Полимерные трубы в теплоснабжении
Опубликовано: 12 февраля 2013 г.
930
В. Бухин
Пластмассы находят все более широкое применение в различных инженерных коммуникациях, а трубы из них, уже давно привычные в системах водоснабжения и водоотведения, все увереннее и настойчивее теснят металл и в трубопроводах с нагретым до 90–95 ˚С теплоносителем
Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.
По протяженности сетей централизованного теплоснабжения (примерно 370 тыс. км в однотрубном исчислении) Россия занимает первое место в мире. При этом ¾ – это разводящие сети из труб диаметром не более 200–300 мм. В настоящее время 80 % трубопроводов тепловых сетей превысили срок безаварийной службы, и около трети – находятся в аварийном состоянии.
.jpg)
Ресурсы – в дырявую тубу
Утечки и неучтенные расходы воды в системах теплоснабжения составляют в среднем по России 15–20 % от общего расхода воды. Основные причины этого – массовая канальная прокладка трубопроводов и использование недолговечных теплоизоляционных материалов. Применяемая гидроизоляция из стеклопластиков, гидроизола, штукатурки, а также гидрофобизация волокнистых материалов не защищают их от увлажнения при длительной эксплуатации, а следовательно, и от ухудшения теплофизических характеристик и коррозии стальных труб. Реальный срок эксплуатации таких трубопроводов для магистральных сетей составляет 12–15, распределительных и квартальных сетей – 7–8, сетей ГВС – 3–5 лет, что значительно меньше нормативных 25 лет.
При износе тепловых сетей на 60 % количество аварий возрастает в геометрической прогрессии, и удельная повреждаемость по регионам России составляет в среднем 1,8–2,2 на 1 км в год при допустимых 0,3 (в странах ЕС этот показатель – 0,1).
Общие потери тепла в системах централизованного теплоснабжения в России достигают 20 % отпускаемого тепла, что в два раза превышает аналогичный показатель в экономически развитых странах. При этом системы централизованного теплоснабжения в РФ обеспечивают теплопотребление в объеме более 2 Ткал в год, что примерно соответствует годовому теплопотреблению всех стран Западной Европы и почти в 10 раз превышает теплопотребление, обеспечиваемое системами централизованного теплоснабжения в этих странах. Причем около 90 % экономии топлива, полученной за счет комбинированных методов выработки тепла (когенерации), «теряется» в тепловых сетях. Отечественные нормы требуют, чтобы скорость наружной коррозии не превышала 0,03 мм/г (СНиП 41-02-2003. Тепловые сети), скорость внутренней коррозии не должна превышать: слабая – 0,04, средняя – 0,05, сильная – 0,2 мм/г. Более высокие значения относятся уже к аварийным. Поэтому одним из магистральных путей повышения надежности эксплуатации труб может быть применение более коррозионностойких труб, в частности, полимерных.
.jpg)
Полимерные материалы для тепловых сетей
Для исключения возможности внутренней коррозии трубопроводов наиболее оптимальной является индустриально изготовленная конструкция из полимерных труб. Они не подвержены коррозии и зарастанию внутренней поверхности различными отложениями.
Однако температурные режимы, которые не являются определяющими при использовании стальных труб, в случае использования полимерных начинают играть решающую роль. Трубопроводы теплоснабжения классифицируются по температурным графикам регулирования. Разнообразие используемых в тепловых сетях температурных графиков довольно велико, и в диапазоне температур 95–135 °C они отличаются на 5 °С. Однако эти графики довольно формальны и не отражают действительную ситуацию на теплосетях.
В реальности тепловые нагрузки намного ниже и достигают своих максимальных значений в течение всего нескольких дней в самые холодные зимы. Поэтому наличие надежных труб с экономически приемлемой стоимостью может инициировать изменение технической политики теплосетевых компаний и привести к снижению нормативной температуры теплоносителя аналогично практике большинства европейских стран. А минимизация теплопотерь во внешних сетях должна обеспечиваться использованием современной эффективной изоляции.
