Rury preizolowane w komunalnych sieciach ciepłowniczych – wybrane zagadnienia

Na przełomie lat 1989 i 1990 w Polsce zaczęto powszechnie wymieniać istniejące sieci ciepłownicze na rurociągi wykonywane z rur preizolowanych. Technologia ta była u nas stosunkowo młodym rozwiązaniem i miała stanowić antidotum na zły stan techniczny i uszkodzenia zarówno rur przewodowych, jak i warstw izolacji, a tym samym duże straty ciepła na przesyle. W technologii preizolowanej realizowano także nowe inwestycje, czego skutkiem były nie tylko większa trwałość i bezawaryjność sieci, ale też znaczne zmniejszenie strat ciepła.

Rury preizolowane do dziś zajmują wiodące miejsce jako technologia budowy komunalnych wodnych sieci ciepłowniczych, zarówno o parametrach niskich (maks. temperatura wody 115°C), jak i wysokich (temperatura wody od 115 do 150°C). Zastosowanie systemów rur preizolowanych – oczywiście prawidłowo dobranych i wykonanych – nie tylko zapewnia optymalną kosztowo eksploatację rurociągów, ale też znacznie przyspiesza prace budowlane, a dzięki systemowym rozwiązaniom zabezpieczenia połączeń umożliwia zachowanie ciągłości izolacji.

System rur preizolowanych

Rury preizolowane dostarczane są na plac budowy jako gotowe układy składające się z trzech podstawowych warstw: rura przewodowa (właściwa rura prowadząca wodę grzewczą), warstwa izolacji, płaszcz osłonowy.

Dla mniejszych średnic (np. przyłącza w zakresie DN 32–100) zarezerwowane są rury samokompensujące, z falistą (giętką) rurą przewodową. Rury giętkie mogą być wykonywane ze stali nierdzewnej (AISI 304 lub AISI 316L). Wyposażone są wówczas w dodatkową folię z tworzywa sztucznego między właściwą warstwą izolacji, tj. giętką pianką poliuretanową, a płaszczem osłonowym. Dla rozwiązań niskotemperaturowych (np. 80°C) wykonywane są z tworzyw sztucznych, np. polietylenu sieciowanego (PE-X), polietylenu o wysokiej wytrzymałości (np. PE typu 100) lub polibutylenu (PB). Rury znajdują się wówczas w osłonie z zamkniętokomórkowej pianki z polietylenu sieciowanego (XLPE), a funkcję płaszcza pełni rura karbowana z HDPE, chroniąca m.in. przed przechodzeniem wody gruntowej do warstwy izolacji. Produkowane są zgodnie z normą PN-EN 15632-3 Sieci ciepłownicze. System preizolowanych rur giętkich [1].

Rury przewodowe w większych średnicach wykonywane są jako rury stalowe bez szwu, w sztangach o długości 6, 12 i 16 m. Powierzchnia zewnętrzna rury musi być odpowiednio przygotowana (śrutowana) w celu zapewnienia właściwej przyczepności pianki poliuretanowej. Każda rura (a także kształtka systemowa) musi mieć końce wolne od izolacji i płaszcza osłonowego, przygotowane do spawania. Rury przewodowe o średnicach nominalnych DN ≤ 250 można wykonywać jako podwójne – w jednym rdzeniu izolacji w płaszczu osłonowym umieszcza się dwie rury przewodowe.

Materiał izolacyjny rur sztywnych stanowi najczęściej pianka poliuretanowa (PUR), rzadziej poliizocyjanuranowa (PIR). Materiały te wyróżniają się przede wszystkim niskim współczynnikiem przewodzenia ciepła, w zależności od gęstości materiału i technologii wykonania wynosi on mniej niż 0,035 W/(mK), a nawet poniżej 0,025 W/(mK), oraz trudnopalnością i małą nasiąkliwością. Dla rozwiązań wysokoparametrowych stosuje się pianki PUR sztywne zamkniętokomórkowe (temperatura pracy ciągłej 135–150°C) oraz pianki PIR (temperatura pracy ciągłej 150–200°C) [2]. Warstwę izolacji wyposaża się we wtopione w nią dwa przewody alarmowe, które przekazują sygnał w momencie przekroczenia dopuszczalnej wartości wilgotności lub przerwania przewodu alarmowego. Umożliwia to szybką interwencję w razie uszkodzenia lub awarii – dokładność lokalizacji wycieku wynosi ok. 1 m na 1 km rury.

