Осевые сильфонные компенсаторы и сильфонные компенсационные устройства для тепловых сетей
Возможность снижения затрат и потерь тепловой энергии при строительстве и эксплуатации тепловых сетей за счет применения осевых сильфонных компенсаторов для компенсации температурных деформаций теплопроводов на примере 25-летнего опыта ГУП «ТЭК Санкт-Петербурга».
Для компенсации температурных деформаций теплопроводов при канальной прокладке во многих регионах России по-прежнему применяются П-образные и сальниковые компенсаторы. То же самое было и в Ленинграде до начала 80-х годов прошлого века. К тому времени на территории Ленинградского судостроительного завода им. А.А. Жданова (теперь ОАО «Северная верфь») для нужд военно-промышленного комплекса уже в полную мощность работал Научно-производственный комплекс «Компенсатор», включающий в себя Специальное конструкторское технологическое бюро с опытным производством и цех серийного производства сильфонных компенсаторов.
Специалисты ведущих Ленинградских проектных институтов рассмотрели возможность применения сильфонных компенсаторов в тепловых сетях вместо П-образных и сальниковых компенсаторов.
В целях повышения надежности теплоснабжения, снижения капитальных вложений, потерь с утечками и эксплуатационных расходов Научно-производственным комплексом «Компенсатор» по техническому заданию Главного топливно-энергетического управления Ленинграда и Треста «Ленгазтеплострой» в 1981 году была изготовлена первая партия осевых сильфонных компенсаторов, которая была принята в опытную эксплуатацию. Вскоре была завершена разработка технических условий на осевые сильфонные компенсаторы для тепловых сетей, и с 1982 года начался их серийный выпуск.
С 1983 года в ГУП «ТЭК СПб» при проведении капитального ремонта и строительства тепловых сетей началась установка сильфонных компенсаторов вместо сальниковых. Всего за этот период в тепловых сетях было установлено более 14000 сильфонных компенсаторов.
Институт «Ленгипроинжпроект» и Трест «Ленгазтеплострой» в 1986 году выполнили расчет экономической эффективности применения осевых сильфонных компенсаторов при подземной прокладке теплопроводов в непроходных железобетонных сборных каналах в сравнении с П-образными.
Для П-образных компенсаторов характерны большие габариты, увеличение зон отчуждения дорогостоящей городской земли, необходимость строительства дополнительных направляющих опор, а при подземной прокладке — специальных камер (что довольно затруднительно в городских условиях). Да и стоимость П-образных компенсаторов, особенно больших диаметров, достаточно высока.
Годовой экономический эффект, проявляющийся в снижении сметной стоимости строительства, экономии материалов, в сокращении трудозатрат при строительстве и тепловых потерь при эксплуатации теплопровода, при замене 1 шт. П-образного компенсатора на осевой сильфонный составил: для DN 500 — 6,65 тыс. руб., для DN 700 — 12,07 тыс. руб. (в ценах 1986 года).
Наиболее сложными в эксплуатации и монтаже являются сальниковые компенсаторы. Сальниковые компенсаторы требуют постоянного обслуживания, связанного с периодической подтяжкой уплотнения и заменой уплотнительного материала (и, следовательно, содержания ремонтных бригад). При подземной прокладке теплопроводов установка сальниковых компенсаторов требует строительства дорогостоящих камер.
Длительная практика эксплуатации сальниковых компенсаторов показала, что даже при наличии регулярного их обслуживания имеют место протечки теплоносителя. При большой протяженности тепловых сетей суммарная величина такого рода протечек может достигать достаточно больших значений. Протечки теплоносителя приводят к следующим дополнительным затратам:
1. Для восполнения утечек из сальниковых компенсаторов увеличивается потребление холодной воды и, соответственно, ее потери на теплоисточниках. Эти потери связаны с ростом количества вырабатываемой питательной воды для паровых котлов, увеличением нагрузки на оборудование химводоподготовки и деаэрационные установки, возрастанием объема сбрасываемой в канализацию горячей продувочной воды от котлов и воды необходимой для охлаждения последней.
2. Увеличение общего объема подпитки приводит к дополнительному поступлению кислорода и агрессивных газов в трубопроводы тепловых сетей, что ускоряет их внутреннюю коррозию.
