Поход жидко-керамического «супертеплоизоляционного» покрытия по тепловым сетям России
23 Января 2009
В начале 1970-х гг. в США было разработано специальное жидко-керамическое теплоизоляционное покрытие (ЖКП) марки «Thermal-Coat», в состав которого входили наполнители – вакуумированные стеклянные микросферы и оксиды металлов (кремния, титана, кальция и цинка). В роли связующего были выбраны латексы бутадиенстирольных и винилакриловых полимеров.
ЖКП предназначались для нанесения на поверхность летательных аппаратов с целью защиты, как от воздействия космической радиации, так и от температурных градиентов, имеющих место внутри объектов управления. Из-за низкой механической прочности и износостойкости ЖКП сверху покрывалось металлической конструкцией для исключения прямого контакта с окружающей средой космоса.
С 1995 г. компания, производящая покрытие марки «Thermal-Coat», стала расширять область применения ЖКП, решив производить его новую марку «ТМ» для применения на трубопроводах, котлах, кораблях, а также на промышленных объектах и в частных домах. В зависимости от цели и назначения подбиралась толщина послойно нанесенного покрытия [1]. Позднее, после появления первой открытой публикации о ЖКП аналогичные материалы появились в России. В НПО «Специальные технологии» было разработано ЖКП под названием «Изоллат» [2], далее вариант комбинированной теплоизоляции ЖКП с пенополиуретаном (ППУ) в гидрозащитной оболочке – в ЗАО «Петерпайп» [3].
Поход ЖКП по России начался в 2001-2002 гг., а более широкую известность покрытие получило после того, как ЗАО «Предприятие Итиль» (г. Волжский, Волгоградская обл.) разработало технические условия на его применение в РФ (ТУ 5768-001-54965774-2004).
Теперь все по порядку.
О характеристиках ЖКП
В нормативно-технической документации (ТУ и инструкциях по применению) очень часто приведены противоречивые сведения о значениях параметров ЖКП. Так, например, указанная теплопроводность составляет l=0,01 Вт/м×°C, но есть ссылка с оправдательным заключением, что в связи с отсутствием методик для определения коэффициента теплопроводности тонких и сверхтонких образцов введено понятие расчетной теплопроводности. Интересно знать, почему нельзя получить толстые образцы, если это необходимо?
В ТУ приводится и другое значение расчетной теплопроводности, равной l=0,001 Вт/м×°C. Как она рассчитывается? Если через термическое сопротивление R=d/l, где d – толщина покрытия, то при какой толщине покрытия? Далее приведена теплопроводность l=0,1 Вт/м×°C и термическое сопротивление R=0,4 м2×°C/Вт. Здесь также непонятно, при какой толщине изоляции и теплопроводности сделан расчет?
Если значение теплопроводности, полученное расчетным путем, не соответствует действительно существующим в природе материалам, то это означает, что методика расчета неправильная. Известно, что газообразные продукты имеют более низкую теплопроводность, чем твердый материал. Среди газообразных веществ лидером по низкой теплопроводности является элегаз (l=0,016 Вт/м×°С).
Условия нанесения ЖКП и температурный диапазон эксплуатации
По вопросу диапазона температуры при нанесении покрытия на поверхности в упомянутых ТУ есть указания: от +10 до +93 °С и от +7 до +150 °С, а в инструкции по нанесению изоляции указан диапазон от +7 до +180 °С. А что реально? Реальная максимальная температура различных поверхностей для нанесения рассматриваемой изоляции была нами установлена на лабораторном стенде и составляла от +15¸+20 °С до +80 °С. Выше этой температуры ЖКП превращается в рыхлое и неплотное покрытие, в котором трудно контролировать толщину изоляции; на поверхности появляются комки скоагулированного латекса.
То же самое о температурном диапазоне эксплуатации ЖКП. В преамбуле к ТУ о применении трубопроводов с ЖКП есть указание: от –43 до +260 °С. В том же ТУ (в таблице «Основные технические показатели») область рабочих температур определена: от –43 до +180 °С, однако далее (Приложение. «Характеристики покрытия»), температура эксплуатации: от –60 до +204 °С.
