CC BY
2
УДК 628.2
ао1: 10.48612МшШ/2024_50_54-61
АНАЛИЗ НАРУШЕНИЙ НОРМАЛЬНОЙ РАБОТЫ ВОДООТВОДЯЩЕЙ СЕТИ И ПОКАЗАТЕЛИ ЕЕ НАДЕЖНОСТИ
А. П. Андрианов * Р. Е. Хургин **
* ООО «ВТ Эксперт», г. Москва
** Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
Системы водоотведения применяются для поддержания на высоком уровне санитарной обстановки в городах и населенных пунктах. Финансовые затраты на их строительство значительны. С целью снижения капитальных затрат следует проектировать совершенные системы, которые будут надежны на всех сроках своей эксплуатации.
В статье были проанализированы причины нарушений работы водоотводящей сети и возможные их последствия. Однако для практических целей этого недостаточно. Необходима качественная и количественная оценка нарушений, а также обеспечение требуемой надежности водоотводящей сети (ВС), т. е. введение еще одного ее важнейшего
свойства. В статье представлена классификация отказов ВС и ее отдельных элементов, так как способствует полному анализу, выявлению причин в экономических последствиях отказов, что вызывает наибольший интерес при изучении проблемы.
Ключевые слова
водоотводящая сеть, ресурс, колодец, сточные воды, отказ, надежность, эксплуатация
Дата поступления в редакцию
22.02.2024
Дата принятия к печати
28.02.2024
Для улучшения качества работы системы требуется ее дальнейшее развитие с учетом современных требований [1]. От надежности работы системы водоотведения зависит качество жизни населения, а также уровень благоустройства городов и населенных пунктов [2 - 4]. Таким образом, требуется организация бесперебойной работы всей системы в течении всего ее жизненного цикла.
В связи с участившимися авариями на системах водоотведения различных городов и населенных пунктов, которые приводят к огромным ущербам, следует обратить внимание на повышение их уровня надежности [5 - 6]. Это также необходимо для поддержания экологической обстановки на высоком уровне.
Проблемам надежности систем водоотведения посвящены ряд работ, указанных в соответствующих трудах [7 - 10].
Однако несмотря на актуальность проблемы надежности системы водоотведения не проведено значительных исследований в этой области. Отсутствие систем по регистрации и сбору фактических данных о надежности, достаточно глубоких научных исследований и подробных литературных данных приводит к тому, что проектирование, строительство и эксплуатация системы водоотведения как с количественной, так и с качественной стороны не всегда являются оптимальными.
Анализ работы водоотводящих сетей и коллекторов по данным эксплуатации города Москвы показывает следующее. Нарушения возможно поделить на два вида:
1. Разрушение сооружений на сетях, например, дюкеров, труб и др. Это бывает нечасто, но ре-монтно-восстановительные работы идут долго и затратны по многим параметрам.
2. Аварии, которые происходят на сети без разрушения сооружений. Как правило, частота их появления значительна. Однако они устраняются достаточно быстро.
Неисправности систем водоснабжения, тепловых сетей и прочих подземных коммуникаций также могут быть причиной аварии на водоотводящих сетях. Случаются аварии сети и коллекторов вследствие коррозии и старения трубопроводов. Анализ работы московской системы водоотведения показывает, что трубопроводы, уложенные более 50 лет назад, разрушаются в несколько раз больше, чем уложенные в 1980 - 1990 годы. В ряде случаев (по данным районных управлений канализационных сетей (РКС) г. Москвы) аварии трубопроводов носят весьма серьезный характер. Для их устранения требуется разрушение дорожных покрытий, вскрытие траншей, водопонижение и т. д. Время устранения может достигать 5 - 6 месяцев.
Производство трубопроводов из дефектных материалов может привести к образованию свищей (течи). Нередко наблюдается разрушение стыков трубопроводов, а также входных и выходных присоединений труб к колодцам. Течь со временем подмывает основание трубопроводов, которые затем начинают работать как балки и разрушаются. Такие аварии, хотя их бывает сравнительно мало (около 5%), требуют значительных финансовых затрат, исчисляемых миллионами рублей.
Нередко выходят из строя водобойные колодцы перепадных колодцев из-за недопустимых разрушающихся скоростей потока.
