Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзорная информация и комплексная аналитическая оценка технического состояния трубопроводов водопроводных и водоотводящих сетей на предмет интенсификации их реновации 16
1.1. Состояние напорных водопроводных и водоотводящих сетей . 16
1.2. Состояние безнапорных водоотводящих сетей 32
1.3. Анализ концептуальных подходов к стратегии реновации трубопроводов 39
1.4. Обоснование тактики реновации трубопроводных сетей и формулирование предмета проводимых исследований 45-
1.5. Краткие выводы по главе 1 47
Глава 2. Классификация дефектов трубопроводов, анализ статистики повреждений и типов внутренних защитных покрытий для их устранения 49
2.1. Сущность и значение теледиагностики для выявления и анализа дефектов трубопроводов 49
2.2. Типичные повреждения напорных и безнапорных трубопроводов. Классификация дефектов трубопроводов 51
2.3. Анализ статистики повреждений, установление причинно- следственных связей и функциональных зависимостей между ними 61
2.4. Внутренние защитные покрытия трубопроводов как эффективное средство устранения дефектов водопроводных и водоотводящих сетей 69
2.5. Внутренние покрытия как косвенный фактор санитарной надежности системы подачи и распределения воды 73
2.6. Краткие выводы по главе 2 75
Глава 3. Классификация и ранжирование факторов, дестабилизирующих работу трубопроводов. Паспортизация участков трубопроводных сетей и автоматизация поиска объектов реновации' 77
3.1. Общий подход к определению критериев и рейтинговой значимости дестабилизирующих факторов, воздействующих на трубопроводную систему 77
3.2. Определение функциональных зависимостей между дестабилизирующими факторами 79
3.3. Внутреннее ранжирование элементов состояния факторов по балльной (рейтинговой) системе значимости 89
3.4. Паспортизация участков напорной и безнапорной сети 129
3.5 Разработка алгоритмов и» автоматизированных программ поиска потенциальных объектов реновации 133
3.6. Краткие выводы по главе 3 139*
Глава 4. Разработка методик прочностного расчета трубных конструкций по оценке состояния участков трубопроводов на предмет реновации 141
4.1. Оценка прочности действующих напорных трубопроводов систем водоснабжения и водоотведения 14Г
4.1.1. Обоснование иерархических уровней принятия решения по проведению реновации стальных трубопроводов 141
4.1.2. Подходы к прочностному расчету действующих стальных трубопроводов 143
4.1.3. Обоснование иерархических уровней принятия решения по проведению реновации трубопроводов из других материалов 147
4.1.4. Подходы к прочностному расчету напорных двухслойных конструкций «действующий трубопроводов + защитное покрытие» 148
4.2. Оценка прочности действующих безнапорных сетей, выполненных из различных материалов 154
4.2.1. Обоснование иерархических уровней принятия решения по проведению реновации безнапорных сетей 154
4.2.2. Подходы к прочностному расчету безнапорных двух слойных конструкций «действующий трубопроводов + защитное покрытие» 155
4.3. Краткие выводы по главе 4 161
Глава 5. Определение гидравлических характеристик внутренних защитных покрытий и» оценка их совместимости с материалами- исходных трубопроводов в период реновации . 163
5.1. Понятие гидравлической совместимости^ труб из различных материалов,- цели и задачи*гидравлических исследований 163
5.2. Проведение гидравлических экспериментов на опытно- производственном стенде для напорных и безнапорных сетей, интерпретация результатов и их практическое использование 165
5.2.1. Гидравлические эксперименты на напорных. трубопроводах 165
5.2.2. Гидравлические эксперименты>на безнапорных трубопроводах 179'
5.3: Натурные и аналитические исследования транспортирующей способности потока сточной4 жидкости в местах стыков труб, интерпретация результатов на предмет гидравлической совместимости
восстановленных и невосстановленных участков сети 199
5.3.1. Обоснование необходимости учёта факторов транспортирующей способности и гидравлической совместимости участков водоотводящих сетей, выполненных из различных- материалов и диаметров 199*
5.3.2. Натурные исследования, анализ экспериментальных и расчётных данных по гидравлической совместимости участков безнапорных водоотводящих сетей 204
5 5.4. Натурные эксперименты на напорных водоотводящих сетях, подвергнутых реновации полимерным покрытием 215
5.5. Краткие выводы по главе 5 217
Глава 6. Принципы технико-экономической оптимизации выбора метода бестраншейной реновации и формулировка тактических задач реновации трубопроводов 219
6.1. Критерии оптимизации при выборе технологии реновации 219
6.2. Разработка автоматизированных программ выбора оптимального метода реновации трубопроводных сетей 226
6.3. Формулировка тактических задач реновации трубопроводов 231
6.4. Краткие выводы по главе 6 237
Глава 7. Разработка учебно-тренировочных комплексов по вопросам реновации подземных трубопроводов с помощью защитных покрытий 238
7.1. Разработка практикума по решению задач оптимизации для обучающихся 238
7.2. Разработка автоматизированных программ выбора параметров санации защитными покрытиями для трубопроводов, выполненных из различных материалов 240
7.3. Краткие выводы по главе 7 251
Общие выводы 252
Список литературы
- Анализ концептуальных подходов к стратегии реновации трубопроводов
- Внутренние защитные покрытия трубопроводов как эффективное средство устранения дефектов водопроводных и водоотводящих сетей
- Паспортизация участков напорной и безнапорной сети
- Обоснование иерархических уровней принятия решения по проведению реновации трубопроводов из других материалов
Введение к работе
з
Актуальность проблемы.
