CC BY
47Т Е Х Н И Ч Е С К И Е
НАУКИ
А.А. Шелудков
ПРИМЕНЕНИЕ ТРУБ ИЗ СОВРЕМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТРОИТЕЛЬСТВА ТЕПЛОВЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Верный выбор материала труб и теплоизоляции для наружных тепловых сетей имеет важную роль в строительной индустрии. Ошибка в данном вопросе сулит частой аварийностью и быстрым выходом из строя вновь построенных тепловых сетей. Особенно остро проблема стоит в районе Крайнего севера, где суровые климатические условия (температура в холодную пятидневку до -56 0С, СП 131.13330.2018), а также наличие вечномерзлых грунтов диктуют свои условия.
Подземная прокладка сети в вечной мерзлоте имеет ряд минусов: во-первых, трудоемкость процесса строительства; во-вторых, сложность в обслуживании; в-третьих, высокая аварийность. Ввиду этого, строительство тепловой сети осуществляют надземным способом - на эстакадах. Данный способ исключает все перечисленные недостатки подземной прокладки на Крайнем севере.
Критические климатические условия внешней среды выдержит не каждый теплоизолирующий материал и материал труб. В статье проведен анализ современных материалов труб и тепловой изоляции, которые возможно применять для строительства тепловой сети в условиях Крайнего севера надземным способом, а также определен наиболее подходящий материал труб и тип теплоизоляции для данных климатических условий.
Ключевые слова: теплоизоляция, тепловая сеть, Крайний север, трубы, материал труб, теплопроводность.
Материалы изоляции трубопроводов тепловой сети. Теплоизоляция наружных сетей теплоснабжения, строящихся надземным способом в условиях Крайнего севера, должна отвечать самым высоким требованиям по надежности, теплопроводности, сроку эксплуатации - в лучшем случае сопоставимому со
© Шелудков А.А., 2021.
Научный руководитель: Афонин Константин Викторович - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теплогазоснабжения и вентиляции, Тюменский индустриальный университет, Россия.
сроком службы основного трубопровода. Требования к теплоизолирующим материалам закреплены в СП 61.13330.2012. Ниже приведены некоторые виды теплоизоляции трубопроводов. - Стекловата.
Рис. 1. Стекловата
Для изготовления стекловаты, в основе которой лежит стекловолокно, используется кварцевый песок. При монтаже изоляции из данного материала необходимо применять специальные защитные средства. Во многих странах стекловата запрещена к производству ввиду ее вредности для здоровья, что и обуславливает небольшую стоимость. Также к минусам относится чувствительность к внешней среде без отсутствия защитного слоя из рубероида или фольги. Теплопроводность материала: 0,030 - 0,052 Вт/м*К, температурный диапазон работы: -60 - +450 0С.
- Минеральная вата.
Рис. 2. Минеральная вата
Теплоизоляцию трубопроводов удобно проводить базальтовой (минеральной) ватой, имеющей форму цилиндра. Данный материал имеет отличные теплоизоляционные свойства, при нагревании не выделяет каких-либо токсичных веществ. Минусом является недолговечность и чувствительность к агрессивной внешней среде. Теплопроводность материала: 0,035 - 0,046 Вт/м*К, температурный диапазон работы: -190 - +700 0С.
- Фольгированный утеплитель.
Рис. 3. Фольгированный утеплитель
Данный материал имеет в своем составе светоотражающий слой, уменьшающий отдачу тепла. Прост в укладке, сравнительно недорогой, широко применяется в строительстве. Теплопроводность материала: 0,037 - 0,039 Вт/м*К, температурный диапазон работы: -60 - +100 0С. - Пенофол.
Рис. 4. Пенофол
Данный материал состоит из вспененного полиэтилена с закрытыми порами, а также одинарного или двойного (с одной, либо с обеих сторон) слоя алюминиевой фольги. Для удобства монтажа существует самоклеящаяся форма пенофола с клеевым слоем. Диапазон рабочих температур: от -60 до +100 0С. Работа отражающей изоляции Пенофола основана на высокой теплоотражающей способности алюминия. Не несет вред экологии. Коэффициент теплопроводности: 0,049 Вт/м*К.
