CC BY
2
УДК 628.2
doi: 10.48612/dnitii/2024_50_20-28
ПЛАНИРОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ТРУБОПРОВОДОВ ГОРОДСКОЙ ВОДОПРОВОДНОЙ СЕТИ
О. Г. Примин
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ), г. Москва
Аннотация
В статье рассматривается стратегическое планирование восстановления трубопроводов городских сетей водоснабжения. Показано, что подход, заключающийся в проведении ремонтно-восстановитель-ных работ или реконструкции труб только там, где произошла авария (стратегия «пожарной команды»), приводит к застою в области реконструкции сетей. Необходима научно-обоснованная стратегия планирования их восстановления, основанная на технико-экономическом анализе состояния водопроводной сети, оценке и прогнозе показателей надежности трубопроводов.
Сделан вывод, что наряду с анализом повреждаемости труб и прогнозом их надежности, оценка технического состояния трубопроводов сетей водоснабжения должна стать основой для определения полезного срока службы трубопроводов и объема необходимой реконструкции или обновления труб.
Ключевые слова
водоснабжение, трубопроводы, реконструкция, стратегия, восстановление, ремонт, концепция, надежность
Дата поступления в редакцию
05.02.2024
Дата принятия к печати
17.02.2024
В нормативной практике водоснабжения различают следующие стратегии реконструкции трубопроводов водопроводных сетей [1, 2, 3, 4]:
• ремонт, ориентированный на происшествия, т. е. ремонт, как реакция на возникшие повреждения или аварии;
• периодический планово-предупредительный ремонт, т. е. работы по техническому обслуживанию и реконструкции системы через заданные интервалы времени;
• профилактический ремонт с учетом реального состояния, т. е. ремонтные работы, определяемые по текущему реальному состоянию трубопроводов в сравнении с заданным для нее состоянием.
Ремонт, ориентированный на аварии и повреждения
Выполнение ремонтных работ только при возникновении повреждений является с точки зрения самой краткосрочной перспективы простым и недорогим, а поэтому и наиболее распространенным методом работы. В долгосрочной перспективе он ведет к снижению надежности сети и к высоким издержкам.
Стратегия периодического планово-предупредительного ремонта
Сюда следует отнести проверки и техническое обслуживание системы через регулярные промежутки времени. Большой пользе от инспекций и технического обслуживания противостоят сравнительно малые издержки.
В отличие от этого, от регулярной санации или замены трубопроводов через определенные промежутки времени следует отказаться по причине высоких расходов, поскольку возраст трубопровода и продолжительность эксплуатации не являются критериями их работоспособности.
Стратегия профилактики, ориентированная на реальном состоянии труб
Планово-предупредительная реконструкция и обновление системы при этом ориентированы на состояние системы или на обусловленное состоянием трубопровода ухудшение гидравлических параметров и показателей качества воды и надежности, на жалобы потребителей или на вытекающий отсюда рост расходов на оплату работы персонала и прочих расходов.
Эффективным методом долгосрочного обеспечения надежности водоснабжения и поддержания должного технического уровня сети и ее элементов является организация профилактического ремонта и реконструкции сети [5, 6, 7, 8, 9].
Как правило, все предприятия водоснабжения городов России и мира ведут сбор и статистическую оценку данных о возникших повреждениях и потерях воды (кольцевая трещина, продольная трещина, разрыв оболочки, вид коррозии, повреждения арматуры и домовых вводов) [10-14].
Пределы использования статистики повреждений для планирования восстановления труб вызваны следующими факторами [15, 16]:
• учитываются, как правило, только те повреждения, которые связаны с потерями воды; повреждения без заметных потерь воды (скрытые утечки) не учитываются;
• ошибки при сборе и оценке повреждений вследствие недостаточных специальных знаний и неполные отчеты о повреждениях;
• повторные повреждения на отремонтированных трубопроводах учитываются как новые повреждения;
• как правило, никак не выделяются повреждения, возникшие вследствие чрезвычайных природных явлений (затопления, мороз);
• в статистических данных отдельно не учитываются повреждения, возникшие вследствие временных нагрузок транспорта;
Сопоставление преимуществ и недостатков реконструкции отдельных участков трубопровода и полной реконструкции приведено в табл. 1.
