Проблемы использования ППУ изоляции на магистральных трубопроводах

Аннотация: Статья посвящена вопросам использования ППУ изоляции на магистральных теплопроводах, возникающим при этом проблемам, а также возможным путям решения обозначенных проблем. Рассмотрены различные несоответствия, дефекты и причины их появления.
Ключевые слова: энергосбережение; энергоэффективность; трубопроводы; пенополиуретан; контроль качества; дефекты. 
Abstract: The article is devoted to the issues of using polyurethane foam insulation on main heat pipelines, problems arising in this case, as well as possible ways to solve these problems. Various inconsistencies, defects and the reasons for their appearance are considered.
Key words: energy saving; energy efficiency; pipelines; polyurethane foam; quality control; defects.
Одним из ключевых элементов системы теплоснабжения производственных и жилых объектов являются магистральные трубопроводы. Изоляция таких трубопроводов влияет как на срок эксплуатации самих труб, так и на расходы за тепловую энергию. Однако сама факта наличия теплоизоляции мало, важно чтобы такие трубопроводы были правильно и качественно смонтированы. В качестве теплоизоляции, в последнее время, взамен волокнистых минеральных теплоизоляционных материалов (например, стекловаты), применяют вспененную пластмассу на базе полиуретанов. Хорошие теплоизоляционные свойства полиуретана связаны с тем, в нём находится до 90% воздуха [1].
Металлические трубопроводы по разным причинам, а также с течением времени изнашиваются. Среди причин следует выделить: перепады температур, различные виды коррозии, нарушения, допущенные при производстве труб и при их монтаже, в том числе и при эксплуатации. Для повышения сроков эксплуатации, а также снижения тепловых потерь и различных утечек – была разработана технология заводского нанесения на трубопроводы пеноплиуретена (ППУ), при этом трубопроводы выпускаются с оцинкованной или полиэтиленовой гидроизоляционной оболочкой. А для контроля на наличие утечек теплоносителя в выпускаемых трубопроводах применяется система СОДК (система операционного дистанционного контроля), рисунок 1.
Рис. 1 трубопроводы с ППУ и СОДК
Как уже говорилось, нарушения могут быть допущены при производстве труб. Поэтому начнем рассмотрения с технологии производства и с описания самих трубопроводов с ППУ изоляцией.
Производство трубопроводов с ППУ изоляцией
В 1976 году в Германии впервые был начат выпуск трубопроводов с нанесенной заводской пеноплиуретановой изоляцией. В настоящее время технология освоена достаточно хорошо, и при соблюдении всех технологических и производственных правил нарушения можно свести к нулю [2-3].
Для производства можно использовать следующие виды стальных труб круглого сечения:
Горячедеформированные бесшовные общего назначения.
Электросварные прямошовные.
Сварные прямошовные.
При этом марка стали для труб будет зависеть от условий эксплуатации.
Трубы с ППУ изоляцией можно классифицировать по климатическим районам:
Для районов с умеренным климатом – стандартный тип изоляции.
Для районов с холодным климатом – усиленный тип изоляции.
Технология производства заключается в следующем, в межтрубное пространство, между наружной поверхностью трубы и внутренней поверхностью полиэтиленовой оболочки, заливают жидкую субстанцию, представляющую собой смесь, состоящую из полиизоционата и полиола.
При этом оболочка из полиэтилена низкого давления или оцинкованной стали позволяет защитить и сохранить непосредственно саму ППУ изоляцию.
Встроенные системы ОДК позволяют дистанционно (удалённо) определять места, где появились протечки теплоносителя. То есть можно установить место, где была повреждена стальная труба, место нарушения слоя ППУ изоляции и защитной оболочки.
Системы ОДК дают возможность осуществлять контроль состояния, как всего магистрального трубопровода, так и отдельных его участков. Данная система несовершенна, и находится в процессе своего развития.
