Из-за увлажнения изоляционных материалов в процессе эксплуатации теплозащитные свойства теплоизоляционных конструкций резко снижаются, это приводит к потерям тепла, в два-три раза превышающим нормативные. Общие потери тепла в системах централизованного теплоснабжения (78 млн т.у.т/год) составляют около 20% от отпускаемого тепла, что в два раза больше аналогичного показателя стран Западной Европы.

Автор: Р. МУРАШОВ

В России самый высокий уровень централизованного теплоснабжения (около 80%). Общая протяженность тепловых сетей в двухтрубном исчислении с диаметрами труб от 57 до 1400 мм составляет около 260 тыс. км. Преобладающий способ прокладки тепловых сетей — в непроходных каналах с минераловатной теплоизоляцией. Бесканальная прокладка, выполняемая из конструкций заводского изготовления с использованием изоляции из армопенобетона и битумосодержащих масс (битумоперлит, битумовермикулит, битумокерамзит), составляет 10% от общей протяженности тепловых сетей. Около 90% экономии топлива, полученной за счет комбинированных методов выработки тепла, теряется в тепловых сетях. Срок службы тепловых сетей в полтора-два раза ниже, чем за рубежом, и не превышает 12–15 лет.

Наиболее эффективным решением проблем является широкое внедрение в практику строительства тепловых сетей трубопроводов с пенополиуретановой теплоизоляцией типа «труба в трубе». Идея не нова. Еще в 1960-х годах в СССР осуществлялись опытные работы по использованию полиэтиленовых труб и вспененных полимерных материалов для изоляции подземных тепловых сетей. Но тогда это направление не получило широкого распространения из-за ограниченного производства и дороговизны используемых полимерных материалов.

Технические требования к тепловой изоляции

Применяемые материалы должны обладать высокими теплоизоляционными свойствами (коэффициент теплопроводности материала не должен превышать 0,06 Вт/(м • °С), долговечностью (стойкостью к действию воды, химической и биологической агрессии), морозостойкостью и механической прочностью, пожарной и экологической безопасностью. Наиболее полно отвечает этим требованиям пенополиуретан. Пенополиуретановая теплоизоляция обычно наносится на трубы в заводских условиях, а места стыков теплоизолируются на месте строительства после сварки и испытания трубопровода.

В Западной Европе такие конструкции применяются с середины 1960-х годов и отвечают европейским стандартам EN 253:1994, а также EN 448, EN 488 и EN 489. Они обеспечивают следующие преимущества перед существующими конструкциями: повышение долговечности (ресурса) трубопроводов в дватри раза; снижение тепловых потерь в два-три раза; снижение эксплуатационных расходов в два раза (удельная повреждаемость снижается в 10 раз); снижение капитальных затрат в строительстве в дватри раза; наличие системы оперативного дистанционного контроля за увлажнением теплоизоляции.

Предварительно изолированные трубы изготавливаются из различных материалов в зависимости от условий эксплуатации. Для строительства теплотрасс наиболее широко используются стальные трубы.

Соответствие предварительно изолированных труб государственным стандартам Для изготовления изолированных труб используют стальные трубы наружными диаметрами 57–1020 мм, длиной до 12 м, соответствующие ГОСТ 550, 8731, 8733, 10705, 20295, требованиям действующих нормативных документов 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, 17376 и 17378.

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

Чтобы избежать коррозии труб, необходимо использовать обработанную воду. Обработка воды зависит от местных условий, но обычно рекомендуется соблюдать следующие требования:

• рН = 9,5–10;
• отсутствие свободного кислорода;
• общее содержание солей 3000 мг/л.

Стандартная длина труб 6–12 м, но технология позволяет наносить теплоизоляцию на трубы любой длины и изготовленные из других материалов.

Технические требования к изолированным трубам и деталям трубопровода зафиксированы в ГОСТ 30732–2001 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке», введенном в действие 01.07.01.

