Тепловая изоляция металлических стволов дымовых труб

Б. М. Шойхет, канд.техн.наук, зав.отделом;

Л. В. Ставрицкая, гл. специалист;

Н. И. Бобкова, гл. специалист, АО «Теплопроект»

 

Дымовые трубы тепловых электростанций и промышленных предприятий являются сложными инженерными сооружениями, проектирование, строительство и эксплуатация которых требует комплексного решения большого количества технических задач, в том числе задачи эффективной тепловой изоляции несущих конструкций.

В настоящее время на объектах энергетики и в промышленности строятся, реконструируются и находятся в эксплуатации дымовые трубы различного конструктивного исполнения, включая:

- дымовые трубы с наружной железобетонной оболочкой  и внутренними стальными газоотводящими стволами высотой до 270 м;

- металлические трубы свободно стоящие или в стальном несущем каркасе высотой до 120 м.

Дымовые трубы работают в сложных условиях, сочетающих перепады температуры, давления, влажности, агрессивное химическое воздействие дымовых газов, ветровые нагрузки и нагрузки от собственной массы.

В конструкциях железобетонных труб с металлическими газоотводящими стволами, в свободно стоящих металлических трубах и трубах в металлическом каркасе теплоизоляционный слой предусматривается по наружной поверхности металлических стволов (рис. 1).

Рисунок 1 (подробнее) Железобетонная труба с тремя внутренними металлическими стволами

Тепловая изоляция  металлических стволов является весьма ответственным  элементом конструкции дымовой трубы, снижающим тепловые потери через стенки трубы, предотвращающим выпадение конденсата из отходящих газов на внутренней поверхности металлических стволов и ограничивающим развитие коррозионных процессов при воздействии химически агрессивных веществ на внутреннюю поверхность металлического ствола.

Так, по СП 13-101-99 тепловая изоляция оголовка железобетонных дымовых труб с газоотводящими стволами из металла снижает скорость коррозии металла в 4–6 раз по сравнению с неизолированными оголовками.

Принципиальные технические решения и проекты тепловой изоляции дымовых труб для Костромской ТЭЦ, Астраханского ГПЗ, Карагандинского МК, Норильского НХК, Кишиневской ТЭЦ, ТЭЦ-11, ТЭЦ-23, ТЭЦ-25 «Мосэнерго», Северной ТЭЦ «Мосэнерго», объектов в Индии, Иране, Ираке  и др. разработаны институтом «Теплопроект» в 1975–1995 годах.

В 1999–2000 годах институтом разработаны проекты реконструкции дымовых труб с газоотводящими металлическими стволами, включая проекты реконструкции тепловой изоляции для Костромской ТЭЦ и Астраханского ГПЗ.

Расчет требуемой толщины тепловой изоляции производится  по заданной температуре на внутренней поверхности газоотводящего ствола, которая определяется исходя из необходимости предотвращения выпадения конденсата серной кислоты, разрушающей металлический ствол.  При этом с учетом режима эксплуатации трубы задается допустимый перепад температур между стенкой и газами, минимальное значение которого в практике проектирования составляет до 1,5°C.

Расчет выполняется по формулам теплопередачи и теплового баланса с учетом конвективной, кондуктивной и радиационной составляющих теплообмена между дымовыми газами, элементами конструкции трубы и окружающим воздухом.

Термическое сопротивление теплоизоляционной конструкции зависит от толщины и теплопроводности применяемого теплоизоляционного материала. Теплопроводность теплоизоляционного материала определяется с учетом температуры изолируемой поверхности и температуры поверхности изоляции.

Толщина теплоизоляционного слоя, рассчитанная из условия обеспечения перепада температур «газ-стенка» в пределах 1,5–2°C, для большинства газоотводящих стволов дымовых труб тепловых электростанций при использовании традиционных теплоизоляционных материалов составляет 180–200 мм.

При температуре отходящих газов выше 300°C для обеспечения заданной температуры внутри железобетонного ствола требуемая толщина теплоизоляционного слоя может достигать 300 мм.