03
г
м О
-I
м
Э СО
и
о
о и о а с
0
ю >
а н
к
1
Щ
Ц
и
0
1
га н и и о и
I I
« О с £
■ I
|- га
■ ^
О С
Таблица 1
Сопоставление реконструкции отдельных участков и полной реконструкции по критериям состояния сети
Критерии Реконструкция отдельных участков Полная реконструкция
• улучшается только на от- • зоны трубопроводной
дельных участках и, как сети в плохом состоянии
следствие, неоднородность сначала реконструируются,
состава материалов труб, чем достигается системное
и поэтому материалы труб улучшение состояния сети
с очень разными свойства- на большой площади;
ми; • поэтапное обновление (ре-
Состояние сети • участки трубопровода конструкция) трубопрово-
в плохом состоянии вы- дной сети в соответствии
ходят из строя и подлежат с требованиями XXI века
замене (не используется (высоконадежные и дол-
потенциал экономии говечные материалы труб,
расходов посредством об- гидранты, запорная арма-
лицовки цементным или тура, домовые вводы)
полимерным растворами)
• снижаются путем замены • зоны с наибольшими по-
наиболее слабых участков терями воды могут быть
труб - причины относи- определены и использова-
тельно небольших неиз- ны как основа для выбора
меряемых потерь воды последовательности вос-
Потери воды (например, негерметичные становительных мер;
соединения, маленькие утечки от начавшейся точечной коррозии) не устраняются • новые улучшенные материалы труб обеспечивают долговременную прочность труб
Ориентированная на состояние трубопроводной сети полная реконструкция требует соответствующих подготовительных работ организационного плана. Затем следует ожидать синергетиче-ских эффектов:
• выбор экономичного метода реконструкции путем материально-технического исследования (пригодно или непригодно по статическим свойствам к облицовке цементно-пес-чаным или полимерным растворами и к использованию бестраншейного метода реконструкции) и тем самым снижение стоимости строительных работ;
• новое расположение арматуры при полной реконструкции (задвижки, гидранты, домовые вводы);
• снижение потерь воды по районам города — реконструированные трубопроводные сети в этих районах города не имеют потерь воды, вызванные повреждением трубопроводов;
• снижение эксплуатационных расходов путем сокращения объема работ по техническому обслуживанию и сведения ремонтных работ только к исключительным случаям (как, например, внешнее воздействие).
Полная реконструкция одновременно означает выполнение требований, предъявляемых к качеству и бесперебойности водоснабжения.
Две стратегии восстановления трубопроводов основаны на оценке технических, экономических и социальных рисков и идут «рука об руку»:
1. Ждать и смотреть.
2. Решать проблемы по мере их возникновения.
3. Установить стратегию приоритетов.
4. Приниматься за проблемы в обдуманном порядке в соответствии с рисками, последствиями, затратами и эксплуатационной пригодностью.
Генеральный путь проходит через стратегию «ждать и смотреть» к стратегии приоритетов. Очевидно, что окончательное решение по поводу того, какой метод реконструкции труб и когда следует применить, как правило определяется их стоимостью.
Анализ исследований зарубежных ученых показал, что подходящими инструментами для количественной оценки будущего объема работ по реконструкции сетей, является групповая модель долговечности для срока службы трубопроводов сетей водоснабжения [17, 18].
Для реализации модели проводится сбор и обработка эксплуатационных и инвентаризационных данных трубопроводов и с помощью оценки функции распределения числа аварий (отказов) труб и интенсивности их восстановления планируется объем восстановления трубопроводов [19].
В качестве функции распределения интервалов безотказной работы трубопроводов используют распределение Вейбулла. Реализация модели основана на трех математически взаимосвязанных функций [20]:
1. Функция выживания (функция распределения срока службы):
Р(0 = 1-£а(!)-<1(р) = 1- ;0£
здесь: а(0 = со0к1к~1е
О),
кгк-ге^Ч (О = е
(1)
2. Функция аварийности:
40 =
Р(1о
(2)
3. Продолжительность времени (срока) эксплуатации (ожидаемая и прогнозируемая): где + 1) — гамма функция, значения которой табулированы:
(3)
03
г
м О
-I
м
Э СО
и
о
о и о а с
0
ю >
а н
к
1
Щ
Ц
и
0
1
га н и и о и
I I
^ И
« О с £
■ I
|- га
■ ^
О С
В этих выражениях к — коэффициент старения, если к = 0 старения не происходит, Шо — интенсивность отказов или интенсивность восстановления участков трубопроводов. Для оценки среднеквадратического отклонения времени безотказной работы О используется формула:
(5)
Для оценки коэффициента вариации распределения V используется отношение:
(6)
На рис. 1 приведен график изменения параметра старения распределения Вейбулла — к. Найденные значения параметров к и Ш позволяют интерпретировать функции выживания (надежности) трубопроводов.
