования защитных функций становится мощным негативным фактором воздействия на природную и производственную среду.

Актуальной задачей является подбор и применение высокоэффективных видов теплоизоляционных материалов (ТМ) отвечающих комплексу требований, включающих решение вопросов энергосбережения, безопасных условий работы обслуживающего персонала, минимизации вреда для природы. Обеспечение промышленной и экологической безопасности, экономической эффективности и рациональности в использовании теплоизоляции оборудования предполагает анализ и оценку используемого технического текстиля и адекватности его применения в разных условиях.

Трубопроводы используют для транспортирования сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов, пара, воды, топлива, реагентов и других веществ, обеспечивающих ведение технологического процесса и эксплуатацию оборудования. Специфика каждой области применения обусловливает требования к тепловой изоляции: - выбор ТМ, выбор конструкции изоляционного покрова, способ расчета толщины изоляции [1]. Сравнительный анализ общих и теплофизических свойств наиболее широко применяемых теплоизоляций из минеральной ваты, про-

ведены для трех типов трубопроводов, по области их применения, с расчетом оптимальной толщины и экономической составляющей.

При огромной номенклатуре технического текстиля, возникают сложности при выборе материала теплоизоляции, обеспечивающего эффективную функциональную защиту оборудования и трубопроводов. Одной из причин неверного применения материала становится выбор, не основанный на расчетных данных, а в соответствии с указаниями производителей. К тому же, отсутствуют четкие указания по выбору тепловой изоляции в нормативной базе, приведенные рекомендации требуют проработки. Выпускаемые разными производителями материалы, по одним и тем же ГОСТам, часто отличаются по свойствам, осложняя их применение при проектировании теплоизоляционных конструкций. Проведенный анализ технического текстиля, исследований и публикаций [2-9] показал проблемы использования теплоизоляции.

В настоящее время существует различные ТМ с положительными и отрицательными свойствами, причем отечественный рынок значительно заполнен зарубежными видами ТМ по довольно высокой цене. Анализ их технических характеристик показывает, что в нормативно-техническую документацию, регламентирующую нормы проектирования (СНиП, СП, ТСН), могут быть включены материалы прошедшие сертификационные испытания по российским методикам и соответствуют требованиям отечественных стандартов. В них определены показатели, характеризующие физико-технические и эксплуатационные свойства ТМ - теплопроводность, сжимаемость, упругость, плотность, вибростойкость, горючесть, стойкость к агрессивным факторам, биостойкость, толщина изоляции трубопроводов и другие параметры. Основой отечественной промышленности ТМ, является производство теплоизоляций из минеральной ваты. Общий объем потребления теплоизоляции в 2016 году составил около 49 млн. куб.м., причем доля каменной ваты составляет 51% в общем объеме потребления. В

2013-2015 гг. выросла доля волокнистой теплоизоляции.

Сырьем для производства ТМ служат минеральные, композиционные и полимерные материалы. Минеральная, каменная, базальтовая вата, под общим названием «минеральная вата» производится из расплава горных пород. Добавка вспученного перлита к минеральным вяжущим компонентам позволяет получить несгораемые изделия, с высокой жесткостью и хорошими теплофизическими свойствами. Вспученный перлит - сыпучий пористый материал в виде чешуйчатых частиц золотистого цвета, получаемых ускоренным обжигом до вспучивания вермикулита - гидрослюды, содержащий между элементарными слоями, связанную воду [2]. Однако, в структуре отечественных ТМ лишь около одного процента продукции производится из базальта, вспученного перлита, вермикулита.

Эффективность свойств теплоизоляции зависит от материала, которые классифицируют признакам, приведенным в таблице 1.

Таблица 1 - Классификационные признаки ТМ

Признак Вид материала

Вид исходного сырья органические (пенополистирол, пенополиуретан, пенополивинил-хлорид, вспен. полиэтилен, др.);

неорганические (базальтовое волокно, минеральная, керамическая и стеклянная вата, диатомит, вспученный перлит и вермикулит, пеностекло и др.).

Структуре Волокнистые, ячеистые, зернистые (сыпучие)

Форме маты, плиты, цилиндры

Содержанию связующего Со связующим, без связующего

Возгораемости (горючести) Несгораемые, трудносгораемые, сгораемые.