На российском рынке теплогидроизолированные трубы из полимерных материалов (табл. 1) предлагают компании: ЗАО НПО «Стройполимер» (п. Фрязево, Моск. обл., центральный офис в Москве), Thermaflex (Нидерланды, центральный офис в России в г. Щелково, Моск. обл.), ЗАО «ТВЭЛ-ПЭКС» (торговая марка «изопэкс», Санкт-Петербург), Группа «Полимертепло» (торговая марка «изопрофлекс»); Watts Microflex (Бельгия, дистрибьютор – ООО «Микрофлекс-сервис»), ООО «Изосталь» (ГК«Сто третий трест», Санкт-Петербург).
|
Наименование компании |
Используемые полимерные материалы |
Торговая марка |
||
|
Материал трубы |
Теплоизоляция |
Гидроизоляция |
||
|
НПО «Стройполимер» |
полипропилен PP-R |
пенополиуретан |
полиэтилен |
ТУ 2248-013-41989945-2005 |
|
Thermaflex |
полибутен PB |
полиэтилен вспененный изобутаном |
Flexalen |
|
|
ЗАО «ТВЭЛ-ПЭКС» |
PE-Xa |
пенополиуретан |
Изопэкс |
|
|
Группа «Полимертепло» |
Изопрофлекс |
|||
|
Watts Microflex |
вспененный сшитый полиэтилен |
Ecoflex |
||
|
Uponor |
Microflex |
|||
|
ООО «Изосталь» |
PE-RT тип II |
пенополиуретан |
Plastflex |
|
Таблица 1. Теплогидроизолированные трубы из полимерных материалов
В качестве материала для труб возможно использование PE-RT тип II (DOWLEXТМ2377), удовлетворяющего также требованиям prEN 15632-2, 2008-09. Применение труб из полимерных материалов позволяет эксплуатировать разводящие тепловые сети из труб небольшого диаметра 30–50 лет, при температурах до 95 °C и давлениях 0,4; 0,6 и 1,0 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ Р 52134. Причем на рынке появились полимерные материалы с более высокими значениями MRS (минимальной длительной прочности). Для PP-R она составляет 8 и 10 МПа, а для PP-RCT – 11,2 МПа, для полибутена – 12,5 и 14 МПа, PE-X – не менее 8 МПа, а PE-RT – 8 и 10 МПа (табл. 2).
|
Производитель/марка |
Материал |
MRS, МПа |
Наружные диаметры, мм |
SDR |
|
НПО«Стройполимер» |
PP-R |
8; 10; 11,2 |
25–125 |
6; 7,4; 11 |
|
Флексален |
PB |
12,5; 14,0 |
25–225 |
11 |
|
Изопэкс |
PE-Xa |
8 |
32–110 |
7,4 |
|
Изопрофлекс |
25–160 |
7,4; 11 |
||
|
Микрофлекс |
25–160 |
7,4; 11 |
||
|
Ecoflex |
25–110 |
7,4; 11 |
Таблица 2. Характеристики напорных полимерных труб
Выбор полимерной трубы
Прочностной расчет трубопроводов из полимерных материалов, работающих в постоянных условиях эксплуатации (рабочая температура и давление), основан на временной зависимости прочности. Общепринятая ее характеристика для материалов трубных марок – значение MRS. Оно определяется в соответствии с международным стандартом ISO 9080 и нормируется ISO 12162. В большинстве случаев срок службы трубы принимается в 50 лет.
Расчет максимального рабочего давления (МОР) в этом случае производится по формуле:
MOP = 2MRS/CCt (SDR – 1), где MRS – минимальная длительная прочность, МПа; C – коэффициент запаса прочности,
зависящий от назначения трубопровода и условий эксплуатации; SDR – стандартное размерное отношение; Ct – коэффициент снижения давления в зависимости от температуры. Величину MRS/C в этом случае можно рассматривать как допускаемое напряжение σ при температуре 20 °C.
