Особенности сооружения трубопроводов
Российская экономика имеет одну из самых высоких энергоемкостей в мире. По данным IFC (Международной финансовой корпорации), Россия может экономить до 45% энергоресурсов. Эта расточительность оценивается в 84-112 миллиардах долларов недостиженной прибыли от экспорта нефти и газа. Тем не менее, добыча ресурсов снижается, а энергетика не может соответствовать внутреннему спросу: в некоторых регионах зафиксирован дефицит электроэнергии при максимальной нагрузке в зимний период.
В июне 2008 года Дмитрий Медведев подписал Указ «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», предусматривающий снижение к 2020 году энергоемкости ВВП России не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом, однако системные меры по его реализации пока не предприняты.
Наиболее плачевное положение дел в нашей стране сложилось в сфере ЖКХ. «Коммунальная инфраструктура – это «черная дыра», где бесследно исчезают огромные энергетические ресурсы... Потери в системе теплоснабжения достигают 60%», – отметил Президент РФ Дмитрий Медведев.
Решая задачу сокращения теплопотерь, основное внимание уделяют обычно теплоизоляции ограждающих конструкций. Однако более половины из названных президентом 60% тепла уходит не через стены и крышу, а через трубопроводы отопления и горячего водоснабжения. Таким образом, решив проблему энергосбережения в инженерных сетях, можно добиться двойной экономии средств.
Использование устаревших и дешевых изоляционных материалов для утепления трубопроводов приводит к преждевременному износу коммуникаций
Чем выше температура теплоносителя, тем более важным становится применение эффективной теплоизоляции. Если для горячего водоснабжения температура часто не превышает 60 градусов, то для квартальных сетей отопления она доходит уже до 95-ти, а в магистрали, ведущей к ЦТП от ТЭЦ, может достигать 150 градусов.
Использование некачественной или недостаточной теплоизоляции, особенно в последних двух случаях, приводит к тому, что буквально на воздух (или в землю) выбрасывается огромное количество тепла и, соответственно, денежных средств. Доля потерь в тепловых сетях достигает сейчас 17% от общего потребления тепловой энергии в стране, отмечает ЦЭНЭФ, что составляет более 170 миллионов Гкал, или минимум 50 миллиардов рублей в год.
Подобное положение вещей обусловлено двумя объективными причинами. Первая – физический износ теплоизоляции. По оценкам Министерства промышленности и энергетики, в среднем по России за год на каждую сотню километров коммуникаций приходится 200 аварий. Износ теплосетей в некоторых регионах достигает порой 75%.
Намного раньше стальных труб и технологических аппаратов выходит из строя традиционная теплоизоляция, выполненная из устаревшей стекловаты по ГОСТ 10499-78, при надземной и подземной канальной прокладке, а также из армопенобетона или битумоперлита – при бесканальной прокладке. Средний срок службы этих материалов составляет всего 10 лет. В то же время предусмотренный срок эксплуатации трубопроводов равен 25 годам.
Являясь относительно гидрофильными, старые материалы впитывают влагу и тем самым еще более ускоряют коррозию металла. Немалые дополнительные расходы становятся неизбежны: либо на внеплановую замену теплотрассы, либо на постоянное латание отдельных участков с попутной ликвидацией случившихся наводнений и фонтанов.
Вторая причина заключается в несоответствии теплоизоляции современным требованиям. Покрытия, используемые при бесканальной прокладке, являются по современным меркам скорее просто защитными, чем теплоизоляционными. Теплопроводность армопенобетона и битумоперлита даже в сухом состоянии составляет около 0,1 Вт/м*град., а при неизбежном и быстром увлажнении увеличивается еще в 3–5 раз. В то же время у эффективных материалов этот показатель не превышает 0,05 Вт/м*град.
Правильно подобранная толщина и материал теплоизоляции значительно продлевают срок безаварийной работы трубопроводов
Всем знакомы бесснежные и сухие дорожки-проталины, «обозначающие» зимой тепловую магистраль. Стекловата, выпускаемая по советскому ГОСТу, не удовлетворяет требованиям не только долговечности, но и безопасности – особенно для монтажников.
