Za zgodą Autorów publikujemy poniżej artykuł pt. "Budowa, montaż i eksploatacja rurociągów" obejmujących zagadnienia związane z jakością produkcji rur preizolowanych, montażem i eksploatacją ciepłowniczych sieci preizolowanych. Jest to kontynuacja problematyki rozpoczętej publikacją artykułu na temat PEX (patrz poniżej).
Ewa Kręcielewska
Adam Smyk
Stołeczne Przedsiębiorstwo Energetyki Cieplnej S.A.
Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Ciepłownictwa
Warszawa
W referacie omówiono rodzaje i przeznaczenie rurociągów preizolowanych, w kontekście zastosowanych materiałów i metod produkcji. Przedstawiono czynniki wpływające na prawidłowe wykonanie, a w efekcie bezawaryjną eksploatację rurociągów preizolowanych, z uwzględnieniem aktualnych nom i wytycznych. Opisano najczęściej spotykane nieprawidłowości stwierdzone przy układaniu i montażu rurociągów preizolowanych, których eliminowanie przyczynia się do podwyższenia trwałości i Żywotności s.c. oraz przedstawiono doświadczenia wynikające z ich eksploatacji. W artykule wykorzystano materiały i fotografie z kilku Przedsiębiorstw Energetyki Cieplnej, w tym PEC Bełchatów.
W ostatniej części referatu opisano badania elementów preizolowanych prowadzone przez Ośrodek Badawczo Rozwojowy Ciepłownictwa (OBRC), uzasadniono potrzebę oraz wskazano korzyści z ich prowadzenia.
W krajach zachodnich, już w latach 70-tych ubiegłego wieku, powszechnie budowano rurociągi ciepłownicze w technologii rur preizolowanych, to znaczy izolowanych cieplnie i przeciwwilgociowo w fabryce. W tym okresie w Polsce powstało w kilku miastach parę doświadczalnych odcinków rurociągów z rur i elementów preizolowanych produkcji takich firm, jak austriacki KELIT, niemiecki PANISOVIT czy duński I.C. Moller. Obecnie w Polsce stosowane są wyroby preizolowane takich firm, jak:
W szeregu systemów preizolowanych, rozróżnia się:
Rys. 1 - 4, Różne rodzaje rur preizolowanych stosowanych w ciepłownictwie
W warszawskim systemie ciepłowniczym (w.s.c.) pierwsze pilotażowe przyłącza w technologii preizolowanej ułożono w 1976 roku. Montaż i eksploatację bezkanałowych rurociągów preizolowanych na szeroką skalę rozpoczęto około roku 1990, kiedy to powstała pierwsza polska fabryka produkująca rury preizolowane – Zakład Doświadczalny Kombinatu Instalacji Sanitarnych Warszawa. Aktualnie w Warszawie, z ponad 1600 km sieci ciepłowniczej dwuprzewodowej, tj. 3200 km rurociągów ciepłowniczych, powyżej 30 % wykonanych jest w technologii preizolowanej. Największa magistrala preizolowana ("Południowa"), zbudowana w 2004 roku, ma średnicę nominalną DN 1100.
W systemach rurociągów preizolowanych, stosowanych dla potrzeb przesyłu ciepła, na bezawaryjny przebieg ich eksploatacji, wpływa wiele czynników:
SPEC posiada od 1992 roku swój wewnętrzny dokument [8], w którym zawarte są szczegółowe wymagania dotyczące:
dla rurociągów preizolowanych układanych bezpośrednio w gruncie. Dokument ten jest na bieżąco aktualizowany. Wprowadzane zmiany – wynikające z doświadczeń eksploatacyjnych Przedsiębiorstwa są zatwierdzane przez Kolegium Techniczne i Zarząd Firmy.
Jak wspomniano wcześniej, jednym z czynników wpływających na żywotność sieci ciepłowniczej jest jakość wody sieciowej. Warszawski system ciepłowniczy charakteryzuje się wodą sieciową:
Dla wydłużenia okresu bezawaryjnej pracy w.s.c. stosowane są rury przewodowe, o większych, niż minimalne – określone w normie PN-EN 253: 2005, grubościach ścianek, dla rurociągów do DN <= 350 bez szwu.
Wszystkie rury stalowe, przeznaczone do budowy warszawskiej sieci ciepłowniczej, muszą posiadać Świadectwo odbioru 3.1 wg PN-EN 10204: 2006 [9] oraz poświadczenie badania jakościowego wydane przez Ośrodek Badania Jakości Wyrobów ZETOM Warszawa.