коэффициент вариации V
Рис. 1. Изменение коэффициента старения распределения Вейбулла (к) в зависимости от коэффициента вариации V
Значения интенсивности отказов и времени наработки на отказ участков трубопроводов определяются путем обработки статистки отказов исследуемых трубопроводов, а затем модифицируются в виде функций выживания. Используя вышеприведенную модель, приведем пример функций выживания стальных трубопроводов Московского водопровода (рис. 2).
Рис. 2. Функции «выживания» трубопроводов Московского водопровода
Используя функции выживания, можно определить вероятность полезного срока службы трубопровода, при окончании которого трубопровод не обеспечивает требуемого) уровня надежности и необходимо восстанавливать его работоспособность. Исследования показали, что определение регламента технического обслуживания, ремонта и реконструкции трубопроводов большинства систем водоснабжения городов РФ, используя реальные сроки полезной службы, не будут соответствовать нормативным, так как они весьма отличаются от нормативных, применительно к которым в настоящее время определяется срок амортизации трубопроводов и, соответственно, не отражают существующую практику эксплуатации [21]. Предлагается применение методов на основе использовании вышеприведенной математической модели старения трубопроводов сетей водоснабжения города, оценки реального срока полезной службы трубопроводов, технико-экономических критериев целесообразности дальнейшей эксплуатации трубопроводов. Осредненные значения полезных сроков службы стальных трубопроводов Московского водопровода в целом по системе приведены на рис. 3.
Рис. 3. Расчетные сроки полезной службы стальных трубопроводов Московского водопровода: 1 — нормальные условия эксплуатации; 2 — усредненные условия эксплуатации; 3 — тяжелые условия эксплуатации
и г
ы О
а о ч о а о а с о
ю >
а н
х
ф ^
а о х га I-и и о а
I 1
± а
? о
^ а
С 5 . X
|- га - ^
О С
Стратегия планирования восстановления трубопроводов включает [22]:
• анализ всей трубопроводной сети в зависимости от групп трубопроводов;
• определение технико-экономических целей реконструкции сети;
• проверка соблюдения количественных критериев (давление, качество воды, потери воды);
• оценка долгосрочной необходимости в восстановлении на основании состояния сети и среднего срока эксплуатации;
• определение средней интенсивности восстановления;
• выбор подходящих методов обновления и санации;
• разработка планов финансирования для периода экономического планирования на предприятии Водоканал.
Выводы
1. Зарубежный и отечественный опыт эксплуатации трубопроводов показал, что гибкая стратегия профилактического ремонта и реконструкции водопроводной сети, ориентированная на ее реальное состояние, является наиболее эффективным методом долгосрочного обеспечения качества водоснабжения и поддержания должного технического уровня сети и ее надежности.
2. Анализ исследований отечественных и зарубежных ученых показал, что подходящими инструментами для количественной оценки будущего объема работ по реконструкции сетей, является групповая модель долговечности для срока службы трубопроводов сетей водоснабжения.
3. Исследования показали, что определение регламента технического обслуживания, ремонта и реконструкции трубопроводов большинства систем водоснабжения городов РФ, используя реальные сроки полезной службы, не будут соответствовать нормативным, так как они весьма отличаются от нормативных, применительно к которым в настоящее время определяется срок амортизации трубопроводов, не отражают существующую практику эксплуатации.
Библиографический список
1. DIN 31051:2019-06. Fundamentals of maintenance. Основы технического обслуживания. Grundlagen der Instandhaltung // 2019. 13 P.
2. DWA A 143-1, Teil 1: Planung und Überwachung von Sanierungsmaßnahmen // 2015. 24 P.
3. DWA A 149-1, Teil 1: Planung und Überwachung von Sanierungsmaßnahmen // 2014. 14 P
4. DWA-A 133:2021-05 Wertermittlung von Abwasseranlagen - Systematische Erfassung, Bewertung und Fortschreibung // 2021. 18 P.
5. Achim, D., Ghotb, F., and McManus, K. J., Prediction of water pipe asset life using neural networks, // University of Cincinnati, J. of Infra. Syst, 2007. N 13(1) pp. 26 - 30.
6. Al-Barqawi, H., and Zayed, T., Infrastructure Management: Integrated AHP/ANN Model to Evaluate Municipal Water Mains' Performanc», // ASCE, Journal of Infrastructure Systems, 10.1061/ (ASCE) 1076-0342, pp. 123 - 135.
