Анализ отказов трубопроводных сетей систем водоснабжения городов Крыма с целью обоснования параметров реконструкции Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 628.142

АНАЛИЗ ОТКАЗОВ ТРУБОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ СИСТЕМ ВОДОСНАБЖЕНИЯ ГОРОДОВ КРЫМА С ЦЕЛЬЮ ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕКОНСТРУКЦИИ

Николенко И.В., Крымов Р.С., Жилин К. А.

Академия строительства и архитектуры ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского», Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181. e-mail: nikoshi@mail.ru

Аннотация. Выполнен анализ методов исследования показателей надежности трубопроводных сетей систем водоснабжения. Рассмотрена методология восстановления и реконструкции трубопроводных сетей систем водоснабжения в городах Крыма на примере Симферополя и Алушты. Выполнен анализ отказов трубопроводных сетей систем водоснабжения этих городов. Предложено для обоснования параметров реконструкции выполнять увязку гидравлических и технологических параметров с применением геоинформационной системы «Zulu». Выполнен анализ полученных результатов и даны предложения по обоснованию параметров реконструкции трубопроводных сетей систем водоснабжения для рассмотренных городов Крыма.

Ключевые слова: система водоснабжения, водопроводная сеть, надежность, экологическая безопасность, дефект, геоинформационная система.

ВВЕДЕНИЕ

Важными элементами жизнеобеспечения человека являются качество воды и устойчивая работа систем водоснабжения. Вопросы доступа к источникам питьевой воды и недопущения ее дефицита становятся актуальными в настоящее время из-за ограниченности мировых запасов пресной воды. Поэтому в XXI веке вода превращается в стратегический сырьевой ресурс, а задачи безопасной транспортировки, распределения очистки питьевой и сточных вод все больше становятся приоритетными задачами общества, так как напрямую связаны с жизнью и здоровьем людей, качеством и комфортабельностью условий проживания населения.

Рациональное использование водных ресурсов требует анализа всех элементов систем водоснабжения и водоотведения (СВВ) и на его основе принятия эффективных решений, как по использованию качественной воды, так, и по недопущению ее дефицита. СВВ являются одними из наиболее капиталоемких коммунальных служб современного населенного пункта. Объективные и субъективные причины привели к кризисному состоянию коммунального хозяйства, в том числе СВВ за счет физического и морального износа большинства инженерных систем, сооружений и оборудования.

Надежная работа и экологическая безопасность СВВ населенных пунктов обеспечивается различными методами предупреждения старения и ликвидации выхода из строя трубопроводов, а также устранения и локализации последствий их проявления. Особую актуальность эти проблемы имеют для курортных городов России, так как существенно влияют на условия экологического равновесия зон рекреации, могут отрицательно воздействовать на здоровье людей и окружающую среду, что в целом будет оказывать негативное

влияние на социально-экономическую обстановку в таких населенных пунктах.

Поэтому создание научно-обоснованной методологии прогнозирования реконструкции водопроводных сетей на основе информации об их текущем состоянии с учетом возможностей компьютерного моделирования условий работы, является актуальной задачей для обеспечения экологической безопасности и надежности СВВ.

ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Высокая степень изношенности действующих водопроводных сетей является одним из источников угроз для экономического, экологического и социального развития современного города. Проблема обеспечения надежности при эксплуатации трубопроводов СВВ является наиболее сложной, решение которой достигается на стыке многих научно-технических дисциплин и учета множества факторов, влияние которых можно только оценивать.

Вопросы исследования надежности СВВ рассматривались во многих работах отечественных и зарубежных авторов. Н.Н.Абрамовым были проведены первые отечественные фундаментальные исследования по проблеме надежности систем водоснабжения, в которых впервые они были определены, а также сформулированы основные задачи и рассмотрены пути их решения [1]. В работах Ильина Ю.А. наиболее полно отражены вопросы надежности систем водоснабжения, в которых представлены пути решения проблем надежности систем и сооружений водоснабжения, решаемые на основе теории надежности сложных технических систем, а также обоснована формулировка требований к надежности подачи воды [2,3], В этих работах приведена классификация и изложены способы определения показателей безотказности и ремонтопригодности

водопроводного оборудования по результатам их эксплуатации в системах и специальных испытаний на надежность. Для учета показателей надежности были рассмотрены методы определения производительности системы водоснабжения с учетом показателей безотказности и ремонтопригодности оборудования, входящего в их состав. В последнее время были представлены работы, направленные на использовании методов теории и практики надежности сложных технических систем для разработки стратегии восстановления водопроводных сетей, на основе вероятностного подхода к описанию процесса старения и обновления трубопроводов [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

На основе сбора и обработки обширного статистического материала по функционированию и эксплуатации трубопроводов и оборудования водопроводной и водоотводящей сети города Москвы в работах С.В. Храменкова, О.Г. Примина, В.А. Орлова и Е.В. Орлова разработаны научно обоснованные методы оценки и обеспечения надежности и экологической безопасности городских сетей СВВ [11, 12, 13, 14, 15, 16, 17]. В работах О.Г. Примина для прогноза объемов восстановления и обновления городской водопроводной сети предложены модели когортного выживания, согласно которой потребность в восстановлении и обновлении трубопроводов определяется общей протяженностью

