CC BY
10БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 678.026
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ
А.Ю. Андрюшкин, кандидат технических наук, доцент; Д.И. Моисеев.
Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д.Ф. Устинова.
Е.Н. Кадочникова, кандидат технических наук, доцент. Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России
Применение теплогидроизолированных труб существенно повышает энергетическую эффективность тепловых сетей. Развитие дефектов пенополиуретановой теплоизоляции при эксплуатации трубопровода приводит к ее повреждениям и отказу. Аварии на трубопроводе являются следствием разгерметизации из-за увлажнения пенополиуретана и интенсивной коррозии стальной трубы. Совершенствование конструкции и технологии теплогидроизоляции стыка труб направлено на снижение дефектности теплоизоляции и улучшение герметичности. Предложены повышающие качество и безопасность тепловых сетей конструкторско-технологические решения теплогидроизоляции стыков труб. Применена технология напыления пенополиуретана и использована технологическая оснастка для улучшения качества пенополиуретановой теплоизоляции стыка труб. При послойном напылении формируется монолитный пенополиуретан с высокими показателями прочности и теплостойкости. Технологическая оснастка создает благоприятные условия вспенивания и отверждения заливаемой реакционной смеси. Предложенные технологии допускают контроль качества пенополиуретана и устранение обнаруженных дефектов.
Ключевые слова: теплоизоляция, гидроизоляция, пенополиуретан, напыление, технологическая оснастка
IMPROVING ENERGY EFFICIENCY AND SAFETY OF HEATING NETWORKS
A.Yu. Andryushkin, D.I. Moiseev.
Baltic state technical university «VOENMEH» of D.F. Ystinov.
E.N. Kadochnikova. Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia
The use of heat-insulated pipes significantly increases the energy efficiency of heating networks. The development of defects in polyurethane foam insulation during the operation of the pipeline leads to its damage and failure. Pipeline accidents are the result of depressurization due to humidification of polyurethane foam and intense corrosion of steel pipe. The improvement of the design and technology of thermal waterproofing of the pipe joint is aimed at reducing the defect of thermal insulation and improving tightness. Design and technological solutions for thermal waterproofing of pipe joints that improve the quality and safety of heating networks are proposed. The technology of polyurethane foam spraying was applied and technological equipment was used to improve the quality of polyurethane foam insulation of the pipe joint.
37
With layer-by-layer spraying, a monolithic polyurethane foam with high strength and heat resistance is formed. Technological equipment creates favorable conditions for foaming and curing of the poured reaction mixture. The proposed technologies allow quality control of polyurethane foam and elimination of detected defects.
Keywords: thermal insulation, waterproofing, polyurethane foam, spraying, technological equipment
Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» требует повышения качества и безопасности объектов энергетики, в том числе тепловых сетей. Высокое качество теплоизоляции трубопроводов обеспечивает существенное энергосбережение.
Высокой эффективностью энергосбережения и значительной долговечностью (до 30 лет) отличаются теплогидроизолированные трубы в пенополиуретановой изоляции с защитной полиэтиленовой оболочкой по ГОСТ 30732-2006 (рис. 1). Теплогидроизолированная труба представляет собой трехслойную конструкцию «труба в трубе». На стальную трубу нанесен промежуточный слой пенополиуретана (ППУ), выполняющий функцию тепловой изоляции, а наружная полиэтиленовая оболочка является гидроизоляцией. ППУ характеризуется низкой плотность 60-80 кг/м3 и малым коэффициентом теплопроводности 0,025-0,033 Вт/(м-К). Для снижения вероятности возникновения аварии теплогидроизолированные трубы снабжены системой оперативно-дистанционного контроля (СОДК), которая позволяет обнаруживать участки трубопровода с повышенной влажностью. Производственная дефектность теплогидроизолированных труб минимальна, так как технологические операции ее изготовления проводятся при оптимальных технологических параметрах, а также осуществляется строгий контроль показателей их качества. Таким образом, применение теплогидроизолированных труб в тепловых сетях повышает безопасность и существенно снижает потери тепла [1-20].
Рис. 1. Теплогидроизолированная труба: 1 - оболочка полиэтиленовая; 2 - провод СОДК;
3 - ППУ трубы; 4 - труба стальная; 5 - опора центрирующая
При трассовой прокладке теплогидроизолированных трубопроводов из-за технологических отклонений возникают опасные дефекты в пенополиуретановой теплоизоляции, а также часто наблюдаются нарушения герметичности полиэтиленовой оболочки в местах стыковки труб. Дефекты теплоизоляции обусловлены сложностью и несовершенством технологии ее формирования и монтажа элементов тепловых сетей. Развитие дефектов ППУ во время эксплуатации приводит к возникновению опасных повреждений, существенным потерям тепла и интенсивной коррозии стальных труб, при разгерметизации которых возникает аварийная ситуация. Увлажнение ППУ снижает его прочностные и теплоизоляционные характеристики, срок службы уменьшается до нескольких лет. Таким образом, актуальна проблема повышения качества теплогидроизоляции стыков труб тепловых сетей.