Wymierne efekty w postaci zwiększenia trwałości sieci ciepłowniczej i zmniejszenia liczby awarii przynosi nadzór eksploatacyjny na etapie wykonawstwa oraz szkolenia przeznaczone dla służb inwestycyjnych oraz wykonawców rurociągów. Przypadki prezentowanej na kolejnych zdjęciach braku naleSytej staranności przy układaniu i montażu rurociągów preizolowanych zdarzają się coraz rzadziej. Osoby zajmujące się nadzorem i wykonawstwem sieci, między innymi dzięki nabieraniu coraz większego doświadczenia i prowadzonym szkoleniom są coraz bardziej świadome faktu, że błędy popełnione na etapie budowy nie ujawniają się od razu, lecz po pewnym czasie eksploatacji.
Rury i elementy preizolowane dostarczane na budowę nie powinny posiadać widocznych uszkodzeń i odkształceń, zewnętrzna powierzchnia rury osłonowej powinna być gładka, a odchylenie od współosiowości rury przewodowej i osłonowej w żadnym punkcie nie powinno przekroczyć wartości podanych w PN-EN 253:2005. Na fotografiach 2 i 3 przedstawiono wygląd giętkiej rury preizolowanej dostarczonej do jednego z polskich Przedsiębiorstw Energetyki Cieplnej, które, na skutek złej jakości, zostały zwrócone do wytwórcy.
Fot 2. Zewnętrzna - pomarszczona powierzchnia rury osłonowej | Fot. 3 Giętka „niewspółosiowa" rura preizolowana osłonowej w przekroju |
Elementy preizolowane dostarczone na budowę powinny być składowane na płaskiej powierzchni lub na miękkich podkładach tak, aby nie były nadmiernie ściskane i by nie nastąpiło uszkodzenie lub zgniecenie rury osłonowej. Wnętrza rur przewodowych mają być zabezpieczone denkami chroniącymi przed zanieczyszczeniem, które można zdjąć bezpośrednio przed spawaniem rurociągów.
Na fotografii 4 przedstawiono nieprawidłowość, której skutkiem, po włączeniu rurociągu preizolowanego do ruchu, będzie zwiększenie ilości zanieczyszczeń mechanicznych w wodzie sieciowej.
Fot. 4 Niezabezpieczone denkami ochronnymi wnętrza rur przewodowych
Przed przystąpieniem do montażu rurociągu rury należy ułożyć w wykopie. Zaleca się układanie rur na drewnianych podkładach. Ustalenie właściwych rzędnych rurociągów winno odbywać się przez podsypywanie lub podkopywanie podkładów. W przypadku, gdy nie korzysta się z powyższej metody, przed ułożeniem rur w wykopie należy wykonać zniwelowaną podsypkę piaskową.
Na fotografii 5 przedstawiono nieprawidłowe, ze względu na brak zniwelowanej podsypki lub drewnianych podkładów, ułożenie rur w wykopie, czego skutkiem może być niezachowanie odpowiedniego spadku i uniemożliwienie odwodnienia rurociągu.
Fot. 5 Nieprawidłowe ułożenie rur w wykopie
Spawanie jest jednym z najważniejszych procesów, mających wpływ na trwałość sieci ciepłowniczej. Przygotowanie rurociągów do spawania, stosowane elektrody i sposób wykonania spoin powinny być zgodne z dokumentacją techniczną.
Spawacze muszą posiadać odpowiednie kwalifikacje (różne, w zależności od metody spawania, grup materiałów i zakresu średnic).
Dopuszczone jest spawanie kilku elementów rurociągów na poziomie gruntu wzdłuż krawędzi wykopu i opuszczenie całego odcinka prefabrykatu do wykopu tak, aby nie uszkodzić połączeń spawanych, ani płaszcza osłonowego.
Po wykonaniu spawania należy przeprowadzić badania połączeń spawanych przez personel posiadający odpowiednie kwalifikacje.
W w.s.c. wymagane jest wykonanie badań wszystkich połączeń spawanych.
Do wykonania zespołu złącza (montażu nasuwek / muf i izolowania połączeń spawanych) można przystąpić po otrzymaniu pozytywnego wyniku badania połączeń spawanych. Przed przystąpieniem do montażu złącza należy na końcach łączonych elementów preizolowanych delikatnie wyciąć warstwę pianki PUR, zwracając uwagę na to, aby nie uszkodzić przewodów alarmowych, oczyścić z ewentualnych zanieczyszczeń mechanicznych (np. piasek, błoto) powierzchnie rur przewodowych bez izolacji i w razie konieczności wysuszyć oraz sprawdzić połączenia systemu alarmowego. Wynik sprawdzenia połączenia przewodów systemu nadzoru powinien być potwierdzony odpowiednim protokółem.
Na fotografiach 6 i 7 przedstawiono sytuacje, które utrudniają wykonanie prawidłowego zespołu złącza.
