Эффективность научного подхода при выборе критериев планирования восстановления трубопроводов

Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2008". Авторы - С.В. Храменков (МГУП «Мосводоканал», Россия, Москва), О.Г. Примин (ГУП «МосводоканалНИИпроект», Россия, Москва).

Трубопроводные системы - неотъемлемая часть инфраструктуры современных городов, а городские водопроводные и канализационные сети являются не только наиболее функционально значимым элементом системы водоснабжения и водоотведения, но и, как показывает практика эксплуатации, наиболее уязвимым.

По протяженности подземных трубопроводов Россия занимает второе место в мире. В настоящее время в эксплуатации находится свыше 2 млн. км наружных трубопроводов, в том числе около 700 тыс. км трубопроводов централизованных систем водоснабжения и водоотведения городов и поселений России и около 3 млн. км внутридомовых трубопроводов. Подавляющее большинство трубопроводов водопроводных и канализационных сетей городов РФ (более 60%) имеют на сегодняшний день значительный физический износ. Требуют полной замены 67 тыс. км стальных и 60 тыс. км чугунных труб. Плюс к этому 70 тыс. км стальных и 51 тыс. км чугунных труб нуждаются в срочном ремонте и восстановлении пропускной способности. Аналогичная ситуация сложилась и с трубопроводами водоотведения из общей протяженности в 163 тыс. км требуют немедленной замены 58 тыс. км. Причины низкой надежности трубопроводов городов России известны и сложились не в один день. К ним относятся:

1. износ трубопроводов;
2. неправильный выбор материала труб и класса их прочности;
3. несоблюдение технологии производства работ по укладке и монтажу трубопроводов;
4. отсутствие необходимых мер по защите трубопроводов от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды;
5. разрушающие давления, воздействие гидравлических ударов, падение долговременной прочности;
6. несоответствие качества труб требованиям ГОСТов и т.п.

Долгие годы планирование и осуществление строительства трубопроводов водопровода и канализации в бывшем СССР осуществлялось без учета требований надежности по применяемым материалам и организационно-технических возможностей эксплуатационных организаций. Именно по этим причинам значительное количество трубопроводов водопроводных сетей большинства городов России ( в том числе и в г. Москва) проложено из стальных труб, изготовленных из наиболее дешевых марок стали, без защиты внутренней и внешней поверхности труб от коррозии.

К сожалению, и в настоящее время в период реформирования ЖКХ в России обновление и восстановление трубопроводов не проводится в требуемом объеме. Результаты такой политики и привели к значительному износу и современному неудовлетворительному состоянию водонесущих коммуникаций городов и поселений России.

Московский водопровод не обошли эти проблемы. Средний возраст стальных трубопроводов Московского водопровода составляет 24 года, чугунных - 41 год. 10% чугунных трубопроводов построены до революции и имеют срок эксплуатации более 85 лет. В центре Москвы имеются участки чугунных трубопроводов, которые эксплуатируются с 1893 г. Более 1000 км канализационных сетей города Москвы построены до Великой Отечественной войны, а 200 км трубопроводов, проложенных в центральной части города, построены еще в прошлом веке и находятся в настоящее время в ветхом состоянии. Сложные условия эксплуатации, старение сети приводит к значительному уровню частоты отказов (засоры, нарушение герметичности) на трубопроводах.

Увеличение объемов перекладки и реновации труб, интенсификация работы МГУП «Мосводоканал» по реализации плана модернизации водопроводных и канализационных трубопроводов Москвы позволили значительно снизить число отказов и стабилизировать в последние годы уровень надежности трубопроводов.

Однако существующие темпы восстановления трубопроводов явно недостаточны для обеспечения его надежности и устойчивой работы. Расчеты показали, что если темпы обновления, например трубопроводов городской водопроводной сети, останутся на прежнем уровне, то к 2020 году более 72% трубопроводов будут самортизированы.