На пороге XXI века из-за ограниченности запасов на планете пресная вода может быть причислена к стратегическому объекту, а задачи безопасной транспортировки питьевой и сточных вод начинают входить в разряд приоритетных задач общества, так как напрямую связаны со здоровьем (а порой и выживанием) населения и комфортабельностью его проживания.
В условиях современного города предупреждение старения и преждевременного выхода из строя подземных инженерных сетей водоснабжения и водоотведения, а также оптимальная локализация последствий их проявления становятся одними из главных задач служб эксплуатации коммунальных объектов подавляющего числа городов мира. Особую актуальность этот вопрос приобретает для городов России, где в коммунальном секторе старение подземных трубопроводных коммуникаций и другого оборудования различного назначения достигли критических уровней: более половины подземных трубопроводных коммуникаций исчерпали нормативный срок службы. При непринятии оперативных мер по повышению эффективности работы трубопроводных сетей, реновации и модернизации подземных трубопроводов ситуация может выйти из под контроля с многочисленными последствиями для человека и окружающей природной среды городов и населенных пунктов.
Существующее негативное состояние трубопроводных коммуникаций привело к необходимости принятия на государственном уровне экстренных мер, направленных на исправление сложившегося положения. Этим мерам в первую очередь служит принятая Правительством России Концепция программы «Чистая вода России», а московским Правительством - «Чистая вода Москвы», где прописаны ориентиры и конкретные мероприятия до 2020 года «по гарантированному обеспечению населения чистой питьевой водой по доступной цене, созданию экологически безопасной водной среды, улучшению на этой основе состояния здоровья и продолжительности жизни человека». Таким образом, на трубопроводные сети как элемент непосредственного соприкосновения с человеком (при подаче питьевой воды) должны быть не только возложены, но и усилены ответственные функции обеспечения гарантированного физического барьера от загрязнения транспортируемой воды и поддержания в ней требуемых санитарно-гигиенических показателей.
Одним из превалирующих факторов негативной работы напорных трубопроводных сетей являются многочисленные дефекты: коррозия, свищи, нарушения в стыках, переломы, а безнапорных сетей - засоры, как следствие полученных повреждений, старение материала труб, изначальные заводские дефекты труб или их стыков, низкая культура пользования системой водоотведения и другие обстоятельства. Перечисленные и другие негативные факторы, безусловно, требуют ускорения темпов реновации трубопроводных сетей, чтобы предотвратить переход системы из критического состояния в катастрофическое, однако возможности эксплуатирующих организаций далеко не всегда позволяют это сделать.
Основным подспорьем для решения проблем ремонта и обновления ветхих трубопроводных сетей является применение бестраншейных технологий реновации трубопроводов, в основе которых лежит использование различных внутренних покрытий (труб, облицовок, рукавов, бандажей, клеевых составов на основе органических смол и т.д.), которые рассматриваются в качестве эффективных ремонтных защитных оболочек, локализующих многочисленные дефекты трубопровода (например, свищи, трещины, нарушения в стыках и т.д.) и предотвращающих явления инфильтрации грунтовых вод в трубопровод и эксфильтрации транспортирующихся жидкостей в природную среду.
Современный строительный рынок, в котором из года в год наблюдается увеличение ассортимента тех материалов, которые способны стать эффективными для реновации подземных трубопроводов различного назначения, также косвенно способствует решению проблемы модернизации инженерных сетей транспорта жидкостей, газов и других веществ.
Обладая специфическими свойствами, соответствующими, с одной стороны, принятой технологии изготовления, а с другой - метода нанесения на внутреннюю поверхность изношенных трубопроводов, защитные покрытия предназначены играть роль эффективного средства для обеспечения физической целостности трубопроводной системы и надежного барьера между транспортируемой жидкостью и окружающей средой, но также способствовать восстановлению прочностных и гидравлических характеристик трубопроводных сетей в целях продления их срока службы и снижения расходов на транспортировку воды.
Говоря о значимости проблемы защиты трубопроводов внутренними покрытиями, необходимо отметить, что на сегодняшний день не выработаны четкие научные подходы к прочностному расчету двухслойных конструкций «материал трубопровода + защитное покрытие», а также не всегда имеются корректные справочные данные о гидравлических параметрах некоторых защитных покрытий, что сужает рамки их более широкого применения для оперативной реновации. Также не изучен вопрос гидравлической совместимости в единой трубопроводной системе старых и новых участков подлежащего ремонту трубопровода.
Практика эксплуатации водопроводных сетей показала, что для выбора первоочередных объектов реновации защитными покрытиями из огромного числа потенциальных, а также оптимального планирования мероприятий по защите трубопроводов, в том числе для поддержания требуемых санитарно-гигиенических показателей питьевой воды, необходим научно-обоснованный подход, учитывающий комплексное воздействие на двухслойную конструкцию трубопровода внешних дестабилизирующих факторов.
Решение комплексной задачи предотвращения раннего старения трубопроводов водоснабжения и водоотведения должно способствовать реализации долгосрочных социальных и экологических проблем, стоящих перед современным городом, а также отказу от стратегии «пожарной команды»,
5 характерной для коммунальных служб ряда современных крупных городов мира.