водопроводной сети города, чей полезный срок службы заканчивается в конкретно взятом году, а также математические модели старения и восстановления трубопроводов с оценкой сроков их полезной службы и ее реализации в виде стратегии планирования восстановления и обновления трубопроводов,

В работах Орлова А.В. рассмотрены вопросы системного подхода к поэтапному решению тактических и оптимизационных задач реновации водопроводных и водоотводящих сетей на основе оценки влияния факторов, дестабилизирующих их работу, ранжирования и составления математических моделей. На основе проведенных исследований был предложен универсальный вариант увязки гидравлических и технологических параметров. Универсальный вариант увязки дестабилизирующих факторов представлен в методике оценки технической ущербности участков напорной сети, который выполняется на основе анализа внешних дестабилизирующих факторов и элементов их состояния, а также результатов комплексного мониторинга показателей, влияющих на состояние и эффективность работы трубопроводов.

Разработка физической и математической моделей работы трубопроводов представлена в статьях Орлова Е. В. на основе выявления и обоснования превалирующих дестабилизирующих факторов для условий МГУП «Мосводоканал» с определением функциональных зависимостей между ними в единой системе воздействия на

стальной трубопровод. Применение этих моделей позволяет разрабатывать мероприятия по оптимальному планированию восстановления водопроводных с водоотводящих трубопроводов на базе рейтинговой значимости отдельных дестабилизирующих факторов. На основе проведенных исследований Орловым Е.В. был предложен универсальный вариант увязки гидравлических и технологических параметров.

Потеря работоспособности трубопроводов и арматуры в СВВ, а прежде всего нарушение герметичности приводит к следующим последствиям:

- в системах водоснабжения к потерям питьевой воды при ее транспортировании и распределении, которые в городских сетях могут достигать 30% и более, из-за этого непродуктивные потери электроэнергии составляют не менее 25%, оказывается негативное влияние на тарифы, нарушаются режимы и параметры водоснабжения, вызывается подтопление территорий, которое влияет на процессы разрушения городской инфраструктуры;

- в системах водоотведения утечки негативно влияют на здоровье людей, а также экологическую безопасность территорий населенных пунктов из-за проникновения сточных вод в подземные горизонты, в поверхностные воды, в трубопроводы питьевой воды.

Основными причинами повреждений трубопроводов являются их физический износ, качество применяемых материалов, величина избыточного давления, коррозия, а также совокупность техногенных и природных факторов. Изношенное состояние труб в СВВ ведёт к снижению надежности, повышению энергозатрат, дополнительным утечкам, дополнительным затратам на ремонт и ликвидацию аварий. Все эти причины с одной стороны оказывают влияние на стоимость коммунальных услуг по водоснабжению и водоотведению при неудовлетворительном их качестве, а с другой стороны влияют на экологическую безопасность населенного пункта и приводят к дополнительным общественным издержкам.

Если рассматривать срок службы стальных труб 20.25 лет, то для сохранения их работоспособного состояния ежегодно необходимо заменять не менее 4.5% от объема всех эксплуатируемых трубопроводов. Ежегодное невыполнение этого условия ведет к накоплению объемов работ по ремонту и реновации трубопроводов. Во многих городах России и Украины в указанных объемах обновление и восстановление трубопроводов не выполнялись на протяжении нескольких десятилетий. Это привело к значительному износу и аварийному состоянию городских трубопроводов СВВ, что и обусловило в последнее десятилетие рост аварийности в 5 раз, что составило в среднем по РФ 70 случаев в год на 100 км трубопроводов [19]. В СВВ Украины среднее количество аварий находится в критическом диапазоне 100.400

аварий в год на 100 км трубопроводов. Этот показатель в странах Западной Европы составляет 10.20 аварий на 100 км трубопровода в год [18].

Таким образом, разработка и реализация теоретических и практических основ оценки и обеспечения надежности и экологической безопасности сетей водоснабжения в настоящее время выполнена в масштабах такого крупного города как столица России - город Москва. В других городах и населенных пунктах России информационное, методическое и нормативное состоянием проблемы надежности городских сетей водоснабжения не отражает и не позволяет применять прогнозные оценки работы сооружений и элементов системы водоснабжения, так как не основывается на информации о фактических показателях их надежности, факторах экологического риска от аварий элементов этих систем, а также обеспечении минимизации возможных ущербов от их отказов.

Особую актуальность вопросы надежности и экологической безопасности приобретает для городов Крыма, где в коммунальном секторе старение подземных трубопроводных

коммуникаций и другого оборудования СВВ достигли критических уровней - более половины, подземных трубопроводных коммуникаций уже исчерпали нормативный срок службы. Значительный износ и аварийное состояние трубопроводов СВВ многих городов Крыма обусловлен тем, что темпы их старения значительно превышал темпы восстановления на протяжении последних десятилетий. При непринятии оперативных мер по повышению эффективности, работоспособности и модернизации СВВ ситуация может выйти из под контроля с многочисленными последствиями для населения и окружающей природной среды в рекреационных зонах Крыма. В этой связи, очевидно, что трубопроводы СВВ городов Крыма являются потенциальными источниками экологической опасности для окружающей среды и населения, а обеспечение их экологической безопасности и надежности является основными требованиями, предъявляемым к этим элементам системы жизнеобеспечения.

