Жесткие пенополиуретановые скорлупы для теплоизоляции трубопроводов

«Строительная инженерия», №11 (23)
Виктор НОВАК, Евгения ТИМОФЕЕВА

Производство и транспортировка скорлупы ППУ. Физико-механические свойства скорлуп ППУ. Монтаж скорлуп (сегментов) на «тело» трубопровода и их защита от внешнего воздействия. Эксплуатационные показатели скорлуп. Преимущества и недостатки использования пенополиуретановых скорлуп

Manufacture and transportation of polyurethane foam (PUF) shells. Physical and mechanical characteristics of PUF shells. Shell (segment) mounting onto a pipeline body and its protection from external action. Operational characteristics of the shells. Strengths and weaknesses of PUF shells application.

Сегодня проблема энергосбережения ставится все более остро, это связано с обще-мировой тенденцией удорожания энергоносителей. Вследствие этого во всех отраслях отдается предпочтение энергосберегающим технологиям. Не секрет, что значительную долю в общее количество потерь тепла вносит транспортировка. В наибольшей мере данное утверждение справедливо для России. Это связано с тем, что РФ является государством с самым высоким уровнем централизованного теплоснабжения в Европе, общая протяженность теплотрасс составляет около 260 тыс. км. Необходимо также учесть, что почти половина трубопроводов нуждается в ремонтах разного уровня сложности. Суммарные потери в тепловых сетях, по статистическим данным, достигают 30% (около 80 млн т условного топлива в год). Это колоссальные затраты, причем, если обратиться к опыту ряда европейских стран, количество потерь в России превышает аналогичные европейские показатели в несколько раз. Одна из причин такой ситуации - теплоизоляция трубопроводов, которая использует неэффективные и быстроразрушающиеся при эксплуатации материалы на основе стекловаты.

Для уменьшения потерь тепла наиболее эффективным является использование пенополиуретановой изоляции в виде жестких пенополиуретановых (ППУ) скорлуп.

Преимущества данной технологии следующие:
- большой срок службы;
- снижение тепловых потерь;
- уменьшение капительных расходов, а также затрат на эксплуатацию и ремонт;
- возможность проведения теплоизоляционных работ в течение года, в том числе зимой.

В статье рассмотрены физико-механические показатели пенополиуретановых жестких скорлуп и теплоизоляция трубопроводов.

Производство скорлуп ППУ

Скорлупы представляют собой жесткие полуцилиндры или сегменты длиной около 1 м различного диаметра с замками в четверть по всему периметру скорлупы. Изделия получают в заводских условиях (это объясняется требованиями к производственному участку) методом формования, используя два жидких компонента - А (полиол) и Б (полиизоцианат). Смесь компонентов в определенном соотношении, как правило, 100 : 130 по массе, выливается в нижнюю часть металлической пресс-формы, которая предварительно смазывается антиадгезионной смазкой, и закрывается крышкой. Для заливки используются машины высокого или низкого давления. Скорлупы небольшого диаметра можно заливать вручную, перемешивая компоненты с помощью механической мешалки. Через 15-20 мин. извлекается готовая скорлупа (сегмент). Металлические пресс-формы отличаются размером, в зависимости от необходимости получения скорлуп того или иного диаметра.

Таблица. Физико-механические свойства скорлуп ППУ (частный случай)

Пенополиуретановые скорлупы диаметром до 108 мм упаковываются в пакеты 1 х 1 х 1 м, изделия большего диаметра транспортируются россыпью. По условиям перевозки скорлупы диаметром до 620 мм изготавливаются в виде полуцилиндров, а скорлупы диаметром 720 мм и более - из трех-четырех сегментов. Транспортируются скорлупы авто- и железно-дорожным транспортом в контейнерах и вагонах.

Физико-механические свойства скорлуп ППУ

Скорлупы (сегменты) изготавливаются двух типов - с покрытием и без него. В качестве покрытия используются стеклопластик, фольга, крафтбумага. Покрытия дополнительно защищают скорлупы от непогоды, в том числе от воздействия ультрафиолетовых лучей, и придают изоляции улучшенный внешний вид. Скорлупы в разрезе имеют однородную пеноструктуру, состоящую из мелких закрытых ячеек. Такая структура обеспечивает низкий коэффициент теплопроводности (при вспенивании фреоном 141в) =< 0,025 Вт/м • К, что значительно ниже средних значений указанного показателя для других изоляционных материалов, включая экструдированный пенополистирол. Однородная закрытая пеноструктура скорлуп обеспечивает им также низкое водопоглощение. Испытания, проведенные по определению водопоглощения скорлуп путем полного их погружения в воду с температурой 25 °С на сутки, 7 суток и 30 суток показали следующие значения водопоглощения - соответственно 0,09, 0,7 и 1,2% от общего объема материала. Эти данные показывают, что скорлупы имеют незначительное водопоглощение даже в незащищенном (без покрытия) виде. Скорлупы обладают высокой механической прочностью - выдерживают нагрузку не менее 20 т на 1 м2 (обычно 30-35 т).

