CC BY
58УДК 338.001.36
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ОТКАЗА ТРУБОПРОВОДОВ СИСТЕМЫ
ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Степанцова Н. А.
ФГАОУ ВО КФУ им. В.И.Вернадского, Академия строительства и архитектуры
295943 г. Симферополь, ул. Киевская, 181, е-mail: energia-09@mail.ru
Аннотация. В статье представлен анализ аварий на трубопроводах с учетом типа аварий и времени ликвидации, систем водоснабжения и водоотведения. Приведен сравнительный анализ, а также иллюстрированный обзор при нарушениях в системе водоснабжения, с учетом формулы жизненного цикла трубопроводов.
Ключевые слова: система водоснабжения, стоимость жизненного цикла, аварии на трубопроводах, анализ отказов на трубопроводах, ликвидация аварий, «земляные» и «инструментальные» работы.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день, коммунальное хозяйство России находится в состоянии кризиса, при котором рост эксплуатационных затрат превышает рост инфляции. Остаточный принцип финансирования привел к физическому и моральному износу инженерных систем, сооружений и оборудования, к которым относятся трубопроводы водоснабжения и установленная на них арматура.
Непрерывно растущий объем отсроченных технико-модернизационных работ и инвестиций, препятствует полному обновлению основного капитала и особенно, модернизации технологии производства.
Необходимо подчеркнуть, что на протяжении многих лет в большинстве городов России обновление и восстановление трубопроводов не проводилось в требуемом объеме, что привело к тому, что темпы старения трубопроводов в наступающий момент значительно превышают объемы работ по их реновации. Результаты такой политики привели к значительному износу существующих систем водоснабжения и водоотведения. Водоснабжение является одной из самых капиталоемких коммунальных служб, что в основном связано со стоимостью труб, т.е. инфраструктуры системы водоснабжения, которая является наиболее уязвимой. Учитывая факторы трубопроводной системы: используемые материалы, технологии изготовления и нанесения защитных покрытий, важно делать оценку жизненного цикла системы, т.е. различные состояния системы, начиная с момента возникновения необходимости в такой системе и заканчивая ее полным выводом из эксплуатации. Под термином «жизненный цикл системы» обычно понимают эволюцию новой системы в виде нескольких ступеней, включающих важные стадии, как концепция, разработка, производство, эксплуатация и окончательное выведение из эксплуатации.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Важной составляющей формулы жизненного цикла является анализ времени
ликвидаций аварий. Суммарное время ликвидаций аварий позволяет определить дополнительные затраты на стоимость жизненного цикла. При этом последствия от аварий носят разнообразный, часто непредсказуемый характер. Существующих методик, позволяющих оценить технико-экономические последствия от аварий на водопроводных сетях явно недостаточно [1, 2, 3]. Учитывая состояния систем трубопроводов, у которых прошел амортизационный срок, необходимо обосновать современные подходы к структуре технико-экономического анализа.
Анализ имеющихся источников информации по ликвидации аварий на водопроводных сетях, показывает, что условно можно выделить следующие этапы данного процесса:
обнаружение аварий и отключение подачи
воды;
земляные работы по раскрытию доступа к поврежденному участку трубопровода;
инструментальные работы по
восстановлению целостности трубопровода;
пробный пуск и выведение сети водоснабжения на рабочий режим;
восстановительные работы, связанные с приданием окружающей среде до аварийного состояния.
Каждый из этих этапов по-своему важен и требует соответствующих временных затрат, что необходимо учитывать исходя из принципов стоимости жизненного цикла систем водоснабжения. Кроме того, необходимо учитывать экономический ущерб от отключения системы водоснабжения при авариях. В аварийной ситуации можно оценить денежные потери по двум параметрам: от потери самой воды и от потерь электроэнергии на работу оборудования [5, 6, 8].
