Изоляция паропроводов: материалы для высоких температур, расчёт теплопотерь

Изоляция паропроводов: почему это сложнее, чем кажется

Пар — самый энергоёмкий и самый агрессивный теплоноситель. Паропроводы острого пара ТЭЦ имеют температуру +540…+565°C и давление 14–24 МПа. Паропроводы промышленного пара (на технологию) — +180…+400°C, 1,0–4,0 МПа. Стандартная изоляция (каучук, ППУ, вспененный ПЭ) на паропроводах не работает — только минеральная вата (до +680°C), БСТВ (до +700°C) и керамическое волокно (до +1 260°C).

Сложность изоляции паропроводов — в циклическом режиме работы. Паропровод ТЭЦ работает в базовом режиме (8 000 ч/год), но раз в год останавливается на ремонт. Цикл: +565°C → +20°C → +565°C. Изоляция испытывает циклические термические напряжения: минвата усаживается (потеря толщины до 10% за 20 циклов), БСТВ держится лучше, керамика наилучшая. Каждый цикл — это также риск конденсации влаги из воздуха на остывающей трубе с последующим вскипанием при пуске (паровой удар в изоляции, разрушающий волокно).

Особенности пара как теплоносителя

• Высокая температура. Диапазон +180…+565°C — за пределами всех полимерных изоляций (каучук +105°C, ППЭ +95°C, ППУ +130°C). Только минвата, БСТВ, керамика.
• Фазовый переход. При останове паропровода остаточный пар конденсируется. Конденсат скапливается в нижних точках и при следующем пуске движется со скоростью 20–40 м/с, вызывая гидроудары. Изоляция в нижней точке должна выдерживать эти удары без разрушения.
• Тепловое расширение стали. Труба D273 мм при нагреве с +20°C до +565°C удлиняется на 6,5 мм/м. На 1 200 м трассы — суммарное удлинение ~7,8 м! Компенсаторы воспринимают это перемещение. Изоляция не должна препятствовать перемещению трубы и сама не должна разрушаться при этом.
• Коррозия под изоляцией (CUI). На паропроводах CUI особенно агрессивен из-за высокой температуры: вода под изоляцией мгновенно испаряется, оставляя концентрированный раствор солей. Глубина язвенной коррозии до 2 мм/год.

Материалы для изоляции пара

Пример: изоляция паропровода D273 +420°C от ТЭЦ до завода — 1,2 км

Исходные данные: паропровод D273×10 мм (сталь 12Х1МФ), транспортирует пар от ТЭЦ к нефтехимическому заводу на расстояние 1 200 м по эстакаде (надземная прокладка). Параметры: P = 3,9 МПа, t = +420°C (на выходе из ТЭЦ), +380°C (на входе в завод — допустимое падение 40°C на 1 200 м). Требование: температура пара на входе в завод не ниже +380°C.

Расчёт теплопотерь. Принимаем БСТВ-мат 100 мм (два слоя: внутренний 50 мм керамическое одеяло + наружный 50 мм БСТВ — экономичнее, чем чисто керамика). Эквивалентная λ для двухслойной изоляции: ~0,060 (средняя).

Линейные теплопотери: q_L = 2πλ(t_п − t_возд) / ln(D_из/D_тр), где D_из = 273 + 2×100 = 473 мм, D_тр = 273 мм. ln(473/273) = ln(1,732) = 0,549. q_L = 2π × 0,060 × (420 − (−10)) / 0,549 = 2 × 3,14 × 0,060 × 430 / 0,549 = 295 Вт/м.

Падение температуры на 1 200 м: Δt = q_L × L / (G × c_p), где G — массовый расход пара (~22 кг/с для паропровода D273 при скорости 40 м/с и ρ = 15 кг/м³), c_p = 2 800 Дж/(кг·K) для перегретого пара. Δt = 295 × 1 200 / (22 × 2 800) = 354 000 / 61 600 = 5,7°C. То есть t на входе в завод = 420 − 5,7 = 414,3°C — значительно выше требуемых 380°C. Запас по температуре — 34°C. Значит, можно снизить толщину изоляции или выбрать более дешёвый материал.

Оптимизация — только минвата 100 мм. λ_ср = 0,075. q_L = 2π × 0,075 × 430 / 0,549 = 369 Вт/м. Δt = 369 × 1 200 / 61 600 = 7,2°C. t_вход = 420 − 7,2 = 412,8°C — всё равно >380°C. Минвата 100 мм достаточно.

Расчёт стоимости. Площадь изоляции (Dиз = 473 мм): P = π × 0,473 = 1,486 м. Площадь: 1 200 × 1,486 = 1 783 м². Минвата цилиндр D273/100 мм: 1 200 м × 980 руб./м = 1 176 000 руб. Кожух оцинковка 0,8 мм: 1 783 × 480 = 855 840 руб. Крепёж + мастика: ~120 000 руб. Монтаж (эстакада, бригада 6 чел., 30 дней): 1 440 000 руб. Итого: ~3 592 000 руб. или ~3 000 руб./м.п.

Нормативные документы

1. СП 61.13330.2012 «Тепловая изоляция»
2. ГОСТ 21880-2011 «Маты прошивные»
3. СП 124.13330.2012 «Тепловые сети»