Płaszcz osłonowy wykonywany jest z polietylenu wysokiej gęstości (HDPE 3. generacji, co najmniej PE 80) lub z pasów blachy aluminiowej albo stalowej ocynkowanej nierdzewnej, nawijanych w technologii spiro. Płaszcz polietylenowy musi spełniać wymagania normy PN-EN 253 [3] w zakresie m.in. gęstości czy własności mechanicznych surowca, a także średnic i grubości ścianek.

Oferta rur prefabrykowanych uzupełniana jest o armaturę i kształtki preizolowane oraz odpowiedni system łączenia.

Zachowanie własności cieplnych warstwy izolacji

Na przestrzeni lat zmieniły się wymagania normy PN-EN 253 [3] w zakresie maksymalnej dopuszczalnej wartości współczynnika przewodzenia ciepła izolacji PUR. Jeszcze w wersji z roku 2005 maksymalna dopuszczalna wartość λ wynosiła 0,033 W/(mK), obecnie jest to 0,029 W/(mK) [4]. Na wartość współczynnika λ wpływa technika spieniania poliuretanu – korzystniejsze parametry uzyskuje się w przypadku spieniania za pomocą cyklopentanu niż za pomocą czystego CO2. Istnieje także związek między technologią produkcji rur preizolowanych a przewodnością cieplną. Stosowane są następujące technologie produkcji:

• metoda „rura w rurze” – w obszar między rurą przewodową a płaszczem osłonowym wtryskiwana jest pianka (grubość izolacji warunkowana jest średnicą płaszcza osłonowego);
• metoda półciągła – PUR spieniany jest w formie stalowej założonej na rurę przewodową (możliwe zastosowanie dowolnej grubości izolacji), a po zdjęciu formy na warstwę gotowej izolacji nawijany jest płaszcz osłonowy;
• metoda ciągła (conti) – formowanie izolacji z barierą antydyfuzyjną i wytłaczanie płaszcza osłonowego odbywają się jednocześnie.

Dla systemów wykonanych metodą „rura w rurze” współczynnik przewodzenia ciepła wynosi od 0,0275 do 0,029 W/(mK), a dla metody ciągłej i półciągłej 0,024–0,026 W/(mK) [4]. Ważne, by wartość współczynnika przewodzenia ciepła określana była zgodnie z metodą podaną w normie PN-EN 235 [3] na podstawie badań losowych rur z placu budowy.

Należy zwrócić uwagę także na niepożądaną własność pianek PUR, tj. podatność na starzenie [5,6]. Wynika ona z wpływu dyfundujących gazów, tlenu i azotu – z powietrza do wnętrza warstwy izolacyjnej, a gazów wypełniających pory pianki po spienianiu – na zewnątrz warstwy. Zatem izolacja PUR lub PIR wymaga dodatkowego zabezpieczenia, tzw. bariery antydyfuzyjnej. W zaawansowanych systemach rur preizolowanych wykonuje się ją z cienkiej warstwy materiału opartego na alkoholu etylowinylowym (EVOH). Zapewnia to zachowanie parametrów sieci ciepłowniczej przez cały okres eksploatacji.

Staranne wykonawstwo

Projektowanie rurociągów ciepłowniczych powinno przebiegać zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 13941:2006 [7], wskazaniami producentów rur preizolowanych oraz wytycznymi operatorów sieci ciepłowniczej. Zarówno producenci, jak i operatorzy zwracają uwagę projektantów i wykonawców na konieczność szczególnie starannego wykonawstwa, dzięki któremu zachowane zostaną własności użytkowe rur, a cały system będzie pracował bezawaryjnie. Ważnym aspektem jest tu m.in. prawidłowe łączenie rur oraz ich posadowienie, zapewniające ochronę rurociągu i jego prawidłową pracę. Rolą projektanta jest przygotowanie odpowiednich wytycznych wykonawczych (np. wymiary wykopu: głębokość i szerokość), a wykonawcy – ich bezwarunkowe przestrzeganie i wysoka kultura pracy.

Łączenie rur preizolowanych

Jak wynika z doświadczeń operatorów sieci ciepłowniczych, producentów i ekspertów zajmujących się zagadnieniem rur preizolowanych [8, 9], najwięcej awarii występuje na połączeniach rur i kształtek. Dlatego dla bezawaryjnej pracy sieci rur preizolowanych ogromne znaczenie ma prawidłowe wykonanie połączeń – ważne jest zarówno spawanie, jak i dobór osłon izolacji oraz ich wykonanie.

Końce rur preizolowanych i kształtki łączy się przez spawanie. Rury i kształtki spawane są czołowo, podczas budowy, optymalnie w temperaturze powyżej 5°C; przy niższej konieczny jest wstępny podgrzew spawanych końców rur, aby zapobiec zjawisku kondensacji wody na ścianach zewnętrznych (najniższa temperatura zewnętrzna, w której można wykonywać prace, wynosi –5°C, pod warunkiem ustawienia ogrzewanego namiotu). Badanie spoin należy przeprowadzić radiologicznie.