Исходя из вышеизложенного хорошо видно, что причинами возникновения нарушений нормальной работы ВС первого вида типа является следующее:
1. Недостаточность исходных данных (геологические, гидрогеологические и др.);
2. Применение дефектных или нестандартных материалов;
3. Дефекты строительства;
4. Ошибки проектирования (некомпетентность проектировщиков, случайные ошибки и др.);
5. Разрушение при строительстве других сооружений под водоотводящей сетью или вблизи нее;
6. Старение трубопроводов или элементов сооружений.
По своему физико-химическому составу сточная вода является полудисперсной системой с большим содержанием нерастворимых примесей.
Таким образом, ВС по транспортирующей способности можно разделить на три основные группы. В них возможны следующие процессы:
1) поддержание необходимых самоочищающихся скоростей движения сточной жидкости. При таком исходе прочистка трубопроводов не проводится;
2) выпадение песка по внутреннему сечению трубопровода осуществляется волнообразно. Осуществление прочистки следует проводить для трубопроводов маленьких диаметров (не более 500 мм);
03
г
м О
-I
м
Э СО
>5
и Н к
о и н о о
о и
н
о ю га
х а
I- о а I
* г
Л га а
ш
са >5
I щ
$ 3
5 > а а
5 Й
¿¡г
■ г
<1 <
3) необходимые уклоны недостижимы, соответственно происходит выпадение осадков и заиление трубы. Следует осуществлять регулярную прочистку всех трубопроводов. Достаточно небольшого препятствия на дне коллектора, например, лежащего камня или гвоздя, попавших в стык труб и т. п., как нерастворенные примеси цепляются за встречающиеся препятствия и задерживаются, что приводит к засорению.
Иногда из-за перегрузки или залповых сбросов сточных вод происходит их излив из колодцев на поверхность, что приводит, таким образом, к антисанитарной обстановке.
Кроме того, не стоит забывать еще о том, что расход сточных вод (если не считать расходов на полив) более или менее равномерен зимой и летом; большие пиковые расходы объясняются главным образом незаконными спусками дождевых и грунтовых вод со дворов и других территорий.
Засорение коллекторов вызывается проникновением в трубопровод корней растений через стыковые соединения труб, отложениями песка, проникающего в коллектор через трещины, и другими причинами. Трубы диаметром более 300 мм засоряются реже, чем трубопроводы меньшего диаметра.
Битумные стыки коллекторов менее проницаемы для корней, чем цементные или стыки на известковом растворе. Стыки на пластмассовых трубопроводах малопроницаемы.
Уменьшение расстояния между смотровыми колодцами мало облегчает прочистку коллекторов.
Около 40% засоров сети происходит от низкой культуры ее эксплуатации в жилых домах, общественных зданиях, на производстве.
Вышеизложенный анализ показывает, что причиной нарушений нормальной работы второго вида является следующее:
1. Нарушение правил эксплуатации (сброс в канализацию стоков с недопустимыми загрязнениями, попадание в сеть случайных предметов и др.).
2. Несовершенство норм проектирования (минимальных диаметров труб и уклонов, нормативных наполнений и др.).
ВС относится к категории массового обслуживания, является подземной инженерной системой и зачастую бывает проложена ниже уровня грунтовых вод. Поэтому надежность ее функционирования является одним из условий повышения уровня жизни населения и благоустройства городов и населенных пунктов, а также возможным ущербом, который может быть нанесен при ее отказах.
Нарушение с разрушениями стыков и самих труб (колодцев, дюкеров) приводит к бактериальному и химическому загрязнению подземных вод. Частые нарушения с закупорками нередко приводят к изливу сточных вод на поверхность. Загрязняются обширные территории жилых районов, водоемы. Тем самым наносится огромный материальный и моральный ущерб людям, фауне и флоре. Иногда это приводит к необратимым последствиям.
Тип нарушений, связанных с проблемой охраны окружающей среды, можно разделить на:
1) аварии, приводящие к загрязнению грунтовых вод;
2) нарушения, связанные с загрязнениями поверхностных водоемов и жилых (промышленных) районов;
3) нарушения, приводящие к изменению экологического равновесия в природе данной местности.
Анализ нарушений нормальной работы ВС позволяет вскрыть наиболее вероятные причины этих
нарушений.
