Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов

Современное состояние и перспективы развития

Б. М. Шойхет, канд. техн. наук, чл. ред. совета журнала «Энергосбережение», заместитель директора по техническому развитию ЗАО «Сан-Гобэн Изовер»

Тепловая изоляция трубопроводов и оборудования определяет техническую возможность и экономическую эффективность реализации технологических процессов и широко применяется в энергетике, ЖКХ, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности.

В энергетике объектами тепловой изоляции являются паровые котлы, паровые и газовые турбины, теплообменники, баки-аккумуляторы горячей воды, дымовые трубы.

В промышленности тепловой изоляции подлежат вертикальные и горизонтальные технологические аппараты, насосы, теплообменники, резервуары для хранения воды, нефти и нефтепродуктов. Особенно высокие требования предъявляются к эффективности тепловой изоляции низкотемпературного и криогенного оборудования.

Тепловая изоляция обеспечивает возможность проведения технологических процессов при заданных параметрах, позволяет создать безопасные условия труда на производстве, снижает потери легко испаряющихся нефтепродуктов в резервуарах, дает возможность хранить сжиженные и природные газы в изотермических хранилищах.

Технические требования к теплоизоляционным конструкциям

При монтаже и в процессе эксплуатации теплоизоляционные конструкции подвергаются температурным, влажностным, механическим, в том числе вибрационным, воздействиям, которые определяют перечень предъявляемых к ним требований.

К основным требованиям, предъявляемым к теплоизоляционным материалам и конструкциям, относят следующие:

- теплотехническая эффективность;

- эксплуатационная надежность и долговечность;

- пожарная и экологическая безопасность.

Основными показателями, характеризующими физико-технические и эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являются: плотность, теплопроводность, температуростойкость, сжимаемость и упругость (для мягких материалов), прочность на сжатие при 10 % деформации (для жестких и полужестких материалов), вибростойкость, формостабильность, горючесть, водостойкость и стойкость к воздействию химически агрессивных сред, содержание органических веществ и биостойкость.

Теплотехническая эффективность конструкций промышленной тепловой изоляции определяется в первую очередь коэффициентом теплопроводности теплоизоляционного материала, который определяет требуемую толщину теплоизоляционного слоя, а следовательно, и нагрузки на изолируемый объект, конструктивные и монтажные характеристики конструкции. Расчетные значения коэффициента теплопроводности принимаются с учетом его зависимости от температуры, степени уплотнения теплоизоляционных материалов в конструкции, шовности конструкции, наличия крепежных деталей. При выборе теплоизоляционного материала учитывают: температуростойкость теплоизоляционных материалов, возможную линейную усадку, потери прочности и массы, степень выгорания связующего при нагреве, прочностные и деформационные характеристики изолируемого объекта, допустимые нагрузки на опоры и изолируемые поверхности и другие влияющие факторы.

Долговечность теплоизоляционных конструкций зависит от их конструктивных особенностей и условий эксплуатации, включающих месторасположение изолируемого объекта, режим работы оборудования, степень агрессивности окружающей среды, интенсивность механических воздействий. Срок службы теплоизоляционного материала и теплоизоляционной конструкции в целом в значительной степени определяется качеством защитного покрытия.

Требования пожарной безопасности определяются нормами технологического проектирования конкретных отраслей промышленности с учетом положений СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов». Для таких отраслей промышленности, как газовая, нефтехимическая, химическая, производство минеральных удобрений, ведомственные нормы допускают применение только негорючих и трудногорючих материалов (группы НГ и Г1 при испытаниях по ГОСТ 30244-94) в составе теплоизоляционных конструкций. При выборе материалов учитываются не только показатели горючести теплоизоляционного слоя и защитного покрытия, но и поведение теплоизоляционной конструкции в условиях пожара в целом. Пожароопасность теплоизоляционных конструкций наряду с другими факторами зависит от температуростойкости защитного покрытия, его механической прочности в условиях огневого воздействия.