«Супернизкая» теплопроводность ЖКП (l=0,001 Вт/м×°С) и высокая эксплуатационная температура Тэксп.=+260 °С вызвали среди многих специалистов не только большой интерес, но и сомнение в возможности существования такого рода материала.
Другой немаловажной характеристикой теплоизоляционного материала является его теплостойкость. Здесь без высокого драматизма рекламодатели не обошлись, оценивая эксплуатационную температуру ЖКП – Тэксп.=+260 °С. Для композиционных материалов, содержащих полимерные латексы, такая температура, характеризующая их теплостойкость, является очень высокой, в связи с чем, вызвала у нас некоторые сомнения. Проверка теплостойкости показала, что ЖКП имеет теплостойкость +145¸+150 °С, а долговечность составляет 10 лет. В аналогичных условиях ресурс эксплуатации ППУ-изоляции составляет 10-15 лет [4].
Лучшим подтверждением относительно низкой температуры эксплуатации ЖКП, чем регламентируемая в ТУ и информационно-рекламной литературе, являются результаты термогравиметрического анализа (ТГА) материала, полученного на дериватографе при скорости нагрева образца на 1 °С/мин. Подъем температуры с относительно низкой постоянной скоростью позволяет фиксировать потери массы ЖКП уже при температурах в области +128¸+130 °С. Далее, при подъеме температуры до +150 °С потеря массы составляет 8-10%. Возможно, это выделение остатков воды и низколетучих продуктов, находящихся в не высушенном покрытии, т.е. предполагается, что они не являются продуктами деструкции. При дальнейшем повышении температуры до +165 °С потеря массы становится существенной и составляет ~18%, что явно свидетельствует о протекании термоокислительной деструкции в материале связующего. Процесс разложения материала с повышением температуры от +170 °С до +180 °С происходит с постоянной скоростью, а потери массы при этом достигают 22-26%, что означает практически полную потерю им физико-механических свойств. Выделяющиеся газообразные продукты неизвестного состава имеют характерный ядовитый запах. Таким образом, проверка термического воздействия на ЖКП одним из наиболее чувствительных методов (метод ТГА) показала, что «супертеплоизоляционный» материал «Thermal-Coat» имеет достаточно низкую эксплуатационную температуру по сравнению с рекламируемой.
Попытка расширения области применения материала без предварительно подтвержденных данных о его свойствах не может привести к успешным конечным результатам.
Разработчики ТУ и рекламодатели несут ответственность в случае обнаружения серьезных нарушений по части эксплуатационных характеристик. Есть один такой пример «криминального характера», который возможно скоро станет общеизвестным. Речь идет о пожарной безопасности ЖКП. Российские «толкатели» этого материала по тепловым сетям, имея в наличии различные сертификаты соответствия, в том числе и сертификат пожарной безопасности, очень серьезно ввели в заблуждение многих руководителей теплоэнергетического комплекса России, которые решили применить у себя указанный «суперматериал» не только для изоляции трубопроводов в относительно замкнутом пространстве с температурой теплоносителя от +80 до +180 °С, но и в открытом – контактирующем с атмосферным воздухом. У рекламодателей, вероятно, очень «короткая память» – они категорически игнорируют истинное предназначение ЖКП с учетом его низких физико-механических свойств (см. начало статьи). На некоторых объектах энергетического комплекса указанная теплоизоляция была нанесена на поверхности трубопроводов в помещениях котельных, где не только запрещено использование сгораемых теплоизоляционных материалов (например, ППУ), но и использование в качестве гидрозащиты оболочки из оцинкованной стали, которая служит источником образования статического электричества. Потратив миллионы государственных средств, заказчики получили теплотрассу, не отвечающую требованиям СНИПа.
Суть этого факта заключается в следующем: совершены две недопустимые и непоправимые ошибки.
Первая ошибка: поверив компании, гарантирующей огнезащитную безопасность ЖКП (в частности, по степени сгораемости ЖКП в соответствии с ТУ относится к категории трудно сгораемых материалов Г1), без предварительной проверки покрытия начали его эксплуатацию.