Na początku lat dziewięćdziesiątych, gdy zaczęto powszechnie zastępować rurociągi kanałowe preizolowanymi, SPEC stosował jako osłony pianki na połączeniach spawanych rurociągów w pełnym zakresie średnic nominalnych zwykłe nasuwki z polietylenu wysokiej gęstości PEHD z opaskami termokurczliwymi uszczelniającymi złącze na końcach i łatkami zaślepiającymi otwory montażowe. Przed rokiem dwutysięcznym na rurociągach DN >=350 zaczęto montować mufy zgrzewane elektrycznie z korkami wtapianymi. Ze względu na odklejanie się łatek, na przełomie 2003 i 2004 roku również w przypadku zwykłych nasuwek wprowadzono nakaz stosowania korków wgrzewanych (wtapianych).
W lutym 2005 roku w "Wytycznych..." pojawił się zapis obowiązkowego stosowania na rurociągach DN < 350 nasuwek termokurczliwych, a trzy lata później – zalecenie stosowania nasuwek termokurczliwych sieciowanych radiacyjnie z korkami wtapianymi.
Wprowadzanie modyfikacji zapisów dotyczących typów złączy preizolowanych wynikało z niedoskonałości poprzednich rozwiązań.
Na fotografii 8 przedstawiono złącze ze zwykła nasuwką HDPE z łatkami termokurczliwymi, natomiast na fotografii 9 złącza z takimi samymi nasuwkami z korkami wciskanymi – po 10 latach eksploatacji. W wyniku penetracji wody z zewnątrz nastąpiła nie tylko degradacja izolacji (fot. 8), ale i korozja rury przewodowej (fot. 9).
Na fotografii 10 przedstawiono złącze termokurczliwe nieusieciowane po 4 latach eksploatacji w terenie podmokłym. Widok złączy wskazuje na fakt zastosowania opasek termokurczliwych niewłaściwej jakości, natomiast nieszczelność złączy (odkrywkę wykonano w celu lokalizacji zawilgocenia i usunięcia awarii) świadczy o błędach montażowych na etapie obkurczania nasuwek lub zastosowaniu muf nie najlepszej jakości.
Na fotografii 11 przedstawiono źle obkurczone nowe złącze termokurczliwe nieusieciowane.
O jakości złącza, a więc również o żywotności rurociągu preizolowanego, decyduje nie tylko jakość zastosowanych materiałów, ale również sposób wykonania złącza. Wszystkie złącza powinny być wykonywane przez odpowiednio do tego celu przygotowany personel, zarówno w zakresie montażu nasuwek (muf), jak i izolowania połączeń spawanych.
Na fotografii 12 przedstawiono złącze preizolowane po 2 latach eksploatacji, wykonane bez należytego nadzoru, przez nieprzeszkolonych pracowników.
Fot. 12 Złącze preizolowane po 2 latach eksploatacji, wykonane bez należytego nadzoru, przez nieprzeszkolonych pracowników.
Dla wykonania złącza preizolowanego należytej jakości należy pamiętać o właściwym zaizolowaniu połączenia spawanego. Najkorzystniejszą, z punktu widzenia parametrów wytrzymałościowych i cieplnych izolacji jest metoda wtrysku pod ciśnieniem pianki w przestrzeń pomiędzy rurą przewodową i osłoną złącza. W tym wypadku należy jednak pamiętać o odpowietrzeniu pianki, z tego względu w nasuwce powinny być wykonane dwa otwory montażowe. Dopuszczalna jest również metoda izolowania złączy łubkami (odcinkami otulin) z pianki PUR. W przypadku izolowania połączeń spawanych otulinami półcylindrycznymi należy mieć na uwadze fakt kompleksowego pogorszenia, z powodu przerwania ciągłości izolacji, wytrzymałości na ścinanie zespołu rurowego. Przy dużej liczbie załamań i odgałęzień pogorszenie to może spowodować, Se rurociąg preizolowany, który jest z założenia konstrukcją zespoloną, stanie się konstrukcją ślizgową.
Na fotografiach 13 i 14 przedstawiono piankę ze złącza na rurociągu napowietrznym po roku eksploatacji. Złącze było zaizolowane ręcznie, bez należytego nadzoru, przez nieprzeszkolonych pracowników.
Fot. 13, 14 Pianka ze złącza preizolowanego na rurociągu napowietrznym, wykonanego przez niewykwalifikowanych monterów, bez właściwego nadzoru, po roku eksploatacji |
Mufy sieciowane radiacyjnie są bardziej odporne na temperaturę, niż wyroby z polietylenu niesieciowanego, trudno jest je przegrzać, jednocześnie przy mniejszej grubości (przy zachowaniu tych samych parametrów wytrzymałościowych) łatwiej jest je obkurczyć. Jednak podobnie, jak inne rodzaje osłon izolacji na spoinach rurociągów preizolowanych, wymagają właściwego wykonania.
