CC BY
46
УДК 621.186 Э. У. ЯМЛЕЕВА
О НАДЁЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ ЗДАНИЙ
Надёжность и долговечность систем отопления зависит от интенсивности развития внутренней коррозии стальных элементов, которая тем интенсивнее, чем больше содержание растворённых коррозионных газов в воде. Насыщение воды коррозионными газами в местных системах отопления происходит при завоздушивании системы из-за их разрегулировки, через расширительные баки и полимерные трубы. Даны рекомендации по защите систем отопления от заражения коррозионными газами.
Ключевые слова: внутренняя коррозия, система отопления, коррозионные газы, расширительный бак, диффузия газов, кислородопроницаемость, полимерные трубы.
Надёжность и долговечность местных систем отопления во многом зависят от интенсивности развития внутренней коррозии стальных элементов систем. Скорость внутренней коррозии зависит от количества коррозионно-агрессивных газов (О2, СО2), растворённых в воде систем отопления.
В системы отопления коррозионные газы могут поступать из окружающего воздуха через воздухоотводчики и запорную арматуру, при понижении давления в результате гидравлической разрегулировки систем. Возможна диффузия газов через полимерные трубопроводы систем отопления и по открытой поверхности предусмотренных в некоторых системах расширительных баков открытого типа и мембраны баков закрытого типа [1, 2].
Снизить интенсивность развития внутренней коррозии оборудования и трубопроводов систем можно устранением путей поступления коррозионных газов в воду.
В автономных системах отопления и местных отопительных системах, подключённых к наружным теплопроводам централизованного теплоснабжения по независимой схеме, возможен случай, когда в зоне всасывания насоса гидростатическое давление не только понизится до атмосферного, но даже может стать ниже него, т. е. возникнет разрежение [3].
Рассмотрим такой случай. На рис. 1 изображено изменение давления в верхней подающей магистрали системы отопления. В точке постоянного давления О гидростатическое давление равно pgh. В промежутке между точками О и В гидростати-
© Ямлеева Э. У., 2018
ческое давление убывает в связи с потерей давления при движении воды по зависимости, изображённой на рисунке наклонной пьезометрической линией.
Потери давления на участке О-В АрО-В = pgh, т. е. давление в точке В РВ = 0 (избыточное давление равно нулю, а полное давление, как и на поверхности воды в расширительном баке, равно атмосферному давлению рА). В промежутке между точками В и Г дальнейшие потери давления вызывают разрежение — давление падает ниже атмосферного (знак «минус» на рисунке). Наиболее заметно давление понизится и разрежение достигнет наибольшей величины в точке Б. Здесь полное давление РБ = рА + pgh — АрО-Б = рА — АрВ-Б. Затем в промежутке между точками Б и Г давление возрастает в связи с увеличением высоты столба воды от Ь до ЬГ, а разрежение уменьшается. В точке Г, где потери давления АрО-Г = рghГ, избыточное давление вновь, как в точке В, равно нулю (Рг = 0), а полное давление равно атмосферному. Ниже точки Г избыточное гидростатическое давление быстро возрастает, несмотря на последующие потери давления при движении воды.
В промежутке между точками В и Г, особенно в точке Б, при давлении ниже атмосферного и при температуре воды, близкой к 100 °С (90...95 °С), возможно парообразование. При более низкой температуре воды, исключающей парообразование, возможен подсос воздуха из атмосферы через резьбовые соединения труб и арматуру. Во избежание нарушения циркуляции из-за вскипания воды или подсасывания воздуха в любой точке системы отопления в зоне всасывания гидростатическое давление при действии насоса должно оставаться избыточным.
Рассматривая проблему попадания воздуха в систему отопления в зоне разряжения через штоки запорной арматуры, следует отметить, что на её величину значительно влияет размер зазора между сальниковой набивкой и резьбой штока вентиля. Величину зазора определить сложно. Опытные работы показывают, что она колеблется в пределах 0,006-0,015 мм при исправном состоянии рабочих частей сальника [4]. При такой величине зазора подсос воздуха не происходит. В процессе изнашивания и подсушивания сальника величина зазора увеличивается. Зазор тем больше, чем больше открывание и закрывание, чем выше температура, при которой работает сальниковое уплотнение, чем меньше теплопроводность набивки, чем хуже смазка сальника.
