Возможности устранения дефектов теплофикационного оборудования композиционными материалами

УДК: 69.059

ВОЗМОЖНОСТИ УСТРАНЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ТЕПЛОФИКАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Тулинов Андрей Борисович, доктор технических наук, профессор кафедры общетехнических и естественно-научных дисциплин, avshub@mail.ru,

Иванов Вячеслав Александрович, аспирант кафедры общетехнических и естественно-научных дисциплин, master777k@mail.ru,

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,

г. Москва

OPPORTUNITIES FOR ELIMINATING HEATING EQUIPMENT DEFECTS WITH COMPOSITE MATERIALS

Tulinov A.B., Ivanov V.A.

Проведена оценка состояния тепловых сетей в России, отражены причины возникновения дефектов в системах ЖКХ. Показана целесообразность проведения ремонтно-восстановительных работ с применением композиционных материалов, а также даны предложения по их применению для ликвидации дефектов теплосетей городского коммунального хозяйства.

Ключевые слова: теплосеть, ремонт, композиционный материал, технология, дефекты оборудования.

The authors made an assessment of Russian heat supply network condition. The article shows the reasons for defect appearance in housing and communal services systems. The article presents practicability of remedial and repair work using composite materials. The article offers the suggestions concerning their use in the liquidation of municipal communal service heat supply network defects.

Key words: heat supply network, repair, composite material, technology, equipment

defects.

Основной производственной задачей при эксплуатации тепловых сетей является обеспечение надежного, бесперебойного теплоснабжения потребителей с заданными технологическими параметрами. Эта задача остается актуальной и окончательно не решенной до сих пор. Реальное состояние тепловых сетей таково, что и в начале XXI в. возникают повреждения, которые сопровождаются не только временным отключением потребителей, но и травмированием людей и материальным ущербом третьим лицам.

В связи с кризисным состоянием жилищно-коммунального комплекса, деятельность предприятий в этой сфере характеризуется высокими затратами, отсутствием экономических стимулов снижения издержек на производство услуг, неразвитостью конкуренции. Все это приводит к высокой степени износа основных

фондов, неэффективной работе предприятий, большим потерям энергии, водных и других ресурсов.

Оценочные данные физического износа основных фондов ЖКХ, связанных с теплоснабжением, в целом по России представлен в таблице 1 [1]:

Таблица 1 - Оценочные данные физического износа основных фондов ЖКХ, связанных с теплоснабжением, в целом по России

№ п/п Фонды ЖКХ Степень износа, %

1. Котельные 54,5

2. Центральные тепловые пункты 50,1

3. Тепловые сети 62,8

4. Водопроводные насосные станции 65,1

5. Канализационные насосные станции 57,1

6. Тепловые насосные станции 52,3

7. Жилищный фонд 45

Степень износа объектов коммунального хозяйства по отдельным муниципальным образованиям достигает 70-80%, при этом темпы нарастания износа составляют 1,5-3% в год.

Преодоление высокой степени износа и аварийности, низкого коэффициента полезного действия мощностей и значительных потерь энергоносителей является необходимым условием изменения качества жилищно-коммунального обслуживания, обновления основных фондов и сохранения конкурентных позиций на рынке.

Принимая во внимание, что потери ресурсов в сфере ЖКХ составляют 30-40%, важным направлением в развитии является активизация процессов по внедрению ресурсосберегающих технологий. Сегодня это вяло текущий процесс. Причин здесь две: отсутствие заинтересованности самих предприятий в снижении издержек и затрат и дефицит финансовых средств на модернизацию и внедрение новых технологий и оборудования.

Сегодня приоритетами проводимой государственной технической политики при решении задачи модернизации основных фондов является: внедрение новых технологий и экологически безопасного, надежного и высокопроизводительного оборудования; энергосбережение и развитие малой энергетики в коммунальной сфере.

Предварительный анализ показывает, что разработка и применение современных технологий и материалов, конструкций и оборудования в ЖКХ обеспечивает прогнозируемое увеличение энергоэффективности в 2-3 раза и снижение затрат на ЖКУ до 30% [1].

