Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ статистических данных по техническому состоянию и аварийности трубопроводов водопроводной и водоотводящей сетей 11
1.1. Оценка состояния стальных водопроводных и напорных водоотводящих сетей 11
1.1.1. Состояние проблемы и общий подход к ее решению 11
1.1.2. Водопроводная сеть (на примере Москвы) 13
1.1.3. Напорная водоотводящая сеть (на примере Москвы) 17
1.2 Основание для проведения работы по разработке системного подхода к реновации сетей и предмет проводимых исследований 25
1.3. Краткие выводы по главе 1 27
Глава 2. Комплексный анализ результатов диагностики технического состояния трубопроводов водопроводной и канализационной сети. Классификация и ранжирование факторов, дестабилизирующих надежность и долговечность трубопроводов 28
2.1. Мониторинг толщины стенки и защитных покрытий водопроводных и напорных канализационных сетей 29
2.2. Мониторинг гидравлических показателей 30
2.3. Мониторинг мест повреждения трубопроводов 34
2.4. Мониторинг качественных показателей воды 37
2.5. Мониторинг коррозионной активности грунта, блуждающих токов, потенциалов и качества изоляции 40
2.6. Классификация и ранжирование факторов, дестабилизирующих работу напорных трубопроводов 42
2.6.1. Определение рейтинговой значимости дестабилизирую щих факторов и воздействий на трубопроводную систему 42
2.6.2. Внутреннее ранжирование элементов состояния факторов по балльной (рейтинговой) системе значимости 49
2.7. Краткие выводы по главе 2 79
Глава 3. Разработка критериев и методики оценки состояния трубопроводов 81
3.1. Общий алгоритм оценки и прогноза состояния трубопроводов 81
3.2. Остаточный ресурс и методы его оценки 84
3.2.1. Понятие остаточного ресурса. Повреждения трубопро водов, ведущие к коррозионным процессам 84
3.2.2. Методики и алгоритм расчета остаточного ресурса стального трубопровода в зависимости от толщины его стенки 87
3.2.3. Разработка автоматизированной программы прочност ного расчета для определения толщины стенки стального трубопровода 90
3.3. Краткие выводы по главе 3 94
Глава 4. Проведение стендовых исследований по определению гидравлических показателей труб (покрытий) из разных материалов на предмет их совместимости в период реновации сетей 95
4.1. Задачи исследований и описание опытно-производственного гидравлического стенда 95
4.2. Методика проведения экспериментов на гидравлическом стенде 100
4.3. Интерпретация результатов экспериментов 102
4.4. Практическое использование результатов экспериментов 106
4.5. Краткие выводы по главе 4 113
Глава 5. Технико-экономическое сравнение вариантов проектирования ремонта стальных трубопроводов систем водоснабжения на основе применения бестраншейных технологий 114
5.1. Базовый объект и варианты его реновации 114
5.2.Гидравлический и технико-экономический расчеты вариантов проектирования ремонта 122
5.3. Краткие выводы по главе 5 133
Общие выводы 134
Список литературы 136
Приложения 145
- Основание для проведения работы по разработке системного подхода к реновации сетей и предмет проводимых исследований
- Мониторинг коррозионной активности грунта, блуждающих токов, потенциалов и качества изоляции
- Понятие остаточного ресурса. Повреждения трубопро водов, ведущие к коррозионным процессам
- Методика проведения экспериментов на гидравлическом стенде
Введение к работе
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.
7 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 перспективу; использование новых материалов и технологий (прежде всего бестраншейных) при строительстве и ремонте трубопроводов; совершенствование 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 восстановления; оценки его ресурса; проверки 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 метода; произведена 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.
