Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

127
Фото © shutterstock.com
Фото © shutterstock.com
Существуют причины, вынуждающие при изготовлении предварительно изолированных труб использовать бесфреоновые технологии вспенивания полиуретановых композиций. По международным соглашениям в 2015 г. в странах ЕЭС должно быть прекращено использование разрушающих защитный озоновый слой Земли фтор- и хлорсодержащих углеводородов как вспенивателей полиуретана. В странах ЕЭС запрещен оборот продукции, произведенной с нарушениями Монреальского протокола по веществам, разрушающим озоновый слой (1989 г.). Для развивающихся стран срок использования фреонов отодвинут до 2020 г. (см.: Киотский протокол (1998 г.) к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата).

Россия является развитой страной, и поэтому нас беспокоит понижение ее ранга использованием устаревших технологий при производстве продукции в изоляции полиуретаном. Необходимо следовать правилам ратифицированных Россией международных документов и переходить на использование вспенивающих агентов, не содержащих веществ, попадание которых в атмосферу способствует деградации озонового слоя Земли.

Даже успешные в техническом отношении разработки новых вспенивающих агентов, но содержащих фтор- и хлорводородные соединения и имеющих пониженный озоноразрушающий потенциал, попадают под ограничения международных соглашений.

Одной из важных причин, побуждающих использовать альтернативные технологии вспенивания, является необходимость улучшения теплофизических характеристик и долговечности пенополиуретана. Перспективным направлением при разработке технологии получения пенополиуретановой теплоизоляции является использование безопасных для озонового слоя углеводородных соединений, не содержащих фтора и хлора. К перспективным вспенивателям полиуретана относятся легкокипящие углеводороды группы пентанов, в частности циклопентаны (см.: материалы конференции «Тепло России» Ассоциации производителей и потребителей трубопроводов с индустриальной полимерной изоляцией, Санкт-Петербург, 8—10 декабря 2010 г.).

Развитие производства и совершенствование технологий изготовления стальных труб в пенополиуретановой изоляции и в полиэтиленовой оболочке прошло в несколько этапов (табл. 1).

Таблица 1

Этапы развития производства и совершенствования технологий изготовления труб в ППУ изоляции

Этапы Материал трубы Материал оболочки Материалы и технологии
получения тепло-
изоляционной
пены
1 Качественная углеродистая сталь
(сталь 10, 20)
ПЭ-60 Вспениватели на основе воды, заливочные машины низкого давления
2 Качественные углеродистые стали
(сталь 10, 20); низколегированные стали
(17ГС, 17Г1С, 17Г1СУ, 09Г2С)
ПЭ 80;
сшитый полиэтилен; ПЭ 100
Вспениватели на основе воды или фреона, заливочные машины высокого давления
3 Качественные углеродистые стали, низколегированные стали, высоколегированные стали, металлопласты, стеклопластики, пластмассы ПЭ 80;
ПЭ 100;
ПЭ 120; оцинкованная оболочка;
гибкая гофра
Вспениватели на основе циклопентана, специализированные заливочные машины высокого давления
 

На первом этапе развития производства труб в изоляции полиуретаном применяли относительно недорогие, несложные в ремонте и обслуживании заливочные машины низкого давления. К недостаткам таких машин относятся повышенные требования к смешивающим системам миксеров в зависимости от требуемых характеристик получаемой пены; необходимость периодических промывок смешивающих камер с последующей утилизацией продуктов промывки.

Вспениватели-фреоны обеспечивают достаточно высокие характеристики вспенивания, низкую зависимость смеси компонентов от температуры заливаемых изделий и окружающей среды, хорошую адгезию получаемой пены к поверхностям труб. Полученные пены обладают пластичностью в пределах норм жестких ППУ. Фреон химически инертен, негорюч, в закрытых ячейках пенополиуретана длительное время обеспечивает нормируемые теплоизоляционные свойства пены. Он медленно диффундирует из пенополиуретана и сохраняет свои теплофизические свойства на протяжении длительного срока. В условиях эксплуатации при повышенных температурах теплоносителя возможно снижение теплофизических свойств пены и ее деструкция.