Санитарно-гигиенические требования особенно важны при проектировании объектов с технологическими процессами, требующими высокой чистоты, например, в микробиологии, радиоэлектронике, фармацевтической промышленности. В этих условиях применяются материалы или конструкции, не допускающие загрязнения воздуха в помещениях.

Современные теплоизоляционные материалы

На сегодняшний день на российском рынке теплоизоляционных материалов представлена продукция как отечественных, так и зарубежных производителей.

Номенклатура отечественных волокнистых теплоизоляционных материалов, предназначенных для тепловой изоляции оборудования, представлена традиционно применяемыми матами минераловатными прошивными безобкладочными или в обкладках из металлической сетки, стеклоткани или крафт-бумаги с одной или двух сторон (ГОСТ 21880-94, ТУ 36.16.22-10-89, ТУ 34.26.10579-95 и др.), изделиями минераловатными с гофрированной структурой для промышленной тепловой изоляции (ТУ 36.16.22-8-91), плитами теплоизоляционными минераловатными на синтетическом связующем плотностью 50–125 кг/м³ (ГОСТ 9573-96), изделиями из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем (ГОСТ 10499-95). В небольшом объеме выпускаются изделия из супертонкого стеклянного и базальтового волокна с применением различных связующих и без них (ТУ 21-5328981-05-92, ТУ 95.2348-92, ТУ 5761-086011387634-95 и др.). Лидерами в производстве волокнистых теплоизоляционных материалов для промышленного оборудования и трубопроводов являются заводы ОАО «Термостепс», ЗАО «Минеральная вата» (г. Железнодорожный), Назаровский ЗТИ, ЗАО «Сан-Гобэн Изовер» (г. Егорь-евск), ОАО «УРСА-Евразия» (г. Чудово, Серпухов) и др.

Продукция зарубежных производителей для изоляции трубопроводов и оборудования представлена широкой номенклатурой волокнистых теплоизоляционных материалов фирм: «Rockwool» (Дания), «Сан-Гобэн Изовер» (Финляндия), «Partek», «Paroc» (Финляндия), «Izomat» (Словакия) (цилиндры, маты и плиты без покрытия или покрытые с одной стороны металлической сеткой, стеклорогожей, алюминиевой фольгой и т. д.).

Возрастают объемы применения высокоэффективных теплоизоляционных цилиндров из минерального (ЗАО «Минеральная вата», Назаровский ЗТИ, «Paroc») и стеклянного волокна («Сан-Гобэн Изовер», «УРСА») отечественного и зарубежного производства.

Из пенопластов наибольшее применение в конструкциях тепловой изоляции оборудования, преимущественно низкотемпературного, находит пенополиуретан заливочный, напыляемый и в виде плитных изделий. Его отечественным разработчиком является научно-исследовательский институт синтетических смол (г. Владимир), а также образовавшиеся на его основе предприятия (ЗАО «Изолан» и др).

Для изоляции трубопроводов и оборудования с положительными и отрицательными температурами применяются изделия из вспененного синтетического каучука, поставляемые на отечественный рынок фирмами «Армаселл» и «L’ISOLANTE K-FLEX». Материалы производятся в виде изоляционных цилиндров (трубок) или эластичных листовых и плитных изделий. Материалы из вспененного каучука характеризуются преимущественно закрытой пористостью и температурой применения от -70 до 150 °C.

Эффективным материалом для изоляции оборудования и резервуаров является пеностекло «Foamglas» бельгийской фирмы «Pittsburgh Corning» – формованный материал (плиты, сегменты) с закрытыми порами, негорючий, с температурой применения от -260 до 485 °C и высокими прочностными свойствами.

Находят применение в промышленности теплоотражающие покрытия «Термо-Коат» и «Термо-Шилд», используемые для снижения интенсивности радиационного теплообмена резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов и элементов оборудования с окружающей средой. Следует отметить, что указанные покрытия не заменяют тепловую изоляцию, а используются в качестве дополнительного элемента в теплоизоляционных конструкциях для повышения их теплоотражающих характеристик.