Основание для проведения работы по разработке системного подхода к реновации сетей и предмет проводимых исследований
В результате анализа сложившейся ситуации на водопроводных и напорных водоотводящих сетях с учетом накопленного опыта исследования вопросов надежности работы трубопроводов, а также важности вопросов технической диагностики, автор диссертации пришел к выводу о необходимости разработки методики и конкретных мероприятий, направленных на совершенствование комплексной диагностики трубопроводов и системного подхода к ремонтно-восстановительным работам на сетях, т.е. их реновации или модернизации [79, 89]. Только при наличии данной методики оценки, включающей проведение и использование результатов комплексной диагностики, составление паспортов участков сети и их ранжирование по балльной системе, возможна разработка долгосрочной концепции планирования ремонтно-восстановительных работ в условиях ограниченности материальных и денежных ресурсов на модернизацию и реконструкцию подземных инженерных сетей и сооружений [35].
Для комплексной оценки состояния напорных стальных водопроводных сетей необходимо: обработать архивные данные, проектные и инвентаризационные сведения об участках сети (год прокладки, диаметр, протяженность, место расположения, значимость в системе и т.д.) и провести анализ аварийности с предварительным выявлением перечня объектов реновации или модернизации; провести мониторинг гидравлических показателей (напоры, скорости течения), а также мест повреждения трубопроводов, коррозионной активности грунта, блуждающих токов, потенциалов и качества внутренней изоляции трубопроводов; провести мониторинг качественных показателей воды в различных районах и на отдельных территориях города по наиболее характерным параметрам, отвечающим или способствующим процессам коррозии; на основании номенклатуры комплексных диагностических параметров, количественных и качественных признаков функциональных и природно-климатических нагрузок, влияющих на техническое состояние городских водопроводных и канализационных трубопроводов, определить рейтинговую (балльную) значимость отдельных участков трубопроводов и выявить среди них потенциально опасные, т.е. приоритетные реновации; на основе прочностного расчета, заключающегося в определении остаточного ресурса участка трубопровода, выявить среди потенциально опасных наиболее «слабые звенья» в трубопроводной системе, классифицируя их как первоочередные для реновации или модернизации; разработать рекомендации о дальнейшем использовании участка трубопровода, классифицируемого как наиболее ущербный по комплексу технических показателей, а также предложить наиболее оптимальный вариант реновации (модернизации) с учетом гидравлической совместимости труб из различных материалов и диаметров. В отношении напорных водоотводящих сетей перечень мероприятий сужается за счет исключения показателей качества транспортируемой воды.
Проведение перечисленного комплекса работ в представленной выше иерархической последовательности, требует разработки детальных паспортов участков трубопровода (своеобразных медицинских карт), по которым может отслеживаться во времени любое изменение состояния и предприниматься соответ ствующие контр-мероприятия по предотвращению дефектов, а также методов интенсификации работы сетей.
Таким образом, предметом проводимых исследований является выявление, анализ и учет дестабилизирующих работу напорных трубопроводов факторов в целях создания единых критериев оценки принятия решения по реновации участков трубопроводов. Выполнение перечисленных задач реализовано в последующих главах диссертации и внедрено в практику проектирования ремонтно-восстановительных работ на объектах МГУП «Мосводоканал».
1. На основе архивных данных проанализирована ситуация по состоянию стальных водопроводных и напорных водоотводящих сетей.
2. На основании анализа литературных источников и практики работы ЦТД МГУП «Мосводоканал» установлено, что в настоящее время основной акцент при оценке состояния трубопроводный коммуникаций направлен на определение показателей надежности и при этом незначительное место занимают вопросы номенклатуры комплексных диагностических параметров и качественных признаков функциональных и природно-климатических нагрузок, влияющих на техническое состояние городских водопроводных и водоотводящих трубопроводов (состояние грунтов, наличие подземных вод, качество изоляции труб, гидравлические режимы работы и т.д.);
В качестве основной задачи последующих исследований обоснована необходимость проведения рейтинговой (балльной) оценки значимости участков трубопроводов с составлением их паспортов и выявлением среди них путем ранжирования сначала приоритетных реновации, а затем путем расчета остаточного ресурса - потенциально опасных, т.е. требующих незамедлительной реновации.
