Эффективная теплоизоляция труб скорлупами из газозолобетона

Пак А. Крашенинников О. Сухорукова Р. Эффективная теплоизоляция труб скорлупами из газозолобетона // Строительные материалы. 2004 . №3. C. 21-23

В Российской Федерации, обладающей самой крупной в мире сетью централизованного теплоснабжения, через поверхность трубопроводов теряется до 16% отпускаемой потребителям тепловой энергии, что в 1,5—2 раза выше, чем в передовых европейских странах [1]. Такие высокие потери обусловлены не только климатическими условиями, но и сравнительно невысокими эксплуатационными характеристиками материалов и изделий, применяемых для тепло- и гидроизоляции труб, низким качеством монтажных работ. Технико-экономическая эффективность теплогидроизоляции трубопроводов определяется комплексом показателей, среди которых наряду с теплоизоляционными характеристиками материалов и изделий должны приниматься во внимание их атмосферостойкость, неизменность геометрических размеров, удобство и безопасность изготовления, монтажа, себестоимость и расходы на ремонтно-восстановительные работы.

В России для тепловой изоляции горячих поверхностей трубопроводов чаще всего применяют минераловатные изделия, неблагоприятные в работе, обладающие невысокой химической и гидролитической стойкостью вследствие низкого значения модуля кислотности, что снижает срок службы изоляционного покрытия [2]. Сверху теплоизоляционный слой укрывают защитным покрытием, предназначенным для предохранения теплоизоляции от атмосферных и внешних механических воздействий. В качестве защитного покрытия применяют рулонные гидроизоляционные материалы, стеклоткани либо более надежную, но дорогостоящую тонколистовую сталь. Рулонное покрытие, уложенное на мягкую волокнистую теплоизоляцию, зачастую прорывается, снижая срок службы и эффективность защитной конструкции в целом.

Широко применяющаяся в настоящее время пенополиуретановая изоляция в виде скорлуп или образуемая методом напыления, высокоэффективная по теплофизическим показателям, отличается сравнительно высокой себестоимостью, неблагоприятными условиями изготовления, имеет ограничения по температуре применения (не более 120В°С) и сроку эксплуатации (не более 10 лет).

По нашему мнению, большой практический интерес для защиты трубопроводов малых и средних диаметров представляют формованные изделия в виде полуцилиндров-скорлуп из золосодержащего газобетона. Такие изделия являются наиболее дешевыми по сравнению с существующими аналогами, поскольку для их изготовления могут использоваться золоотходы местных ТЭС, расположенных в различных регионах России. Утилизация золоотходов этих ТЭС в технологии газобетонных скорлуп для изоляции труб тепловых сетей будет способствовать решению проблемы снижения экологической нагрузки на окружающую среду. По данным Минтопэнерго, площади, занятые под золоотвалы ТЭС России, достигли 20 тыс. км2, а объем заскладированных отходов более 1,5 млрд т [3]. Мурманская область, к сожалению, не является исключением из общего правила, и практического применения золоотходы местных ТЭС еще не находят. Наиболее крупной в Кольском регионе является Апатитская ТЭЦ, работающая преимущественно на углях Печорского бассейна и направляющая в отвал золошлаковую смесь (ЗШС) по системе гидрозолоудаления.

Нами проведены исследования возможности использования этих ЗШС для получения различных видов бетонов, включая газозолобетон [4]. Для проведения исследований была отобрана представительная партия ЗШС (около 50 т) с разведанного участка золоотвала, который полностью заполнен и практически подготовлен для разработки (объем заскладированных в этом золоотвале ЗШС составляет около 7 млн т). Исследуемые ЗШС являются низкокальциевыми кислыми золами с модулем основности 0,06, по основным показателям соответствуя требованиям ГОСТ 25592-91 В«Смеси золошлаковые тепловых электростанций для бетонов. Технические условияВ». По зерновому составу ЗШС относятся к мелкозернистому типу смесей (содержание фракции менее 0,16 мм — 76%). Зерна шлака крупнее 5 мм присутствуют в незначительном количестве (около 1%). Насыпная плотность около 1000 кг/м3, удельная поверхность, м2/кг: фракции менее 5 мм - 252; менее 0,16 мм - 269. Зерна шлака обладают устойчивой структурой против силикатного и железистого распадов. Испытания ЗШС показали возможность их использования для строительных работ без ограничений по радиационному фактору [5].