Стандарт распространяется на стальные трубы и фасонные изделия с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке, предназначенные для подземной бесканальной прокладки тепловых сетей со следующими расчетными параметрами теплоносителя: рабочим давлением до 1,6 МПа и температурой до 130 °C (допускается кратковременное повышение температуры до 150 °C). ГОСТ 30732–2001 составлен с учетом европейских стандартов:

• EN 253–1994 «Трубопроводы сварные, предварительно изолированные для подземных систем горячего водоснабжения. Система трубопроводов, состоящая из стального магистрального трубопровода с полиуретановой 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 Украине действует отраслевой стандарт на трубы с теплоизоляцией из пенополиуретана (ГСТУ 34-204-88-002-98), который распространяется на трубы диаметром от 25 до 800 мм.

Тип и размерность

Для обеспечения максимальной эффективности (стоимость изоляции/тепловые потери) устанавливаются определенные диаметры наружной изоляции трубопроводов из пенополиуретана для различных климатических поясов. Трубы и фасонные изделия могут быть с толщиной изоляции двух типов: тип 1 — стандартный, тип 2 — усиленный (табл. 1). Защитные кожухи изготавливаются в виде тонкостенных труб из полиэтилена высокой плотности. Они предназначены для трубопроводов, расположенных непосредственно в земле, обеспечивая их водонепроницаемость и механическую защиту (табл. 2). 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 трубыоболочки) являются рекомендуемыми и определяются проектным решением. Проектные решения обычно базируются на рекомендациях заводов-изготовителей. Например, некоторые компании сопровождают свою продукцию 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.

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. Применяемый для тепловой изоляции жесткий полиуретановый пенопласт изготавливается из высокомолекулярных спиртов — полиола и изоцианата. Пенопласт представляет собой однородную массу, имеющую среднюю величину пор 0,5 мм. 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 изоляцию при температурах до 130 °С.

Практика монтажа

Изолирование участков труб со сварными стыками или ремонт изоляции может производиться по одной из указанных схем:

1. Установка изолирующих накладок 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.

Технология установки муфт проста и при этом используется минимум инструментов. Стык состоит из двух частей, скрепляемых с помощью специальных конусов или винтов. Герметик, расположенный между внешней оболочкой трубы и муфтой, делает стык влагонепроницаемым. Теплоизоляция производится с помощью пенопакетов, они просты в обращении и дают при заливке точную дозировку и однородность пенополиуретана.

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. 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.

Срок службы предварительно изолированных труб в системах ЦТ зависит от процесса старения самой трубы, включая возможную коррозию стальной трубы, температурное сопротивление пенополиуретанового изоляционного материала, а также полиэтиленовой 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 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  словием является соблюдение герметичности стыков трубы-оболочки.

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 минимум 30 лет при условии постоянной эксплуатации системы с теплоносителем температурой 120 °C. В системе, где температура менее 95 °C, срок службы практически может быть неограниченным. На протяжении испытаний температура подаваемой воды варьировалась в диапазоне 100–115 °C, а температура 115 °C поддерживалась на протяжении трех самых холодных зимних месяцев. Если предположить, что максимальная температура подаваемой воды будет 110 °C 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 трубы не нуждаются в ремонте вообще.

Это 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 используется при расчете 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. Число циклов нагружений остается, хотя пенополиуретановый изоляционный материал сохраняет свои свойства и далее.

Прочность на сжатие

Предел прочности на сжатие для пенополиуретанового изоляционного материала ограничен и определяет условия максимального заглубления укладываемых труб и технологию укладки труб для систем ЦТ. Установлено, что при воздействии температуры 140 °C на протяжении длительного периода предел прочности на сжатие пенополиуретана с плотностью 75 кг/м3 падает до нуля на протяжении 15 месяцев. При температуре, превышающей 125 °C, 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.

Экономические обоснования

Данные в табл. 5 и 6 дают представление об экономической эффективности применения различных видов теплоизоляции. Видны преимущества ППУ-изоляции, которые подтверждены многолетним опытом эксплуатации тепловых сетей в России и зарубежных странах. 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 не отличаются от традиционной бесканальной прокладки. Максимально использованы существующие типовые строительные конструкции.
Существует возможность отказаться от дренажа или перейти к его облегченным типам.