Рекомендации американского стандарта по теплоизоляции трубопроводов и резервуаров

В предыдущих номерах нашего журнала опубликована серия статей, рассматривающих вопросы расчета тепловых потерь через тепловую изоляцию и мощности систем электрообогрева (см. список литературы).
Не менее важное значение играют вопросы выбора материала теплоизоляции, защиты ее от внешней среды, обеспечения надлежащих условий монтажа и эксплуатации.

Ниже мы приводим перевод раздела 5 – Теплоизоляция, из стандарта IEEE Std 844-2000 американского института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE).

Стандарт носит название Рекомендованная практика IEEE для электрического импедансного, индукционного, и основанного на СКИН-эффекте обогрева трубопроводов и резервуаров и содержит требования и рекомендации по методам испытаний и проектированию. Рекомендации, касающиеся тепловой изоляции, изложены просто, доступно, но в то же время обращено самое серьезное внимание на необходимость надежной защиты теплоизоляции от влаги и других внешних воздействий.

Перевод выполнен ведущим специалистом ССТ – А.А. Лаптевым, редакция и комментарии – Н.Н. Хренкова.

Основная функция теплоизоляции заключается в уменьшении потерь тепла при теплообмене с окружающей средой поверхности, имеющей рабочую температуру, отличающуюся от температуры окружающей среды. В системах трубопроводов теплоизоляция применяется для защиты персонала от температурных воздействий и для сохранения энергии. Такое снижение тепловых потерь может уменьшить эксплуатационные расходы, сделать работу системы более эффективной и улучшить выходные характеристики системы. И наоборот, неправильно наложенная или ненадлежащим образом обслуживаемая теплоизоляция может сделать систему электрообогрева полностью неэффективной. Прежде чем проводить анализ тепловых потерь трубопровода или резервуара, рекомендуется проверить выбор теплоизоляции. Основные вопросы, которые необходимо рассмотреть:
a) Выбор материала изоляции и оболочки;
b) Выбор толщины изоляции;
c) Выбор габаритов изоляции.

При выборе материала изоляции важно учесть:
a) Тепловые характеристики;
b) Механические свойства;
c) Химическую совместимость;
d) Влагонепроницаемость;
e) Характеристики, касающиеся безопасности персонала;
f) Огнестойкость;
g) Стоимость.

Некоторые материалы, обычно применяемые для теплоизоляции:
a) Силикат кальция;
b) Стекловолокно;
c) Пенополиуретан;
d) Минеральное волокно;
e) Полиизоцианурат;
f) Вспененная (перлитовая) крошка;
g) Пеностекло;
h) Пенорезина.

Нормальная работа электрически обогреваемой системы зависит от того, сухая ли теплоизоляция. Обычно тепловая мощность системы электрического обогрева недостаточна для того, чтобы высушить влажную изоляцию. Некоторые материалы, применяемые для изоляции, если были намочены хотя бы однажды, уже не могут восстановить свои первоначальные свойства, даже если снять изоляцию с трубы и высушить ее. Теплоизоляцию трубы можно защитить от воздействия окружающей среды либо посредством металлической оболочки, либо полимерной системы. Гладкая и ровная металлическая оболочка должна формироваться с использованием модифицированных продольных S-образных швов. Кольцевые стыковые швы необходимо герметизировать бандажной лентой, кроме того, следует накладывать герметик на их внешнюю кромку или перехлёст стыков (см. рис. 1).

Рис. 1. Установка металлического атмосферного барьера на теплоизоляцию

Металлическую оболочку следует накладывать таким образом, чтобы продольные швы были с такими перекрытиями, как на рис. 1. Такие швы следует ориентировать так, чтобы перекрытие прикрывало от попадания воды. Теплоизоляция и оболочка предварительно изолированного трубопровода, изготовленного производителем в заводских условиях, могут быть различных конфигураций. Обычно, невозможно воспроизвести в полевых условиях технологии, используемые при наложении оболочек (сплошных полимерных или металлических спирально намотанных). Для того, чтобы предотвратить попадание влаги, при монтаже на опорах и герметизации монтажных стыков, необходимо строго следовать инструкциям производителя. Оболочка, наложенная без перекрытия, либо с любым стыком без использования герметика, не будет эффективным барьером для проникновения влаги. Всего один негерметичный шов может пропустить значительное количество влаги в теплоизоляцию. При выборе типа атмосферного барьера необходимо учитывать следующее:
a) Эффективность предотвращения проникновения влаги;
b) Коррозионные свойства химикатов в окружающем пространстве;
c) Требования пожарной безопасно;
d) Стоимость;
e) Стойкость к ультрафиолетовому излучению;
f) Износостойкость и устойчивость к механическим воздействиям.