В результате лабораторных исследований были подобраны составы теплоизоляционного газозолобетона на основе портландцемента марки 400 Пикалевского завода, известково-песчаного вяжущего ОАО В«Оленегорский завод силикатного кирпичаВ» и ЗШС Апатитской ТЭЦ. В качестве порообразующей добавки использовалась алюминиевая пудра марки ПАП-1. Полученный газозолобетон при средней плотности 350—450 кг/м3 имеет коэффициент теплопроводности 0,085-0,095 Вт/(мВ°С). По справочным данным, температура на поверхности изоляции принимается равной: 45В°С вЂ” в закрытых рабочих помещениях, 60В°С вЂ” на открытом воздухе и в открытых помещениях со штукатурным растворным слоем [6]. Расчеты показали, что для обеспечения требуемой теплозащиты (при температуре 150В°С на поверхности трубы и 60В°С на поверхности теплоизоляции) и транспортно-монтажных характеристик толщина скорлупы при указанной плотности бетона должна составлять 40—50 мм.

С целью повышения такого важного для подобных тонкостенных изделий показателя, как прочность на растяжение при изгибе, в состав бетонной смеси вводили синтетические (капроновые) волокна в количестве 0,5—0,75 мас. %. Как видно из таблицы, введение синтетических волокон существенно увеличивает прочность газозолобетона при изгибе (на 48-50%). Необходимо отметить немаловажный факт, что дисперсно-армированный бетон разрушается как пластичный материал, без внезапного раскрытия трещин и разделения на отдельные куски.

По условиям эксплуатации тепловых сетей температура на поверхности трубы может достигать 150В°С (550В°С во внутрицеховой разводке). С целью исследования эффективности теплоизоляции труб изделиями из газозолобетона, армированного капроновыми волокнами, были проведены термические испытания скорлуп толщиной 80 мм, обеспечивающей требуемую теплозащиту при максимально возможной температуре на поверхности трубы 550В°С. Состав газозолобетона, мас. %: портландцемент М400 — 40, известково-песчаное вяжущее — 10, ЗШС вЂ” 50, синтетические волокна длиной 15—20 мм — 0,75, алюминиевая пудра — 0,15. После формования скорлупы подвергались тепловлажностной обработке в пропарочной камере по режиму 2,5+8+4 ч при температуре 85В±5В°С. Термические испытания скорлуп на электронагревательной керамической трубе показали, что при нагреве трубы до 550В°С происходит выгорание синтетических волокон на 2/3 толщины скорлупы от поверхности нагреваемой трубы. На остальной наружной части скорлупы капроновые волокна сохранились полностью и выполняли свои армирующие функции. Испытания показали, что температура на поверхности скорлупы стабилизировалась на уровне 40—45В°С уже через 3 ч, через 15—24 ч не превышала 55—60В°С. При максимально возможной температуре на поверхности трубы 150В°С в условиях городской застройки и толщине газозолобетонных скорлуп 40 мм обеспечивается требуемая температура на поверхности изоляции, что подтверждено натурными обследованиями двух экспериментальных участков на трубопроводах г. Апатиты.

Исследования зависимости количества углекислого газа, выделившегося из бетона при выгорании капрона, выполненные на газоанализаторе ГОУ-1 газообъемным методом, показали, что наибольшее количество углекислого газа выделяется в течение первых 5—10 мин, а по истечении 30 мин выделение практически прекращается [7]. Концентрация выделившегося углекислого газа незначительна и безвредна для человека. При эксплуатации трубопроводов с указанной изоляцией, проходящих в небольших помещениях с кратковременным пребыванием человека, рекомендуется обеспечить проветривание этих помещений через 30 мин после начала прогрева. Выделение других газов (оксида серы, фториона, азота), оказывающих вредное воздействие на здоровье человека при нагреве фиброгазозолобетона до 550В°С, не обнаружено.