Na fotografii 15 przedstawiono źle obkurczoną nasuwkę usieciowaną radiacyjnie przez osobę, która nie została przeszkolona w zakresie montażu złącza.
Fot.15 Źle obkurczona nasuwka usieciowana
Po zaizolowaniu połączeń spawanych należy wykonać dokumentację powykonawczą systemu alarmowego.
Wykonanie prawidłowego zespołu złącza jest możliwe tylko wtedy, jeżeli element preizolowany ma właściwą geometrię (zachowaną współosiowość rury stalowej i osłony) i na odpowiedniej długości niezaizolowane końce.
Odległość pomiędzy osiami rury przewodowej i płaszcza osłonowego w żadnym miejscu rury preizolowanej nie może przekroczyć wartości podanych w normie PN-EN 253: 2005. Końce rury przewodowej powinny być niezaizolowane na długości 150 ± 10 mm i przygotowane do spawania zgodnie z PN-ISO 6761:1996 [10].
Piasek wokół rurociągu preizolowanego o granulacji do 2 mm, nie może zawierać ostrych/ dużych kamieni i gruzu, które mogłyby uszkodzić płaszcz osłonowy. Na fotografii 16 przedstawiono niedopuszczalny sposób układania rur preizolowanych w wykopie.
Pozostawianie w gruncie wokół rurociągu preizolowanego cegieł, kamieni, kawałków betonu może w przyszłości doprowadzić do odkształcenia, lub wręcz zniszczenia płaszcza osłonowego.
Na fotografii 17 przedstawiono zniekształcenie płaszcza osłonowego rury preizolowanej po 12 latach eksploatacji. Uszkodzenie spowodowane było pozostawieniem w wykopie fragmentu elementu obudowy kanałowej (nowy rurociąg preizolowany układany był po trasie rurociągu kanałowego).
Fot.16 Nieprawidłowo przygotowany wykop | Fot. 17 Zniekształcenie osłony HDPE po ok. 10 latach eksploatacji |
Przy każdym załamaniu rurociągu, zmianie średnicy oraz przy odgałęzieniu bez podpory stałej należy wykonać strefy kompensacyjne, umożliwiające przemieszczanie się rurociągów preizolowanych po ich zasypaniu w gruncie.
Na fotografii 18 przedstawiono nieprawidłowy sposób ułożenia rurociągu w wykopie, ze względu na ograniczenie miejsca do kompensacji. Zbyt bliska odległość rury preizolowanej od ścianek wykopu może w przyszłości doprowadzić do zniszczenia pianki na łuku kompensacyjnym.
Fot. 18 Nieprawidłowe ułożenie rurociągu w wykopie (brak miejsca na kompensację wydłużeń termicznych)
Po wykonaniu ustabilizowanej zasypki piaskowej należy oznaczyć trasę przebiegu sieci taśmą ostrzegawczą, co ma szczególne znaczenie przy konieczności wykonania w przyszłości w pobliżu rurociągu preizolowanego odkrywki.
Na fotografiach 19 i 20 przedstawiono uszkodzenia płaszcza osłonowego i rury preizolowanej na skutek braku oznakowania przebiegu trasy rurociągu taśmą ostrzegawczą.
Fot. 19 Uszkodzenie płaszcza osłonowego i pianki przy PUR przy odkrywaniu rurociągu preizolowanego | Fot. 20 Uszkodzenie płaszcza osłonowego kompensatora odkrywaniu rurociągu preizolowanego |
Montaż rurociągów preizolowanych często wiąże się również z wykonywaniem robót o charakterze innym, niż tylko łączenie ze sobą rur i elementów preizolowanych. Oczekiwana funkcjonalność oraz żywotność użytkowa rurociągu preizolowanego może zależeć od sposobu wykonania i jakości robót towarzyszących. Typowymi robotami towarzyszącymi jest wykonywanie na rurociągach preizolowanych komór z niezapreizolowanymi odcinkami rur, kształtkami, armaturą i kompensatorami. Przy projektowaniu i wykonaniu komór należy postępować zgodnie z wymaganiami normy PN-B-10405:1999 [11].
Respektowanie określonych zasad w trakcie budowy i montażu, przy właściwym zaprojektowaniu i odpowiedniej jakości jego elementów, mogą dać gwarancję, że rurociągi preizolowane będą pracowały bezawaryjnie. Żywotność sieci preizolowanej, przewidywana na 30 lat, zależy od trwałości termicznej izolacji, czyli od rzeczywistej temperatury nośnika ciepła. Im temperatura czynnika grzewczego jest niższa, tym okres przewidywanej trwałości izolacji jest dłuższy.