Под комплексным анализом результатов диагностики автором диссертации в общем и целом понимается обобщение и интерпретация полученной за время натурного обследования участков водопроводной и канализационной сети информации: о режимах их работы (в частности, расходах, напорах, а также качественных показателях воды); о техническом состоянии (в частности, остаточной толщине стенки или защитного покрытия, степени коррозионного обрастания, выявлению мест утечек и повреждений на сетях); о реальных и потенциальных технических и природно-климатических дестабилизирующих факторах (глубинах залегания, грунтовых водах, агрессивных грунтах, скученности подземной и наземной инфраструктуры и т.д.); о наличии защитных мероприятий (установка станций катодной защиты - СКЗ, нанесение защитных, например, набрызговых или полимерных покрытий и т.д.).
Целью комплексного анализа состояния сетей по результатам диагностики должно являться: составление «медицинской» карты технического состояния и оценки потенциальной ущербности исследуемого участка трубопровода по отношению к другим по совокупности перечисленных выше показателей; ранжирование участков сетей по степени ущербности; разработка конкретных рекомендаций по продолжению тех или иных диагностических исследований с указанием их временных интервалов и объемов последующих проработок; подготовка рекомендательных материалов по ремонтно-восстановительным работам.
Необходимо отметить, что работа по составлению и заполнению «медицинских» карт является трудоемкой, так как получение на практике всеобъемлющих данных о состоянии участков сети часто затруднительно по ряду объективных причин: материалы о состоянии участков сети весьма разрозненны и неполны, что объясняется относительно незначительной продолжительностью проводимых комплексных исследований на водопроводных и водоотводящих сетях современными техническими средствами диагностики, а также не сквозным, а выборочным обследованием объектов. Ниже представлены сведения по предварительной обработке автором диссертации некоторых результатов диагностики и приведена интерпретация полученных данных.
Мониторинг коррозионной активности грунта, блуждающих токов, потенциалов и качества изоляции
Для защиты стальных трубопроводов Московского водопровода от электрокоррозии используются станции катодной защиты. Проведенный анализ показывает, что на данный момент в основном электрозащита устроена на трубопроводах больших диаметров 900-1400 мм, где протяженность защищенных трубопроводов составляет порядка 56 % от их суммарной длины [1]. В то же время протяженность защищенных от электрокоррозии трубопроводов малых диаметров 200-300 мм, имеющих наибольшую аварийность, составляет лишь 14 %. При этом стальные трубопроводы напорной канализации Москвы, протяженность которых более 600 км и которые имеют значительный износ лишь на 15 % защищены от электрохимической коррозии [2].
Ситуация складывалась так, что в период массового жилищного строительства в городе Москве защита трубопроводов от электрохимической коррозии не была предусмотрена одновременно с их прокладкой, что привело к значительному разрыву во времени между сдачей в эксплуатацию трубопроводов и началом работы средств электрохимической защиты. К настоящему времени только 6% стальных труб Московского водопровода защищены от внешней коррозии путем устройства СКЗ одновременно с вводом трубопровода в эксплуатацию, а средний срок эксплуатации трубопроводов, для которых были запроектированы СКЗ, составляет 12 лет [7].
Автором диссертации для оценки и анализа эффективности электрозащиты стальных трубопроводов Московского водопровода был проведен сбор и обработка статистических данных по аварийности трубопроводов. В качестве вывода можно констатировать, что наиболее эффективно защищаются от внешней коррозии трубопроводы 80-ых годов укладки (при устройстве электрозащиты одновременно с прокладкой трубопровода), наименее эффективно трубопроводы 70-ых годов укладки, которые строились без изоляции. В целом анализ статистических данных по аварийности трубопроводов Московского водопровода показал, что средняя интенсивность отказов в год на 1 км трубопроводов, находящихся в зоне действия СКЗ составляет 0,4 1/ год.км, а вне зоны 1,2 1/год.км. Необходимо отметить, что процесс подземной коррозии обусловлен большим числом взаимосвязанных и переменных во времени параметров, что необходимо учесть при разработке методики оценки состояния отдельных участков трубопроводов. Взаимосвязь этих параметров приводит к тому, что тот или иной параметр может действовать не только с пользой, но и во вред, т.е. в одном случае может ускорять, а в другом тормозить коррозионный процесс. Особое значение имеет и то обстоятельство, что изменение отдельных параметров во времени различно, поэтому во многих случаях интенсивность и характер процессов коррозии нестабильны. Отсюда следует, что ни один метод оценки коррозионной активности грунтов по отношению к стали, основанный на определении одного ее параметра, не может дать однозначной оценки.
