Доклад, представленный на международной конференции "NO-DIG - 2010". Авторы - C.В. Храменков, МГУП «Мосводоканал» (Россия, Москва), О.Г. Примин, ОАО «МосводоканалНИИпроект» (Россия, Москва).
Надежность и экологическая безопасность труб являются одним из основных требований, предъявляемых к водопроводным и канализационным трубопроводам. Практика эксплуатации городских систем водоснабжения показывает, что нарушения нормального уровня водоснабжения связаны в основном с авариями (отказами) на участках трубопроводов городской водопроводной сети - наиболее функционально значимых и уязвимых элементов системы водоснабжения города.
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. По данным Минрегиона РФ, подавляющее большинство трубопроводов водопроводных сетей городов РФ (более 60%) имеют на сегодняшний день значительный физический износ. В Российской Федерации по статистическим данным одна треть водопроводных сетей нуждается в замене. В 2009 году заменено только 1,6 % от общей протяженности сетей. Проблема обеспечения требуемой надежности трубопроводов не обошла и Москву. Транспортирование питьевой воды в системе водоснабжения Москвы осуществляется по радиально-кольцевой системе трубопроводов протяженностью более 11 тыс. км. Водопроводная сеть является одним из самых уязвимых элементов в системе водоснабжения города Москвы.
Установленный нормативный срок службы исчерпали около 5,3 тыс. км труб. В структуре труб основной материал - сталь, что приводит к значительному числу коррозионных повреждений. Объем реконструкции на сегодняшний день составляет ежегодно около 170 км или 1,5% от их общей протяженности, что недостаточно для обеспечения требуемой надежности трубопроводов. При таких темпах перекладки сети ее износ достигнет к 2020 году около 60 %. Канализационная сеть, как и водопроводная, имеет высокий износ. Протяженность самортизированных сетей, включая каналы большого диаметра (до 3,5 м), составляет 46-69% в зависимости от диаметра. На сегодняшний день объемы реконструкции и перекладки канализационных трубопроводов недостаточны и составляют 74 км или 0,95%от общей протяженности.
Такое положение с надежностью трубопроводов определило тот факт, что одной из основных задач, принятых Правительством Москвы в 2010 году городской целевой программы «Чистая вода Москвы», является повышение надежности водопроводных и канализационных трубопроводов. Программой планируется снижение интенсивности аварий трубопроводов к 2020 году:
-на водопроводных сетях -0,25 ав/г.км,
-на канализационных – 1,3 ав/г.км ( с учетом засоров).
Очевидно, что для обеспечения планируемых Программой значений показателей надежности трубопроводов необходим научно-обоснованный подход к планированию их восстановления и в первую очередь с использованием методов бестраншейного ремонта - наиболее эффективных для загруженного подземного пространства Москвы.
Методы
Разработанная стратегия планирования восстановления трубопроводов основана на использовании как статистических методов оценки и прогноза надежности трубопроводов, данных по паспортизации и эксплуатации труб, так и на результатах комплексной диагностики их технического состояния.
В качестве основных критериев, на основании которых принимаются решения по перекладке или реконструкции водопроводных трубопроводов в МГУП «Мосводоканал», приняты:
- численные показатели надежности трубопровода, окончание срока полезной службы труб;
- условия прокладки и эксплуатации труб, факторы и воздействия, дестабилизирующие надежность труб;
- техническое состояние трубопровода, устанавливаемое по данным технической диагностики, прочностным расчетам и оценки остаточного ресурса;
- высокий риск отказа участка трубопровода с материальным и экологическим ущербами;
- значимость и роль участка трубопровода в системе (например, магистраль, перемычка, внутриквартальная или уличная распределительная сеть).
Результаты
В МГУП «Мосводоканал» для водопроводных трубопроводов практической реализацией научно-обоснованной стратегии планирования их восстановления является программный комплекс для АСУПВ «Мосводопровод». Вид главного меню программы АСУПВ «Мосводопровод» приведен на рис. 1.
Алгоритм планирования восстановления трубопроводов в программном комплексе базируется на:
- оценке показателей надежности трубопроводов;
- выборе потенциальных и приоритетных объектов восстановления трубопроводов;
- технико-экономической оценке выбора метода реконструкции трубопроводов.
Программный комплекс состоит из следующих блоков:
- Единое информационное поле, включающее электронные базы данных по эксплуатации и технической диагностике трубопроводов Московского водопровода.
- Надежность – в автоматизированном виде осуществляется оценка надежности трубопроводов в распределении по диаметрам и материалу труб, срокам эксплуатации - как в целом по системе, так и для отдельных районов эксплуатации водопроводной сети города.
- Планирование восстановления труб – формирование списков потенциальных и приоритетных (первоочередных) объектов реконструкции трубопроводов.
- Выбор методов реконструкции трубопроводов.