Preizolowane rurociągi ciepłownicze układane bezpośrednio w gruncie, w odróżnieniu od rurociągów kanałowych, powinny być hermetyczne. Teoretycznie z założenia ("zakop i zapomnij"), poza okresowym sprawdzaniem systemu sygnalizacyjno – alarmowego, nie wymagają dodatkowych zabiegów konserwacyjnych w czasie eksploatacji.
W rurociągach preizolowanych układanych w w.s.c. liczba i rozmieszczenie przewodów alarmowych zależą od średnicy nominalnej rurociągu preizolowanego:
Dla możliwości prowadzenia bieżącej oceny stanu technicznego rurociągów preizolowanych konieczne jest już na etapie budowy oraz w czasie każdej wymiany, tworzenie i uaktualnianie powykonawczych schematów montażowych sieci ciepłowniczej oraz instalacji sygnalizacyjno – alarmowej.
Kontrola preizolowanego odcinka s.c. może być prowadzona w sposób automatyczny lub ręczny. W przypadku kontroli prowadzonej ręcznie każdy odcinek powinien być sprawdzony, co najmniej raz w miesiącu, przy czym potwierdzeniem przeprowadzonej kontroli powinien być wpis do dziennika pomiarowego.
Na fotografiach 21 i 22 przedstawiono przyczynę i skutek awarii odcinka rurociągu preizolowanego, który nie podlegał sprawdzaniu. Awaria spowodowana była korozją spoiny na zaworze odcinającym. Penetracja wody w głąb pianki sprawiła zniszczenie izolacji i konieczność wymiany kilkunastu metrów rurociągu.
Fot. 21 Korozja spoiny korpusu kurka kulowego | Fot. 22 Skutki penetracji gorącej wody sieciowej w głąb pianki |
W czasie eksploatacji rurociągu preizolowanego, w którym zamontowane są kurki kulowe (armatura odcinająca, odwodnienia, odpowietrzenia), należy je otwierać i zamykać, co najmniej raz na pół roku, szczególnie w przypadku, gdy w wodzie sieciowej znajdują się zanieczyszczenia mechaniczne.
W przypadku zamontowania na rurociągu preizolowanym w komorze niezaizolowanego fabrycznie kompensatora, należy okresowo sprawdzać stan techniczny śrub i uchwytów do naciągu wstępnego oraz położenie (współosiowość z rurociągiem) osłony zewnętrznej.
Na fotografiach 23 i 24 przedstawiono awarie mieszkowych kompensatorów osiowych zamontowanych w komorach ciepłowniczych pomiędzy odcinkami rurociągów preizolowanych spowodowane błędami popełnionymi na etapie projektowania rurociągów i niewłaściwym doborem zdolności kompensacyjnych
Układanie pierwszych odcinków rurociągów preizolowanych odbywało się wg wytycznych producentów rur preizolowanych z Danii, Szwecji i Niemiec, gdyż państwa zachodniej Europy wprowadziły tę technologię dwadzieścia lat wcześniej. Pracownicy SPEC z biegiem lat nabierali coraz większych doświadczeń, związanych zarówno z projektowaniem, jak i eksploatacją rurociągów preizolowanych. W pierwszych latach eksploatacji dopuszczone było między innymi, układanie bezpośrednio w gruncie:
Ze względu na fakt, że otwieranie i zamykanie armatury z powierzchni gruntu było praktycznie niemożliwe, wprowadzono wymóg umieszczania niepreizolowanej armatury DN >= 200 wyłącznie w komorach ciepłowniczych.
Trudności spowodowane, zarówno brakiem niezbędnego sprzętu, jak również problemem z odprowadzaniem wody sieciowej spowodowały, że w 2004 roku zrezygnowano ze stosowania paneli z tzw. "górnym" odwodnieniem. Aktualnie wytyczne SPEC dopuszczają tylko projektowanie i montaż odwodnień "dolnych" (z grawitacyjnym odpływem wody). W miarę możliwości ograniczana jest również liczba odpowietrzeń stosowanych bezpośrednio na rurociągach i projektowane są one głównie w węzłach cieplnych.
Ze względu na stwierdzony po kilku latach eksploatacji proces korozji armatury umieszczonej poza preizolacją – w studzienkach i skrzynkach hydrantowych, wprowadzono w 2003 roku nakaz stosowania armatury z korpusem ze stali odpornej na korozję.
Na fotografii 25 przedstawiono skorodowaną armaturę, zdemontowaną po 12 latach eksploatacji ze studzienek ciepłowniczych.
