Бесканальные теплопроводы с битумоперлитной изоляцией
Конструкция бесканальных теплопроводов с битумоперлитной изоляцией была разработана группой специалистов Главкиевгорстроя совместно с научными и проектными организациями Киева. Предложенная строительно-изоляционная конструкция для бесканальной прокладки теплопроводов состоит из антикоррозионного покрытия металлической трубы, теплоизоляционного слоя из битумоперлита и гидроизоляционного покрытия (рис. 3.8). Эта изоляция была рекомендована для бесканальной прокладки теплопроводов с расчетной температурой воды до 150°С при диаметре трубопроводов до 500 мм.
Битумоперлит представляет собой смесь вспученного перлитового песка и нефтяного битума. Вспученный перлитовый песок — легкий теплоизоляционный материал, получаемый из перлитовой породы вулканического происхождения. По своему составу перлитовая порода состоит из кремнезема (около 75%), щелочей и воды, а по внешнему виду очень напоминает искусственное стекло. Поэтому перлит иногда называют природным или вулканическим стек- лом. Значительной особенностью перлита является его способность к вспучиванию при обработке. При быстром нагревании до температуры 1000—1200°С перлит переходит в вязкое состояние, а пары воды, находящиеся в породе, разрывают и вспучивают частички материала. При этом объем перлитовой породы увеличивается-в 10—15 раз. Та-1 ким образом, из перлитовой породы с объемной массой 1400 кг/м3 получается перлитовый песок с объемной массой 50—200 кг/м3.
Проведенные геологические исследования показали, что наша страна располагает практически неисчерпаемыми запасами перлитов в различных районах, исчисляемыми сотнями миллионов тонн. В последние годы в стране построены мощные установки для производства вспученного перлита. Большой коэффициент вспучивания делает экономичной транспортировку перлитовой породы на значительные расстояния к местам переработки. Вспучивание перлита производят обычно в вертикальных шахтных печах производительностью от 15 до 45 тыс. м3 вспученного перлитового песка в год. Типовые конструкции таких печей разработаны институтами Теплопроект (Московская обл.) и НИИСМИ (Киев).
Производство вспученного перлитового песка в зависимости от объема выпуска изолируемых труб может быть организовано непосредственно на предприятии, где на трубы наносится битумоперлитная изоляция. При небольшой мощности завода по выпуску изолированных бигумоперлитом труб вспученный перлитовый песок получают с ближайших заводов, где налажено его производство. Вспученный перлитовый песок представляет собой превосходный теплоизоляционный материал, обладающий пористой структурой, низкой объемной массой, малым коэффициентом теплопроводности, высокой термостойкостью и достаточной прочностью. Кроме того, он обладает химической инертностью и способностью хорошо связываться со многими традиционными вяжущими, образуя бетоны и растворы с различными физико-механическими свойствами.
Для получения битумоперлитовой изоляции применяют перлитовый песок объемной массой 80—150 кг/м3 и с коэффициентом теплопроводности в сухом состоянии при температуре 15±5°С не более 0,046—0,058 Вт/ (м-°С) [0,04— 0,05 ккал/(м-ч°С)]. Технология изготовления битумоперлита очень проста и не требует дорогостоящего оборудования. Приготовление горячей битумоперлитовой массы осуществляется путем смешивания в специальных смесителях (растворосмесителях закрытого типа) вспученного перлитового песка с разогретым битумом. Битум марки БН-IV разогревается в битумоплавильных установках до температуры 170—180°С и при этом полностью обезвоживается. Разогретый битум из варочного котла подается в объемный дозатор, а затем самотеком в смеситель, в который заранее засыпается определенное количество вспученного перлитового песка с таким расчетом, чтобы соотношение между битумом и перлитовым песком составляло 1,7—1,9 по объему. Длительность перемешивания битума и вспученного перлитового песка составляет 2—3 мин до получения однородной массы. Температура битумоперлитовой массы, поступающей для нанесения монолитной теплоизоляции на трубы, должна быть не ниже 85—90°С. Как правило, смеситель, в котором приготовляется битумоперлитовая смесь, оборудован паровой рубашкой или электроподогревом.