Следовательно, для решения данной проблемы необходимо создание и внедрение методологии восстановления и реконструкции трубопроводных сетей СВВ в городах Крыма. Для этого необходима: комплексная модернизация диагностики

водопроводных сетей, которая позволит оценить состояние и меру воздействия на объект условий эксплуатации, возможность прогнозирования показателей надежности; применение новых технологий и материалов при ремонте трубопроводов; а также совершенствование проектирования ремонтных работ с учетом гидравлической совместимости используемых материалов.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ

Целью настоящей работы является анализ результатов наблюдений технического состояния и аварийности водопроводных сетей городов Крыма, а также применение автоматизированного

геоинформационного обеспечения для реализации системного подхода при разработке рекомендаций по реновации путем увязки гидравлических и технологических параметров.

Для достижения поставленных целей потребовалось:

- определить факторы, оказывающих основное влияние на техническое состояние водопроводных сетей г. Симферополя и Алушты;

- выполнить систематизацию и анализ аварий на участках водопроводных сетей этих городов и получить общую информацию о состоянии трубопроводов;

- применить автоматизированное геоинформационное обеспечение, которое позволяет проводить расчеты и анализ гидравлических показателей водопроводных сетей городов с целью увязки гидравлических и технологических параметров сети;

- разработать обоснованные подходы к определению очередности объектов и методов реновации водопроводных сетей.

Информация о текущем состоянии водопроводных сетей при соответствующей обработке может служить основанием для создания методики прогнозирования реконструкции водопроводных сетей. При эксплуатации городской водопроводной сети важную роль имеет получение достоверной информации о техническом состоянии ее участков. Рост объема информации, непосредственно связан с надежностью работы трубопроводов водопроводной сети и требует ее немедленной обработки современными

геоинформационными технологиями. Основой автоматизации информационно-технического

обеспечения контроля и управления эксплуатацией водопроводной сети является: сбор, накопление и обработка данных по авариям на водопроводной сети, а также информационный материал о возрасте труб, грунтах, глубинах залегания, наличии подземных вод и т.д.

На сегодняшний день существующие водопроводные сети городов Крыма состоят из металлических труб 20.30-ти летней давности прокладки, которые массово выходят из строя, из-за истекшего срока службы. До настоящего времени реконструкции и замены трубопроводов в требуемых объемах не проводились, как следствие, высокая скорость старения трубопроводов на много выше объемов работ по их реновации.

Возрастающая скорость износа и плохое состояние большого количества сетей водоснабжения Симферополя, бесперебойное снабжение водой населению и предприятиям города, гарантия экологической безопасности трубопроводов требуют обоснованного подхода к

решению задач реновации и модернизации трубопроводов. Также следует отметить, что значение имеет планирование восстановления городских водопроводных сетей, которые в свою очередь представляет важную государственную задачу как для оценки капитальных вложений по реновации трубопроводов систем водоснабжения, так и для формирования и утверждения тарифа на эти услуги.

В данной работе проанализированы акты по авариям в системе водоснабжения г. Симферополя за 2015 год, а также г. Алушта за 2016 г. Для анализа данных по отказам составлены таблицы классифицирующие аварии и повреждений с подсчетом частоты их проявления на участках водопроводных сетей. Комплексное проведение работ по обнаружению мест повреждений водопроводной сети, а также их устранению относится к одному из этапов создания паспорта участков водопроводной сети, проводимых на действующих трубопроводах. Своевременное обнаружение повреждений сводит к минимуму непроизводительные расходы и подтоплению окружающих территорий. Для поиска мест

повреждения трубопроводов используется современная аппаратура и приборный парк с применением течеискателей, шумомеров и т.д. Порядок проведения работ по выявлению мест повреждений состоит в выезде ремонтных бригад по заявке на основании признаков аварии, а также нахождению причин аварии, их ранжирование и принятия решения по ремонту вместе с представителями соответствующего района водопроводной сети.

Структура водопроводной сети городов Крыма по материалам показана на рис.1. На настоящий момент стальные трубопроводы городской водопроводной сети Симферополя составляют около 14%, чугунные около 71 %, асбестоцементные около 5%, полиэтиленовые и поливинилхлоридные трубы 10%. В г. Алуште стальные трубопроводы городской водопроводной сети Симферополя составляют около 14%, чугунные около 71 %, асбестоцементные около 5%, полиэтиленовые и поливинилхлоридные трубы 10%. Средний возраст стальных труб Симферопольского водопровода составляет 21 год, а, чугунных - 38 лет.

а б

Рис.1. Структура водопроводной сети городов Крыма по материалам: а - Симферополь; б - Алушта.

а б

Рис. 2. Структура протяженности трубопроводов по назначению водопроводной сети городов Крыма:

а - Симферополя; б - Алушты.

Структура протяженности трубопроводов по назначению водопроводной сети городов Крыма показана на рис. 2. Основная доля водопроводных сетей Симферополя приходится на разводящие -

71%, на водоводы - 21 %, а на дворовые сети - 8%. Это связано с географической особенностью города Симферополь, который снабжается питьевой водой из четырех источников, находящихся на

относительно большом удалении от города: Симферопольское водохранилище - 154,7 км, а Партизанское - 26,8 км. Основная доля водопроводных сетей Алушты приходится на разводящие - 67%, на водоводы - 19 %, а на дворовые сети - 14%. Структура сетей Алушты также связана с удаленными источниками водоснабжения и с большим удельным числом потребителей из частного сектора.