Для предупреждения неисправностей необходимо регулярно проводить обслуживание арматуры: подтяжку резьбовых соединений и сальникового уплотнения, смазку резьбовой части шпинделя, замену или притирку рабочих элементов. При длительной работе периодически (через 2-6 месяцев, в зависимости от марки) проворачивать ротор (открыть-закрыть).
При падении давления воздух может проникать в системы отопления через автоматические воздухоотводчики, которые в последние годы часто стали устанавливать в верхних точках систем, на отопительные приборы верхних этажей, на коллекторные группы. Они незаменимы при запуске и опорожнении систем отопления, кроме того, предотвращают возникновение воздушных пробок, так как автоматически выпускают воздух из систем при его накоплении.
Внутренний объём воздухоотводчика спроектирован так, что при отсутствии воздуха поплавок держит выпускной клапан закрытым, но по мере накопления воздуха в поплавковой камере он опускается, открывая выпускной клапан. После удаления воздуха поплавок вновь поднимается, воздействуя на рычаг, закрывающий выпускной клапан (рис. 2).
При падении давления и частичном опорожнении системы, по причине разрегулировки системы, выпускной клапан воздухоотводчика открывается и впускает воздух в него, что приводит к насыщению воды коррозионными газами.
Для защиты систем отопления от завоздуши-вания, разработан ряд технических решений по стабилизации гидравлических режимов местных систем отопления [5].
В некоторых системах отопления, где предусмотрены открытые расширительные баки, О2, СО2 поступают в систему в результате диффузии газов через открытую поверхность воды в баках (рис. 1).
В настоящее время большинство применяемых расширительных баков в системах отопления имеют мембранную конструкцию (рис.3). Они тоже имеют свои недостатки [2, 6]. Через эластичные мембраны баков коррозионные газы также могут поступать в систему отопления. Диффузионные потоки газов в жидкость через мембрану определяются парциальными давлениями газов с каждой стороны, а не общими давлениями газа и жидкости и их перепадом с обеих сторон.
При контакте газов с жидкостью концентрация определённого газа в ней в равновесии определяется законом Генри:
Р(О2) =КгХ , (1)
где Р(О2) - парциальное давление газа над жидкостью, Па; Кг - коэффициент Генри, Па; Х - мольная доля растворённого газа в воде. Если концентрация газа в жидкости в данный момент меньше равновесной, газ будет поглощаться жидкостью до насыщения. Если между газом и жидкостью появляется мембрана, соотношение (1) по-прежнему определяет соответствие парциальных давлений газов с одной стороны мембраны и их равновесных концентраций в жидкости. Но величины потоков и скорость установления равновесия теперь определяются скоростью диффузии газов через мембрану.
Величины потоков газов через мембрану зависят от того, насколько далеки концентрации газов в жидкости от равновесных, а также от проницаемости мембраны, но не зависят от давления жидкости или от того, насколько давление жидкости отличается от общего давления газа. Косвенным признаком такой диффузии является снижение давления газовой подушки в процессе работы баков. В некоторых напорных баках скорость диффузии газов через мембрану из воздушной подушки в воду так велика, что через полгода-год давление газа падает настолько, что бак перестаёт сглаживать давление. В этом случае при каждом цикле сжатие-расширение свежая вода закачивается через блок подпитки или вода системы стравливается через клапан максимального давления.
Большинство баков небольшого и среднего объёма для систем отопления имеют конструкцию, в которой мембрана делит объём бака на две части (рис.3, б). Величины растяжения мембран в баках такой конструкции значительно выше 100%, что определяет достаточно быстрый износ мембраны. В качестве материала мембран в таких баках большинство производителей используют материал БРБМ, обладающий хорошей эластичностью и температурным диапазоном, но имеющий высокую проницаемость для газов.
