Требования к теплоизоляционным материалам для поверхностей с положительными температурами



Теплоизоляционные материалы в составе конструкций изоляции оборудования и трубопроводов испытывают воздействия от окружающей среды, изолируемого объекта и условий эксплуатации (технологического процесса), которые определяют требования к теплоизоляционным материалам.
Воздействие окружающей среды зависит от месторасположения изолируемого объекта и выражается в комплексном действии температуры окружающего воздуха (в том числе суточных перепадов температур), атмосферных осадков, снеговых, ветровых и сейсмических нагрузок, агрессивности окружающей среды или веществ, содержащихся в изолируемых объектах. Трубопроводы тепловых сетей, прокладываемых бесканальным способом, и оборудование, заглубляемое в землю, испытывают нагрузки от массы грунта и воздействия грунтовых вод.
Воздействие изолируемого объекта на материалы теплоизоляционной конструкции определяется температурой изолируемой поверхности, наличием вибрации или ударных нагрузок, деформациями и напряжениями, определяемыми перепадами температур в изолируемом объекте во время пуска, в процессе эксплуатации и остановки, агрессивностью содержащихся веществ.
При выборе вида и марки теплоизоляционного материала учитывают следующие основные факторы:
– требования пожарной безопасности;
– санитарно-гигиенические требования;
– коррозионное воздействие материала на поверхность изолируемого объекта;
– допустимые нагрузки на изолируемую поверхность;
– наличие вибрации и ударных воздействий;
– требуемую долговечность теплоизоляционной конструкции;
– максимальную температуру применения теплоизоляционного материала;
– теплопроводность теплоизоляционного материала;
– температурные деформации изолируемых поверхностей;
– конфигурацию и размеры изолируемой поверхности;
– условия монтажа (стесненность, высотность, сезонность и др.).
Рассмотрим подробнее некоторые из наиболее важных факторов.
Месторасположение изолируемого объекта – в помещении; в неотапливаемом помещении; на открытом воздухе; на открытом воздухе, защищенном от атмосферных осадков и прямого воздействия солнечных лучей; в техническом подполье; в тоннеле или проходном канале; в непроходном канале; траншее и т. д.
Температура изолируемой поверхности во многом определяет вид теплоизоляционного материала. Не допускается применять теплоизоляционный материал, если рабочая температура изолируемой поверхности приближается к максимальной (минимальной) температуре применения теплоизоляционного материала, поскольку снижается долговечность конструкции. Возможно применение внутреннего защитного слоя из более температуростойкого материала, толщины которого достаточно для снижения температуры до величины, допустимой для наружного теплоизоляционного материала. При этом следует определить температуру на поверхности раздела между слоями, чтобы не превысить допустимую температуру для материала наружного теплоизоляционного слоя.
Температура применения теплоизоляционных материалов с обкладками определяется температуростойкостью материала обкладки. Например, маты минераловатные прошивные в обкладке из стеклоткани можно применять при температуре изолируемой поверхности не более 450 °С, а в обкладках из металлической сетки – до 600 °С, в обкладках из кремнеземной или базальтовой ткани – до 700 °С. Имеет значение и вид прошивочного материала.
Плиты или маты в обкладке из алюминиевой фольги, как правило, не могут применяться при температуре более чем 80 °С (со стороны фольги).
Необходимо учитывать линейную усадку при нагреве (особенно для жестких теплоизоляционных материалов), потерю прочности на сжатие и массы во время нагрева, выгорание связующего.
Жесткие теплоизоляционные материалы (плиты перлитоцементные, известково-кремнеземистые, вермикулитовые) в процессе эксплуатации подвержены линейной усадке при нагреве изолируемого объекта, поэтому в конструкциях с теплоизоляционным слоем из жесткого материала устанавливают вставки из волокнистого уплотняющегося материала для компенсации температурных деформаций.