Структура дефектов, нарушающих

работоспособность водопроводной сети в рассмотренных городах Крыма, показана на рис. 3. Большая часть трубопроводов водопроводной сети Симферополя и Алушты имеют в существенный физический износ. Это связано с тем, что они введены в эксплуатацию десятки лет назад, зачастую без учета требований надежности. В

первую очередь это относится к металлическим трубопроводам

Структура дефектов, дестабилизирующих работу водопроводной сети в рассмотренных городах, существенно различаются. Дефекты, которые чаще всего встречаются в водопроводной сети Симферополя свищи, которые достигают 85%, трещины - 11%, остальные - нарушения сальников. Дефекты, которые чаще всего встречаются в водопроводной сети Алушты нарушения сальников, которые достигают 51%, свищи - 42%, остальные -трещины. Разности в структуре дефектов, дестабилизирующих работу водопроводной сети в Симферополе и Алуште, объясняется, прежде всего, в различиях структур водопроводных сетей этих городов по материалам.

б

Рис. 3. Структура дефектов, дестабилизирующих работу водопроводной сети в городах Крыма:

а - Симферополя; б - Алушты

а

Распределение количества аварий в зависимости от диаметра трубопровода по городам Крыма представлено на рис. 4. Основная часть аварий в них приходится на трубы малых диаметров 100.150 мм. Для Симферополя аварии на трубопроводах диаметром 100.150 мм составили 70%, а в Алуште -80%. Эти повреждения зачастую появляются у домовых вводов. Аварии на трубопроводах диаметром 200.400 мм в Симферополе составили - 14%, а в Алуште - 17%. Основные причины, по которым возникают аварии трубопроводов следующие:

- внушительный срок службы трубопроводов, который обуславливает износ сетей более 65%;

- низкие темпы замены старых труб;

- значительные колебания напоров в сети;

- гидроудары при изменении режимов работы сети;

- внешняя и внутренняя коррозия труб;

- несоблюдение технологии производства работ по укладке и монтажу трубопроводов;

- неправильный выбор материала труб и их плохое качество.

Также надо отметить, влияние на количество отказов условий прокладки и эксплуатации труб:

- блуждающие токи в грунте;

- агрессивные грунты;

- высокий уровень грунтовых вод и т.п.

Важным показателем надежности является интенсивность отказов, которая определяется с учетом длины участков трубопроводов, на которых произошли отказы. На рис 5. показаны значения интенсивности отказов в зависимости от диаметра трубопровода для рассмотренных городов Крыма. Анализ результатов статистической обработки представленных на рис. 4 и рис. 5 показал, что интенсивность отказов может существенно отличаться от их количества. Это в основном обусловлено длинами трубопроводов, их техническим состоянием, условиями укладки и монтажа, а также гидравлическими параметрами, при которых происходит подача воды. Для г. Симферополя максимальная интенсивность отказов выявлена на трубопроводах диаметром 500 мм - 1, 25 отк/год • км и диаметром 100 мм - 0,96 отк/год • км, хотя количество отказов на трубопроводах диаметром 100 мм практически на два порядка больше. Минимальная интенсивность отказов в трубопроводах г. Симферополя установлена на диаметрах 350, 600 и 800 мм. Для г. Алушты максимальная интенсивность отказов выявлена на

трубопроводах диаметром 800 мм - 3,39 отк/год ■ км и диаметром 100 мм - 3,22 отк/год ■ км, хотя количество отказов на трубопроводах диаметром 100 мм в абсолютных значениях более чем на два порядка больше. Минимальная интенсивность отказов в

трубопроводах г. Алушты установлена на диаметрах 300, 400 и 500 мм. Абсолютные значения интенсивности отказов для трубопроводов г. Алушты втрое выше, чем интенсивность отказов в г. Симферополе.

БМ

ьэа Л 30

i™ i i 300

Е

i ™

100 I П 71

M.I I I - - | 1 Z s

10D ISO 2CO 2БС 300 ÍOO !OD 600 BDÜ

ДийгПеГр, M.Vi

б

Рис. 4. Распределение количества аварий в зависимости от диаметров трубопроводов по городам

Крыма:

а - Симферополь (2015 г.); б - Алушта (2016 г.)

Если провести анализ по зависимости интенсивности отказов трубопроводов от сезонов года, можно сделать вывод, что сезон года не имеет влияния на общее количество аварий, возникающих в водопроводной сети Симферополя. К примеру, в зимние и осенние месяцы происходит незначительное увеличение аварий на стальных и чугунных трубопроводах, это связано с резкими перепадами температуры наружного воздуха. А в весенние и летние месяцы увеличивается количество повреждений труб, связанных с перемещением грунта.

Следовательно, в целом существенного изменения числа аварий в зависимости от сезонов года не наблюдается.

На рис. 6 показано распределение по сезонам года числа отказов трубопроводов в системе водоснабжения Алушты. Анализ отказов

трубопроводов в системе водоснабжения Алушты показал существенную зависимость количества и интенсивности отказов от сезонности. Максимальное количество отказов зафиксировано весной, причем количество отказов в весну вдвое больше, чем осенью.

Эту сезонность можно объяснить особенностью работы СВВ курортного города Алушты, в котором число потребителей в период курортного сезона существенно увеличивается, а весной выполняются

подготовительные работы к подключению потребителей курортно-оздоровительного комплекса этому сезону. Осенью выполняется отключение этих потребителей от сетей СВВ.

100 150 200 250 300 350 400 500 600 800 1200 Диаметры, мм

3,39

3,22

3,00

<8 2,50

о 2,00

0,70

■ 0,38

■ ■■I

250 300

Диаметры, I

400 500

б

Рис. 5. Распределение интенсивности отказов (отк/год • км )в зависимости от диаметров

трубопроводов

по рассмотренным городам Крыма: а - Симферополь (2015 г.); б - Алушта (2016 г.)

осень 15%

зима 25%

Рис. 6. Распределение по сезонам года числа отказов трубопроводов в системе водоснабжения Алушты.

а

150

200

600

800

Таким образом, техническое состояние водопроводных сетей рассмотренных городов Крыма приводит к множественным авариям, что обуславливает значительные затраты на их ликвидацию, потери материальных и энергетических ресурсов, экологический ущерб, общественные издержки по причинам неудовлетворительного качества услуг по водоснабжения. Наиболее объективным критерием оценки исправного состояние систем водоснабжения является круглосуточная бесперебойная подача воды потребителям с обеспечением требуемого уровня количественных параметров на сооружениях подачи и распределения воды по напору и расходу.

Системы водоснабжения городов Крыма с сотнями километров трубопроводов, большим числом энергетического, механического технологического оборудования являются сложными техническими системами, практически никогда не бывают полностью исправными. Распознавание технического состояния сложных технических систем в условиях ограниченной информации является основной задачей технического диагностирования. Состояние трубопроводов систем водоснабжения описывается некоторой совокупностью параметров или признаков. Распознавание технического состояния трубопроводов - это процесс определения отношения их технического состояния к одному из возможных диагнозов, количество которых зависит от особенностей задач и целей исследования. Большинство задач по диагностированию систем водоснабжения требует определения одного из двух состояний трубопровода - "исправный" или "неисправный". Для более конкретного описания неисправного состояния необходимо локализовать неисправность его конкретными признаками. В большинстве случаев в задачах технического диагностирования возможные неисправности известны заранее, поэтому сущность таких задач сводится к выявлению признаков, которые позволяют выявить эти неисправности. Для систем водоснабжения эти признаки заключаются в определении предельных значений напоров и расходов на конкретных участках трубопроводных сетей.

Анализ состояния водопроводных сетей рассмотренных городов Крыма, с учетом важности вопросов прогнозирования их технического состояния, показывает, что актуальной является разработка методики системного подхода к реновации и модернизации трубопроводов водопроводной сети. Применение такой методики позволит использовать результаты оценки состояния трубопроводов для составления паспортов участков сети с указанием их рейтинга по необходимости ремонта или замены на основании которых, возможна разработка планирования ремонтно-восстановительных работ по модернизации и реконструкции трубопроводов водопроводной сети. Такая методика позволит снизить интенсивность отказов, уменьшить число аварий, снизить затраты на ремонтно-восстановительные работы.

Сложной задачей является определение взаимосвязи между интенсивностью отказов, сроками укладки, материалом, величиной диаметра трубопровода, а также гидравлическими параметрами. Эту задачу можно решить только при оценке влияния на действующий

трубопровод всех влияющих факторов. Оценку состояния трубопроводов водопроводных возможно выполнить, с одной стороны на основе анализа технологических параметров, полученных из архивных данных для участков сети, а с другой стороны, на основе анализа гидравлических параметров, которые характеризуют их условия эксплуатации. Это позволит на основании полного анализа количественных параметров, оказывающих влияние на техническое состояние трубопроводов водопроводных сетей, составить балльную систему ущербности конкретных участков трубопроводов и выделить из них приоритетные для реновации. В результате можно обосновать рекомендации о реконструкции, реновации или модернизации конкретного участка трубопровода, который по рейтинговой системе является наиболее аварийным.

Выполнение перечисленных выше мероприятий, позволит вносить в паспорта участков трубопровода данные, по которым в любое время можно дать характеристику технического состояния и рекомендовать мероприятия по предотвращению аварий, а также методов реновации и модернизации работы сетей. Поэтому предметом исследований настоящей статьи является анализ и учет влияния гидравлических и технологических факторов на безотказность работы трубопроводов в целях создания паспортов участков водопроводных сетей, рассмотренных городов Крыма, для разработки рекомендаций по реновации этих участков трубопроводов.

Архивные данные, которые хранятся в эксплуатирующих организациях, содержат лишь технологические параметры участков трубопроводов, т.е. величины геодезических отметок, длины и диаметры участков, материал труб. Гидравлические показатели - расходы в узловых точках, скорости движения на участках водопроводной сети, средние напоры на участках имеют в основном расчетные значения, которые определялись по действующим на момент расчета нормативным документам. Для точной оценки технического состояния трубопроводов и обеспечения их надежной работы требуется увязка этих гидравлических и технологических параметров сети.