На степень проявления коррозионной активности сильно влияет состояние грунтов вдоль трассы трубопровода. Для точного определения потенциального воздействия грунта на металл трубопровода в лабораторных условиях проводят, его химические, электрохимические, физические и биологические исследования, к числу которых относят, например, рН, вид грунта, общая минерализация и влажность, содержание сульфидов, сероводорода, хлоридов, сульфатов и т.д. [64]. Для оценки степени защищенности от коррозии отдельных участков трубопровода автором диссертации предложено рассматривать: удельное электрическое сопротивление грунта, Ом.м, (с условной классификацией показателя коррозионной активности соответственно - низкий (свыше 50), средний (от 20 до 50), высокий (с классификацией свыше 20) и весьма высокий); потери массы образцов, г, (с условной классификацией показателя коррозионной активности соответственно- низкий (до 1), средний (от 1 до 2), повышенный (от 2 до 3), высокий (от 3 до 4) и весьма высокий (свыше 4). плотность поляризующего тока, мА/см , (с условной классификацией показателя коррозионной активности соответственно- низкий (до 0,05), средний (от 0,05 до 0,2), повышенный (от 0,2 до 0,3), высокий (от 0,3 до 0,4) и весьма высокий (свыше 0,4).
Вся необходимая информация о параметрах коррозионной активности грунта находится в базе данных МГУП «Мосводоканал» и периодически обновляется по мере проведения инженерно-изыскательских работ на трассах.
Длительная практика эксплуатации трубопроводов Московского водопровода и обработка результатов статистических исследований последних лет показывает, что условия эксплуатации и критериальные факторы, приводящие к дефектам трубопроводов и дестабилизирующие их надёжность по степени влияния на техническое состояние труб, могут быть представлены в виде следующей последовательности: материал труб и его качество; наличие и качество изоляционного покрытия; возраст трубопроводов; отсутствие защиты от электрокоррозии; диаметр трубы; наличие блуждающих токов и коррозионной активности грунта; число уже прошедших аварий (повреждений) на участке; интенсивность транспортных и пассажиропотоков; качественные характеристики воды; величина и динамика изменения напоров в сети; наличие и глубина залегания подземных вод; тип грунта; глубина заложения участка сети.
Наличие данного перечня 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.
Автором диссертации была произведена теоретическая увязка взаимовлияния факторов в единой системе. Для этого был использован графово-матричны метод, который позволил установить связь между всеми дестабилизирующими факторами и выйти на определенные диапазоны рейтинговых значений (баллов) каждого фактора и элементов его состояния [65]. Метод заключается в составлении семантической модели в виде ориентированного графа и построения матриц доминирования, устанавливающих общую связность всех альтернативных факторов с учётом множества их сочленений (рисунок 2.3 и таблица 2.4).
Понятие остаточного ресурса. Повреждения трубопро водов, ведущие к коррозионным процессам
Под остаточным ресурсом (или остаточным сроком службы) понимается наработка трубопровода от момента его диагностирования до достижения предельного состояния [26]. Остаточный ресурс как случайная величина характеризуется численными параметром наработки и вероятности того, что в течение этой наработки предельное состояние не будет достигнуто [27] .
Для определения остаточного ресурса необходимо знать: определяющие техническое состояние объекта параметры, изменение которых может привести к предельному состоянию (например, остаточная толщина стенки трубопровода); величину параметров на момент диагностирования; скорость изменения этих параметров в течение последующей диагностирования и эксплуатации; значение величины параметра, достижение которого соответствует предельному состоянию объекта (т.е. критерии предельного состояния, например, минимально-допустимая толщина стенки трубопровода).
