XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение.

Изоляционные материалы для трубопроводов имеют важное значение для нефтегазовой отрасли. Они позволяют сократить потери энергии при передачи жидкостей и газов по трубам, а так же защищают материал трубопровода от коррозии сопутствующими веществами в нефти или газе. Также, внешняя изоляция трубопроводов защищает от возможных утечек газа в случае механического повреждения трубы и препятствует утеканию газа через микротрещины и прочие дефекты структуры конструкции. Для подземных трубопроводов механическая прочность имеет критическое значение, т.к. движение грунтов вследствие естественных процессов и антропологического влияния серьезно ограничивает выбор материалов для изоляции.

В ХХ веке, в качестве теплоизоляции использовалась стекловата, что было весьма разумным решением, учитывая степень развития научно-промышленного комплекса. Однако, срок службы, механическая прочность, эффективность и рабочий диапазон температур уже не отвечают современным требованиям. Так же, в районах повышенной влажности стекловата намокала, что делало ее малоэффективной. По этим причинам начат поиск новых методов внешней изоляции трубопроводов.

Что касается внутренней изоляции трубопроводов – в СССР начали использовать эпоксидные смолы, что делают и сейчас, однако со временем состав изменяли для повышения антикоррозионных и антифрикционных свойств.

Внешняя изоляция.

Требования

При изоляции нефте- и газопровода на внешнюю поверхность труб наносят слой мастики или специальные ленты, защищающие металл от воздействий. Процесс проходит в заводских условиях, на этапе производства конструкций, или при эксплуатации – например, в рамках планового ремонта.

Необходимо для:

Контроль конденсации.
Когда температура не поддерживается, в трубах образуется конденсат, со временем вода накапливается. Правильная изоляция с применением соответствующей облицовки минимизирует вероятность образования конденсата.

Защита от коррозии.
Со временем металл поддается коррозии, но специальные покрытия замедляют этот процесс.

Управление шумом.
Во время работы трубы могут создавать вибрации и даже стучать. Если их правильно изолировать, чрезмерные эксплуатационные звуки сводятся к минимуму.

Безопасность.
При повышении температуры возникает риск аварий, а защитный слой минимизирует риски, поддерживая температуру в пределах допустимого диапазона.

Снижение расходов, связанных с потерями топлива.
При качественной изоляции энергопотери практически отсутствуют.

2.2 Нефтепроводы

Магистральные трубопроводы, транспортирующим жидкое топливо, должны соответствовать строгим требованиям, касающимся термоизоляции и огнестойкости. Необходимый уровень защиты обеспечивают:

ППУ. Вспененный полимер надежно защищает трубы и их содержимое от колебаний температур. Материал имеет пористую структуру, при этом достаточно легкий и не нагружает трубы. Совмещает низкую паропроницаемость и теплопроводность с огнестойкостью, резистентностью к перепадам температур, химическим веществам.

Вспененный каучук. Еще один полимер с положительными эксплуатационными свойствами, облегчает и ускоряет монтаж. Благодаря пластичности удобен при изоляции изогнутых участков нефтяных труб. Защищает металл от коррозии и разрушения под воздействием агрессивной среды.

Жидкая изоляция специальными лакокрасочными материалами. Защищают подземные трубы от растворенной в почве воды, солей. Краски для изоляции нефтепроводов обладают высокими электроизоляционными свойствами, увеличенной стойкостью к химикатам и перегреву. Жидкие изоляторы наносят методом распыления или окрашивания кистями, итоговый слой получается очень тонким, не создает лишней нагрузки на систему.

2.3.Газопроводы.

Основные разрушающие факторы, воздействующие на подземные трубы, соли, растворенная в почве влага и так называемые «блуждающие токи». Все эти компоненты грунта вызывают преждевременную коррозию металла, нарушающую структуру газопровода и приводящие к неисправностям, снижению эффективности, выходу систем из строя.

Источниками блуждающих токов являются ж/д и автомобильные дороги, проложенные под землей силовые кабели и другие энергообъекты. Это явление изнашивает стенки газовых труб, в некоторых случаях приводя их в негодность за 1-2 года эксплуатации. Это приводит к серьезным последствиям, включая аварии, утечки газа. Поэтому изоляционный материал для подземных коммуникаций должен обладать диэлектрическими свойствами (помимо гидроизоляционных, термозащитных и других). Оптимальное решение – пенополиуретановое покрытие, которое монтируют в заводских условиях на стадии производства труб или в процессе их эксплуатации в рамках капитального ремонта.

Нанесение защиты в заводских условиях считается более надежным. Производитель обеспечивает полное покрытие поверхности, а значит, полноценную защиту. Кроме того, в производственных условиях можно установить в трубы специальные датчики контроля. Электронные приборы работают бесперебойно, выявляют неисправности в работе системы и позволяют оперативно их устранить.