Таким образом, отсутствуют фактические данные по гидравлическим параметрам в различных точках сети, которые необходимы для точной оценки технического состояния трубопроводов и обеспечения их надежной работы. Данные по гидравлическим параметрам действующих трубопроводных сетей систем можно получить расчетными способами с использованием современных программных продуктов по расчету сетевых структур с применением геоинформационных систем.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Результаты статистического анализа факторов, приводящих к отказам трубопроводов и снижающих их надёжность, показывают, что в различных условиях степень влияния на техническое состояние различна.

Наличие перечня факторов практически не позволяет произвести какие-либо последующие обоснованные действия по реновации трубопроводов, не связав факторы в единое целое и не назначив какого-либо количественного критерия в виде определенно оценки. Для выполнения условия увязки факторов в единую систему необходимо применение соответствующего математического аппарата. В работах Орлова Е. В. была предложена методика взаимной увязки технологических и гидравлических параметров трубопроводных сетей систем водоснабжения [13, 14, 20]. В качестве технологических параметров трубопроводных сетей приняты расчетный диаметр, протяженность участка сети, назначение - магистраль, перемычка, разводящая сеть. К гидравлическим параметрам отнесены напор и скорость течения в расчетных сечениях трубопровода. Подход, разработанный в этой методике, назван автором универсальной рейтинговой оценкой технической ущербности участков напорной сети. В этой методике, не нарушая законов технической механики жидкости, установлена связь между технологическими и гидравлическими параметрами трубопроводных сетей в виде зависимости:

2 ЕИБ

Л = -

KMLV2

(1)

где - диаметр трубопровода и протяженность участка, Н, V - напор и скорость в рассматриваемом сечении, - коэффициент потерь на местные сопротивления.

Безразмерный коэффициент X в формуле (1) имеет иной физический смысл, так как он рассматривается в качестве «коэффициента связи» между напором, скоростью движения воды, а также диаметром и протяженностью участка при реализации комплексной оценки состояния трубопровода в единой системе. В результате, для оценки влияния гидравлических и технологических факторов на надежность различных участков трубопроводной сети получены расчетные зависимости [20]:

А = 10 4 • 18,6 • ив. - для магистралей и

LV2

перемычек;

Л = 10"4 • 17,29

сети;

Л = 10"4 • 7,85

HD LV2

HD LV2

- для распределительной

- для внутриквартальной

распределительной сети.

Сущность методики назначения рейтинговых

значений состоит в подсчете величины, А*, по одной из

трех представленных формул для соответствующих участков сети. Для определения балльных значений очередности реновации по гидравлическим показателям используется понятие дискретного (плавающего) рейтинга, так как расчетная величина X (даже при использовании понижающего коэффициента 10-4), может выйти за рамки установленного балльного

диапазона (от 2 до 100 баллов). В результате в предложенной методике для определения рейтинговой оценки технической ущербности участков напорной сети по полученным результатам необходимо выполнение следующих преобразований:

-определение участка из числа рассматриваемых, которому соответствует максимальное значение Х^, и присвоение этому участку максимального рейтинга по фактору «гидравлические характеристики» внутри установленного диапазона, т.е. 100 баллов;

-сортировка и составление списков других участков по мере снижения величины Х,;

-расчет для каждого последующего участка сети относительной величины Zt по формуле Zt = (Х^ - Х,) / Х,

-расчет рейтинга фактора для участка по формуле R,= 100- Z, ;

-проверка выполнения неравенства R > 2. Если неравенство выполняется, то фактору «гидравлические показатели» на соответствующем участке присваивается рейтинговое значение R, а если неравенство не выполняется, то фактору присваивается минимальное значение 2 балла. Результатом работы является список рейтинговых значений фактора «гидравлические показатели» для рассматриваемого количества участков трубопроводной сети.

Недостатком данной методики является то, что для оценки надежности участков трубопроводов необходимо использовать результаты физической диагностики в виде манометрической съемки и величин скоростей в различных точках сети и по ним производить оценку взаимовлияния гидравлических и технологических параметров по вышеприведенным зависимостям. В случае отсутствия данных по скоростям течения воды на участках и (или) необходимости оценки величины напоров в сети для определения рейтинговой значимости целесообразно использовать статистические данные по свободным напорам в определенных местах на сети, которые определяются по результатам манометрических съемок.

Для сложных водопроводных сетей получение результатов манометрической съемки и скоростей в различных участках трудоемкая и затратная задача, что усложняет применение этой методики. С учетом случайных процессов, которые происходят в трубопроводных сетях систем водоснабжения, точность получения гидравлических параметров существенно влияют на точность бальных значений очередности реновации по гидравлическим показателям. Весьма сложной является оценка влияния различных режимов работы трубопроводной сети на рейтинговые оценки технической ущербности участков.

Современные геоинформационные системы (ГИС) позволяют создать, хранить, преобразовывать на компьютере карту, связать с каждым объектом карты его описание, характеристику и параметры, которые внесены в базу данных [21]. Специализированные ГИС позволяют создавать различные карты в географических проекциях, включая схемы инженерных сетей с поддержкой их топологии, работать с большим количеством растров, проводить совместный семантический и пространственный

анализ графических и табличных данных, создавать различные тематические карты, осуществлять экспорт и импорт данных. Вложенные в ГИС подпрограммы либо модули позволяют создавать расчетно-математические модели инженерных коммуникаций с автоматизированным расчетом гидравлических параметров, анализом топологии сети, с обработкой входной и выходной информации, с возможностью изменения конструкции сетей и режимов работы ее элементов, моделируя тем самым, новые различные задачи гидравлических расчетов.

