Бершидский Г.А., к.т.н, Хромов Б.С., руководитель отдела экспертиз НИИ САНТЕХНИКИ
НИИ САНТЕХНИКИ издавна занимается экспертизой аварийных случаев эксплуатации отопительного оборудования. Как правило, пик заявок на экспертизу приходится на зимний период. Нынешняя достаточно суровая зима не стала исключением.
Как известно, системы водяного отопления являются самыми распространёнными в мире, потому что вода – почти идеальный теплоноситель для таких систем. Она обладает свойствами, которые делают её практически незаменимой. Это, прежде всего, высокая теплоёмкость, дешевизна по сравнению с антифризами и другими жидкостями, возможность эффективного качественного регулирования теплоотдачи в широком диапазоне температур.
Однако есть ещё одно уникальное свойство воды, которое нельзя считать положительным для её применения в системах отопления. Дело в том, что вода при замерзании не сжимается, как все остальные жидкости, а расширяется.
Плотность льда приблизительно на 9% ниже по сравнению с плотностью воды, из которой он образовался, то есть лёд существенно легче воды. Благодаря этому свойству замерзание водоёмов начинается с их поверхности, и при достаточной глубине они не промерзают до дна.
В системах отопления нет такой глубины, поэтому, если в них началось замерзание теплоносителя, он замерзает до конца в замкнутых объёмах отопительных приборов и труб. При этом, так как льду некуда расширяться, в них образуется колоссальное давление, приводящее к неминуемому разрушению с потерей герметичности. Исследования показали, что теоретически давление может достигать до 2000 атм, а затем перестаёт нарастать, наступает перестройка межмолекулярных связей с образованием так называемого тяжёлого льда.
Что же может привести систему отопления к замерзанию отопительных приборов и труб? Одно из очевидных условий – отрицательные температуры воздуха в отапливаемых помещениях. Помещения могут переохлаждаться из-за открытых окон и плохой работы систем отопления при низких температурах наружного воздуха.
Вообще, система отопления должна обеспечивать поддержание температуры воздуха в помещении не ниже 20°С при расчётной температуре наружного воз-духа (для Москвы при - 26°С). Однако многие жильцы, уезжая из квартиры на ночь, а то и на несколько дней, забывают или просто не хотят закрывать форточки.
При внезапном похолодании такая беспечность может дорого им обойтись. Например, 29 января этого года в Москве в 6 часов вечера наружная температура была - 4°С, а в 9 часов - 17°С. Радиатор, установленный под форточкой, омывается остронаправленной струей холодного воздуха, опускающейся вдоль него. При этом даже при работающем радиаторе возможно локальное переохлаждение отдельных участков с образованием льда. Далее лёд затрудняет, а затем и прекращает циркуляцию теплоносителя со всеми вытекающими последствиями. Следует иметь в виду, что скорость движения теплоносителя в секционных и панельных радиаторах крайне низка, т.к. он движется по множеству параллельных каналов.
Как правило, скорость движения воды в таких радиаторах в двухтрубных системах не превышает 0,2-1 мм/с. Это значит, что вода, поступающая в верхний коллектор радиатора высотой 600 мм, проходит расстояние до нижнего коллектора минимум за 10 минут. За это время вода в радиаторе вполне может замёрзнуть. При этом температура воздуха в помещении может быть выше нуля. Если же жильцы ещё и отключили радиатор, авария становится практически неизбежной.
Известен случай в одном московском учреждении, в котором дирекция в целях экономии решила отключать систему отопления на выходные дни. Пока такая практика приводила только к невозможности нормально работать в первую половину дня понедельника, никого это особенно не тревожило. Но однажды в выходные дни произошло сильное похолодание, во время которого были заморожены несколько радиаторов, установленных в стеновых нишах, закрытых с фронта самодельными экранами.
Радиаторы, установленные открыто, не пострадали. Причина заключалась в том, что воздух внутри закрытой ниши практически не сообщается с воздухом основного помещения при отключённых радиаторах.
Следовательно, он переохлаждается от наружной стены, которая к тому же в этом месте имеет наименьшую толщину за счёт ниши. Прекращение циркуляции теплоносителя может наступать по следующим причинам:
- отключение отопительного прибора жителями;
- централизованная остановка систем отопления;
- скопления газовоздушной смеси в верхней части отопительного прибора;
- замерзание воды внутри отопительного прибора. Ещё одна нередко встречающаяся причина замерзания теплоносителя – неправильная установка внутрипольных конвекторов. Расстояние от наружного остекления до края конвектора должно быть не менее 100 мм, причём этот промежуток должен быть заполнен тепловой изоляцией.
Следует отметить, что характер разрушения отопительных приборов разных типов различен. Для литых секционных чугунных и алюминиевых радиаторов характерны сквозные трещины в каждой замороженной секции. Здесь каждую секцию следует рассматривать как обособленный объект, гидравлически не связанный с другими из-за ледяных пробок между секциями. В этом принципиальное различие между разрушением радиаторов вследствие замерзания и гидравлического удара. В последнем случае разрушение, как правило, бывает одно на весь радиатор (в самом «слабом» месте).