Отсутствие единых руководящих указаний по учету факторов надежности, достаточно глубоких научных исследований и подробной методической литературы приводит, в ряде случаев, к ошибочным инженерным решениям уже на стадии проектирования ВС. Даже само понятие «надежность» сети не
приобрело четкой формулировки. В различных источниках вкладывается в это понятие различный смысл. Для решения этой задачи прежде всего необходимо акцентировать внимание на самом понятие «надежность», с которым тесно связано понятие «отказ».
Под надежностью понимают выполнение определенных функций во времени с обязательных сохранением требуемой работоспособности в заданных пределах.
Применительно к ВС надежность является способностью всей системы осуществлять удаление сточных вод в необходимых количествах, обеспечивая заданную экологическую ситуация в регионе на высоком уровне. То есть такое ее состояние, когда она функционирует безотказно.
Как указывалось выше, нарушение нормальной работы ВС обусловлено различными обстоятельствами, иногда случайными. Поэтому оценка этих событий, закономерностей их возникновения и повторения могут быть установлены на основании сбора, анализа и обработки статистических данных эксплуатации ВС.
Надежность при такой формулировке измеряется вероятностью, какими-то количественными значениями, определяемыми методами математической статистики.
Часто для технических систем эту вероятность принимают равной 0,9 - 0,95, а иногда каким-нибудь другим числом в пределах от 0 до 1. Но это еще не характеризует надежность ВС полностью, но зато позволяет установить численно вероятность возникновения тех случайных событий, которые могут привести к нарушению нормальной работы ВС и ее отдельных элементов.
В период эксплуатации ВС нет необходимости в одновременном выполнении системой всех функций за какое-то фиксированное время. Но каждый элемент системы в отдельности обязан за это время выполнить свою конкретную задачу. Это значит, что время является обязательным атрибутом и оно должно указываться при определении надежности ВС.
Другой составной частью определения надежности ВС является соответствие санитарно-гигиеническим требованиям местности. Функционирование ВС должно быть таким, чтобы она даже при неблагоприятных условиях эксплуатации (повышение расчетной пропускной способности, катастрофические явления и т.д.) работала без ущерба для окружающей среды. Это было бы идеальным вариантом ВС, что практически невозможно. Поэтому ВС необходимо рассчитывать с учетом местных условий и надежности. Эти условия, кроме условия надежности, задаются существующими техническими условиями и документацией к ВС.
Любая система эффективна лишь тогда, когда она работоспособна. По термином «работоспособность» следует понимать такое ее состояние, при котором она в данный момент соответствует всем требованиям, установленным в отношении основных параметров, характеризующих нормальное выполнение заданных функций.
Следует отметить, что работоспособность ВС не может являться исправностью. Под термином «исправность» мы понимаем такое состояние системы, при котором все основные и второстепенные параметры работают без ошибок и сбоев, т.е. происходит нормальный режим работы и эксплуатации системы.
Если ВС исправна, то она обязательна и работоспособна, однако работоспособная система может быть и неисправной, например, отсутствие крышек колодцев, отказ резервного насоса, и т. д.).
Восстанавливаемость ВС и ее отдельных элементов или невосстанавливаемость — необходимое условие для правильного понимания основных показателей надежности.
Восстанавливаемые — это такие элементы системы, которые в случае отказа могут быть восстановлены в процессе эксплуатации.
ВС и многие ее элементы следует относить к восстанавливаемым элементам.
г
м О
-I
м
Э СО
>5
и 3 к
о и н о о
о и
н
о ю га
х а
I- о а I
* г
л га
са >5
X щ
$ 3
5 > а а
5 Й
¿¡г
■ г
<1 <
Невосстанавливаемыми называют элементы, которые не могут быть восстановлены и не подлежат восстановлению. Например, обмотка электродвигателя насоса, отдельно взятые трубы на участках сети и т. д.
Если надежность обусловлена вероятностными соображениями, то отказ (выход из строя ВС, элементов ВС) является случайным явлением. Основные причины отказа связаны с различными происходящими на сети процессами.
Во время отказа происходит нарушение бесперебойного отведения сточных вод от объектов. Причинами отказов, как было изложено выше, могут быть всевозможные явления.
Отказ (выход из строя ВС или ее отдельных элементов) — это частный случай проявления неисправности системы.
В ВС за какой-то малый промежуток времени функционирования может случиться множество неисправностей, но как отказ могут себя проявить из них только единицы.