При канальной прокладке трубопроводов тепловых сетей используют преимущественно теплоизоляционные маты, мягкие плиты и высокоэффективные цилиндры из минеральной ваты и стеклянного волокна.

Для трубопроводов тепловых сетей подземной бесканальной прокладки применяют преимущественно предварительно изолированные в заводских условиях трубы с гидроизоляционным покрытием, исключающим возможность увлажнения изоляции в процессе эксплуатации. В качестве основного теплоизоляционного слоя в конструкциях теплоизолированных трубопроводов бесканальной прокладки (СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети» и СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов») рекомендованы к применению армопенобетон, пенополиуретан и пенополимерминерал.

На сегодняшний день в некоторых регионах существует тенденция к массовому переходу на применение труб с ППУ-изоляцией, основанная на практике стран Европы (Бельгии, Дании и др.). К преимуществам теплопроводов с ППУ-изоляцией относят низкий коэффициент теплопроводности пенополиуретана (0,032–0,035 Вт/(м• °C)), технологичность при изготовлении и при монтаже теплопроводов, долговечность при соблюдении требований монтажа и эксплуатации. Однако при использовании труб с ППУ-изоляцией следует учитывать, что допустимая температура применения пенополиуретана составляет 130 °C. Повышение температуростойкости теплоизоляционных конструкций с применением пенополиуретана может достигаться путем использования двухслойной изоляции с термостойким внутренним слоем из минеральной ваты или стеклянного волокна и наружным слоем из пенополиуретана.

Представляется, что наряду с внедрением труб с ППУ-изоляцией следует расширять производство и применение труб с изоляцией из современного армопенобетона и пенополимерминерала.

Армопенобетон характеризуется низкой плотностью (200–250 кг/м³) и теплопроводностью (0,05 Вт/(м• °C) ) при высокой прочности на сжатие (не менее 0,7 МПа). К преимуществам армопенобетона относятся его негорючесть, высокая температура применения (до 300 °C), отсутствие коррозионного воздействия на стальные трубы, паропроницаемость гидгозащитного покрытия и, как следствие, долговечность. Опыт его применения в тепловых сетях Северо-Западного региона имеет положительные результаты.

Пенополимерминерал (полимербетон) разработан институтом ВНИПИЭнергопром и более 20 лет применяется в конструкциях тепловой изоляции трубопроводов диаметром до 500 мм. Характеризуется интегральной структурой, совмещающей функции теплоизоляционного слоя и гидроизоляционного покрытия. Имеет температуру применения до 150 °C, теплопроводность при 25 °C – 0,047 Вт/(м•°C), при испытаниях на горючесть по ГОСТ 30244-94 относится к группе Г1.

Технические решения промышленной тепловой изоляции многообразны как по видам применяемых материалов, так и по конструкциям.

Так для тепловой изоляции вертикальных и горизонтальных технологических аппаратов и теплообменников применяются конструкции на основе волокнистых теплоизоляционных материалов с применением приварных штырей или проволочного каркаса.

Для горизонтальных аппаратов (емкостей, теплообменников и др.) преимущественно предусматривается крепление теплоизоляционного слоя на проволочном каркасе.

Нормативная база промышленной тепловой изоляции

Изменившиеся экономические условия потребовали пересмотра действующей нормативной базы промышленной тепловой изоляции.

В ноябре 2003 года Госстроем РФ введен в действие разработанный институтом «Теплопроект» СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» (взамен СНиП 2.04.14-88). Основной целью разработки данного СНиП являлось приведение его в соответствие с современными требованиями к энергоэффективности и эксплуатационной надежности теплоизоляционных конструкций оборудования и трубопроводов в промышленности и ЖКХ.