Spawy muszą spełniać wymagania normy ISO 5817 [10].

Aby złącze było kompletne i spełniało wymagania aktualnego wydania normy PN-EN 489 [11], należy je odpowiednio zaizolować. Bardzo ważnym elementem przy wykonywaniu połączeń spawanych z rur preizolowanych jest prawidłowe wykonanie szczelnej i wytrzymałej osłony izolacji na połączeniach. Stosuje się do tego celu odpowiednie mufy, są to najczęściej:

• mufa zgrzewana elektrycznie (dla szerokiego zakresu średnic) – prostokątna mata z polietylenu wysokiej gęstości z drutem elektrooporowym. Szerokość maty wynosi 700 lub 850 mm, grubość 4,6 lub 8 mm (w zależności od średnicy rury przewodowej), natomiast długość uzależniona jest od średnicy preizolacji. Zgrzewanie prowadzone jest z zastosowaniem rozwiązań zapewniających kontrolę temperatury – dzięki temu jest ona utrzymywana niezależnie od warunków atmosferycznych, co zapewnia powtarzalność wykonywanych połączeń. Gotowa mufa wymaga badania typu, co realizowane jest poprzez nawiercenie otworu pomiarowego, pozwalającego na podłączenie manometru i zbadanie szczelności powietrzem o ciśnieniu 0,4 bara;
• mufa termokurczliwa sieciowana radiacyjnie (dla mniejszych średnic) – mufa zapewniająca odtworzenie (odwzorowanie) płaszcza osłonowego izolacji. Dzięki zastosowanemu materiałowi cechuje się dużą siłą obkurczania i pamięcią kształtu. Umożliwia wykonanie szczelnego, a jednocześnie elastycznego złącza, które wyróżnia odporność na naprężenia cieplne i na starzenie oraz zmniejszenie wynikających z ruchów termicznych rury oporów tarcia w gruncie. Mufa z warstwą kleju i uszczelniacza w postaci żywicy (np. butylowej) wyposażona jest w otwory montażowe. Przy wykonywaniu muf konieczne jest zastosowanie palnika o odpowiedniej wielkości, aby zapewnić temperaturę wystarczającą do obkurczenia. Mufa poddana obkurczaniu w zbyt niskiej temperaturze nie będzie szczelna. Po wykonaniu próby ciśnienia powietrzem (0,2 bara) otwory zalewa się pianką izolacyjną, a po jej odgazowaniu – zabezpiecza. Zgodnie z normą należy zastosować stożkowe korki wgrzewane elektrycznie (wtapiane).

Rodzaj dopuszczonych złącz mufowych określony jest zwykle w wytycznych projektowania i montażu dostawcy ciepła sieciowego lub komunalnego przedsiębiorstwa ciepłowniczego. W wytycznych wskazywany jest m.in. zakres średnic, dla którego dopuszczony został dany rodzaj mufy (np. mufy termokurczliwe sieciowane radiacyjnie dla średnic rury przewodowej stalowej mniejszej od DN 300 lub mufy PE zgrzewane elektrycznie dla średnic rury przewodowej stalowej większej od DN 400) [12, 13].

Jeśli konieczne jest przycięcie rur na wymiar, przed ich spawaniem należy usunąć ze spawanych końców fragment izolacji i płaszcza osłonowego, przecinając warstwy ukośnie, tak by nie uszkodzić przewodów alarmowych. Odsłonięte końce rur należy odpowiednio przygotować do spawania.

Zasady posadowienia rurociągu ciepłowniczego

Bardzo ważnym uzupełnieniem nawet najstaranniej zaprojektowanego systemu ciepłowniczego są wytyczne wykonania wykopu oraz zasypywania rur. Brak dbałości o pozorne detale powoduje, że rury ulegają awariom i uszkodzeniom, z których część ujawnia się dopiero po pewnym okresie użytkowania.

Wykop musi mieć odpowiednią szerokość – z dwóch powodów. Po pierwsze, ważne jest zapewnienie wymaganej odległości między rurą zasilającą i powrotną – odległości te zależą od średnicy i wynoszą np. co najmniej 250 mm dla średnic DN 300 mm i wyższych. Po drugie, konieczne jest zapewnienie stref kompensacji – w miejscach kompensacji naturalnej, czyli zmian kierunku prowadzenia rur (np. na łukach), a także przy zmianie średnicy i przy odgałęzieniach bez podpór stałych. Strefy kompensacji umożliwiają pracę rurociągów po zasypaniu w gruncie. Jeśli rury leżą za blisko ścianek, nie mają możliwości prawidłowego przemieszczenia się i mogą ulec uszkodzeniu.

