ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННАЯ ТРУБА

Область техники
Полезная модель относится к трубам, предназначенным для транспортировки жидкостей и газов, в частности для тепловых сетей коммунальных и промышленных предприятий.
Уровень техники
Известна металлическая труба для транспортировки среды (EP 2392418А1, кл. МПК B21D 19/00; F16L 23/04; F16L 9/02, опубл. 07.12.2011), включающая удлиненную транспортирующую секцию с концами, адаптированными для соединения с другой металлической трубой. Такая труба проста в изготовлении, недорога и может выдерживать большие нагрузки. Однако эта труба не обладает гибкостью, что существенно усложняет монтаж трубопроводов. Склонность к коррозии ограничивает срок службы этой трубы. Транспортировка по этой трубе нагретой среды сопровождается большими потерями тепла.
Известна многослойная труба для систем горячего водоснабжения и теплоснабжения (Полезная модель RU 59190, F16L 11/10, опубл. 10.12.2006), содержащая внутреннюю оболочку из сшитого полиэтилена, усиленную армирующей системой и защитную оболочку, содержащую слой теплоизоляции из вспененного полимера, покрытый наружной оболочкой. Труба обладает гибкостью, характеризуется низкими теплопотерями, и не подвержена коррозии, однако не может использоваться для транспортировки жидкостей, нагретых до температуры выше 95°C.
Недостатком данной трубы является то, что она может использоваться при ограниченной температуре и давлении транспортируемой среды.
Также известна теплоизолированная труба, содержащая внутреннюю трубу, проводящую среду, выполненную в виде гофрированной стальной трубы, наружную трубу, расположенную концентрично с зазором относительно внутренней трубы, а также теплоизолирующий слой из вспененного полимера, заполняющего кольцевой зазор между внутренней трубой и наружной трубой (RU 98114086 F16L 59/00, опубл. 10.05.2000). Такая труба является наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели.
3
Известная труба обладает гибкостью, обеспечивающей удобный монтаж трубопроводов, характеризуется малыми потерями тепла при транспортировке жидкостей, нагретых до 135°C и выше. Однако, обладая удовлетворительной стойкостью к общим видам коррозии, труба подвержена интенсивному коррозионному растрескиванию под напряжением при транспортировке воды с повышенным содержанием растворенного кислорода. Коррозионное растрескивание под напряжением в известной трубе обусловлено повышенным уровнем механических напряжений в металле, возникающих в результате гофрирования трубы. Долговременное безаварийное использование таких труб возможно исключительно в закрытых системах теплоснабжения, в которых по замкнутому кругу циркулирует специально подготовленная деаэрированная, умягченная и обессоленная вода с содержанием растворенного кислорода не превышающем 20 мкг/дм. В открытых системах теплоснабжения, в которых может транспортироваться вода, содержащая до 300-400 мкг/дм растворенного кислорода и других коррозионно-активных примесей, например углекислого газа, карбонатов кальция и магния, хлоридов и сульфатов труба интенсивно корродирует, и срок ее службы существенно сокращается.
Технический результат
Технический результат, достигаемый при использовании полезной модели, заключается в увеличении срока службы трубы при заданных условиях эксплуатации и сохранении гибкости трубы. К эксплуатационным параметрам трубы относятся рабочая температура и рабочее давление трубы.
Раскрытие полезной модели
Указанный технический результат достигается за счет того, что в теплоизолированной трубе, содержащей внутреннюю гофрированную стальную трубу, наружную трубу, расположенную с зазором относительно внутренней трубы, а также теплоизолирующий слой из вспененного полимера, заполняющего кольцевой зазор между внутренней трубой и наружной трубой, внутренняя гофрированная стальная труба характеризуется временем до появления первой трещины при воздействии кипящего 42% раствора хлорида магния при рН 6 не менее 1000 часов при толщине стенки 0,4-1,1 мм, а гофры внутренней стальной трубы выполнены винтовыми.
Толщина стенки внутренней гофрированной стальной трубы, предпочтительно, составляет 0,5-1,0 мм.
Внутренняя гофрированная стальная труба может быть выполнена из нержавеющей стали, преимущественно малоуглеродистой и высоколегированной, например хромо-никелевой стали.
Предпочтительно выполнение теплоизолирующего слоя из вспененного полиизоцианурата или полиуретана.