Актуальность работы заключается прежде всего в её своевременности, т.е. в момент проведения в нашей стране реформы коммунального хозяйства и в частности, реновации и модернизации трубопроводного транспорта. Результаты работы позволяют внести определённую лепту в решение данной задачи государственной важности.
Работа выполнялась на кафедре водоснабжения ГОУ ВПО Московский государственный строительный университет в рамках работ по хоздоговорной тематике с МГУП «Мосводоканал» в течение 2002-2008 годов.
Цель работы и задачи исследований. Цель заключается в комплексной оценке технического состояния наружных трубопроводов водопроводной и водоотводящей сети на предмет разработки тактики их оперативной реновации.
В соответствии с поставленной целью основными задачами исследований являются:
- разработка концепции выбора потенциального объекта реновации с
ориентацией на восстановление бестраншейными методами и с использованием
современных защитных покрытий;
- анализ проявления и классификация повреждений напорных и
безнапорных трубопроводных сетей, типов ремонтных материалов (внутренних
защитных покрытий) и условий их применения для локализации
соответствующих дефектов трубопроводов (по классификатору повреждений);
разработка научно-обоснованных подходов к прочностному и гидравлическому расчету трубопроводов с внутренними защитными покрытиями, включая вопросы обоснования гидравлической совместимости материала покрытия и трубопровода;
оценка степени косвенного влияния внутренних защитных покрытий и других обстоятельств на санитарную надежность системы подачи и распределения воды;
разработка учебно-тренировочных обучающих комплексов по вопросам реновации подземных трубопроводов бестраншейными методами с помощью современных строительных материалов, используемых в качестве внутренних защитных покрытий.
Для достижения поставленной цели решены частные задачи:
проведен анализ технического состояния трубопроводных сетей МГУП «Мосводоканал» по литературным источникам, архивным данным и личным наблюдениям;
описаны виды защитных покрытий и составлен классификатор дефектов трубопроводных сетей с рекомендованными типами защитных покрытий для восстановления физической целостности трубопроводов;
разработаны методические подходы к проведению прочностного расчета двухслойных трубных конструкций «материал восстанавливаемого трубопровода + внутреннее защитное покрытие», где в качестве материала труб используются сталь, чугун, железобетон, асбестоцемент, керамика и кирпич для различных режимов работы трубопроводов (напорный и безнапорный);
- проведены экспериментальные исследования по определению
гидравлических характеристик нескольких защитных покрытий (полимерный
рукав, цементно-песчаное покрытие и полиэтиленовые трубы) и обоснованы
положения по гидравлической совместимости напорных и безнапорных
трубопроводов с защитными покрытиями;
разработаны подходы к оценке влияния дестабилизирующих работу водопроводных и водоотводящих сетей факторов на выбор объекта реновации защитными покрытиями на основе составления математических моделей и ранжирования факторов, а также влияния защитных покрытий на санитарную надежность водопроводной сети;
разработана концепция выбора приоритетных объектов реновации защитными покрытиями на базе учета внешних факторов, оказывающих влияние на техническое состояние и эффективность работы водопроводной и водоотводящей сетей, с проверкой прочностных и гидравлических характеристик системы, что по совокупности оформлено в качестве тактики теновации;
- составлен перечень из нескольких характерных задач реновации
трубопроводов и приведены функции учебного комплекса для студентов вузов
и специалистов, занимающихся вопросами восстановления подземных
трубопроводов с помощью защитных покрытий.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые разработан системный подход к тактике реновации водопроводных и водоотводящих сетей бестраншейными методами с использованием защитных покрытий в единой системе учета прочностных характеристик двухслойных трубных конструкций и гидравлической совместимости защитных покрытий и материала трубопровода;
впервые разработаны методические подходы к вопросам реновации объектов на водопроводной и водоотводящей сетях на основе использования физических моделей взаимовлияния дестабилизирующих факторов, компьютерных программных комплексов поиска приоритетных объектов восстановления и методов бестраншейной реновации на основе учёта стоимостных, технических, технологических и эксплуатационных показателей;
впервые разработан учебно-тренировочный и обучающий комплекс по вопросам реновации подземных трубопроводов с помощью альтернативных защитных покрытий на базе использования компьютерных программ.
Основные положения, выносимые на защиту:
последовательность операций, составляющих основу тактики реновации трубопроводных систем;
закономерности проявления дефектов на трубопроводных сетях и их классификация; условия применения защитных покрытий для локализации соответствующих дефектов трубопроводов (по классификатору повреждений);
анализ взаимовлияния внешних дестабилизирующих факторов, воздействующих на техническое состояние и эффективность работы водопроводной и водоотводящей сетей с их рейтинговой оценкой и разработка на данной основе паспортов участков трубопроводов;
7 методические подходы к вопросам поиска приоритетных объектов реновации и оптимальных методов бестраншейного восстановления с использованием компьютерных программных комплексов на основе учёта стоимостных, технических, технологических и эксплуатационных показателей;
- разработка научно-обоснованных подходов к прочностному расчету
двухслойных трубных конструкций;
результаты экспериментальных и теоретических гидравлических исследований на перспективных типах ремонтных защитных покрытий и полученные для них унифицированные расчетные зависимости при напорном и безнапорном режиме работы трубопроводов с обоснованием условий гидравлической совместимости;
учебно-тренировочный и обучающий комплекс по вопросам бестраншейной реновации подземных трубопроводов различными методами и с помощью альтернативных защитных покрытий.
