Будущее России неразрывно связано с освоением Арктики. Это богатейшие месторождения природных ископаемых, в том числе нефти и газа, а также уникальный торговый путь по морю, который благодаря современным ледоколам можно сделать круглогодичным. Но условия в Арктике очень суровые, связанные с низкими температурами. Причем речь идет не только о комфорте людей, но и об их безопасности (поддержание в рабочем состоянии путей эвакуации на судне), а также работоспособности оборудования и трубопроводов. Для всего этого требуется надежные и экономичные системы обогрева, работающие на электричестве.
24 октября 2019 г. в подмосковном городе Мытищи Группа компаний «Специальные системы и технологии» (ГК «ССТ») провела конференцию «Промышленная электротехника и специальные материалы: индустриальные вызовы и технологические прорывы» («ПЭСМ-19»). На ней рассматривались различные аспекты применения современных композиционных материалов для промышленности, особенности освоения арктического региона и перспективные технологии для решения этой задачи. Одной из таких критически важных технологий для Арктики является электрообогрев, которому была посвящена часть деловой программы.
Доклад директора по развитию ГК «ССТ» Аркадия Войналовича был посвящен инновационным решениям для обеспечения бесперебойной работы транспорта и транспортной инфраструктуры в суровых климатических условиях. Выступающий отметил, что за Полярным кругом располагается 20 % территории России, при этом там добываются 80 % российского газа, 90 % никеля, 40 % золота. Конкурентоспособность предприятий Арктики напрямую зависит от транспортной инфраструктуры. 57,8 % перевозок на Крайнем Севере осуществляется по воде. Электрообогрев в морском транспорте применяется в портах, на судах и на ледостойких платформах для добычи нефти и газа. Подогрев, в частности, требуется для вертолетных площадок на судах и платформах. По современным нормам безопасности на кораблях (в частности, согласно требованиям Морского регистра России), занятых в арктических водах, должен в обязательном порядке осуществляться электроподогрев путей эвакуации, систем пожаротушения и капсул спасательных плотов. Температура поверхности перечисленных элементов должна быть +3 ºC. У ГК «ССТ» есть опыт реализации проектов электрообогрева на различных судах с применением нагревательных кабелей.
При использовании автомобильного транспорта в условиях Крайнего Севера обнаруживаются следующие проблемы: застывают масло и дизельное топливо, снижается эффективность работы аккумуляторов. Нужно обеспечить надежный старт дизельного двигателя и бесперебойную подачу в него топлива. При этом инженеры, разрабатывающие систему подогрева, ограничены возможностями бортовой сети автомобиля. В больших грузовиках напряжение бортовой сети составляет 24 В, эксплуатируются за Полярным кругом и автомобили с напряжением бортовой сети 12 В. В ГК «ССТ» разработали серию продуктов, решающих возможные проблемы. Например, нагреватели для аккумуляторов. Для дизельного топливопровода компания предлагает решение на основе саморегулирующегося нагревательного кабеля. В ГК «ССТ» позаботились и о комфорте водителей, создав обогреватель сидений.
Не забыли и про другие виды транспорта, важные для Крайнего Севера. Специалистами компании разработано решение для электрического подогрева стрелочных переводов, что позволяет автоматически очищать их от снега и наледи. В арсенале ГК «ССТ» есть и решения для авиации: как для электроподогрева ряда узлов самолета — нагреватели привода предкрылков и замков багажного отделения, так и обогрев взлетно-посадочных полос, кровельного покрытия и открытых площадей аэропортов.
Для нагревательных кабелей сейчас все чаще используют проводящие композиционные материалы на основе полимеров. О производстве таких материалов и кабелей на их основе шла речь в совместном докладе технического директора «ССТэнергомонтаж» Сергея Стародубова и технического директора ОКБ «Гамма» Андрея Прошина. В 2015 г. ГК «ССТ» на базе ОКБ «Гамма» впервые в России наладила производство электропроводящих полимеров, совершив прорыв, за который Академия электротехнических наук вручила авторам проекта премию имени М. О. Доливо-Добровольского.
Некоторые композиционные материалы на основе токопроводящих полимеров проводят электрический ток не по всему объему, а по определенным токопроводящим путям. Чем выше температура, тем меньше таких путей действует в материале. То есть, чем выше температура, тем меньше выделяемая мощность. В результате проявляется эффект саморегуляции: когда кабель сам поддерживает нужную температуру без дополнительного оборудования.
Саморегулирующийся кабель имеет внутри две металлические жилы, между которыми находятся электропроводящие матрицы из композиционного материала. Для изготовления кабеля применяется экструзия.
