Тепловая изоляция промышленного оборудования

Б. М. Шойхет, канд. техн. наук, заведующий отделом,

Л. В. Ставрицкая, главный специалист, ОАО «Теплопроект»

Тепловая изоляция оборудования широко применяется в энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, металлургической, пищевой и других отраслях промышленности.

В энергетике объектами тепловой изоляции являются паровые котлы, газоходы, паровые и газовые турбины, теплообменники, баки-аккумуляторы горячей воды, дымовые трубы. В промышленности тепловой изоляции подлежат вертикальные и горизонтальные технологические аппараты, насосы, теплообменники, резервуары для хранения воды, нефти и нефтепродуктов. Особенно высокие требования предъявляются к эффективности тепловой изоляции низкотемпературного и криогенного оборудования.

Тепловая изоляция промышленного оборудования, помимо функций энергосбережения, обеспечивает возможность проведения технологических процессов при заданных параметрах, позволяет создать безопасные условия труда на производстве, снижает потери легко испаряющихся нефтепродуктов в резервуарах, позволяет хранить сжиженные газы в изотермических хранилищах.

При монтаже и в процессе эксплуатации теплоизоляционные конструкции подвергаются температурным, влажностным, механическим, в том числе вибрационным, воздействиям, которые определяют перечень предъявляемых к ним требований.

Основными показателями, характеризующими физико-технические и эксплуатационные свойства теплоизоляционных материалов, являются: плотность, теплопроводность, температуростойкость, сжимаемость и упругость (для мягких материалов), прочность на сжатие при 10% деформации (для жестких и полужестких волокнистых материалов), вибростойкость, формостабильность, горючесть, водостойкость и стойкость к воздействию химически агрессивных сред, содержание органических веществ и биостойкость.

Теплопроводность теплоизоляционного материала определяет требуемую толщину теплоизоляционного слоя, а следовательно, и нагрузки на изолируемый объект, конструктивные и монтажные характеристики теплоизоляционной конструкции. Теплопроводность возрастает с повышением температуры. Расчетные значения теплопроводности мягких и полужестких теплоизоляционных материалов в конструкции определяются с учетом степени их монтажного уплотнения, шовности конструкции, наличия крепежных деталей.

Температура применения теплоизоляционных материалов, оклеенных с одной или двух сторон фольгой, стеклохолстом или крафт-бумагой, определяется с учетом температуростойкости материалов, применяемых для оклейки, и клеевого соединения. Учитывается линейная усадка при нагреве, потеря прочности на сжатие и потеря массы при нагревании, степень выгорания связующего.

При выборе теплоизоляционного материала учитывают прочностные и деформационные характеристики изолируемого объекта, расчетные допустимые нагрузки на опоры и другие эле-менты изолируемой поверхности. Так, при изоляции стальных вертикальных резервуаров для хранения воды, нефти и нефтепродуктов допустимая нагрузка от изоляции ограничивается значениями 32–34 кг/м².

Требования пожарной безо-пасности определяются нормами технологического проектирования конкретных отраслей промышленности с учетом положений СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов». Для таких отраслей промышленности, как газовая, нефтехимическая, химическая, производство минеральных удобрений, ведомственные нормы допускают применение только негорючих и трудногорючих материалов в составе теплоизоляционных конструкций. При выборе материалов учитывается не только показатели горючести теплоизоляционного слоя и защитного покрытия, но и поведение теплоизоляционной конструкции в условиях пожара в целом. Пожарная опасность теплоизоляционных конструкций наряду с другими факторами зависит от температуростойкости защитного покрытия, его механической прочности в условиях огневого воздействия. Негорючие волокнистые теплоизоляционные материалы при определенных условиях могут поглощать горючие вещества (нефтепродукты, масла и др.), которые влияют на горючесть конструкции и способны самовоспламеняться, что также учитывается при проектировании.

Долговечность теплоизоляционных конструкций зависит от их конструктивных особенностей и условий эксплуатации, включающих месторасположение изолируемого объекта, режим работы оборудования, степень агрессивности окружающей среды, интенсивность механических воздействий. Долговечность теплоизоляционного материала и теплоизоляционной конструкции в целом в значительной степени определяется долговечностью защитного покрытия.

Санитарно-гигиенические требования особенно важны при проектировании объектов 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.

На сегодняшний день на российском рынке теплоизоляционных материалов представлена продукция как отечественных, так и зарубежных производителей.

Номенклатура отечественных волокнистых теплоизоляционных материалов, предназначенных для тепловой изоляции оборудования представлена традиционно применяемыми матами минераловатными прошивными безобкладочными или в обкладках из металлической сетки или стеклоткани с одной или двух сторон (ГОСТ 21880-94, ТУ 36.16.22-10-89, ТУ 34.26.10579-95 и др.), изделиями минераловатными с гофрированной структурой для промышленной тепловой изоляции (ТУ 36.16.22-8-91), плитами теплоизоляционными минераловатными на синтетическом связующем плотностью от 50 до 125 кг/м³ (ГОСТ 9573-96), изделиями из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем (ГОСТ 10499-95). В небольшом объеме выпускаются изделия из супертонкого стеклянного и базальтового волокна с применением различных связующих и без них (ТУ 21-5328981-05-92, ТУ.95.2348-92, ТУ 5761-086-11387634-95 и др.).

Минераловатные изделия для применения в конструкциях тепловой изоляции промышленного оборудования представлены в различных регионах страны продукцией предприятий АО «Термостепс», ЗАО «Минеральная Вата» (Московская обл.), ОАО «АКСИ» (г. Челябинск), ЗАО «Изорок» (г. Тамбов), АО «Тизол» (г. Н. Тура), Назаровского ЗТИ и др.

Наиболее крупными производителями теплоизоляционных изделий из стекловолокна на территории России являются ОАО «Флайдерер-Чудово» и ЗАО «Мостермостекло».

Продукция зарубежных производителей представлена широ-кой номенклатурой волокнистых теплоизоляционных материалов фирм: Rockwool (Дания), Partek Paroc Oy Ab (Финляндия), Isover Оу (Финляндия), Izomat (Словакия).

Из пенопластов применение в конструкциях тепловой изоляции оборудования, преимущественно низкотемпературного, находит заливочный и напыляемый пенополиуретан. Разработчиком и производителем наиболее распространенных марок Изолан-345 (заливочный), Изолан-210 (штучные изделия – плиты, сегменты) и Изолан-105 (напыляемый) является НПП «Изолан» (г. Владимир).

Для изоляции оборудования с отрицательными температурами расширяется применение изделий из вспененного синтетического каучука и полиэтилена. Изделия K-FLEX, производимые фирмой L’Isolante K-FLEX, выпускаются в виде эластичных листов и пластин. Материал характеризуется преимущественно закрытой пористостью и температурой применения от -70 до 130°C.

Эффективным материалом для изоляции оборудования и резервуаров является пеностекло Foamglas бельгийской фирмы Pittsburgh Corning – формованный материал (плиты, сегменты) с закрытыми порами, негорючий, с температурой применения от -260 до 485°C и высокими прочностными свойствами.

Рекомендуемые виды теплоизоляционных материалов для некоторых видов оборудования с положительными и отрицательными температурами поверхности приведены соответственно в табл. 1 и 2.

	Таблица 1. (подробнее) Теплоизоляционные материалы, применяемые для оборудования с положительными температурами поверхности
	Таблица 2. (подробнее Теплоизоляционные материалы, применяемые для изоляции поверхностей с отрицательными температурами

Технические решения тепловой изоляции промышленного оборудования многообразны как по видам применяемых материалов, так и по конструкциям.

Так, для тепловой изоляции вертикальных и горизонтальных технологических аппаратов и теплообменников применяются конструкции на основе волокнистых теплоизоляционных материалов с применением приварных штырей или проволочного каркаса (рис. 1).

Рисунок 1. (подробнее) Крепление теплоизоляционного слоя на штырях. Обозначения: 1 – теплоизоляционный слой; 2 – штырь; 3 – бандаж; 4 – пряжка; 5 – струна.

Для горизонтальных аппаратов (емкостей, теплообменников и др.) малого и среднего диаметра преимущественно предусматривается крепление теплоизоляционного слоя на проволочном каркасе.

Поверх матов или плит, закрепленных стяжками каркаса на поверхности оборудования, предусматривается установка бандажей с пряжками из металлической ленты. У фланцевых соединений и днищ аппаратов предусматриваются опорные конструкции. Эле-менты опорных конструкций в виде колец, уголков, скоб или планок могут быть приварными или крепиться с помощью болтов.

Для горизонтальных аппаратов может применяться и комбинированное крепление теплоизоляционного слоя штырями с перевязкой по штырям струнами и стяжками.

Тепловая изоляция фланцевых соединений аппаратов выполняется съемной. Съемная конструкция тепловой изоляции изготавливается в виде полносборных конструкций, в которых теплоизоляционный слой жестко прикреплен к защитному покрытию. Конструкция оснащается замками или бандажами. Могут быть применены теплоизоляционные матрацы с металлическим защитным кожухом (рис. 2).