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Цель данной работы - проанализировать отказ трубопроводов с учетом их типа, времени ликвидации, процесса старения трубопроводов и распределение интервалов их безотказной работы, с
учетом технико-экономических параметров системы водоснабжения и водоотведения. Для достижения поставленной цели, выполним статистическую обработку данных по авариям на трубопроводах систем водоснабжения одного из районов г. Симферополя. Задачи состоят в выполнении сравнительного анализа, составление
иллюстрированного обзора нарушений в системе водоснабжения, с учетом различных факторов и формулы жизненного цикла трубопроводов. Проанализируем закономерности распределения аварий на трубопроводах.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В нормативных документах Российской Федерации выбор проектных решений основан на методике сравнительной экономической
эффективности по показателю приведенных затрат
[7]:
П = С + ЕН * К, (1)
или
П = ТН * С + К,
(2)
0 - расход воды, м3/час; (ТО — ТН ) - время аварийного периода,
час;
Т В - тариф на воду, руб./м3.
Стоимость потерь электроэнергии на работу оборудования, при его отключении на аварийный ремонт:
(5)
Сэ = N — {То — Тн ){Тэ
где:
N - установленная мощность насосных агрегатов, кВт;
ТЭ - тариф на электроэнергию, руб./кВт
потери при
(6)
где:
П- приведенные затраты;
С- эксплуатационные затраты;
Ен- нормативный коэффициент
эффективности капитальных вложений;
К- капитальные вложения в строительство;
Тн- нормативный срок окупаемости капитальных вложений.
В формуле жизненного цикла эксплуатационные затраты С имеют прямую зависимость от факторов, которые тесным образом связаны с современными подходами к структуре технико-экономического анализа и состоят из: затрат на стоимость потерь воды, электроэнергии, «земляных» и «инструментальных» работ:
С = Се + Сэ + С3 + Си, (3)
где:
Св - стоимость потерь воды, руб;
Сэ - стоимость потерь электроэнергии, руб;
С- стоимость земляных работ, руб.;
Си - стоимость инструментальных работ,
руб.
При анализе такого рода затрат, возможно точно спрогнозировать жизнеспособность трубопроводов в системе. Проведем оценку и технико-экономический анализ трубопроводов в аварийной ситуации с учетом типа и вида отказов.
Стоимость потерь воды СВ за время
аварийного периода, при тарифе на воду ТВ составит:
Св =0 — {То — Тн )в, (4)
где:
*час.
Суммарные денежные аварийной ситуации составляют:
С = С + С
а ^В ^ ^У •
Следует отметить, что при определении стоимости эксплуатационных затрат С по устранению аварии в формуле (3) не учтены расходы на восстановление от затопления территорий, от загрязнений дорог, тротуаров и других повреждений.
Следующим этапом устранения аварий являются земляные и инструментальные работы по раскрытию доступа к поврежденным участкам трубопровода, которые зависят от типа и вида повреждений. Таким образом рассматривая затраты, остановимся на не менее важной составляющей как время, затраченное на устранение аварий с учетом этих работ.
Земляные работы на втором этапе ликвидации аварий требует больших затрат времени и средств, связанных с использованием землеройной техники, а также ручного труда аварийных бригад. Эти работы могут быть оценены приблизительно в зависимости от объема земли, перемещенного для раскрытия доступа к поврежденному участку трубопровода:
(7)
С = W- О3,
где:
Сз - стоимость земляных работ, руб.;
W - объем, перемещенного грунта, м3;
Оз - ориентировочная стоимость единицы земляных работ, (зависит от индекса инфляции), руб./м3 [11].
Основываясь на наблюдениях за процессом ликвидации аварий, стоимость земельных работ, а также время их проведения, прямо пропорциональны длине Ь и диаметру Б поврежденного участка трубопровода:
Т = а* Ь*Б, (8)
где:
а - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от свойств грунта, времени года, применяемых технических средств.
[9, 12]. Для определения этого коэффициента необходимо провести анализ отказов трубопроводов системы в зависимости от условий повреждений на территории одного из районов г. Симферополь.
Этап восстановительных работ включает в себя ряд работ, по приданию окружающей среде вида до аварийного состояния и предусматривает вероятностный подход, поскольку невозможно учесть все последствия аварии для окружающей среды в ситуационной зоне.
Чтобы рассчитать с наибольшей достоверностью формулу жизненного цикла систем водоснабжения, необходимо детально рассмотреть причины отказа трубопроводов на сетях. Для этого необходимо провести анализ статистических данных с приведением результатов исследования сетей на вид отказа трубопроводов, что является одним из пунктов технико-экономического анализа по расчету этапа ликвидации аварий в зависимости от времени.