Институтом «Теплопроект» (сегодня АО «Теплопроект») разработаны многослойные конструкции тепловой изоляции металлических стволов дымовых труб. Конструкция включает теплоизоляционный слой, защитное покрытие и узлы системы крепления теплоизоляционного слоя на приварных элементах – скобах и штырях с уплотнением металлическими бандажами и струнами.

Металлический ствол дымовой трубы монтируется из отдельных царг методом подращивания, при этом царги должны быть изолированы на монтажной площадке до их установки в рабочее положение.

Это обстоятельство обуславливает повышенные требования к надежности конструкции крепления тепловой изоляции, обеспечивающей плотное прилегание теплоизоляционного и покровного слоев к изолируемой поверхности. Конструкция тепловой изоляции должна выдерживать механические нагрузки и атмосферные воздействия при перемещении изолированных царг от места монтажа изоляции к месту их установки в рабочее положение и при монтаже готовых царг.

С учетом технологии монтажа труб важным является требование пожаробезопасности теплоизоляционных конструкций и использованных в ней материалов. Материалы тепловой изоляции не должны воспламеняться при возможном попадании искр при проведении сварочных работ, не должны поддерживать горение и распространять пламя в случае возникновения пожара.

Стыки царг изолируются после их установки в рабочее положение и сварки, при этом должна быть обеспечена сплошность теплоизоляционного и покровного слоев царг и зоны сварного шва. Для этой цели предусматриваются специальные приварные элементы для крепления тепловой изоляции и покрытия. Нагрузка от теплоизоляционной конструкции не должна превышать допустимую по расчету прочности и устойчивости металлоконструкций.

Защитное покрытие тепловой изоляции предназначено для предохранения теплоизоляционного слоя от выветривания и разрушения при воздействии аэродинамических нагрузок, возникающих в межтрубном пространстве при естественной или принудительной вентиляции.

С учетом номенклатуры выпускаемых промышленностью теплоизоляционных минераловатных матов и плит, максимальная толщина которых составляет 80–100 мм,  конструкции тепловой изоляции газоотводящих металлических стволов  выполняются, как правило, трехслойными (рис. 2).

Рисунок 2. Трехслойная теплоизоляция газоотводящего металлического ствола с закреплением на двойных штырях с применением уплотняющих проволочных колец: 1 – штырь 2 – плиты теплоизоляционные минераловатные 3 – сетка плетеная металлическая 4 – стеклоткань 5 – кольцо проволочное

К поверхности царг крепление теплоизоляционного материала в обкладках из металлической сетки, стеклоткани или без обкладок осуществляется штырями из проволоки толщиной 5 мм, устанавливаемыми в приварные скобы с шагом 500х500 мм по горизонтали и вертикали.

Между вторым и третьим слоями в зависимости от применяемого материала теплоизоляционного слоя устанавливается металлическая сетка Р12-1,4 по ГОСТ 3226-82, плотно прижимающая их к поверхности изоляции.

По наружной поверхности теплоизоляционного слоя устанавливается защитное покрытие из стеклоткани, которое прижимается металлической сеткой. Предусматривается окраска защитного покрытия масляной краской.

В местах обслуживающих площадок и на смотровых люках устраивается съемная изоляция матрацами, как правило, из матов минераловатных прошивных безобкладочных на пришитой с одной стороны стеклоткани и металлической сетке. Матрацы изготавливаются в основном  двухслойными.

Выступающие ребра изолируются минераловатными плитами в два слоя с последующей установкой стеклоткани и металлической сетки.

Для тепловой изоляции коробов нижних царг, выступающих за пределы железобетонной трубы, предусматривается защитное покрытие из алюминиевого листа толщиной 1 мм с окраской внутренней поверхности листа лаком БТ-577. Покрытие крепится болтами, приваренными к ребрам жесткости, и самонарезающими винтами.

На верхней царге, выступающей за пределы железобетонного ствола, ввиду особо жестких условий эксплуатации по тепловой изоляции устанавливается защитный кожух из нержавеющей стали толщиной 2 мм.

Теплоизоляционные материалы, применяемые для тепловой изоляции газоотводящих металлических стволов, должны отвечать следующим требованиям: обладать низкой теплопроводностью, необходимой температуростойкостью, формостабильностью, быть нетоксичными, стойкими к агрессивному воздействию окружающей среды, сохранять свои физико-механические и теплофизические характеристики в течение всего срока эксплуатации, отвечать требованиям пожарной безопасности, не оказывать коррозионного воздействия на металлоконструкции.

До последнего времени в конструкциях тепловой изоляции газоотводящих металлических стволов железобетонных дымовых труб традиционно использовались плиты минераловатные на синтетическом связующем марки 125 по ГОСТ 9573-96 или маты минераловатные прошивные марки 100 и 125 по ГОСТ 21880-94.

Плиты теплоизоляционные из минеральной ваты на синтетическом связующем  по ТУ 5762-010-040011485-96 марок 100, 125, 150 изготавливаются

ЗАО «Минеральная Вата» из ваты вида ВМТ из расплава горных пород, имеющей показатель водостойкости рН≤3,5 и модуль кислотности 2–2,5, со средним диаметром волокна не более 6 мкм. В качестве связующего используется нейтрализованная фенолоформальдегидная смола с добавкой водного аммиака. Все плиты относятся к группе негорючих материалов по ГОСТ 30244. Максимальная температура применения плит марки 100 – 500°C, плит марки 125 и 150 – 600°C. Длина плит 1 000 и 1 200 мм, ширина 500, 600 и 1 000 мм, толщина от 40 до 150 мм с интервалом 10 мм.

Плиты теплоизоляционные энергетические (ПТЭ) по ТУ 5761-001-00126238-00 изготавливаются из базальтовой энергетической ваты с применением синтетического связующего (фенолоспирты марки Д и фенолформальдегидная смола марки СФЖ-3056). Вата минеральная энергетическая со средним диаметром волокна не более 6 мкм, получаемая из расплава горных пород, имеет модуль кислотности не менее 1,9. Допускается использование плит марок 100, 125 и 150 при температурах до 400°C. Длина плит 1 000–2 000 мм, ширина 500 и 1 000 мм, толщина плит марки 150 от 40 до 100 мм с интервалом 10 мм, толщина плит марки 100 и 125 от 40 до 100 мм с интервалом 10 мм.

Маты теплоизоляционные прошивные энергетические (МТПЭ) по ТУ 5761-001-00126238-00  в обкладках с одной, двух или всех сторон и безобкладочные изготавливаются из ваты базальтовой энергетической с диаметром волокна не более 6 мкм и в зависимости от материала обкладок могут использоваться до температуры 450°C или 700°C.

Маты базальтовые прошивные энергетические (МБПЭ) (ТУ 5761-001-00126238-00) в обкладках с одной, двух или всех сторон и безобкладочные изготавливаются из базальтовой сверхтонкой ваты энергетической с диаметром волокна не более 3,9 мкм и имеют ту же температуру применения. В качестве обкладок для обоих видов матов применяется металлическая сетка, стеклоткань или кремнеземная ткань, базальтовая сетка, нетканый материал из стекловолокна. Рекомендуется применять маты марок 100 и 125. Техническими условиями предусмотрен выпуск матов длиной от 2 000 до 6 000 мм, шириной 500 и 1 000 мм, толщиной от 40 до 120 мм с интервалом 10 мм.

Физико-механические и теплофизические характеристики теплоизоляционных изделий, потенциально пригодных для использования в конструкциях тепловой изоляции металлических газоотводящих стволов дымовых труб, приведены в таблице.

Анализ данных таблицы показывает, что новые материалы имеют существенно более низкую теплопроводность, чем традиционно применяемые плиты по ГОСТ 9573-96 и маты по ГОСТ 21880-94. Применение этих материалов при прочих равных условиях позволяет снизить требуемую толщину теплоизоляционного слоя, а высокий модуль кислотности позволяет прогнозировать их более высокую долговечность в эксплуатации.