Отказы классифицируют по ряду признаков. Любая такая классификация будет условна с учетом того, что процессы, вызывающие отказы, сложны. Также они носят случайный характер. Несмотря на это, классификация отказов ВС необходима.
Основные виды отказов ВС могут быть подразделены на конструктивные (ошибки при проектировании, дефекты строительства) и эксплуатационные (нарушения правил).
Отказы могут быть подразделены также на постепенные и внезапные. На ВС наиболее часто наблюдаются постепенные отказы.
Принципиальное различие этих отказов в том, что постепенные отказы могут исключиться, если учитывать возможные изменения параметров работы ВС за определенное время, а внезапные отказы нельзя ни точно предсказать, ни полностью исключить.
Исходя из удобства классификации, все эти виды отказов ВС сгруппируем в три большие группы:
• по характеру (вследствие разрушения, поломок составляющих элементов ВС и нарушения качества функционирования элементов ВС сети в целом);
• по причинам (отказы из-за влияния внешних факторов, отказы, обусловленные внутренними причинами);
• отказы из-за превышения экстремальных параметров ВС.
Первый вид этой группы связан с отказами элементов, а иногда всей сети со стихийными бедствиями (землетрясениями, наводнениями и т. п.), перебоями в системах материального снабжения и обслуживания (электроснабжении, поставке запасных частей и т. п.), разрушениями подземных сетей вследствие строительства и т. д.
Отказы второго вида, т.е. обусловленные внутренними причинами, в ВС являются наиболее частыми. К ним относятся отказы из-за закупорки труб, разрушения стыковых соединений вследствие дефектов и неправильной технологии строительства, несоблюдения сроков технического обслуживания элементов ВС и т. д. Отказы этого рода часто приводят к выходу из строя таких ответственных сооружений ВС как коллекторы, насосные станции, напорные водоводы и т. п.
Отказы третьего вида могут быть при превышении допустимых расходов, которые смогут отвести сеть в целом и в отдельности ее элементы. Например, залповые сбросы стоков промышленными предприятиями вследствие их реконструкции, превышение допустимых доз, содержащих в сточной воде радиоактивные и взрывоопасные примеси, приводящие нередко к отказу ВС.
Приведенная ниже классификация отказов ВС и ее отдельных элементов не является окончательной. Она может быть дополнена в зависимости от конкретных задач при анализе отказов и вопросов надежности ВС.
Классификация представлена в табл. 1.
Таблица 1
Классификация отказов водоотводящей сети по признакам
Признаки Вид отказа Характеристика отказа
Характер изменения параметра Внезапный Изменения одного или нескольких заданных параметров системы происходит скачкообразно
до момента возникновения отказа Постепенный Изменение одного или нескольких заданных параметров системы происходит постепенно
Независимый Отказ элемента не обусловлен повреждениями или отказами других элементов системы
Связь с отказами других Сбой Самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременному нарушению работоспособности
элементов системы Пер емежив ающийся Многократно возникающий сбой одного и того же характера
Устойчивый Отказ, устраняемый только в результате проведения восстановительных работ
Проектный Нарушение установленных правил и норм проектирования
Причина возникновения отказа Строительный Нарушение или несовершенство технологии и производства строительства
Эксплуатационный Нарушение установленных правил и условий эксплуатации
При приработке Из-за скрытых производственных дефектов, невыявленных в процессе контроля
Время возникновения отказа (период) Нормальная эксплуатация Из-за несовершенства конструкций и эксплуатационных перегрузок
Старение (износ) Из-за процесса старения и износа материалов
03
г
м О
-I
м
Э СО
>5
и 3 к
о и н о о
о и
н
о ю га
х а
I- о а I
* г
Л га а
* £ со > 5
X щ
$ 3
5 > а а
5 Й
¿¡г
■ г < <
ш
Выводы
1. Любое нарушение работы ВС влияет на качество функционирования ВС. При этом они поддаются экономическому подсчету. Аварии на ВС и их последствия для окружающей среды не поддаются какому-либо экономическому расчету.
2. Под показателем надежности надо понимать величину, количественно характеризующую степень, в системе которой присущи определенные свойства, составляющие надежность. При выборе и применении всякого показателя следует различать его наименование (например, вероятность безотказной работы), формулировку его сущности, его конкретное численное значение, размерность показателя.