Для стальных городских водопроводных и водоотводящих сетей наиболее приемлемой оценкой состояния является уменьшение толщины (утонение) стенки в результате общей (фронтальной) и язвенной (питинговой) коррозии, а также эрозионного износа стенок трубопровода транспортируемой жидкостью до величины, ниже которой не обеспечивается запас прочности [26]. К причинам изменения состояния участков трубопроводов могут быть отнесены: наружная почвенная коррозия, в том числе в местах нарушения сплошности антикоррозионного покрытия; внутренняя коррозия, происходящая за счет качественных показателей транспортируемой воды, негативно воздействующей на внутренние стенки трубопровода.
Сущность оценки остаточного ресурса стального 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 по отношению к транспортной инфраструктуре, 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 dpac4. тр.; проектной толщины стенки dnpoeK.? т.е. согласно ГОСТ на соответствующий диаметр трубы и марку стали; остаточной толщины стенки d0CT. (как результата проявления коррозионных процессов на внутренней и внешней поверхности трубопровода во времени). Расчетная минимальная толщина стенки принимается по результатам прочностного расчета с использованием данных по диаметрам трубопроводов и окружающей его обстановки. Проектная толщина стенки — толщина стенки трубы заводского изготовления, выполненная в соответствии с ГОСТ. Остаточная толщина стенки соответствует ее толщине после п - го количества лет эксплуатации участка трубопровода; определяется по результатам регулярной диагностики (толщинометрии) или специальных натурных диагностических исследований, назначаемых в экстренных ситуациях.
При комплексном прочностном расчете учитываются внешние дестабилизирующие работу трубопровода факторы, в частности: глубина залегания трубопровода; наличие подземных вод над уровнем лотка трубы; собственный вес трубы; величина внутреннего давления воды в трубопроводе; состояние грунтового свода и т.д.
В таблице 3.2 приведены ориентировочные данные по величинам ёраСч. мин. (или требуемой остаточной толщины) для стальных труб различного диаметра при экстремальных условиях (глубина залегания трубопровода 10 м и наличие над ним горизонта подземных вод до уровня земной поверхности), когда сохраняется их несущая способность.
Расчет произведен по формуле d R / (Е/4НВ) , которая является производной формулы для определения устойчивости труб под действием гидростатического давления [40, 68]: где Ркр - критическая нагрузка на трубопровод по условиям его устойчивости, т/м , Е - модуль упругости стальной трубы 21.10 т/м ; R - внешний радиус трубопровода, м или мм, d - расчетная (или требуемая остаточная) толщина стенки трубопровода, м или мм; Нв - величина внешнего давления грунтовых (подземным) вод, м вод. ст. или т/м2.
Для оценки остаточного ресурса трубопровода автором предложено использовать методику расчета его несущей способности по остаточной толщине стенки и скорости коррозии (А) и по скорости коррозии и скорости роста дефекта в стенке трубы (Б) [26].
Алгоритм решения задачи по определению остаточной толщины стенки и скорости коррозии (А) состоит в следующем: 1). Сопоставляются данные по толщинам стенки dpaC4. мин (мм) и d0CT. (мм): если d0CT. dpaC4. тр. , то остаточный ресурс предварительно оценивается как нулевой и переходят к выполнению п. 4; если d0CT. dpaC4. тр., то переходят к выполнению пункта 2 алгоритма; 2). Сопоставляются данные по толщинам стенки dnp0eK. (мм), d0CT. (мм) и сроку эксплуатации N (лет) трубопровода до момента диагностики для подсчета средней скорости коррозии V (мм / год): 3). Сопоставляются данные по толщинам стенки dpac4. тр- (мм), doCT. (мм) и средней скоростью коррозии V (мм / год) участка трубопровода для подсчета минимального остаточного срока службы участка трубопровода (т.е. его остаточного ресурса) N0CT. (мм / год): 4). Разрабатываются предварительные рекомендации о возможных дальнейших действиях для служб эксплуатации (РКС и РВС) и групп диагностики ЦТД «Мосводоканал» с указанием: а), предварительного (ориентировочного) остаточного срока эксплуатации участка трубопровода (количество лет); необходимости проведения (или отсутствия необходимости) повторной диагностики (в случае уточнения каких-либо опытных параметров); проведения предварительных контрмероприятий по пре дотвращению или замедлению старения, например, установке СКЗ; санации бестраншейными методами, т.е. нанесению внутреннего защитного покрытия (обладающего или необладающего самостоятельной несущей способностью), перекладке открытым способом с проведением земляных работ.