Практическая значимость работы определяется решением в рамках диссертации крупной проблемы, имеющей народно-хозяйственной значение в области развития и совершенствования систем водоснабжения и водоотведения, в частности, реформы ЖКХ и принятой Правительством России программы «Чистая вода России» с реализацией положений до 2020 года.
Практическая значимость заключается во внедрении результатов работы на производственных объектах и в учебных заведениях, в частности, в виде издания автором научно-методической и технической документации, ведомственных и межведомственных Положений, Свода Правил (СП) и регламента, используемых научными, строительными, проектными и эксплуатационными организациями, а также учебно-методических работ для широкого круга специалистов, в том числе студентов вузов и техникумов строительного профиля, слушателей курсов повышения квалификации.
Внедрение в практику состоит в использовании следующих положений диссертации:
а) системного подхода к поэтапному решению тактических и
оптимизационных тактических задач реновации водопроводных и
водоотводящих сетей путём:
использования на стадии проектирования расчетных автоматизированных комплексов по прочностному и гидравлическому расчетам, включая вопросы гидравлической совместимости материалов покрытий и исходного трубопровода;
поиска эксплуатационными организациями на стадии принятия решения приоритетных объектов восстановления трубопроводов с помощью защитных покрытий;
б) разработанных при непосредственном участии автора диссертации
рекомендаций в виде нормативно-технической документации по строительству
и реновации подземных инженерных коммуникаций, в частности:
- «Положения о проведении санации трубопроводов Московского
водопровода». Утверждено распоряжением Генерального директора МГП
«Мосводоканал» № 8 от 25 апреля 2000 г., Изд. Прима-Пресс. 36 с;
8 «Положения о санации водопроводных и водоотводящих сетей». Утверждено на заседании НТС ГОССТРОЯ РОССИИ от 16.09.2003 г. № 01-НС-153. Изд. Прима-Пресс. 43 с;
«Проектирование и монтаж водопроводных и канализационных сетей с применением высокопрочных труб из чугуна с шаровидным графитом». СП 40-109-2006. Федеральное агентство по строительству и ЖКХ РФ. Москва. Официальное издание ФГУП «Центр проектной продукции в строительстве». 2006 год, 48 с.
«Регламент использования полиэтиленовых труб для реконструкции сетей водоснабжения и водоотведения». (Рекомендован Саморегулируемой организацией - Российской ассоциацией водоснабжения и водоотведения (СО РАВВ) для применения предприятиями водопроводно-канализационного хозяйства городов России и организациями, выполняющими работы по строительству, реконструкции и эксплуатации трубопроводов водоснабжения и водоотведения из полиэтиленовых труб на территории России;
в) учебно-методической литературы для студентов вузов и техникумов, в
том числе, с грифами Минобразования и Ассоциации строительных вузов в
количестве 7 источников (перечень книг в библиографическом списке автора);
г) монографий в количестве 4-х источников с детальным изложением
отдельных разделов диссертационной работы.
Апробация работы. Базовые теоретические положения и результаты экспериментальных исследований докладывались:
на Международной конференции Акватек-2002 (на секции «Бестраншейные технологии») в г. Москве в июне 2002 г.,
- на Семинаре Российского общества по внедрению бестраншейных
технологий 27.11.02 в МГУП «Мосводоканал»,
- на Секции НТС ГОССТРОЯ РФ 19.06.2003 г.
- на семинаре-конференции Российской ассоциации водоснабжения и
водоотведения НИИ коммунального водоснабжения и очистки воды
«Экологические аспекты в решении проблем водоснабжения и водоотведения
2-4 декабря 2003 года,
на научно-практическом семинаре «Системы учёта, подачи и распределения воды в коммунальном и промышленном водоснабжении» в Государственном научном центре РФ «НИИ ВОДГЕО» 25-26 февраля 2004 г.;
- на П-ой международной конференции «Применение бестраншейных
технологий на подземных сетях городской инфраструктуры» в Польше, г.
Кельце, 19-21 апреля 2006 г.;
- на международной конференции NO-DIG-2008 ISTT в Москве на секции
«Санация трубопроводных систем» 1-3 июня 2008 г.
- на Всероссийской научно-практической конференции «Инженерное
оборудование зданий, наружные сети и инженерные сооружения городов в
ГОУ ДПО ГАСИС, Москва, 18-20 мая 2009 г.
Достоверность результатов работы.
Представленные в диссертации задачи решались на основе аналитических и экспериментальных исследований, проводимых в полупроизводственных и
9 натурных условиях, использовании рекомендуемых положений по гидравлическому и математическому моделированию. Достоверность исследований достигается использованием парка сертифицированных приборов и оборудования, обеспечивающих достаточную точность при испытаниях.
Публикации.