В теплоизолирующем слое возможно расположение проводников-индикаторов системы оперативного дистанционного контроля состояния влажности теплоизоляции (ОДК).
Наружная труба выполнена из термопластичной пластмассы, предпочтительно из полиэтилена.
Наружная труба выполнена гофрированной, гофры наружной трубы предпочтительно выполнены кольцевыми.
Труба может включать барьерный слой, расположенный между теплоизолирующим слоем и наружной трубой, выполненный, например, из полиэтилентерефталата.
Внутренняя гофрированная стальная труба предпочтительно характеризуется соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру не более 0,010.
Описание чертежа
На Фиг.1 показана структура теплоизолированной трубы. Заявленная теплоизолированная труба включает внутреннюю гофрированную стальную трубу (1), наружную трубу (2), расположенную с зазором относительно внутренней трубы, теплоизолирующий слой (3) из вспененного полимера, заполняющего кольцевой зазор между внутренней и наружной трубой, датчик ОДК (4), а также барьерный слой (5).
3
В предлагаемой полезной модели теплоизолированная труба содержит внутреннюю гофрированную стальную трубу. При гофрировании стальной трубы появляются растягивающие и сжимающие напряжения, которые сохраняются в металле трубы после завершения гофрирования. Такие остаточные напряжения в металле являются причиной коррозионного растрескивания трубы в процессе эксплуатации при воздействии коррозионно-активной среды, особенно при транспортировке среды в открытых системах теплоснабжения, содержащей более 20 мкг/дм растворенного кислорода, повышенное количество углекислого газа, хлоридов, сульфатов и других коррозионно-активных агентов. В соответствии с ГОСТ 26294-84 «Соединения сварные. Методы испытаний на коррозионное растрескивание» стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением коррозионно-стойких сталей принято характеризовать временем до появления первой трещины при обработке в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6.
3
3
3
Таким образом, уровень остаточных напряжений стальной гофрированной трубы характеризуется временем до появления первой трещины при обработке трубы в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6. Если время до появления первой коррозионной трещины составляет менее 1000 часов, то уровень остаточных напряжений обеспечивает долговременную эксплуатацию трубы только в условиях контакта со средой с невысоким коррозионным воздействием на металл. Содержание растворенного кислорода в транспортируемой среде не должно превышать 20 мкг/дм. Такие условия могут быть выполнены лишь в закрытых системах теплоснабжения, в которых по замкнутому контуру (без контакта с открытым воздухом) циркулирует специально подготовленная деаэрированная умягченная обессоленная вода. В открытых системах теплоснабжения, из которых производится отбор питьевой воды потребителям, вследствие добавления большого количества подпиточной воды с целью компенсации ее прямого отбора, и в результате прямого контакта воды с воздухом содержание растворенного кислорода увеличивается и составляет более 20 мкг/дм и может достигать величины 300-400 мкг/дм. При использовании в открытых системах теплоснабжения трубы, характеризующейся временем до появления первой трещины при обработке в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 менее 1000 часов, случаи растрескивания трубы при эксплуатации возможны уже через 2-4 года.
3
3
Достижение заявленного технического результата возможно в том случае, когда внутренняя стальная гофрированная труба способна выдерживать воздействие кипящего раствора хлорида магния при pH 6 в течение не менее 1000 часов до появления первой трещины. Труба, способная выдержать 1000 и более часов без растрескивания при воздействии кипящего раствора хлорида магния может использоваться для транспортирования воды с температурой до 135°C, содержащей более 20 мкг/дм (до 300-400 мкг/дм) растворенного кислорода в течение длительного времени (25-30 лет) без появления признаков коррозии. При этом труба остается достаточно гибкой и характеризуется минимальным радиусом изгиба трубы не более 10*d, где d - внешний диаметр изолированной трубы.
Заданная характеристика металлической трубы - способность выдерживать воздействие кипящего раствора хлорида магния при pH 6 в течение не менее 1000 часов до появления первой трещины обеспечивается тем, что трубы имеют пониженный уровень остаточных напряжений, который может достигаться известными способами, например, вибрационным способом, основанным на обработке изделий в резонансном режиме переменными напряжениями, достаточными для протекания упругопластических деформаций металла, способами ультразвуковой или термической обработки. При этом предпочтительным является термическая обработка путем индукционного нагрева в среде инертного газа.
