Лекции для студентов

Реконструкция систем водоснабжения и водоотведения — состояние и перспективы решения вопросов восстановления наружных трубопроводов

состояние и перспективы решения вопросов восстановления наружных трубопроводов

Общие подходы к разработке стратегии восстановления городских водопроводных сетей и выбора приоритетного объекта восстановления

Практика эксплуатации городских водопроводных сетей как в РФ, так и за рубежом показывает, что нарушения нормального уровня водообеспечения различных потребителей связаны в основном с авариями (отказами) на участках трубопроводов, которые являются наиболее функционально значимыми и уязвимыми элементами системы водоснабжения города.

Отказы трубопроводов возникают из-за ряда причин:

неправильного выбора материала труб для конкретных условий строительства, класса их прочности, отвечающего фактическим внешним и внутренним нагрузкам, воздействующим на трубопровод;

несоблюдения технологии производства работ по укладке и монтажу трубопроводов;

отсутствия необходимых мер по их защите от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды;

неправильного выбора типа трубопроводной арматуры и других факторов.

Современный подход к разработке стратегии восстановления городских водопроводных сетей должен быть основан на использовании информационных технологий в управлении их эксплуатацией и применении математических методов ранжирования объектов восстановления, например, по балльной системе на основе распределения дестабилизирующих надежность трубопроводов факторов по рангам значимости.

Для этого требуется создание и использование соответствующего автоматизированного информационно-технического обеспечения стратегии восстановления городской водопроводной сети, которое должно включать:

· компьютерную базу данных (БД) по эксплуатации городской водопроводной сети;

· автоматизированную систему сбора, регистрации, хранения и обработки информации по авариям участков трубопроводов со сведениями по содержанию и стоимости выполненных работ (капитальный, текущий, планово-профилактический и аварийный ремонты);

· информационно-поисковую систему (комплекс компьютерных программ для оценки и прогноза показателей надежности участков трубопроводов и сроков их полезной службы);

· электронные планшетные карты аварийности трубопроводов городской водопроводной сети;

· паспортные и инвентаризационные (архив эксплуатации) данные по всем участкам трубопроводов городской водопроводной сети.

Функционирование БД должно позволять на практике проводить обширные статистические исследования, оценивать надежность трубопроводов городской водопроводной сети и являться информационной основой для принятия решения по стратегии планирования восстановления трубопроводов.

Пользователям БД необходимо владеть основными терминами и определениями из теории надежности, по которым может быть правильно интерпретирована и оценена эффективность работы водопроводной сети.

В частности, под надежностью участка трубопровода должно пониматься его свойство выполнять заданные функции в заданном объеме при определенных условиях эксплуатации. В свою очередь функцией городской водопроводной сети является бесперебойное снабжение потребителей водой требуемого количества и качества под требуемым напором, а также недопущение ситуаций, опасных для людей и окружающей среды.

Нарушения работы трубопроводов городской водопроводной сети, препятствующие нормальному выполнению заданных функций, обуславливаются различными случайными событиями. Единственным путем оценки возможности появления таких событий, закономерностей их возникновения и повторения являются сбор и обработка статистических сведений по эксплуатации сети. Эти сведения позволяют установить численно вероятность возникновения случайных событий, которые могут привести к отказу участка трубопровода и нарушению нормального функционирования сети в целом.

Под отказом участка трубопровода понимается событие, заключающееся в нарушении его работоспособности, при котором необходимо отключение трубопровода на ремонт с выполнением раскопочных работ.

Показатель надежности участка трубопровода — количественная характеристика одного или нескольких свойств, составляющих его надежность. К основным показателям надежности участков трубопроводов относятся:

интенсивность отказов (риск возникновения отказов аварий с раскопкой), 1 год/км;

среднее время восстановления (ликвидации аварии), наработка на отказ (среднее время работы участка трубопровода между отказами), г;

вероятность безотказной работы в пределах заданного времени эксплуатации.

Решение о необходимости восстановления (санации) или обновления (перекладки) конкретного участка трубопровода должно приниматься на основании оценки технической и экономической целесообразности дальнейшей эксплуатации участка трубопровода и с учетом опыта эксплуатации.

Техническая целесообразность эксплуатации участка трубопровода в его существующем состоянии определяется окончанием технического срока службы, при котором уровень его надежности, гидравлические параметры функционирования и показатели качества транспортируемой воды являются недостаточными и не соответствуют требуемым нормативам. Технический срок службы трубопровода определяется на основании анализа аварийности трубопроводов путем оценки и прогноза показателей надежности и по результатам обследования (технической диагностики) участков трубопроводов.

Экономическая целесообразность эксплуатации участка трубопровода определяется окончанием экономического (полезного) срока службы, за пределами которого расходы на эксплуатацию участка трубопровода превышают возможные расходы на его реновацию (перекладку или санацию), а уровень надежности не соответствует требуемому или принятому за норматив.