На втором этапе развития производства труб в изоляции полиуретаном разработка альтернативных вспенивающих агентов привела к созданию компактных заливочных машин высокого давления (150–170 атмосфер), не требующих затратных промывок и смешивающих камер, позволяющих достигать более стабильных показателей смешивания компонентов и характеристик получаемой пены. Такое оборудование дороже и сложнее в ремонте.

Вспениватели на основе воды дают более низкую адгезию пены по сравнению с пеной на основе фреоновых вспенивателей. Смесь компонентов более чувствительна к окружающей температуре и температуре заливаемых изделий. Получаемая пена менее пластична и теряет теплофизические свойства в процессе эксплуатации.

Основная причина отказа от использования в промышленности фреонов — необходимость улучшения теплофизических характеристик и долговечности теплоизоляции в условиях предписанного международными соглашениями ограничения использования фреонов, вплоть до полного запрета их применения из-за высокого потенциала истощения озона и деструкции озонового слоя.

Некоторые производители стальных труб в пенополиуретановой изоляции перешли на полиольные системы, содержащие в качестве вспенивающего компонента воду, т. е. практически вернулись к первому этапу развития полиуретановых технологий. Такой переход сказывается негативно на теплофизических характеристиках полиуретановой пены и ее долговечности. Это снижает конкурентоспособность выпускаемой продукции.

Третий этап развития технологических процессов производства труб в изоляции полиуретаном связан с применением современных альтернативных вспенивателей. В настоящее время прогрессивными вспенивателями являются пентаны и циклопентаны, которые по своим характеристикам наиболее близки к фреоносодержащим вспенивателям.

Если циклопентановые системы компонентов оценивать по комплексу свойств, то они не только не уступают традиционным системам, содержащим вспениватели на фреоне или воде, но по отдельным параметрам превосходят их. Использование циклопентана препятствует увеличению теплопроводности пенополиуретановой изоляции при длительном сроке эксплуатации и приводит к общему снижению тепловых потерь в трубопроводах.

Продукция, произведенная по таким технологиям, соответствует требованиям европейского качества и может экспортироваться.

В таблице 2 приведены структурные формулы и свойства пентанов, используемых в качестве пенообразующих агентов. Из приведенных веществ в качестве пенообразователя наиболее часто применяется циклопентан.

Таблица 2

Строение и свойства пентанов

Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

При выборе вспенивающего агента учитывают его физические, химические и экологические характеристики, стоимость вспенивателя и антипирена, свойства пены, производительность процессов, необходимость дополнительных капитальных вложений, требования к охране труда. Низкий молекулярный вес циклопентана по сравнению с другими галогенсодержащими вспенивателями позволяет снизить его весовую концентрацию в композиции, что важно при экономической оценке целесообразности использования процесса запенивания.

Теплоизоляция труб полиуретаном на основе циклопентана слабо подвержена процессам старения. Ей присущ ряд преимуществ: уменьшенный (0,027 Вт/(мК)) коэффициент теплопроводности в сравнении с пенами на основе водных вспенивателей (0,033 Вт/(мК)) и стабильность теплофизических параметров пены в течение нормативного срока эксплуатации трубопровода с пенополиуретановой изоляцией.

Для практической реализации циклопентановых технологий в компании «СМИТ-Ярцево» организовано гибкое поточно-механизированное производство — линия по финскому проекту для изготовления стальных труб в пенополиуретановой изоляции диаметром от 530 до 1420 мм, а также переоборудованы линии по производству труб диаметром до 530 мм и фасонных изделий. В линиях предусмотрены автоматизация и комплексная механизация всех производственных процессов, основанных на современных технологиях подготовки труб и оболочек, контроль за ходом подготовки и сборки труб, применение процесса запенивания с использованием циклопентана.

Цех с линией по производству труб большого диаметра (фото 1) удовлетворяет всем современным требованиям организации работ с взрывоопасными веществами.

Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

Фото 1. Цех с линией по изготовлению труб в ППУ изоляции большого диаметра с использованием циклопентановых технологий

Производственная поточная линия по изготовлению труб с теплоизоляцией полиуретаном представляет собой комплекс модульного оборудования для выполнения технологических операций. Производственная линия оснащена современным высокопроизводительным автоматизированным оборудованием, сведено до минимума использование ручного труда. Цех оснащен специализированными заливочными машинами высокого давления. Оборудование, находящееся в линии, представляет собой комплекс, на вход которого подают исходные компоненты и комплектующие, а на выходе получают готовый продукт.

Технологическая линия состоит из участка подготовки труб и оболочек и участка теплогидроизоляции прямых частей трубопроводов. Участок подготовки труб и оболочек включает: стеллажи — накопители труб; технологические рольганги; установку дробеметной очистки труб; стеллаж — накопитель очищенных труб; прижимную станцию очистки с пневмоприводом; устройство сборки труб; камеры термической стабилизации перед заливкой, стол заливки; сбрасыватель труб для транспортировки на склад и оборудование управления автоматизированной линией.

Участок пенополиуретановой теплогидроизоляции прямых частей трубопроводов содержит: траковое устройство для сборки труб; стол сборки труб и оболочек; стол заливочный; камеру термостабилизации трубных сборок; перекладчик оболочек; транспортер теплоизолированной трубы; отрезное устройство подгонки длины оболочки; заливочную машину высокого давления; стеллаж подготовки оболочек; расходные емкости компонентов ППУ; стеллажи для центраторов, проводов системы ОДК, заглушек, стол для взятия технологических проб.

Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

При проектировании линии особое внимание было уделено транспортным операциям. Связь между цехами и производственной линией осуществляется механизированно специальными транспортными средствами (рольгангами, вращателями, механизированными поворотными стендами).

Стальные трубы перекладываются со  стеллажей-накопителей на технологический рольганг, чтобы обеспечить в дальнейшем следование труб по рабочим местам линии. В процессе перемещения с вращением по рольгангу трубы оснащают заглушками.

Трубы, перемещаясь по рольгангу, последовательно проходят через установку предварительного нагрева и сушки.

Оборудование в линии действует согласованно в определенной последовательности, заданной технологическим процессом. Для управления линией используется автоматическая система.

Рациональный выбор внутризаводских межцеховых и внутрицеховых транспортных средств, а также организация их обслуживания способствуют повышению производительности труда и увеличению выпуска продукции.

Переход на производство продукции на циклопентановый вспениватель представляет собой сложную техническую задачу, поскольку требуется изменить практически всю технологическую цепочку. Циклопентан взрывоопасен, поэтому особое внимание на всех стадиях подготовки и реализации данного проекта должно уделяться вопросам безопасности.

Адаптация производства для работы на циклопентановом вспенивателе предусматривает осуществление определенного комплекса организационных и методических решений: производство должно быть оборудовано специальными пенозаливочными машинами, смонтированы линии подачи подготовленного полиола к заливочной машине, организовано безопасное хранение циклопентана и перемешивание его с полиолом, предусмотрено предотвращение появления взрывоопасных воздушных смесей циклопентана, зоны возможного выделения циклопентана локализованы и оборудованы газоанализаторами, системами вентиляции и пожаротушения, электрооборудование заменено на взрывобезопасное, персонал должен пройти обучение.

Не проведя модернизации, нельзя использовать заливочные машины для водного или фреонового компонента для работы с циклопентаном. Циклопентановые заливочные машины (фото 2) имеют специальное исполнение и защиту следующих частей и узлов, находящихся в контакте с циклопентаном: взрывозащищенное электрооборудование и клапанные системы; систему поддержания азотной среды в расходной емкости с компонентом; систему заземления всех частей машины; сливной поддон под расходной емкостью с компонентом в комплекте с соответствующими датчиками уровня на случай пролива компонента; защитный бокс; систему двухскоростной вентиляции бокса с заливочной машиной на случай аварийной ситуации, связанной с утечкой циклопентана. На пульте управления заливочной машины устанавливается время заливки, определяемое производительностью машины и объемом запениваемого пространства, последующие операции выполняются автоматически.

Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

Фото 2. Заливочная машина высокого давления для получения пенополиуретана на основе циклопентана с пультом управления

Циклопентан хранится за пределами заводских помещений в емкостях объемом 30–40 куб. м.

Поступающий к станции смешивания циклопентан посредством специального насоса в условиях, обеспечивающих необходимую безопасность, подается для подготовки смеси с полиолом. На всех этапах хранения, транспортировки и смешивания циклопентана поддерживается комплекс мер для надежной защиты от возможного разлива, воспламенения и взрыва.

Режим подачи и смешивания компонентов полностью автоматизирован. Далее смесь либо поступает напрямую к заливочной машине, либо подается в цеховую рабочую емкость в зависимости от потребностей производства.

Станция смешивания оснащена датчиками-газоанализаторами, системой вентиляции, системой освещения во взрывобезопасном исполнении, а также пультом управления всеми системами контроля и обеспечения безопасности. Полученная смесь полиола с циклопентаном подается к заливочной машине по системе трубопроводов.

Заливка пенополиуретановой композиции с циклопентановым вспенивателем показана на фото 3.

Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

Фото 3. Заливка пенополиуретановой композиции с циклопентановым вспенивателем

При использовании циклопентана в качестве вспенивающего агента с целью предотвращения образования взрывоопасных воздушных смесей в запениваемые полости трубы, промежуточные и расходные емкости, в межтрубное пространство предварительно подается азот, который создает инертную невзрывоопасную среду. Поэтому должна быть смонтирована система снабжения азотом.

Азот вырабатывается непосредственно на месте использования с помощью азотной станции высокой производительности. Продувка азотом производится с помощью специального азотного клапана на заливочной головке машины. Объем азота, требующийся для продувки полости трубы, выбирается автоматически в зависимости от ее типоразмера.

С целью максимального уменьшения зоны с повышенным классом пожаро- и взрывоопасности заливочная машина размещается в специальном боксе, изготовленном исключительно из материалов, обладающих антистатическими свойствами. Кроме того, заливочные столы оборудованы системой вытяжной вентиляции, а сама система вентиляции — дублирующим вентиляционным оборудованием. Основная система вентиляции функционирует в постоянном режиме, а при появлении паров циклопентана и срабатывании системы аварийной безопасности к ней подключается и вторая, аварийная, система вентиляции.

В системе аварийной безопасности установлены датчики газоанализаторов, датчики уровня на случай возможной утечки компонента, датчики продувки инертной средой и датчики, отслеживающие работоспособность вентиляционного оборудования. Все показания систем слежения выводятся на общий пульт управления и контроля. Схема электропитания пульта управления системой безопасности предусматривает дублирование. Переключение с основной системы питания на аварийную происходит автоматически. При этом в момент отключения электроэнергии все аварийные и вентиляционные системы поддерживаются в активном режиме. Осуществлено дублирование аварийных сигналов на специальном, установленном в защитном боксе пульте управления.

Производственный цех, в котором размещена заливочная машина, оборудован системой аварийного выхода, системой освещения во взрывобезопасном исполнении. Включение в технологический цикл такого взрывоопасного вещества, как циклопентан, требует от руководящего и обслуживающего персонала компании повышенной ответственности. Особую важность приобретают глубокое знание персоналом всех уровней правил эксплуатации оборудования и систем безопасности, а также обучение сотрудников действиям в условиях наступления аварийной ситуации.

При реконструкции существующих линий для использования циклопентановых технологий необходима коренная модернизация оборудования, включая перевод электрооборудования во взрывобезопасное исполнение, заземление всех основных частей, оборудование системой вентиляции, установку датчиков газоанализаторов в местах возможной утечки компонента.

В ряде случаев произвести модернизацию производства, находящегося в пределах населенных пунктов, не представляется возможным, поскольку хранение циклопентана должно быть организовано вдали от жилых районов.