Внутренняя гофрированная стальная труба имеет толщину стенки 0,4-1,1 мм. При толщине стенки менее 0,4 мм труба не обладает прочностными характеристиками, необходимыми для транспортировки среды с температурой до 135°C, в частности, из-за того, что в стенке, имеющей толщину менее указанной, возможно развитие коррозионных трещин с образованием сквозных отверстий, которое происходит до окончания установленного срока эксплуатации трубы (25-30 лет). Верхний предел толщины стенки трубы - 1,1 мм, ограничен существенным ростом затрат на увеличение коррозионной стойкости трубы по отношению к стоимости готовой трубы, а также тем, что при большей толщине стенки не достигается необходимая гибкость трубы.
Экспериментально установлено, что предпочтительная толщина стенки внутренней гофрированной металлической трубы составляет 0,5-1,0 мм.
Выполнение внутренней стальной трубы гофрированной обеспечивает: кольцевую жесткость трубы в сочетании с гибкостью; выполнение гофр внутренней стальной трубы винтовыми обеспечивает спирализацию потока жидкости и минимальное гидродинамическое сопротивление, что предотвращает накопление отложений в трубе; вызывающих ускорение процесса коррозии, и повышает гибкость гофрированной трубы.
Кроме коррозии под напряжением металлы подвержены другим видам коррозии. Выполнение внутренней гофрированной стальной трубы из нержавеющей стали обеспечивает коррозионную устойчивость трубы к общим видам коррозии. Преимущественно, для повышения коррозионной стойкости трубы используют низкоуглеродистую высоколегированную нержавеющую сталь, например хром-никелевую сталь.
Теплоизолирующий слой предпочтительно выполнен из вспененного полиизоцианурата или пенополиуретана. Указанные материалы являются полужесткими теплоизоляторами и позволяют использовать предлагаемую трубу для транспортировки среды с температурой до 135°C без существенных теплопотерь при сохранении гибкости трубы и в тоже время защищают внутреннюю трубу от внешних механических воздействий, приводящих к появлению механических напряжений в металле, что также повышает коррозионную устойчивость трубы в процессе эксплуатации.
В теплоизолирующем слое трубы могут быть расположены проводники-индикаторы системы оперативного дистанционного контроля состояния влажности теплоизоляции (ОДК). Такие проводники обеспечивают контроль за проникновением в теплоизолирующий слой влаги, которая вызывает коррозионные повреждения внешней поверхности внутренней трубы, а также приводит к снижению теплоизолирующих характеристик трубы. Наличие ОДК позволяет при увеличении влажности теплоизолирующего слоя оперативно провести минимальные ремонтные работы трубопровода и тем самым предотвратить коррозионное повреждение внутренней трубы.
Наружная труба предлагаемой полезной модели, выполненная из термопластичной пластмассы, например из полиэтилена, обеспечивает защиту гибкой теплоизолированной трубы от воздействия внешней среды, включая механические и химические воздействия, в том числе защищает от проникновения влаги в теплоизолирующий слой, что также направлено на повышение коррозионной устойчивости трубы в процессе эксплуатации. Выполнение внешней трубы гофрированной, в том числе кольцевыми гофрами повышает гибкость наружной трубы и обеспечивает реализацию гибкости внутренней стальной гофрированной трубы в теплоизолированной трубе, а также обеспечивает устойчивое позиционирование трубы в грунте, что также способствует защите трубы от разрушающего воздействия внешней среды.
Барьерный слой, расположенный между теплоизолирующим слоем и наружной трубой препятствует потере углекислого газа теплоизолирующим материалом и таким образом предохраняет теплоизолирующий слой от разрушения, тем самым сохраняя его защитные и теплоизолирующие свойства и защищая трубу от коррозионного воздействия внешней среды.
Внутренняя гофрированная стальная труба предпочтительно характеризуется соотношением толщины стенки к внутреннему диаметру не более 0,010. Указанное соотношение обеспечивает оптимальное сочетание прочностных и стоимостных характеристик трубы.
Реализация заявленной гибкой теплоизолированной трубы демонстрируется следующими примерами:
Пример 1
Теплоизолированная труба диаметром 250 мм включает внутреннюю гофрированную стальную трубу (1), наружную трубу (2) с кольцевым гофрированием, расположенную с зазором относительно внутренней трубы и выполненную из полиэтилена средней плотности. Кольцевой зазор между внутренней и наружной трубой заполнен теплоизолирующим вспененным полиизоциануратом (3) с покрытием барьерным слоем (5) из полиэтилентерефталата. Внутренняя труба выдерживает испытания в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 без появления трещин в течение более 1000 часов. Толщина стенки внутренней гофрированной металлической трубы составляет 1,1 мм при соотношении толщины стенки к внутреннему диаметру 0,006.