38
Конструктивно-технологические решения теплогидроизоляции стыков труб,
повышающие их качество
Повышение качества теплогидроизолированного стыка труб связано с повышением качества ППУ, что требует внесения существенных изменений в технологию стыковки труб. При формировании слоя ППУ необходимо обеспечить благоприятные условия для вспенивания реакционной смеси, а также контроль качества ППУ. В предлагаемых конструктивно-технологических решениях сначала должен быть нанесен ППУ, проведен его контроль, а затем обеспечена герметичность защитной оболочки трубопровода. При такой последовательности формирования теплогидроизоляции отсутствуют технологические факторы, вызывающие разгерметизацию нахлесточных соединений полиэтиленовой оболочки, значительно сокращается число операций технологического процесса.
В предлагаемом конструктивно-технологическом решении ППУ послойно напыляется на место стыка труб (рис. 2). Технология напыления ППУ хорошо отработана и успешно используется для формирования теплоизоляции трубопроводов. Перед напылением ППУ защитные оболочки труб, прилегающие к стыку, предохраняют от попадания капель реакционной смеси, закрывая их пленкой. Напыление ППУ производится с помощью специализированных напылительных установок, что обеспечивает высокую однородность реакционной смеси и устойчивость технологичности процесса. Напыление позволяет наносить теплоизоляцию послойно вокруг стальной трубы на стыки любых габаритов и конфигурации. Диаметр ППУ постепенно увеличивается на толщину напыленного слоя 4+1 - диаметр напыленного слоя и диаметр напыляемого слоя), достигая необходимого значения -0ППУ. В итоге формируется монолитная теплоизоляция с высокими показателями прочности и теплостойкости. Монолитность напылённого ППУ обеспечивает антикоррозийную защиту стальной трубы. Обнаруженные при контроле теплоизоляции дефекты могут быть легко устранены, так как имеется свободный доступ к наружной поверхности ППУ. После подтверждения качества теплоизоляции формируют гидроизоляцию стыка, которая включает нанесение адгезивной ленты по всей длине стыка, термоусадку муфты по всей длине, а также установку термоусаживаемых манжет по краям муфты. Такая гидроизоляция существенно повышает герметичность и жесткость конструкции.
3 7 6 8 5 4 9 2 1
Рис. 2. Альтернативная теплогидроизоляция стыка: 1 - оболочка полиэтиленовая; 2 - провод СОДК; 3 -ППУ трубы; 4 - труба стальная; 5 - шов сварной; 6 - адгезивная лента; 7 - манжета термоусаживаемая; 8 - напыленный послойно ППУ стыка; 9 - муфта термоусаживаемая; - диаметр напыленного слоя и диаметр напыляемого слоя; БППУ - диаметр наружной
поверхности ППУ стыка
39
Недостатком напыленного ППУ стыка является низкая геометрическая точность наружной поверхности, то есть размер .0ППУ имеет очень большой допуск и обычно выполняется по 18 квалитету точности. Это затрудняет последующую герметизацию стыка с помощью термоусаживаемой муфты. Для обеспечения приемлемой точности наружной поверхности ППУ стыка может потребоваться ее грубая механическая обработка, что повышает трудоемкость. Этот недостаток может быть устранен при намотке адгезивной ленты, которая выступает в качестве размерного компенсатора. Толщина намотанной адгезивной ленты определяется из размеров внутреннего диаметра муфты до термоусадки и диаметра напыленного ППУ стыка .0ППУ. Отметим, что существенное влияние на качество напыленного ППУ оказывает температура окружающей среды, которая при проведении напыления должна быть больше 10 °С.
Для повышения качества теплогидроизоляции стыка труб применяют конструктивно-технологическое решение, основанное на использовании технологической оснастки, обеспечивающей благоприятные условия вспенивания и отверждения заливаемой в нее реакционной смеси (рис. 3). В качестве такой технологической оснастки можно рекомендовать обогреваемую съемную опалубку, устанавливаемую на место стыка. Съемная опалубка задает высокую размерную точность наружной поверхности ППУ, то есть размер -0Плу выполняется по 12-14 квалитету точности. Применение съемной опалубки рационально на трубах диаметром от 57 мм и более.