СНиП 41-03-2003 разработан с учетом современных тенденций в проектировании промышленной тепловой изоляции, современной номенклатуры и стоимости применяемых теплоизоляционных и защитно-покровных материалов и базовых цен на тепловую энергию. Документ содержит требования к теплоизоляционным конструкциям, изделиям и материалам, рекомендации по проектированию теплоизоляционных конструкций, новые нормы плотности теплового потока с изолируемых поверхностей оборудования и трубопроводов при их расположении в помещении и на открытом воздухе, а также при подземной канальной и бесканальной прокладке трубопроводов.

Методы расчета тепловой изоляции, номенклатура и расчетные характеристики рекомендуемых к применению теплоизоляционных, покровных и вспомогательных материалов приведены в действующем СП 41-103-2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов». Следует указать, что данный свод правил подлежит переработке в 2005–2006 годах, т. к. приведенные в приложении Б к этому документу толщины тепловой изоляции оборудования и трубопроводов рассчитаны по нормам плотности теплового потока, приведенным в отмененном СНиП 2.04.14-88 с изменением № 1.

В июле 2003 года вступил в действие Федеральный закон РФ «О техническом регулировании» № 184-ФЗ. По новому закону в качестве «обязательных» могут устанавливаться только нормы, обеспечивающие безопасность жизни и здоровья людей и окружающей среды, а также защиту имущества граждан и организаций. Согласно принятому закону многие действующие СНиП переходят из разряда «обязательных» нормативных документов в разряд «рекомендательных». При этом, очевидно, сохраняется необходимость установления обязательных норм по таким важным вопросам, как эксплуатационная надежность и долговечность промышленных предприятий, зданий, сооружений, объектов ЖКХ, энергосбережение и др.

Тепловая изоляция прямо и косвенно обеспечивает надежность и безопасность эксплуатации оборудования и трубопроводов в промышленности и ЖКХ, обеспечивает условия жизнедеятельности и требования энергосбережения в промышленности и строительном секторе экономики.

Тепловая изоляция применяется практически во всех отраслях промышленности, обеспечивая технологические требования, экслуатационную надежность и безаварийную работу объектов, многие из которых относятся к категории взрывопожароопасных или представляющих опасность для здоровья людей и окружающей среды.

СНиП 41-03-2003 включает требования, многие из которых не могут быть отнесены к разряду «рекомендуемых». Это касается, например, допустимой по требованиям безопасности температуры на поверхности изолированного оборудования и трубопроводов, предельной температуры применения и горючести теплоизоляционных материалов, эффективности пароизоляции низкотемпературного и криогенного оборудования. Во многих случаях тепловая изоляция обеспечивает принципиальную возможность функционирования того или иного вида оборудования в энергетике, промышленности и ЖКХ. Во всех сферах применения тепловая изоляция помимо технологических требований обеспечивает требования энергосбережения. С учетом вышеизложенного представляется, что обязательные нормативные требования СНиП 41-03-2003 должны действовать в течение семи лет до принятия технического регламента, предусмотренного законом «О техническом регулировании».

Госстроем РФ одновременно со СНиП 41-03-2003 введен в действие СНиП 41-02-2003 «Тепловые сети», разработанный ОАО «ВНИПИЭнергопром» при участии ОАО «Теплопроект» (раздел «Тепловая изоляция»). В разделе «Тепловая изоляция» изложены основные требования к материалам и конструкциям тепловой изоляции трубопроводов тепловых сетей надземной, подземной канальной и бесканальной прокладок. Нормы плотности теплового потока для трубопроводов тепловых сетей приведены в СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

Дальнейшее развитие нормативной базы для тепловой изоляции связано с разработкой «Свода правил по тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» и разработкой территориальных норм проектирования тепловой изоляции (ТСН) для регионов России.