Скорлупы химически стойки к большинству строительных материалов (например, к битуму и растворителям), экологически безопасны. В таблице приведены физико-механические свойства пенополиуретановых жестких скорлуп.

Необходимо обратить внимание, что особое значение для свойств скорлуп имеет так называемая технологическая корка (слой монолитного ПУ толщиной 0,1-1,5 мм, образующийся на внутренней и внешней поверхности скорлуп в процессе их формования). Толщина корки зависит от рецептуры компонентов и условий формования. Технологическая корка существенно увеличивает плотность ППУ, его физико-механические свойства и в 10-20 раз повышает гидроизоляционные свойства. При плотности сердцевины 50 кг/м3 общая плотность скорлупы равна 60 кг/м3.

Рис. Схема изоляции скорлупами ППУ трубы и отвода: 1 - хомуты; 2 – клей

Монтаж скорлуп (сегментов) на «тело» трубопровода

Скорлупы монтируются на тело стального трубопровода после предварительно выполненной антикоррозионной обработки. Крепление скорлуп на теле трубы является несложной технологической операцией и производится с помощью ПЭТ-ленты, проволоки, стяжек, хомутов и специального однокомпонентного клея, отверждаемого влагой воздуха.
Монтаж скорлуп на «тело» трубы можно проводить в любое время года при сухой погоде.

При монтаже скорлуп необходимо соблюдать следующие правила и последовательность:

- металл трубопровода должен быть защищен от коррозии (скорлупы не вызывают коррозии, но и не защищают трубопровод от коррозии);
- скорлупы должны тесно по пазам прилегать друг к другу, как в продольном, так и в поперечном направлении;- скорлупы можно располагать на «теле» трубопровода по часовой стрелке 9-15 или 12-18 (это за висит от метода гидрозащиты стыков скорлуп);
- стяжки (хомуты) должны воспрепятствовать «ползучести» скорлуп вдоль трубы и их провисанию под силой тяжести.

Необходимо соблюдать правило - чем больше диаметр скорлупы, тем больше стяжек должно быть;
- для дополнительной гидрозащиты поперечные швы скорлуп желательно промазать специальным однокомпонентным клеем;
- выполнить защиту скорлуп от внешнего воздействия.

Производство скорлуп ППУ

Известно, что ППУ подвергается разрушению под действием ультрафиолетовых лучей со скоростью до 0,08 мм/год, проявляющемуся в хрупкости поверхности скорлуп. Поэтому требуется за щита скорлуп от ультрафиолетовых лучей, также необходима дополнительная гидрозащита от внешних осадков. При этом следует отметить, что скорлупы при наличии технологической корки успешно противостоят проникновению влаги. Слабым «местом» скорлуп являются стыки. Дождь, снег попадают в стыки и проникают внутрь скорлуп, а повышенная температура (за счет теплоносителя в трубопроводе) приводит к «кипячению» скорлупы в воде. Особенно это характерно для скорлуп, смонтированных по часовой стрелке 9-15. В скорлупах, смонтированных по стрелке 12-18, вода не накапливается внутри скорлуп, так как вытекает через нижний стык. Также вода, попадающая в стыки, может превращаться при знакопеременных температурах в лед и деформировать скорлупы (снег на изолированных скорлупами трубопроводах не тает).

Защита скорлуп от внешнего воздействия

Пенополиуретановые скорлупы подвержены внешнему воздействию, в связи с этим изделия необходимо защитить. Для этих целей проводится ряд мероприятий, таких как;
- «одевание» скорлупы в металлическую оболочку;
- использование для защиты от влаги и ультрафиолетовых лучей пропитанной стеклоткани или непропитанной стеклоткани с последующей обработкой специальной полиуретановой мастикой-раствором;
- обработка стыков напыляемым ППУ;
- обработка поверхности скорлуп и стыков полимер-битумной мастикой;
- смонтированных на трубопровод скорлуп металлической сеткой с последующим нанесением цементно-песчаной штукатурки.