Нетрудно предположить, что, если композиционный материал в своем составе содержит более 20% сгораемых органических полимеров, как например, бутадиенстирольные и винилакриловые латексы, то вряд ли он может быть трудносгораемым.
Возможно придание трудносгораемости композициям путем введения в их состав 30-40% хлор-, азот- или фосфорсодержащих антиперенов, способных поглощать кислород из окружающей среды и препятствующих при этом процессу горения.
В лабораторных условиях экспресс-методом нами дана оценка горючести ЖКП с использованием «огневой трубы» [5]. Образец в виде пластин толщиной 1,2 мм, высушенный по рекомендуемой технологии, шириной 12´14 мм и высотой 60-80 мм был зафиксирован в вертикальном положении в огневой трубе. Источником пламени служила спиртовая горелка [6]. Образец предварительно взвешивали, поджигали, начиная с нижней части, с помощью горелки. Затем горелку удаляли и замеряли продолжительность его самостоятельного горения или тления. После этого образец снова взвешивали.
Горючими считают те материалы, которые теряют при горении более 20% массы, и продолжают гореть после удаления горелки более минуты. К трудносгораемым относятся материалы, которые теряют менее 20% массы и горят самостоятельно после прекращения подачи огня не более 30 с.
В составе сгораемых продуктов, взятых на хромотографический анализ, наличие каких-нибудь антипиренов не обнаружено.
Результаты проверки сгораемости приведены в табл. 1.
Результаты, приведенные в табл. 1, показывают, что ЖКП по горючести относятся к группе «горючих – Г4», а не к Г1, как указано в ТУ. Использование ЖКП как средства теплоизоляции трубопроводов в помещении котельной – грубейшее нарушение!
Главное даже не в том, что ЖКП имеют горючесть Г4, а неправильное информирование потребителей об их свойствах, приводящее к заблуждению многих специалистов и, как результат, нанесение некачественной теплоизоляции на трубопроводы. Возможно, теперь потребители будут более внимательно и осторожно относиться к выбору новых теплоизоляционных материалов.
Вторая ошибка: ЖКП, нанесенное на все трубопроводы с различной температурой теплоносителя в диапазоне от +85 до +135 °С, имеет одинаковую толщину 2,4-2,5 мм.
Расчеты по выбору толщины ЖКП были сделаны монтажной организацией, производящей теплоизоляционные работы на трубопроводах. Вероятнее всего в основу этих расчетов легли ложные характеристики ЖКП по теплопроводности (l=0,001 Вт/м×°С). Но, в любом случае, с увеличением температуры теплоносителя от +85 °С до +135 °С, толщина изоляции должна была пропорционально расти, что не было соблюдено.
Приведем простой расчет, исходя из условия, что толщина теплоизоляции составляет 2,4 мм, а температура теплоносителя 85 °С и, предположим, эта толщина удовлетворяет требованиям СНИПа.
Такая информация означает, что: ∆Т1=Tтепл–Tтреб СНИПа=85–40=45 °С, где DТ1 – разность между температурой теплоносителя Tтепл и температурой на поверхности теплоизоляции, требуемой по СНИПу Tтреб СНИПа; 45 °С – поглощенная теплоизоляцией температура. Если теплоизоляция, толщиной 2,4 мм поглощает энергию, равноценную температуре 45 °С, то она, в случае температуры теплоносителя равной 135 °С (∆Т2=135–40=95 °С), никак не может поглощать 95 °С. В первом случае (при ∆Т1=45 °С) на долю каждого слоя теплоизоляции толщиной 0,2-0,23 мм (после сушки одного слоя исходного ЖКП) приходится: (45 °С´0,215 мм)/2,4 мм=4 °С, а во втором (при ∆Т2=95 °С) – 8,5 °С.