На выбор наиболее экономичного типа изоляции будут влиять, с одной стороны изначальная стоимость материалов и установки, а с другой – количество энергии, сэкономленной в течение срока службы изоляции. Способы расчета наиболее экономичной толщины теплоизоляции приведены в Бюллетене о Сохранении Энергии №46 [B11] и в работе Тёрнера и Маллоя [B32] (См. список литературы). Во всех случаях толщину изоляции следует выбирать с учётом предотвращения возможного вреда жизни и здоровью человека.

В большинстве трубопроводных систем допустимы незначительные локальные отклонения температуры, поскольку многие жидкости не чувствительны к температуре до той степени, когда это станет влиять на качество продукта. В случаях, когда особая термочувствительность требует точного регулирования температуры, теплоизоляция должна обязательно поддерживать равномерность тепловых потерь на всей трубопроводной системе. Если теплоизоляция наложена неправильно, то вся система обогрева может быть признана неэффективной.

Ситуация ухудшается, если при этом ещё и повышается температура. Большинство типов изоляции, применяемых на высокотемпературных магистралях, обладает механической жёсткостью. Фрагменты изоляции должны быть подогнаны друг к другу с минимальным зазором. Для заполнения пустот и неровностей в районе швов и теплоотводов предпочтение отдается керамическому волокну, поскольку теплоизоляционный цемент после затвердевания становится хрупким, и имеет плохие теплоизоляционные свойства. Обычная циклическая смена температур, предусмотренная процессом, со временем приводит к тому, что изоляционный цемент трескается, оголяя трубопровод, а тепловые потери становятся недопустимо большими.

Теплоизоляционные покрытия клапанов, фланцев, опор трубопровода и иных предметов неправильной формы необходимо отливать в требуемой конфигурации или изготавливать из блока или нескольких кусков материала, используемого на смежном прямом трубопроводе.

Для зон, требующих частого обслуживания, должна также предусматриваться возможность использования съемных фрагментов изоляции и атмосферных барьеров, изготовленных на заводе-изготовителе по индивидуальному проекту. Если для полной изоляции неровной поверхности используется материал, теплопроводность которого отличается от теплопроводности изоляции на самой трубе, то толщину такой изоляции необходимо скорректировать для того, чтобы компенсировать разницу в теплопроводности и площади поверхности. Однако, предпочтительно использовать тот же тип материала изоляции индивидуально подогнанный по форме арматуры. Это очень важно при работе с системами обогрева на основе импеданса (пропусканием тока по трубе), индукции или скин-эффекта, поскольку довольно часто чрезвычайно трудно, если не невозможно, обеспечить дополнительный обогрев конкретного клапана, фланца, трубной опоры или других теплоотводящих элементов для того, чтобы компенсировать тепловые потери на неровных или открытых поверхностях. Пример, иллюстрирующий такую ситуацию, приведен в приложении Е.

Системы теплоизоляции могут состоять из двух слоев изоляционного материала одного типа, накладываемых таким образом, чтобы стыки были разнесены. Разнос стыков по радиусу и по длине позволяет изоляции сгибаться при циклическом изменении температуры трубопровода. Альтернативным решением будет изоляция, внутренний слой которой имеет номинальную рабочую температуру чтобы выдерживать высокие температуры, а внешний слой имеет лучшие характеристики по теплопроводности и влагостойкости при более низкой номинальной рабочей температуре.

Такие системы превосходят обычную однослойную теплоизоляцию по параметрам тепловых потерь и износостойкости. Они не могут применяться в каждом случае из-за размеров, стоимости или по иным соображениям. Можно применять и другие системы, при этом в каждом конкретном случае должна изучаться возможность их использования. Конструкция особо высокотемпературных систем должна быть очень точной, поскольку при этом очень важно предотвратить тепловые через излучения, поэтому следует проконсультироваться с экспертами в области теплоизоляции.