Испытания теплоизоляционных материалов

Испытания физико-технических свойств теплоизоляционных материалов проводятся по методикам ГОСТ 17177-94 «Материалы строительные теплоизоляционные. Методы испытаний». Коэффициенты теплопроводности теплоизоляционных материалов определяются по ГОСТ 7076-99 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности и термического сопротивления при стационарном тепловом режиме» и ГОСТ 30256-94 «Материалы и изделия строительные. Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом». Указанные нормативные документы по методам испытания теплоизоляционных материалов требуют дополнения и корректировки. На сегодняшний день в России отсутствуют утвержденные в установленном порядке методики определения следующих весьма важных характеристик теплоизоляционных материалов.

Методика определения предельной минимальной температуры применения теплоизоляционных материалов. Этот показатель является особенно актуальным для вспененных полимеров, используемых для изоляции трубопроводов и оборудования, расположенных на открытом воздухе и в конструкциях низкотемпературной изоляции. При низких температурах может происходить их охрупчивание и разрушение при механических воздействиях.

Методика определения предельной максимальной температуры применения теплоизоляционных материалов. Под предельной максимальной температурой применения теплоизоляционного материала понимают температуру, при которой в материале появляются неупругие деформации под воздействием фиксированной сжимающей нагрузки. В отечественной практике при испытаниях образцы материала нагреваются в печи по всему объему, в зарубежной практике принят односторонний нагрев образцов.

Методика определения коэффициента теплопроводности и термического сопротивления теплоизоляционных цилиндров из минерального и стеклянного волокна, пенопластов и др. В зарубежной практике термическое сопротивление трубной теплоизоляции определяется по стандарту ISO 8497:1994. Представляется, что в рамках проводимой Госстроем РФ политики гармонизации отечественной нормативной базы в области строительства с европейскими стандартами целесообразно ввести этот стандарт на территории РФ.

Методика определения коэффициента теплопроводности при температуре более 200 °C. ГОСТ 7076-99 распространяется на испытания материалов при средней температуре образца от -40 до 200 °C. ГОСТ 30256-94 распространяется на испытания материалов при средней температуре образца от -180 до 300 °C, однако он не применим для испытания материалов с анизотропными свойствами, к числу которых относятся изделия из минеральной ваты и стекловолокна.

Методика определения водопоглощения теплоизоляционных материалов при частичном и полном погружении определяется ГОСТ 17177-94 и предусматривает выдержку образцов в воде в течение 24 часов. Вместе с тем некоторые производители включают в технические условия методику определения водопоглощения по британскому стандарту BS 2972, которая предусматривает выдержку образцов в воде в течение двух часов. Очевидно, что результаты испытаний по указанным методикам получаются существенно различными, что препятствует объективной сравнительной оценке материалов по этому показателю. Представляется целесообразным включить эту методику в ГОСТ 17177-94 в качестве экспресс-методики определения водопоглощения волокнистых теплоизоляционных материалов.

В связи с появлением на рынке сверхлегких теплоизоляционных материалов плотностью до 10–15 кг/м³ требуют уточнения и корректировки, предусмотренные ГОСТ 17177-94 методики определения толщины, плотности, сжимаемости и упругости этих материалов. Принятая в ГОСТ начальная нагрузка 0,5 кПа при определении этих показателей для указанных материалов является завышенной, т. к. не соответствует нагрузкам, которые испытывает материал в реальных условиях эксплуатации. В зарубежных стандартах начальная нагрузка при определении этих показателей дифференцирована в зависимости от плотности материала и имеет значения 0,05 и 0,1 кПа.

Разработка, корректировка и введение в действие этих документов позволят принимать более обоснованные решения по применению теплоизоляционных материалов в конструкциях тепловой изоляции оборудования и трубопроводов. Эти методики должны быть либо разработаны в возможно короткие сроки, либо на территории РФ следует ввести международные или европейские стандарты на эти виды испытаний (по цилиндрам – ISO 8497:1994).