3. Значение показателей надежности зависит не только от специфики сети, но и от условий ее работы и эксплуатации, средовых факторов, квалификации, опытности и количества персонала, наличия и качества вспомогательного оборудования, технической документации, запасных частей и др. Так как подавляющие элементы ВС относятся к ремонтируемым и восстанавливаемым изделиям, то она в целом может рассматриваться как система ремонтируемая и восстанавливаемая.
Библиографический список
1. Андрианов А. П., Ефремов Р. В., Хургин Р. Е. Проблемы современного водоснабжения // Системные технологии. 2022. № 3 (44). С. 5 - 13.
2. Залётова Н. А., Морозова Н. В., Булычев И. О. Изменение во времени приоритетов в технологиях очистки городских сточных вод // Системные технологии. 2018. № 2 (27). С. 89 - 94.
3. Орлов В. А., Орлов Е. В., Зверев П. В. Технологии местного бестраншейного ремонта водоот-водящих трубопроводов // Вестник МГСУ. 2013. № 7. С. 86 - 95.
4. Отставное А. А., Хантаев И. С., Орлов Е. В. К выбору труб для бестраншейного устройства трубопроводов водоснабжения и водоотведения // Пластические массы. 2007. № 3. С. 40 - 43.
5. Орлов В. А., Орлов Е. В. Остаточный ресурс напорных стальных трубопроводов систем водоотведения // Вестник МГСУ. 2008. № 4. С. 122 - 127.
6. Орлов В. А., Хантаев Е. С., Орлов Е. В. Влияние дестабилизирующих факторов на работоспособность водоотводящих сетей урбанизированных территорий // Экология урбанизированных территорий. 2007. № 3. С. 43 - 51.
7. Отставнов А. А., Орлов Е. В., Хантаев И. С. Определение приоритетных участков ремонта систем водоснабжения и водоотведения // Водоснабжение и санитарная техника. 2007. № 3. С. 25 - 30.
8. Попков А. Г., Сергеева Е. А., Манешин С. Ю. Сохранение экологической безопасности застроенных территорий малых населенных пунктов при эксплуатации местных систем водоотведения // Системные технологии. 2020. № 4 (37). С. 34 - 38.
9. Орлов В. А., Чухин В. А., Нечитаева В. А. Меры предупреждения эмиссии запахов от систем канализации в атмосферу // Системные технологии. 2020. № 3 (36). С. 64 - 70.
10. Орлов В. А., Нечитаева В. А., Богомолова И. О., Шайхетдинова Ю. А., Даминова Ю. Ф. Эффективные методы прочистки трубопроводов // Вестник МГСУ. 2014. № 1. С. 133 - 138.
ANALYSIS OF VIOLATIONS OF THE NORMAL OPERATION
OF THE DRAINAGE NETWORK AND INDICATORS OF ITS RELIABILITY
A. P. Andrianov * R. E. Hurgin **
* VT "Expert LLC", Moscow
** Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
Wastewater disposal systems are used to maintain a high level of sanitary conditions in cities and towns. The financial costs of their construction are significant. In order to reduce capital costs, perfect systems should be designed that will be reliable for all periods of their operation.
The article analyzes the causes of violations of the drainage network and their possible consequences. However, this is not enough for practical purposes. A qualitative and quantitative assessment of violations is necessary, as well as ensuring the required reliability of the drainage network (VS), i.e. the introduction of another of its most important properties. The article presents a classification of aircraft failures and its individual elements, as it contributes to a complete analysis, identification of the causes in the economic consequences terest in studying the problem.
The Keywords
drainage network, resource, well, waste water, failure, reliability, operation
Date of receipt in edition
22.02.2024
Date of acceptance for printing
28.02.2024
of failures, which is of the greatest in-
и z
M
О
-I
M
D CD
Ссылка для цитирования:
А. П. Андрианов, Р. Е. Хургин. Анализ нарушений нормальной работы водоотводящей сети и показатели ее надежности. — Системные технологии. — 2024. — № 1 (50). — С. 54 - 61.
>S
и
и
к
о со н о о
о со
н
о ю га
х а.
S >S
I- о
IL I * г
Л га Z а
ш
СО >s
X щ
$ 3
s > tL а И ?
5 Й
■ I
<1 <