- Изоляция из каучука.
Рис. 5. Изоляция из каучука
Плюс данного вспененного материала - его эластичность. Является наиболее долговечным из рассматриваемых материалов, не подвержен гниению, не пропускает влагу и устойчив к парообразованию. Срок службы до 30 лет. Теплопроводность материала: 0,036 Вт/м*К, температурный диапазон работы: -185 - +150 0С.
- Пенополиуретановая изоляция.
Рис. 6. Пенополиуретановая изоляция
ППУ изоляция считается наиболее эффективным утеплителем на рынке. Если сравнивать с классической минеральной ватой, то толщины ППУ изоляции нужно меньше в 2 раза при тех же самых характеристиках теплопроводности. Материал стойкий к агрессивной внешней среде, реализуется по конкурент-носпособной цене. Теплопроводность материала: 0,019 - 0,022 Вт/м*К, температурный диапазон работы: -110 - +130 0С.
Материалы труб тепловой сети. Как правило, трубопроводы, применение которых возможно в условиях холодного климата, маркируют с пометкой Х (для холодного климата). Современный рынок предлагает широкий ряд материалов труб для применения в холодном климате, от классической углеродистой стали до инновационных теплоизолированных труб Касафлекс и труб в ППУ изоляции. Рассмотрим плюсы и минусы наиболее популярных материалов.
- Трубы из углеродистой стали.
Рис. 7. Трубы из углеродистой стали
Стальные трубы (ГОСТ 3262-75) имеют высокие показатели прочности, хорошо выдерживают повышение температур и давления. На рынке они широко распространены, имеют невысокую стоимость в сравнении с аналогами и широкий ассортимент диаметров и размеров. Также монтаж и сварка данного типа труб хорошо освоены и просты.
Ассортимент выделяют: электросварные, бесшовные, прямошовные изделия, трубу со спиральным
швом.
Минусы данных труб: большой удельный вес и низкая стойкость к коррозии, что обуславливает их сравнительно небольшой срок эксплуатации: 20-25 лет. - Оцинкованные трубы из углеродистой стали.
Рис. 8. Оцинкованные трубы из углеродистой стали
Данный вид трубопроводов изготавливается по ГОСТ 10705-80. Цинковое покрытие труб, толщиной 43 мкм, увеличивает их стойкость к коррозии. Трубы широко распространены и доказали свою эффективность во время многолетней практики эксплуатации.
Особенностью эксплуатации оцинкованных трубопроводов является низкая температура теплоносителя, не превышающая +60 0С. Связанно это с тем, что при увеличении температуры теплоносителя свыше +60 0С, в оцинкованной трубе возникает эффект электрохимической коррозии. Соответственно, в условиях Крайнего севера данный вид трубопроводов не сможет работать исправно и долговечно.
- Биметаллические трубы с поверхностной плакировкой.
Рис. 9. Биметаллические трубы с поверхностной плакировкой
Биметаллические трубопроводы изготавливаются по ГОСТ 10885-85, являются тубами из двухслойной стали, основной слой выполнен из низколегированной или углеродистой стали. На нее методом горячего проката наносится плакирующий слой из стойких к коррозии сплавов на основе никеля и хрома, что обуславливает высокие антикоррозионные свойства. К минусом можно отнести только высокую стоимость в сравнении с аналогичными трубопроводами без покрытия.
- Горячедеформированные бесшовные стальные трубы.
Рис. 10. Горячедеформированные бесшовные стальные трубы
Горячедеформированные бесшовные стальные трубы изготавливаются по ГОСТ 8732-78, имеют аналогичные эксплуатационные характеристики, что и трубы из углеродистой стали, но применяются тогда, когда сварные конструкции не допускаются правилами Ростехнадзора (температура теплоносителя более +115 0С, ФЗ №116 от 21.07.97).
