Жесткие пенополиуретановые скорлупы

Сегодня проблема энергосбережения ставится все более остро, это связано с общемировой 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.у.т. 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 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 т.ч. зимой.

Рассмотрим физико-механические показатели пенополиуретановых жестких скорлуп и теплоизоляция трубопроводов.

Производство и транспортировка

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 минут извлекается готовая скорлупа (сегмент).

Металлические пресс-формы отличаются размером, в зависимости от необходимости получения скорлуп того или иного диаметра. Пенополиуретановые скорлупы диаметром до 108 мм упаковываются в пакеты 1 × 1 × 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 автои железнодорожным 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 т.ч. 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 °C на сутки, семь 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 табл. 1 приведены некоторые 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.

Монтаж скорлуп (сегментов) на трубопровод

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:

• 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 зависит 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.

Известно, что ППУ подвергается разрушению под действием ультрафиолетовых лучей со скоростью до 0,08 мм/год, проявляющемуся в хрупкости поверхности скорлуп. Поэтому требуется защита 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, т.к. 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 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, а также можно предварительно на поверхность скорлуп нанести тонкий слой клея, сама лента прижимается хомутами;
• поперечный стык скорлуп изолируется лентой из пропитанной стеклоткани длиной равной ≥ 0,3 и шириной ≥ 0,05 внешнего диаметра скорлуп, сама лента закрывается хомутом шириной ≥ ½ ширины ленты.

Этот метод предотвращает попадание 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 °C. При длительном воздействии высоких температур (больше 100 °C) 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 °C), но при условии, что ранее они подвергались длительному воздействию температур порядка 100–120 °C. При изоляции трубопроводов с температурой 120–150 °C трубу необходимо предварительно изолировать стеклотканью или слоем утеплителя на основе базальта. Далее монтируют скорлупы подобранного диаметра.

Преимущества и недостатки

Преимущества таковы:

• возможность проведения теплоизоляционных работ на трубопроводе в течение всего года;
• высокая производительность теплоизоляционных работ (до 300 п.м. трубопровода за смену силами двух рабочих);
• стойкость к растворителям;
• экологическая безопасность;
• длительный срок службы (не менее 10 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 °C. В связи с этим невозможно использовать скорлупы для изоляции паропроводов.

Стоимость пенополиуретановых скорлуп (ППУ)

Стоимость пенополиуретановых скорлуп составляет от 70 до 1500 руб/п.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 пенополиуретановых скорлуп. Исходные данные для расчетов:

• стоимость одной Гкал тепла — 515 руб.;
• стоимость 1 м2 скорлупы ППУ — 500 руб.

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 × 103 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 × 18576 × 103 = 22,688 ГДж (5,32 Гкал), при заданном тарифе это составит 2741,2 руб., а для трубы с изоляцией скорлупами ППУ: 99 × 18576 × 103 = 1,84 ГДж (0,44 Гкал), в денежном выражении — 227,4 руб. 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 °C, а также для холодильной техники, в т.ч. 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 пенополиуретановых скорлуп неуклонно растут.

БЛИЦ-ИНТЕРВЬЮ

Александр СОТНИКОВ, старший инженер-технолог, НПФ «Новые строительные технологии»

Что определяет выбор пенополиуретановые скорлуп (ППУ) для теплоизоляции трубопроводов?

А.С.: Выбор потребителя в пользу ППУскорлуп для теплоизоляции трубопроводов обусловлен в первую очередь тем, что это теплоизоляция именно из пенополиуретана. Во всем мире ППУ признан как полимер, отличающийся высокой технологичностью и универсальностью. Широкий пласт теплоизоляционных ППУ (как, впрочем, и всех ППУ) привлекателен долговечностью, возможностью варьировать назначение теплоизоляции.

Например, различают ППУ-системы для холодного и горячего водоснабжения, холодильных камер, стен и кровли. ППУ характеризуются хорошими теплоизоляционными свойствами (коэффициент теплопроводности у многих ППУ ниже, чем у воздуха — 0,025 Вт/(м⋅К). Что касается привлекательности именно скорлуп из ППУ, то это связано и с их простотой монтажа. Потребитель ППУ-скорлуп получает уже конечный продукт, не задумываясь о процессе производства.

Это же относится и к монтажным фирмам. Теплоизоляционные скорлупы по требованию заказчика могут изготавливаться также с наружной защитной оболочкой, в частности, распространено каширование фольгой, стеклопластиком или оцинкованным кожухом.

Какие мощности необходимы для организации производства скорлуп ППУ?

А.С.: Для этого потребуется помещение, которое будет разделено на пять технологических участков: склад сырья; участок раскроя облицовочного материала; участок заливки; склад готовой продукции; компрессорная. Площади каждого участка определяются исходя из производственных мощностей и максимальной нагрузки на каждый из них. На складе должна иметься возможность приемки компонентов, поступающих, как правило, в 200-литровых бочках.

Склад сырья должен быть размещен поблизости от участка заливки. Температура для хранения компонентов 15–22 °C. Участок раскроя облицовочного материала размещается вблизи от участка заливки. Возможно, что в одном и том же помещении. На данном участке монтируется заливочная машина, карусели, емкость для сброса промывочной жидкости. В качестве этой емкости можно использовать металлическую бочку.

Также помещение должно быть оборудовано приточно-вытяжной системой вентиляции, обеспечивающей десятикратный обмен воздуха в час, температура воздуха на участке заливки 20–22 °C. На участке должно быть предусмотрено место для складирования всех неиспользуемых форм. Возможно вдоль стен, в непосредственной близи от радиаторов отопления.

Там же на участке заливки необходимо предусмотреть место для временной выдержки изготовленных скорлуп в течение минимум трех часов при температуре не ниже 20 °C и средства контроля за качеством изделий. Готовые полуцилиндры после выдержки переносятся на склад готовой продукции, где укладываются штабелями. При необходимости осуществляется упаковка. Температура воздуха на складе должна быть не ниже 15 °С.

Компрессорная — небольшое помещение (желательно изолированное), не более 4 м2 или просторный деревянный короб, куда ставится компрессор. Данное помещение должно время от времени проветриваться.

Какие основные сложности возникают при производстве скорлуп ППУ?

А.С.: Производство скорлуп не сложнее любого другого технологического процесса. При четком следовании правилам регламента производства, соблюдений правил техники безопасности никаких проблем быть не должно. Любые ошибки на какой-либо стадии процесса должны быть исключены. Чтобы свести к минимуму возможность совершения ошибок, необходимо учитывать два направления: постоянное обучение и контроль работающего персонала и/или автоматизация производственного процесса.