В этой связи очевидно, что сложившаяся в последние годы неблагоприятная ситуация с износом трубопроводов водоснабжения и водоотведения большинства городов России, вкупе с ограничением в условиях реформирования коммунального хозяйства страны материальных ресурсов на их восстановление и обновление, требует научно-обоснованного подхода к планированию восстановления трубопроводов.

Стратегическое планирование восстановления городских водопроводных и канализационных трубопроводов представляет собой важную государственную задачу с точки зрения обоснования размеров требуемых инвестиций для модернизации и реконструкции трубопроводной части системы.

Очевидными признаками старения труб являются рост числа их отказов и утечек воды, снижение гидравлических характеристик, существенные потери напора или изменение качества воды.

Трубопровод во время эксплуатации испытывает различные нагрузки и воздействия, которые обусловлены спецификой его устройства и работы (параметрами эксплуатации) и рядом дестабилизирующих внешних факторов. Это позволяет нагрузки и воздействия на трубопровод разделить на две группы: функциональные и природно-климатические.

К функциональным нагрузкам можно отнести: внутреннее давление воды в трубопроводе, скорость ее течения, качественные показатели воды, глубина залегания трубопровода (т.е. весовые нагрузки от грунта засыпки, интенсивность транспортных потоков - динамические нагрузки) и другие. Данные о типах и диапазонах изменения функциональных нагрузок могут быть получены из проектной и эксплуатационной документации, а также по результатам диагностики.

Природно-климатические нагрузки обусловлены взаимодействием трубопровода с окружающей средой и реальной обстановкой (т.е. городской инфраструктурой). К ним могут быть отнесены: тип и состояние (степень агрессивности) грунтов вдоль трассы, наличие подземных вод над трубопроводом, интенсивность транспортных потоков и другие.

Оценка реального воздействия на трубопровод дестабилизирующих его надежность факторов и условий эксплуатации получена на основании анализа результатов технической диагностики труб (Центр технической диагностики МГУП «Мосводоканал») и изучения причин образования дефектов труб, оценена с учетом взаимного влияния и сочетаемости нагрузок и воздействий различного происхождения.

Разработанная совместно с Московским государственным университетом (профессор В.А. Орлов) стратегия планирования восстановления трубопроводов базируется на комплексном использовании как статистических методов оценки надежности трубопроводов, так и на анализе факторов и воздействий, дестабилизирующих их надежность, результатах технической диагностики трубопроводов и оценки технико-экономической эффективности реконструкции трубопроводов и включает:

1. оценку и прогноз показателей надежности трубопроводов,
2. анализ результатов комплексной технической диагностики трубопроводов,
3. прочностные расчеты, оценка остаточного ресурса трубопроводов
4. прогноз технического состояния трубопроводов,
5. оценку технико-экономической эффективности реконструкции трубопроводов,
6. ранжирование и оценку факторов, дестабилизирующих надежность и долговечность трубопроводов - выявление потенциальных и первоочередных объектов восстановления,
7. планирование объектов восстановления трубопроводов,
8. выбор технологии реконструкции трубопроводов.

Анализ результатов статистических исследований по аварийности трубопроводов последних лет, практика эксплуатации трубопроводов Московского водопровода и результатов технической диагностики показывает, что условия эксплуатации и критериальные факторы, приводящие к повреждениям и дефектам трубопроводов и дестабилизирующие их надёжность по степени влияния на техническое состояние труб, могут быть представлены (ранжированы) в виде следующей последовательности:

• 1 ранг: материал труб и его качество;
• 2 ранг: наличие и качество изоляционного покрытия;
• 3 ранг: возраст трубопроводов;
• 4 ранг: отсутствие защиты от электрокоррозии;
• 5 ранг: диаметр трубы;
• 6 ранг: наличие блуждающих токов и коррозионной активности грунта;
• 7 ранг: число уже прошедших аварий (повреждений) на участке;
• 8 ранг: интенсивность транспортных и пассажиропотоков;
• 9 ранг: величина и динамика изменения напоров в сети;
• 10 ранг: наличие и глубина залегания подземных вод;
• 11 ранг: тип грунта;
• 12 ранг: глубина заложения участка сети.