Для эффективного функционирования систем теплоснабжения необходимо разработать комплекс мер по предотвращению образования дефектов, а также их своевременному обнаружению и ликвидации. В настоящее время большинство конструктивных элементов тепловых сетей ремонтными службами не ремонтируются, а заменяются на новые, что приводит к значительному удорожанию ремонта.

Как показывает отечественная и зарубежная практика, ликвидация примерно 15-20% дефектов трубопроводов и запорной арматуры в системах тепло- и водоснабжения может быть выполнена за счет технологии применения для их ремонта композиционных материалов, работающих по методу «холодной сварки». Использование этой технологии приведет к значительной экономии материальных и трудовых ресурсов.

Для эффективного применения ремонта композиционных материалов (РКМ) необходимо изучить и классифицировать применяемое в теплоснабжении оборудование, условия его работы и возникающие дефекты.

К наиболее важным объектам систем теплоснабжения относятся трубопроводы, запорная арматура, теплоприготовительные установки, насосное оборудование и др.

Трубопроводы. Трубы являются наиболее ответственными элементами тепловых сетей, поэтому современная техника строительства предъявляет к ним ряд эксплуатационных требований [2]:

- высокая прочность и герметичность, необходимые для безаварийного транспорта теплоносителя под большим давлением и с высокой температурой;

- малый коэффициент линейного удлинения, обеспечивающий низкие термические напряжения при переменных температурных режимах теплоносителя;

- антикоррозионная стойкость;

- высокое термическое сопротивление стенок труб, способствующее сохранению тепла и температуры теплоносителя;

- неизменность свойств материала труб при длительном воздействии высоких температур и давлений;

- небольшая стоимость, простота монтажа, надежность соединения и хранения труб и др.

Имеющиеся трубы не удовлетворяют в полной мере всей совокупности предъявляемых требований. Неметаллические трубы из асбестоцемента, стекла, полимеров (полиэтилен и полипропилен) и винипласта обладают высокой антикоррозионной стойкостью и значительно дешевле стальных труб. Стеклянные и

полимерные трубы имеют гладкие внутренние поверхности, что обеспечивает им по сравнению со стальными трубами равных диаметров меньшие гидравлические сопротивления. Но асбестоцементные и стеклянные трубы хрупки, соединяются сложными стыковыми конструкциями. Из неметаллических труб только винипластовые трубы и трубы из полимерных материалов обладают высокой эластичностью и хорошо соединяются сваркой. Эти качества труб особенно ценны для монтажа внутренних систем горячего водоснабжения и конденсатопроводов.

В действующем теплопроводе возникают многочисленные напряжения. Внутреннее давление теплоносителя вызывает в стенках труб растягивающие напряжения, направленные по оси трубы и по радиусу. Под действием собственной массы трубы, массы теплоносителя и тепловой изоляции в трубопроводе образуются изгибающие напряжения. Температурные деформации трубопровода вызывают сжимающие и изгибающие напряжения от трения опор, усилий гнутых компенсаторов и участков естественной компенсации. В узлах с пространственными изгибами трубопровода возможны скручивающие напряжения. В надземных и бесканальных прокладках на трубопроводы действуют дополнительные нагрузки от массы снега, давления ветра, грунта и транспорта.

Арматура. Запорная, регулирующая и предохранительная арматура предназначена для регулирования режимов потребления тепла и управления работой тепловых сетей. К ней относятся задвижки, заслонки, вентили и другие.

Арматура изготовляется из сталей, чугуна, цветных металлов и пластмасс. В тепловых сетях чаще всего принимается стальная арматура. Чугун уступает по прочности стали, поэтому область применения чугунной арматуры ограничена давлением 0,07 МПа (для пара) и температурой 115°С (для воды). Чугунная арматура должна размещаться на прямых участках труб, защищенных от изгибающих усилий. Ограничивается применение чугунной арматуры и на открытом воздухе с низкими отрицательными температурами [2], она более надежна в закрытых помещениях с постоянной температурой воздуха. Арматура из цветных металлов дефицитна, а пластмассовая - малопрочна, поэтому в сетях они не нашли широкого применения.