Методика проведения экспериментов на гидравлическом стенде
Методика проведения экспериментов по определению гидравлических характеристик потока в трех трубопроводах состоит в следующем. 1. Накопительная емкость заполняется водой до установленного уровня, обеспечивающего наполнение трубопроводной системы и соблюдения требуемого уровня воды в ней для нормальной работы насосов. 2. Включаются насосные установки, которые забирают воду из накопительной емкости и подают ее в соответствующий трубопровод (остальные отключаются посредством закрытия задвижек). 3. После относительной стабилизации уровней поднятия воды в пьезометрах и трубках Пито производится замер показаний на них (статического и динамического давлений) в двух точках экспериментального участка, находящихся на расстоянии 10 м. Параллельно производится замер объема (расхода) протекаемой воды тремя методами (с помощью ультразвукового и турбинного расходомера и объемным методом). 4. После снятия показаний давлений с пьезометров и трубок Пито определяются величины скоростных напоров V / 2g в этих живых сечениях, средних скоростей течения воды Qcp / со, производится подсчет величин поправочного коэффициента (Кориолиса) для каждого сечения и определения его среднего значения. 5.
Определяются потери напора на экспериментальном участке (длиной 10 м), как разница в показаниях пьезометров в двух точках, и производится пересчет потерь напора на единицу длины трубопровода (на 1 м). 6. Рассчитываются значения коэффициента гидравлического трения X. Результаты замеров показаний всех приборов и расчетные формулы для определения значений параметров, перечисленных в пунктах 4-6, зафиксированы в рабочем журнале (бланки рабочего журнала представлены в Приложении В).
В период натурных экспериментов на каждом трубопроводе в среднем было проведено порядка 40 серий опытов при температуре воды 15-16С, которая является наиболее характерной для наружных водопроводных сетей. Полученная информация и результаты ее обработки явились базовым материалом для определения эмпирических зависимостей изменения потерь напора от расхода протекаемой жидкости, т.е. Ah = f (Q) и определения коэффициента гидравлического трения А, (см. п. 4.3). Результаты натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей Ah = і = f (Q) для трех типов трубопроводов в широком диапазоне расходов представлены в виде сводных графиков на рисунках 4.8 и частично (из- Сводные данные по результатам натурных экспериментов по определению эмпирических зависимостей Ah = і = f (Q) для стального трубопровода с полимерным покрытием (а), полиэтиленового трубопровода (б) и стального с цементно-песчаной облицовкой (в); по оси абсцисс - расходы (м3/с), по оси ординат - потери напора (м). Как видно из графиков рисунка 4.8 для трех видов трубопроводов прослеживается универсальный характер изменения потерь напора от расхода -степенная математическая зависимость: ,2,7655. - для стальной трубы с полимерным покрытием Ah = і = 5672,3Q Для анализа характера полученных закономерностей и проверки их доверительности аналогичным трубопроводам из других материалов (сталь, чугун), по результатам расчетных данных (Таблицы гидравлического расчета Ф.А. Шевелева) были построены идентичные зависимости для чугунного и стального трубопроводов. Полученные экспериментальные зависимости Ah=i=f(Q) для трех типов трубопроводов, а также расчетные кривые для чугунных и стальных труб сведены на единое поле (рисунок 4.9).
