Журнал Полимерные трубы - Технологии и материалы

Еволюція труб для теплопостачання та ГВП

Частина перша. Традиційні теплові мережі та поява альтернативних полімерних рішень

Розробка та введення в експлуатацію систем централізованого теплопостачання (ЦТ) почалися наприкінці XIX століття. Проте тоді залежно від географії проекту реалізація технічних концепцій відрізнялася одна від одної. Після Другої Світової війни під час відбудови інфраструктури країн Європи та республік Радянського Союзу були забезпечені всі умови для глобального запуску будівництва централізованого теплопостачання. У 1950-1960-х роках у багатьох містах таких країн як Австрія, Данія, Фінляндія, Німеччина, Угорщина, Нідерланди, Польща, СРСР і Швеція були збудовані свої власні ТЕЦ і муніципальні централізовані системи опалення. В кінці 80- 90-х років стався ряд глобальних подій: розвал СРСР, об'єднання Європи, нова лібералізація, практика узгодження дій учасниками світового ринку. Були прийняті нові всесвітні стратегії щодо захисту навколишнього середовища, розроблені наукові програми для зменшення викидів ТЕЦ. І на тлі всього цього централізоване теплопостачання постійно еволюціонувало – з новими можливостями та потенціалом.

У цьому матеріалі ми розглянемо один з аспектів ЦТ – передачу тепла споживачеві. Ключовим питанням ефективної роботи таких мереж є передача тепла/гарячого водопостачання (ГВП), а саме – мінімізація теплових втрат на всій протяжності трубопроводів і скорочення витрат на їх ремонт і експлуатацію.

З моменту запуску перших муніципальних проектів у ХІХ столітті єдиним матеріалом для трубопроводів довгий час були виключно сталеві труби. При належному високому рівні водопідготовки вони можуть транспортувати теплоносій тривалий час – у робочих режимах температури від 70 до 180 оC і тиску від 0,3 до 1,6 МПа. Однак проблеми, зумовлені корозією металу (електрохімічна, біологічна), як і раніше у перших рядках робочого порядку денного теплопостачальних компаній.

Одним з важливих факторів, що впливають на корозійні процеси, є якість теплоізоляції. Неефективна теплоізоляція попередніх поколінь пропускала вологу, що було причиною корозійного руйнування провідної труби, а також призводило до значного збільшення теплових втрат. Позитивних змін у цьому напрямку вдалося досягти в 50-і роки минулого століття, коли стало можливим застосування в якості теплоізолюючого матеріалу спінений поліуретан.

Розробка полімерних матеріалів почалася в 30-і роки ХХ століття з однією метою: гостра необхідність знайти замінник стратегічним видам сировини – натурального каучуку, сталі та пробці. Однією з перспективних наукових розробок став пінополіуретан (ППУ). Його переваги були досліджені та перевірені в різних галузях промисловості в 50-60-і роки і набули актуальності в 70-ті роки – з початком світової енергетичної кризи. Ситуація того часу змусила провідні європейські країни та США розробити національні енергетичні програми, що стимулювали раціональне використання енергоресурсів у найширшому спектрі людської діяльності. Таким чином, поряд з розвитком традиційних та альтернативних джерел енергії на перший план були поставлені заходи з економії енергоресурсів. З цього часу в США і країнах Західної Європи широке застосування отримали системи теплоізоляції трубопроводів пінополіуретаном конструкції «труба в трубі». Майже 40-річний досвід застосування даної теплоізоляції в трубопроводах тепло- і гарячого водопостачання (ГВП), магістральних нафтогазопроводів, конденсатопроводів та інших системах довів її економічну й технологічну ефективність. Поясненням цьому є характеристики пінополіуретану:

• термін експлуатації – 30-50 років за умови відсутності механічних пошкоджень. Сучасні дослідження властивостей зразків ППУ, здійснені фахівцями, показали, що з моменту їх заливки в 70-ті роки в домобудівні конструкції (стіни, дахи, фундаменти) і в трубопроводах їх властивості не змінилися;
• застосування в широкому діапазоні температур (від -250 до 180 оС);
• коефіцієнт теплопровідності 0,023-0,032 Вт/(м•К);
• матеріал біологічно нейтральний, стійкий до впливу мікроорганізмів, цвілі, гниття;
• належить до групи важкогорючих матеріалів, самостійного горіння не підтримує;
• водопоглинання матеріалу з поверхневою плівкою при вологості 98 % за 24 години – 0,04 % або 2 г/м2;
• пінополіуретан є неплавкою термореактивною пластмасою з яскраво вираженою комірчастою структурою. Тільки 3 % від обсягу ППУ займає твердий матеріал, який утворює каркас з ребер і стінок. Кристалічна структура надає матеріалу механічної міцності. Решта 97 % обсягу займають порожнини та пори, заповнені газом з надзвичайно низькою теплопровідністю, причому частка замкнутих пір досягає 90-95 %;
• при підвищених характеристиках міцності ППУ зберігає високу еластичність: межа деформації при розриві досягає 350 %, що забезпечує значення міцності на рівні 50 МПа.