Значительной усадке подвергаются засыпные теплоизоляционные материалы (перлит, вермикулит). Конструкции на основе этих материалов должны предусматривать возможность досыпки или другие конструктивные решения, обеспечивающие ее надежность и эффективность при эксплуатации.
Температура окружающей среды влияет на толщину тепловой изоляции, поскольку от ее величины зависит перепад температур между изолируемой поверхностью и окружающей средой. В случае применения изоляции в целях обеспечения заданной температуры на поверхности оборудования или трубопровода, например для защиты персонала от воздействия высоких температур или снижения суммарных тепловыделений (для помещений) при расчетах системы вентиляции и др., учитывают также скорость воздуха, проходящего над поверхностью изоляции.
Требования пожарной безопасности определяют выбор теплоизоляционного материала и конструкции в целом в соответствии с нормами технологического проектирования соответствующих отраслей промышленности с учетом положений СНиП 41-03-2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов». Для очень многих отраслей промышленности, таких как газовая, нефтехимическая, химическая, производства удобрений и т. д., ведомственные нормы требуют применения только негорючих материалов в составе теплоизоляционных конструкций, тогда как нормы проектирования тепловой изоляции разрешают применение трудногорючих материалов.
При проектировании теплоизоляционных конструкций следует учитывать поведение теплоизоляционной конструкции в целом (теплоизоляционного и покровного слоев) в условиях пожара. Пожарная опасность теплоизоляционных конструкций в основном обусловливается горючестью защитно-покровного материала, его сохранностью в процессе огневого воздействия.
Многие негорючие или трудногорючие теплоизоляционные материалы при недостаточной защите могут поглощать горючие вещества (нефтепродукты, масла и др.), которые влияют на горючесть конструкции, и способны самовоспламеняться, что следует учитывать при проектировании.
Агрессивность окружающей среды или содержащихся в изолируемых объектах веществ. При выборе теплоизоляционных или материалов защитного покрытия следует учитывать совместимость элементов теплоизоляционной конструкции с агрессивными факторами окружающей среды, включая возможное воздействие веществ, содержащихся в изолируемом объекте. Например, не допускается применять теплоизоляционные материалы, содержащие органические вещества, для изоляции конструкций оборудования и трубопроводов, содержащих сильные окислители (жидкий кислород), во избежание возгорания. Особенно важно учитывать агрессивность окружающей среды при выборе защитного покрытия в теплоизоляционных конструкциях предприятий химической промышленности или электростанций, а также расположенных во влажном морском климате.
Для металлических покрытий должна предусматриваться антикоррозионная защита или выбираться материал, не подверженный воздействию агрессивной среды. Не следует допускать контакт изделий из углеродистой стали (например, обкладок из стальной сетки) с алюминиевым покрытием.
Требуемая долговечность теплоизоляционного материала зависит от особенностей конструкции, месторасположения изолируемого объекта, режима работы, агрессивности окружающей среды, механических нагрузок и наличия вибрации и многого другого. Долговечность материала нельзя рассматривать отдельно от теплоизоляционной конструкции в целом. Долговечность теплоизоляционного материала зависит от особенностей конструкции, месторасположения изолируемого объекта, режима работы оборудования, агрессивности окружающей среды, механических нагрузок, наличия вибраций. Долговечность теплоизоляционного материала и теплоизоляционной конструкции в целом в значительной степени определяется долговечностью покровного слоя. При применении металлических покрытий долговечность теплоизоляционных конструкций трубопроводов и оборудования с теплоизоляционным слоем из волокнистых теплоизоляционных изделий составляет 12-15 лет при расположении на открытом воздухе и 14-17 лет при расположении в помещении при отсутствии агрессивных воздействий окружающей среды. При неправильно спроектированном защитном покрытии теплоизоляционных конструкций, особенно расположенных на открытом воздухе (конструкция стыков элементов покрытия, наличие и конструкция температурных швов, накладок и др.), долговечность будет снижаться вследствие увлажнения теплоизоляционного материала.