К волокнистым материалам относят минерало-ватные, стекловолокнистые и др.; к зернистым -вспученные перлит, шлак, вермикулит и асбозурит; к ячеистым - вулканитовые плиты, все типы пенопласта, конструкции из пеностекла, ячеистого бетона). Рыхлые и сыпучие материалы (вата минеральная, стеклянная, вспученные перлит и вермикулит) по структуре бывают двух видов: волокнистые и зернистые. Волокнистые материалы востребованы больше чем полимерные утеплители, т.к. имеют ряд особенностей и преимуществ:

- малый коэффициент теплопроводности, за счет уникальной структуры, образованной волокнами;

- значительная устойчивость к внешним факторам: химическая стойкость (кислотам, щелочам, маслам и т.д.), повреждению грызунами;

- низкое влагопоглощение и хорошие звукопоглощающие свойства;

- стабильность размеров, способность поддерживать форму без дополнительного каркаса;

- не горит, при высоких температурах спекается, не выделяет опасных для человека веществ, не имеет радиоактивных соединений [3,4].

Основным функциональным свойством является теплопроводность материала - коэффициент X, равный количеству теплоты, проходящей через материал толщиной 1м и площадью 1 м2 за 1 час при разности температур на двух противоположных поверхностях в 10 оС. [3]. В таблице 2 представлены характеристики материалов на основе минеральной ваты.

Таблица 2 - Технические характеристики ТМ и изделий на основе минеральной ваты

Материал, изделие, ГОСТ или ТУ

Вата мине- маты теплоизоляци-

ральная из тонкого ба- онные (МТПЭ) и базальтовые(МБПЭ)

Показатели зальтового прошивные энерге-

волокна (ТУ тические: (марка )

5761-002- 50 75

01411834-00)

Плотность, 80-100 45-64 65-89

кг/м3

Теплопроводно- 25 0,041 0,036 0,036

сть, Вт/(м°С) 125 0,055 0,050 0,050

при средн. Т, °С 300 0,09 0,09 0,09

Температура применения, °С До 700 От минус 180 до 700

Гр.горючести НГ НГ

Каждый вид ТМ характеризуется показателем теплопроводности при средней температуре испытания 125°С для материалов, применяемых при температуре изолируемых поверхностей до 500°С, при 300°С для материалов, применяемых при температуре свыше 500°С. По теплопроводности ТМ делят на три класса: А - малотеплопроводные, Б и В - средней и повышенной теплопроводности, соответственно. При средней температуре 25°С материалы класса А имеют теплопроводность до 0,06 Вт/(м-К), класса Б - от 0,06 до 0,115 Вт/(м-К), класса В - от 0,115 до 0,175 Вт/(м-К) [5].

При проектировании теплоизоляционной конструкции, учитывается воздействие факторов в течение расчетного срока эксплуатации (табл. 3).

Таблица 3 - Требования к ТМ в течение расчетного срока эксплуатации

Показатели Требования

Энергоэффективность Оптимальное соотношение между стоимостью теплоизол. конструкции и стоимостью тепловых потерь

Эксплуатации-онная надежность, долговечность Выдерживать без снижения эксплуатационные, температурные, механические, химические и др. воздействия

Безопасность Для окружающей среды и обслуживающего персонала

Теплотехническая эффективность изоляции определяется толщиной слоя ТМ, расчет по заданной потере тепла является наиболее распространенным случаем расчета теплоизоляции.

Теплопередача через изолированную горячую стенку может рассматриваться как состоящая из следующих элементов:

- теплообмена между теплоносителем и внутренней поверхности стенки изолируемого объекта;

- передача тепла через стенку (трубопровода, слоя изоляции и покровного слоя);

- теплообмен между поверхностью изоляции и окружающим воздухом.

Проведены расчеты толщины волокнистой теплоизоляции для 10 видов оборудования в соответствии со сводом правил [5], включающий рекомендации по применению материалов и принципы проектирования теплоизоляционных конструкций. В таблице 4 представлены три объекта изоляции -трубопроводы (вертикальный, а также два горизонтальных), имеющие одинаковую температуру теплоносителя (^ = 160оС), размещенные на открытом воздухе в рабочей зоне.