Для усовершенствования методов оценки технического состояния трубопроводов водопроводной сети, в данной работе использовалась ГИС Zulu, которая является современной компьютерной технологией для картографирования и анализа объектов водопроводной сети [22]. Для создания расчетно-математических моделей водопроводных сетей городов Крыма в ГИС Zulu, был использован модуль ZuluGidro, который обладает большим спектром возможностей по проведению гидравлических расчетов трубопроводов водопроводных сетей с использованием баз данных элементов систем водоснабжения, а также режимов их функционирования. Водопроводная сеть с инженерными коммуникациями рассчитывалась с учетом всех сооружений системы подачи и распределения воды, а также с любым набором объектов, характеризующих систему водоснабжения, в том числе и с несколькими источниками. Программный модуль ZuluHydro может рассчитывать водопроводные сети неограниченного объема, определять гидравлические параметры в их любых точках, по которым можно прогнозировать различные события, в том числе работоспособность системы водоснабжения в критических условиях, вероятность аварий на конкретных участках водопроводных сетей.

В данной работе ГИС Zulu с программным модулем ZuluHydro применялась для расчета гидравлических

параметров водопроводных сетей городов Крыма на основе которых автоматизированным способом выполнялась рейтинговая оценка технической ущербности участков напорной сети. Для этого в ГИС Zulu создавались карты городов и наносились на них водопроводные магистральные и распределительные сети, по которым производились гидравлические расчеты с определением следующих показателей: расходы, скорости, потери напора во всех участках сети, а также пьезометрические напоры во всех узлах водопроводной сети. С помощью поверочных расчетов в программном комплексе ZuluHydro также был произведен расчет системы на различные случаи работы, как в час наибольшего водопотребления, так и расчеты сети в связи с авариями на отдельных участках. Необходимость проведения этих расчетов, позволило оценить работоспособности системы в критических условиях, это дало возможность разработать мероприятия, исключающих снижение свободных напоров, а также снижение подачи ниже требуемых норм. На рис. 7 показан фрагмент расчета параметров водопроводной сети г. Симферополя. На представленном фрагменте в нижнем слое представлена карта рассмотренного участка сети, в таблицах представлены технологические и эксплуатационные параметры этого участка.

В результате полученных результатов расчета гидравлических параметров в расчетном модуле ZuluGidro с применением зависимостей упомянутых выше, автоматически определяются рейтинговые

значения Л* для всех участков трубопроводов

распределительных и магистральных водопроводных сетей рассмотренных городов Крыма. Расчет рейтинговых значений участков трубопроводов городских сетей позволяют выполнить рейтинговую оценку их технической ущербности, а также установить схему очередности реновации участков сети.

Рис. 7. Фрагмент расчета параметров водопроводной сети центральной части Симферополя в расчетном модуле 2и1ив1^о

Рис. 8. Схема очередности реновации участков распределительной сети.

В ходе расчетов рассматривались режимы работы сетей с различными сочетания водоотбора и подачи ее насосными станциями, при которых обеспечиваются наибольшие расходы воды и напоры для отдельных сооружений системы водоснабжения. Полученные рейтинговые значения

Л позволили определить факторы «гидравлических

характеристик» для всех рассматриваемых участков трубопроводных сетей, по которым выполняется рейтинговая оценки их технической ущербности на основании вышеприведенных зависимостей. В качестве примера на рис. 8 показана схема очередности реновации участков сети для центральной части Симферополя

С помощью ГИС Zulu все операции по расчету очередности реновации проводятся

автоматизированным способом и могут применяться в разделе паспортизация водопроводной сети. Результатом выполненных работ является список рейтинговых значений фактора «гидравлические показатели» для рассматриваемого количества участков трубопроводной сети представленных городов Крыма.

Таким образом, применение ГИС для анализа надежности трубопроводных сетей на основе увязки технологических и гидравлических параметров позволяет автоматически создавать

картографическую информацию с указанием необходимости и очередности выполнения реновации участков магистральных и распределительных трубопроводов, а также оперативно оценивать влияние различных факторов на надежность трубопроводных систем.

ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ методов исследования отказов трубопроводных сетей городских систем водоснабжения, из которого установлено, что

необходима модернизация методов диагностики водопроводных сетей, которая позволит оценить состояние и меру воздействия на объект условий эксплуатации, возможность прогнозирования показателей надежности.

2. Проведен сравнительный анализ технического состояния трубопроводов городов Крыма: Симферополя и Алушты. По результатам этого анализа установлена необходимость разработки методов автоматического учета влияния гидравлических и технологических факторов на безотказность работы трубопроводов в целях создания паспортов участков водопроводных сетей, рассмотренных городов Крыма, для разработки рекомендаций по реновации этих участков трубопроводов.

3. Изучен и применен универсальный метод увязки гидравлических (скорость, напор) и технологических (диаметр, длина, принадлежность участка сети) параметров трубопроводной сети для последующего составления рейтинга очередности реновации ее участков по степени технической ущербности.

4. Проведен комплексный анализ гидравлических показателей, полученных в ГИС Zulu с применением расчетного модуля ZuluGidro. Получены прямые или косвенные зависимости между гидравлическими (напор, расход, скорость течения) и технологическими показателями (расчетный диаметр, протяженность участка сети, предназначение - магистраль, перемычка, разводящая сеть).