Рис. 3. Обогреваемая съемная опалубка для формирования пенополиуретановой теплоизоляции: 1 - оболочка полиэтиленовая; 2 - провод СОДК; 3 -ППУ трубы; 4 - труба
стальная; 5 - шов сварной; 6 - обогреваемая съемная опалубка; 7 - фланцевый разъем; 8 - ППУ стыка; 9 - нагреватель; 10 - уплотнение; 11 - дренажное отверстие; 12 - патрубок
подачи реакционной смеси
Обогреваемая съемная опалубка представляет собой разъемную металлическую форму с нагревателями. Она устанавливается на место стыка труб и герметично охватывает защитные оболочки стыкуемых труб. Затем нагревают с помощью опалубки элементы конструкции в месте стыка до температуры 25-35 °С, что создает оптимальные условия для вспенивания и отверждения реакционной смеси. Порцию реакционной смеси заливают через патрубок, выполненный внизу опалубки, что гарантирует компактное расположение реакционной смеси во внутренней полости опалубки, а, следовательно, полноту прохождения химических реакций. Реакционная смесь вспенивается и отверждается, заполняя внутреннюю полость опалубки снизу вверх. О заполнении внутренней полости опалубки свидетельствует пена, которая выходит из дренажного отверстия, расположенного вверху опалубки. Через 30 мин, после отверждения ППУ, опалубку с места стыка снимают,
40
осуществляют контроль качества теплоизоляции, а затем проводят гидроизоляцию стыка с помощью адгезивной ленты, термоусаживаемой муфты и термоусаживаемых манжет [21-23].
Предложенные конструктивно-технологические решения по теплогидроизоляции стыков труб, благодаря применению технологии напыления или применению технологической оснастки, обеспечивают оптимальный технологический режим формирования ППУ, гарантируют качество теплоизоляции. Гидроизоляцию стыка наносят после контроля качества теплоизоляции и устранения дефектов, что повышает качество теплогидроизоляции стыка труб.
Выводы
1. Применение теплогидроизолированных труб в тепловых сетях эффективно и существенно повышает энергосбережение. Значительная долговечность теплогидроизолированных трубопроводов возможна только при обеспечении герметичности изоляции.
2. Традиционные конструктивно-технологические решения теплогидроизоляции стыков труб характеризуются возникновением опасных дефектов. Причиной появления дефектов является несовершенство технологии теплогидроизоляции стыков труб.
3. Предложены конструктивно-технологические решения, повышающие качество теплогидроизоляции стыков труб, обеспечивающие благоприятные условия формирования пенополиуретановой теплоизоляции за счет применения технологии напыления ППУ или применения технологической оснастки при заливке ППУ.
Таким образом, предложенные конструктивно-технологические решения теплогидроизоляции стыков труб повышают ее качество, а, следовательно, безопасность трубопровода.
Литература
1. Амосов А.П. Обзор методов антикоррозионной защиты элементов ТЭК // Трубопроводный транспорт (теория и практика). 2014. № 3. С. 24-28.
2. Аушев А.В., Синавчиан С.Н. Оперативно-дистанционный контроль трубопроводов в ППУ-изоляции // Энергосбережение. 2015. № 5. С. 52-57.
3. Анализ аварийных отказов длительно эксплуатируемых магистральных газопроводов / И.Р. Байков [и др.] // Нефтегазовое дело. 2018. Т. 16. № 3. С. 114-119.
4. Булатова А.З., Захаров М.Н. Оценка опасности начальных производственно-технологических дефектов эксплуатируемого оборудования // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России: тезисы докладов IX Всерос. науч.-техн. конф. М., 2012. С. 33-34.
5. Голофаст С.Л. Проблемы оценки надежности линейной части магистральных трубопроводов // Безопасность труда в промышленности. 2018. № 4. С. 36-40.
6. Дудников Ю.В., Азметов Х.А. Оценка безопасности магистральных нефте-и нефтепродуктопроводов на сложных участках трассы // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2012. № 5. С. 39-42.
7. Зябиров Р.М., Веретин С.В., Афонин М.А. Анализ отказов и повышение надежности полевых магистральных трубопроводов // Технология нефти и газа. 2019. № 2 (121). С. 45-48.
8. Карнавский Е.Л., Никулин С.А. Определение остаточного ресурса оборудования и материалов системы противокоррозионной защиты // Коррозия. Территория нефтегаз. 2016. № 3 (35). С. 40-45.