Ці характеристики і стійкість матеріалу до впливу високих температур визначили сферу застосування ППУ в якості теплової ізоляції для широкого спектру трубопровідних систем: труби опалення та труби гарячого водопостачання, попередньо теплоізольовані трубопроводи з можливістю безканальної прокладки мереж.

ДСТУ Б В.2.5-31:2007. Трубопроводи попередньо теплоізольовані спіненим поліуретаном для мереж гарячого водопостачання та теплових мереж, п.1.

«Трубопроводи ПТПУ з провідною трубою зі сталі та оболонкою з поліетилену застосовують у підземних теплових мережах опалення, які транспортують воду і водяний пар з максимальним робочим тиском не більше 1,6 МПа, з температурою не більше 140 °С при постійному режимі експлуатації і температурою не більше 150 °С при пікових підвищеннях температури протягом не більш 240 годин на рік».

Сталеві труби в ППУ теплоізоляції є одним з найбільш оптимальних на сьогоднішній день рішень, що успішно застосовується на всіх континентах для будівництва магістральних трубопроводів опалення та гарячого водопостачання. Однак у зовнішніх розподільчих (внутрішньо квартальних) мережах опалення та ГВП діаметри провідної труби – менші, робоча температура та клас тиску – нижчі, ніж у магістральних (температура до 95 оС і тиск 0,3 - 1,0 МПа). Тут існує цілий комплекс факторів, через які сталева труба піддається більш інтенсивному впливу корозії (електрохімічної, біологічної в т.ч.). Внаслідок чого виникає потреба регулярно латати аварійні ділянки чи повністю міняти відрізки траси. Проведення робіт ускладнюється тим, що ці ділянки мережі знаходяться в районах щільної міської забудови з частими перетинами існуючих інших інженерних мереж. Також дія корозії різко знижує ККД теплотехнічного обладнання та погіршує якість води (іржа, бруд), що транспортується.

Досвід експлуатації показує, що середній термін служби магістральних мереж становить 16-18 років, розподільних внутрішньо квартальних – 6-8 років, проте багато теплопроводів (найчастіше це саме мережі ГВП) виходять з ладу вже через 2-3 роки. Оскільки на такий короткий термін експлуатації планові заміни не передбачаються, збільшується обсяг робіт по відновленню та реконструкції таких мереж, що вимагає великих матеріальних і трудових ресурсів.

Стан сталевих трубопроводів залежить також від якості монтажу. Так під час виконання безканальної прокладки обов'язковим є облаштування П-подібних компенсаторів і кутів повороту – в нішах і канальних прокладках, що підвищує сукупну вартість теплової мережі та викликає ряд експлуатаційних незручностей. Найбільш слабкими ділянками безканальних прокладок є зварні стики і місця введення в камери. Стики ізолюються на місці після закінчення монтажу, роботи виконуються вручну, при цьому, як показує досвід, якість ізоляції часто виявляється незадовільною.

Яке ж рішення можна запропонувати муніципальним підприємствам теплових мереж для зменшення експлуатаційних витрат? Відповіді прийшли з багаторічної практики використання полімерних матеріалів для реконструкції внутрішньо будинкових інженерних мереж.

Історія впровадження різних полімерів та їх модифікацій на ринку інженерних трубопроводів наведена у табл. 1.

Таблиця 1. Хронологія появи та впровадження полімерних матеріалів у трубопровідних системах

Матеріал Час ство-рення, рік Країна-розробник
Полівінлхлорид ПВХ PVC 1935 Німеччина
Поліетилен високої густини ПЕВГ HDPE 1952 Великобританія, США
Поліетилен низької густини ПЕНГ LDPE 1955 Німеччина, США
Поліпропилен ПП PP 1958 Італія, США
Поліетилен молекулярно зшитий ПЕКС PE-X 1972 Швеція
Полібутен ПБ PB 1972 США
Композитні метало-пластикові труби МП 1979-1990 Великобританія, Німеччина
Рандом поліпропілен ППР PPR 1992 Європа
Поліпропілен, армований скловолоконною опліткою ППР PPR 2002 Німеччина
Труби з РЕХ-а, армовані високоарамідним волокном ПЕ-КС PE-Xa 2005 СНД
Труби з PE-RT тип ІІ ПЕ-РТ ІІ PE-RT type ІІ 2013 США
Труби з РE-RT, армовані високоарамідним волокном ПЕ-РТ ІІ PE-RT type ІІ 2015 СНД
Таким чином, протягом 1980-90 років сформувалася ціла група полімерних матеріалів, альтернативних сталі, для будівництва і реконструкції внутрішніх інженерних мереж холодного та гарячого водопостачання, опалення. Застосування цих матеріалів багато в чому вирішило питання, пов'язані з корозією та аварійними ситуаціями мереж всередині будівель. З цього великого переліку ми розглянемо лише термостійкі полімери для трубопроводів опалення та гарячого водопостачання:
– поліпропілен (ППР/ PPR - random polypropylene)
– полібутен (ПБ/ PB)
– три типи зшитого поліетилену (ПЕКС-а/ PE-Xa, ПЕКС-б/ PE-Xb, ПЕКС-с/ PE-Xc)
– поліетилен підвищеної термостійкості (ПЕ-РТ/ PE-RT = Polyethylene of Raised Temperature resistance)