В реальности при измерении температуры на поверхности изоляции трубопроводов с температурой теплоносителя 85, 110, 135 °С соответственно, были получены: 53-55, 66-68, 103-105 °С, т.е. разность температур теплоносителя и поверхности теплоизоляции трубопроводов при одинаковой толщине слоя изоляции (2,4 мм) оставалась постоянной и составляла 30-32 °С (измерения температуры проводили пирометром марки MT4 Raynger, Германия). Эти результаты хорошо согласуются с результатами, полученными при измерениях теплопоглощения, проведенными на лабораторном стенде [7]. Лабораторный стенд представляет собой стальную трубу диаметром 133 мм с закрытыми торцами, длиной 1000 мм. Теплоносителем внутри стальной трубы служил глицерин марки «ч».
На наружную поверхность стальной трубы наносили послойно ЖКП (размером 50´50 мм, толщиной 0,4-0,45 мм), высушивали при температуре помещения в течение 20-24 ч, затем включали нагрев теплоносителя и измеряли температуру на поверхности стальной трубы и теплоизоляции. Нагрев теплоносителя до температуры 150-165 °С осуществлялся с помощью ТЭНа с регулятором напряжения. Для поддержания равномерности температуры теплоносителя по всему объему использовали электрическую мешалку лопастного типа (со скоростью вращения лопастей 110-120 об/мин). Измерения температуры производились на ячейке в форме квадрата (размеры внутренней площади 30´30 мм), толщиной стенки 30 мм, изготовленной из ППУ, для исключения влияния краевого эффекта и рассеивания тепла с измеряемой площади на точность результатов измерения.
Таким способом производились измерения теплопоглощения (до достижения количества слоев ЖКП, равных 40).
Результаты измерений приведены в табл. 2.
Как видно из таблицы, для обеспечения требования СНИПа по температуре на поверхности теплоизоляции трубопроводов надземной прокладки многократное нанесение слоев изоляции (от 20 до 40) делает ЖКП нетехнологичным.
Эти результаты хорошо согласуются с результатами, полученными при измерениях теплопроводности ЖКП с помощью прибора «МИТ-1» с измерительным зондом (Россия, ГОСТ 30256-94), по методике, аналогичной методике измерения теплопроводности ППУ при температуре 50 °С (ГОСТ 30732).
Полученное значение теплопроводности ЖКП составляет l=0,04-0,045 Вт/м×°С, вместо рекламируемого l=0,001 Вт/м×°С.
Экономические показатели ЖКП
Значение экономического эффекта от применения ЖКП является вершиной фантазии рекламодателей. Для сравнения они использовали ППУ теплоизоляцию. При расчетах экономической эффективности любого материала необходимо исходить из реальных производственных показателей, включая все технологические операции по выпуску единицы продукции за единицу времени.
Любители создавать «сказочные рекламы» на этом не остановились, решили продолжить атаку на тепловые сети и предлагают, чуть ли, не заменить традиционно используемый во всем мире теплоизоляционный материал ППУ на ЖКП и приводят «фантастические» результаты расчета экономического эффекта ЖКП по сравнению с ППУ.
Рекламодатели ЖКП для сравнения берут пример теплотрассы длиной 1000 м с диаметром стальной трубы 108 мм и толщиной теплоизоляции ЖКП, равной 0,9 мм, и сравнивают с вариантом ППУ-изоляции толщиной 40 мм в оцинкованной оболочке с проводами системы ОДК и применением термоусаживающейся муфты.
Отсутствие расчета или методики подхода к трактовке полученных результатов экономического эффекта удаляют читателя или пользователя этой продукции далеко-далеко от понятия «экономическая эффективность». При этом уверено демонстрируется в цифрах двух- ,трехкратная экономическая целесообразность применения ЖКП. Степень соблазна настолько велика, что не специалисту трудно определить, где «ложь», а где «правда», хотя для сравнительного расчета отсутствуют многие существенные факторы.
Во-первых, непрофессиональный подход при сравнении двух материалов: ЖКП и ППУ.
Во-вторых, непонятно, по ценам какого года сделан расчет. Главное, нигде в расчетах не учитывается продолжительность процесса послойного нанесения изоляции, сушки до набора требуемой толщины по нормам СНИПа.
И, наконец, необходимо отметить, что толщина ППУ теплоизоляции не рассчитана для теплоносителя с температурой 100 °С, как это хотят сделать для сравнения разработчики ТУ, а рассчитана на 130 °С со сроком эксплуатации 25 лет и на 150 °С со сроком эксплуатации 12 лет.