Теплоизоляционная масса должна обладать следующими физико-механическими свойствами:
Значительный рост объемов строительства тепловых сетей, выполняемых бесканальным способом с изоляцией из битумоперлита, привел к созданию в нашей стране оборудования для нанесения теплоизоляционных покрытий индустриальным способом в заводских условиях. Разработано два способа нанесения битумоперлитной изоляции на трубы: путем прессования массы с помощью шнекового устройства, вращающегося вокруг трубы (Главкиевгорстрой), и путем прессования массы в зазор между трубой и специальной цилиндрической формой с помощью гидравлического поршня (Главмосстрой). Оба способа применяются для изоляции труб диаметром до 400 мм.
Высокопроизводительная полуавтоматическая установка со шнековой теплоизолирующей машиной была разработана и впервые внедрена в Киеве Главкиевгорстроем в 1967 г. (авторы В. А. Гусев и Н. Н. Руденко). Основным рабочим органом теплоизолирующей машины является полый вращающийся шнек (рис. 3.9), с помощью которого на трубу, пропускаемую через его полость, наносится битумоперлитная изоляция. Перед нанесением теплоизоляционного слоя стальные трубы должны быть подсушены, очищены от грязи, окалины и продуктов коррозии до металлического блеска и покрыты грунтовкой (разжиженным в бензине нефтяным битумом). Расчетной толщины тепловой изоляции, наносимой на трубу, в зависимости от ее диаметра достигают посредством сменных шнеков, вкладышей и подпорных фланцев.
При нанесении теплоизоляции горячая битумоперлитная масса из бункера подается на вращающийся шнек, захватывается и равномерно распределяется им вокруг трубы, спрессовывается и выталкивается за пределы прессующей камеры, где обматывается лентой из крафт-бумаги. Скорость движения труб через теплоизолирующую машину регулируется в зависимости от диаметра изолируемой трубы, качества битумоперлитной массы, ее температуры и других данных. Практически эта скорость составляет 1,5—4 м/мин. Далее труба с нанесенной теплоизоляцией подается в корпус гидроизолирующей машины (рис. 3.10). При движении трубы на тепловую изоляцию льется битумная мастика и с катушек обмоточного устройства наносится в два слоя рулонный гидроизоляционный материал (изол или бризол).
В 1967—1968 гг. в НИИ Мосстроя И. С. Никольским была разработана и внедрена в производство технология нанесения монолитной теплоизоляции из битумоперлита на трубы методом осевого прессования, существенно отличающаяся от разработанной в Киеве. Эта технология предусматривает поршневое (осевое) прессование горячей битумоперлитной массы под давлением 0,7—1 МПа (7—10 кгс/см2) в зазор между оболочкой и изолируемой трубой. При такой технологии битумоперлитная изоляция получается более высокой плотности 550—700 кг/м3 с пределами прочности на сжатие не менее 0,4—0,6 МПа (4—6 кгс/см2) и на изгиб не менее 0,2 МПа (2 кгс/см2), с водопоглощением при полном погружении за сутки 2—5°/а по объему, но и с более высокими; значениями коэффициента теплопроводности— 0,13—0,17 Вт/(м-°С) ,[0,115—0,15 ккал/(мХ Хч-°С)]. Применяемые в настоящее время толщины такой изоляции составляют 55—67 мм на обеих трубах диаметром 50—150 мм, 79—87 мм на подающих и 52—57 мм на обратных трубопроводах диаметром 200—-300 мм.
СКВ Мосстроя спроектирована конвейерная линия для нанесения методом осевого прессования монолитной битумоперлитной теплоизоляции на трубы диаметром 57—325 мм. Производительность конвейерной линии—200 м изолированных труб в смену. Основным узлом линии является теплоизолирующая машина осевого прессования (рис. 3.11). Принцип работы этой машины заключается в следующем. Труба, подлежащая изоляции и предварительно прошедшая очистку и огрунтовку, поступает; в прессующую камеру (цилиндр) до упора с тормозной кареткой, которая вплотную подается к камере. Полый поршень, через который пропускается изолируемая тр.уба, при помощи гидроцилиндров перемещается в крайнее правое положение. Из загрузочного бункера машины битумоперлитная масса через открытый шибер, отделяющий прессующую камеру от бункера, поступает в прессующую камеру. Шибер закрывается. Поршень, перемещаясь в цилиндре в направлении к тормозной каретке, уплотняет битумоперлитпую массу на поверхности трубы, после чего возвращается в исходное положение и цикл вновь повторяется до- полного покрытия теплоизоляцией всей трубы.