Но такой подход к расчету несущей способности и сроков службы трубопроводов, работающих в переменных условиях эксплуатации, в первую очередь температур, некорректен. В этом случае для определения допускаемых напряжений необходимо использовать методику расчета, предписанную стандартом EN ISO 13760 «Пластмассовые трубы – Правило Майнера – Метод расчета накопленных повреждений». В соответствии с этим методом, используя временные зависимости прочности:
Log (t) = A + B/T + C log σ + D log σ/T,
где t – время, ч; σ – напряжение, МПа; T – температура; К, A, C и D – коэффициенты, описывающие прочность конкретных типов полимеров (приведены в соответствующих стандартах на трубы), вычисляют ti – предельное время работы трубопровода при различных температурах транспортируемой среды, при этом напряжение σ умножается на коэффициент безопасности, зависящий от условий эксплуатации.
Величину, определяющую общие накопленные повреждения, вычисляют по формуле:
TYD = Σ ai/ti ,где ai – доля времени эксплуатации при заданных i-х условиях за год работы трубопровода, %. Максимально допустимое время эксплуатации в этом случае равно: Tx = 100/TYD
Для заданного времени эксплуатации методом последовательного приближения подбирают напряжение σ, при котором время Tx становится равным заданному. Полученное значение в этом случае является допускаемым напряжением, используемым для дальнейших прочностных расчетов труб. Поскольку условия эксплуатации трубопроводов могут быть различными, то для сравнения несущей способности различных полимерных материалов используют параметры эксплуатации трубопроводов горячего водоснабжения и теплоснабжения, специфицированные в ГОСТ Р 52134-2003. Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления. Общие технические условия (с изм. №1 от 2010-06-01).
Температурно-временные режимы работы трубопроводов приведены в табл. 3.
|
Класс эксплуатации |
Траб,˚C |
Время при Траб, год |
Тмакс,˚C |
Время при Тмакс, год |
Тавар,˚C |
Время при Тавар, час |
Область применения |
|
1 |
60 |
49 |
80 |
1 |
95 |
100 |
ГВС (60 ˚С) |
|
2 |
70 |
49 |
80 |
1 |
95 |
100 |
ГВС (70 ˚С) |
|
3* |
30 40 |
20 25 |
50 |
4,5 |
65 |
100 |
Низкотемпературное напольное отопление |
|
4 |
20 40 60 |
2,5 20 25 |
70 |
2,5 |
100 |
100 |
Высокотемпературное напольное отопление, низкотемпературное отопление отопительными приборами |
|
5 |
20 60 80 |
14 25 10 |
90 |
1 |
100 |
100 |
Высокотемпературное отопление отопительными приборами |
|
ХВ |
20 |
50 |
- |
- |
- |
- |
ХВС |
Таблица 3. Температурно-временные режимы работы трубопроводов горячего водоснабжения и отопления
Обозначения:
Траб – рабочая температура или комбинация температур транспортируемой воды, определяемая областью применения, °С;
Тмакс – максимальная рабочая температура, действие которой ограничено по времени, °С;
Тавар – температура, возникающая в аварийных ситуациях при нарушении систем регулирования, °С.
*Примечание: Класс эксплуатации 3 в настоящее время не применяется. При необходимости используются трубы пригодные для классов 1 или 4.
Максимальный срок службы трубопровода для каждого класса эксплуатации определяется суммарным временем работы трубопровода при температурах Траб, Тмакс и Тавар и составляет 50 лет. При меньшем сроке службы все временные характеристики, кроме Тавар, следует пропорционально уменьшить. Могут устанавливаться другие
классы эксплуатации, но значения температур должны быть не более указанных для класса 5.
Данные табл. 3 составлены для средней климатической зоны. При проектировании систем для других климатических зон продолжительность действия рабочей температуры транспортируемой воды пересчитывается согласно данным для соответствующей климатической зоны.
Трубы из полимерных материалов имеют некоторые особенности по сравнению со стальными трубами, на что следует обращать внимание при выборе материала трубопровода. В соответствии с рекомендациями ГОСТ Р 52134 в зависимости от классов эксплуатации труб и фитингов полимерные материалы могут быть такими: класс 1 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB, PVC-C тип II, PE-RT тип I, PE-RT тип II; класс 2 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB, PVC-C тип I, PVC-C тип II, PE-RT тип I, PE-RT тип II; класс 4 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB, PVC-C тип II, PE-RT тип I, PE-RT тип II; класс 5 – РР-Н, РР-В, PP-R, PE-X, PB, PVC-C тип II, PE-RT тип I, PE-RT тип II; класс «ХВ» – PE, PVC-U, а также и все перечисленные выше.