Сводный паспорт участка трубопровода включает паспортные данные участка трубопровода и выполненные работы по его диагностике. Используется при заполнении паспорта ранжирования трубопроводов по приоритетности их восстановления. Количественно надежность участков трубопроводов городской водопроводной сети определяется вероятностными характеристиками и показателями. Для вычисления и сравнения показателей надежности необходимо, чтобы они были приведены к одному и тому же интервалу времени.
К основным показателям надежности участков трубопроводов относятся:
w(t) - интенсивность отказов (1/ год.км.)
tв - среднее время восстановления (ликвидации аварии) (час)
То -среднее время работы элемента (участка трубопровода) между отказами (наработка на отказ),(год)
Р(t) - вероятность безотказной работы участка трубопровода в интервале времени t
Q(t) = 1 - Р(t) – вероятность возникновения отказа участка трубопровода в интервале времени t.
Интенсивность отказов участка трубопровода – w(t) характеризует плотность вероятности возникновения отказа в рассматриваемый момент времени (то есть риск появления отказа (аварии или повреждения) трубопровода). На практике интенсивность отказов участков трубопроводов определяется по результатам сбора и статистической обработки эксплуатационных данных об их отказах по выражению:
где: ∑ n - количество отказов участка трубопровода определенного материала и диаметра за период времени наблюдения t
∑ L – суммарная длина участка трубопровода определенного материала и диаметра.
Для обработки обширных данных по эксплуатации сети Московского водопровода и оценке надежности ее элементов – участков труб используется блок «Надежность» программы АСУПВ «Мосводопровод» (рис.2).
Программа позволяет для любого района эксплуатации городской водопроводной сети, для выбранных критериев отбора получить и распечатать следующие данные:
- Аварийность (в процентах) участков трубопроводов по диапазонам сроков эксплуатации:
- Значения интенсивности отказов трубопроводов по срокам эксплуатации:
- Процент отказов на участках трубопроводов по срокам эксплуатации;
- Прогноз вероятности «выживания» участков трубопроводов по срокам эксплуатации.
(Понятие «выживание» применительно к участкам трубопроводов означает количество участков (в процентах от общей протяженности) трубопроводов определенного возраста, на которых к определенному сроку эксплуатации не было аварий.)
Статистические исследования показали, что в целом для трубопроводов Московского водопровода риск отказов с уменьшением диаметра труб увеличивается как для стальных, так и для чугунных труб (рис. 3, рис. 4).
Аппроксимируя эти зависимости, получили аналитические выражения для прогноза интенсивности отказов участков трубопроводов Московского водопровода, в зависимости от величины диаметра и материала труб (в целом по системе трубопроводов):
w(t) = 157,64 D-1,15 - для чугунных труб, (1.1)
w(t) = 81,51 D- 0,984 - для стальных труб (1.2)
где D - диаметр трубы (мм), w(t) - интенсивность отказов, ( 1/ г.км).
Исследования показали, что 96 % аварий и повреждений трубопроводов и оборудования городской водопроводной сети Москвы, приводящих к изливам воды, связаны с разгерметизацией трубопроводов, причиной которой являются в основном свищи (более 70% у стальных труб), нарушение герметичности раструбных соединений и переломы труб (более 65% у чугунных труб). В целом по результатам статистических исследований установлено, что для Московского водопровода средневзвешенное значение величины интенсивности отказов трубопроводов за последние 10 лет составляет λ(t) = 0,48 1/г. км., (в 2008 году - 0,34 ав./г. км.), что выше аналогичных показателей для трубопроводов систем водоснабжения большинства городов Европы, но значительно ниже средних по РФ. Контроль этой величины позволяет фиксировать фактический уровень надежности и риска отказов труб, соответствующий существующему техническому состоянию трубопроводов водопроводной сети города Москвы, организации их технического обслуживания и ремонта. Результаты оценки надежности трубопроводов Московского водопровода являются основой для определения пороговых значений интенсивности отказов трубопроводов и планирования объектов восстановления. 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.
Алгоритм планирования восстановления трубопроводов основан на пошаговом процессе автоматизированного выбора из большого числа потенциально опасных с точки зрения их надежности и риска повреждений и аварий трубопроводов - некоторого ограниченного количества первоочередных(приоритетных) и состоит из двух этапов:
1. Определение потенциальных объектов восстановления трубопроводов на основе выделения и количественной оценки базового (основного) фактора, которым служит уровень надежности трубопроводов.
Критериями выбора потенциальных объектов диагностики трубопроводов являются превышение установленного порогового значения интенсивности отказов трубопроводов, окончание полезного срока службы.
2. Определение приоритетного (первоочередного) объекта восстановления трубопроводов на основе комплексной оценки и ранжирования дестабилизирующих и косвенных факторов, влияющих на надежность трубопровода в реальных условиях эксплуатации.
