Трубы в предизоляции для тепловых сетей

Экономическая целесообразность централизованного теплоснабжения крупных российских городов в значительной мере определяется долговечностью трубопроводов и качеством их теплоизоляции. Мировой и отечественный опыт последних десятилетий показывает, что решение проблем тепловых сетей возможно только при использовании предварительно изолированных (в заводских условиях) труб. В России выпускаемые предизолированные трубы можно разделить на два класса – металлические и полимерные. Теплоизолятором служит пенополиуретан (ППУ), обладающий мелкоячеистой структурой с замкнутыми порами. Преимущества ППУ – низкая теплопроводность и малое влагопоглощение. Недостатки – ограниченная температурная стойкость (максимум - до 1500С), горючесть. Ниже рассмотрены основные виды предизолированных труб, используемых для внешних тепловых сетей.

Стальные трубы в ППУ изоляции c 01 января 2008 года выпускаются согласно межгосударственному стандарту ГОСТ 30732-2006 «Трубы и фасонные изделия стальные с тепловой изоляцией из пенополиуретана с защитной оболочкой». Трубы рассчитаны на эксплуатацию при давлениях до 1,6 МПа, температуре теплоносителя – до 1400С (допускается повышение температуры не более 1500С в пределах графика качественного регулирования отпуска тепла 1500С - 700С). Наружный диаметр стальных труб – от 32 мм до 1420 мм, трубы выпускаются в мерных отрезках длиной до 12 м. Защитная оболочка - из полиэтилена (для бесканальной прокладки) или оцинкованной стали с завальцованным герметичным швом (для канальной и надземной прокладки). Выпускаются во многих городах России. Большой разброс по качеству выпускаемой продукции, определяемый как материалами стальной трубы и оболочки, так и технологией изготовления ППУ изоляции. Преимущества в применении стальной предизолированной трубы обусловлены широким размерным ассортиментом, стойкостью к высоким температурам и давлениям, наличием сварочной техники и квалифицированных кадров в строительных и эксплуатационных организациях. Главным недостатком этих труб является низкая коррозионная стойкость стали. Согласно отечественным нормам, скорость наружной коррозии не должна превышать 0,03 мм/год, а скорость внутренней коррозии (мм/год) классифицируется как: слабая – до 0,04, средняя – до 0,05, сильная – до 0,2 и аварийная – более 0,2. К сожалению, в городских условиях совокупность техногенных факторов приводит к существенной интенсификации (вплоть до аварийных) коррозионных процессов. Более 90% толщины стенки стальной трубы рассчитан именно на коррозионный износ. Борьба с коррозией потребовала ввести в конструкцию предизолированной трубы проводники-индикаторы системы оперативного дистанционного контроля (СОДК). Проводники расположены в толще ППУ теплоизолятора. СОДК позволяет обнаружить участки с повышенной влажностью изоляции для оперативного выполнения ремонтных работ. Предусмотренные ГОСТ 30732-2006 сроки эксплуатации предизолированного стального трубопровода (не менее 30 лет) возможны только при качественном монтаже трубопровода, соответствующей нормативам водоподготовке и обязательном наличии СОДК. Первые трубопроводы из  стальных предизолированных труб в Москве без СОДК, проложенные в период 1994-1996 г.г. /1/, в настоящее время требуют проведения широкомасштабных ремонтных работ, обычно превышающих балансовую стоимость этих сетей. Основной причиной преждевременного износа стальных труб являлось намокание теплоизолятора из-за отсутствия герметичности внешней изоляции, некачественных работ по изоляции стыков, технологического брака конструкции стыковых соединений и технологического брака в сварке полиэтиленовых оболочек на элементах трубопроводов и стыков.

Гофрированные трубы из нержавеющей стали в ППУ изоляции типа «Касафлекс» выпускаются согласно ТУ 4937-023-40270293-2005, максимальный диаметр (по внешнему размеру гофра) – 143 мм. Защитная оболочка - полиэтиленовая гофрированная труба. Эксплуатационные характеристики (максимальные давление, температура теплоносителя и срок эксплуатации) аналогичны обычной стальной трубе в ППУ изоляции. Преимущества – гибкость трубы (поэтому выпускается в длинномерных отрезках - бухтах), высокая скорость монтажа, не требует температурных компенсаторов. Недостатки – высокая стоимость (на порядок дороже обычной стальной) и высокая чувствительность к качеству водоподготовки /2/. Обязательна СОДК, т.к. намокание изоляции (при нарушении гидрозащитной оболочки) может привести к быстрой коррозии тонкостенной напорной трубы.