г ч
<
а,
« V
Рис. 1. Изменение гидростатического давления в верхней подающей магистрали системы водяного отопления: О - точка постоянного давления; А - точка в зоне нагнетания; Б - точка наибольшего разрежения; В-Г - зона разрежения
Рис. 2. Автоматический воздухоотводчик
а)
тк
б)
\
1
\
I
Рис. 3. Закрытый расширительный бак: а) со сменной мембраной: 1 - воздушный клапан, 2 - воздушная (газовая) камера, 3 - мембрана; 4 - камера для воды; б) с несменной мембраной
1
2
2
3
3
4
Кроме ЕРБМ используется более дорогой бутил с существенно меньшей, чем у БРБМ, проницаемостью для газов (примерно в 12 раз для кислорода). Поэтому мембраны из бутила применяются, как правило, в баках большего объёма с мембраной в виде камеры (рис. 3, а). Благодаря своей конструкции баки с бутиловыми камерами имеют большую надёжность (небольшие деформации, изоляция теплоносителя от металла) и меньшую проницаемость для газов. Высокая стабильность характеристик баков камерного типа подтверждается измерениями, произведёнными для групп баков различных производителей. Например, потери давления в воздушной подушке за год эксплуатации не превышают 5% по сравнению с 20-40% в баках с несменной мембраной.
Кислород в воду местных систем отопления может поступать за счёт его диффузии из окружающего воздуха через полимерные трубопроводы, если они использованы при монтаже системы отопления.
В последние годы стальные трубы активно вытесняются трубами из полимерных материалов. Продолжительный срок службы в 3-5 раз выше, чем стальных, эстетически привлекательный вид, простота монтажа, отсутствие проблемы коррозии и сопоставимая стоимость говорят в пользу полимерных труб. В настоящее время
для монтажа систем отопления чаще используют полипропиленовые - РР (1111), металлопластико-вые - МР (МП), полиэтиленовые трубы из моле-кулярно-сшитого полиэтилена РЕХ (ПЕКС).
Исследованием вопроса кислородопроницае-мости полимерных труб занимается ряд учёных. Проводились экспериментальные исследования по определению величины кислородопроницае-мости образцов труб из полипропилена без защитного слоя, из полипропилена с защитным слоем из алюминиевой фольги шириной около 15 мм и толщиной 0,2 мм, намотанной винтообразно с нахлёстом 2 мм, и труб из сшитого полиэтилена без защитного слоя [7, 8].
Авторами приводятся следующие данные по величине диффузии кислорода через полимерные трубы различных видов (табл. 1).
Проблема защиты от проникновения кислорода решается нанесением на наружную поверхность труб из «сшитого» полиэтилена «кислоро-дозащитного слоя» поливинилового спирта. На полиэтиленовые трубы фирмы ИЕИЛи наносят слой из этиленвинилового спирта (ЭВАЛ), обеспечивающего кислородопроницаемость значительно ниже допустимого нормативного уровня. ООО «САНЕКСТ» - единственный в России производитель пятислойных труб из сшитого полиэтилена с антидиффузионным слоем ЕУОИ внутри - 8АЯЕХТ РЕХ//ЕУОИ//РЕХ [9].