Монтаж полипропиленовой изоляции на заводе полностью автоматизирован, что минимизирует ошибки. Процесс начинается с подготовки труб: сушки, очистки и полировки. Затем конструкции нагревают, на горячую поверхность наносят клеевую основу, а после полиэтиленовый слой. С помощью фторопластового валика верхний слой выравнивают и уплотняют. Последний этап производства – охлаждение, за которым следует контроль качества выпущенных изделий.

Изоляция ППУ имеет следующие преимущества:

низкая теплопроводность;

легкость и минимальная плотность – не увеличивает объем труб, не создает лишней нагрузки;

простота монтажа при ремонте;

стойкость к колебаниям давления, температуры;

диэлектрические свойства – предотвращает разрушение металла блуждающими токами;

резистентность к агрессивным средам, химическим компонентам почв, влаге.

3. Материалы.

3.1. ППУ

Определение

Пенополиуретан – перспективный синтетический утеплитель, состоящий из затвердевшей полимерной пены, который по качеству превосходит большинство современных аналогов.

Пенополиуретан – это синтетическое вещество ячеистой структуры из группы газонаполненных пластмасс, широко применяемое в строительстве. Отличается минимальной теплопроводностью, экологичен, долговечен и прост в применении.

Состав, марки и ГОСТы

Вспененный пенополиуретан (ППУ) получают путем смешивания двух жидких полимеров: полиола и полиизоцианата. Застывшая пена содержит в своих ячейках до 90% газа, что обеспечивает высокие теплоизоляционные качества ППУ. В зависимости от их пропорции и наличия антипиреновых добавок, конечный продукт различается по структуре, техническим характеристикам и области применения.

Мягкий и эластичный поролон используется как наполнитель для мебели и бытовых изделий. Марки поролона имеют разную плотность (от 5 до 40 кг/м³) и жесткость:

Маркировка	Жесткость	Максимальная нагрузка кг/см2
ST	Стандартный	60-100
HL	Жесткий	80-120
HS	Мягкий	60-120
EL	Повышенная жесткость	60-100
HR	Высокоэластичный	100-120
CMHR	Высокоэластичный, пожаробезопасный Специального назначения	100-120

За исключением последней марки, поролоны относятся к сильногорючим веществам по ГОСТ 30244, по ГОСТ 30402 – к легковоспламеняемым, по ГОСТ 12.1.044 – к дымоообразующим и токсичным при горении. По этим причинам поролон в строительстве не используют.

ППУ с антипиреновыми добавками называется жестким пенополиуретаном. Он отличается повышенной плотностью (30-86 кг/см³), в готовом виде теряет эластичность, зато обладает массой других преимуществ. Применяется в строительстве для тепло- и шумоизоляции, а сверхплотные виды (от 70 кг/см³) используются для гидроизоляции в фундаментах зданий и на прочих поверхностях.

Строительный ППУ готовят из двух компонентов: полиола (компонент А) и изоцианата (компонент Б). Изоцианат служит основой химического процесса и его состав не меняется, а полиолы применяют различные, что влияет на скорость вспенивания, плотность и горючесть. По ГОСТ 307302-2006 ППУ относится к классу горючести Г3 (самозатухающий, трудновоспламеняющийся, трудносгораемый) и рекомендован для тепловой изоляции зданий и трубопроводов.

Как теплоизоляционный материал ППУ прост в изготовлении и его можно смешать на месте, а компоненты для пенополиуретана купить и доставить на стройку зачастую выходит дешевле, чем везти готовый продукт.

При наличии профессионального пеногенератора высокого давления и соблюдения пропорций компонентов, такой ППУ ничем не уступает заводскому. Пену можно напылять на различные поверхности или делать сэндвич-панели.

Формы выпуска ППУ

Химическая промышленность вырабатывает следующие виды ППУ:

Поролон – в рулонах и матах;

Пенополиуретан жесткий – в листах, панелях и литых скорлупах;

Пенополиуретан жидкий – в виде напыляемого покрытия.

Теплоизоляционные панели из ППУ производят различной толщины и с разнообразными защитными покрытиями. На листовой пенополиуретан цена за 1 м² следующая:

Наименование материала	Толщина, мм
	20	30	40	50	60	80	100
ППУ без покрытия	378	426	522	612	712	923	1198
ППУ с бумагой	378	426	522	612	712	923	1198
ППУ фольгированный	427	475	571	661	761	972	1247
ППУ фольгированный армофолом	375	412	493	568	650	826	1055
ППУ с односторонним покрытием стеклопластиком	516	564	660	598	680	856	1085

Технические характеристики пенополиуретана

Для стандартной теплоизоляционной ППУ-панели средней плотности свойственны следующие характеристики:

Характеристика, единица измерения	Значение	Комментарий
Прочность на сжатие с деформацией до 10%, МПа	0,46	Отличный показатель, для сравнения у пенобетона коэффициент равен 0,4-1,2, у пенополистирола (ППС) 0,06, у минваты 0,002 МПа.
Объемный вес (плотность), кг/м3	45-60	Сверхлегкий материал, у минваты плотность равна  150-250, у пенобетона 250-400  кг/м3.
Усадка, мм/м	-	Усадка застывшей пены не обнаружена.
Теплопроводность, Вт/м*К	0,021	Минимальная, ниже чем у аналогов: ППС – 0,035-0,042, минвата – 0,035-0,6, пенобетон – 0,08-0,13  Вт/м*К.
Морозостойкость, циклов	1000	Очень высокий показатель.
Водопоглощение, %	2	Отличное значение среди аналогов: пенобетон 15-20%, ППС 0,5-1,5%.
Паропроницаемость, мг/м*ч*Па	0,001	Практически абсолютная пароизоляция. У ППС показатель 0,002-0,005, у минваты 0,29, у пенобетона 0,23.
Огнестойкость	Г3	Трудновоспламеняемое самозатухающее вещество.
Стоимость руб./м2	300-1800	Цена на ППУ-панели зависит от толщины и защитных слоев (бумага, фольга, оцинкованная сталь и проч.)
Звукоизоляция	Высокая	Аналогична ППС, превосходит пенобетон и минвату.
Токсичность (экологичность)	Нетоксичен	Не выделяет вредных соединений, пыли, не имеет запаха. Применяется в пищевых холодильниках.
Срок службы, лет	50	Один из самых долговечных видов теплоизоляции.

Уникальные качества

Высокая адгезия (сцепление) с большинством поверхностей. ППУ напыляют на бетон, металл, дерево, кирпич, стекло;

Монтаж без крепежных элементов;

Отсутствие «мостиков холода» при бесшовной теплоизоляции;.

Антикоррозийная защита труб и металлоконструкций;

Возможность изготовления теплоизоляционных «скорлуп» заданной формы путем прессования жидкого ППУ;

Работа в температурном диапазоне от -200 до +200^оС;

Инертность к большинству кислот, щелочей и почвенных солей.

Жидкий пенополиуретан позволяет заполнять трещины и межстенные пространства, где невозможно проложить другую изоляцию. За счет легкого веса и адгезионного фактора он не утяжеляет конструкции и укрепляет их.

Минусы

Разрушается под действием ультрафиолета и нуждается в изоляции от солнечных лучей. Это вполне решаемый вопрос, современный ассортимент сэндвич-панелей предусматривает любые покрытия для листового ППУ.

Пену наносят только на сухую и теплую поверхность, что ограничивает его применение на открытых стройплощадках в зимний период.

ППУ не горит, но от высокой температуры может тлеть, что сказывается на прочности теплоизоляции. Для котельных, бань и саун не рекомендуется.

3.2. Вспененный каучук.

Вспененный каучук относят к пеноэластомерам. Это гибкие пеноматериалы с воздушными закрытыми порами. Выпускаются в пластинах либо экструдированием с последующей вулканизацией пены. По огнестойкости относятся к категории самогасимых материалов. Не подвержены действию плесени и микроорганизмов. Имеют высокую степень стойкость к влагопоглощению и паропроницанию

Вспененный каучук производится из натурально или комбинированного материала.

Выбор сырья (резины) зависит от назначения будущего изделия. Для изготовления изоляции трубопроводов применяют трехкомпонентный этиленпропиленовый каучук, этот вид резины позволяет получить жаростойкий и озоностойкий материал.

Производство изоляции из вспененного каучука начинается с приготовления смеси. В ее состав входит ряд ингредиентов, призванных улучшить физические свойства каучука и позволить ему быть использованным в различных условиях. До начала процесса вулканизации все добавки, в том числе и серу, принято называть ингредиентами резиновой смеси.

Для ускорения процесса вулканизации используют разнообразные химические вещества – ускорители. В сочетании с серой они позволяют увеличить скорость вулканизации. Органические вещества более активны и поэтому без них не обходится производство ни одной резиновой смеси.

После выбора дополнительных компонентов предстоит добавить пенообразователь и наполнители, придающие дополнительную прочность. Эти вещества будут препятствовать износу и разрушению.

Выбор системы сульфидирования (вулканизации) обуславливается видом каучука. При применении натурального каучука используют серу, оксидная система вулканизации используется при работе с кремнекаучуком и трехкомпонентной резиной.

После смешивания всех ингредиентов смесь подвергается обработке, предшествующей вулканизации. Этот этап придает изделию форму. На этом этапе заготовки начинают различаться по форме и по назначению, зависящему от нее (листы, трубки и другие формы).