Задвижки по конструктивному исполнению разделяются на клиновые и параллельные, с выдвижным и невыдвижным шпинделем. Стальные задвижки имеют клиновое уплотнение, чугунные - параллельное. Уплотнение создается уплотнительными кольцами из бронзы или нержавеющей стали.

Фланцы применяются для присоединения на трубопроводах различной фланцевой арматуры. Конструкции фланцев разнообразны. Подбираются фланцы по условным проходам и давлениям, на которые рассчитаны трубы.

Теплоприготовительное оборудование. Важной составляющей комплекса теплоснабжения является теплоприготовительное оборудование. Оборудование теплоприготовительных станций можно условно разделить на основное и вспомогательное. К основному оборудованию ТЭЦ и отопительно-производственных котельных относятся турбины и котлы.

Перечень вспомогательного оборудования теплоприготовительных станций зависит от системы теплоснабжения. В водяных системах оборудование станции состоит из паро- и водоводяных теплообменников, системы водоподготовки и различных насосов. При паровых системах теплоснабжения тепловая станция оборудуется пароводяными подогревателями, паропреобразователями или испарителями, РОУ, конденсатными баками, насосами и другим оборудованием.

Описание дефектов, их последствия и существующие методы борьбы с ними. Современное централизованное теплоснабжение представляет собой сложное энергетическое хозяйство, связанное с выработкой тепла и его реализацией. От согласованности действий каждого подразделения зависит бесперебойное теплоснабжение и безаварийная работа оборудования источников тепла, сетей и абонентских вводов по установленному графику. Эксплуатирующая организация обязана проводить технический надзор за строительством, пуском и наладкой систем теплоснабжения, разрабатывать и контролировать режимы отпуска тепла, обеспечивать профилактический ремонт оборудования и сетей, постоянно совершенствовать техникоэкономические показатели всех звеньев хозяйства. Для выполнения этих мероприятий организуется служба эксплуатации.

Надзор и приемка тепловых сетей осуществляется по техническим условиям проектов, согласованных с теплосетью или с ПОК и ТС. Комиссия обязана требовать от исполнителей работ строгого соблюдения всех норм строительства и проектных решений. Надзор проводится по всем видам строительных и монтажных работ в порядке их выполнения: разбивка трассы; устройство основания трассы, продольного дренажа, электрической защиты; сварка труб, размещение опор, растяжка компенсаторов, тепловая изоляция; промывка и испытание сетей; перекрытие каналов, засыпка и планировка грунта, а также другие операции, предусмотренные проектом или инструкцией. Поэтапные результаты надзора оформляются актами приемки установленной формы,

дающими разрешение на выполнение всех последующих работ. На все обнаруженные отступления от проекта должны быть получены согласования проектных организаций. Высокие требования должны предъявляться прежде всего к качеству поставляемых строительных материалов и монтажных изделий. Технический надзор и приемка материалов и оборудования производятся по сертификатам заводов изготовителей. Данные сертификатов должны соответствовать проектным решениям [2].

Строительные конструкции (каналы, камеры, эстакады, стойки и другие элементы) рассчитаны на длительный срок службы, поэтому при их приемке особое внимание обращается на отсутствие брака, возникшего при транспортировке, на тщательность подгонки и сборки узлов. Укладка лотков или сборных плит каналов на плохо утрамбованную постель может привести к просадке днищ, провисанию трубопроводов, при которых нарушается герметичность каналов и возникает перенапряжение сварных стыков труб. Продольный дренаж эксплуатируется без ремонта, как правило, 2-3 года, поэтому его сооружение должно быть надежным и удобным для повсеместной чистки системы. Точность установки компенсаторов, фланцев, запорно-регулирующей и дренажной арматуры, правильное размещение сварных стыков, опор на трубопроводе относительно опорных строительных конструкций является важнейшим условием надежности теплопровода.