У биметаллических радиаторов самым «слабым» местом может оказаться заглушка или воздуховыпускной кран, т.к. каналы, выполненные из круглых труб, имеют большой запас прочности. Иногда происходит разрушение межсекционных прокладок.
Стальные панельные радиаторы изготавливаются из листовой стали толщиной всего 1,1-1,2 мм. Поэтому при образовании ледяных пробок в местах соприкосновения поверхности со струей холодного воздуха вследствие расширения льда образуются местные вздутия, сопровождающиеся разрывом стенки возле сварочных точек.
В конвекторах с нагревательными элементами из медных труб, изготавливаемых по ГОСТ 617, как правило, имеют место продольные разрывы труб. Трубы в мягком квалификационном состоянии выдерживают без потери герметичности 4-6 циклов замораживания, полутвёрдые - 3-4 цикла, твёрдые - 2-3 цикла Однократное замораживание выдерживают все мед-ные нагревательные элементы.
Пример замерзания биметаллических радиаторов
На экспертизу представлены 10-секционные биметаллические радиаторы в количестве двух образцов. Согласно информации заказчика эти радиаторы в составе партии эксплуатировались в системе отопления нового жилого дома. В процессе эксплуатации произошёл практически одновременный выход из строя семи радиаторов. Характер дефекта идентичен во всех радиаторах – течи из-за разрушения межсекционных прокладок.
В нижней части обр. №1 видны округлые пятна коричневого цвета между секциями 1-2, 4-5, 7-8, 8-9, соответствующие прокладки имеют разрывы с выступающими краями (Рис. 1,2). Стык секций 5-6 в нижней части имеет зазор около 4 мм.
В верхней части секций 5, 6, 7, 8, 9, а также в ниж-ней части секций 5, 6 обр. №2 отмечены следы подтёков (Рис.3). В стыках секций 2-3 и 5-6 верхнего коллектора прокладки имеют разрывы с выступами краёв (Рис.4). Стыки секций 5, 6 оснащены непрокрашенными прокладками серого цвета.
Причины разгерметизации радиатора анализировались применительно к выполнению правил монтажа и эксплуатации.
Рис.1. Дефекты радиатора №1 в стыках секций 1-2, 2-3
Рис.2. Дефекты радиатора №1 в стыках секций 4-5, 5-6
Рис.3. Следы протечек радиатора №2 на секциях 5, 6
Рис.4. Место капельной протечки радиатора №2 в стыках секций 5-6
Для проверки герметичности радиаторов проводились их испытания на герметичность согласно ГОСТ 31311-2005 (п.5.2). Испытания проводились водой на стенде для гидравлических испытаний при темпе-ратуре 20 °С. Протечка через зазор между секциями 5 и 6 появилась по мере наполнения радиатора №1. Далее давление плавно повышалось и доводилось до значений, вызывавших появление капель: для ради-атора №1 – 0,05 МПа, для радиатора № 2 – 0,09 МПа (Рис.5).
Для выявления причин разгерметизации представленных радиаторов проводился анализ вероятных факторов воздействия на них.
Наиболее распространёнными причинами выхода из строя радиаторов являются следующие:
- коррозия;
- воздействие повышенного давления, в т.ч. замерзание теплоносителя.
Признаки коррозии отсутствуют, поскольку металлические части радиаторов не повреждены, а в местах разгерметизировавшихся стыков имеются либо разрушенные прокладки, либо увеличенный зазор между секциями. Налёт коррозии на резьбе ниппеля не носит критического характера и не является при-чиной разъединения секций.
В данном случае имеются одинаковые признаки выдавливания шести прокладок в двух радиаторах. Согласно информации заказчика подобные случаи наблюдались в пяти жилых домах за короткий промежуток времени. При этом все случаи, кроме одного, произошли в подъездах, на первых этажах, где не исключается риск воздействия воздухом отрицательной температуры.
Не вызывает сомнений, что оба радиатора подвергались дополнительной комплектации новыми секциями: к радиатору №1 присоединялись 2 и 3 секции (между ними непокрашенные прокладки), радиатор №2 составлялся из двух пятисекционных с непокрашенными прокладками. При этом ниппель радиатора №1 выступает наружу тремя нитями резьбы из10. Первая нить резьбы сорвана, в зацеплении находилось около 2,5 нитей, что меньше нормы в 2 раза (ГОСТ 6357-81, п.3.4). Такое состояние не обеспечивает надёжность соединения, сокращает срок его службы, повышает риск выхода из строя при нештатных условиях эксплуатации.
Об имевших место нештатных условиях эксплуатации свидетельствует растрескивание нескольких прокладок . Такие повреждения прокладок могли произойти вследствие их прорезания образовавшимся льдом. Из литературы и собственных исследований известно, что замерзание воды в радиаторе начинается при прочих равных условиях с мест, где она имеет наименьший объём и минимальную скорость.