Последним этапом производства изоляции из вспененного каучука является вулканизация. Этот процесс позволяет окончательно придать изделию форму. Для этого заготовку помещают в специальную форму и подвергают ее воздействию давления и температуры.

Конечному потребителю вспененный синтетический каучук представлен в виде труб, листов (рулонов) или других изделий. Трубчатые оболочки (трубки из вспененного каучука) применяются для теплоизоляции стальных, медных, а так же пластиковых и металлопластиковых трубопроводов с наружным диаметром от 6 до 160 мм. Изолирующий слой может составлять 6-32 мм. Трубы большего диаметра изолируются с помощью листов или рулонов, которые так же удобны при изоляции соединительных деталей, производственного оборудования, арматуры, трубопроводов некруглого сечения. При этом такие изделия так же бывают различной толщины. Дополнительно с клеевым слоем предлагается самоклеющийся вспененный каучук.

Изоляция из вспененного каучука характеризуется плотностью ― 40-80 кг/м³. Допускается присутствие открытых пор не более 10%. Различные марки теплоизоляционных материалов позволяют использовать изделия в диапазоне температур от -200 до +175° С, поэтому применяются для теплоизоляции не только систем отопления, водоснабжения и кондиционирования, но и технологических трубопроводов.

Изоляция из вспененного каучука технологична, химически и водоустойчива, способна обеспечить экономию до 70% тепла, а также надежную защиту трубопроводов от образования конденсата в течение длительного времени.

В каучуке отсутствуют углеводородные соединения, содержащие галогены, что соответствует европейским стандартам использования и гарантирует его санитарную и экологическую безопасность. Кроме того в процессе эксплуатации материал не выделяет в окружающую среду пыль и химические вещества, имеющие токсический характер или резкий запах, что в свою очередь позволяет использовать такие утеплители на объектах пищевого производства в медицинских центрах, больницах, а также в детских дошкольных учреждениях и школах;

Преимущества:

низкая паро- и водопроницаемость;

сохранение свойства эластичности при низких температурах;

низкая теплопроводность;

способностью к самозатуханию при пожаре;

устойчивость к воздействию микроорганизмов, атмосферных явлений;

нетоксичность при нормальных условиях эксплуатации.

Самое главное – это пригодность материала к улучшению собственных свойств в зависимости от целевой области применения, что расширяет перспективы производителей.

Физико-химические характеристики:

Плотность, кг/м3	40-65 листы 55-80 трубки
Горючесть	Г1 (наиболее распространена)
Поведение в огне	Слабогорючий, самозатухающий (наиболее распространено)
Запах	нейтральный
Коэффициент теплопроводности, Вт/м2*К	<0,033, при t=10˚С <0,038, при t=0˚С
Коэффициент сопротивления проникновению влажности	7960
Паропроницаемость	От 2000 до 7000 в зависимости от материала

Существуют материалы, способные кратковременно работать при температурах от -196 +175˚С. Однако у большинства материалов рабочие температуры находятся в интервале от -50 до +105˚С.

Некоторые компании специально разработали низкотемпературную изоляцию (до -196) и изоляцию, стойкую к воздействию высоких температур (до 175˚С). В связи с этим, материалы на основе вспененного каучука обладают различными свойствами, в зависимости от области применения.

Вспененный синтетический каучук может выполнить ряд функций:

энергосбережение посредством сокращения тепловых потерь;

стабилизация температурных процессов;

достижение постоянства теплотехнических характеристик;

предотвращение замерзания, конденсатов влаги;

препятствие диффузии пара;

обеспечение индивидуальной защиты и снижение шума;

гашение вибрации;

препятствие скольжению по поверхности;

защита от распространения огня;

снижение уровня выбросов для уменьшения вредного влияния на окружающую среду;

обеспечение высокой герметичности;

препятствие прохождению тока.

Заключение.

Материалы, освещенные выше, полностью удовлетворяют современным требованиям к подземным трубопроводам в условиях постоянно растущего спроса на нефтяные и газовые продукты и сырье. Постепенно материалы будут усовершенствоваться , например, добавлением различных соединений в ГДС изоляционного материала для повышения механической прочности в соответствии с новыми требованиями, что, несомненно, увеличит спрос и привлечет интерес к дальнейшим исследованиям.

Литература:

http://polimerkor.ru/izolyatsiya-trub-vnutrennyaya

http://trubamaster.ru/vodoprovodnye/izolyaciya-truboprovodov.html#i-5

https://www.ksi-izol.ru/novosti/osnovnye-sposoby-izolyatsii-gazoprovodov/

http://stroynedvizhka.ru/stroitelnye-materialy/sostav-svoystva-penopoliuretana/

https://izolla.ru/sovety-proektirovschikam/vspenennyj-kauchuk

Код для цитирования: Скопировать