Кожен із зазначених матеріалів має ряд монтажних і експлуатаційних переваг перед сталевими трубами:

• не схильні до відомих видів корозії (біологічна, електрохімічна), тому термін служби полімерних труб у 3-5 разів довший, ніж сталевих, та досягає 50 і більше років;
• гладка внутрішня поверхня полімерних труб не дозволяє твердим частинкам приставати до їхніх стінок, тому останні не «заростають» та зберігають первинний внутрішній переріз. Якщо ж подивитися на зріз сталевої труби після 10 років експлуатації, а ще краще на гори іржавого бруду, який залишається після прочищення трубопроводу, надовго зникає бажання пити воду з-під крана. Дослідження Інституту гігієни ім. Ерісмана показали, що всередині металевих труб, окрім продуктів корозії та внутрішніх відкладень, розмножуються бактерії, які харчуються сполуками заліза;
• хороша ударостійкість, мала вага, простий і надійний монтаж;
• вартість капітальних вкладень на монтаж і облаштування полімерних трубопроводів у більшості випадків майже однакова зі сталевими, а інколи навіть нижча – за рахунок зниження трудомісткості монтажу в 3-8 разів і скорочення часу проведення робіт;
• мають високу стійкість до дії високих температур і робочого тиску;
• теплопровідність полімерів значно нижча, ніж у металів. Завдяки цьому зменшуються теплові втрати при транспортуванні гарячих рідин.

Усі зазначені полімери успішно пройшли багаторічну перевірку експлуатацією у внутрішніх будинкових інженерних мережах як у вигляді трубопроводів з однорідної стінкою з полімерного матеріалу, так і «стабілізовані» алюмінієм («штаби»). За двадцять років експлуатації полімерні трубопровідні рішення заслужено зайняли свою нішу на будівельному ринку: надійний і простий монтаж, ефективна багаторічна експлуатація, енергоефективність, естетичність у сучасних інтер'єрах.

Саме тому у 1980 роки світові компанії-виробники провели аналогію між еволюцією матеріалу труби у внутрішніх інженерних мережах зі сталевими трубами в зовнішніх мережах опалення та гарячого водопостачання. А потім спробували підібрати надійну технологію для реконструкції внутрішньо квартальних мереж опалення та ГВП: як найбільш схильних до всіх видів корозії. У випадку зі сталевими трубами складно гарантувати високий рівень послуг (температура носія та якість гарячої води) і заявлений ККД теплового обладнання протягом усього терміну експлуатації.

Перелік вимог до трубопроводів з полімерів для внутрішньо квартальних мереж опалення та ГВП наведено у табл. 2.

Таблиця 2. Перелік вимог до термостійких полімерів
Параметри експлуатації
– робоча температура
– тиск
до 95 о С
0,6 и 1,0 МПа
Стійкість до впливу корозії
біологічна, електрохімічна
Простота та надійність монтажу (тип з’єднання, обладнання)
зварювання, фітинги
Термін експлуатації в заданому режимі
не менше 20 років
Діапазон діаметрів (розмір) провідної труби від 40 до 180 мм

Перелік і характеристики матеріалів, які увійшли до групи термостійких полімерів та пропонуються компаніями-виробниками для будівництва і реконструкції трубопроводів технологічного призначення і внутрішньо квартальних мереж опалення та ГВП, наведено табл. 3.

Друга частина статті «Різновиди полімерних труб для мереж теплопостачання та ГВП» буде надрукована у наступному номері журналу.
У ній будуть детально розглянуті: труби з поліпропілену (PPR), трубы з полібутену (ПБ/РВ), труби з поліетилену підвищеної термостійкості (ПЕ-РТ / PE-RT), труби з поліетилену підвищеної термостійкості (ПЕ-РТ / PE-RT) армовані, труби зі зшитого поліетилену (ПЕКС / РЕ-Х), труби зі зшитого поліетилену (ПЕКС-а / PE-Ха) армовані.
 
Автор: Світлана Полторак
 
 
 
 
ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА