CAUSES OF HEAT NETWORKS DAMAGEABILITY

Full Text

В настоящее время большое внимание уделяется проблемам экономии топливно-энергетических ресурсов и экологической безопасности [1-5]. Основой технической политики является целесообразность строительства и технического перевооружения систем теплоснабжения [6-8]. Особая роль при эксплуатации тепловых сетей отводится надежности их работы и возможности прогнозирования их технического состояния [9-12]. Более 40 % всего топлива России используется на нужды теплоснабжения. Из них иногда более половины безвозвратно теряется, в том числе из-за аварий и отказов в тепловых сетях [13-17]. Тепловые сети - это наиболее слабое звено в общей системе теплоснабжения: источник тепла - тепловые сети - абонент. Системы теплоснабжения требуют больших капитальных затрат, окупаемость которых возможна через 10-12 лет и более, что в сегодняшних экономических условиях мало привлекательно для инвесторов. В настоящее время централизованные источники тепла выработали свой ресурс более чем на 70 %, а состояние тепловых сетей таково, что тепловые потери при транспортировке теплоносителя доходят до 20 % (при норме не более 5 %), а его утечки - 18-20 % (при норме 0, 25 % от объема теплоносителя в системе). Повреждаемость тепловых сетей уже превышает два повреждения на 1 км трассы, что увеличивает и без того большие эксплуатационные затраты. Анализ современного состояния тепловых сетей показывает, что резервы надежности теплоснабжения зависят от конструктивных особенностей тепловых сетей, их протяженности и качества эксплуатации. На надежность тепловой сети влияют также факторы окружающей среды: коррозионная активность грунта и грунтовых вод, качество подготовки воды на источнике и т. д. В табл. 1 представлены наиболее существенные причины, снижающие надежность тепловых сетей. Кроме факторов, снижающих надежность тепловых сетей и указанных в табл. 1, необходимо отдельно выделить длительность (срок) эксплуатации тепловых сетей, которая зависит: от механических повреждений; износа строительных конструкций; некачественного монтажа тепловой сети; ошибок эксплуатации. Влияние вышеуказанных факторов на надежность работы тепловых сетей показано на рис. 1 на примере Самарских тепловых сетей. Рассмотрим подробно причины, влияющие на надежность работы тепловых сетей. DOI: 10.17673/Vestnik.2016.02.4 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 20 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Коррозия. В наружных тепловых сетях используются только стальные трубы. От котельных, работающих по температурному графику до 80 °С, можно применять предварительно изолированные трубопроводы из сшитого полиэтилена и полипропилена (весьма ограниченного диаметра). Трубопровод подвергается воздействию внутренних и внешних растягивающих усилий и напряжений. В зависимости от температуры и величины показателя рН нарушение целостности трубопроводов от растягивающих напряжений можно ожидать в сварных швах на стыках трубопроводов. Наружная коррозия. Наружную коррозию можно разделить на два основных вида в зависимости от способа прокладки (воздушная или подземная). При воздушной прокладке на величину коррозии влияют состав антикоррозийного покрытия трубопроводов, выбор типа и толщины покровного слоя изоляции, качество ее монтажа и надлежащее выполнение требований эксплуатации трубопроводов и арматуры. При подземной прокладке трубопроводов возникает коррозия блуждающими токами, которая на один-два порядка превышает почвенную коррозию. Периодическое подтапливание и посыпка соли против гололеда приводят к ускоренному коррозионному воздействию и появлению большого количества свищей на трубопроводах, расположенных вблизи оживленных магистралей. Внутренняя коррозия. Внутренняя коррозия теплопроводов вызывается наличием растворенных в воде газов (кислорода и углекислого газа) при подпитке тепловой сети. Количество углекислого газа определяет значение показателя рН, величину которого можно рассчитать теоретически в зависимости от соотношения подпиточной воды и расхода теплоносителя в тепловой сети. Для нормальной работы тепловой сети показатель рН должен быть 8,3-9. Снижение этого показателя может привести к интенсивному возникновению углекислотной коррозии. В некоторых случаях, когда теплоснабжение осуществляется от индивидуальных источников тепла, например при использовании трансзвуковых струйно-форсуночных аппаратов (ТСА), вместе с паром в сетевую воду попадает растворенный углекислый газ. При этом показатель рН снижается, что приводит к образованию внутренней коррозии и возникновению в верхних точках тепловой сети газовых пробок. В процессе эксплуатации тепловых сетей усиленная внутренняя коррозия трубопроводов происходит в верхних точках трубопроводов (в П-образных компенсаторах при воздушной прокладке и в пунктах установки регулирующей арматуры на насосных станциях). Это объясняется издержками эксплуатации, так как расходы теплоносителя сокращаются в режиме горячего водоснабжения и, как правило, эксплуатационный персонал не сбрасывает воздух из трубопроводов. На рис. 2 приведены статические данные зависимости количества повреждений тепловых сетей от внешней и внутренней коррозии n на 100 м2 поверхности трубопровода (шт./100 м2) для трубопроводов разных диаметров Ду шт./100 м. Зависимость количества повреждений тепловой сети от наружной коррозии и диаметра трубо- Таблица 1 Факторы, снижающие надежность тепловых сетей Коррозия Прочие факторы наружная внутренняя 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Способ прокладки и конструкция тепловых сетей Материал применяемых труб и арматуры Гидроизоляция и защитные покрытия Конструкция и материалы тепловой изоляции Коррозионная активность грунта и грунтовых вод Воздействие блуждающих токов Качество подготовки воды на источнике Температура теплоносителя Качество эксплуатации теплопроводов Воздействие механических усилий Износ теплопроводов Отсутствие резервирования Наружная коррозия Срок эксплуатации Внутренняя коррозия Прочие факторы Рис. 1. Причины повреждений в Самарских тепловых сетях 21 Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) Г.