За один цикл напрессовывается теплоизоляция на длину порядка 150—200 мм.. Этим же поршнем труба со слоем теплоизоляции продвигается через устройство для нанесения гидроизоляционного покрытия. По выходе из мундштука машины изолированная битумоперлитом труба обматывается лентой из стеклоткани (в 2 слоя) с одновременной пропиткой ее битумной мастикой. Для нанесения теплоизоляции на трубы разных диаметров прессующая машина снабжена сменным комплектом рабочих пресс-камер. Кроме того, на прессующей машине с помощью специальной сменной оснастки предусмотрено изготовление полуцилиндров из битумоперлита.
Установка для приготовления битумоперлитной смеси включает в себя силосные баки для приемки и хранения вспученного перлитового песка, котел для приготовления расплавленного битума, устройство для подачи и дозирования исходных материалов к лопастной мешалке периодического действия и лотков для подачи готовой битумоперлитной массы к изолировочной машине. Изготовление монолитной тепловой изоляции из битумоперлита по технологии, разработанной в НИИ Мосстроя, было организовано на Камушкинском заводе Главмосстроя (производительностью 120 км труб в год) и Хотьковском заводе теплоизоляционных материалов Главмособлстройматериалов (производительностью 250 ,км труб в год).
С целью создать условия для более широкого распространения бесканальной прокладки тепловых сетей на стройках Подмосковья Главмособлстрой построил и ввел в эксплуатацию в 1971 г. в Раменском Московской обл. опытный завод по промышленному производству битумоперлитной изоляции труб теплопроводов. Раменский опытный завод битумоперлитной изоляции представляет собой комплексное самостоятельное предприятие, выпускающее в год 270 км теплогидроизолированных труб диаметром от 57 до 426 мм для бесканальной прокладки теплосетей. Это первое в стране предприятие, где в комплексе решены технологические процессы по получению компонентов изоляции (вспученного Перлитового песка и битума требуемой вязкости), получению битумоперлитной смеси и выполнению полного цикла работ по теплоизоляции труб, включая их очистку, нанесение грунтовки, теплоизоляции и гидроизоляционного покрытия,
Установленные в цехе две линии теплогидроизоляции труб работают по одной и той же технологической схеме. Каждая линия дает возможность изолировать стальные трубы диаметром от 57 до 426 мм. Поступающие со склада стальные трубы сначала проходят через специальную сушильную установку, представляющую собой газовую печь, где они очищаются от снега и льда (в зимнее время) и высушиваются. Далее высушенные трубы подаются в очистную машину и подвергаются очистке стальными щетками от грязи, ржавчины, окалины и грата. Затем очищенная поверхность трубы покрывается ровным слоем грунтовки, который предохраняет трубу от воздушной коррозии и служит для плотного сцепления слоя теплоизоляции с поверхностью стальной трубы. На рис. 3.12 приведена технологическая схема линии сушки, очистки и грунтовки труб. Производительность линии 500—800 м труб в смену в зависимости от их диаметра.
Технологическая схема конвейерной линии по нанесению битумоперлитной теплоизоляции на трубы и защитного гидроизолирующего покрытия показана на рис. 3.13. Нанесение теплоизоляции производится при помощи изолирующей машины, рабочим органом которой служит вращающийся шнек с полой осью, через которую проходит изолируемая труба. Битумоперлитная, масса уплотняется и напрессовывается на проходящую трубу. Горячая изоляция тут же обматывается бумажной лентой шириной 30—40 мм в три слоя. Для наматывания бумаги предусмотрено специальное мотальное устройство, которое устанавливается сразу за шнеком. Труба с нанесенной теплоизоляцией имеет два неизолированных участка — начало и конец трубы. Эти участки предназначены для производства сварочных работ при стыковке труб во время монтажа теплопровода и обычно имеют длину 200—250 мм. Далее теплоизоляционная труба поступает на гидроизолирующую машину, которая обертывает ее лентой бризола или изола по слою горячего битума. Готовая труба снимается при помощи мягкого «полотенца» и укладывается на деревянные профильные прокладки тележки вывоза готовой продукции.