Положения диссертации опубликованы в открытой печати: в 58 статьях, в том числе в 10 статьях рецензируемых журналов, рекомендуемых ВАК для строительной отрасли, в 4 монографиях, 7 учебниках и учебных пособиях, 4 изобретениях, подтверждающих новизну научно-технических решений.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач, организации и непосредственном участии в проведении теоретических и экспериментальных исследований, анализе их результатов, формировании выводов, разработки тактических методических подходов к реновации водопроводных и водоотводящих сетей с использованием бестраншейных технологий на базе перспективных ремонтных материалов, формировании и написании нормативно-технической документации и руководства пользователей автоматизированными программами, а также написании статей, монографий и специальной учебно-методической литературы по результатам собственных разработок и анализа предшествующего опыта.
Автор считает своим долгом выразить благодарность заведующему кафедрой Водоснабжения профессору Сомову М.А. и коллегам по кафедре за помощь, оказанную при выполнении работы.
Структура и объём диссертации. Диссертация включает введение, семь глав, общие выводы, список литературы из 151 наименования. Общий объём диссертационной работы: 270 страниц машинописного текста, 49 таблиц, 75 рисунков, приложения.
Анализ концептуальных подходов к стратегии реновации трубопроводов
Эти методики базируются в, основном на использовании следующих материалов: статистики отказов трубопроводов (в среднем за год) и ее прогноза; интенсивности отказов трубопроводов; аварийности участков трубопроводов по диапазонам сроков эксплуатации и т.д. К недостатку методик можно отнести то, что они практически не затрагивают причин отказа, т.е. влияния комплекса внешних дестабилизирующих факторов. [27].
Разработанные ранее программы позволяют лишь оценить прогнозы показателей надежности, выделяя некие «слабые» звенья- системы (участки трубопроводов; имеющие наибольший риск аварий), но при этом не позволяют выйти на конкретные объекты первоочередной реновации из-за недостатка объективных причин и возможных случайных ошибок, когда во главу угла ставится анализ аварийности трубопроводов без учета внешних дестабилизирующих факторов; конкретных дефектов труб и условий их работы. (окружающие грунты, и подземные воды, качественные показатели воды, гидравлические параметры1, и т.д.). Дело в том, что статистика повреждений даёт возможность оценивать состояние трубопроводов лишь условно, поскольку, как правило, никакой оценки технического состояния труб со сбором статистических данных не связано. Статистика не может заменить специальные знания и профессиональный опыт инженера по эксплуатации сетей. Она является полезным вспомогательным средством:
Автор диссертации убежден, что для установления закономерностей процесса возникновения аварий трубопроводов и их причин для каждого контрольного участка трубопровода должен составляться детальный паспорт, где должно фиксироваться «окружение» трубопровода [31-33; 39, 137]. Только в этом случае может быть установлено влияние каждого дестабилизирующего фактора на возникновение отказов и принято оптимальное решение о методе последующей реновации трубопровода [31, 40].
В условиях МГУП «Мосводоканал» проводились исследования по анализу зависимости интенсивности отказов трубопроводов от сезонов года. В частности, установлено, что сезон года не имеет значительного влияния на общее количество аварий, возникающих на всей системе трубопроводов-Московского водопровода. В зимние и осенние месяцы наблюдается увеличение числа повреждений на стальных и чугунных трубопроводах, вызываемых резкими перепадами температуры наружного воздуха и проявляемых в нарушениях стыковых соединений. Но, вместе с тем, уменьшается количество повреждений труб, связанных с перемещением грунта. Это и приводит к тому, что в целом по системе существенного изменения числа повреждений в зависимости от сезонов года не наблюдается. Наиболее сложной оказывается связь между интенсивностью отказов, сроками, укладки, материалом и величиной диаметра трубопровода. По мнению автора диссертации эти вопросы возможно решить только при оценке влияния на действующий трубопровод всех дестабилизирующих факторов [26]. А по сему, исходя из особенностей строительства и эксплуатации подземных трубопроводов в г. Москве (стесненные условия, большое \ насыщение подземного пространства коммуникациями, тяжелые грунтовые условия, наличие блуждающих токов и др.), вопросы оценки влияния этих факторов на обеспечение надежности работы трубопроводов требуют тщательного рассмотрения [137, 138].
Как отмечалось выше, напорные водоотводящие трубопроводы как и водопроводные являются наиболее слабым и уязвимым звеном системы водоотведенияя Москвы. Основные причины повреждений трубопроводов известны: значительный срок их службы, низкие темпы обновления- труб, интенсивная внешняя и внутренняя коррозия труб, не имеющих защитных покрытий, несоблюдение технологии производства работ по укладке и монтажу трубопроводов и низкое качество стальных труб [70]. Все это приводит к снижению их срока службы по сравнению с нормативными и повышению интенсивности отказов.
Сложившиеся в прежнее время требования директивных органов о преимущественном использовании стальных трубопроводов полностью коснулось и Московской канализации [64], напорные трубопроводы которой на 88;5% представлены стальными трубами. На настоящий момент общая протяженность трубопроводов напорной канализации города составляет свыше 600 км. Значительная часть стальных трубопроводов напорной канализации Москвы проложена в промышленных зонах, вблизи железных дорог, трамвайных путей, линий метрополитена, т. е. находится в зоне действия блуждающих токов, вызывающих интенсивный процесс электрохимической коррозии [41]. В свою очередь грунтовые условия прокладки трубопроводов во многих районах города характеризуются высокой коррозионной активностью грунтов. Эти факторы, а также значительный износ трубопроводов (большинство из которых отслужили установленный нормами срок службы) приводят к высокому риску аварий на трубопроводах и необходимости значительной интенсификации работы, эксплуатирующего сети персонала.