9. Комарицина В.Н., Сухорукова Н.Н. Исследования механики деформаций и разрушений и некторые вопросы обеспечения безопасности и надежности трубопроводов с учетом особенностей технологического процесса // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2017. Т. 7. № 4. С. 116-119.
41
10. Математическое моделирование в задаче оценки эффективности прогнозирования аварий в трубопроводных системах / М.С. Кононова [и др.] // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2017. Т. 5. № 10 (36). С. 275-278.
11. Кучерявый В.И., Мильков С.Н. Статистическое моделирование ресурса антикоррозионных покрытий магистрального газопровода // Проблемы машиностроения и надежности машин. 2013. № 1. С. 93-98.
12. Обеспечение защищенности магистральных нефтепродуктопроводов по критериям риска / Ю.В. Лисин [и др.] // Наука и технологии трубопроводного транспорта нефти и нефтепродуктов. 2012. № 3. С. 10-16.
13. Максимов Е.А., Шаталов Р.Л., Степанов П.П. Современные технологии антикоррозионных покрытий металлопроката, трубопроводов и профилей: монография. Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2015. 332 с.
14. Мухаметрахимов Р.Х., Панченко А.А. Особенности технологии изготовления, монтажа и контроля качества трубопроводов в ППУ ПЭ изоляции // Известия КГАСУ. 2018. № 2 (44). С. 246-254.
15. Вероятностный анализ допустимых уровней дефектности участков линейной части магистральных газопроводов / С.В. Нефёдов [и др.] // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2014. № 1 (17). С. 35-40.
16. Павлова Д.В. Анализ и проблемы исследований труб централизованного теплоснабжения с предварительной изоляцией из ППУ и ППМ // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 5. С. 70-76.
17. Развитие подходов к оценке показателей конструктивной надежности участков магистральных газопроводов / В.М. Силкин [и др.] // Научно-технический сборник «Вести газовой науки». 2014. № 1 (17). С. 49-54.
18. Шойхет Б.М. Правила расчета и проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов // Энергосбережение. 2013. № 2. С. 44-51.
19. Шойхет Б.М. Проектирование тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей // Энергосбережение. 2015. № 1. С. 50-57.
20. Шойхет Б.М., Ставрицкая Л.В. Тепловая изоляция промышленного оборудования // Энергосбережение. 2003. № 2. С. 1-5.
21. Андрюшкин А.Ю., Кадочникова Е.Н., Афанасьев Е.О. Снижение опасности возникновения разрушения стыков труб тепловых сетей // Проблемы управления рисками в техносфере. 2019. № 4 (52). С. 107-112.
22. Андрюшкин А.Ю., Кадочникова Е.Н., Афанасьев Е.О. Обеспечение безопасности эксплуатации тепловых сетей // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2019. № 4. С. 37-42.
23. Андрюшкин А.Ю. Применение сверхзвукового газодинамического напыления при многоструйной подаче газа для снижения вероятности отказа многослойных функциональных покрытий: монография. СПб.: БГТУ «ВОЕНМЕХ», 2021. 258 с.
References
1. Amosov A.P. Obzor metodov antikorrozionnoj zashchity elementov TEK // Truboprovodnyj transport (teoriya i praktika). 2014. № 3. S. 24-28.
2. Aushev A.V., Sinavchian S.N. Operativno-distancionnyj kontrol' truboprovodov v PPU-izolyacii // Energosberezhenie. 2015. № 5. S. 52-57.
3. Analiz avarijnyh otkazov dlitel'no ekspluatiruemyh magistral'nyh gazoprovodov / I.R. Bajkov [i dr.] // Neftegazovoe delo. 2018. T. 16. № 3. S. 114-119.
4. Bulatova A.Z., Zaharov M.N. Ocenka opasnosti nachal'nyh proizvodstvenno-tekhnologicheskih defektov ekspluatiruemogo oborudovaniya // Aktual'nye problemy razvitiya neftegazovogo kompleksa Rossii: tezisy dokladov IX Vseross. nauch.-tekhn. konf. M., 2012. S. 33-34.
5. Golofast S.L. Problemy ocenki nadezhnosti linejnoj chasti magistral'nyh truboprovodov // Bezopasnost' truda v promyshlennosti. 2018. № 4. S. 36-40.
42
6. Dudnikov Yu.V., Azmetov H.A. Ocenka bezopasnosti magistral'nyh nefte-i nefteproduktoprovodov na slozhnyh uchastkah trassy // Zashchita okruzhayushchej sredy v neftegazovom komplekse. 2012. № 5. S. 39-42.