Таблица 1
Показатели полимерных трубопроводов
Тип трубопровода Обозначение Коэффициент температурного расширения, 10-4/оС Диффузия кислорода, мг/(м3 х сутки)
Однослойные трубы
Трубы из сшитого полиэтилена РЕХ 2,00 650
Трубы из полипропилена РРЯ 1,80 900
Многослойные трубы
Трубы из сшитого полиэтилена с барьерным слоем РЕХ-ЕУО1Ч-РЕ 2,00 0,32
Трубы полипропиленовые, армированные стекловолокном РРЯ-РО-РРЯ (РР-вБ-РР) 0,35 900
Трубы полипропиленовые, армированные алюминием РРЯ-ЛЬРРЯ 0,26 0
Трубы из металлопластиковые из полиэтилена повышенной термостойкости РЕКТ-А1-РЕЯТ 0,25 0
Нормативный показатель кислородоприни-цаемости для полимерных труб, применяемых в системах отопления совместно с металлическими трубами (в том числе в наружных системах теплоснабжения), должен быть не более 0,1 г/(м3-сут) - 100 мкг/(дм3-сут)) [10]. А это уже в 5 раз превышает нормативный показатель по содержанию кислорода в сетевой воде -20 мкг/дм3. Исходя из этого, нормативный показатель следует ужесточить.
Необходимость использования защитного антидиффузионного слоя несомненна. Надёжность и долговечность используемого защитного материала БУОИ требуют дополнительных исследований и улучшения изоляционных свойств.
ВЫВОДЫ:
1. Кислород и диоксид углерода могут поступать в местные системы отопления через автоматические воздухоотводчики, штоки арматуры при гидравлической разрегулировке систем.
2. Коррозионные газы в системы отопления могут поступать через открытую поверхности воды в расширительных баках открытого типа и через эластичные мембраны расширительных баков закрытого типа.
3. Расширительные баки с бутиловыми камерами имеют большую надёжность и меньшую проницаемость для газов.
4. Кислород в воду местных систем отопления может поступать за счёт его диффузии из окружающего воздуха через полимерные трубопроводы.
5. Нормативный показатель кислородоприни-цаемости для полимерных труб, применяемых в системах отопления совместно с металлическими трубами, следует ужесточить.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шарапов В. И., Ямлеева Э. У. Технологии защиты сетевой и подпиточной от аэрации. -М. : Издательство «Новости теплоснабжения», 2012. - 176 с.
2. Федоров С. А. Пути попадания газов в системы отопления и некоторые особенности деаэрации // С.О.К. - 2007. - №4.
3. Сканави А. Н., Махов Л. М. Отопление : учебник для вузов. - М. : Издательство АСВ, 2002. - 576.
4. Борохов А. М., Гришин А. С., Доронов Н. Т. Волокнистые и комбинированные сальниковые уплотнения. - 2-е изд. - М. : Машиностроение, 1966. - 312 с.
5. Ротов П. В., Шарапов В. И., Ямлеева Э. У. Стабилизация гидравлических режимов местных систем отопления при переменном расходе в теплосети // Научно-технический калейдоскоп. -2001. - №4. - С. 111-120.
6. Федоров С. А. Поддержание давления в системах отопления// АВОК. - 2006. - №8. -С. 2-3.
7. Петров-Денисов В. Г., Сладков А. В., Донников В. Е. Теоретические основы кислородо-проницаемости пластмассовых труб в системах отопления // Пластические массы. - 2003. - №2. - С. 29-37.
8. Особенности диффузии кислорода в многослойной трубе [Электронный ресурс] = Режим доступа: http://polypipe.info/technologies-materials/1290-osobennosti-diffyzii-kisloroda -Загл. с экрана (дата обращения: 20.12.2017).
9. Попов М. А., Крикотин В. В. Диффузия кислорода в полимерных трубах. Кислородопро-ницаемость однослойных и многослойных полимерных труб РЕХ, РРЯ, РЕХ-ЕУО1Ч, РРЯ-БО-РРЯ, РЕЯТ-ЛЬ-РЕЯТ, РРЯ-ЛЬ-РРЯ [Электронный ресурс] = Режим доступа: http://deepiperu.blogspot.ru/2012/ 05/pex-ppr-ppr-al-ppr.html. - Загл. с экрана (дата обращения: 20.12.2017).
10.СП 60.13330.2012. Актуализированная редакция «СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование». - М. : Минрегион РФ. - 2012. - 102 с.
Ямлеева Эльмира Усмановна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплогазоснаб-жение и вентиляция» УлГТУ.
Поступила 14.02.2018 г.