3. Необходимость выработки дополнительного количества подпиточной воды для компенсации утечек приводит к перерасходу топлива на теплоисточниках и снижению технико-экономических показателей их работы.
4. Возрастает потребление электроэнергии на привод подпиточных насосов, дополнительная производительность которых тратится на прокачку воды, теряемой с утечками.
5. Увеличивается потребление электроэнергии, связанное с работой паровых котлов на питательные насосы и тягодутьевые устройства.
6. В связи с намоканием теплоизоляции из-за утечек ускоряется коррозия наружной поверхности сальниковых компенсаторов и прилегающих к ним трубопроводов.
7. Увеличивается термическое воздействие на окружающую среду.
8. Дополнительная выработка подпиточной воды для восполнения утечек приводит к уменьшению резерва мощности теплоисточников и, в целом, к снижению надежности и качества теплоснабжения потребителей.
9. Дополнительная выработка подпиточной воды для восполнения утечек увеличивает загрузку оборудования, что приводит к сокращению сроков его службы и увеличению затрат на проведение ремонтных работ.
В 2006 году специалисты ГУП «ТЭК Санкт-Петербурга» на основании 25 летнего опыта эксплуатации выполнили расчет экономической эффективности применения осевых сильфонных компенсаторов при подземной канальной прокладке действующих теплопроводов вместо сальниковых.
При реконструкции и строительстве новых подземных теплопроводов применение сильфонных компенсаторов позволяет отказаться от строительства камер для установки компенсаторов, что приводит к существенному снижению капитальных затрат.
Экономическая эффективность от замены сальниковых компенсаторов на сильфонные в расчете определялась только по следующим показателям:
уменьшение потребления холодной воды;
уменьшение потребления топлива;
уменьшение потребления электроэнергии;
снижение затрат, связанных с техническим обслуживанием и ремонтом компенсаторов;
Удельная годовая экономическая эффективность от замены сальникового компенсатора на сильфонный в процессе эксплуатации составила:
Диаметр компенсатора, мм Холодная вода Топливо Электроэнергия Обслуживание и ремонт, тыс. руб. Итого, тыс. руб.
м3 тыс. руб. тут тыс. руб. кВт-ч тыс. руб.
до 300 77,5 1,05 0,7 0,90 105,9 0,10 2,71 4,76
от 300 до 600 186,8 2,52 1,6 2,17 255,4 0,24 6,30 11,23
от 600 до 1200 355,7 4,80 3,0 4,12 486,1 0,45 9,90 19,27
Анализ состояния трубопроводов и элементов конструкций тепловых сетей, находящихся на балансе ГУП «ТЭК СПб», выполненный в 1998 году, подтвердил, что общее количество повреждённых сильфонных компенсаторов за период внедрения составляло 92 шт.
Основными причинами повреждений сильфонных компенсаторов были:
нарушение требований к монтажу осевых сильфонных компенсаторов во время их монтажа;
нарушение соосности трубопроводов во время монтажа, а также из-за просадки направляющих опор в процессе эксплуатации;
разрушение неподвижных опор из-за их неправильного расчета нагрузок на них;
наружная коррозия сильфонов осевых компенсаторов (около 20 шт.) из-за сверх-допустимого содержания хлоридов в грунтовых водах.
Дальнейший анализ условий монтажа и эксплуатации сильфонных компенсаторов показал, что эксплуатация трубопроводов и других элементов тепловой сети в Санкт-Петербурге и его пригородах происходит при воздействии следующих факторов:
Высокий уровень грунтовых вод и частые подъёмы воды при наводнениях приводят к периодическому их затоплению.
Большая часть трубопроводов и других элементов тепловых сетей ГУП «ТЭК СПб» находится в зонах с повышенной коррозионной активностью грунта (насыпные и торфяные почвы, повышенная концентрация хлоридов, блуждающие токи, высокий уровень и электропроводность грунтовых вод).
Посыпание проезжей части дорог солью, и увеличение концентрации хлоридов в грунте приводит к снижению коррозионной стойкости металла (аустенитной нержавеющей стали) наружного слоя компенсаторов (75% теплотрасс расположены около проезжей части дорог). Как известно, скорость коррозии аустенитной стали резко увеличивается в среде, содержащей хлор.