Для изготовления труб наиболее часто используют полипропилен (PP-R), сшитый полиэтилен (PE-X), полибутен (PB), хлорированный поливинилхлорид (PVC-C) и сравнительно новый материал – термостойкий полиэтилен (PE-RT).
Выбор труб для соответствующего класса эксплуатации проводят при известном максимальном давлении в системе по величинам SDR согласно методикам, приведенным в ГОСТ Р 52134. Величина MRS декларируется поставщиком труб. После выбора SDR определяется толщина стенки трубы и проводится гидравлический расчет.
Обычно используются трубы с SDR от 6 до 13,6.
Многослойные трубы выбираются согласно ГОСТ Р 53630 и рекомендациям изготовителей. Причем все эти трубы пригодны для систем класса эксплуатации класса 5.
Особенности полимерных труб
Трубы из полимерных материалов имеют ряд специфических особенностей. Существенный их недостаток – высокая кислородопроницаемость. Причем особенно опасен растворенный в воде кислород для закрытых систем теплоснабжения – теплоноситель циркулирует по замкнутому контуру и его концентрация постепенно возрастает. Максимально допустимая норма кислородопроницаемости для классов эксплуатации установлена в ГОСТ Р 52134-2003.
Для защиты от диффузии кислорода стенки пластмассовых труб изготавливают многослойными с введением в качестве противодиффузионного барьера прослоек алюминия (Al) или полимера – этиленвинилового спирта (EVOH). Алюминиевый слой также существенно уменьшает линейное тепловое расширение полимерных труб, которое составляет, мм/(м•°C): для PB – 0,13; PVC-C – 0,07; PE-X – 0,2; PE-RT –
0,2; PP-R – 0,15, а для МП-труб – 0,025–0,030. Поэтому для последних отпадает необходимость в установке компенсаторов линейного теплового расширения. Трубы из PP-R, PVC-C и PVC-U относятся к жестким и используются для периметрального монтажа, аналогично стальным.
При монтаже полимерных трубопроводов вне сантехнических шахт используют скрытую прокладку в штробах или полых плинтусах. Трубы из PE-X, PE-RT, PB и МП небольших диаметров гибкие и их можно использовать для лучевого монтажа и для устройства тепловых полов.
Соединения труб из полимерных материалов могут быть как разъемными, так и неразъемными в зависимости как от вида полимера, так и от технологии монтажа. Неразъемные соединения труб из PP-R, PB и PE-RT выполняются сваркой в раструб, встык или муфтами с закладными нагревателями. Разъемные – с помощью привариваемых комбинированных деталей полимер-металл – посредством резьбового соединения или буртовой втулки со свободным фланцем. Для труб из PB, PE-RT и металлопластиковых могут быть также использованы механические штуцерные компрессионные соединители, которые применяют также для соединения труб из PE-X. А фирма «Микрофлекс-сервис» соединяет такие трубы при помощи деталей с закладными нагревателями по технологии фирмы Plasson.
Трубы из PP-R, PB и PE-RT сваривают в раструб литыми соединительными деталями, а диаметром более 50 мм и толщине стенки не менее 5 мм – встык, из PVC-U и PVC-C – склеивают с помощью раструбных соединительных деталей.
Соединение труб между собой и арматурой надвижной муфтой или опрессовочной муфтой (пресс-фитинг) сравнительно дешевы и используются при больших объемах монтажа. Соединительные детали и арматура для труб из PE-X, PE-X–EVOH, PE-X–Al–PE-X, а также монтажный инструмент в Россию поставляются по импорту.
Динамика рынка
За последние 15 лет на европейском рынке объем применения труб из PB, PP-R, PVC-C и нержавеющей стали изменяется несущественно, а из стали и меди постепенно снижается, уступая место трубам на основе PE-X. Динамику потребления труб этим рынком можно видеть на рис. По данным рейтингового агентства KwD International в структуре потребления труб в Европе для водоснабжения и отопления лидиру
Поделиться: