Разработка системного подхода к реновации напорных стальных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения

Актуальность работы и пути решения проблемы.

Одним из главных источником угроз для социального и экономического развития современных городов с развитой инфраструктурой является высокая степень скученности и изношенности действующих подземных трубопроводов различного назначения. В частности, старение подземных водопроводных и водоотводящих сетей достигли критических уровней: свыше 70% трубопроводных коммуникаций находятся в неудовлетворительном состоянии.

Исторически сложилось так, что в период массового строительства систем водоснабжения (30−70 годы XX века) в большинстве городов РФ напорные коммунальные трубопроводы строились в основном из стали без какой-либо защиты от коррозии. Это привело к тому, что на стальных водопроводных трубопроводах, имеющих нормативный срок службы 22 года, в последнее десятилетие аварийность возросла в 5 раз и составила в среднем по РФ 70 случаев в год на 100 км трубопроводов. Данное обстоятельство, безусловно, требует незамедлительной реновации сетей, чтобы предотвратить переход системы из критического состояния в катастрофическое, однако возможности эксплуатирующих организаций далеко не всегда позволяют это сделать.

Не меньшую актуальность приобретают вопросы замены старых напорных стальных водоотводящих сетей. По данным МГУП «Мосводоканал» общая протяженность эксплуатируемых более 30 лет напорных стальных трубопроводов составляет свыше 560 км (92% от общей протяженности напорных сетей) при превалировании больших диаметров 900−2000 мм, что еще более усугубляет проблему при возможных аварийных ситуациях.

Главными причинами повреждений трубопроводов являются: износ труб, низкое качество материала, избыточные напоры, наружная и внутренняя коррозия, а также совокупность внешних дестабилизирующих техногенных и природных факторов (агрессивных грунтов, подземных вод, резких сезонных изменений температуры). Учитывая, что в городах и населенных пунктах РФ в эксплуатации находится свыше 2 млн. км напорных трубопроводов из стали проблема их оперативной защиты (реновации и модернизации) становится одной из актуальных для коммунальных служб.

Неудовлетворительное состояние труб (прежде всего нарушение герметичности) ведёт к следующему:

— утечкам в системах водоснабжения, которые на настоящий момент времени в некоторых крупных городах составляют 30% и более от суточного расхода, вызывая подтопление территорий и ряд негативных последствий связанных с ними;

— утечкам в системах водоотведения, что негативно сказывается на здоровье людей: практически во всех регионах России периодически наблюдаются вспышки острых кишечных заболеваний, гепатита и тяжёлые желудочные отравления из-за проникновения сточных вод в подземные горизонты и трубопроводы питьевой воды.

Камнем преткновения в подходах и оценках степени ущербности отдельных объектов на сетях как в нашей стране, так и за рубежом является отсутствие исчерпывающих сведений о трубопроводах (по материалам инвентаризации и исполнительной документации) и окружающей их обстановке. Необходимо отметить, что даже в XXI веке, т. е. на современном этапе развития при практически полной компьютеризации многих операций, осуществляемых в коммунальных службах, и относительно широком использования теледиагностики для оценки технического состояния эксплуатируемых сетей (по крайней мере в крупных водоканалах) полную и исчерпывающую информацию о подземных сетях получить весьма проблематично. В то же время, при её наличии и соответствующей обработке, она могла бы служить отправной точкой разработки научно-обоснованной программы прогнозирования ремонта или реконструкции сетей на ближайшую и отдалённую перспективы для каждого водоканала РФ. При этом нельзя забывать, что эффективная реализация этой задачи возможна лишь при наличии электронной паспортизации подземных коммунальных объектов и автоматизированных компьютерных комплексов.

Таким образом, одним из путей решения проблемы и выхода из сложившейся ситуации с ветхими коммунальными сетями может служить разработка и поэтапное внедрение научно-обоснованной долгосрочной стратегии их восстановления и реконструкции. Одновременно с этим необходимо развивать и другое направление, т. е. совершенствование оперативной реновации сетей (т.е. восстановления, реконструкции и модернизации), заменяя или ремонтируя ветхие трубопроводы на трубы из новых, в том числе, полимерных материалов.

Первыми шагами при разработке системного подхода и научно-обоснованной стратегии реновации трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения должно являться: совершенствование комплексной диагностики трубопроводных сетей, которая призвана ответить на основные вопросы по оценке состояния и мерах конкретного воздействия на объект эксплуатации на данный момент времени, а также на перспективуиспользование новых материалов и технологий (прежде всего бестраншейных) при строительстве и ремонте трубопроводовсовершенствование проектирования ремонтных работ с учетом гидравлической совместимости используемых ремонтных материалов Цели и задачи работы. Целью настоящей работы является: -анализ результатов комплексной диагностики состояния участков трубопроводов стальной напорной водопроводной и водоотводящей сетей, эксплуатируемых МГУП «Мосводоканал» с учетом влияния всех дестабилизирующих их работу факторов;

— выявление и обоснование превалирующих дестабилизирующих факторов для условий Москвы с определением функциональных зависимостей между ними в единой системе воздействия на стальной трубопровод;

— разработка физической и математической моделей работы трубопроводов, составление паспорта участков сети и разработка мероприятий по оптимальному планированию восстановления водопроводных и водоотводящих трубопроводов на базе рейтинговой значимости отдельных дестабилизирующих факторов;

— разработка методики оценки остаточного ресурса участка стального трубопровода с учетом данных по диагностике толщины стенки, скорости коррозии и прочностного расчета;

— проведение гидравлических экспериментов на трубах из альтернативных материалов для оценки совместимости их со старыми трубами из других материалов и разработка мероприятий по оптимальному планированию ремонтно-восстановительных работ на напорных сетях и проектированию ремонта. Выполнение перечисленных задач реализовано в последующих главах диссертации и внедрено в практику проектирования ремонтно-восстановительных работ МГУП «Мосводоканал».

Для достижения поставленной цели были решены частные задачи: -выявлены и детально рассмотрены внешние факторы, оказывающие прямое и косвенное влияние на техническое состояние и эффективность эксплуатации стальной водопроводной и напорной водоотводящей сетей;

— разработаны научно-обоснованные методические подходы: к определению первоочередного объекта восстановленияоценки его ресурсапроверки возможности восстановления участка сети различными методами;

— проведены гидравлические исследования работы трубопроводов из различных материалов, которые могут являться потенциальными внутренними защитными покрытиями действующего трубопровода. Научная новизна работы состоит в следующем:

— по архивным материалам МГУП «Мосводоканал» проведен комплексный анализ состояния участков трубопроводов водопроводной и водоотводящей сетей и получена общая картина проявления дестабилизирующих факторов с функциональными зависимостями между ними;

— произведена корреляция результатов исследований по обработке статистических данных и теоретических выкладок на основе графово-матричного методапроизведена рейтинговая оценка дестабилизирующих факторов и создан алгоритм поиска наиболее ущербного участка водопроводной и водоотводящей сетей;

— по результатам обработки статистических данных по РЭВС (район эксплуатации водопроводной сети) и РЭКС (район эксплуатации канализационной сети) и результатам рейтингового моделирования составлены образцы паспортов участков трубопроводов;

— проведены гидравлические исследования работы новых труб (покрытий), являющихся потенциальными защитными материалами при реновации напорных стальных трубопроводов;

— на основе результатов гидравлических испытаний получены математические зависимости для расчета трубопроводов, подлежащих восстановлению различными бестраншейными методами.

Практическая значимость работы состоит в разработке системного подхода к поэтапному решению задач интенсификации работы напорных стальных водопроводных и водоотводящих сетей, а именно: :

— составления перечня и планирования первоочередных объектов реновации на базе оценки воздействия комплекса дестабилизирующих факторов с учетом остаточного ресурса (по результатам диагностики и прочностного расчета);

— определение расчетных гидравлических зависимостей для напорных трубопроводов (защитных покрытий) из различных материалов и обоснование оптимального метода реновации на основе учета гидравлической совместимости труб из различных материалов и стоимостных показателей. На защиту выносятся:

— результаты аналитических исследований по выявлению и анализу дестабилизирующих работу трубопроводов факторов, создание паспортов участков напорной трубопроводной сети;

— рейтинговое моделирование и создание алгоритма поиска наиболее ущербного участка стальных напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения;

— результаты натурных исследований по определению гидравлических параметров работы трубопроводов из различных материалов (покрытий) и условий их гидравлической совместимости;

Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты стендовых гидравлических исследований докладывались на:

— Общероссийской научно-практической конференции по бестраншейным технологиям, 21−23 ноября 2006 г. в МГГУ (Московский государственный горный университет);

— Открытом конкурсе молодых ученых и специалистов на соискание премии ГУП «МосводоканалНИИпроект» в области водоснабжения и водоотведения, 6 апреля 2007 г. В Москве (работа отмечена Дипломом I степени Лауреата конкурса);

— VII Всероссийской научно-практической конференции аспирантов и студентов «Научно-техническое творчество молодежи — путь к обществу, основанному на знаниях», 26−27 июня 2007 г. в Москве, ВДНХ (пав. 57) — работа отмечена Дипломом I степени.

Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 91 наименования. Общий объём диссертационной работы: 144 страницы машинописного текста, 34 таблицы, 31 рисунок, приложения в виде таблиц и справка о внедрении.

Общие выводы.

1. Установлено, что на сегодняшний день техническое состояние наружных напорных стальных водопроводных и водоотводящих сетей в целом можно оценить как неудовлетворительное и требующее оперативных мероприятий по их профилактическому ремонту, модернизации и реновации на базе разработки системного подхода.

2. Установлено, что в практике эксплуатации напорных стальных водопроводных и водоотводящих сетей уровень использования диагностических параметров и природно-климатических нагрузок, отрицательно воздействующих на трубопроводы, недостаточен, что отражается на отсутствии универсальных подходов к определению критериев выбора приоритетных объектов ремонта при планировании восстановительных работ на сетях.

3. Проведены комплексные мониторинга гидравлических показателей и качественных характеристик транспортируемой воды, коррозионной активности грунта, мест и характера повреждений трубразработан универсальный вариант увязки гидравлических (скорость, напор) и технологических (диаметр, длина, принадлежность участка сети) параметров сети для использования при ранжировании ее участков по степени технической ущербности.

4. Выявлены внешние дестабилизирующие факторы воздействия на трубопроводы и на основе графово-матричного метода установлена связь между нимипроизведено ранжирование факторов с определением рейтинговых значений элементов их состояния и составлением паспортов участков трубопроводов.

5. Разработаны иерархические уровни принятия решения по реновации участков по максимальному баллу с учетом поправки на величину остаточного ресурса, определяемого по результатам диагностики толщины стенки и прочностного расчета, скорости коррозии и проведения прочностного расчета.

6. Проведены гидравлические исследования на полупроизводственных стендах с трубопроводами диаметром 100 мм из различных материалов стальных с полимерным и цементнопесчаным покрытием, полиэтиленовых) для определения условий их гидравлической совместимости с действующими ветхими участками стальных трубопроводов при проведении восстановительных работ.

7. Определены значения коэффициента гидравлического трения X для труб соответствующего диаметра и материала защитных покрытийустановлены эмпирические зависимости единичных потерь напора i от расхода жидкости в трубопроводе Q: inon. покр = 5672,3Q2'7655- 1полиэт. = 190,67Q1'9802- i цпп = 185,82Q1'9395.

8. Произведен пересчет в унифицированной форме через удельное сопротивление «А» эмпирических зависимостей путем моделирования значений X и эквивалентной шероховатости кэпри переходе на другие диаметры.

Получены расчетные зависимости, для определения коэффициента удельного сопротивления «А» для широкой гаммы внутренних диаметров трубопроводов (защитных покрытий) d: Аполлнжр = 5- 1012-d" 5'2791- Аполиэт. = 9- Ю12-^5'316- Ацпп = 4- 1012-d" 5'2279;

9. На основе эмпирических зависимостей и стандартной методики технико-экономического расчета произведена оценка эффективности 4-х альтернативных вариантов реновации (с использованием бестраншейных технологий и альтернативных защитных материалов) на образцовом объекте с выявлением оптимального по приведенным затратам и гидравлической совместимости.

10. Положения по ранжированию дестабилизирующих факторов явились предметом полезной модели «Устройство для анализа и повышения надежности напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения» и получения Патента РФ № 41 748.

11. Отдельные положения работы (паспорта трубопроводов, алгоритм принятия решения) внедрены в практику ремонтно-восстановительных работ МГУП «Мосводоканал».

Положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 15-ти научных трудах автора [77−91].