5. По результатам анализа гидравлических и технологических показателей напорных трубопроводов сети в среде расчетного модуля ZuluGidro автоматически составлен рейтинг значимости участков для определения очередности реновации участков распределительной сети.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абрамов Н.Н. Надежность систем водоснабжения. - М.: Стройиздат, 1980. - 231 с.

2. Ильин Ю.А. Надежность водопроводного оборудования и сооружений. - М.: Стройиздат, 1985. - 240 с.

3. Ильин Ю.А. Расчет надежности подачи воды.

- М.: Стройиздат, 1987 - 316 с.

4. Ермолин Ю.А., Алексеев М.И. О методологии исследования надежности стареющих элементов и систем водопровода и канализации // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002. - № 9.

5. Орлов Е.В., Саломеев В.П., Круглова И.С. Оценка остаточного ресурса напорных стальных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - 2005, №3-4. - С. 25 -31.

6. Примин О.Г., Орлов В.А. Оценка и прогноз технического состояния трубопроводов // Водоснабжение и санитарная техника. - 2006, № 1.

- С. 25-28.

7. Гальперин, Е. М. Расчет кольцевых водопроводных сетей с учетом надежности функционирования. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1989. - 104 с.

8. Найманов, А. Я. Особенности оценки надежности кольцевой водопроводной сети// Водоснабжение и санитарная техника. - 2006, № 12. -С. 11-16.

9. Ткачук А.А. Структурно-функциональное усовершенствование систем подачи и распределения воды: автореф. дис. ... докт. техн. наук. спец.: 05.23.04 - водоснабжение, канализация.

- Ровно: Национальный ун-т водного хозяйства, 2007. - 32 с.

10. Новохатный В. Г. Надежность функционирования подающе-распределительного комплекса систем водоснабжения: автореферат... д-р техн. наук, спец.: 05.23.04 - водоснабжение, канализация . - К. : Киевский нац. ун-т стр-ва и архитектуры, 2012. - 32 с.

11. Храменков С.В., Примин О.Г. Оценка надежности трубопроводов системы водоснабжения Москвы //Водоснабжение и санитарная техника. -1998, № 7. - С. 4 - 7.

12. Храменков СВ., Примин О.Г. Стратегия восстановления городской водопроводной сети// Водоснабжение и санитарная техника. - 1999, №9.

- С. 17 - 20.

13. Отставнов А.А., Орлов Е.В., Хантаев И.С. Первоочередность восстановления трубопроводов водоснабжения и водоотведения // Строительный инжиниринг. - 2007, № 10. - С. 44 - 49.

14. Отставнов А.А., Орлов Е.В., Хантаев И.С. Определение приоритетных участков ремонта систем водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. -2007, № 3. -С. 25-29.

15. Орлов В. А. Стратегия восстановления водопроводных и водоотводящих сетей. - М.: АСВ.

- 2001. - 96 с.

16. Орлов В.А., Хантаев И.С. Функциональные зависимости между факторами, дестабилизирующими техническое состояние водоотводящих сетей// Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - 2006, №13-2, - С. 30 - 39 .

17. Орлов В.А. / Тактика реновации водопроводных и водоотводящих сетей // Вестник МГСУ. - 2009, №2. - С. 167-171.

18. Асощащя водопровiдно-каналiзацiйного господарства Укра1ни. Щодо стану та проблем функцюнування водопровiдно-каналiзацiйного господарства Украши за тдсумками роботи у 20062007 роках: Вюник Академи будiвництва Украши.-К.: АБУ. - 2008, № 18. - С. 183 - 189.

19. Хроменков С.В. Задачи развития водной отрасли для обеспечения населения России чистой водой// Водоснабжение и санитарная техника. -2011, № 5. - С. 15 - 22.

20. Орлов Е.В. Разработка системного подхода к реновации напорных стальных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. спец.: 05.23.04 -водоснабжение, канализация .- М.: МГСУ, 2008. -16 с.

21. В.Я. Цветков Геоинформационные системы и технологии: М.: ФиС, 1998.- 368 с.

22. Zulu Gidro/ Руководство пользователя. Режим доступа: ftp ://ftp.politerm. com. ru/zulu/ZuluHydro .pdf (дата обращения 17.05.2017).

Nikolenko I. V., Krymov R. S., Zhilin A. K.

FAILURE ANALYSIS OF PIPE NETWORKS OF WATER SUPPLY SYSTEMS OF IN THE CITIES OF CRIMEA IN ORDER TO JUSTIFY THE RECONSTRUCTION PARAMETERS

Annotation. The analysis of methods research indicators of reliability in pipe network water supply systems. Considered methodology for the recovery and reconstruction of pipeline networks of water supply systems in the cities of the Crimea by the example of Simferopol and Alushta. Performed failure analyses of pipe networks of water supply systems of these cities. Proposed to justify the reconstruction parameters to perform the linking of hydraulic and technological parameters with the use of GIS "Zulu". The analysis of the obtained results and the proposals for justification of the parameters of the reconstruction of pipeline networks of water supply systems for the cities of the Crimea.

Key words: water supply system, water supply network, reliability, environmental safety, defect, geoinformation system.