Полимерные трубы в ППУ изоляции для внешних тепловых сетей могут производиться из всех видов пластмасс, удовлетворяющих пятому классу эксплуатации (высокотемпературное отопление отопительными приборами) согласно ГОСТ Р 52-134 - 2003 «Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия» и санитарно-эпидемиологическим нормативам. К таким полимерным материалам относятся полипропилен, сшитый полиэтилен (РЕХ), полибутен, хлорированный поливинилхлорид, теплостойкий полиэтилен (PERT), композиционные полимерные материалы. Но фактически в России производятся предизолированные трубы с напорной трубой только из сшитого полиэтилена и стекло-базальтопластика.

Трубы из сшитого полиэтилена (РЕХ) в ППУ изоляции обладают хорошей гибкостью (радиус поворота – порядка 1 м) и достаточной теплостойкостью (до 950С). Максимальное рабочее давление – до 1 МПа. Длинномерные отрезки в виде бухт позволяют производить быстрый монтаж теплотрассы. В Российской Федерации производят длинномерные трубы (из зарубежного сырья) под следующими торговыми марками: «Изопекс» - диаметром до 110 мм (Технические условия «Трубы  «ИЗОПЭКС» из сшитого полиэтилена с тепловой изоляцией из пенополиуретана и гидрозащитным покрытием» ТУ 5768-007-27519262-02»), «Изопрофлекс» - диаметром до 160 мм (Технические условия «Трубы «Изопрофлекс» и «Изопрофлекс-А» из сшитого полиэтилена с теплоизоляцией из пенополиуретана в гофрированной полиэтиленовой оболочке» ТУ 2248-021-40270293-2005) и «Армафлекс» (соответствует ГОСТ Р 52-134-2003) - диаметром до 110 мм. Трубы из РЕХ подробно рассмотрены авторами в предыдущей публикации /3/. При большом количестве положительных свойств данного класса труб (главные из которых – гибкость и высокая химическая стойкость, что позволяет исключить СОДК) есть и существенные недостатки – резкое падение прочности с повышением температуры, значительная толщина стенки трубы и, соответственно, высокая стоимость. При расчете эксплуатации трубопровода из РЕХ по ГОСТ Р 52-134-2003 для класса эксплуатации 5 необходимо строго придерживаться следующего температурно-временного графика эксплуатации: рабочие температуры:  200С – 14 лет, 600С – 25 лет, 800С – 10 лет, максимальная температура 900С – 1 год, аварийная температура 1000С – 100 часов, для суммарного срока эксплуатации трубопровода равному 50 лет. При ином температурно-временном режиме срок службы трубопровода необходимо рассчитывать согласно температурного графика теплоснабжающей организации и правилу Майнера (Международный стандарт ИСО 13760 «Правило Майнера. Метод накопленных повреждений»).

Трубы из стекло-базальтопластика (СБП) в ППУ изоляции /4/. Стеклопластиковые трубы были впервые использованы в конце 50-х годов 20 века в США. В 70-х годах в США и странах Западной Европы они стали обычным решением проблемы коррозии трубопроводов. В настоящее время стеклопластиковые трубы широко используются в нефтяной и нефтехимической отрасли, в теплоэнергетике, коммунальном хозяйстве.