Таблица 4 - Характеристики объектов изоляции

Объект tT°C T -'-возд оС р.з ^ ТМ

Горизонтальный трубопровод диаметром dн = 1500 мм 160 35 вата минеральн. базал.волокна металлический покровный слой

Горизонтальный трубопровод диаметром dн = 550 мм 130 25 маты теплоизол. (марка 50) неметал. покровный слой

Вертикальный трубопровод диаметром dн = 500 мм 100 25 маты теплоизол. (марка 75) неметал. покровный слой

Для выполнения инженерных расчетов условия теплообмена принимают стационарными, тогда, учитывая высокую теплопроводность материала поверхности трубопроводов и оборудования, примем, что температура стенки равна температуре теплоносителя.

Коэффициент теплопроводности изоляции изменяется с изменением температуры, причем эта зависимость является линейной. Для практических расчетов изоляции, принято определять коэффициент теплопроводности по температуре, являющейся средней арифметической из температур на граничных поверхностях изоляционного слоя. В нашем случае температура поверхности изоляции ^ = 35оС, (согласно [5]), находим среднюю температуру слоя изоляции:

^ +^ = (100 + 35) / 2 = 67,50 С

2

Исходя из значения коэффициентов А и В (А и В для материалов изоляции находим согласно [5]) -средней температуры слоя изоляции определяем коэффициент теплопроводности изоляции для ^

/¡иа=А+Б^ср = 0,079+ 0,00019 67,5 =0,09 (Дж/(м-с-К)).

Используя коэффициент теплоотдачи ан (при отсутствии сведений о скорости ветра берем значения, соответствующие скорости 10 м/с):

ан = 26 (Дж/(м2сК)).

Для определения толщины изоляции для цилиндрических поверхностей с диаметром менее 2м

находим величину d из , используя формулу опре-

d н

деляем величину dm :

d n

-In

dn d..

dn

2 К (tT - t„) =

(- )

2 0М (100- 35)/1г(35 - 25) = 0,097. По справочным сведениям значение величины будет приближенно равным 1,015. Толщину

изоляции определим, используя формулу:

8,„ = ■

н I •*> - i

= 0,5/2• (1,045 - 1)

2 2 I, й, 0,023 м = 23 мм.

При использовании данного вида изоляции, его минимальная толщина должна составлять 30 мм, т.е. быть кратной 10 мм.

Во втором и третьем варианте также определялась средняя температура слоя изоляции, коэффициент теплопроводности изоляции и толщина изоляционного слоя, которая должна составлять по 20 мм. В случаях, когда расчетная толщина теплоизоляционного слоя не совпадает с номенклатурной толщиной выбранного материала, следует принимать по действующей номенклатуре ближайшую более высокую толщину ТМ. Минимальную толщину теплоизоляционного слоя следует принимать равной:

- минимальной толщине, предусмотренной государственными стандартами или техническими условиями - при изоляции цилиндрами из волокнистых материалов, жесткими материалами, изделиями из вспененных полимеров;

- 20 мм - при изоляции тканями, стекловолокни-стым полотном, изделиями из волокнистых уплотняющихся материалов [5]).

В указанном документе приведены как методы расчета толщины тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, так и расчетные характеристики ТМ, правила определения объема и толщины уплотняющихся волокнистых ТМ в зависимости от коэффициента уплотнения.

Сравнительный анализ общих и теплофизиче-ских свойств определяет выбор ТМ для конкретного вида производственного оборудования или трубопровода, который зависит от условий, при которых будет осуществляться монтаж и его скорость, экономической доступности материала. Неверные расчеты ТМ, существенно завышенные относительно реально необходимых значений толщины теплоизоляции приводят к повышению расходов материала, делая его экономически невыгодным для потребителя.

Существенно сократить толщину изоляции позволит правильный выбор защитного покрытия, устанавливаемого по наружной поверхности тепловой изоляции для защиты от механических повреждений и воздействия окружающей среды [6,7]. Например, применяя покрытия со степенью черноты 0,9 и более (коэффициент излучения 5,0 Вт/(м2*К)) в конструкциях, которые служат для обеспечения безопасных условий работы обслужи-

н

вающего персонала, можно значительно уменьшить толщину изоляции. По условиям безопасности для неметаллических покрытий допускается более высокая температура на поверхности покровного слоя, также как для изоляции объектов с отрицательными температурами, для предотвращения конденсации влаги из воздуха на поверхности изоляции. Такими качествами обладают штукатурные покрытия, покрытия из стеклопластика рулонного, металлические листы, окрашенные различными видами красок, кроме алюминивой.

К тому же, используемые ТМ должны быть сертифицированы (иметь гигиенический, пожарный сертификаты и сертификат соответствия качества продукции). Вместе с тем, в составе большинства ТМ имеются органические вещества, в качестве связующего для плит используют порядка 5% синтетических фенолформальдегидных и других полимеров, использование фенолоспиртов не соответствует европейским стандартам, они недолговечны, например, битумные связующие признаны экологически вредными. Трифосфаты или антипирены относятся к канцерогенным веществам, но их используют для получения пропитки, снижающей уровень горючести ТМ. Некоторые производители ТМ стали вместо фенолформальдегидного связующего применять акриловое и смолы на биологической основе.

В настоящее время перспективным направлением является применение безопасных компонентов, к примеру, производство волокнистых материалов с использованием композиционных полимерных и неорганических связующих, поливинилацетатных дисперсий. Комбинированные связующие содержат синтетические смолы, натриевое жидкое стекло, поверхностно-активные вещества, гидрофобизатор, обеспыливающие и другие добавки, которые обеспечивают высокие эксплутационные и безопасные свойства на весь срок эксплуатации теплоизоляции.

Безопасные ТМ определяют гарантии производственной и экологической безопасности, для определения которых необходима комплексная оценка безопасности волокнистых изоляций, с учетом следующих направлений [8,9]:

- анализ и сопоставление результатов исследований безопасности для персонала, согласно требованиям охраны труда, с санитарно-гигиеническими нормами и с данными по безопасности теплоизоляции для окружающей среды;

- долгосрочный анализ всего жизненного цикла теплоизоляций по критериям международных стан-

дартов с учетом особенностей отечественных технологий, включая их вторичную переработку;

- разработка критериев оценки техногенной нагрузки и фактического состояния экосистем в районе расположения предприятия-производителя волокнистых материалов.

Согласно методике комплексной оценки безопасности волокнистых ТМ и их производств, включающей ряд этапов, исследуются источники воздействия на человека и окружающую среду для выбора универсальной системы критериев оценки. Проводятся замеры вредных веществ, при помощи методов потенциальных отклонений определяются наиболее важные с точки зрения контроля безопасности технологические этапы, проводится сравнительный анализ результатов инструментальных исследований и экспертного анализа для подготовки выводов и заключений.

Комплексная оценка безопасности волокнистых ТМ, наряду с такими преимуществами, как простота, возможность одновременного контроля охраны труда и окружающей среды, востребована современным подходом к техническому регулированию, дает экономический эффект при проектировании конструкций и защитных мероприятий по условиям труда и общей экологической ситуации.

Литература

1. Ставрицкая Л.В., Шойхет Б.М. Материалы и изделия для теплоизоляции промышленных трубопроводов. -Технический текстиль №3, 2002.

2. Щукина Е.Г., Беппле Р.Р., Архинчеева Н.В. Теплоизоляционные материалы: Учебное пособие.- Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ. 2009. -172 с.

3. Халиков Д.А. Классификация теплоизоляционных материалов по функциональному назначению // Фундаментальные исследования. - 2014. - № 11-6. - С. 12871291.

4. Рыбьев И.А. Строительное материаловедение: - М. 2003 - 701 с.

5. СП 61.13333-2012 (актуализиров. СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» СП 41-103-2000).

6. Ананьев А.И. и др. В защиту отечественного строительства и промышленности теплоизоляционных материалов //Строительный эксперт, №11,12, 2001.

7. Зарубина Л.П. Теплоизоляция зданий и сооружений. Материалы и технологии 2-е изд. — СПб.: БХВ - Петербург, 2012 - 416 с.

8. Шильникова Н.В. Андрияшина Т.В. Воздействие радиоактивного загрязнения на окружающую среду. Вестник КГТУ, №10, 201.1 С. 39-44.

9. Жук П.М. Особенности комплексной оценки безопасности волокнистых теплоизоляционных материалов. Вестник МГСУ № 4-1/2010.

© Н. В. Шильникова - канд. техн. наук, доцент кафедры ПБ КНИТУ, snv-knitu@yandex.ru; Т. В. Андрияшина - ст. преп. кафедры ПБ КНИТУ

© N. V. Shilnikova - candidate tech. sciences, associate Professor, Department of PB, KNRTU. snv-knitu@yandex.ru; T. V. Andri-yashina - senior lecturer, Department of PB, KNRTU.