Задачи в области развития промышленной тепловой изоляции

1. Внедрение в практику проектирования и строительства новых эффективных теплоизоляционных материалов и конструктивных технических решений, обеспечивающих снижение тепловых потерь в промышленности и строительстве

В конструкциях промышленной тепловой изоляции необходимо расширять применение современных высокоэффективных теплоизоляционных изделий из минерального и стеклянного волокна отечественного и импортного производства. Сравнительно высокая стоимость, например, теплоизоляционных цилиндров из стекловолокна и минеральной ваты компенсируется их более высокой теплотехнической эффективностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью.

2. Проведение исследований и разработка методик для определения долговечности теплоизоляционных материалов и конструкций

Вопрос соответствия долговечности теплоизоляционных материалов расчетному сроку службы зданий является на сегодняшний день весьма актуальным в связи с введением повышенных требований к теплозащите зданий.

Работы по исследованию долговечности минераловатных материалов в различных условиях эксплуатации проводились в разные годы в институтах «Теплопроект», ВНИИТеплоизоляция (г. Вильнюс), МИСИ, ВНИИСТРОМ и др. Однако вопросы достоверного определения или прогнозирования долговечности применяемых теплоизоляционных материалов в различных условиях эксплуатации до настоящего времени остаются проблематичными, т. к. фактически отсутствуют утвержденные методики определения и официальные документы, нормирующие значение этого показателя.

Долговечность теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях зданий или в конструкциях тепловой изоляции оборудования и трубопроводов должна определяться в зависимости от вида конструкций и условий эксплуатации на основании долговременных наблюдений и обследований эксплуатируемых конструкций.

3. Совершенствование нормативной базы в области промышленной и строительной тепловой изоляции

Ускорение разработки предусмотренных законом «О техническом регулировании» технических регламентов и национальных стандартов в области тепловой изоляции и теплоизоляционных материалов.

Гармонизация с международными стандартами. В связи с расширением номенклатуры современных теплоизоляционных материалов и перспективой продвижения отечественной продукции на зарубежные рынки актуальным является приведение отечественной нормативной базы в области теплоизоляционных материалов в соответствие с международными (ISO) и европейскими (EN) стандартами. Выработка общих требований и проведение испытаний материалов по идентичным методикам будет способствовать более эффективному их использованию как в России, так и за рубежом.

4. Разработка нормативного документа (Свода правил), регламентирующего правила выбора и применения современных теплоизоляционных материалов в энергетике, промышленности, строительстве и ЖКХ

5. Разработка территориальных строительных норм (ТСН) по тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов

Внедрение в практику проектирования тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, дифференцированных по регионам территориальных нормативов, учитывающих фактические цены на тепловую энергию и теплоизоляционные материалы, применение высококачественных теплоизоляционных и защитно-покровных материалов и энергоэффективных конструкций направлено на экономию топливно-энергетических ресурсов в промышленности и ЖКХ и является реальным, быстро окупающимся мероприятием по реализации программы энергосбережения в РФ.

6. Организация систематического технического контроля за выполнением требований нормативной документации в области тепловой изоляции в промышленности и строительстве

Расширение номенклатуры применяемых теплоизоляционных материалов и увеличение количества проектных, строительных и монтажных организаций, выполняющих теплоизоляционные работы, требуют организации контроля эффективности принимаемых технических решений и качества выполняемых работ. Следует направить усилия заинтересованных организаций и служб на проведения мониторинга объектов в части их тепловой изоляции. Представляется необходимой организация натурных наблюдений, сбор, анализ и обобщение информации об экс-плуатационных свойствах новых теплоизоляционных материалов, используемых в конструкциях промышленной тепловой изоляции и в строительстве.

Повышение энергоэффективности изолируемых объектов, совершенствование нормативной базы, методов, средств расчета и проектирования тепловой изоляции, расширение номенклатуры и повышение качества применяемых теплоизоляционных и покровных материалов направлены на решение проблемы энергосбережения и экономии топливно-энергетических ресурсов в энергетике, промышленности и ЖКХ России.