Рис.5. Протечка стыка секции 2-3 при испытаниях
Рис.6. Ниппель между секциями
Рис.7. Место установки разрушевшегося внутрипольного конвектора
Рис.8. Подводящая часть конвектора с трещинами на двух трубах
Рис.9. Теплообменник аварийного конвектора
(вид сверху)
Рис.10. Проточная часть конвектора с трещинами на двух трубах
В данном случае таким местом является межсекционный ниппель, а именно его вгиб (обратная сторона выступа под радиаторный ключ). Скорость воды здесь равна нулю, а объём вгиба не превышает 0,5 см3. Лёд давит на прокладку, вытесняя и разрывая её.
Для проверки вышеописанной версии разгерметизации проводилось разрезание трёх секций в местах их соединений, имеющих разрушенные прокладки. Отрезание осуществлялось для визуального контроля мест треснувших прокладок и их совпадения с положением вгибов в ниппеле. При рассмотрении вырезанных фрагментов секций радиатора №1 выявлено, что в каждом из них имеется совпадение мест разрушения прокладок и вгибов. Аналогичная картина наблюдается с ниппелем (Рис.6), выкрученным из секций, намеренно совмещённым с вгибом для наглядности. Таким образом, не вызывает сомнений, что причина разгерметизации радиаторов №№ 1 и 2 в зонах прокладок заключается в замерзании теплоносителя во вгибах ниппелей вследствие нарушения условий эксплуатации.
Кроме того, причина разрушения радиатора №1 заключается в некачественной перегруппировке секций (не обеспечена достаточная длина свинчивания ниппеля нижнего коллектора с секцией).
Замерзание внутрипольного конвектора
На экспертизу представлен безвентиляторный внутрипольный конвектор, установленный в угловом помещении строящегося дома и эксплуатировавшийся в течение трёх месяцев. Место установки конвектора показано на Рис.7. Кожух вмонтирован в пол, утеплён. Подводящие полимерные трубы подведены по лучевой схеме от коллекторного узла.
Аварийный теплообменник конвектора (Рис.9) имеет повреждения в виде четырёх сквозных трещин на калачах медных труб (Рис.8, 10), которые привели к потере герметичностиа. Трубы на прямых участках, прилегающих к калачам, раздуты. Краска в местах трещин отслоена.
Для выявления причины разрушения конвектора проводился анализ вероятных факторов воздействия на него.
Наиболее широко распространёнными причинами выхода из строя труб конвектора являются следующие:
- коррозия, в т.ч. электрохимическая;
- воздействие повышенного давления воды;
- замерзание теплоносителя.
Коррозию можно с уверенностью исключить, так как никаких признаков коррозии не обнаружено. В данном случае произошло разрушение труб в четырёх местах и их раздувание, имеющее пластичный характер. Наружный диаметр неповреждённых труб равен 16,0 мм. Аварийные трубы имеют диаметры 16,2-16,9 мм (прямые участки) и 16,9-17,4 мм (калачи). Первоначальная толщина стенки трубы – 1,0 мм, толщина стенки раздутой трубы (по краю трещины) – 0,5 мм. Такой характер повреждения труб свойственен воздействию изнутри давлением, превышающим прочность изделия. Опираясь на опыт многолетних испытаний отопительных приборов, можно утверждать, что разрывы от резкого повышения давления (гидравлического удара), как правило, единичны. В данном случае, разрывы произошли в четырёх равнопрочных местах, что исключает давление воды как причину разрушения . Таким образом, многоместность разрушений и вздутости определяют их бесспорное происхождение - замерзание теплоносителя.
Что способствовало замерзанию в данном случае? Из [1] известно, что однократное замерзание медных труб не приводит к разрыву, следовательно, аварийный конвектор проходил, как минимум, 2 стадии замерзания, учитывая характер замерзания различных типов медных труб (СП 40-108-2004, п. 7.6). При этом калачи, изготавливаемые из мягких или полутвёрдых труб, наиболее стойких к замерзанию, выдерживают замораживание до трёх циклов.
Исходя из анализа приведённых выше диаметров, увеличение объёма калачей составило приблизительно 30%, что соответствует трёхкратному замораживанию.Следуя данной логике, в ходе непродолжительной эксплуатации имели место два случая замерзания без разрушения, третий цикл оказался аварийным. При этом возможны следующие причины замерзания теплообменника:
- неправильная установка конвектора практически вплотную к остеклению (Рис.8) и недостаточная изоляция конвектора;
- отсутствие или недостаточность циркуляции и снижение средней температуры теплоносителя;
- поступление в помещение воздуха отрицательной температуры.
Основной причиной аварии следует считать первую. Расстояние края конвектора от остекления должно быть не менее 100 мм, причём оно должно быть заполнено изоляцией. Установить наличие или отсутствие остальных причин практически невозможно.
Литература.
[1] СП 40-108-2004 Проектирование и монтаж внутренних систем водоснабжения и отопления зданий из медных труб.
Полную версию читайте в журнале HeatClub#8/2025