Для заделки стыковых соединений на Раменском заводе организовано изготовление полуцилиндров и сегментов из
битумоперлита методом полусухого прессования при помощи гидравлического пресса (рис. 3.14). В целях дальнейшего совершенствования конструкции бесканальных теплопроводов) с битумоперлитной изоляцией на Раменском опытном заводе была внедрена установка по нанесению на теплоизолированные трубы гидроизоляционного покрытия из монолитного полиэтилена методом экструдирования. Расплав полиэтилена, поступающий из экструдера наносится на наружную поверхность теплоизоляции в виде «чулка» толщиной 1—1,5 мм. После остывания полиэтилена образуется надежное бесшовное гидроизоляционное покрытие. Однако масштабы использования такого покрытия в практике строительства бесканальных тепловых сетей ограничиваются пока дефицитностью сырья. В настоящее время бесканальные теплопроводы с битумоперлитной изоляцией внедряются в Советском Союзе почти повсеместно.
Типовые конструкции и детали тепловых сетей серии 4-903-4 «Бесканальная прокладка тепловых сетей с изоляцией из битумоперлита при диаметре трубопроводов Dy 50—500 мм» разработаны Киевским отделением института Теплоэлектропроект. Бесканальные тепловые сети с изоляцией из битумоперлита прокладывают в сухих, маловлажных и в насыщенных водой грунтах (рис. 3.15). При прокладке в зоне грунтовых вод устанавливают попутный дренаж. Для восприятия температурных удлинений по трассе тепловых сетей устраивают 11-образные и сальниковые компенсаторы, а также учитывают естественную компенсацию углов поворота теплотрассы. Теплопроводы с изоляцией из битумоперлита укладывают при этом только на прямолинейных;1 участках трассы. П-образные компенсаторы и участки теплопроводов, используемые для естественной компенсации, прокладывают в компенсаторных нишах и каналах с подвесной теплоизоляцией труб.
Камеры тепловых сетей применяют те же, что и при канальной прокладке. Вход трубопроводов в камеру и выход из нее осуществляются через участки каналов длиной 1,5 м, примыкающие к камере. Вход трубопроводов в канал осуществляется через металлические гильзы, заделанные в торце канала монолитным бетоном М150. Узел примыкания бесканальной прокладки к каналу, а также деталь примыкания битумоперлитной изоляции к подвесной показаны на рис. 3.16.
Неподвижные опоры для всех диаметров трубопроводов применяют щитового типа — сборные и монолитные. В местах прохода трубопроводов через стенки щитовых неподвижных опор (рис. 3.17), а также при входе в канал оставляют зазоры для обеспечения равномерной осадки трубопроводов. Изоляцию сварных стыков выполняют на объекте после испытания теплопровода с помощью полуцилиндров или сегментов заводского изготовления (рис. 3.18) или горячей массой битумоперлита путем напрессовки ее на стыки, используя цилиндрические разъемные формы (рис. 3.19).
Исследованиями конструкций бесканальных теплопроводов с битумоперлитной изоляцией выявлен ряд недостатков:
1) особенностью битумоперлитной изоляции является отсутствие адгезии (прилипания) изоляционной конструкции к наружной поверхности трубы. Вследствие этого при длительной работе теплопровода может образоваться зазор между трубой и изоляционной конструкцией, что приведет к поступлению влаги и воздуха, способствующих возникновению коррозии стальных труб.