Длительное хранение компенсаторов под открытым небом без антикоррозийной защитной смазки, нарушения инструкции по их транспортировке без защитных кожухов приводят к ударам, появлению царапин, вмятин и т.д.
Нарушение технологии строительно-монтажных работ приводит к проникновению влаги под изоляцию или нарушению соосности, что сокращает срок работы компенсатора.
Ещё в 1983 году Технический совет (протокол № 3 от 05.01.83 г.) Главного топливно-энергетического управления Ленинграда потребовал от проектных, конструкторских организаций и заводов-изготовителей:
решить проблему влияния хлоридов на долговечность металла сильфонов.
доработать конструкцию компенсационного устройства таким образом, чтобы обеспечить перемещение компенсатора в защитном кожухе только в продольном направлении. Это обеспечит повышение надёжности конструкции независимо от качества установки подвижных и неподвижных опор.
доработать конструкцию защитного кожуха для обеспечения 100% герметизации сильфона от проникновения грунтовых вод.
предусмотреть нанесение антикоррозийного покрытия на наружную поверхность сильфонов сильфонных компенсаторов, применяемых в тепловых сетях.
для увеличения сроков службы сильфонных компенсаторов необходимо ужесточить требования к хранению, транспортировке и монтажу с целью недопущения их повреждений и коррозии при их хранении.
Во избежание разрушения осевых сильфонных компенсаторов из-за несоосности трубопроводов, возникающей из-за просадки грунта, в Санкт-Петербурге, Москве и некоторых других регионах России стали применять сильфонные компенсационные устройства (СКУ) различных конструкций. СКУ должны были конструктивно защищать сильфон от поперечных усилий, изгибающих и крутящих моментов, а также от попадания грунтовых вод на сильфон и грунта между гофрами. Это конструкции «Узлов компенсационных» типа СКФ разработки ОАО «Трест Ленгазтеплострой», блокированные компенсаторы типа КСО разработки филиала «Тепловые сети» ОАО «Мосэнерго», компенсационные устройства совместной разработки Тепловых сетей АО «Ленэнерго» и ЗАО «Группа ИКА», компенсационные устройства ОАО «Металкомп» и др.
Учитывая недостатки, выявленные при эксплуатации осевых сильфонных компенсаторов, а также недостатки конструкции указанных выше компенсационных устройств, ОАО «НПП «Компенсатор» разработало принципиально новую конструкцию сильфонного компенсационного устройства для наземной и канальной прокладок теплопроводов и в 1998 году приступило к их серийному изготовлению.
В отличие от сильфонных компенсационных устройств, изготавливаемых другими предприятиями, этой конструкцией предусмотрены:
направляющие опоры цилиндрической формы, установленные с обеих сторон от сильфона, которые телескопически перемещаются вместе с патрубками СКУ по внутренней поверхности толстостенного кожуха. Это придает конструкции достаточную жесткость и обеспечивает соосность сильфонов и их защиту от поперечных усилий и изгибающих моментов, возникающих при возможных прогибах теплопровода из-за просадки грунта или направляющих опор;
ограничители хода сильфона, которые также защищают сильфон от крутящих моментов;
толстостенный кожух, изготавливаемый из труб, применяемых для теплопроводов, который задает направление перемещения цилиндрических направляющих опор компенсационных устройств и, в то же время, обеспечивает защиту сильфона от нагрузок, возникающих под действием давления грунта и автотранспорта в случае их применения при бесканальной прокладке теплопровода.
При использовании компенсационных устройств по ИЯНШ.300260.033ТУ устанавливать направляющие опоры на расстоянии 2Dу — 4Dу от СКУ нет необходимости.
Осевые сильфонные компенсаторы и компенсационные устройства нашли широкое применение в тепловых сетях Санкт-Петербурга и Ленинградской области, Москвы, и Московской области, Тюменской, Иркутской и др. областей, а также Белоруссии и Казахстана. Однако во многих регионах России до сих пор по-прежнему при канальной прокладке даже вновь строящихся теплопроводов применяются и сальниковые и линзовые компенсаторы.