«При освоении кабеля в производстве пришлось решить проблему обеспечения адгезии материала проводящих матриц к металлическим жилам», — говорит Андрей Прошин, технический директор ОКБ «Гамма».
Профессор МЭИ, заведующий кафедрой физики и технологии электротехнических материалов и компонентов Сергей Серебрянников сделал обзор перспективных электротехнических материалов для электроизоляции. Он отметил, что не надо ставить знак равенства между диэлектриками и электроизоляционными материалами, так как существуют композиционные материалы, практически не проводящие электрический ток, но физически (по зависимости проводимости от температуры) не относящиеся к диэлектрикам.
Все большее распространение получают кабели с воздушной изоляцией жил. Сейчас для их заполнения используют элегаз. Но, в отличие от выключателей, в кабеле нельзя обеспечить полную герметичность, в результате элегаз регулярно подкачивается в кабель. При этом в атмосферу попадает достаточно большое его количество, а этот газ способен создавать парниковый эффект. По мнению Сергея Серебрянникова, по мере массового внедрения кабелей с воздушной изоляцией жил, элегаз в них должен заменяться на гептафторизобутилонитрил, более безопасный для экологии.
Помимо низкой температуры, серьезной проблемой Арктики является транспортная доступность, зачастую носящая сезонный характер. Поэтому полимерные детали, применяемые в оборудовании, должны обладать повышенной надежностью. Есть технологические процессы при добыче и переработке полезных ископаемых, связанные с постоянным воздействие температуры +150 ºC и выше. При таких условиях детали из обычных полимеров быстро выходят из строя. Вот почему для суровых условий Арктики очень нужны высокотемпературные композиционные материалы. О них рассказал заместитель директора МИЦ «Композиты России» МГТУ им. Н. Э. Баумана Александр Калинников.
Основой для высокотемпературных композиционных материалов, созданных в МИЦ, является полиэфирсульфон (ПЭС). Это вещество размягчается при температуре +185 ºC и при этом обладает стойкостью к морозу, что позволяет установить верхнюю границу рабочей температуры для деталей из него в пределах от −50 до +180 ºC. Другими преимуществами ПЭС являются инертность и химическая стойкость. Для придания тех или иных свойств материалам на основе ПЭС, в них добавляют минеральные наполнители, волокна или объемные армирующие элементы. Хорошие результаты по модификации свойств материала дает применение в качестве наполнителя порошков, состоящих из наночастиц. И есть уже опытные образцы, изготовленные по такой технологии. Но на практике изделия из полиэфирсульфона пока не производятся серийно из-за вреда для экологии и здоровья работников производства.
Из композиционных материалов на основе ПЭС уже изготавливаются изоляторы для высоковольтных воздушных ЛЭП, которые успешно заменяют аналоги из стекла и керамики.
Отвечая на вопросы нашего издания по итогам конференции, президент ГК «ССТ» Михаил Струпинский отметил, что производимые его компанией нагревательные кабели, в том числе саморегулирующиеся, обеспечивают 100 % замещение импортной продукции. Эти кабели сертифицированы на соответствие международным нормам. Они поставляются для крупных инфраструктурных проектов в России и за рубежом, а также на экспорт, в том числе в Германию и другие страны Евросоюза.
В ряде случаев, когда речь идет о нагревательных кабелях для скважин и сверхдлинных систем обогрева, продукция ГК «ССТ» не имеет аналогов в мире. Причем саморегулирующие кабели могут использоваться не только на крупных предприятиях, но и в городском хозяйстве (подогрев крыш, тротуаров и т. п.), например, они используются для борьбы с сосульками на крыше Большого театра, а также борьбой с обледенением ступенек в 200 переходах Москвы и Московской области. Вы можете использовать саморегулирующийся кабель и самостоятельно, например, для подогрева крыльца своего частного дома, купив 10-метровый отрезок кабеля в одной из крупнейших DIY-сетей.
Тем не менее, по мнению Михаила Струпинского, сам по себе саморегулирующийся кабель не является панацеей. Это лишь одна из существующих в «ССТ» технологий электрического нагрева. Для каждого типа задач существует свое решение, которое оптимально для нее подходит. И, конечно, успех во многом зависит от правильного расчета и установки системы обогрева. Благо, в компании есть не только свой R&D-центр, разрабатывающий электротехнические решения, производственный комплекс из четырех заводов, но и инжиниринговое подразделение, которое возьмет на себя весь комплекс задач по проектированию и монтажу систем обогрева под ключ.