2) недостаточная теплостойкость битумоперлита. При повышении температуры теплоносителя выше 135°С наблюдается частичная возгонка летучих и коксование битума с увеличением водопоглощения в слое битумоперлита толщиной 20—25 мм, непосредственно прилегающем к трубам. Кроме того, уменьшается водородный показатель pH слоя, прилегающего к трубе, с 7 до 2,5—3,5 (т.е. изоляция из нейтральной становится кислой), в: результате наблюдается наружная коррозия теплопроводов;
3) значительная неоднородность теплоизоляции по толщине слоя и длине трубы, особенно при шнек-прессовом способе изготовления. Расхождение между максимальным и минимальным значениями объемной массы при поршневом способе также значительно. Неоднородность объемной массы по поверхности трубы может являться источником образования коррозионных микропар, активность которых возрастает вследствие разложения некоторых фракций битума и высвобождения содержащейся в нем серы;
4) большое водопоглощение, особенно в условиях неоднородности структуры или ее нарушения при повышенных температурах, составляющее в зависимости от объемной массы 35—65 %, что приводит к интенсификации коррозии и резкому возрастанию тепловых потерь;
5) материалы, применяемые для гидроизоляционного покрытия (бризол и др.) при транспортировке часто повреждаются,. а заделка поврежденных мест на объекте монтажа не гарантирует должную герметичность;
6) подверженность истиранию внутренней поверхности изоляционного слоя при продольных термических деформациях теплопроводов..
Указанные недостатки приводят к тому, что проложенные бесканальным способом теплопроводы с битумоперлитной изоляцией в ряде случаев выходят из строя уже через 5—8 лет эксплуатации по причине коррозии поверхности стальных труб. В связи с этим проблема усовершенствования материала, технологии и конструкции, теплопроводов с изоляцией из битумоперлита приобрела в настоящее время актуальное значение. С целью повышения надежности и долговечности бесканальных тепловых сетей с битумоперлитной изоляцией ряд институтов (ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, НИИ Мосстроя, НИИСМИ, ВНИПИЭнергопром и др.) провели исследования по повышению качества битумоперлита путём введения в него различных добавок. Установлено, что наиболее технологичной и эффективной добавкой, повышающей щелочность среды битумоперлита до величины рН=10,5 и снижающей скорость коррозии, является портландцемент марки 400, введенный в количестве не менее 10 % массы битума.
В настоящее время работы по введению добавки цемента доведены до стадии заводского промышленного внедрения. В соответствии с рекомендациями и техническим заданием на проектирование, разработанными сектором подземных сетей НИИ Мосстроя, на Московском трубозаготовительном и Хотьковском заводах изготовлено и смонтировано оборудование для механизированной загрузки, дозирования и подачи цемента. Намечено перейти на выпуск изоляции из битумоперлита, содержащей щелочную добавку. Предложен ряд модификаций битумоперлитной изоляции, ориентирующийся на использование местного сырья, а также улучшение технологии нанесения изоляции на трубы. Так, в 1972 г. в Главтюменьгазстрое Миннефтегазстроя СССР была разработана технология изготовления нового изоляционного материала битумокерамзита, который отличается от битумоперлита тем, что вспученный перлитовый песок в нем заменен керамзитовым гравием.
Битумокерамзитовая изоляция имеет следующие показатели: объемная масса 500—600 кг/м3, предел прочности при сжатии 1—2 МПа (10—20 кгс/см2), коэффициент теплопроводности в сухом состоянии 0,116—0,139 Вт/м. Кроме перечисленных выше недостатков, свойственных битумоперлитной изоляции, битумокерамзитовая изоляция может вызвать значительный абразивный износ труб. Монолитная изоляция из битумокерамзита изготовляется пока только в Главтюменьгазстрое.
Другой модификацией теплоизоляции является битумовермикулит, предложенный Уралниистройпроектом (Челябинск). Технология приготовления битумокерамзитовой и битумовермикулитовой смеси аналогична приготовлению битумоперлитной смеси и на трубы их наносят теми же машинами и оснасткой, что и битумоперлитную изоляцию. Несмотря на указанные выше недостатки теплопроводы с битумоперлитной изоляцией находят широкое применение при бесканальных прокладках тепловых сетей. Это прежде всего объясняется высокой технологичностью изготовления этого материала, позволяющей использовать большие преимущества механизированного изготовления изолированных труб в заводских условиях. Цехи по изготовлению и нанесению битумоперлитной изоляции компактны и окупаются в течение двух лет.
Авдолимов Е. М., Шальнов А. П. Водяные тепловые сети. — М.: Стройиздат, 1984.