- Чугунные трубы с шаровидным графитом.
Рис. 11. Чугунные трубы с шаровидным графитом
Трубопроводы ВЧШГ изготавливаются по ГОСТ ISO 2531-2012 с максимальным давлением 1,6 МПа (16 атм) и максимальной температурой теплоносителя +150 0С. Скорость их коррозии в 10 раз меньше, чем у труб из углеродистой стали, за счет состава чугуна и сферической формы графитовых включений. Также за счет сферических включений исключается образование трещин в теле трубы, повышается пластичность и прочность трубопровода. Соответственно, время безаварийной работы при правильном
монтаже увеличивается до 50 лет. Но, ввиду специфики чугуна как материала, трубопроводы из него сложны в монтаже и сварке, что является минусом данного вида труб. - Трубопроводы изопрофлекс и касафлекс.
1. Напорная спирально-гофрированная стальная труба
2. Гибкий сигнальный кабель системы оперативного дистанционного контроля (ОДК)
3. Слой теплоизоляции (полужесткий пенополиуретанизоцианурат)
4. Барьерный слой
5. Защитная оболочка из полиэтилена
6. Идентификационные полосы серого цвета
Рис. 12. Трубопроводы изопрофлекс и касафлекс
В последнее время широкое распространение в строительстве трубопроводных сетей получили трубопроводы из полимерных материалов. Но, ввиду повышенной пластичности при увеличении температуры жидкости в них, в строительстве тепловых сетей они не использовались. Однако с применением технологии армирования при производстве гибких полимерных труб стало возможным увеличить температуру теплоносителя, проходящего по данному типу труб, вплоть до +155 0С.
Трубы марок Изопрофлекс-А и Касафлекс предназначены для работы с теплоносителем температурой до +115 0С и до +155 0С соответственно. Заводская изоляция из пенополиуретана снижает потери тепла при транспортировке теплоносителя.
Гибкость данного вида трубопроводов позволяет выполнять проектирование без учета теплового расширения. Также трубы марок Изопрофлекс-А и Касафлекс поставляются в бухтах.
Гибкость, как плюс трубопровода при температурном расширении, играет с ним злую шутку при надземной прокладке: от опоры к опоре трубопровод из полиэтиленовых материалов будет провисать к середине, тем самым создавая дополнительные гидравлические сопротивления для теплоносителя, а также механическое напряжение в точке перегиба трубопровода, что чревато аварией. Также большим минусом является завышенная цена за погонный метр - наиболее дорогостоящий материал из рассматриваемых.
- Трубы в ППУ изоляции.
Рис. 13. Трубы в ППУ изоляции
Трубопроводы в пенополиуретановой (ППУ) изоляции изготавливаются согласно ГОСТ 30732-2006 - это конструкция, изготовленная по принципу «труба в трубе»: внутренняя рабочая труба и наружная защитная, промежуток между ними заполнен теплоизоляцией ППУ. Труба, ввиду своей жесткой конструкции, возможна к применению для надземной прокладки.
Также трубопроводы с ППУ изоляцией возможно оснастить системой ОДК - системой оперативного дистанционного контроля, передающей данные о состоянии трубопровода в реальном времени на АРМ оператора.
Основной трубой могут выступать: Стальные трубы из углеродистой стали по ГОСТ 3262-75, Оцинкованные трубы из углеродистой стали по ГОСТ 10705-80, Биметаллические трубы с поверхностной плакировкой по ГОСТ 10885-85 и Горячедеформированные бесшовные стальные трубы по ГОСТ 8732-78.
Теплоизолирующий материал - пенополиуретан (ППУ), изготавливаемый по ГОСТ 30732-2006.
Внешняя защитная оболочка - либо полиэтилен низкого давления по ГОСТ 18599 (предпочтительно для подземной прокладки), либо оцинковка по ГОСТ 52246-2004 (предпочтительно для наземной и надземной прокладки).