В соответствии с отраслевой программой Правительства Москвы внедрения высокоэффективных научно-технических разработок  в строительство и городское жилищно-коммунальное хозяйство разработано и освоено производство стекло-базальтопластиковых труб  и фасонных изделий для трубопроводов горячего водоснабжения с температурой воды до +75°С, рабочим давлением до1,0 МПа и трубопроводов тепловых сетей, с температурой горячей воды до +115°С и рабочим давлением до 1,6 МПа, по ТУ2296-014-03989804-2003, преимущественно для бесканальной прокладки. В связи с высокой коррозионной стойкостью труб система оперативного дистанционного контроля не требуется.
По заданию Департамента градостроительной политики, развития и реконструкции города, ОАО «Московский комитет по науке и технологиям», в рамках городского заказа по теме «Комплексные исследования труб из стекло-базальтопластика  для внутриквартальных систем водоснабжения и теплоснабжения», ГУП «НИИМосстрой» разработаны «Технические рекомендации по проектированию и бесканальной прокладке внутриквартальных трубопроводов горячего водоснабжения и теплоснабжения из стекло - базальтопластиковых труб и изделий ТР 160-04».

Производство рассчитано на выпуск труб с внутренним диаметром 50, 80, 100, 150, 200 и 300 мм в промышленной теплоизоляции. Теплоизоляция – ППУ в  стеклопластиковой  оболочке. Материал трубы, теплоизоляции, наружной оболочки позволяют производить прокладку трубопроводов бесканально, в каналах, на опорах. Длина труб 6 и 12 м с кратностью 1м. Все применяемые материалы и сырье исключительно российского производства, что существенно снижает цену готовой продукции. Эквивалентные стальным внутренние  диаметры стекло-базальтопластиковых труб, вследствие гладкой поверхности, отсутствия коррозии и зарастания внутреннего сечения трубопровода, определяются из соотношения: Дтсб = 0,77Дст, то есть расчетный внутренний  диаметр стального трубопровода при применении стекло-базальтопластиковых труб может быть уменьшен на 20-25%.

Трубы и высокопрочное, равнозначное телу трубы, резьбо-клеевое соединение имеют запас прочности при температуре 115ºС и рабочем давлении 1,6 МПа не менее 2,5 и допускают кратковременное повышение температуры до 130ºС.
Высокоплотная структура стенки трубы без применения разнородных материалов (с различными коэффициентами линейных расширений), исключает внутреннее расслоение материалов при повышенных температурах.

Трубы из СБП также применяются для трубопроводов минеральной воды, хладагентов, нефти и нефтепродуктов, пульпы, различных жидких агрессивных сред, при температуре от -60°С  до +130°С при давлении до 20МПа.
Перспективно применение композитных труб при высотном строительстве, где требования к коррозионной стойкости сочетаются с большими рабочими давления в трубопроводах.

Механическая и химическая стойкость, хорошая теплоизолирующая способность конструкции обеспечивает высокий коэффициент полезного действия теплопроводов, что может существенно - на 20-30 градусов снизить потребляемую температуру теплоносителя.
Стекло-базальтопластиковые трубы по сравнению со стальными трубами при равной прочности в 4 раза легче, не подвержены коррозии, в том числе электрохимической, стойки к растворам многих химических соединений, имеют не зарастающую гладкую внутреннюю поверхность, что позволяет использовать в трубопроводах меньший (относительно стального) диаметр.

По сравнению с полимерными неармированными трубами, стекло-базальтопластиковые трубы обладают пониженной горючестью (кислородный индекс 39), повышенными физико-механическими характеристиками, длительной прочностью, устойчивостью к перегрузкам до 1,5 рабочего давления при температуре до 130ºС. Масса теплоизолированных труб в 2 раза меньше массы эквивалентных  труб из сшитого полиэтилена (за счет меньшей толщины стенки трубы), причем коэффициент температурного расширения на порядок меньше, а жесткость на порядок больше, при сохранении  свойств  самокомпенсации. Последнее свойство позволяет исключить при бесканальной прокладке трубопровода температурные компенсаторы.