В этой связи к критериям, определяющим стратегию выбора потенциальных объектов восстановления (санации) трубопроводов, относятся:

показатели надежности участков трубопроводов и прогноз их изменения;

дестабилизирующие надежность трубопроводов факторы;

срок эксплуатации и техническое состояние трубопроводов;

ремонтопригодность трубопроводов;

остаточные ожидаемые сроки полезной эксплуатации;

прошлые расходы на восстановление;

реальная стоимость существующих трубопроводов и стоимость их восстановления;

ограничения по финансовым расходам.

Информационно-техническое обеспечение стратегии восстановления трубопроводов позволяет путем запросов по БД оценить эти критерии и выбрать район водопроводной сети (РВС) города с наибольшей аварийностью трубопроводов (по выбранным для анализа диаметрам, материалам и срокам эксплуатации трубопроводов).

Анализ электронной планшетной карты аварийности трубопроводов городской водопроводной сети позволяет выбрать планшет с максимальной аварийностью трубопроводов.

В пределах планшета функционирование БД позволяет выполнить ранжирование участков трубопроводов по приоритетности их восстановления и сформировать списки и паспорта потенциальных объектов восстановления, т.е. участков трубопроводов городской водопроводной сети от колодца до колодца.

В качестве примера в табл. 1 приведены сведения по реализации начального этапа стратегии определения потенциальных объектов восстановления трубопроводов, т. е. получение по запросу из БД численных критериев надежности стальных трубопроводов Московского водопровода (для диаметра 400 мм) с истекшим сроком службы, превышающим нормативный (более 20 лет эксплуатации) для всех районов водопроводной сети (РВС) города.

Анализ приведенных данных позволяет сделать вывод о том, что критический уровень надежности трубопроводов выбранного диаметра и материала, наиболее высокая интенсивность отказов (аварий с раскопкой) и наибольший риск возникновения аварий зафиксирован в шестом РВС города: уровень надежности составляет всего 0,42, а риск возникновения отказов 1,35 аварий в год на 1 км трубопровода. Прогнозируется возникновение порядка 20 аварий в год с интенсивностью 1,9 аварий в год на 1 км сети.

Следующим этапом стратегии восстановления является выбор из установленных потенциальных объектов восстановления (участков трубопроводов конкретного РВС) первоочередных (или приоритетных) путем использования балльной системы оценки влияния на их надежность косвенных и дестабилизирующих факторов.

Необходимо отметить, что выбор характерных для городов РФ первоочередных объектов восстановления (санации) протяженной водопроводной сети в условиях эксплуатации, значительная часть трубопроводов которых, как правило, исчерпала нормативный срок службы и имеет высокий риск возникновения аварий, является сложной многофакторной задачей. Для ее решения может использоваться математический аппарат (теории графов) и методы математической статистики.

Современная концепция подхода к определению первоочередного объекта реабилитации трубопроводов городской водопроводной сети базируется на выделении и количественном и качественном определении приоритетного базового (основного) фактора, которым служит его надежность, а также комплексной оценки значительного количества косвенных факторов, влияющих на показатели надежности участков трубопроводов в реальных условиях эксплуатации.

Данный этап стратегии реновации реализуется путем подсчета обшей суммы баллов по показателям и характеристикам из паспортных данных на каждом рассматриваемом на предмет приоритетности восстановления участке трубопровода водопроводной сети.

К основным косвенным факторам, влияющим на уровень надежности трубопровода и, следовательно, на риск возникновения его отказа, относятся:

год укладки трубопровода;

диаметр трубопровода (в том числе толщина стенок);

наличие зашиты от электрокоррозии;

гидравлические характеристики (скорость, коэффициент гидравлического трения);

давление (напор) воды;

глубина заложения трубопровода;

качественные показатели транспортируемой воды;

тип (характер) грунтов;

наличие подземных вод;

интенсивность транспортных и пассажиропотоков вблизи объекта потенциальной реновации водопроводной сети;

плотность населения вблизи объекта потенциальной реновации и другие.

Влияние косвенных факторов на базовый, к которому отнесена надежность участка трубопровода, и определение их рангов приоритетности по балльной системе производятся с помощью математической модели (теории графов) посредством составления матриц доминирования, устанавливающих общую связность (т.е. наличие или отсутствие связей вершин графа) всех элементов системы с учетом множества возможных сочленений и выявлением ранга доминирования или значимости.

При этом значимость каждого из описанных факторов определяется количеством связей с подобными ему из числа перечисленных и основным фактором.

Приоритетными среди выбранных на первом этапе потенциальных участков трубопроводов для проведения восстановительных работ будут считаться те участки сети, где суммы баллов составляют максимальные значения.

Данной процедурой завершается второй этап, который позволяет сузить рамки исходной многофакторной задачи, обобщив всю имеющуюся информацию по косвенным факторам и выделив ограниченное число потенциальных для восстановления, т.е. неблагоприятных в техническом отношении участков.