Wprowadzenie wymogu stosowania poza preizolacją zaworów z korpusem ze stali odpornej na korozję nie zlikwidowało jednak problemu związanego z postępującym zniszczeniem armatury zamontowanej w latach dziewięćdziesiątych, która powoduje już nie tylko zagrożenie awaryjne, ale również prowadzi do awarii rurociągów.
Fot. 25 Korozja zaworu poza preizolacją a korpusem ze stali węglowej po 12 latach eksploatacji
Ze względu na niejednokrotnie uciążliwą obsługę armatury odcinającej z trzpieniem umieszczonym w skrzynce hydrantowej oraz utrudnioną konserwację i kłopotliwą obsługę armatury w panelu odpowietrzającym, w lutym 2008 roku zalecono, w miejscach gdzie możliwa jest przebudowa, zamianę skrzynek hydrantowych na studnie z kręgów żelbetowych z włazem zamykanym, ustawioną na fundamencie betonowym.
Badania laboratoryjne elementów preizolowanych maja na celu ocenę zgodności ich własności z parametrami deklarowanymi przez producentów w aprobatach technicznych lub określonymi w normach.
Jakość wyrobów preizolowanych oraz ich prawidłowy montaż, jak niejednokrotnie podkreślano, decydują o trwałości i żywotności sieci ciepłowniczej. Jakość izolacji w rurach preizolowanych wpływa w sposób istotny na koszt ciepła dostarczanego do odbiorców w scentralizowanych, rozległych systemach ciepłowniczych.
W latach 2006 - 2008 na zlecenie producentów w LB OBRC wykonano badania wyrobów preizolowanych takich firm, jak: ZPU Kazimierz Jońca Międzyrzecz, STAR-PIPE Poznań, LOGSTOR Zabrze i LOGSTOR Elbląg, FINPOL Warszawa, PRIM Lublin.
Na zlecenie SPEC oraz Przedsiębiorstw Energetycznych z całej Polski prowadzone były badania kontrolnie wyrobów preizolowanych pobranych z dostaw w ramach przetargów (rok 2003: ZEC Łódź; rok 2004: ZEC Łódź, PEC Stargard Szczeciński; 2005: PEC Bełchatów, OPEC Puławy, ZEC Łódź; PEC KUTNO; 2006 rok: GPEC Gdańsk, PEC Suwałki, SYDKRAFT EC Słupsk, Szczecińska Energetyka Cieplna; 2007 rok: PEC Suwałki; 2008 rok: PEC Suwałki, Energetyka Cieszyńska, Therma Bielsko-Biała, ZEC Katowice).
Uzyskanie wysokiego poziomu technicznego w polskim ciepłownictwie motywuje OBRC SPEC S.A. do rozwijania bazy laboratoryjnej. Naszym celem jest m.in. prowadzenie kompleksowych badań elementów preizolowanych w możliwie szerokim zakresie.
Laboratorium OBRC wyposażone jest w specjalistyczną aparaturę do badań:
Gęstość pozorna pianki badana jest wg PN-EN 253 oraz PN-EN ISO 845:2000 [12]. Ma ona zasadniczy wpływ na kształtowanie się własności pianki PUR. Izolacja w rurach preizolowanych musi mieć stosunkowo wysoką gęstość pozorną (zgodnie z aktualną edycją EN 253 w żadnym miejscu izolacji nie może być mniejsza niż 60 kg/m3), ze względu na konieczność zapewnienia właściwych parametrów wytrzymałościowych pianki PUR i zespołu rurowego.
W miarę wzrostu gęstości pozornej pianki rośnie jej wytrzymałość na ściskanie oraz odporność zespołu rurowego na pełzanie i ścinanie. Z drugiej jednak strony pogarszają się jej własności termoizolacyjne. Z tego względu gęstość pozorna pianki PUR nie powinna przekraczać 100 kg/m3.
Chłonność wody wykazywana przez piankę po gotowaniu, badana wg PN-EN 253:2005, nie powinna przekroczyć 10 % w stosunku do początkowej objętości próbki. W praktyce na ogół nie przekracza ona 5%, co oznacza, Se nowa izolacja z poliuretanu wchłania wodę bardzo wolno.
Zgodnie z wynikami badań izolacji z rur preizolowanych, prowadzonymi przez LB, chłonność wody wykazywana przez piankę po gotowaniu już po kilkunastu latach eksploatacji wzrasta do ponad 20 %.
Z tego względu perforacja rury przewodowej lub nieszczelność osłony może w krótkim czasie doprowadzić do zawilgocenia izolacji na dużym obszarze, a w konsekwencji – do korozji zewnętrznej powierzchni rury stalowej. Dla zapewnienia możliwości jak najszybszego zlokalizowania zawilgocenia izolacji, zabezpieczenia przed rozprzestrzenianiem się wody w piance i wystąpieniem awarii, konieczne jest stosowanie w rurach preizolowanych skutecznych systemów wykrywania awarii.