В работе был выполнен сравнительный анализ зависимостей отказов от: глубины заложения
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ АНАЛИЗ
Рассмотрим причины отказа трубопроводов на примере участка водопроводных сетей Киевского района, г. Симферополя, в зависимости от: сезонности, вида повреждений, типа грунта и диаметра трубопровода (статистические данные были предоставлены ГУП РК «Вода Крыма»).
На рисунке 1а представлена структура отказа по водопроводным сетям в зависимости от сезона года. Из анализа диаграммы (рис.1а) видно, что основное количество отказов приходится на зимний период.
Анализ диаграммы распределения по видам повреждений (рис.1 б), показывает, что наиболее часто встречающиеся отказы по повреждениям относятся к разломам.
При рассмотрении диаграммы зависимости количества аварий по типам грунта (рис.1в) можно сделать вывод, что наиболее подверженным авариям грунтом является смешанные типы грунтов.
Классификация аварий по диаметрам трубопровода (рис. 1г) показывает наибольшее соответствие 0 300 мм.
(рис.2 а), возраста трубопровода и времени его эксплуатации (рис. 2 б).
1а)
1в)
Зависимость аварий от грунтов
я Гкздтоплиеадые грунты
■ Глина
Пес чано глиненый грунт
■ Другие
1г)
Рис. 1. Годовой анализ отказов системы водоснабжения Киевского района г. Симферополя на основе статистических данных ГУП РК «Вода Крыма»
Р о 1,00816 Я2 = 0,9989
■И,Р253!
20 30 40
Возраст трубопровода 1, леч
26)
Рис. 2. Графики отказов трубопроводов системы водоснабжения Киевского района, г. Симферополь по глубине заложения трубопровода (а), времени эксплуатации (б).
На рисунке 2а представлены графические зависимости количества отказов от глубины заложения трубопроводов при вариантах: - при трубопроводах, уложенных под проезжей частью; -под автомагистралью; - и под незастроенной территорией (газон).
Зависимость количества дефектов от глубины заложения для трубопроводов, уложенных, под проезжей частью описано аналитическим выражением: N=3.3503^ При коэффициенте корреляции 0,96 корреляционная связь сильная.
Зависимость количества дефектов от глубины заложения для трубопроводов, уложенных, под автомагистралью описано аналитическим выражением: N=1.202^ При коэффициенте корреляции 0,956 корреляционная связь сильная.
Зависимость количества дефектов от глубины заложения для трубопроводов, уложенных
под незастроенной территорией (газон) описано аналитическим выражением: N=5.561^ При коэффициенте корреляции 0,997 корреляционная связь сильная.
По результатам анализа выявлена тесная корреляционная связь зависимости отказов от глубины заложения трубопроводов.
На рисунке 2б представлена зависимость вероятности безотказной работы от возраста трубопровода. Частота отказов, как правило, увеличивается с ростом времени эксплуатации сетей, а затем увеличивается более равномерно. В этом случае функция распределения Р(т) - срок службы трубопровода, связанного с плотностью вероятности р(т) Рабочий диапазон (т) и называется функцией выживания или функция надежности. Вероятность мгновенного повреждения или
интенсивность отказов (функция риска) к (т) рассчитывается путем деления р (т) на Р (т).
Аналитическое выражение имеет вид: Р=1,0081е-0'02531. При коэффициенте корреляции 0,9994.
Исходные данные для определения параметров функций выживаемости трубопроводов получены из статистической обработки значений времени до отказа участков трубопровода.
Проведенная статистическая обработка подтвердила наличие тесной связи коэффициента пропорциональности - Œ, который в свою очередь учитывается в технико-экономическом анализе отказа трубопроводов системы в формуле жизненного цикла.
ВЫВОДЫ
Теоретически обосновано существование двух составляющих времени ликвидации аварий на трубопроводе системы водоснабжения: земляных и инструментальных работ и представлены расчетные формулы для их определения.
Показано, что затраты на ликвидацию аварий являются значительными факторами, влияющими на стоимость жизненного цикла сетей.