Данный вид трубопроводов широко применяется в строительстве наружных тепловых сетей, также и в районе Крайнего севера. Это оправдано как хорошими эксплуатационными свойствами - малой теплопроводностью ППУ изоляции, долговечностью и низкой аварийностью; так и с экономической точки зрения - ввиду налаженной линии производства данных труб во многих регионах России, трубы реализуются по приемлемой цене.
Выбор материала для проектирования и строительства тепловой сети в условиях Крайнего севера.
Наиболее предпочтительный материал основной трубы с точки зрения эксплуатации, согласно приведенному выше анализу: Биметаллические трубы с поверхностной плакировкой по ГОСТ 10885-85.
Наиболее предпочтительный теплоизолирующий материал: ППУ изоляция.
Так как в настоящий момент заводы изготовители предлагают биметаллические трубы с поверхностной плакировкой в ППУ изоляции с внешним оцинкованным слоем заводского изготовления, данный вариант считается наиболее подходящим для применения в условиях Крайнего севера для строительства наружных тепловых сетей как с практической, эксплуатационной, так и с экономической точек зрения.
Диаметр основного трубопровода тепловой сети определяется в зависимости от расхода и скорости движения теплоносителя. Толщина теплоизоляционного слоя определяется по методике, согласно СТО 72746455-4.5.1-2015, принимается ближайшее по сортаменту значение.
Таким образом, был проведен анализ рынка современных материалов для проектирования и строительства наружных тепловых сетей, проанализированы их свойства и подобран наиболее подходящий материал для строительства наружной надземной тепловой сети в условиях Крайнего севера: Биметаллические трубы с поверхностной плакировкой по ГОСТ 10885-85 в ППУ изоляции по ГОСТ 30732-2006 и с наружным оцинкованным защитным слоем по ГОСТ 52246-2004.
Библиографический список
1.СП 131.13330.2018 "СНиП 23-01-99* Строительная климатология" / Свод правил от 28 ноября 2018 г. № 131.13330.2018;
2. СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов». Актуализированная редакция СНиП 41-03-2003 (с Изменением N 1);
3.ГОСТ 3262-75 «Трубы стальные водогазопроводные». Технические условия (с Изменениями N 1, 2, 3, 4, 5, 6) / ГОСТ от 11 сентября 1975 г. № 3262-75;
4.ГОСТ 10705-80 Трубы стальные электросварные. Технические условия (с Изменениями N 1-8) / ГОСТ от 25 декабря 1980 г. № 10705-80;
5.ГОСТ 10885-85 Сталь листовая горячекатаная двухслойная коррозионно-стойкая. Технические условия (с Изменениями N 1, 2) / ГОСТ от 26 августа 1985 г. №10885-85;
6.ГОСТ 8732-78 Трубы стальные бесшовные горячедеформированные. Сортамент (с Изменениями N 1, 2) / ГОСТ от 22 марта 1978 г. № 8732-78.;
7.Федеральный закон "О промышленной безопасности опасных производственных объектов" от 21.07.97 N 116-ФЗ (ред. От 08.12.2020г.);
8.ГОСТ ISO 2531-2012 Трубы, фитинги, арматура и их соединения из чугуна с шаровидным графитом для водо-и газоснабжения;
9.ГОСТ 30732-2006 Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой. Технические условия;
10. ГОСТ 18599-2001 Трубы напорные из полиэтилена. Технические условия (с Поправкой, с Изменениями N 1, 2) / ГОСТ от 23 марта 2002 г.;
11. ГОСТ Р 52246-2004 Прокат листовой горячеоцинкованный. Технические условия;
12. СТО 72746455-4.5.1-2015 «Системы тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. Техническое описание. Требования к проектированию, материалам, изделиям и конструкциям».
ШЕЛУДКОВ АРТЁМ АНДРЕЕВИЧ - магистрант, Тюменский индустриальный университет, Россия.