Температурные деформации (тепловое расширение – сжатие) изолируемой поверхности. Особенно важно учитывать этот фактор при теплоизоляции поверхностей с высокими температурами теплоносителя. Большинство теплоизоляционных материалов, особенно жестких формованных, имеет коэффициент температурного расширения более низкий, чем металлы, из которых изготовлен изолируемый объект, а также подвержены усадке. Кроме того, защитное покрытие, имеющее значительно более низкую температуру (близкую к температуре окружающей среды), будет иметь более низкое относительное удлинение, что вызовет в нем значительные напряжения и может привести к повреждению конструкции тепловой изоляции.
Санитарно-гигиенические требования особенно важно соблюдать при проектировании объектов с повышенными требованиями к содержанию пыли в воздухе помещений с технологическими процессами, требующими высокой чистоты, например в микробиологии, радиоэлектронике, фармацевтической промышленности. В этих условиях применяются материалы или конструкции, не допускающие загрязнения воздуха в помещениях. Следует предусматривать изделия в обкладках из стеклоткани, герметизацию швов покровного слоя или другие конструктивные решения. В этом случае могут быть использованы изделия из супертонкого базальтового волокна в обкладках из стеклоткани со всех сторон (в виде матрацев), пенопласты, изделия из вспененного каучука или пенополиэтилена.
Коррозионное воздействие на изолируемые поверхности, например, следует учитывать при изоляции трубопроводов из аустенитных сталей, так как возможна коррозия под напряжением в результате воздействия водорастворимых хлоридов в присутствии влаги. Такая коррозия не оказывает значительного действия при температурах ниже 70 °С, а наибольшее воздействие наблюдается при диапазоне температур от 70 до 105 °С. Коррозия происходит в результате попадания влаги, поэтому следует предусматривать эффективную конструкцию защитного покрытия.
Допустимые нагрузки на изолируемую поверхность определяются прочностными и деформационными характеристиками изолируемого объекта, расчетными допустимыми нагрузками на опоры и другие элементы изолируемой поверхности. Выбор теплоизоляционного материала для тех или иных целей зависит от его плотности и требуемой толщины теплоизоляционного слоя, определяющих массу тепловой изоляции и нагрузку на изолируемую поверхность. Например, при изоляции пластмассовых трубопроводов рекомендуется применять легкие материалы и учитывать пластичность материала трубопроводов при действии повышенных температур.
Теплопроводность теплоизоляционного материала – основная характеристика, определяющая эффективность всей теплоизоляционной конструкции. От величины теплопроводности зависит толщина теплоизоляционного слоя, а значит и нагрузки на изолируемый объект, и конструктивные, и монтажные особенности. Теплопроводность теплоизоляционного материала зависит от его температуры и повышается с повышением температуры изолируемой поверхности.
Расчетная теплопроводность теплоизоляционных материалов, рекомендуемых к применению в конструкциях изоляции с положительными температурами, зависит от степени уплотнения теплоизоляционного материала в процессе монтажа, шовности, наличия крепежных деталей и температуры теплоносителя.
Расчетный коэффициент теплопроводности уплотняющихся волокнистых теплоизоляционных материалов определяется по следующей методике:
1. Лабораторными измерениями по ГОСТ 7076 определяется коэффициент теплопроводности материала в зависимости от степени его уплотнения при средних температурах теплоизоляционного материала 25, 125, 300 °С.
2. Рекомендуемый коэффициент уплотнения материала в конструкции для трубопроводов различного диаметра определяется методом экспертной оценки на основании результатов определения сжимаемости по методике ГОСТ 17177.
3. Плотность материала в конструкции определяется умножением номинальной плотности под нагрузкой 0,5 кПа (по ГОСТ 17177) на коэффициент уплотнения для каждого значения диаметра трубопровода.
4. По графикам зависимости коэффициента теплопроводности от плотности при 25 °С (l25) находится коэффициент теплопроводности материала в конструкции с учетом коэффициента уплотнения (l25к).