Выявлена взаимосвязь количества отказов от типа грунта, в котором уложены трубопроводы, от диаметров трубопроводов, глубины заложения, механических воздействий (устройство под автомагистралями, проезжей частью, незастроенной территорией).
Были получены аналитические выражения с различными индексами корреляции: зависимость количества дефектов от глубины заложения для трубопроводов, уложенных под проезжей частью; -уложенных под автомагистралью; - уложенных под незастроенной территорией (газон) и зависимость вероятности безотказной работы от возраста трубопровода. Анализ условий эксплуатации является важной составляющей при расчете технико-экономических показателей системы и определения жизненного цикла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Храменков, C.B. Стратегия модернизации водопроводной сети (монография) [Текст] / C.B. Храменков. - М.: Стройиздат. 2005. - 28с.
2. Примин, О.Г. Разработка и применение информационных технологий для оценки и обеспечения экологической безопасности и надежности сетей водоснабжения и водоотведения города. [Текст]: автореф. дис.. доктор. техн. наук / О.Г. Примин.- М.: МГСУ. 2001. -45 с.
3. Храменков, C.B. Стратегия управления эксплуатацией и обеспечение надежности системы хозяйственно-питьевого водоснабжения города. [Текст]: автореф. дис... канд. техн. наук / C.B. Храменков. - М.: МГСУ. 1999. -34с.
4. Храменков, C.B. Показатели критических состояний и пути обеспечения надежности трубопроводов водопроводной сети и напорной канализации города. [Текст] / C.B. Храменков, О.Г. Примин // Экология и промышленность России. Издательство ТИМР (Траншейной ассоциации), -2000. - № 10. - С.24-31.
5. Примин, О.Г. Пути обеспечения надежности функционирования городской водопроводной сети в условиях сокращения водопотребления в г. Москве. [Текст] / О.Г. Примин, C.B. Храменков // Сборник докладов 17-го Ольденбургского форума по трубопроводам. Институт по строительству трубопроводов при Высшей технической школе г. Ольденбург, Германия.- М.: Изд-во ассоциации строительных ВУЗов; 2003. - С. 20 -37.
6. Березин, С.Е. Экономический анализ насосных систем [Текст] / С.Е. Березин. - М.: ОАО Изд-во «Стройиздат», 2008. — 160 с.
7. Салиев, Э.И. Анализ износа инженерных сетей водоснабжения и водоотведения г. Красноперекопска. [Текст] / Э.И. Салиев, Н.А. Степанцова // MOTROL. -Lublin. - 2012. -Vol. 14. - № 6. - P. 251-254.
8. Готовцев, В.И. Способы восстановления работоспособности эксплуатируемых инженерных коммуникаций [Текст]: автореф. дис.. канд. техн. наук. / В .И. Готовцев. - М., 1991. - 20 с.
9. Орлов, В.А. Эксплуатация, реконструкция и строительство водопроводных и водоотводящих сетей с учетом экологического фактора [Текст] / В.А. Орлов // Строительство и архитектура. - 1997. - Вып.2. - С.33 -38.
10. Сомов, М. А. Технико-экономическое обоснование вариантов обеспечения надежности трубопроводов городской, водопроводной сети. [Текст] / М.А. Сомов, О.Г. Примин // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. - 2001. -№ 2-3. - С.57-63.
11. Мазур, И.И. Конструктивная надежность и экологическая безопасность трубопроводов [Текст] / И.И. Мазур, О.М. Иванцов, О.И. Молдованов.- М. : Недра, 1993. - 339с.
12.Коршунов, В.Г. Инвестиционно-строительный процесс: проблемы и решения / В. Г. Коршунов // Промышленное и гражданское строительство. - 2010. -№ 7. - С. 55-58.
TECHNO-ECONOMIC ANALYSIS OF THE FAILURE OF PIPELINES OF WATER
SUPPLY SYSTEM
Stepantsova NA.
Annotation. The article presents the analysis of pipeline accidents based on the type of accidents and time of the elimination, systems of water supply and sanitation. Comparative analysis and illustrated overview of the violations in the water system, taking into account the formula of the life cycle of pipelines.
Keywords: the water supply system, life cycle cost, failures on pipelines, failure analysis, pipelines, liquidation of accidents, "earthen" and "instrumental" work.