Основным способом противокоррозионной защиты подземных металлических трубопроводов Московской канализации является изоляция трубопроводов в. сочетании с электрохимической катодной защитой [48]. В настоящее время в системе напорной канализации эксплуатируется более 180 станций катодной защиты (СКЗ), однако степень защиты трубопроводов оценивается как недостаточная и не позволяет обеспечить их полную защиту от коррозионных повреждений. Еще более 40 лет тому назад рядом исследователей" отмечалось, что наряду с увеличением темпов строительства СКЗ и внедрения электрозащитного оборудования, важное значение для повышения эффективности системы, электрозащиты подземных трубопроводов -имеет организация І диагностики коррозионного состояния трубопроводов и оценки степени их коррозионной опасности [50, 51].
Внутренние защитные покрытия трубопроводов как эффективное средство устранения дефектов водопроводных и водоотводящих сетей
Другую, не менее важную роль влияния на общую ситуацию в водоотводящих трубопроводных системах отводится составу транспортируемых сточных вод. Когда речь идёт о безнапорных водоотводящих сетях, транспортирующих концентрированные производственные сточные воды, то учёт фактора качественные характеристики становится еще более значимым.
По данным МГУП «Мосводоканал» [54] сроки эксплуатации трубопроводных канализационных систем в различных регионах России, транспортирующих производственные сточные воды, реально не превышают 15-18 лет, в то время как при нормальных условиях эксплуатации должны составлять 35-40 лет.
В настоящее время на балансе МГУП «Мосводоканал» находится около Л О тыс. км самотечных канализационных трубопроводов которые подразделяются по категориям на: каналы и коллекторы (диаметром 600 — 5600- мм) протяженностью 1108 км; городскую и дворовую сеть(диаметром; 125-500 мм) протяженностью 5580 км; дюкеры- протяженностью 105 км и аварийные выпуски протяженностью 6,5 км. Классификация по годам постройки следующая: до 1900 года - 175,29 км; с 1901 по 1940 год - 797,21 км; с 1941 по 1960 - 2223,2 км; с 1961 по 1980 - 3939,63 км; с 1981 по 2000 - 1378,28 км; с 2001 по настоящее время — 1285,8 км.
Классификация труб по материалам: керамические 4315,48 км; асбестоцементные 1477,48 км; железобетонные 1034,10 км; чугунные 1388,11 км; стальные 113,26 км; кирпичные 76,62 км; пластмассовые 394,37 км. К настоящему моменту 4888,9 км. канализационных трубопроводов достигли предельного износа, что составляет 69 % от общей протяженности водоотводящей сети города. Ежегодно порога 100 % амортизации достигает 150 -200 км сетей. Статистические данные о работе сети показывают, что наибольшее количество засоров приходится на керамические трубопроводы диаметром до 200 мм, имеющих 100% амортизацию. Основное количество разрушений (до 85%) приходится на керамические трубы с истекшим сроком амортизации. Статистика повреждений на водоотводящих сетях за 1999-2005 годы показывает, что разрушению наиболее подвержены керамические трубы (до 64,8 %) и чугунные (13,5%), а менее всего трубы из ПВХ (5,3%). Наиболее подвержены повреждениям водоотводящие сети постройки начала 20 века (35,12% 1900-1920 годов, также 37,82 % - 1951-1970 годов).
На основе обработки статистических данных установлена зависимость засоров. на городских водоотводящих сетях от глубины заложения трубопроводов: наиболее подвержены засорам трубопроводы лежащие на глубине от 3 до 5 м (порядка 87 % от общего количества), а наименее подвержены трубопроводы проложенные на глубине до 2 м (около 3 %У и свыше 5 м (порядка 10%).
В результате анализа аварийных ситуаций на сети и имеющегося материала телевизионного осмотра трубопроводов можною сделать вывод, что в наиболее неудовлетворительном техническом состоянии находится более 90% керамических трубопроводов, стальные дюкеры с истекшим сроком амортизации, а так же железобетонные трубопроводы различных годов постройки, в том числе и не достигшие 100% амортизации.
Более 1000 км канализационных сетей города построены до Великой Отечественной войны, а 200 км, проложенных в центральной части города построены еще в прошлом веке, находятся в настоящее время в ветхом состоянии. Сложные условия эксплуатации, старение сети приводит к возрастанию частоты отказов (засоры, нарушение герметичности) на трубопроводах [71]. В среднем количество засоров на трубопроводах канализационной сети города составляет около 9 000 случаев в год, разрушений - порядка 70-80 в год, в последние годы наблюдается тенденция к снижению количества засоров. Засоры и разрушения трубопроводов канализационной сети города приводят к значительному материальному, социальному и экологическому ущербам, увеличивают стоимость эксплуатации. В подразделениях МГУП «Мосводоканал» создана система автоматизированного учета и анализа повреждений и засоров на участках трубопроводов канализационной сети, проводится их компьютерный анализ. Обработка статистики засоров трубопроводов различными авторами [11, 66, 95] позволила выявить закономерности их изменения. Обращает на себя внимание тот факт, что интенсивность засоров на 1 км сети канализационных трубопроводов годов укладки 1996-2000 годов сопоставима с интенсивностью засоров труб, имеющих более длительный возраст. Другими словами, срок эксплуатации труб не является решающим фактором для увеличения» числа засоров.