Аналогичную некорректность при расчете толщины нанесенного слоя и сравнении стоимости 1 п м изоляции из ППУ и ЖКП «Изоллат» допустили разработчики последнего НПО «Специальные технологии». Теплопроводность ППУ при 50 °С составляет 0,03 Вт/м×°С, а у «Изоллат» – 0,08 Вт/м×°С (правда, не понятно при какой температуре – прим. авт.), т.е. в 2,6 раза больше, чем ППУ. 1 п м стальной трубы Dн=325 мм имеет площадь (pDL) – 0,325´3,14´1=1,02 м2. Для теплоизоляции стальной трубы с применением ППУ тип 1 по ГОСТ 30732, толщина изоляции составляет 55,5 мм в оболочке диаметром 450 мм, что требует расхода ППУ 4,5-5 кг на 1 п м при плотности 75-80 кг/м3, т.е. 5 кг ´ 80 руб.=400 руб./1 п м, а не 2200 руб., как это посчитали разработчики «Изоллат».
Отбрасывая в сторону, что «Изоллат» имеет в 2,6 раза больше теплопроводность чем ППУ, оставляя лишь информацию о расходе «Изоллат» при нанесении 4-х слоев на 1 м2 поверхности, что составляет 1 кг по массе, получим сравнительную стоимость 900 руб. Это без учета нанесенной грунтовки и дорогостоящего кремнеорганического лака КО-815, а также трудоемкости нанесения изоляции и сушки, составляющей более 72 часов. Здесь также не ясно, почему достаточно 4-х слоев? Если у ЖКП «Thermal-Coat» теплопроводность в 80 раз ниже, чем у «Изоллат» и его наносят в 6 слоев толщиной 2,4 мм, а у «Изоллат» – 1,6 мм, то почему достаточно? Также не ясно – в каких предельных температурных условиях можно эксплуатировать этот материал и срок его долговечности.
Расход ЖКП-теплоизоляции и расчет ее стоимости
Исходные данные, принятые для расчета: толщина ЖКП для сравнения с ППУ взята 0,9 мм. Непонятно, откуда взята такая величина; источник ее появления остается загадкой.
По нашим представлениям эту толщину можно определить просто, как это делали мы выше, показав ошибки монтажников при нанесении изоляции на трубопроводы с различной температурой теплоносителя. Если исходить из расчета, что один слой ЖКП толщиной 0,2-0,25 мм (в пересчете на сухую изоляцию) поглощает 2,5-3,0 °С тепла, то для поглощения 60 °С тепла (Tтепл–Tтреб СНИПа=100–40=60 °С), потребуется 6,3 мм изоляции при температуре теплоносителя 100 °С.
Для получения слоя изоляции такой толщины (6,3 мм), при длине трассы 1000 м, диаметром стальной трубы 108 мм, естественно потребуется уже не 223 кг массы, как это было принято в расчетах при толщине изоляции 0,9 мм, а намного больше:
m=(D2н изол.–d2н ст. тр.)×L×r×p/4, (1)
где m – масса ЖКП, кг; Dн изол., dн ст. тр. – наружный диаметр изоляции и стальной трубы соответственно; L – длина трассы;s
s– плотность ЖКП.
Подставив значения параметров в формулу (1), а именно: Dн при толщине изоляции 6,3 мм, равный 120,6 мм; dн – 108 мм; L – 1000 пм;s
s– 590 кг/м3, получим: m=1334 кг (это на покрытие ЖКП в жидком виде). Легче делать расчет стоимости теплоизоляции с исходным ЖКП, чем с высушенным, т.к. продукцию продается по объему. Таким образом, исключая из формулы (1) значение плотности, получаем объем ЖКП V, м3:
V=(D2н изол.–d2н ст. тр.) ×L×p/4. (2)
Объем ЖКП по формуле (2) равен 2,27 м3. При стоимости 0,001 м3 ЖКП 700 руб. (по ценам 2006 г.), стоимость ЖКП 2,27 м3 составит 1610000 руб.