Типичная система с предварительно изолированной трубой состоит из несущей трубы, теплоизоляции и наружной оболочки. Система с предварительно изолированной трубой поставляется из одного источника, несущего ответственность; система производится и изолируется в контролируемых условиях. Большинство доступных материалов для изоляции и трубопроводов могут быть включены в такую систему. Использование системы с предварительно изолированной трубой имеет для пользователей и конструкторов множество преимуществ перед системами с изоляцией, изготавливаемой традиционным способом.
a) Нагревательную трубку в системах обогрева, основанных на методе скин-эффекта, можно приварить к несущей трубе или к ее защитной оболочке с контролируемым процессом для обеспечения постоянного и надежного пути передачи тепла. Предварительно изготовленная арматура поставляется с подходящей по форме нагревательной трубкой, что сокращает процесс установки на объекте.
b) Производитель систем с предварительно изолированной трубой может применять и контролировать процедуры проверки качества при подготовке и установке нагревательной трубки. Таким образом, обеспечивается гладкое отверстие без заусенцев, чтобы гарантировать успешную установку кабеля.
c) Теплоизоляция накладывается на несущую трубу или на защитную оболочку в ходе контролируемого процесса, что уменьшает риск ошибок при монтаже на объекте.
d) Защитная оболочка, входящая в состав предварительно изготовленной системы, минимизирует количество швов, по сравнению с системами, изолированными традиционным способом, что делает предварительно изолированную систему долговечной и водонепроницаемой.
e) Большинство трубопроводных систем с предварительно установленной теплоизоляцией можно механически поддерживать со стороны внешней оболочки, устанавливая хомут между оболочкой изоляции и опорой. Таким образом, исключаются дополнительные теплопотери через обычные трубные опоры.

При использовании предварительно изолированной трубы следует учитывать следующее:
a) Предварительно изолированные трубы следует применять только на новых системах. Их нельзя применять к уже существующей системе.
b) Предварительно изготовленные и изолированные системы могут потребовать более детальной технической проработки проекта до изготовления системы, чтобы обеспечить подходящую систему опор, крепления и допуск для температурного расширения.
c) Монтаж должен соответствовать всем требованиям поставщика предварительно изолированной трубы. Замены возможны только с согласия поставщика.
d) Вопросы использования магистрали должны рассматриваться до выбора материала изоляции.

В качестве тепловой изоляции трубопроводов и резервуаров широко используются следующие виды материалов: пенополиуретан (ППУ), пористые материалы на основе резины и каучука, а также полиэтилена (ППЭ) и полистирола (ППС); цилиндры и маты на основе каменной (минеральной) ваты и стекловолокнистых материалов.

Свойства теплоизоляционных материалов

Как видно из приведенного перечня типов тепловой изоляции, все они имеют пористую или ячеистую структуру, за счет чего обеспечивается низкая величина коэффициента теплопроводности. В таблице приводятся данные по свойствам теплоизоляционных материалов, применяемых для теплоизоляции трубопроводов и резервуаров. Данные взяты из фирменных каталогов и справочников по тепловой изоляции [1,2].

Теплопроводность всех теплоизоляционных материалов возрастает с повышением температуры. В диапазоне температур, характерных для трубопроводных систем нефтяной, газовой и нефтехимической промышленностей, зависимость коэффициента теплопроводности от температуры имеет линейный характер. Соответствующие зависимости приведены в последней колонке таблицы. Под температурой тепловой изоляции (Тср) понимается среднеарифметическое температур на ее граничных поверхностях.

Значения коэффициента теплопроводности при 20°С и температурного коэффициента теплопроводности смотри в таблице.

Приведенные в таблице значения учитывают влияние стыков между отдельными элементами теплоизоляции, наличие крепежных элементов и уплотнение материала теплоизоляции при монтаже и эксплуатации.

Теплоизоляция из волокнистых материалов в процессе хранения, монтажа и эксплуатации склонна к уплотнению. Наибольшая степень уплотнения характерна для мягких минераловатных матов и плит, для изоляции из стеклянного штапельного волокна с плотностью менее 50 кг/м³. Согласно [1] степень уплотнения указанных материалов колеблется от 1,5 до 3,2. Там же рекомендуется при монтаже мягких материалов выполнять их обжатие с целью доведения плотности до 75 – 100 кг/м³. Указанную особенность следует учитывать как при расчете величины термического сопротивления, так и расхода материала теплоизоляции. Наш опыт показал, что при расчете термического сопротивления изоляции из сухой минеральной ваты следует принимать значение коэффициента теплопроводности не менее 0,05 Вт/м∙К.