Паспортизация участков напорной и безнапорной сети
Под термином «другие материалы» трубопроводов понимаются чугун (серый), железобетон и асбестоцемент, которые, безусловно, имеют более низкий приоритет использования, чем стальные, но- которые, по данным статистики на сегодняшний день имеют протяженность в среднем 25 % от общей протяженности внешних водопроводных сетей по РФ [54].
К причинам изменения исходного состояния участков трубопроводов, выполненных из. данных материалов, могут быть отнесены:, нагрузка от горного - давления и транспорта на поверхности; собственный» вес конструкции; наличие уровня грунтовых вод над трубопроводом; периодическое частичное или полное опорожнение трубопроводов; сезонное смещение почв в результате изменения.температур и т.д.
Иерархические уровни принятия решения по необходимости реновации могут быть следующими: выявление в автоматизированном режиме участков с максимальным рейтинговым баллом по Паспорту участка и составление списков (перечня) первоочередных и потенциальных для реновации (аналитический уровень); выявление из числа первоочередных такой- группы» участков, которые не имеют достаточной несущей способностью, т.е. по данным? теледиагностики имеют большое количество крупных продольных, кольцевых трещин, расхождение стыков, а также где система «труба-грунт» больше не обладает требуемой несущей способностью (экспертный технологический уровень); такая трубопроводная система, как правило, имеет утечки и может быть отнесена к низкой категории надежности, т.е. требует незамедлительной реновации; выявление из числа первоочередных таких участков трубопроводной сети, где обладание несущей способности достигается лишь за счет совместной работы с окружающим грунтом в системе «труба-грунт» (по результатам инженерных изысканий, например шурфования) при наличии значительных повреждений тела трубы, не приводящих к утечкам; такая, трубопроводная система может быть отнесена к средней категории надежности, т.е. не требует незамедлительной реновации; выявление из числа рассматриваемых участков тех, которые обладают конструктивной прочностью и где на. настоящий момент обеспечена полная несущая способность; такая трубопроводная- система может быть отнесена к относительно высокой категории надежности, т.е. не требует реновации, 4.1.4. Подходы к прочностному расчету напорных двухслойных конструкций «действующий трубопроводов + защитное покрытие»
Как отмечалось в главе 2, одним из перспективных методов реновации ветхих и потерявших самостоятельную несущую способность трубопроводов является нанесение на их внутреннюю поверхность защитных покрытий, которые (в большинстве своем) при условии тесного прилегания- (за счет исходной гибкости до полимеризации) образуют с ремонтным участком трубопроводной сети двухслойную конструкцию, способствуя восстановлению несущей способности старого трубопровода. Таким образом, последующие теоретические выкладки будут направлены на оценку прочностных свойств различных комбинированных конструкции «действующий1 трубопроводов + защитное покрытие».
Двухслойная конструкция «сталь + защитное покрытие» 149 При проектировании ремонтных работ по восстановлению стальных трубопроводов бестраншейными методами путем нанесения внутреннего защитного покрытия из полимерных материалов для оценки прочности двухслойной трубной конструкции «сталь + защитное покрытие» необходимо выполнение четырех последовательных этапов: а), расчет на устойчивость двухслойного трубопровода с определением: диапазона изменения параметра R / d при известных значениях остаточной толщины стальной трубы (где R— внешний радиус; d-суммарная толщина стенки двухслойной трубы); толщины стенки покрытия (с соответствующим значением модуля упругости); приведенной по жесткости к металлу толщины покрытия; б), прочностной расчет по предельным состояниям на растяжение в лотковой? части двухслойного трубопровода; в), прочностной расчет по предельным деформациям в своде двухслойного трубопровода; г), проверка на устойчивость. покрытия как самостоятельной конструкции при воздействии внешнего давления (грунтовых вод):
По условию» устойчивости от действия: внешнего гидростатического давления проводится-проверка на соблюдение неравенства: критическая нагрузка на трубопровод по условиям, его устойчивости, т/м ; Ej — модуль упругости стальной трубы, 21.10 т/м ; d — суммарная толщина стенки многослойной трубы (d = dcm + d), включающая остаточную толщину стальной трубы dcm и- приведенное по жесткости к металлу сечение d покрытия, м или мм, определяемое по формуле (4.11); R -внешний диаметр многослойного трубопровода, м или мм; Нв — величина внешнего давления грунтовых (подземным) вод, м вод. ст. или т/м ; где dn — проектная толщина, покрытия, м или мм; Еп — усредненный модуль упругости покрытия при изгибе и сжатии (согласно- экспериментальным данным принимается в диапазоне (10 - 50). 104 т/м2); Ест - модуль упругости стали, 21.106 т/м2.
Сокращенный вариант последовательности прочностного расчета представлен ниже: определяется приведенное по жесткости к стали сечение покрытия d , принимая значение модуля его упругости из предложенного диапазона; определяется, суммарная толщина стенки многослойной трубы d = dcm + d ; определяется диапазон изменения соотношения. R/d;. принимается, согласно исходным данным соответствующая величина, радиуса трубы R, устанавливается соблюдение условий по- диапазону R/d; если условия соблюдаются, то проводят прочностной- расчет с учетом приведенного объемного веса двухслойной конструкции, трубопровода; если условие не соблюдается, то производят операции по увеличению толщины покрытия или значениямодуля.упругости в рекомендуемых выше диапазонах..