Наличие данного перечня с установленными опытным путем рангами значимости не позволяет произвести какие-либо последующие обоснованные действия, не увязав факторы в единое целое и не назначив какого-либо количественного критерия в виде баллов (рейтингов), например, по результатам диагностики. Для выполнения условия увязки факторов в единую систему необходимо применение соответствующего математического аппарата.

На основе результатов проведенных в МГУП «Мосводоканал» совместно с МГСУ (проф. В.А. Орлов) работ была произведена теоретическая увязка взаимовлияния факторов в единой системе. Для этого был использован графо-матричный метод, который позволил установить связь между всеми дестабилизирующими факторами и выйти на определенные диапазоны рейтинговых значений (баллов) каждого фактора и элементов его состояния.

При этом необходимо отметить, что последовательность расположения факторов, т.е. их ранжирование должно быть осуществлено по опыту эксплуатации, а принятие окончательного решения по степени влияния и оценке факторов, приводящих к образованию дефектов в трубопроводах, должно приниматься экспертным путем. Таким образом, роль балльной оценки должна рассматриваться как вспомогательная для специалиста.

Безнапорная канализационная сеть г. Москва эксплуатируется при воздействии на неё множества внешних неблагоприятных факторов, подавляющее большинство которых носит случайный и практически неконтролируемый характер. Специфика работы канализационной сети (безнапорный режим течения, неравномерность расходов по часам суток, транспортировка твёрдых включений и т.д.) свидетельствует о том, что в ней в определённые периоды времени может наблюдаться частичное нарушение нормального режима работы. Это проявляется в виде выпадения взвешенных веществ в лотковой части трубы в часы минимального водоотведения, образования многочисленных дефектов по длине трубопровода, приводящих в конечном итоге к явлениям эксфильтрации и инфильтрации. Однако при этом сеть остаётся работоспособной, выполняя свою основную функцию транспортировки сточных вод к очистным сооружениям.

Спецификой работы трубопроводов канализационной сети г. Москва является то, что они подвержены восприятию дополнительных динамических и статических нагрузок от наземных и подземных (метро) транспортных средств, от прокладываемых новых инженерных коммуникаций, от строительно-монтажных работ вблизи трубопровода, от насыщенной подземной инфраструктуры и т.д. При длительной эксплуатации канализационных сетей характерно проявление на их внутренних стенках биологической коррозии.

Практика эксплуатации показала, что к основным факторам, дестабилизирующим надежность и экологическую безопасность трубопроводов городских канализационных сетей могут быть отнесены: физический износ, возраст трубопроводов, гидравлические параметры течения сточных вод, наличие подземных вод, агрессивных грунтов, прорастание корневых систем деревьев и кустарников внутрь трубопровода, дефекты стыковых соединений, нарушение уклона в профиле, смещение в плане и т.д., а также качество материала труб.

Доказательство значимости или приоритетности каждого из перечисленных факторов по отношению друг к другу и в совокупности воздействия является методически исключительно сложной задачей, отличающейся своеобразием методологического подхода. На сегодняшний день единственным путём доказательства значимости факторов должно быть изучение статистики отказов труб и глубокий анализ результатов технической диагностики (теледиагностики) их реального технического состояния с фиксацией и классификацией по степени значимости различных дефектов, дестабилизирующих работу канализационных сетей. Обладая такими данными по каждому из участков канализационной сети, можно составить общую картину её состояния, а используя математический аппарат и опыт эксплуатации, выделить первоочередные, потенциальные и перспективные объекты и методы её восстановления или ремонта, в том числе и наиболее прогрессивные на сегодняшний день бестраншейные.

С 1993 года в МГУП «Мосводоканал» (Центр технической диагностики) производится формирование и накопление базы данных по теледиагностике водоотводящих сетей. В год с использованием цветных телекамер с разрешением не менее 330-470 линий исследуется внутреннее состояние 150-200 км трубопроводов, что соответствует практике теледиагностирования в крупных городах мира (около 300 м в сутки).

