В статье «Кнут стандартизации для энергосбережения или новая профессия термоса — теплотрасса» (см. “Промышленные ведомости” № 2, 2007 г.) рассмотрены некоторые решения проблемы энергосбережения при подаче тепловой энергии потребителям, но при этом, по-нашему мнению, недостаточно уделено внимания обеспечению долговечности и надежности теплопроводов. О них коммунальным службам и потребителям с завидной регулярностью напоминают многократные разрывы теплотрасс в осенне-зимние периоды практически во всех крупных городах России.
Основной причиной аварий являются усталостные напряжения, возникающие в трубопроводе из-за того, что при передаче теплоносителя, а это горячая вода или пар с температурой до 150 градусов по Цельсию, происходит разогрев труб, что по законам физики приводит к их расширению и удлинению. Но трубопроводы проложены между зданиями, и удлиняться им просто некуда, поэтому, по тем же законам физики, в стенках трубопровода возникают механические напряжения, достигающие значительных величин.
С давних времен проектировщики трубопроводных систем решают проблему, как обеспечить неподвижность концов трубопровода при удлинении отдельных его элементов. Чтобы температурные деформации не приводили к разрушениям, в трубопроводы встраивают специальные компенсаторы, которые локализуют сжатие и растяжение труб и тем самым устраняют влияние этих изменений на целостность единой сварной трубы.
Существуют компенсаторы трубные, сальниковые, линзовые и сильфонные. Самые простые из них – трубные, П-, Z- и лира-образные. Они применяются при надземных и канальных прокладках трубопроводов. Для них при надземной прокладке требуются дополнительные опоры, а при канальной – специальные камеры. Трубные компенсаторы достаточно дороги, как в смысле использованного материала, так и занимаемого места, и, кроме того, ограничены допустимым напряжением труб на изгиб.
Сальниковые компенсаторы изготавливаются из отрезков труб (патрубков) разного диаметра, концентрично вставленных один в другой. Герметичность межтрубного пространства обеспечивается с помощью сальникового уплотнения. Сальниковый компенсатор может обеспечить компенсацию любых по величине осевых перемещений.
Они устанавливаются в специальных дорогостоящих камерах с необходимыми условиями для доступа обслуживающего персонала, так как в настоящее время не существует сальниковых уплотнений способных обеспечивать герметичность трубопроводов с горячей водой и паром в течение длительного времени. Кроме того, сальниковые уплотнения вследствие трения создают значительное сопротивление относительным перемещениям, что приводит к необходимости усиливать опоры трубопроводов.
Но даже при регулярном обслуживании сальниковых компенсаторов происходят протечки теплоносителя.
При большой протяженности тепловых сетей суммарная величина протечек может достигать достаточно больших значений. В результате возрастает расход теплоносителя, расход энергии на его получение и доставку потребителю, а также сокращается срок службы трубопровода из-за повышения скорости коррозии.
Линзовые компенсаторы изготавливают штамповкой и сваркой полулинз. Трудоемкость их изготовления достаточно высока, а большое количество сварных швов снижает надежность. Кроме того, линзовые компенсаторы обладают весьма низкой компенсирующей способностью.
Наиболее эффективными являются сильфонные компенсаторы, основным элементом которых является герметичная гибкая гофрированная оболочка – сильфон. Сильфон обладает способностью растягиваться, сжиматься, изгибаться под воздействием внешних сил и при этом оставаться герметичным.
Сильфонные компенсаторы имеют малые габариты, могут устанавливаться в любом месте трубопровода при любом способе его прокладки, не требуют строительства специальных камер и обслуживания в течение всего срока эксплуатации. Срок их службы, как правило, соответствует сроку службы трубопроводов.
Благодаря долговечности, надежности, минимизации тепловых потерь и исключения затрат на техническое обслуживание сильфонные компенсаторы считаются во всем мире наиболее эффективным средством локализации температурных деформаций трубопроводов. Срок эксплуатации трубопроводов с сильфонными компенсаторами значительно больше, чем с сальниковыми или линзовыми.
Во избежание разрушения сильфонных компенсаторов грунтовыми водами, а также из-за прогибов трубопроводов, возникающих при просадке грунта, были созданы сильфонные компенсационные устройства в защищенном исполнении. В ОАО «НПП «Компенсатор» разработана принципиально новая конструкция такого компенсационного устройства для наземной и канальной прокладок теплопроводов, которое серийно выпускается нашим предприятием.