При использовании современных видов теплоизоляции возникает другая проблема. Обеспечить необходимую толщину оболочки некоторыми материалами оказывается слишком дорого. Поэтому, несмотря на низкую теплопроводность изоляционного слоя, теплопотери остаются высокими.
Теплоизоляция трубопроводов производится не только для сокращения тепловых потерь, но и для снижения температуры поверхности труб в целях безопасной эксплуатации. В частности, в соответствии с п. 2.1.8 «Правил устройства и безопасной эксплуатации трубопроводов пара и горячей воды» (ПБ-10-573-03), «...все элементы трубопроводов с температурой наружной поверхности стенки выше 55 градусов, расположенные в доступных для обслуживающего персонала местах, должны быть покрыты тепловой изоляцией, температура наружной поверхности которой не должна превышать 55 градусов». Поэтому расчет толщины теплоизоляции при прокладке в помещении может производиться как по нормам плотности теплового потока, так и по заданной температуре на поверхности изоляции.
Понятно, что и в последнем случае теплоизоляция выполняет обе функции, однако практически толщина, рассчитанная по температуре на поверхности, не обеспечивает необходимых энергосберегающих характеристик.
К сожалению, ориентация на безопасную температуру поверхности часто оказывается более привлекательной, поскольку позволяет обойтись более тонким слоем теплоизоляции и таким образом «сэкономить» средства. К тому же многие популярные виды современной изоляции просто не производятся достаточной толщины. Например, изделия из вспененных полимеров (полиэтилена, синтетического каучука) выпускаются толщиной не более 13–25 мм – особенности технологии делают производство продукции большей толщины неоправданно дорогостоящим. Такая теплоизоляция прекрасно справляется с задачей обеспечения безопасной температуры поверхности, однако не удовлетворяет современным понятиям об энергоэффективности.
Современные теплоизоляционные материалы помогают сократить расходы на эксплуатацию и на сооружение трубопроводов
Ставя задачу энергосбережения, следует проводить расчет теплоизоляции по нормам плотности теплового потока, регламентированным СНиП 41-03-2003. Необходимая толщина теплоизоляции определяется согласно формулам, представленным в СП 41-103-2000. В качестве примера можно рассмотреть трубопровод отопления диаметром 42 мм, с температурой теплоносителя 90 градусов, проходящий в помещении с температурой воздуха 10 градусов, работающий свыше 5000 часов в год. Теплопроводность изоляции примем за 0,04 Вт/м*град, что приблизительно соответствует значению этого параметра для современных материалов (полимерных и волокнистых) при повышенной температуре. Результат такого приблизительного расчета показывает, что минимальная толщина теплоизоляции в этом случае составляет 38 мм.
Необходимую толщину – от 30 мм – имеют изделия из минеральной ваты. Их применение позволяет обеспечить соответствие тепловых потерь современным требованиям по энергоэффективности. Цилиндры – наиболее удобная форма продукции для монтажа на трубопроводах – выпускаются достаточно больших диаметров. Например, каменная вата производится с внутренним диаметром до 273 мм.
Однако теплоизоляция необходимой толщины – еще не гарантия энергоэффективности. Распространенные ошибки могут привести к значительному увеличению теплопотерь. Среди них выделим две:
1) Применение теплоизоляции без учета монтажного уплотнения волокнистых материалов. СНиП 41-03-2003 устанавливает, что толщину теплоизоляционного изделия до установки на изолируемую поверхность следует определять с учетом коэффициента уплотнения Kc. Для цилиндрической поверхности используется формула:
,
где � 1 – толщина теплоизоляционного изделия до установки на изолируемую поверхность (без уплотнения), м;
� – расчетная толщина теплоизоляционного слоя с уплотнением в конструкции, м;
d – наружный диаметр изолируемого оборудования, трубопровода, м;
Kc – коэффициент уплотнения теплоизоляционных изделий.
В этом же документе приведены значения коэффициента уплотнения для разных материалов. Например, для каменноватных изделий ROCKWOOL ТЕХ МАТ этот показатель равен 1,35–1,2, а для некоторых матов из стеклянного штапельного волокна доходит до 3,6, что связано с различной ориентацией волокон внутри материала.
В первом случае они располагаются хаотично, а во втором – преимущественно вдоль основания мата. Поэтому утеплитель из стекловолокна больше подвержен уплотнению. Если не учитывать этот фактор, реальная толщина теплоизоляции трубопровода вскоре окажется существенно меньше расчетной, что станет причиной непредусмотренных энергопотерь. И, соответственно, чтобы обеспечить расчетный показатель, необходимо использовать больший объем теплоизоляции.
2) Неправильный монтаж. При установке стального защитного покрытия следует предусмотреть отсутствие нагрузки на слой теплоизоляции. Для этого используются специальные крепления, принимающие вес покрытия на себя и перераспределяющие на опоры. Например, система бандажей и подвесок, имеющая варианты для разных диаметров трубопроводов и толщины теплоизоляции. Игнорирование такого подхода приводит к серьезным деформациям утеплителя и еще большему увеличению теплопотерь.
Нельзя не упомянуть и еще одну ошибку, которая часто встречается даже при соблюдении всех проектировочных и технологических правил. При теплоизоляции трубопроводов из всех приемлемых материалов выбираются наиболее дешевые – с очевидной целью сэкономить средства. Но, как это обычно бывает, неоправданная экономия оборачивается дополнительными и значительными затратами.
В данном случае – на монтаж. Реальное сбережение ресурсов не только в процессе эксплуатации, но и в процессе монтажа может быть обеспечено применением наиболее качественных материалов. Например, маты минераловатные прошивные, выпускаемые многими предприятиями, имеют теплопроводность, достигающую предельного значения, указанного в ГОСТ 21880-94 – 0,044 Вт/м*град. Показатель в 0,036 Вт/м*град, которым характеризуется продукция высокого качества, позволяет использовать продукты меньшей толщины и, соответственно, сократить расходы при монтаже.
Наглядно увидеть все статьи экономии можно из сметы-сравнения. В ней приведены данные по теплоизоляции трубопровода с наружным диаметром 273 мм, с температурой теплоносителя 100 градусов, расположенного на открытом воздухе, с числом часов работы в год более 5000. Плотность теплового потока, согласно СНиП 41-03-2003, должна быть не более 57 Вт/м.
Исходя из этого, вычисляется необходимая толщина теплоизоляции: матами ROCKWOOL ТЕХ МАТ (лямбда=0,036 Вт/м*град) – 90 мм, матами прошивными по ГОСТ 21880-94 – 110 мм (за счет большей теплопроводности), матами из стекловолокна – 120 мм (за счет большего монтажного уплотнения). Соответственно, объем теплоизоляции на 100 метров длины трубопровода равен: 10,25, 13,22 и 14,80 м� соответственно. Видно, что благодаря меньшему объему теплоизоляции сокращаются расходы по всем позициям монтажных работ (труд рабочих и машинистов, установка бандажных колец, автотранспорт), а также расход стали на защитное покрытие. В результате, несмотря на наибольшую стоимость ТЕХ МАТ, итоговые затраты при их применении оказываются наименьшими.
Таким образом, энергосбережение в ЖКХ вообще и в трубопроводных сетях в частности неразрывно связано с эффективным использованием теплоизоляции. Уже на стадии проектирования необходимо предусмотреть толщину изолирующего слоя, обеспечивающую соответствие нормам плотности теплового потока. Далее, для волокнистых теплоизоляционных материалов следует учитывать коэффициент уплотнения, а при монтаже в обязательном порядке применять элементы, предотвращающие нагрузку на утеплитель со стороны защитного покрытия. Наконец, должны применяться только современные, качественные и долговечные материалы, благодаря которым сокращаются расходы не только на эксплуатацию, но и на сооружение трубопроводов.