Системы ОДК имеют недостатки, среди которых выделяются следующие: для того чтобы система работала хорошо, необходимо осуществлять монтаж с привлечением высокоспециализированных работников; система недостаточно точно определяет проблемные места, бывают сбои и ложные срабатывания.
Рассмотрим последовательность технологических операций по производству труб в ППУ изоляции:
Входной контроль поступающих материалов и сырья.
Предварительная обработка стальных фасонных изделий и труб.
Установка центрирующих колец – центраторов для медного провода системы ОДК и полиэтилена низкого давления.
Протаскивание стальной трубы с центраторами в полиэтиленовую трубу.
Установка на торцы заливочных заглушек, для создания герметичной полости межтрубного пространства.
Предварительная термостатическая обработка конструкции для повышения адгезии к стальной трубе слоя изоляции ППУ.
Впрыскивание через отверстие заглушки расчетной дозы компонентов ППУ изоляции.
Контроль качества произведённой продукции.
Маркировка готовой продукции.
Передача изделий на склад готовой продукции.
Наличие в производственном процессе контроля качества не может гарантировать отсутствия различных дефектов и несоответствий.
Ниже приведены основные дефекты.
Толщина стенок стальных труб не соответствует заявленной, например должна быть 5 мм, а оказалась 4 мм.
ППУ изоляция отслаивается от полиэтиеновой оболочки и/или стальной трубы.
Не работает система ОДК.
Толщина слоя пенополиуретана не соответствует.
Нарушена соосность полиэтиленовой и стальной трубы.
На концах труб ППУ хрупкий и имеет повышенную пористость.
Длина не залитых концов стальных труб больше допустимых значений.
Возможные причины их появления:
Нарушен входной контроль качества.
Нарушена технология: в процессе транспортировки были допущены механические воздействия; полиэтиленовая оболочка не прошла процесс коронации.
Медный провод не соответствует требованиям технологии; медный провод касается стенки стальной трубы внутри слоя ППУ изоляции; произошел внутренний обрыв медного провода.
Нарушена технология: неправильно подобран диаметр заливочной полиэтиленовой трубы-оболочки.
Нарушена технология: использованы центрирующие опоры не соответствующего размера
Нарушена технология: низкое качество используемого сырья и материалов.
Неправильно выбрана длина полиэтиленовой оболочки.
Для того чтобы устранить дефекты и несоответствия на этапе производства, необходимо усилить контроль. Осуществлять его не только на входе сырья и материалов, и на выходе готовой продукции, но и в процессе производства.
При этом нужно подчеркнуть, что некачественное сырье может привести к тому, что брак появится спустя какое-то время как это показано на рис. 2.
Рис. 2 отслоение ППУ изоляции от полиэтиленовой оболочки
Это связано с тем, что некоторые производители трубопроводов с ППУ изоляцией неверно адаптировали и интерпретировали технологию производства.
Недобросовестные производители, взяв технологию, начали её самостоятельно менять. Появилось достаточно большое количество различных самодельных аппаратов по производству ППУ смесей, это удешевило производство, однако и качество стало ужасающе низким [1-2].
На рис. 3 изображены трубопроводы центрального отопления, слева – подающий, а справа – обратный. Как видно ППУ изоляция поменяла цвет на подающем трубопроводе, это связано с изменением структуры ППУ изоляции.
Рис. 3 – Изменение цвета ППУ изоляции
Зачастую такая ППУ изоляция через 5-6 месяцев уже разваливается, стальная труба под такой изоляцией подвергается коррозии значительно быстрее. И получается, что убытки с такой теплоизоляцией будут даже больше чем без неё.
На рис. 4 изображены образцы ППУ изоляции после годовой эксплуатации. Причина этому заключается в низкой теплостойкости ППУ, то есть была нарушена технология приготовления смеси или были использованы некачественные материалы.
Рис. 4 образцы некачественной ППУ изоляции
На рис. 5 показано то, что происходит с такими образцами через 5 лет эксплуатации.
