Д. С. Липовецкий, ООО «Паровые системы». Пожалуйста, соблюдайте чистоту

Дмитрий Семенович Липовецкий (ООО «Паровые системы») опубликовал материал о применении фильтров. Статья размещена во втором выпуске журнала «Вестник арматуростроителя».

Один из самых распространенных элементов, который встречается в самых разных областях техники – это фильтр. В зависимости от области применения к фильтрам могут предъявляться самые разнообразные требования. Именно поэтому существует широкое разнообразие конструкций и исполнений фильтров. Будет справедливо отметить, что в этом многообразии существует отдельная группа, к которой относятся фильтры для пароконденсатных систем (ПКС) и трубопроводов тепловых сетей.

В начале условимся, что в рамках такого оборудования будем называть фильтром устройство, которое состоит из корпуса, крышки и фильтрующей перегородки. Да, и пусть это удивительно, но фильтры формально не являются трубопроводной арматурой, хотя устанавливаются на трубопроводах и имеют стандартную строительную длину.

В нашей стране ГОСТ на строительные длины для фильтров еще не разработан, но фильтры разных производителей, как правило, взаимозаменяемы. Причина этого в негласном следовании европейскому стандарту. Номер этого стандарта EN 558. Впервые он был принят европейским комитетом по стандартизации в 1995 году. На сегодняшний день действует редакция 2017 года. Европейские изготовители арматуры признают приоритет международного стандарта ISO 5752 но в документации обычно дают ссылку на серию в европейском стандарте, правда, иногда в неожиданных местах, например в рекламных брошюрах. Что такое серии и откуда они появились?

В стандарте EN 558 все серии перечислены в приложении А. Каждая серия содержит строительные длины, соответствующие определенному национальному стандарту. Первоначально на основе таких требований национальных стандартов были определены требования серий международного стандарта ISO 5752. Их количество во второй редакции 25. Европейский стандарт, кроме серий ISO, включает множество других, поэтому их общее число перевалило за сотню.

Каково же назначение фильтров в ПКС? В основном их два. Это может быть либо защита установленного после них оборудования от случайных посторонних частиц, либо очистка пара как рабочей среды от загрязнений. Причин появления «мусора» в трубопроводах несколько. И на разных этапах его эксплуатации они разные.

Еще при отгрузке с завода на поверхности стальных труб имеются технологические загрязнения. После отгрузки до момента монтажа поверхность труб подвергаются атмосферным воздействиям, ведь заглушки на концах труб еще не стали нормой. Резка, сварка, гибка – каждый из технологических процессов при монтаже вносит свой вклад в загрязнение.

Именно поэтому трубопроводы тепловых сетей до пуска их в эксплуатацию после монтажа, капитального или текущего ремонта с заменой участков трубопроводов должны подвергаться очистке:

• паропроводы – продувке со сбросом пара в атмосферу;
• водяные сети в закрытых системах теплоснабжения и конденсатопроводы – гидропневматической промывке;
• водяные сети в открытых системах теплоснабжения и сети горячего водоснабжения – гидропневматической промывке и дезинфекции (в соответствии с санитарными правилами) с последующей повторной промывкой питьевой водой. Проведении промывки (продувки) трубопроводов завершается составлением акта по утвержденной форме.

На время промывки на трубопроводе могут быть установлены временные межфланцевые фильтры (рис. 1). Это позволяет применить схему промывки с циркуляцией.

После приемки в эксплуатацию в трубопроводах неизбежно с большей или меньшей интенсивностью образуются загрязнения, вызванные коррозией и эрозией. Фазовый состав продуктов коррозии (как взвесей, так и отложений) зависит от применяемого водно-химического режима, температуры и состава конструкционных материалов. Но в первую очередь – от качества работы деаэратора. Если он плохо удаляет кислород, на внутренней поверхности труб образуется гематит – рыжая ржавчина (Fe2O3) (рис. 2).