В последние годы в России для бесканальной прокладки теплопроводов стали широко применяться стальные трубы с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке по ГОСТ 30732. Для исключения аварийности теплотрасс, на теплопроводах обязательна установка системы оперативного дистанционного контроля за увлажнением изоляции (СОДК) для обнаружения на ранней стадии возможных дефектов стальной трубы, появившихся во время эксплуатации.
В Западной Европе и в некоторых регионах России для компенсации температурных деформаций теплопроводов при бесканальной прокладке не применяют осевые сильфонные компенсаторы. В этих случаях используется способ частичной разгрузки температурных деформаций теплопровода с помощью стартовых компенсаторов за счет предварительного нагрева теплопровода во время его монтажа до температуры, равной 50% от максимальной.
Суть этого способа заключается в следующем. Между двумя неподвижными опорами теплопровода устанавливается стартовый сильфонный компенсатор, после чего теплопровод заполняется теплоносителем и нагревается до температуры, равной 50% от максимальной рабочей. При этом стартовый компенсатор должен сжаться на полную величину рабочего хода. После выдержки при указанной температуре (как правило, в течение суток) кожухи стартового компенсатора завариваются между собой. После этого соединяются проводники СОДК и на стартовые компенсаторы наносится тепло-гидроизоляция. И так на всем теплопроводе между каждой парой неподвижных опор.
При этом сильфон стартового компенсатора исключается из дальнейшей работы теплопровода, и теплопровод остается в эксплуатации в напряженном состоянии.
Кроме того, использование предварительно нагретых во время монтажа теплопроводов имеет еще несколько неудобств:
окончательный монтаж теплопровода (заварку кожухов всех стартовых компенсаторов и их последующую тепло-гидроизоляцию) приходится производить во время отопительного сезона;
при выполнении ремонта теплопровода необходимо на данном участке теплотрассы заменять и стартовый сильфонный компенсатор и выполнить в дальнейшем вышеизложенные требования по его монтажу и изоляции.
Применение при бесканальной прокладке предварительно нагретых во время монтажа теплопроводов с использованием стартовых компенсаторов возможно в регионах с мягкими климатическими условиями, когда перепады температур теплоносителя относительно средней температуры незначительны и стабильны.
В пиковые же режимы отопления, а также при остывании теплоносителя и его сливе, что довольно часто происходит во многих регионах России, температурные напряжения на трубопровод и неподвижные опоры резко возрастают.
Учитывая проблемы применения стартовых компенсаторов, а также особенности климатических условий регионов и соответствующие режимы отопления, в Санкт-Петербурге (с его болотистыми почвами и регулярными наводнениями) и некоторых других регионах России при бесканальной прокладке предварительно изолированных труб уже более 15 лет применяются предварительно изолированные осевые сильфонные компенсационные устройства различных конструкций. Их изготавливают из осевых сильфонных компенсаторов многие предприятия: филиалы ГУП «ТЭК-СПб», «ОАО «Трест Ленгазтеплострой», ЗАО «ЗТФТ «Петерпайп», ПК ЗАО «ТВЭЛ-Теплоросс», ЗАО «РСУ-103», ЗАО «СЗПЭК», ООО «ИММИД», ООО «Сибпромкомплект» и др.
Основными недостатками всех этих конструкций предизолированных сильфонных компенсационных устройств являются:
возможность поперечных, крутящих и изгибающих деформаций сильфона в случае деформации теплопровода из-за просадки грунта;
недостаточная гидроизоляция подвижной части компенсационного устройства от попадания грунтовых вод под полиэтиленовую оболочку теплоизоляции, а также на сильфон. Чтобы грунтовые воды не попадали на проводники СОДК, проводники внутри компенсационного устройства прокладываются в гидрозащитном кембрике. Тем самым, компенсационные устройства (длиной до 4,5 м каждое), исключаются из системы ОДК теплопровода. В случае нарушения герметичности сильфона или патрубков компенсационного устройства система ОДК не сработает. Попадание грунтовых вод под полиэтиленовую оболочку теплоизоляции ускорит наружную коррозию патрубков. Попадание грунтовых вод с повышенной концентрацией хлоридов на сильфон приведет к его разрушению в течение 3 — 5 лет.