Прекращение подачи тепла приносит большой ущерб народному хозяйству вследствие вынужденного простоя производственного оборудования и сокращения выпуска промышленной продукции. Аварийное отключение отопления ухудшает комфортные условия в жилых помещениях. Для ликвидации аварий непроизводительно отвлекается рабочая сила, техника, затрачиваются дополнительные материалы и капитальные средства.

Новые и прошедшие капитальный ремонт сети после сдачи в промышленную эксплуатацию длительное время могут не обнаруживать скрытые дефекты, способные вызвать аварию. Во время эксплуатации происходит естественное старение оборудования, трубопроводов и контрольно-измерительной аппаратуры. Поэтому противоаварийная профилактика заключается в заблаговременном выявлении очагов разрушения.

Профилактический ремонт оборудования тепловых пунктов и местных систем теплоснабжения выполняет обслуживающий персонал пункта. Обслуживающий персонал должен хорошо понимать свои задачи и помнить, что от исправности различных устройств в насосных, контрольно-распределительных и тепловых пунктах зависит надежность всей системы теплоснабжения. Например, некачественная теплоизоляция

паропровода приводит к интенсивной конденсации пара, которая при неисправности дренажных устройств может вызвать гидравлические удары большой разрушительной силы. Поэтому дежурные обязаны тщательно следить за состоянием теплоизоляции; регулярно проверять свободное и плотное закрытие и открытие запорной и дренажной арматуры; своевременно смазывать графитовой смазкой движущиеся части механизмов, сальниковых уплотнений арматуры, компенсаторов и других элементов.

При плохом содержании подогревателей наблюдается постепенное уменьшение производительности и завышение температуры воды на выходе из теплообменника. Неполадки в работе подогревателей вызывают преимущественно отложения солей временной жесткости, содержащихся в водопроводной воде. Во время профилактических ремонтов необходимо своевременно удалять накипь из трубочек и принимать меры для уменьшения солеотложении, например, настройкой регуляторов температуры на подогрев воды не свыше 50-55°С. Статистика показывает, что основная масса аварий происходит из-за коррозии трубопроводов, разрыва сварных швов, просадки опор, разрушения компенсаторов, арматуры, фланцевых и сальниковых уплотнений. От плохого содержания сетей и нарушения режимов эксплуатации аварии возникают вследствие замерзания воды в трубопроводах и дренажных устройствах. Частые аварии происходят в результате образования сквозных свищей, вызванных в 90% случаев разрыва труб наружной коррозией. В местах разрыва труб утонение толщины стенок доходит до 0,5-1 мм. Коррозия возникает в местах, где имеется доступ влаги к поверхности труб: при контакте с грунтом, со стенами камер и каналов, в опорных конструкциях. В каналах и камерах коррозию вызывает капель с перекрытий и холодных люков, затопление низа изоляции грунтовой водой. Коррозия - это скрытый процесс, поэтому ее профилактика заключается в регулярной проверке состояния изоляции, каналов и других элементов теплопроводов, от неисправности которых может возникнуть коррозия.

Антикоррозионная защита, применяемая в настоящее время, способна задержать коррозию трубопроводов на срок не более 1-2 лет. При ненадежных антикоррозионных покрытиях необходимо уделять внимание быстрому высыханию теплоизоляции, что способствует отдалению сроков аварии от коррозии. Сильно прокорродированные участки трубопроводов рекомендуется проверять на надежность гидравлическим испытанием. Давление испытания подбирается таким, чтобы им были разрушены слабые места, которые затем заменяются новыми трубами, а на трубах большого диаметра накладываются заплаты. Такие испытания на прочность рекомендуется проводить в два этапа. На первом этапе испытанию подвергается вся длина магистрали под давлением