И. Титов, Н.А. Новопашина, В.Г. Титов провода представляет собой практически симметричную кривую со смещением относительно оси ординат (кривая а), которая с достаточной степенью точности подчиняется нормальному закону распределения. В этом случае плотность распределения вероятности имеет вид , где σ - характеристика рассеивания; m - величина смещения центра рассеивания от начала координат (характеризует положение распределения на оси абсцисс); х - условный диаметр трубопровода Ду. По мере удаления от точки m в ту или другую сторону уменьшается плотность распределения n. При увеличении диаметра Ду более 450 мм и уменьшении его менее 150 мм количество повреждений тепловых сетей от внешней и внутренней коррозии асимптотически приближается к минимальной величине 0,2 шт./100 м2. Рис. 2. Количество повреждений теплопроводов от наружной и внутренней коррозии: а - зависимость количества отказов на 100 м2 поверхности трубопроводов от наружной коррозии; б - зависимость количества отказов на 100 м2 поверхности трубопроводов от внутренней коррозии; в - зависимость суммарного количества отказов на 100 м2 поверхности трубопроводов от наружной и внутренней коррозии Как видно из приведенного графика, максимальное значение характеристики рассеивания для тепловой сети города Самары соответствует диаметру 300 мм. ( ) σ 2π f x = 1 . Эта кривая имеет две точки перегиба (к и р), в которых величина f(x) составляет . Статистические данные повреждаемости тепловых сетей на 100 м2 внутренней поверхности, вызванных внутренней коррозией (кривая б), показывают, что трубопроводы диаметром 100-150 мм подвергаются внутренней коррозии в большей степени, чем трубопроводы диаметром 200 мм и более. Количество повреждений из-за внутренней коррозии на 100 м2 уменьшается от 0,9 до 0,1. С достаточной степенью точности эту кривую можно заменить прямой, имеющей точку перелома при значении диаметра трубопровода примерно 300 мм при значении количества отказов 0,28. При сложении значений отказов кривой а и значений отказов кривой б получаем суммарное значение отказов от коррозии для практически любого диаметра трубопровода тепловой сети (кривая в). Как видно из графика (рис. 2), наиболее часто наблюдаются отказы трубопроводов в основном внутриквартальных сетей диаметром 100-150 мм. Объяснить это можно тем, что толщина стенок трубопроводов минимальна, а гидравлический режим меняется довольно часто из-за неполадок в работе внутридомовых сетей. Скорость течения воды в тепловой сети составляет не более 3 м/с независимо от диаметра трубопровода, поэтому через сечение трубопровода большего диаметра проходит больший объем воды. В трубопроводах малого диаметра (100-150 мм) толщина пристенного ламинарного слоя и толщина турбулентного потока теплоносителя меньше, поэтому растворенный в воде углекислый газ в большей степени влияет на углекислотную коррозию. Прочие причины. Уменьшение толщины стенки трубопровода в местах установки скользящих опор приводит к уменьшению механической прочности трубопровода и к разрушению трубопровода от вертикальных нагрузок. Образование конденсата на внутренней поверхности строительных конструкций и технологических узлов, вызванное минимальным заглублением от поверхности земли, приводит к разрушению целостности каналов, камер и трубопроводов тепловой сети. Срок эксплуатации. Нормативный срок эксплуатации трубопроводов тепловых сетей составляет 30 лет. Максимальный рост повреждаемости элементов тепловой сети наблюдается после 20 лет работы тепловой сети в результате старения строительных конструкций, нарушения тепловой изоляции и гидроизоляционного слоя, а также механических повреждений. Как показал опыт эксплуатации, любые нарушения конструкции трубопроводов можно своевременно обнаружить и предотвратить при воздушной прокладке тепловой сети. При подземной прокладке обнаружить это довольно трудно. Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура | 2016 | № 2 (23) 22 ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ Вывод. Все перечисленные причины повреждаемости тепловых сетей в разной степени влияют на срок безаварийной эксплуатации систем теплоснабжения. Для увеличения срока службы трубопроводов тепловой сети необходимо производить своевременную отбраковку отдельных ее участков путем проведения диагностики трубопроводов, тем более что современные приборы позволяют проводить диагностику в любое время года без нарушения работы системы теплоснабжения.

About the authors

Gennadiy I. TITOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

Nadezhda A. NOVOPASHINA

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Vyacheslav G. TITOV

Samara State University of Architecture and Civil Engineering

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files