Проанализировав недостатки существующих конструкций, ОАО «НПП «Компенсатор» в 2006г. завершило разработку осевых сильфонных компенсационных устройств для бесканальной прокладки теплопроводов с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке.
Разработка велась на базе отработанной конструкции СКУ по ИЯНШ.300260.033ТУ. Здесь также предусмотрены цилиндрические направляющие опоры, установленные с обеих сторон от сильфона, которые телескопически перемещаются вместе с патрубками СКУ по внутренней поверхности толстостенного кожуха.
Гидроизоляция подвижной части СКУ выполняется с помощью защитного сильфона, позволяющего гарантировать полную защиту рабочего сильфона, теплоизоляции и проводов системы ОДК от проникновения грунтовых вод в течение всего срока службы СКУ.
Во избежание несрабатывания СОДК в случае нарушения герметичности сильфона и патрубков компенсационного устройства, проводники системы ОДК проложены во фторопластовой трубке только в зоне возможного контакта с металлической поверхностью компенсационного устройства.
Воздушная прослойка между двумя сильфонами обеспечивает хорошую тепловую изоляцию в средней части СКУ. Тепловая изоляция патрубков СКУ может выполняться во время монтажа одновременно с заливкой пенополиуретаном стыков теплопровода с СКУ. С этой целью к фланцам СКУ приварена стальная гильза, на которую посажена термоусаживающаяся муфта, по наружному диаметру соответствующая полиэтиленовой оболочке теплопровода. Такое конструктивное решение гарантирует защиту пенополиуретановой теплоизоляции от проникновения в нее грунтовых вод.
Для исключения попадания грунта и ограничения попадания грунтовых вод на защитный сильфон с торцов кожуха установлены уплотнения.
Квалификационные испытания опытных образцов СКУ прошли успешно. Технические условия ИЯНШ.300260.043ТУ утверждены и согласованы с ОАО «Объединение ВНИПИЭнергопром». С 2007 года начато серийное производство.
Применение компенсационных устройств по ИЯНШ.300260.043ТУ позволит в полном объеме решить проблему компенсации температурных деформаций теплопроводов с тепловой изоляцией из пенополиуретана в полиэтиленовой оболочке на протяжении всего срока эксплуатации. При этом гарантируется соосность сильфона при изгибающих моментах в любой плоскости, возникающих при прогибах теплопровода из-за просадки грунта, а также гидрозащита сильфона, пенополиуретановой изоляции и проводников системы ОДК в подвижной части компенсационного устройства от проникновения грунтовых вод. При этом компенсационное устройство не исключается из системы ОДК теплопровода.
Учитывая возрастающие требования по сроку службы теплопроводов тепловых сетей, в 2006 году нашим предприятием проведены несколько НИиОКР по увеличению ресурса сильфонных компенсаторов и срока их службы, а также разработаны новые модификации осевых сильфонных компенсаторов:
Совместно с ОАО «НПО ЦКТИ им И.И. Ползунова» завершена ОКР по определению предельно допустимого содержания хлоридов в сетевой воде. На основании отчета по проведенной ОКР срок службы выпускаемых нашим предприятием сильфонных компенсаторов устанавливается — 30 лет, а допустимое содержание хлоридов в сетевой воде при температуре до 150 оС — 250 мг/л.
Проведены работы по применению антикоррозионных покрытий наружной поверхности сильфонов. Нанесение покрытий на сильфон внедрено в производство с 2006 года.
Проанализировав возможности изготовления на имеющемся оборудовании без затрат на перевооружение и подготовку производства сильфонов с измененной геометрией и увеличенным количеством гофров, специалистами ОАО «НПП «Компенсатор» была выполнена ОКР по увеличеннию компенсирующей способности осевых сильфонных компенсаторов.
В ноябре 2006 года совместно с ОАО «Объединение ВНИПИЭНЕРГОПРОМ» разработан «Руководящий документ по применению сильфонных компенсаторов и сильфонных компенсационных устройств при проектировании, строительстве и эксплуатации тепловых сетей» (РД-3-ВЭП-2006), в котором даны рекомендации по применению в тепловых сетях всех типов сильфонных компенсаторов и компенсационных устройств.