Преимуществами стекло-базальтопластиковых труб являются:
- высокая герметичность и прочность, нечувствительность к истиранию, хорошая ремонтопригодность;
- высокопрочное резьбовое соединение. Конструкция резьбового соединения, применяемый отверждающийся герметик позволяют производить монтаж при любых погодных условиях (вплоть до -25°С). Время сборки одного клее-резьбового стыка менее 5 минут, что позволяет смонтировать до 1000 м трубопровода в смену;
- ППУ теплоизоляция исключает высокие тепловые потери: охлаждение теплоносителя - не более 2ºС на километр трубопровода;
- материал труб и конструкция соединений допускает повышение температур до 130ºС, рабочее давление регламентируется толщиной стенки;
-имеют малую массу, что снижает затраты при транспортировке и монтаже. Например, стекло-базальтопластиковая труба Ду= 100 мм, длиной 6 м  без теплоизоляции весит 9 кг, в теплоизоляции -20 кг;
- обладают свойством самокомпенсации, температурные осевые нагрузки на опоры в 10 раз меньше, чем у стальных трубопроводов;
-простота ремонта (при случайных внешних повреждениях) вследствие однослойной структуры стенки напорной трубы (накладывается бандаж, накладка, клеевая заплата или заменяется часть трубы);
-поставка труб, фасонных изделий, соединительных элементов осуществляется под проект (заказ) комплектно, что позволяет оптимизировать стоимость заказа и снизить затраты на подготовительные работы и монтаж у заказчика;
-стоимость теплоизолированной трубы с учетом затрат на монтаж практически равна стоимости теплоизолированной стальной трубы (без учета стоимости монтажа СОДК).

Области использования предизолированных труб.

Стальные и пластиковые трубы имеют свои области применения. Конечно, только стальные трубы могут быть использованы для прокладки магистральных сетей большого диаметра с температурой теплоносителя до 150ºС. При максимальной температуре теплоносителя 95ºС выгоднее строить и эксплуатировать полимерные трубопроводы в связи с их высокой коррозионной стойкостью. Ниже приведена диаграмма стоимости труб (усредненная по различным производителям) из различных материалов в ППУ изоляции в зависимости от диаметра напорной трубы.

Следует отметить, что высокая стоимость гибких длинномерных труб существенно компенсируется дороговизной фасонных изделий для мерных труб (стальных или из БСП) и временем проведения монтажных работ. По этой причине итоговая сметная стоимость СМР по строительству трубопроводов небольших диаметров с многочисленными поворотами может оказаться минимальной при использовании именно длинномерных труб из РЕХ /3/. Авторы настоящей статьи курировали реализацию проекта прокладки трубопровода из РЕХ диаметром напорной трубы 75 мм и длиной 1400 м. Минимизация сметных расходов была достигнута за счет использования длинномерных отрезков (средняя длина – около 100 метров) и исключения температурных компенсаторов и фасонных изделий при прохождении всех поворотов трассы. Чистое время монтажа трубопровода составило не более двух рабочих дней.

Стекло-базальтопластиковые трубы имеют лучшую теплостойкость относительно РЕХ. При 95ºС труба из СБП может держать давление 1,6 МПа не менее 50 лет. Монтаж трубопровода из СБП осуществляется практически из аналогичных элементов (труб и фасонных изделий) для стального в ППУ изоляции за исключением СОДК и температурных компенсаторов. Меньшая стоимость СМР стекло-базальтопластиковых труб достигается за счет исключения сварочных работ и применения грузоподъемной техники, простоты, надежности и высокой скорости монтажа.
Эксплуатация пластиковых трубопроводов на порядок дешевле стальных, т.к. отсутствуют ремонтные работы, вызванные коррозионной деструкцией последних, и исключаются затраты на обслуживание систем оперативного дистанционного контроля и электрохимической защиты. Именно широкое применение пластиковых трубопроводов в Московском регионе позволило обеспечить круглогодично горячей водой жителей ряда районов без отключения сетей ГВС на аварийные ремонтные и регулярные профилактические работы

Список литературы:
1. Бухин В.Е. Система оперативного дистанционного контроля. Трубопроводы и экология. № 1, с. 27-29, 2006 г.
2. Васильев В., Короткова О. Коррозионная устойчивость гибких тепло-изолированных труб «Касафлекс». Полимерные трубы. № 1, с. 28-31, 2006 г.
3. Чупис В.Н., Кошелев А.В. Идеальные трубы для тепловых сетей. Энергосбережение в Саратовской области. № 1, с. 35-36, 2007 г.
4. Грейлих В.И. Стекло-базальтопластиковые теплоизолированные трубы для трубопроводов горячего водоснабжения и теплоснабжения. Трубопроводы и экология. № 2, с.14-19, 2006 г.