Следует обратить внимание проектирующих организаций на то, что применение новых теплоизоляционных материалов в конструкциях тепловой изоляции таких ответственных объектов, какими являются высотные дымовые трубы,  требует тщательного анализа и обоснования.

При применении новых видов уплотняющихся волокнистых теплоизоляционных материалов следует учитывать их деформативные характеристики, а именно сжимаемость и упругость по ГОСТ 17177, а также коэффициент монтажного уплотнения в конструкции. Коэффициент монтажного уплотнения зависит от деформативных характеристик материала и от конструкции крепления и может варьироваться в диапазоне от 1,2 до 4.

Защитные покрытия выполняют важные функции в конструкциях промышленной тепловой изоляции, повышая их долговечность и эксплуатационную надежность.

Применение стеклоткани в качестве защитного покрытия отвечает необходимым требованиям по пожаробезопасности и индустриальности в монтаже. Конструкции с применением стеклоткани при качественном выполнении монтажных работ прошли многолетнюю проверку в эксплуатации и хорошо себя зарекомендовали.

Вместе с тем, в последние годы появилась тенденция к применению взамен стеклоткани рулонных стеклопластиков РСТ по ТУ 6-48-87-92.

Эти изделия представляют собой гибкий листовой материал, изготавливаемый из стекловолокнистых нетканных материалов и тканей с поверхностной плотностью от 100 до 850 г/м² и полимерного связующего с добавками. В качестве пропиточного состава используются карбамидо-формальдегидные смолы с модификаторами, феноло-формальдегидные смолы, лаки бакелитовые, лаки кремнийорганические и другие составы. По ТУ 6-48-87-92 эти изделия относятся к группе трудногорючих и горючих материалов в зависимости от вида пропитки. Поэтому применение этих материалов в конструкциях тепловой изоляции газоотводящих металлических стволов дымовых труб  требует специального обоснования на основе результатов испытания конструкции на распространение пламени по высоте в условиях эксплуатации. Следует отметить, что  опасность возгорания материалов покрытия существует при проведении сварочных работ во время монтажа теплоизолированных царг. Кроме того, применение РСТ требует разработки специальных опорных элементов для закрепления покрытия из стеклопластика в конструкции.

Применение новых нетрадиционных для энергетики теплоизоляционных и защитно-покровных материалов открывает новые возможности в части совершенствования теплоизоляционных конструкций для дымовых труб.

Так, зарубежный опыт показывает, что эффективным материалом для тепловой изоляции дымовых труб является пеностекло, производимое фирмой Pittsburgh Corning под фирменным знаком «Foamglas». Пеностекло фирмы Pittsburgh Corning характеризуется закрытой пористостью, предельно низким водопоглощением, коэффициентом теплопроводности 0,038–0,04 Вт/(м•К), предельной температурой применения до 485°C, имеет высокие прочностные показатели, плотность 120–150 кг/м³, не требует уплотнения при монтаже. Изделия «Foamglas» относятся к группе негорючих (НГ) материалов по ГОСТ 30244 и не выделяют в процессе эксплуатации токсичных веществ. Зарубежный опыт показывает, что на основе этих изделий могут быть разработаны теплоизоляционные конструкции для газоотводящих стволов дымовых труб и газоходов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

В качестве альтернативных вариантов защитных покрытий тепловой изоляции металлических стволов дымовых труб могут быть рассмотрены прошивные и иглопробивные изделия на основе холстов из стеклянных волокон с гидрофобизирующей пропиткой.

Подлежат ревизии и совершенствованию применяемые в настоящее время материалы, узлы и детали крепления теплоизоляционных конструкций металлических стволов дымовых труб.

Таким образом, применение современных эффективных теплоизоляционных и защитно-покровных материалов, повышение качества монтажа теплоизоляционных конструкций, систематический контроль и своевременный ремонт тепловой изоляции способствуют существенному повышению долговечности и эксплуатационной надежности дымовых труб с газоотводящими стволами из металла.

Тел. (095) 471-3226