Опыт эксплуатации и проведенные профессором В.А. Орловым исследования позволили установить, что к факторам влияния на уровень надежности трубопровода и, следовательно, на риск возникновения его отказа, могут быть отнесены 13 дестабилизирующих и косвенных факторов, ранжированных в определенной последовательности (таблица 1).
При определении приоритетных объектов восстановления трубопроводов анализ и учет этих факторов и воздействий на трубопровод производится путем заполнения паспорта ранжирования участка трубопровода (рис.5).
В результате обеспечивается распределение ранее выявленных потенциальных объектов восстановления - отдельных участков сетей, по рангам значимости с определением балльной оценки «вклада» каждого исследуемого дестабилизирующего фактора в реальное техническое состояние трубопровода и прогноз его изменения.
Первоочередными для проведения реконструкции участками трубопровода являются те, у которых имеется наибольшее балльное (рейтинговое) значение (наибольший коэффициент значимости).
Информация по отдельным позициям паспорта ранжирования заполняется программным обращением к электронным Базам данных по паспортизации и диагностике трубопроводов. Для помощи в заполнении паспорта ранжирования формируется паспорт участка трубопровода, в котором приведены все данные по его паспортным характеристикам, эксплуатации и выполненным диагностическим работам (рис. 6).
В итоге формируется список приоритетных объектов восстановления трубопроводов в виде таблицы с указанием номеров их участков и количества баллов (весовых коэффициентов) (Рис.7).
Для выбранных приоритетных объектов восстановления (стальных трубопроводов), используя данные технической диагностики проводится в автоматизированном виде расчет остаточного ресурса трубопроводов.
Под остаточным ресурсом (или остаточным сроком службы) понимается наработка трубопровода от момента его диагностирования до достижения предельного состояния.
Сущность оценки остаточного ресурса трубопровода во времени в зависимости от толщины стенки состоит в комплексном анализе остаточной толщины стенки и влияния на участок трубопровода внешних обстоятельств, нагрузок и воздействий, связанных в частности с местом расположения трубопровода, глубиной его залегания, наличием подземных вод по трассе, характеристикой грунта, сроках эксплуатации отдельных участков сети и т. д. и сопоставления величин:
- расчетной требуемой толщины стенки трубопровода d расч. тр.;
- проектной толщины стенки dпроек., т.е. согласно ГОСТ на соответствующий диаметр трубы и марку стали;
- остаточной толщины стенки dост. (как результата проявления коррозионных процессов на внутренней и внешней поверхности трубопровода во времени).
Заключительным этапом является выбор методов реконструкции трубопроводов. Технико-экономические критерии обоснования вариантов реконструкции трубопроводов в условиях эксплуатации основаны на оценке приведенных затрат Ппр. по каждому варианту реконструкции трубопроводов.
Использование балльной системы оценки дестабилизирующих надежность трубопроводов сети факторов позволяет классифицировать трубопроводы по категории надежности (например, высокая, средняя и низкая степень) и принять решение (план действий) по дальнейшей эксплуатации трубопровода, например, по следующей схеме (балльные значения будут уточняться в будущем по мере накопления информации):
относительно низкая степень надежности участка водопроводной сети (1200 – 700 баллов) –рекомендации по перекладке и замене материала труб;
средняя степень надежности участка водопроводной сети (690 – 200 баллов) - рекомендации по замедлению процессов коррозии и старения (определяются для каждого участка на основании экспертной оценки специалистов, например, путем установки УКЗ, реконструкции с использованием цементно-песчаных или полимерных покрытий, реновация методом протягивания новой трубы в старую без ее разрушения или с предварительным разрушением);
относительно высокая степень надежности участка водопроводной сети (менее 200 баллов) -рекомендации дальнейшей эксплуатации водопроводных труб, с повторной диагностикой (теледиагностикой) через 2 года.
Выводы:
1. Стратегия планирования восстановления трубопроводов сети Московского водопровода базируется на:
оценке показателей надежности трубопроводов;
результатах комплексной технической диагностики трубопроводов;
оценке и ранжировании дестабилизирующих надежность трубопроводов факторов и воздействий;
технико-экономических критериях отбора труб, подлежащих реконструкции
При этом важная роль отводится вопросу определения реального состояния трубопроводов, которое изменяется с течением времени из-за различных внешних и внутренних причин (дестабилизирующих надежность труб факторов и воздействий).
2. Знание технического состояния элементов (участков) трубопроводов городской водопроводной сети позволяет управлять процессом эксплуатации с наибольшей эффективностью принимать решения, минимизирующие затраты на эксплуатацию систем, определять «слабые звенья» системы (участки труб с высоким риском аварий с материальным и экологическим ущербом), прогнозировать повреждения труб и быстро их локализовать, осуществлять ремонт в кратчайшие сроки, тем самым увеличивая надежность системы в целом/
Комментарии 0