сетевого насоса, но не более 1,6 МПа. Этим устанавливается надежность системы в целом. На втором этапе выявляются мелкие очаговые повреждения, для чего проводятся поучастковые испытания с помощью передвижных насосных установок, подключаемых к штуцерам постоянных опрессовок. Давления опрессовки допускается повышать до 2,5 МПа. Чаще всего сварные стыки разрываются на изгибах и в местах большого провисания труб. Перенапряжения сварных швов могут возникнуть от несоблюдения режимов прогрева трубопроводов, неправильного подбора компенсирующих устройств или от упирания в стенки каналов и ниш поворотов труб и плеч гибких компенсаторов. Большие продольные усилия, возникающие в защемленном трубопроводе, способны разрушить не только сварку стыков, но и закрепления неподвижных опор. Срывы неподвижных опор могут распространиться на большую длину сетей, вызывая поломку компенсаторов, ответвлений, арматуры.

Пробивание прокладок во фланцевых соединениях возникает при перекосах фланцев, неравномерном обжатии или использовании некачественных и толстых прокладок. Для повышения надежности сетей фланцевые соединения целесообразно заменять соединениями на сварке. Фланцы оставляют только в местах установки фланцевой арматуры, но в наиболее опасных узлах фланцевую арматуру допускается приваривать непосредственно к трубам.

Поломка арматуры происходит вследствие неправильного ее размещения на трубопроводах вблизи изгибов труб, где возникают большие напряжения кручения и изгиба, а также закрепления на перекошенных фланцах. При обнаружении опасных напряжений необходимо проверить равномерность затяжки болтов и возможность переноса неподвижной опоры ближе к арматуре. Когда перемещение опоры недопустимо, следует переставить арматуру к неподвижной опоре со стороны прямолинейного участка трубы длиной не менее 20 Бу, отделенного от ближайшего поворота скользящими опорами, поглощающими часть изгибающих усилий. Под тяжелой арматурой необходимо установить специальную разгружающую опору. В очень тяжелых условиях находится арматура на сетевых перемычках, особенно когда перемычки размещены далеко от неподвижных опор и имеется большая разность удлинений подающих и обратных трубопроводов. Для разгрузки арматуры большое значение имеет достаточная гибкость перемычки и закрепление неподвижных опор непосредственно под перемычками. Во время ремонта сетей чугунную арматуру необходимо заменять на стальную.

Замораживание воды чаще всего наблюдается на концевых участках сети с малым расходом. Для борьбы с замораживанием применяется циркуляция воды через концевую

перемычку между подающим и обратным трубопроводом. Чтобы искусственная циркуляция воды по перемычке не нарушала гидравлический режим, перемычку выполняют из трубы небольшого диаметра А5-20 мм и с дроссельной диафрагмой, рассчитанной на постоянный пропуск минимального расхода воды, обеспечивающего непромерзание. Основным средством защиты конденсатопроводов и дренажей от замораживания является надежная теплоизоляция.

Однако при периодической откачке конденсата наиболее целесообразно применение парового спутника, проложенного для обогрева конденсатопровода в одной теплоизоляции.

Текущий ремонт представляет собой комплекс профилактических мероприятий, выполняемых систематически с целью предупреждения преждевременного износа отдельных элементов системы теплоснабжения и устранения мелких дефектов. Работы по текущему ремонту проводят регулярно в течение всего отопительного сезона и выполняются обходчиками сетей и дежурными тепловых пунктов в ходе эксплуатации. Мелкий профилактический ремонт, как, например, ликвидация течей сальниковых уплотнений фланцевых соединений, чистка дренажей, воздушников, правка и закрепление опор, смазка трущихся узлов и другие, выполняют без отключения теплопроводов. Текущий ремонт более крупного оборудования и узлов конструкции может выполняться при кратковременном отключении участков сети.

Капитальный ремонт предназначен для полного восстановления изношенных элементов и реконструкции системы с применением более экономичного и современного оборудования. Ремонт проводят в летний период. Пришедшие в негодность материалы и оборудование при капитальном ремонте заменяют на новые. Однако процент замены не должен превышать установленные нормы годовых расходов материалов на ремонт. Остальная часть потребных материалов после ревизии и восстановления должна использоваться повторно до истечения установленных сроков службы.

