Надежность. 
Основные факторы, влияющие на эксплуатацию тепловых сетей

Из трех элементов цепи теплоснабжения (источник тепла — тепловая сеть — потребитель) наиболее уязвимым звеном является второй, т. е. тепловая сеть.

Вследствие состава присоединенных потребителей тепловые сети должны работать круглогодично и отключения для ремонта (летом) должны сводиться к минимуму (в пределах одной — двух недель).

Тепловые сети в городах прокладываются исключительно под землей. Основной тип прокладки — непроходной канал. Антикоррозионная защита наружной поверхности самого трубопровода практически отсутствует, т.к. применяемые до сего времени покрытия труб различными лаками могут предохранить трубу от коррозии только на 1−2 года. В этих условиях возможность долговечной работы подземного теплопровода определяется исключительно местными условиями. Постоянное наличие воздушного зазора по всей окружности теплопровода (между тепловой изоляцией и стенками канала) является достаточной гарантией отсутствия наружной коррозии теплопровода в канале. Однако сохранить этот воздушный зазор, если даже он выполнен при монтаже по проекту, весьма трудно, т.к. он обычно подвергается затоплению либо грунтовыми, либо верховыми водами и особенно часто водой из смежных трубопроводов при авариях (водопровод, водосток, канализация).

Затопление канала весьма часто приводит к полному или местному заносу канала грязью, превращает канальную прокладку в бесканальную. Отсюда возникновение местной очаговой коррозии труб в канальных прокладках.

Упомянутые выше местные условия прокладки во многом определяются характеристикой грунтов. В сухих песчаных грунтах при наличии асбоцементной корки, препятствующей разрушению тепловой изоляции, теплопроводы в каналах работают по 25−30 лет и более. В глинистых и насыпных грунтах (а также в суглинках и супесях) подземные каналы теплопроводов являются сборниками и дренажами грунтовых, поверхностных и других («технических») вод, трубы в них подвергаются интенсивной местной коррозии. Скорость такой коррозии (каверны) может достигать 0,5 мм/год, что приводит к быстрому появлению сквозных повреждений.

В таких грунтах, очевидно, наиболее радикальным средством является прокладка сопутствующих дренажей.

По мере старения сетей и увеличения общей равномерной коррозии труб, скорость которой обычно составляет около 0,1 мм/год, количество местных сквозных повреждений на теплопроводах растет. При сравнительно небольшом среднем сроке службы тепловых сетей (10−15 лет) в большинстве городов обычно насчитывается по 20−30 повреждений в год на каждые 100 км трассы. Более 90% этого количества повреждений вызвано почвенной наружной коррозией. Доля замененных сетей в год может быть снижена, если будет найден способ точного определения (без раскопки) мест, пораженных очаговой коррозией (такие способы уже есть, об их применении см., например, «НТ» № 12, 2003 — прим. ред.).

Среди методов обнаружения «слабых», т. е. пораженных очаговой коррозией мест, наибольшую популярность пока имеют гидравлические испытания на прочность. Они проводятся обычно летом во время профилактического ремонта сетей. Эти испытания по своему характеру совершенно отличны от таких же испытаний во время первоначальной приемки трубопровода после сварки. При гидравлическом испытании после сварки главное внимание уделяется тщательному осмотру сварных стыков (монтажных и заводских), максимальное давление обычно составляет 2,4 МПа (24 кгс/см2). Совершенно в других условиях проводится гидравлическое испытание эксплуатируемого теплопровода. Его визуальный осмотр возможен только в камерах (при отсутствии тепловой изоляции на трубах). Цель такого испытания — выявление слабых мест путем их разрушения.

Если исходить из того, что гидравлические испытания участков действующих сетей должны производиться ежегодно и скорость очаговой коррозии составляет до 0,5 мм/год, то цель таких испытаний заключается в разрушении всех слабых мест трубопроводов с толщиной стенки до 1 мм. Для разрушения труб большого диаметра обычно достаточно давления 2,5−3,0 МПа (25−30 кгс/см2), малые диаметры труб требуют повышенных давлений, что трудно выполнимо в производственных условиях. Разработка менее трудоемких и более эффективных методов выявления слабых мест является весьма актуальной задачей.

Прежде гидравлические испытания сетей производились только насосами ТЭЦ. Такой способ наименее трудоемок, но эффективность его невелика — обычно им можно выявить лишь большие повреждения. Более эффективен, но и более трудоемок поучастковый метод гидравлических испытаний. В этом случае испытания проводятся передвижными насосами, а в сетях монтируются постоянные пункты опрессовки. В крупных сетях иногда целесообразно такие пункты оборудовать постоянными насосами с тем расчетом, чтобы из каждого такого пункта проводить испытания нескольких участков.