Расход ППУ-теплоизоляции и расчет ее стоимости
Формула расчета расхода ППУ идентична формуле (1) и при толщине 45,4 мм для оцинкованных оболочек диаметром 200 мм и толщиной 0,55 мм составляет 1821 кг. Стоимость 1 кг ППУ (по ценам 2006 г.) – 75 руб. Общая стоимость ППУ-изоляции составит 136600 руб. при плотности ППУ – 80 кг/м3.
Теперь попробуем для сравнения подсчитать общую стоимость теплотрассы длиной 1000 м с двумя видами теплоизоляции ППУ и ЖКП с учетом расходных материалов, как это предлагают рекламодатели.
Основные расходные материалы для теплопроводов с ППУ-изоляцией: стальная оцинкованная оболочка (СтОО), термоусаживающаяся муфта (ТУМ) для стыковых соединений. Масса СтОО толщиной 0,55 мм для диаметра 200 мм, длиной 1000 м составляет 3550 кг. Стоимость 1 т – 33800 руб. Общая стоимость СтОО составит 120000 руб. (с НДС).
Для этой трассы расход ТУМ составит 87 шт. Цена 1 ТУМ – 755 руб. Общий расход ТУМ – 65600 руб. (с НДС).
Таким образом, расчет расхода материалов на 1000 м теплотрассы диаметром 108 мм с применением теплоизоляции ЖКП и ППУ показал, что теплотрасса с ППУ теплоизоляцией без учета затрат на выпуск продукции, приблизительно в 5 раз ниже, чем с ЖКП изоляцией.
Возвращаясь к «фантастическому способу» расчета экономической эффективности рекламодателей, хочется обратить внимание на сроки эксплуатации трассы с использованием ЖКП и ППУ. В разделе «гарантия изготовителя» ТУ срок эксплуатации ЖКП указан – не менее 10 лет при нормальных условиях (об этих условиях, вероятно, знают лишь разработчики ТУ). Срок эксплуатации теплотрассы с использованием ППУ составляет 25 лет при постоянной температуре 130 °С и 12 лет – при температуре 150 °С.
Выводы
Приведенный анализ технической документации на ЖКП, применительно к трубопроводам тепловых сетей, и исследование некоторых физико-механических свойств материала, его теплофизических характеристик, а также технологичности процесса теплоизоляции трубопроводов и методов расчета экономической эффективности при применении в тепловых сетях надземной прокладки по сравнению с ППУ теплоизоляцией показал:
· нецелесообразность применения ЖКП из-за низкой механической прочности и износостойкости;
· несоответствие по горючести требованиям пожарной безопасности;
· высокую стоимость теплоизоляции с применением ЖКП по сравнению с ППУ теплоизоляцией;
· нетехнологичность процесса, требующего многократного повторения операции «нанесение – сушка» до набора необходимой толщины изоляции в соответствии со СНИПом.
ЖКП может успешно найти применение в других областях промышленности, где его свойства могут удовлетворять требованиям Российских стандартов.
Литература
1. Thermal-laat– Прорыв термоизоляционных материалов. ООО «Термо-Лайн», 2004
2. Термоизоляционный жидкокерамический материал. ТУ 2216-001-59277205-2002.
3. Трубный элемент с комбинированной теплоизоляцией в гидрозащитной оболочке. Патент РФ 49167. Б.И. № 31, 2005.
4. ГОСТ 30732-2004.
5. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Система стандартов безопасности труда. ГОСТ 12.1.044-89. М. С. 5.
6. Кодолов В.И. Горючесть и огнестойкость полимерных материалов. М.: Химия, 1976.
7. Игнатов А.А., Ширинян В.Т., Кривогин А.Н. и др. Применение комбинированной теплоизоляции при производстве элементов трубопроводов с сохранением традиционной технологии «труба в трубе» для транспортировки теплоносителя с повышенной температурой // Теплоэнергоэффективные технологии. 2006. № 3. С. 25-29
Автор: К.х.н. В.Т. Ширинян, начальник отдела контроля качества, ЗАО «Петерпайп», г. Санкт-Петербург, по материалам журнала «Теплоэнергоэффективные технологии»