Плотность газозолобетона, кг/м3

Прочность газозолобетона при изгибе, МПа

расчетная

фактическая

неармированный

армированный волокнами

расчетная

фактическая

расчетная

фактическая

350

350

0,37

0,37

0,63

0,55

400

90

0,44

0,46

0,85

0,69

450

461

0,6

0,57

0,94

0,84

При теплоизоляции металлических труб формованными изделиями неизбежно образование воздушного зазора между трубой и теплоизоляцией, где в результате конденсации скапливается влага. Это ведет, с одной стороны, к коррозии поверхности трубы, а с другой — к насыщению влагой теплоизоляционного материала и ухудшению его защитных свойств. Во избежание таких явлений целесообразно наружную поверхность трубы и внутреннюю поверхность скорлупы, соприкасающуюся с трубой, покрывать гидроизоляционными антикоррозионными составами — битумной грунтовкой, органосиликатными, кремнийорганическими и другими покрытиями. На практике, если грунтовка труб еще производится, то антикоррозионное покрытие внутренней поверхности скорлуп не делается. Нами разработан способ изготовления скорлуп из газобетона с образованием в процессе формования гидроизоляционного покрытия на внутренней поверхности скорлупы, а на наружной поверхности — двухслойного защитного покрытия, верхний слой которого выполнен из стеклоткани либо другого механически и атмосферостойкого материала, а внутренний — из гидроизоляционного рулонного материала на основе термопластичного органического вяжущего [8].




Форма включает два металлических полуцилиндра 1 и 2 соответственно большего и меньшего диаметров, переднюю 3 и заднюю 4 торцевые стенки, выполненные в виде полуколец, ширина которых равна толщине скорлупы. Торцевые стенки 3 и 4 снaбжены уплотняющими прокладками 6, 7, размещенными по внутренней полуокружности каждого полукольца. Диаметр металлического полуцилиндра 2 соответствует наружному диаметру изолируемой трубы, а его длина несколько превышает длину полуцилиндра У. На концах полуцилиндра 2 выполнены продольные прорези 8 и 9. Металлические полуцилиндры 1 и 2 скреплены между собой посредством накидных болтов 10 и 11, входящих соответственно в прорези 8 и 9. Для облегчения распалубки изделия торцевые стенки 3 и 4 снабжены съемными вкладышами 12, 13, выполненными по форме торцевых стенок и имеющими отогнутые концы 14, 15, которые выступают над торцевыми стенками 3 и 4. Для устойчивости форма снабжена опорными элементами 16, 17.

Изготовление газобетонной скорлупы осуществляется следующим образом. Предварительно внутреннюю поверхность металлического полуцилиндра 1 и наружную поверхность металлического полуцилиндра 2 смазывают антиадгезионным веществом, например сульфанолом, отработанным машинным маслом и т. п. Затем на эти смазанные поверхности накладывают листы крафт-бумаги 18, 19, которые пропитываются материалом смазки и приклеиваются к поверхностям полуцилиндров. На лист крафт-бумаги 18 металлического полуцилиндра 1 накладывают лист наружного защитного покрытия 24, например из стеклоткани, на него укладывают лист 20, выполненный из материала на основе термопластичного органического связующего — битума в виде рубероида, толи или изола. К листу крафт-бумаги 19 металлического полуцилиндра 2 прикрепляют съемными зажимами лист внутреннего защитного покрытия 21, выполненный из того же материала, что и лист наружного защитного покрытия 20. Полуцилиндр 2 укладывают на уплотняющие резиновые прокладки 6, 7 торцевых стенок 3, 4 и прижимают к ним накидными болтами 10 11. В подготовленную таким образом форму в зазор 22 между защитными покрытиями 20 и 21 заливают газозолобетонную смесь. При вспучивании газобетонная смесь плотно прижимает друг к другу вложенные в форму слои листового защитного покрытия. После выдерживания газобетонной смеси для вспучивания и затвердевания, удаления излишка бетонной смеси над верхними кромками формы ее направляют на тепловлажностную обработку в пропарочную камеру. При разогреве бетона до температуры изотермической выдержки 85+5В°С материал на основе термопластичного органическ