Постепенно, по мере старения сетей главными вопросами при их эксплуатации становятся не наблюдение и летний текущий ремонт оборудования в камерах, а выявление и устранение слабых мест, перекладка прокорродированных участков. Такое положение, разумеется, не является нормальным. Несомненно, главной задачей эксплуатационного персонала должно быть проведение профилактических мероприятий, предотвращающих наружную коррозию.

Для вновь прокладываемых сетей главным средством обеспечения долговечной надежности работы подземного теплопровода является применение высококачественных антикоррозионных покрытий. Для действующих сетей основа надежности лежит в осушении каналов, ликвидации заносов их грязью после затоплений. В обычных условиях городских кварталов выполнение этих условий для тепловых сетей малого диаметра весьма трудоемко и потому редко выполняется.

В недалеком прошлом большое значение в повышении надежности сетей придавалось раскопке шурфов. Считалось, что этим путем можно определить степень коррозии на каком-то достаточно протяженном участке сети (1−2 км). Однако, как указывалось выше, основную опасность в сетях представляет очаговая коррозия, причина которой и скорость определяются условиями весьма короткого участка трассы. Раскопка шурфов, которая обычно производится в местах, наиболее удобных для их выполнения и, следовательно, как правило, наиболее благополучных в смысле коррозии, может лишь создать иллюзию благополучия. Постоянный контроль путем шурфовки, очевидно, должен проводиться только в наиболее опасных местах, каковыми являются пересечения с другими подземными сооружениями, дорогами и пр. Особенно тщательный контроль должен быть организован в тех местах, где ремонт связан с большой продолжительностью, например при необходимости замены труб в неудобных местах (железные дороги, склады в подвалах и пр.).

С точки зрения минимума трудовых затрат, наиболее заманчивым является метод температурной защиты эксплуатируемых сетей. Механизм действия этого метода заключается в следующем. На интенсивность электрохимического процесса коррозии может влиять целый ряд факторов: влагосодержание изоляционного покрытия, воздухопроницаемость изоляционной конструкции, наличие агрессивных ионов в теплоизоляционном электролите, температура контактного слоя, значение рН электролита и т. д. Для протекания электрохимической коррозии решающее значение имеет влажность слоев покрытия, непосредственно примыкающих к металлу. На действующих теплопроводах влажность контактного слоя ниже влажности периферийных участков теплоизоляции, что связано с перемещением влаги под действием градиента температур.

В процессе эксплуатации теплопровода на его поверхности появляются пленки влаги, наличие и толщина которых в значительной степени зависят от температуры теплоносителя. Появление тонких пленок приводит к значительному увеличению скорости коррозии. Этому же способствует и само повышение температуры, т.к. с ее ростом увеличивается интенсивность электрохимических реакций. Но в открытых системах (трубопровод — воздух), к которым относится и наружная поверхность теплопроводов, рост скорости коррозии наблюдается лишь до 70−80С. При t>80С действуют факторы, имеющие обратную температурную зависимость: уменьшение растворимости кислорода с ростом температуры и т. д.

Результаты исследований, проведенных в Академии коммунального хозяйства им. К. Д. Памфилова, показали, что повышение температуры теплоносителя от 20 до 75С приводит к увеличению скорости коррозии железа в контакте с минеральной ватой в 4−5 раз. С дальнейшим ростом температуры скорость коррозии значительно снижается, что связано с деаэрацией воды и подсушиванием контактного слоя.

Полная деаэрация воды происходит при температуре, близкой к 100С. Проведенные в АКХ исследования подтвердили, что процессы наружной коррозии теплопроводов во влажной среде при температуре теплоносителя около 100С весьма сильно замедляются.

В современных тепловых сетях примерно 70−80% времени (а иногда и более) подающий теплопровод работает в зоне наиболее опасных в смысле коррозии температур, равных 70−85С. Именно этим и объясняется тот факт, что около 90% всех сквозных коррозионных повреждений происходит на подающих теплопроводах. В то же время на паропроводах, работающих с температурами, превышающими 100С, случаи сквозных повреждений из-за наружной коррозии не отмечены.