На рассматриваемом производстве решена проблема взрывобезопасности при работе с горючими вспененными агентами и эксплуатации такого оборудования: разработан технологический регламент на применение циклопентана как вспенивающего компонента, в органах Ростехнадзора получена лицензия на использование взрывоопасных веществ, все оборудование и техника имеют разрешения на применение на опасных производственных объектах.

Совместно с  ОАО «ВТИ» проведены исследования, целью которых было определение тепловых потоков, тепловых потерь, а также необходимых толщин ППУ для условий его производства на основе циклопентана при сохранении величины тепловых потерь для изоляции в соответствии с  ГОСТ 30732–2006.

В соответствии с  ГОСТ 30732–2006 выполнялись расчеты тепловых потоков при толщине тепловой изоляции при различной теплопроводности пенополиуретанов, полученных с использованием различных пенообразующих агентов (рисунок).

Изоляция труб полиуретаном: реализация современной технологии на основе циклопентана

Сохранение теплоизоляционных свойств пенополиуретана на основе циклопентана на протяжении нормативного срока эксплуатации трубопроводов

Экспериментальные исследования показали, что трубы с теплоизоляцией на основе циклопентана имеют стабильный уменьшенный коэффициент теплопроводности (0,027 Вт/(мК)) в сравнении с пенами на основе водных вспенивателей (0,033 Вт/(мК)), более высокие адгезивные свойства к трубе и оболочке, стабильные теплофизические параметры пены на протяжении всего срока эксплуатации трубопровода, соответствуют требованиям экологии.

Строительство теплотрасс с применением труб в изоляции полиуретаном на основе циклопентана позволяет сократить тепловые потери на 13–18% по сравнению с углекислотной пеной, полученной по водной технологии.

Использование циклопентана при производстве стальных труб в пенополиуретановой изоляции позволило повысить качество выпускаемой продукции, развивать новые технологии изоляции и получить возможность конкурировать с ведущими мировыми производителями труб в изоляции полиуретаном .

Своевременный переход на циклопентановый вспенивающий агент могут осуществить крупные производители, нацеленные на выпуск продукции высокого качества и развитие производственных мощностей.



Ваша персональная подборка

    Подписка на статьи

    Чтобы не пропустить ни одной важной или интересной статьи, подпишитесь на рассылку. Это бесплатно.

    Рекомендации по теме
    Вопросы по теме

    Мероприятия

    Школа

    Проверь свои знания и приобрети новые

    Посмотреть

    Самое выгодное предложение

    Самое выгодное предложение

    Воспользуйтесь самым выгодным предложением на подписку и станьте читателем уже сейчас

    Живое общение с редакцией




    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

    ВСЁ ДЛЯ ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВАЭЛЕКТРОННЫЙ КАТАЛОГ
    НАШИ ПАРТНЁРЫНАШИ ПАРТНЁРЫ




    © Актион-МЦФЭР, 2006-2017. Зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-68225 от 27.12.2016. Все права защищены.

    По вопросам подписки обращайтесь по телефонам: 
    Москва: 8 (495) 775-48-44 
    Другие регионы: 8 (800) 775-48-44 

    Получите техническую поддержку: 
    по телефону: +7 (495)-937-90-82 
    e-mail: sd@mcfr.ru 

    Политика обработки персональных данных

    
    • Мы в соцсетях
    Вы - работник сферы ЖКХ? Зарегистрируйтесь!

    Регистрация бесплатная и займет всего 1 минуту!
    После регистрации вы сможете:

    • читать любые статьи сферы ЖКХ на нашем сайте!
    • бесплатно подписаться на ежедневные новости по жилищно-коммунальному и городскому хозяйству
    • оставлять комментарии к материалам
    • задавать вопросы экспертам

    Оставайтесь с нами!
    с заботой о Вас, портал Городское хозяйство и ЖКХ

    У меня есть пароль
    напомнить
    Пароль отправлен на почту
    Ввести
    Я тут впервые
    И получить доступ на сайт Займет минуту!
    Введите эл. почту или логин
    Неверный логин или пароль
    Неверный пароль
    Введите пароль