Пример 2
Теплоизолированная труба диаметром 110 мм включает внутреннюю гофрированную стальную трубу (1), наружную гладкую трубу (2), расположенную с зазором относительно внутренней трубы и выполненную из полиэтилена низкой плотности. Кольцевой зазор между внутренней и наружной трубой заполнен теплоизолирующим слоем пенополиуретана (3). В теплоизолирующем пенополиуретановом слое расположены два проводника-индикатора системы оперативного дистанционного контроля состояния влажности теплоизоляции (4). Внутренняя труба выдерживает испытания в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 без появления трещин в течение более 1000 часов. Толщина стенки внутренней трубы 0,4 мм при соотношении толщины стенки к внутреннему диаметру 0,01
Пример 3
Теплоизолированная труба диаметром 150 мм включает внутреннюю гофрированную стальную трубу (1), наружную трубу с кольцевым гофрированием (2), выполненная из полиэтилена средней плотности и расположенную с зазором относительно внутренней трубы. Кольцевой зазор между внутренней и наружной трубой заполнен теплоизолирующим вспененным полиизоциануратом (3). В теплоизолирующем слое расположен проводник-индикатор системы оперативного дистанционного контроля состояния влажности теплоизоляции (4). Труба выдерживает испытания в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 без появления трещин в течение 1000 часов. Толщина стенки внутренней трубы составляет 0,6 мм при соотношении толщины стенки к внутреннему диаметру 0,008.
Пример 4
Теплоизолированная труба диаметром 185 мм включает внутреннюю гофрированную стальную трубу (1), наружную трубу с кольцевым гофрированием (2), выполненная из полиэтилена высокой плотности и расположенную с зазором относительно внутренней трубы. Кольцевой зазор между внутренней и наружной трубой заполнен теплоизолирующим вспененным полиизоциануратом (3). Труба выдерживает испытания в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 без появления трещин в течение более 1000 часов. Толщина стенки внутренней трубы составляет 0,8 мм при соотношении толщины стенки к внутреннему диаметру 0,008.
3
Все описанные в примерах 1-4 гибкие теплоизолированные трубы характеризуются временем до появления первой трещины при обработке в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 не менее 1000 часов. Такие трубы могут использоваться для транспортировки среды, содержащей более 20 мкг/дм растворенного кислорода при температуре до 135°C и эксплуатироваться в условиях открытых систем теплоснабжения в течение расчетного срока службы.
При этом предложенная труба обладает гибкостью, характеризуется минимальным радиусом изгиба трубы не превышающем 10*d, что обеспечивает возможность ее намотки на барабан и упрощение работы по монтажу трубопроводов.
Пример 5
Теплоизолированная труба диаметром 250 мм включает внутреннюю гофрированную стальную трубу (1), наружную трубу (2) с кольцевым гофрированием расположенную с зазором относительно внутренней трубы и выполненную из полиэтилена средней плотности. Кольцевой зазор между внутренней и наружной трубой заполнен теплоизолирующим вспененным полиизоциануратом (3) с покрытием барьерным слоем (5) из полиэтилентерефталата. Внутренняя труба выдерживает испытания в кипящем 42% растворе хлорида магния при pH 6 до появления первых трещин в течение 20 часов. Толщина стенки внутренней гофрированной металлической трубы составляет 1,1 мм при соотношении толщины стенки к внутреннему диаметру 0,006.
3
Такая труба может успешно работать длительное время в закрытых системах теплоснабжения, в которых по замкнутому контуру циркулирует специально подготовленная вода, содержащая не более 20 мкг/дм растворенного кислорода. При использовании такой трубы в открытых системах теплоснабжения через 2-4 года эксплуатации при температуре до 135°C. в трубе возникают коррозионные трещины, труба теряет герметичность и подлежит замене.
Приведенные примеры не исчерпывают всех вариантов выполнения полезной модели. Указанный технический результат достигается при комбинации конструктивных элементов трубы из различных материалов, приведенных в формуле полезной модели.