Далее производится прочностной расчет по методике, представленной в Приложении В (из условий прочности лотке,-деформаций в своде и проверки; по условиям устойчивости) при условии; что вместо остаточной толщины стенки трубопровода и объемного веса, стали принимаются: толщина стенки многослойной; трубы и приведенный объемный! вес двухслойной трубной конструкции.
Двухслойная конструкция «асбестоцемент + защитное покрытие» В настоящем разделе и в последующих для прочностного расчета. двухслойных: конструкций «материал трубопровода, + защитное покрытие»» рассмотрены два характерных эксплуатационных состояния: -первое, когда исходная труба имеет проектные толщину, деформативную и прочностную характеристики (ситуация при наличии несквозных трещин, нарушениях стыков и т.д.) и когда оба материала деформируются, не разделяясь по слоям;
Обоснование иерархических уровней принятия решения по проведению реновации трубопроводов из других материалов
Исследования автора показали, что на настоящий момент не разработан научный подход и методика автоматизированного поиска оптимальных методов бестраншейного восстановления напорных и безнапорных трубопроводов. В качестве критерия выбора бестраншейной технологии дискретно рассматриваются оперативность проведения работ, стоимостные показатели, сохранение окружающей среды, плотность городской застройки, интенсивность транспортных и пассажиропотоков, невозможность временной приостановки эксплуатации других параллельных коммуникаций и т.д.
По убеждению автора на практике при выборе оптимального метода бестраншейной реабилитации для конкретного объекта помимо указанных критериев необходимо руководствоваться техническими, технологическими, эксплуатационными и стоимостными показателями бестраншейных методов реновации. Окончательное решение, как правило, должно приниматься по результатам комплексной экспертизы, в состав которой входят эксплуатационный персонал и разработчики проекта реновации трубопроводной системы.
Наиболее близко к созданию методики и автоматизированной системы поиска бестраншейного метода реновации безнапорных трубопроводов подошли в работе [3]. Однако недостатком данного подхода является то, что для выбора метода бестраншейного ремонта предложены весьма сложные и нестабильные показатели: «среднее значение функции состояния сети в расчётных сечениях трубопровода», значения которой трудно определить; величина аттестационного балла, значение которого неконкретно, так как варьируется для различных методов в широких диапазонах; характер распределения дефектов по длине сети, полученный с помощью методики гидравлической оценки, а значит условный, так как для безнапорной водоотводящей сети характерно непостоянство расхода и т.д.
Облегчить задачу исследователей и специалистов по выбору наиболее приемлемого метода восстановления для конкретного объекта реновации призваны специально разработанные автором методика и автоматизированная программа поиска. Использование методики и системы поиска рассматривается как второй этап решения глобальной задачи выбора приоритетного объекта и метода восстановления безнапорных трубопроводов.
В основе методического подхода решения задачи поиска оптимального метода бестраншейного восстановления безнапорных трубопроводов лежат автоматизированные итерационные операции, сущность которых заключается в переборе и анализе соответствующего количества технических, технологических, эксплуатационных и стоимостных показателей существующих методов бестраншейного восстановления на предмет их использования в конкретной ситуации.
Алгоритм решения задачи включает два- последовательных базовых цикла: ограничений А и оптимизации В.
В цикле ограничений А последовательному рассмотрению подлежат: ограничения по видам повреждений (патологий) трубопровода - А1 и ограничения по диаметрам - А2.
Исходной информацией для итерационных операций, осуществляемых автоматизированным комплексом, служат сведения, помещённые в Ведомость сводных показателей методов (таблица 6.1). Последние необходимы для анализа и выявления оптимального метода бестраншейной реновации трубопроводов. Заполнение специальной ведомости, являющейся своеобразным техническим паспортом используемых методов бестраншейного восстановления трубопроводов, производится на первом этапе работы с программным комплексом.
Вторым этапом работы является внесение необходимой информации по повреждениям (патологиям), которые могут быть устранены при использовании соответствующих методов бестраншейной реновации трубопроводов.
Работа ведётся в диалоговом режиме в рамках цикла А1. По запросу автоматизированной программы вносится информация, сгруппированная в 4-ре блока (под кодами I, II, III, IV): устранение мелких повреждений (I); средних (II); крупных (III) и любых (IV).
Исходным материалом для пользователя при определении характера устраняемых повреждений служат таблицы классификации патологий (см. главу 2, таблица 2.1). Сгруппированные в блоки патологии (дефекты) разнесены по соответствующим методам бестраншейной реновации. Например, в соответствии с введённой информацией по 8 методам бестраншейной реновации (таблица 6.1) для устранения мелких повреждений (код I) возможно применение всех методов (1-8), для средних (код II) - методов 2-8, для крупных (код III) - методов 2,3 и 7 и для любых (код IV) -методов 2 и 3.
При необходимости введения какой-либо дополнительной информации, например, по новому методу бестраншейной реновации трубопроводов, в программе автоматически выделяется новая строка, отражающая «паспортные» данные ранее не рассматриваемого бестраншейного метода, с указанием соответствующего кода ограничений, свидетельствующего о возможностях метода реновации.