Przykrycie rurociągu w wykopie nie może być mniejsze niż 40 cm, licząc od górnej powierzchni rury. Przy posadowieniu rur pod drogami należy dodatkowo uwzględnić obciążenie od ruchu kołowego. Rurę należy umieścić na warstwie podsypki piaskowej o granulacji 2 mm (albo odpowiednio do zaleceń operatora sieci cieplnej lub producenta rur), liczącej co najmniej 10 cm, wolnej od gruzu, kamieni i innych ostrych przedmiotów. Podobnie starannie trzeba wykonać warstwę zasypki (również 10 cm). Pozostawienie w warstwie podsypki lub zasypki kamieni czy jakichkolwiek przedmiotów (np. pozostałości po pracach budowlanych przy modernizacji rurociągu) może spowodować odkształcenie, a nawet zniszczenie płaszcza osłonowego. Obsypka piaskowa musi zostać zagęszczona warstwowo.

Przy wykonywaniu wykopu ważne jest odpowiednie oznakowanie rurociągu, tj. zastosowanie taśmy ostrzegawczej z folii PVC w intensywnym kolorze (zwykle dostarczają ją operatorzy sieci) nad każdą nitką rurociągu. Brak taśmy może spowodować uszkodzenie płaszcza osłonowego i warstwy izolacji przy nieostrożnym wykonaniu odkrywki w przyszłości.

Literatura

1. PN-EN 15632-3 Sieci ciepłownicze. System preizolowanych rur giętkich
2. Matusiak Artur, Szafran Jacek, Piana PUR jako materiał izolacyjny w budownictwie, „Inżynier Budownictwa”, https://inzynierbudownictwa.pl/piana-pur-jako-material-izolacyjny-w-budownictwie/
3. PN-EN 253:2020 Sieci ciepłownicze. System pojedynczych rur zespolonych do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie. Fabrycznie wykonany zespół rurowy ze stalowej rury przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i osłony z polietylenu
4. Iwko Ireneusz, Ograniczanie strat w sieciach ciepłowniczych w aspekcie stosowania rur preizolowanych, „Inżynier Budownictwa”, https://inzynierbudownictwa.pl/ograniczanie-strat-w-sieciach-cieplowniczych-w-aspekcie-stosowania-rur-preizolowanych/
5. Kręcielewska Ewa, Menard Damien, Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji w rurach preizolowanych po naturalnym i sztucznym starzeniu, materiały X Konferencji Technicznej Izby Gospodarczej Ciepłownictwo Polskie, Warszawa 2014
6. Kotwas Robert, Naturalne starzenie się izolacji rurociągów ciepłowniczych. Porównanie zmian izolacyjności termicznej wełny mineralnej i pianek poliuretanowych, „Instal” 10/2016
7. PN-EN 13941:2006 Projektowanie i budowa sieci ciepłowniczych z systemu preizolowanych rur zespolonych
8. Dwojak Adam, Uszkodzenia sieci ciepłowniczych preizolowanych, „Instal” 3/2005
9. Kręcielewska Ewa, Smyk Adam, Budowa, montaż i eksploatacja rurociągów preizolowanych oraz badania elementów preizolowanych prowadzone w LB OBRC SPEC, „Instal” 12/2008
10. PN-EN ISO 5817 Spawanie. Złącza spawane ze stali, niklu, tytanu i ich stopów (z wyjątkiem spawanych wiązką). Poziomy jakości według niezgodności spawalniczych
11. PN-EN 489-1:2020-01 Sieci ciepłownicze. Zespolone systemy pojedynczych i podwójnych rur do wodnych sieci ciepłowniczych układanych w gruncie. Część 1: Zespoły łączące i izolacja cieplna do wodnych sieci ciepłowniczych zgodnych z EN 13941-1
12. Grupa GPEC, Wytyczne techniczno-eksploatacyjne do projektowania, budowy i eksploatacji rurociągów układanych bezpośrednio w gruncie, Gdańsk 2016
13. Veolia Energia Warszawa S.A., Eksploatacyjne wytyczne projektowania oraz montażu rurociągów preizolowanych w płaszczu osłonowym HDPE część I: wymagania techniczne i specyfikacja techniczna, Warszawa 2020
14. Materiały techniczne firm: Alpex, Brugg, Heatpex, Ingremio, Infracorr, Logstor, Radpol, Rehau, Synco, ZPU Jońca

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!