Pianka w rurach preizolowanych powinna posiadać strukturę zamkniętokomórkową. Ze względu na zależności pomiędzy udziałem zamkniętych komórek w piance, a innymi jej własnościami:
Udział procentowy komórek zamkniętych w izolacji badany jest w LB wg PN-EN ISO 4590:2005 [13], przy pomocy piknometru gazowego.
Ze względu na warunki pracy (obciążenie gruntem, ciężar rury przewodowej wypełnionej czynnikiem, wydłużenia termiczne) preizolowany zespół rurowy musi posiadać odpowiednią wytrzymałość.
Badanie wytrzymałości na ściskanie pianki PUR wykonuje się wg PN-EN 253:2005 oraz z PN-93/C-89071 [14], na stanowisku do badań wytrzymałościowych (w OBRC jest to aparat produkcji firmy Lloyd). Ze względu, na największe obciążenia pianek w kierunku prostopadłym do osi rury, podczas badania próbka jest ściskana w kierunku promieniowym. Wytrzymałość na ściskanie pianki PUR w rurze preizolowanej nie może być mniejsza niż 0,3 MPa.
Badanie wytrzymałości zespołu rurowego na ścinanie styczne i osiowe prowadzone jest zgodnie z PN-EN 253:2005 na stanowisku do ścinania.
W zespolonym systemie rur preizolowanych kluczowe znaczenie dla bezawaryjnej pracy rurociągu ma zdolność do przenoszenia sił osiowych pochodzących od tarcia gruntu. Minimalna wartość naprężeń stycznych, określona na poziomie .min = 0,12 MPa, gwarantuje, że zespół rurowy jest zdolny do przeniesienia sił tarcia -z zewnętrznej powierzchni rury osłonowej -na rurę stalową. Skutkiem tego, na prostych odcinkach podziemnych rurociągów preizolowanych powstają osiowe naprężenia ściskające/rozciągające, a wydłużenia termiczne ulegają redukcji wynikającej z działania sił tarcia. Brak zdolności do przeniesienia sił stycznych stwarza niebezpieczeństwo niekontrolowanego poślizgu rury przewodowej, izolacji i zewnętrznej osłony PE-HD względem siebie. Stwarza to ryzyko uszkodzenia izolacji poliuretanowej na załamaniach kompensacyjnych.
Na fotografii 26 pokazano próbkę, która nie spełniła wymaganej wytrzymałości na ścinanie osiowe – izolacja "wysunęła się"z rury osłonowej. Przyczyną było niewłaściwe przygotowanie płaszcza w trakcie produkcji rury preizolowanej przed wtryśnięciem pianki. W przypadku niewłaściwego przygotowania rury przewodowej (np. obecność zanieczyszczeń na zewnętrznej powierzchni) "poślizg" pianki może nastąpić po rurze stalowej.
Fot. 26 Próbka po badaniu wytrzymałości na ścinanie osiowe
Badanie odporności na pełzanie prowadzone jest wg normy PN-EN 253. Podobnie, jak większość badań prowadzonych w LB sterowane jest komputerowo.
Na fotografii 26 przedstawiono stanowisko do badań pełzania, na rysunku 4 widok ekranu komputera w trakcie badania.
Rys. 5 Widok ekranu komputera po zakończeniu badania | Fot. 27 Stanowisko do badań pełzania |
Badanie odporności na pełzanie pozwala określić, jak będzie zachowywała się (odkształcała w kierunku promieniowym) pianka PUR po 20 latach eksploatacji rurociągu preizolowanego zakopanego w gruncie, w którym temperatura ciągła nośnika ciepła nie przekracza 120°C.
Współczynnik przewodzenia ciepła wyznaczany jest w LB zgodnie z normą PN-EN ISO 8497:1999 [15] na stanowisku badawczym, popularnie zwanym "aparat rurowy". Zgodnie z PN-EN 253:2005 współczynnik przewodzenia ciepła izolacji z pianki PUR w rurach preizolowanych nie może przekroczyć wartości l50 = 0,033 W/mK. W Laboratorium OBRC współczynnik ten zawsze określany jest razem z gęstością pozorną izolacji, na życzenie Klientów również ze składem gazu w komórkach zamkniętych pianki (badania zawartości gazów na zlecenie OBRC prowadzi przy użyciu chromatografu gazowego Instytut Chemii.
Na "aparacie rurowym" prowadzone są głownie badania izolacji przy wprowadzaniu przez producentów nowych systemów surowcowych oraz badania zlecane przez inwestorów sprawdzające wartość współczynnika przewodzenia ciepła rur preizolowanych dostarczanych na budowy.