Все перечисленные способы используются на практике. Можно также использовать упрощенный метод:
- скорлупы монтируются по часовой стрелке 12-18 ч;
- поперечные стыки скорлуп промазываются клеем;
- верхний продольный стык изолируется лентой из пропитанной стеклоткани шириной равной >= 0,05 внешнего диаметра скорлупы. Можно предварительно на поверхность скорлуп нанести тонкий слой клея. Лента прижимается хомутами;
- поперечный стык скорлуп изолируется лентой из пропитанной стеклоткани длиной равной >= 0,3 и шириной >= 0,05 внешнего диаметра скорлуп. Лента закрывается хомутом шириной >= ? ширины ленты.

Этот метод предотвращает по падание влаги внутрь скорлуп и в большей мере устраняет проблему, связанную с появлением хрупкости поверхности скорлуп. Для придания красивого внешнего вида теплоизолированного скорлупами трубопровода его можно окрасить красками на основе пвх.

Эксплуатационные показатели скорлуп

Срок эксплуатации скорлуп зависит от условий их эксплуатации и монтажа. При отсутствии воздействия влаги срок службы скорлуп не менее десяти лет. Максимальная температура эксплуатации - 120 °С. При длительном воздействии высоких температур (больше 100 °С) наблюдается потемнение пограничного слоя скорлуп, связанное с карбонизацией пеноструктуры. Изменение цвета не влияет на свойства скорлуп. Скорлупы допускают кратковременные воздействия более высоких температур (до 140-150 °С), но при условии, что ранее они подвергались длительному воздействию температур порядка 100-120 °С. При изоляции трубопроводов с температурой 120 - 150 °С трубу необходимо предварительно изолировать стеклотканью или слоем утеплителя на основе базальта. Далее монтируют скорлупы подобранного диаметра.

Преимущества и недостатки использования пенополиуретановых скорлуп

Преимущества:
- возможность проведения теплоизоляционных работ на трубопроводе в течение всего года;
высокая производительность теплоизоляционных работ (до 300 пог. м трубопровода за смену силами двух рабочих);
- стойкость к растворителям;
- экологическая безопасность;
- длительный срок службы (не менее десяти лет);
- возможность быстрого доступа к поврежденным участкам трубопровода;
- самый низкий (из известных материалов) коэффициент теплопроводности, что обеспечивает возможность применения тонкостенных скорлуп. 
Недостатки:
- относительно высокие транспортные расходы на единицу продукции, что делает невыгодным поставлять сегменты малыми партиями на большие расстояния;
- существует ограничение температуры эксплуатации скорлуп - максимальная температура составляет 120 °С. В связи с этим невозможно использовать скорлупы для изоляции паропроводов.

Стоимость скорлуп ППУ

Стоимость скорлуп составляет от 70 до 1500 рублей за пог. м в зависимости от требуемого диаметра. При изготовлении скорлуп с внешним покрытием из фольготкани или стеклопластика стоимость увеличивается на 15%. Стоимость монтажа скорлуп (при привлечении сторонней организации) составляет порядка 30% от стоимости самих скорлуп в зависимости от сложности исполнения внешнего покрытия. Также необходимо учесть транспортные и прочие расходы.

Ниже приведен примерный расчет эффективности изоляции скорлупами ППУ
Исходные данные для расчетов:
- стоимость одной Гкал тепла - 515 рублей;
- стоимость 1 м2 скорлупы ППУ - 500 рублей.

Удельная теплоотдача неизолированной трубы 1222 Вт/м2; удельная теплоотдача трубы с ППУ изоляцией при толщине 30 мм 99 Вт/м2; продолжительность отопительного сезона 215 (18576 х Ю3 с) суток (показатели различаются по стране, данный соответствует Владимирской области). Рассчитаем потери тепла как 1 Дж/с с 1 м2.

Тогда потери тепла неизолированной трубы за отопительный сезон составят 1222 х 18576 х х Ю3 = 22,688 ГДж (5,32 Гкал), при заданном тарифе это составит 2741,2 рубля. Для трубы с изоляцией скорлупами ППУ получим 99 х 18576 х Ю3 = 1,84 ГДж (0,44 Гкал), в денежном выражении - 227,4 рубля.

Как видно из приведенного расчета, теплоизоляция ППУ позволяет получать ощутимую экономию. Однако не надо забывать, что данный расчет приблизителен.

Выводы

Жесткие пенополиуретановые скорлупы с учетом срока их эксплуатации являются наиболее надежным и высокоэффективным теплоизоляционным материалом для наружных и проложенных внутри помещений теплопроводов с температурой до 120 °С, а также для холодильной техники, в том числе криогенной. Затраты на производство, перевозку и монтаж окупаются значительной экономией энергоресурсов. Безусловно, сегодня существует ряд факторов, тормозящих процесс внедрения такой технологии теплоизоляции трубопроводов, однако объемы применения ППУ скорлуп неуклонно растут.

Подготовила Ольга ЦЫРЯПКИНА