Наиболее желательным в смысле замедления процессов наружной коррозии подземных теплопроводов был бы тепловой режим работы сетей с минимальной температурой воды 100С. Такой режим работы в отопительный период в настоящее время не может быть применен из-за невозможности местного регулирования расхода тепла на отопительных вводах. При работе сетей от ТЭЦ такой режим одновременно снизит выработку электроэнергии на тепловом потреблении.

Однако в течение 40% времени в году отпуск тепла по сетям производится только на нужды горячего водоснабжения и подача воды с температурой 100С приведет только к улучшению теплоснабжения. Единственным условием здесь является нормальная работа регуляторов температуры на подогревателях горячего водоснабжения, что снизит температуру обратной воды до 20−25С и сохранит на прежнем уровне тепловые потери в сетях и среднюю температуру отпуска тепла.

Системы горячего водоснабжения жилых и общественных зданий требуют круглогодичной подачи тепла. Непрерывность подачи тепла летом и зимой особенно важна для медицинских учреждений со стационарами, теплиц и ряда производств.

Главная причина недостаточной надежности тепловых сетей лежит в том, что они в отличие от сетей электрических, газовых и водопроводных проектируются как тупиковые, радиальные. Правда, затем усилиями эксплуатационных организаций в городских сетях сооружается множество перемычек, в основном небольших диаметров, соединяющих отдельные распределительные сети. В результате городские тепловые сети имеют фактически множество колец, которые, к сожалению, могут быть рационально использованы лишь в летний период. Использованию их для резервирования в отопительный период мешает их недостаточная пропускная способность, а также хаотическое распределение циркулирующей воды по потребителям. Можно с достаточным основанием предположить, что если бы тепловые сети в городах проектировались и строились с учетом резервирования, то суммарная стоимость их сооружения была бы не выше фактической в настоящее время.

Чем длительнее срок эксплуатации тепловой сети, тем большее значение приобретают вопросы резервирования. Учитывая, что наибольшая длительность отключений потребителей имеет место при повреждениях на трубах большого диаметра (например, при диаметре более 500 мм), в первую очередь резервирование необходимо провести именно в них.

В действующих сетях, где все распределительные сети построены и потребители присоединены, перемычки для резервирования могут быть сооружены однотрубными с присоединением их к обеим трубам.

Нормальное теплоснабжение потребителей связано с определенным (заданным) распределением циркулирующей воды. Это распределение, очевидно, должно быть выполнено и при резервировании, когда изменяется схема питания потребителей, а следовательно, изменяются и напоры в точках их присоединения. Время для регулировки сети при повреждениях минимально, поэтому в протяженных сетях с большим количеством потребителей весьма целесообразна постепенная организация контрольно-распределительных пунктов (КРП) на распределительных сетях.

Повышение надежности сетей в большой степени зависит от быстроты обнаружения и отключения поврежденных участков. В протяженных сетях повреждения на трубах большого диаметра обычно связаны с большими потерями воды, что удлиняет время отключения потребителей и может привести к серьезным нарушениям в смежных объектах городского хозяйства.

Наиболее рациональным методом ускорения этого процесса несомненно является применение телемеханического выявления и контроля, а также управления задвижками на сети.

антикоррозионный трубопровод тепловой циркулирующий Ввиду отсутствия этого в настоящее время наиболее приемлемым является способ раздельной работы тепловых магистралей от ТЭЦ, т. е. при закрытых перемычках в сетях. Возникновение значительной утечки на магистрали при этом мгновенно определяется по показаниям расходомеров. Благодаря наличию электроприводов на задвижках персонал ТЭЦ может достаточно быстро отключить поврежденную сеть.

Радиальная схема эксплуатации не противоречит принципам расчета сетей на совместную работу магистралей. Как правило, ежегодно проводимый расчет сети (на нагрузки данного года) выявляет точки в сети с нулевым расходом, в которых и следует перекрывать задвижки для разделения магистралей.

Повышение надежности теплоснабжения всегда связано с необходимостью проведения крупных ремонтных работ, которые условно можно назвать реконструктивными. К таким работам, которые следует выполнять в первую очередь, относятся: а) ликвидация «опасных» участков (опасных в смысле наличия интенсивной наружной коррозии); б) сооружение дренажей и дренажных станций для осушения трасс; в) монтаж катодных станций на участках бесканальной прокладки; г) замена чугунной арматуры на магистралях на стальную и сальниковых компенсаторов на линзовые.

В целях облегчения управления сетью должны постепенно сооружаться КРП (с отделением распределительных сетей от магистральных) с одновременной их автоматизацией и телемеханизацией.