5. Температурные коэффициенты находятся путем аппроксимации зависимости коэффициента теплопроводности (lк) от температуры в диапазонах 25–125 °С и 125–300 °С алгебраическими функциями (например, линейной функцией, полиномом 2-й или 3-й степени) с последующей интерполяцией для заданных значений температуры.
При аппроксимации экспериментальных данных линейной функцией расчетный коэффициент теплопроводности может быть представлен в виде линейной зависимости:
в диапазоне средних температур слоя от 25 до 125 °С:
lк = l25к + b (tср – 25) или
в диапазоне средних температур слоя от 125 до 300 °С:
lк = l125к + b (tср – 125),
где l25к – коэффициент теплопроводности материала в уплотненном состоянии в конструкции при 25 °С;
l125к – то же, при 125 °С;
b – температурный коэффициент;
tср – средняя температура слоя, °С.
Учитывая ограниченное количество экспериментальных данных по зависимости коэффициента теплопроводности от температуры, линейные аппроксимирующие зависимости могут быть даны отдельно для диапазонов 25–125 и 125–300 °С, либо должен быть использован полином более высокой степени.
Расчетное значение коэффициента теплопроводности неуплотняющихся теплоизоляционных материалов в конструкции определяется с учетом условий эксплуатации, шовности конструкции, наличия крепежных деталей и сорбционного увлажнения (для изделий, применяющихся в конструкциях изоляции объектов с отрицательными температурами).
Чем ниже теплопроводность теплоизоляционного материала, тем меньше требуемая толщина теплоизоляционного слоя и поверхность защитного покрытия при одной и той же линейной плотности теплового потока.
Материал с более низкой теплопроводностью при рабочей средней температуре теплоизоляционного слоя позволяет обеспечить минимальный тепловой поток и стоимость теплоизоляционной конструкции.
Монтажные требования. При выборе материалов и конструкций необходимо учитывать особенности выполнения их монтажа. Например, для вертикальных трубопроводов высотой более 10 м, горизонтальных трубопроводов, расположенных на эстакадах, над проездами для снижения трудоемкости работ рекомендуется предусматривать полносборные или комплектные конструкции с учетом массы теплоизоляционного материала. При монтаже таких конструкций можно использовать метод «надвига», что дает возможность не устанавливать дорогостоящие леса. Одновременно сокращается время монтажа и, следовательно, трудозатраты.
Для тепловой изоляции поверхностей с положительными температурами с учетом вышеперечисленных требований и геометрии объекта могут применяться наиболее распространенные теплоизоляционные материалы отечественных производителей или инофирм: маты минераловатные прошивные безобкладочные и в обкладках с одной или двух сторон;
плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем;
– цилиндры теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем;
– цилиндры теплоизоляционные из стекловолокна на синтетическом связующем гидрофобизированные;
– изделия минераловатные с гофрированной структурой для промышленной тепловой изоляции;
– маты из стеклянного штапельного волокна;
– плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем;
– маты из базальтового супертонкого волокна;
– плиты из базальтового супертонкого волокна на различных связующих;
– маты из супертонкого стекловолокна без связующего;
– полотно стекловолокнистое холстопрошивное или иглопробивное.
– изделия известково-кремнеземистые;
– изделия перлитоцементные теплоизоляционные;
– шнуры теплоизоляционные;
– шнуры асбестовые;
– пенополиуретан заливочный, напыляемый или изделия из него.
Имеющиеся на рынке теплоизоляционные материалы и изделия, а также вновь разработанные могут применяться при соответствии их физико-технических характеристик требованиям к теплоизоляционным конструкциям и материалам и наличии рекомендаций по их применению в теплоизоляционных конструкциях для промышленных объектов.
Теплоизоляционные материалы, применяемые в качестве теплоизоляционного слоя для оборудования и трубопроводов с положительными температурами, должны быть сертифицированы (иметь гигиенический, пожарный сертификаты и сертификат соответствия качества продукции).



Назад в раздел