В этом устройстве предусмотрены направляющие опоры цилиндрической формы, установленные с обеих сторон сильфона, которые телескопически перемещаются вместе с патрубками по внутренней поверхности толстостенного кожуха. Это придает конструкции достаточную жесткость и обеспечивает соосность сильфонов в трубопроводе и их защиту от поперечных усилий и изгибающих моментов, возникающих при возможных прогибах теплопровода из-за просадки грунта или направляющих опор.
Встроенные ограничители хода сильфона защищают его также от крутящих моментов. Толстостенный кожух изготавливается из труб, применяемых для строительства теплопроводов. Он задает направление перемещения цилиндрических направляющих опор устройства и в то же время защищает сильфон от нагрузок, возникающих под давлением грунта и движущегося автотранспорта при бесканальной прокладке теплопровода.
Наше предприятие изготавливает сильфонные компенсаторы с условным проходом от 65 до 1400 мм для давлений до 25 кгс/см2. Они пропускают воду с температурой до 150оС и пар с температурой до 250оС. Срок их службы до 25 лет и зависит от содержания хлоридов в воде.
Сильфонные компенсационные устройства нашли широкое применение в тепловых сетях Санкт-Петербурга, Ленинградской области, Москвы и Московской области, Тюменской, Иркутской и других областей. Однако во многих регионах России до сих пор по-прежнему при канальной прокладке даже вновь строящихся теплопроводов применяются сальниковые и линзовые компенсаторы.
В последние годы в России для бесканальной прокладки теплопроводов стали широко применять стальные трубы с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой трубной оболочке. Для них созданы специальные, предварительно изолированные сильфонные компенсационные устройства различных конструкций. Их изготавливают из обычных сильфонных компенсаторов многие предприятия.
Для этой же цели «Компенсатор» на базе своего сильфонного компенсационного устройства создал его новую модификацию с тепловой изоляцией из пенополиуретана и в полиэтиленовой оболочке. Гидроизоляция подвижной части устройства выполнена в виде защитного сильфона, закрывающего рабочий сильфон, а также теплоизоляцию и провода системы дистанционного контроля от воздействий внешней среды.
Тепловая изоляция может выполняться во время монтажа одновременно с заливкой пенополиуретаном стыков теплопровода с компенсатором. С этой целью к фланцам устройства приварена стальная гильза, на которую посажена термоусаживающаяся муфта, по наружному диаметру соответствующая полиэтиленовой трубной оболочке теплопровода. Такое конструктивное решение гарантирует защиту пенополиуретановой теплоизоляции от проникновения в нее грунтовых вод. Для исключения попадания внутрь грунта и грунтовых вод на защитном сильфоне с торцов кожуха установлены уплотнения.
С 2007 года начато серийное производство этого устройства. Оно позволило решить проблему компенсации температурных деформаций теплопроводов с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке на протяжении всего срока их эксплуатации.
При этом гарантируется соосность сильфона при изгибающих моментах в любой плоскости, возникающих при прогибах теплопровода из-за просадки грунта, а также, как отмечалось, обеспечивается гидрозащита сильфона, пенополиуретановой изоляции и проводников системы дистанционного контроля в подвижной части устройства от проникновения грунтовых вод. Само же компенсационное устройство тоже включено в систему дистанционного контроля теплопровода.
Учитывая возрастающие требования по сроку службы теплопроводов, нашим предприятием проведено несколько НИОКР по увеличению ресурса сильфонных компенсаторов, а также разработаны их новые модификации. Совместно с ОАО «Объединение ВНИПИЭНЕРГОПРОМ» разработан «Руководящий документ по применению сильфонных компенсаторов и сильфонных компенсационных устройств при проектировании, строительстве и эксплуатации тепловых сетей» (РД-3-ВЭП-2006).
Очевидно, обеспечиваемые ими условия эксплуатации должны быть приняты в качестве обязательных нормативов в соответствующих документах — СНИПах и ГОСТах.
Валерий Поляков, главный конструктор проектов по тепловым сетям ОАО «НПП «Компенсатор» Санкт-Петербург