Рис. 5 образец некачественной ППУ изоляции после 5 лет эксплуатации
Возможным решением указанной проблемы, помимо очевидного – то есть точного и непрекословного соблюдения технологий производства и монтажа, может быть нанесение антикоррозийного лакокрасочного покрытия на наружную поверхность труб. То есть если и по каким-то причинам нарушится герметичность внешней оболочки, антикоррозийное покрытие защитит на некоторое время трубопровод от коррозии. Конечно же, данное решение приведет к повышению стоимости изделий, тем не менее, это будет все же дешевле чем проведение ремонтных работ [3-4].
Нанесение дополнительного антикоророзийного покрытия позволяет решить несколько задач:
Дополнительное антикоррозионное покрытие защищает трубопровод от кислотной среды намокшего ППУ, что замедлит массовое развитие коррозионных процессов.
Если в зимний период невозможно отключить участок тепловой сети, проявляется возможность выполнить «отложенный» ремонт.
Следующим этапом при применении трубопроводов с ППУ изоляцией, где могут быть допущены ошибки, влияющие как на эффективность систем теплоснабжения, так и на их срок службы является монтаж.
Технология монтажа магистральных трубопроводов в ППУ изоляции.
Монтаж трубопроводов в ППУ изоляции можно представить в следующей последовательности основных операций. Края трубопроводов зачищаются от изоляции, длина оголенных краёв трубопроводов должна составлять не менее 300 мм, после чего выполняется сварное соединение, с полным проплавлением шва, проверяемое дефектоскопом на наличие различных дефектов. Сваренный узел закрывается термоусадочной муфтой, полость которой заполняется вспененным полимерным составом.
Так как ППУ и полиэтилен это чувствительные к высоким температурам материалы, то необходимо прикрывать их каким-либо негорючим материалом, например асбестовой тканью, при выполнении сварочных работ.
Монтаж труб в ППУ изоляции и фасонных частей осуществляется последовательно: Вначале на трубопровод надевается специальная термоусадочная муфта, затем свариваются зачищенные концы труб, соединяются проводники-индикаторы, нагреваются поверхности оболочек, приклеивается адгезивное полотно, термоусадочная муфта передвигается на место соединения, то есть на стык, рис. 6.
При помощи газовой горелки края муфты усаживают, а после проверки на герметичность, полость, через специальное отверстие, наполняется вспененным полимерным составом. Отверстие для заливки полимера заваривается полиэтиленом.
Рис. 6 пример некачественно выполненного стыка
Трубопроводы в ППУ изоляции это более дорогой вариант, по сравнению с трубопроводами и минеральными теплоизоляционными материалами, однако использование таких труб в целом снижает затраты на текущий ремонт и эксплуатационные издержки. И чтобы эффективность от применения таких трубопроводов была действительно высокой необходимо соблюдать определённую технологию монтажа.
Самым уязвимым местом любого трубопровода в ППУ изоляции является места соединений труб и фасонных элементов [2-4]. Поэтому крайне важно соблюдать технологии монтажа, в частности операции заделки и изоляции стыков, рис. 7.
Рис. 7 сдвиг и нарушение герметичности термоусадочной муфты
Несоблюдение технологии монтажа приведёт к появлению наружной коррозии трубопровода, что в свою очередь вызовет или проведение дорогостоящего ремонта, или выходу из строя всего трубопровода
В процессе монтажа трубопроводов в ППУ изоляции могут быть выявлены следующие повреждения и дефекты:
На продукции отсутствует маркировка.
Защитная оболочка трубопровода в ППУ изоляции имеет шероховатость и/или царапины.
Защитная оболочка потрескалась.
Толщина теплоизоляции труб и фасонных элементов не соответствуют друг другу.
Н открытых торцах труб замочен пенополиуретан.
Трубопровод не герметичен.
Монтаж термоусаживаемой муфты на трубу затруднен.
Система ОДК не работает.
Причиной этого может быть:
При производстве трубопроводов был нарушен технологический процесс, либо маркировка была умышлена удалена.
Были нарушены правила транспортировки и/или правила погрузочно-разгрузочных работ.
Были нарушены правила хранения, правила при погрузо-разгрузочных работах, либо был применен полиэтилен не соответствующей марки.
Неправильно был подобран диаметр защитной оболочки фасонных изделий и труб.
Были нарушены правила хранения.
Сварные швы стальных труб имеют дефекты.
Диаметр муфты не соответствует диаметру трубы или были нарушены правила хранения.
Обрыв или неправильное соединение проводов.
В целом же, причина указанных несоответствий и дефектов состоит в нарушении технологии монтажа, в том числе в нарушении контроля качества при выполнении монтажных работ.
Для того чтобы устранить дефекты и несоответствия на этапе монтажа, необходимо усилить контроль.
На подготовительном этапе работ необходимо обязательно проверить наличие документации подтверждающей качество материалов (например, паспорта, сертификаты), обязательно должны быть соответствующие этикетки, бирки и маркировка. При помощи инструментального метода контроля необходимо проверить качество поставляемых трубопроводов, например: толщину стенок, проводов системы ОДК, целостность пенополиуретана, труб и пр.
На этапе монтажа трубопроводов в ППУ изоляции необходимо контролировать правильность выполнения последовательности технологических операций, их качество. Обязательно необходимо проверять качество сварных соединений, необходимо поверять рабочее состояние системы ОДК.
На этапе приемки выполненных работ необходимо проверять качество выполненных работ и осуществлять испытание трубопроводов.
Нужно понимать, что технология применения ППУ изоляции для трубопроводов это по большей части западная технология, и поэтому данную технологию необходимо грамотно адаптировать под эксплуатационные особенности России.
В России условия эксплуатации тепловых сетей и другие режимы теплоснабжения, не говоря уже о климатических условиях. В России, к сожалению, имеется серьезное несовершенство материально-технической базы, рабочие кадры имеют низкую квалификацию, а сырье не обладает необходимым качеством. Проблема более комплексная, чем может показаться при первом взгляде.
Список литературы:
Поляков В. А. Применение предизолированных трубопроводов в ППУ изоляции – основной путь создания энергоэффективных и надежных тепловых сетей // PPUTRUBA.RU: Ассоциация производителей и потребителей трубопроводов с индустриальной полимерной изоляцией. 2015. URL: http://www.pputruba.ru/stata_polyakov.pdf (дата обращения 05.05.20).
Байбаков С. А., Тимошкин А. С. Основные направления повышения эффективности тепловых сетей // Электрические станции. 2004. № 7. С. 19-25.
Мухаметрахимов Рустем Ханифович, Панченко Анастасия Александровна Особенности технологии изготовления, монтажа и контроля качества трубопроводов в ППУ ПЭ изоляции // Известия КазГАСУ. 2018. №2 (44). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/osobennosti-tehnologii-izgotovleniya-montazha-i-kontrolya-kachestva-truboprovodov-v-ppu-pe-izolyatsii (дата обращения: 05.05.2020).
Шагидуллин Альберт Радикович, Гайнулин Андрей Витальевич Трубопроводы в ППУ-изоляции // Наука, техника и образование. 2015. №4 (10). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/truboprovody-v-ppu-izolyatsii (дата обращения: 05.05.2020).
Болотов Сергей Владимирович, Герасименко Никита Васильевич Система оперативного дистанционного контроля состояния пенополиуретановой изоляции трубопроводов тепловых сетей с цифровыми датчиками влажности // Вестник Белорусско-Российского университета. 2016. №2 (51). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sistema-operativnogo-distantsionnogo-kontrolya-sostoyaniya-penopoliuretanovoy-izolyatsii-truboprovodov-teplovyh-setey-s-tsifrovymi (дата обращения: 05.05.2020).