7. Zyabirov R.M., Veretin S.V., Afonin M.A. Analiz otkazov i povyshenie nadezhnosti polevyh magistral'nyh truboprovodov // Tekhnologiya nefti i gaza. 2019. № 2 (121). S. 45-48.
8. Karnavskij E.L., Nikulin S.A. Opredelenie ostatochnogo resursa oborudovaniya i materialov sistemy protivokorrozionnoj zashchity // Korroziya. Territoriya neftegaz. 2016. № 3 (35). S. 40-45.
9. Komaricina V.N., Suhorukova N.N. Issledovaniya mekhaniki deformacij i razrushenij i nektorye voprosy obespecheniya bezopasnosti i nadezhnosti truboprovodov s uchetom osobennostej tekhnologicheskogo processa // Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2017. T. 7. № 4. S. 116-119.
10. Matematicheskoe modelirovanie v zadache ocenki effektivnosti prognozirovaniya avarij v truboprovodnyh sistemah / M.S. Kononova [i dr.] // Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka: teoriya i praktika. 2017. T. 5. № 10 (36). S. 275-278.
11. Kucheryavyj V.I., Mil'kov S.N. Statisticheskoe modelirovanie resursa antikorrozionnyh pokrytij magistral'nogo gazoprovoda // Problemy mashinostroeniya i nadezhnosti mashin. 2013. № 1. S. 93-98.
12. Obespechenie zashchishchennosti magistral'nyh nefteproduktoprovodov po kriteriyam riska / Yu.V. Lisin [i dr.] // Nauka i tekhnologii truboprovodnogo transporta nefti i nefteproduktov. 2012. № 3. S. 10-16.
13. Maksimov E.A., Shatalov R.L., Stepanov P.P. Sovremennye tekhnologii antikorrozionnyh pokrytij metalloprokata, truboprovodov i profilej: monografiya. Chelyabinsk: Izd. centr YUUrGU, 2015. 332 s.
14. Muhametrahimov R.H., Panchenko A.A. Osobennosti tekhnologii izgotovleniya, montazha i kontrolya kachestva truboprovodov v PPU PE izolyacii // Izvestiya KGASU. 2018. № 2 (44). S. 246-254.
15. Veroyatnostnyj analiz dopustimyh urovnej defektnosti uchastkov linejnoj chasti magistral'nyh gazoprovodov / S.V. Nefyodov [i dr.] // Nauchno-tekhnicheskij sbornik «Vesti gazovoj nauki». 2014. № 1 (17). S. 35-40.
16. Pavlova D.V. Analiz i problemy issledovanij trub centralizovannogo teplosnabzheniya s predvaritel'noj izolyaciej iz PPU i PPM // Sovremennye nauchnye issledovaniya i innovacii. 2016. № 5. S. 70-76.
17. Razvitie podhodov k ocenke pokazatelej konstruktivnoj nadezhnosti uchastkov magistral'nyh gazoprovodov / V.M. Silkin [i dr.] // Nauchno-tekhnicheskij sbornik «Vesti gazovoj nauki». 2014. № 1 (17). S. 49-54.
18. Shojhet B.M. Pravila rascheta i proektirovaniya teplovoj izolyacii oborudovaniya i truboprovodov // Energosberezhenie. 2013. № 2. S. 44-51.
19. Shojhet B.M. Proektirovanie teplovoj izolyacii truboprovodov teplovyh setej // Energosberezhenie. 2015. № 1. S. 50-57.
20. Shojhet B.M., Stavrickaya L.V. Teplovaya izolyaciya promyshlennogo oborudovaniya // Energosberezhenie. 2003. № 2. S. 1-5.
21. Andryushkin A.Yu., Kadochnikova E.N., Afanas'ev E.O. Snizhenie opasnosti vozniknoveniya razrusheniya stykov trub teplovyh setej // Problemy upravleniya riskami v tekhnosfere. 2019. № 4 (52). S. 107-112.
22. Andryushkin A.Yu., Kadochnikova E.N., Afanas'ev E.O. Obespechenie bezopasnosti ekspluatacii teplovyh setej // Nauch.-analit. zhurn. «Vestnik S.-Peterb. un-ta GPS MCHS Rossii». 2019. № 4. S. 37-42.
23. Andryushkin A.Yu. Primenenie sverhzvukovogo gazodinamicheskogo napyleniya pri mnogostrujnoj podache gaza dlya snizheniya veroyatnosti otkaza mnogoslojnyh funkcional'nyh pokrytij: monografiya. SPb.: BGTU «VOENMEKH», 2021. 258 s.
43