Proces przyspieszonego starzenia prowadzony jest wg wymagań podanych w PN-EN 253:2005, przy temperaturze przewodowej rury badawczej znacznie przekraczającej temperaturę pracy ciągłej pianki PUR, po którym wykonywane jest badanie wytrzymałości na ścinanie. Jeżeli zbadana po procesie przyspieszonego starzenia odporność na ścinanie preizolowanego zespołu rurowego spełnia wymagania normy PN-EN 253:2005 oznacza to, że rurociąg, ze względu na żywotność pianki PUR, powinien pracować bezawaryjnie, co najmniej przez 30 lat.
Badanie zespołu złącza wg PN-EN 489:2005 polega na poddaniu go próbom obciążenia od gruntu oraz nieprzepuszczalności wody.
Badanie obciążenia od gruntu zespołu złączy preizolowanych prowadzone w tzw. "skrzyni z piaskiem"(fotografia 28) ma na celu ocenę osłony izolacji na połączeniu spawanym rurociągu preizolowanego w warunkach zbliżonych do rzeczywistych. Po badaniu w skrzyni z piaskiem złącze poddane próbie nieprzepuszczalności wody (fot. 29) powinno zachować szczelność.
Fot. 28 Stanowisko obciążenia od gruntu "skrzynia z piaskiem" | Fot. 29 Stanowiska do badania szczelności złącza preizolowanego po badaniu w skrzyni z piaskiem |
Wyniki badań nasuwek termokurczliwych usieciowanych radiacyjnie z korkami wtapianymi, przeprowadzonych w LB OBRC na stanowisku obciążenia od gruntu dowodzą, że jest to wyrób o nieporównywalnej jakości z aktualnie oferowanymi rozwiązaniami przeznaczonymi do wykonywania złączy na rurociągach preizolowanych do DN 300. Z dziesięciu przebadanych złączy usieciowanych radiacyjnie z korkami wtapianymi, po badaniu obciążenia od gruntu, w warunkach spełniających (100 cykli -3 złącza) lub znacznie przekraczających (> 500 cykli – 2 złącza, 1000 cykli – 7 złączy) wymagania normy PN-EN 489: 2005 żadne nie odkształciło się podczas badania i wszystkie były stuprocentowo szczelne.
[1] Materiały informacyjne z firm BRUGG, FINPOL, LOGSTOR, PRIM, STAR PIPE, THERMAFLEX, ZPU Kazimierz Jońca
[2] PN-EN 13941:2006 Projektowanie i budowa sieci ciepłowniczych z systemu preizolowanych rur zespolonych
[3] PN-EN 253:2005 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie -Zespół rurowy ze stalowej rury przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i płaszcza osłonowego z polietylenu
[4] PN-EN 448:2005 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie -Kształtki – zespoły ze stalowej rury przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i płaszcza osłonowego z polietylenu
[5] PN-EN 488:2005 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie -Zespół armatury do stalowych rur przewodowych, z izolacją cieplną z poliuretanu i płaszczem osłonowym z polietylenu
[6] PN-EN 489:2005 Sieci ciepłownicze – System preizolowanych zespolonych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie -Zespół złącza stalowych rur przewodowych z izolacją cieplną z poliuretanu i płaszczem osłonowym z polietylenu
[7] PN-85/C-04601 Woda dla celów energetycznych – Wymagania i badania jakości wody dla kotłów wodnych i zamkniętych obiektów ciepłowniczych
[8] Wytyczne układania, montażu, odbioru i eksploatacji rurociągów preizolowanych edycja lipiec 2008
[9] PN-EN 10204: 2006 Wyroby metalowe -Rodzaje dokumentów kontroli
[10] PN-ISO 6761:1996 Rury stalowe – Przygotowanie końców rur i kształtek do spawania
[11] PN-B-10405:1999 Ciepłownictwo – Sieci ciepłownicze – Wymagania i badania przy odbiorze
[12] PN-EN ISO 845:2000 Gumy i tworzywa sztuczne porowate - Oznaczanie gęstości pozornej (objętościowej)
[13] PN-EN ISO 4590:2005 Sztywne tworzywa sztuczne porowate – Oznaczanie udziału procentowego objętości otwartych i zamkniętych komórek
[14] PN-93/C-89071 Tworzywa sztuczne porowate – Próba ściskania sztywnych tworzyw porowatych (idt ISO 844)
[15] PN-EN ISO 8497:1999 Izolacja cieplna - Określanie właściwości w zakresie przepływu ciepła w stanie ustalonym przez izolacje cieplne przewodów rurowych
[16] Materiały z Konferencji Technicznej zorganizowanej przez IGCP oraz SPEC S.A. w Mszczonowie w dniach 5 - 6 listopada 2008 r.; IGCP 2008