В настоящее время видеоархив изображений внутренней поверхности канализационных трубопроводов представлен данными на протяжённости сетей свыше 700 км.

Использование передвижных телевизионных комплексов (ПТВК) позволяет расширить и конкретизировать картину технического состояния участков канализационных сетей, обеспечив тем самым оценку дестабилизирующих их надежность и техническое состояние факторов. Согласно регламенту эксплуатации ПТВК видеокассеты с изображением дефектов технического состояния трубопроводов подлежат камеральной обработке в лаборатории, после чего данные заносятся в архив и электронную базу данных программы Единое информационное поле «ЦТД» с заключением о состоянии конкретного участка трубопровода.

Изучение видеоархива диагностики позволило сделать вывод о возможности слежения и получения наиболее типичных картин проявления дефектов технического состояния трубопроводов и их проявлений, среди которых в первую очередь можно отметить следующие:

1. образование плотных несмываемых наносов,
2. образование продольных и поперечных трещин,
3. оголение арматуры,
4. абразивный износ и коррозия внутренней поверхности,
5. прорастание корней растений и деревьев внутрь трубопровода через дефекты в стыках или трещинах.

Исследования показали, что основными критериями оценки технического состояния трубопроводов и риска возникновения аварии, влияющими на выбор потенциальных объектов восстановления канализационных трубопроводов является оценка и ранжирование следующих дестабилизирующих факторов и признаков:

1. гидравлические параметры работы трубопроводов;
2. смещение труб с разрушением раструбов или соединительных муфт;
3. расхождение труб в местах стыковых соединений;
4. продольные или поперечные трещины;
5. прорастание раструбов корнями деревьев;
6. истирание лотковой части труб;
7. разрушение труб;
8. степень воздействия газовой коррозии на железобетонные трубопроводы и сооружения;
9. просадка труб и колодцев;
10. поступление грунтовых вод через не герметичные стыковые соединения или через стенки труб и т. д.;
11. количество случайных засорений.

Алгоритм планирования восстановления трубопроводов системы водоснабжения и водоотведения г. Москва основывается на многофакторном анализе и оценке надежности и технического состояния водопроводных и канализационных трубопроводов, пошаговом процессе выбора из большого числа потенциальных для восстановления участков трубопроводов - некоторого ограниченного количества первоочередных (приоритетных) и включает позиции (блоки):

1. выбор потенциальных объектов восстановления трубопроводов на основе выделения и количественной оценки базового (основного) фактора, которым служит уровень надежности трубопроводов, определяемый критическим (пороговым) значением интенсивности отказов трубопроводов и окончанием полезного срока службы трубопроводов.
2. выбор из числа потенциальных приоритетных (первоочередных) объектов восстановления на основе использования опыта эксплуатации и результатов технической диагностики трубопроводов, позволяющих провести комплексную оценку и ранжирование с определением коэффициентов значимости («весовых» коэффициентов) значительного числа дестабилизирующих и косвенных факторов, влияющих на надежность участков трубопроводов, их остаточный ресурс и технико-экономические показатели в реальных условиях эксплуатации.

Для водопроводных трубопроводов критерием выбора из значительного числа «самортизированных» трубопроводов - потенциальных объектов восстановления является превышение установленного порогового значения интенсивности отказов трубопроводов и окончание полезного срока службы.

Понятие «пороговое» значение (или диапазон значений) интенсивности отказов участков трубопроводов городской водопроводной сети (в распределении по материалам, диаметрам и назначению сети) используется в том смысле, что участки трубопроводов, у которых интенсивность отказов превышает установленное пороговое значение являются потенциальными кандидатами на восстановление. Для определения пороговых значений интенсивности отказов трубопроводов был проведен сбор и статистическая обработка данных по повреждениям трубопроводов Московского водопровода, изучены зарубежные нормативные документы и материалы, распространенные среди служб водоснабжения в Германии и других странах Европы. Эти критерии изложены в «Руководстве в помощь при реконструкции водопроводных систем» (DVGW,. Германия) и в проекте CARE-W-2001 Европейского исследовательского консорциума - «Система автоматического планирования реконструкции водопроводных сетей».