7. Ariaratnam S. T., El-Assaly A., Yang Y, Assessment of infrastructure inspection needs using logistic models», // Journal of Infrastructure Systems, 2001. 7, pp. 160 - 165.
8. Bai, H., Sadiq, R., Najjaran,H., Rajani, B., Condition assessment of buried pipes using hierarchical evidential reasoning model // Journal of Computing in Civil Engineering, 2008. 22(2), pp. 114 - 122.
9. Примин О. Г. Анализ факторов, влияющих на надежность и экологическую безопасность водопроводных сетей // Водоснабжение и санитарная техника. 2014. № 7, с. 16 - 22.
10. Baufachliche Richtlinien Abwasser: [сайт] URL: https://www.bfr-abwasser.de/html/index.html (дата обращения: 25.07.2023).
11. Сколубович Ю. Л., Примин О. Г., Е. С. Гогина. Проблемы инженерных систем водопользования и научные исследования по их решению // Водоснабжение и санитарная техника. 2023. № 1 с. 6 - 10.
12. Андрианов А. П., Ефремов Р. В., Хургин Р. Е. Проблемы современного водоснабжения // Системные технологии. 2022. № 3 (44). С. 5 - 13.
13. Викулин П. Д. Реконструкция и увеличение производительности водозаборных сооружений из поверхностных источников // Системные технологии. 2021. № 1 (38). С. 50 - 53.
14. Зубарева О. Н., Аушев А. М., Саймуллов А. В., Тайбарей В. В. Особенности подготовки питьевой воды для систем водоснабжения городов, расположенных в южных широтах // Системные технологии. 2018. № 1 (26). С. 71 - 74.
15. Kleiner, Y., Sadiq, R., and Rajani, B., Modeling failure risk in buried pipes using fuzzy markov deterioration process, // Proc., Pipeline Engineering and Construction: 2004. pp. 1 - 12.
16. Kleiner. Y., «Scheduling inspection and renewal of large infrastructure assets» // J. Infrastruc. Syst., 2001. 7(4), pp. 136 - 143.
17. BaurR, HerzR, (2002), Selective inspection planning with ageing forecast for sewer types, Water Science and Technology 46 (6 - 7) pp. 389 - 396.
18. Herz R., (1995), Alterung und Erneuerung von Infrastruturbeständen — ein Kohoertenüber-lebensmodel», Jahrbuch für Regionalwissenschaft Jg., 14/15.
19. Herz R., (1996), Aging Processes and Rehabilitation needs of Drinking Water distribution networks, Journal of Water Resources Planning and Management, 45, 221 - 231.
20. Herz, R. (2006): Alterungsmodelle für Abwasserkanäle - Typologie und Ansatz einer vergleichenden Untersuchung. Vortrag zum 7. Kolloquium Stadtbauwesen Lehrstuhl Stadtbauwesen, TU Dresden, 2006.
21. Примин О. Г., Громов Г. Н. Надежность и экологическая безопасность водонесущих трубопроводов // E3S Web of Conferences 263, 04002 FORM-2021. 2021 Volume 419, pp. 123 - 130.
22. Руководство в помощь при реконструкции водопроводных систем. // БУСШ, Берлин, 2007.
143 с.
и
Z м
О
-I
м
D CD
со о
о со о а с
0
ю >
а н
к
S
1
(U
ц
со
0
1
га н и и о со
i i s s
« О п %
. I
I- ra ■ ^
О С
PLANNING OF RESTORATION OF PIPELINES OF THE CITY WATER SUPPLY NETWORK
O. G. Primin
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU), Moscow
Abstract
The Keywords
water supply, pipelines, reconstruction, strategy, restoration, repair, concept, reliability
The article discusses the strategic planning of the restoration of pipelines of urban water supply networks. It is shown that the approach of carrying out repair and restoration work or reconstruction of pipes only where an accident occurred (the strategy of the "fire brigade") leads to stagnation in the field of network reconstruction. A scientifically based strategy for planning their restoration is needed, based on a technical and economic analysis of the state of the water supply network, assessment and prediction of pipeline reliability indicators.
Date of receipt in edition
Date of acceptance for printing
05.02.2024
17.02.2024
It is concluded that along with the analysis of pipe damage and the forecast of their reliability, the assessment of the technical condition of pipelines of water supply networks should become the basis for determining the useful life of pipelines and the volume of necessary reconstruction or renovation of pipes.
Ссылка для цитирования:
О. Г. Примин. Планирование восстановления трубопроводов городской водопроводной сети. — Системные технологии. — 2024. — № 1 (50). — С. 20 - 28.