На стенках трубопровода при этом растет корка неравномерной толщины и постепенно происходит отслоение пораженных участков от основного металла. Оторвавшиеся куски ржавчины летят по трубопроводу, забивают фильтры, клапаны, конденсатоотводчики.

Для отлавливания кусков рыжей ржавчины лучше всего подходит сетчатый фильтр.

Сетчатый фильтр (рис. 3) – это фильтр с сетчатым фильтрующим элементом, в котором фильтрация осуществляется при прохождении среды через ячейки сетки или перфорацию фильтрующей перегородки.

Основное назначение сетчатых фильтров в ПКС – это защита оборудования, установленного после фильтра. Это могут быть клапаны разной конструкции и назначения, такие как редукционные, регулирующие, электромагнитные, конденсатоотводчиков разных типов, насосы. Случайные посторонние частицы и оторвавшиеся куски ржавчины могут блокировать арматуру и стать причиной отказа. Поскольку источником загрязнений может быть любой участок трубопровода, то и устанавливать фильтр необходимо перед защищаемым оборудованием на каждом участке. Поставить один большой фильтр и сразу защитить все оборудование не получится. Основной показатель таких фильтров – размер ячейки сетки или диаметр перфорации. В этом они похожи на грязевики.

Грязевик (фильтр, шламоотделитель) – это устройство, предназначенное для очистки жидкости (вода, незамерзающие растворы) от крупных и средних взвешенных частиц в системах отопления, горячего водоснабжения и теплохолодоснабжения вентиляционных систем.

Грязевик подходит для установки на горизонтальных трубопроводах.

Чем хорош у-образный сетчатый фильтр: он подходит и для горизонтального, и для вертикального монтажа.

Пористый фильтр в ПКС – это фильтр, в котором фильтрующая перегородка обычно представляет собой металлический патрон, полученный путем спекания, пронизанный тонкими порами (рис. 4). В таком элементе осуществляется фильтрование при прохождении среды через поры фильтрующей перегородки.

Пористые фильтры задерживают в себе загрязнения, состоящие из частиц, более определенного размера. Размер пор определяется требованиями к чистоте рабочей среды. В этом основное назначение и особенность использования таких фильтров. Чистить их необходимо чаще, чем сетчатые фильтры, технология очистки сложнее.

Их основной показатель – грязеемкость фильтрующего элемента. Она устанавливается в ходе специальных испытаний. Это масса искусственного загрязнителя заданного размерного состава, задержанная фильтрующим элементом за время, прошедшее до достижения максимального перепада давлений при номинальном расходе жидкости и заданном значении ее вязкости.

Разные термины – фильтрация и фильтрование – здесь использованы не случайно. Это обусловлено разницей в назначении фильтров и разницей значения терминов.

Фильтрование – преднамеренно осуществляемый процесс фильтрации для разделения жидких неоднородных систем.

Для сетчатых фильтров может быть полезно знать их коэффициент фильтрования.

Коэффициент фильтрования – отношение числа частиц, больших определенного размера, находящихся в нефильтрованной рабочей жидкости до фильтрующего элемента (фильтра), к числу частиц того же размера, находящихся в отфильтрованной рабочей жидкости после фильтрующего элемента (фильтра).

Для пористых фильтров более информативен другой показатель – абсолютная тонкость фильтрации и коэффициент отсева.

Абсолютная тонкость фильтрации – максимальный размер частиц искусственного загрязнителя сферической формы, обнаруженных в отфильтрованной жидкости.

Коэффициент отсева – отношение массы загрязнителя, задержанного фильтрующим элементом (фильтром), к массе загрязнителя, находящегося в нефильтрованной рабочей жидкости до фильтрующего элемента (фильтра).

Обобщая изложенное выше, можно сказать, что если нужна чистая среда, то применяется пористый фильтр. Если в рабочей среде не предъявляют особых требований к чистоте, но в ней иногда случайно появляются вредные посторонние частицы, то применяют сетчатый фильтр.