Рисунок 2. (подробнее) Конструкция тепловой изоляции на основе теплоизоляционных матов со съемным защитным металлическим кожухом для фланцевого соединения горизонтального аппарата. Обозначения: 1 – матрац с теплоизоляционным слоем из матов в стеклоткани; 2 – металлический кожух; 3 – бандаж с замком; 4 – опорное кольцо.

Для вертикальных аппаратов – теплообменников, колонн, емкостей – крепление теплоизоляционного слоя из минераловатных и стекловатных плит осуществляется с применением проволочного каркаса в виде колец, струн и стяжек, устанавливаемых по поверхности аппарата и теплоизоляционного слоя. У фланцевых соединений и днищ аппаратов устанавливают разгружающие устройства (кольца, кронштейны).

Крепление теплоизоляционного слоя штырями предусматривается для вертикальных и горизонтальных поверхностей с большим радиусом кривизны и плоских поверхностей (резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов (рис. 3), баков-аккумуляторов горячей воды, резервуаров для питьевой воды и для технических нужд, в том числе противопожарных, металлических стволов дымовых труб, другого крупногабаритного оборудования).

Штыри для крепления теплоизоляционного слоя могут быть вставными (если предусмотрены скобы для крепления штырей) или приварными.

Рисунок 3. (подробнее) Тепловая изоляция резервуара для хранения нефти и нефтепродуктов плитами из минеральной ваты или стекловолокна с металлическим  защитным покрытием. Обозначения: 1 – плиты теплоизоляционные из минеральной ваты или стекловолокна; 2 – защитное покрытие; 3 – штырь; 4 – скоба; 5 – стойка; 6 – диафрагма; 7 – кольцо; 8 – кляммера; 9 – шуруп.

Дымовые трубы тепловых электростанций и промышленных предприятий являются сложными инженерными сооружениями, требующими эффективной тепловой изоляции несущих конструкций.

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

- дымовые трубы с наружной несущей железобетонной оболочкой и внутренними стальными газоотводящими стволами;

- металлические трубы, свободно стоящие или в стальном несущем каркасе.

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

В указанных конструкциях дымовых труб тепловая изоляция предусматривается по наружной поверхности металлических стволов и предназначена для защиты несущих железобетонных и металлических конструкций труб от теплового и химического воздействия отходящих газов.

Изотермические хранилища сжиженных газов являются уникальными инженерными сооружениями, в том числе и по тепловой изоляции. Объем этих хранилищ достигает 100–150 тыс. м³. Хранение сжиженных газов осуществляется при атмосферном давлении и пониженной относительно окружающей среды температуре. Так, сжиженный аммиак хранится при температуре -34°C, этилен – при -104°C, метан – при -164°C, кислород – при -183°C, азот – при -196°C. Для тепловой изоляции стен и купола изотермических резервуаров для хранения сжиженных газов применяются теплоизоляционные конструкции на основе вспученного перлитового песка, пенополиуретана и полированной алюминиевой фольги. Для тепловой изоляции днища применяются блоки из пеностекла или перлитобетона.

Для криогенного оборудования применяются конструкции на основе экранно-вакуумной тепловой изоляции, представляющие собой многослойные пакеты из полированной алюминиевой фольги с прослойками из минеральных волокон.

Расчет и проектирование тепловой изоляции оборудования выполняется по инженерным методикам в соответствии с требованиями СНиП 2.04.14-88 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов».

Расчетная толщина теплоизоляционного слоя определяется в зависимости от назначения тепловой изоляции оборудования, а именно: по нормированной плотности теплового потока, регламентируемой указанным СНиП, либо по заданной плотности теплового потока, обусловленной технологическими факторами; с целью предотвращения конденсации влаги на поверхности изолируемого объекта; для обеспечения заданной температуры на поверхно-сти изолированного объекта по условиям обеспечения безопасности персонала и др.

Тепловая изоляция является необходимым элементом промышленного оборудования, обеспечивающим принципиальную возможность проведения высоко- и низкотемпературных технологических процессов в энергетике и промышленности при оптимальном потреблении топливно-энергетических ресурсов.

Повышение энергоэффек-тивности, эксплуатационной на-дежности и долговечности теплоизоляционных конструкций промышленного оборудования достигается за счет применения высококачественных теплоизоляционных и защитно-покровных материалов, совершенствования конструктивных решений, повышения качества монтажа тепловой изоляции и является одним из важных направлений в реализации программы энерго-сбережения.