Устранение дефектов ремонтными композиционными материалами является эффективным, ресурсосберегающим и перспективным методом восстановления оборудования.

В настоящее время в технологии ремонта и обслуживания тепловых сетей наметились принципиально новые подходы. Стали все чаще применяться композиционные материалы, обладающие высокими физико-техническими характеристиками и универсальностью применения. Их использование в качестве соединительных элементов, а также в ремонтных целях позволяет заменить традиционные

методы соединений (сварка, пайка, клепка и т.п.) новыми технологическими процессами -склеиванием, формованием и заделкой дефектов с помощью металлополимерных и анаэробных материалов. Эти материалы обладают следующими достоинствами:

- высокая технологичность и простота приготовления смеси, вследствие чего не требуется длительного обучения пользователя;

- возможность проведения ремонта в полевых и производственных условиях без подвода энергии;

- возможность выполнения ремонта в неудобных и труднодоступных местах;

- сокращение сроков ремонта в 2-10 раз;

- возможность проведения срочного (аварийного) ремонта в течение короткого времени (3-4 мин.) с помощью ремонтных материалов ускоренного отверждения;

- восстановление фрагментов деталей без применения специальной оснастки и инструмента;

- возможность соединения разнородных материалов между собой в различных сочетаниях;

- увеличение срока эксплуатации восстановленных и отремонтированных объектов в 2-17 раз;

- проведение ремонта без демонтажа или с минимальным демонтажем оборудования.

Материалы для восстановления теплофикационного оборудования включают в себя металлополимеры универсальные, антифрикционные, керамические, защитные антикоррозионные и противоизносные покрытия, а также анаэробные фиксаторы, анаэробные уплотнители, смазочные «материалы», очистители и другие сервисные и сопроводительные материалы.

Номенклатура используемых и перспективных ремонтных композиционных материалов представлена на рисунке 1.

Выход из строя оборудования водоснабжения и теплоснабжения происходит по ряду причин и многих факторов. Традиционным методом устранения дефектов часто является замена поврежденного оборудования на новое. Подобные методы ремонта весьма дорогостоящи и не всегда эффективны.

Рисунок 1 - Номенклатура используемых и перспективных ремонтных композиционных материалов

На текущий момент ремонтные композиционные материалы (РКМ) успешно применяются при выполнении ремонта оборудования и изделий в различных отраслях промышленности, в том числе в машиностроительной, целлюлозно-бумажной, автомобильной, судостроительной, а также в ЖКХ при эксплуатации систем водоснабжения, теплоснабжения, газоснабжения.

Рациональное использование физико-химических свойств РКМ позволяет снизить трудоемкость ремонта на 20%, себестоимость работ - на 15-20%, сократить расход металлов на 40-50%. Это обусловлено тем, что подобная технология не требует сложного оборудования и высокой квалификации работающих, позволяет производить ремонт без демонтажа, а также соединений, которые, с точки зрения безопасности, трудно и опасно ремонтировать традиционными способами. [3]

В статье проанализировано многообразие дефектов систем теплоснабжения и указано на широкие возможности использования ремонтных композитов, которые позволяют проводить оперативное устранение дефектов и обеспечивать дальнейшую надежную эксплуатацию оборудования теплосетей жилищно-коммунального хозяйства.

Литература

1. Машенков А.Н., Филимонов А.В. О контроле состояния тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2003. №10.

2. Козин В.Е. Теплоснабжение. М.: Высшая школа, 1980.

3. Прогрессивные технологии ремонта оборудования теплосетей с использованием композиционных материалов / А.Б. Тулинов, А. А. Корнеев, А.Б. Гончаров, Ю.Н. Казанов // Новости теплоснабжения. 2005. № 1.

4. Хейфец А.И. Внедрение системы мониторинга состояния технологического оборудования тепловых сетей, опыт и перспектива использования // Новости

Теплоснабжения. 2008. № 4 (92).