Из числа выбранных потенциальных - приоритетными (первоочередными) объектами восстановления считаются участки трубопроводов с наибольшими значениями коэффициентов значимости.

Количественная оценка элементов состояния каждого фактора представлена в виде паспорте ранжирования.

Очевидно, что приоритетными «кандидатами» на включение в ежегодную программу работ по восстановлению трубопроводов городской водопроводной сети являются наиболее дефектные трубопроводы в случае их неприемлемого технического и функционального состояния, имеющие наибольший риск отказов с материальным, экологическим и социальным ущербами или если расходы на их техническое обслуживание и ремонт превышают стоимость реконструкции.

Алгоритм реализован с помощью специальной программы для ЭВМ (АИС-«Планирование восстановления труб»). В автоматизированном режиме формируются и выводятся на печать списки объектов перекладок и реконструкции трубопроводов (потенциальных и первоочередных).

Программное обеспечение автоматизированной системы обоснования перекладок и восстановления трубопроводов водопровода и канализации МГУП «Мосводоканал» (АИС «Планирование восстановления труб») включает следующие взаимосвязанные программные модули (блоки):

Единое информационное поле (ЕИП):

1. Центр технической диагностики
2. ПУ «Мосводопровод»
3. Производственно-эксплуатационного управления канализационной сети (ПЭУКС)
4. Планирование восстановления трубопроводов
5. Выбор метода реконструкции трубопроводов

Единое информационное поле (см. рисунок) содержит всю имеющуюся информацию по паспортным и эксплуатационным данным участков трубопроводов, включая выполненные работы по технической диагностике и предназначено для автоматизации ввода, хранения, корректировки, обработки и выдачи необходимой информации по эксплуатации и диагностике трубопроводов водопроводной и канализационной сети города Москвы, а также напорной канализации, системе электрозащиты трубопроводов.

Программа АИС «Планирование восстановления труб» обеспечивает работу в среде Microsoft Windows 98 или Windows NT 4.0 и возможность работы в многопользовательском, сетевом режиме.

В качестве основных критериев, на основании которых должны приниматься решения по перекладке или восстановлению водопроводных и канализационных трубопроводов приняты:

1. численные показатели надежности трубопровода, окончание срока полезной службы труб;
2. условия прокладки и эксплуатации труб, факторы и воздействия, дестабилизирующих надежность труб
3. техническое состояние трубопровода, устанавливаемое по данным технической диагностики, прочностным расчетам и оценки остаточного ресурса;
4. высокий риск отказа участка трубопровода с материальным и экологическим ущербами,
5. значимость и роль участка трубопровода в системе (например, магистраль, перемычка, внутриквартальная или уличная распределительная сеть).

Стратегия планирования восстановления трубопроводов системы водоснабжения и водоотведения г. Москва основывается на многофакторном анализе и оценке надежности и технического состояния водопроводных и канализационных трубопроводов, пошаговом процессе выбора из большого числа потенциальных для восстановления участков трубопроводов - некоторого ограниченного количества первоочередных (приоритетных). Программное обеспечение стратегии планирования восстановления городских водопроводных и канализационных трубопроводов (АИС «Планирование восстановления труб») позволяет оценить различные варианты восстановления трубопроводов и принимать обоснованное решение о:

• целесообразности дальнейшей эксплуатации участков трубопроводов;
• технических мероприятиях по восстановлению несущей способности трубопроводов;
• сроках повторной диагностики трубопроводов;
• выборе объектов перекладки и восстановления трубопроводов и соответственно определить объемы (планы) ежегодного восстановления трубопроводов.

Предварительные расчеты для Московского водопровода, проведенные с использованием этой методики и программ для ЭВМ, показали необходимость перекладки и реконструкции ежегодно порядка 300 км труб городской водопроводной сети. Это может обеспечить снижение интенсивности отказов труб к 2016 году до 0,2 аварий в год на 1 км, то есть до среднего уровня надежности сетей водоснабжения европейских городов.