Рассмотрим на примере конденсатоотводчика со встроенным фильтром (рис. 5), какой сетчатый фильтр в нем целесообразно использовать.

В корпусе конденсатоотводчика имеется седло. Через него должен пройти конденсат, чтобы попасть в систему сбора конденсата. Самый маленький диаметр отверстия седла составляет порядка 1,5 мм. Для одного типоразмера (диаметра подключения) диаметр седла может быть разный. Так как расход пропорционален корню квадратному из перепада давления, то наибольший диаметр седла будет у конденсатоотводчика, предназначенного на наименьший перепад. Например, при перепаде 4,5 бар диаметр может быть 4,0 мм, при 10 бар – 2,6 мм, при 14 бар – 2,0 мм, при 32 бара – 1,6 мм.

Поэтому фильтр с диаметром перфорации 1 мм будет способен защитить любой из этих конденсатоотводчиков от блокирования случайными частицами. Для защиты от более мелких частиц хорошо подходят фильтрующие элементы из сетки (Mesh). Ее можно увидеть на рис. 5 справа, в верхней части корпуса. Размер задерживаемых частиц можно оценить с помощью таблицы.

В конденсатоотводчике mesh-фильтр защищает встроенный воздухоотводчик. Он должен надежно закрываться после выпуска воздуха, который за счет высокой скорости может переносить более мелкие частицы. Но так как это происходит эпизодически, а не постоянно, то большая грязеемкость здесь не требуется.

И в заключение – разрушение одного мифа. Он касается применения в фильтрах магнитных вставок. Не будем его пересказывать. Посмотрим на факты. Как было сказано выше, интенсивность коррозии труб тепловых сетей в основном определяется качеством работы деаэратора и количеством попавшего в трубы кислорода. При большом количестве кислорода фильтры забиваются кусками рыжей ржавчины. Когда кислорода меньше, интенсивность коррозии снижается и меняется цвет ржавчины, она становится черной. Это магнетит (FeO). Название указывает на ее свойства – частицы магнетита притягиваются магнитом. Это отличает его от рыжей ржавчины, которая не «магнитится».

При извлечении магнитной вставки из фильтра она обычно выглядит, как на рис. 6. Цвет – радикально черный, с отливом – почти как у тонера для принтера. Кстати, это совпадение не случайное. Магнетит используют как пигмент.

Казалось бы, здорово, вставка-то работает! Вон сколько грязи задержала. Но не будем себя обманывать. Вставка работает всего лишь как индикатор наличия частиц магнетита в воде. Во-первых, большая часть магнетита «проплывает» мимо вставки. Ведь, помимо магнитной силы, на частицу действуют силы гравитации, гидродинамической вязкости, трения и инерции. При этом в зависимости от условий, в которых осуществляется магнитная фильтрация, и от размера частиц эти силы вносят больший или меньший вклад в результирующую траекторию движения частиц. Для очень малых частиц определяющей силой является сила гидродинамической вязкости, для крупных – гравитации. В таких условиях, как показали специальные исследования, для эффективной очистки диаметр фильтра должен быть в несколько раз больше диаметра трубопровода, и магнитные элементы должны почти целиком заполнять его корпус. Если при этом между магнитными элементами будет расположен фильтрующий элемент из магнитомягкой проволоки, вот тогда то, большая часть не только черной, но и рыжей ржавчины может быть задержана фильтром.

Во-вторых, на рыжую ржавчину магнитная вставка не действует. Даже двигаясь в потоке совсем близко от поверхности магнита, рыжая не задерживается. Именно поэтому грязь на магнитной вставке черная, а не рыжая.

Итак, мы рассмотрели несколько важных аспектов применения фильтров. За рамками данной статьи остались еще другие интересные вопросы: как во время использования меняется перепад давления на фильтре, какие манометры годятся для его измерения, как часто необходимо очищать фильтр. Но обо всем этом, может быть, в следующий раз.