CC BY
17
УДК 628.1:591.54
doi 10.24411/2221-0458-2021-86-53-59
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ В СУРОВЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Майны Ш.Б., Куулар К.Ш.
Тувинский государственный университет, г. Кызыл
PROBLEMS OF OPERATION OF WATER PIPELINES IN HARSH CLIMATE
CONDITIONS
Sh.B. Mainy, K.Sh. Kuular Tuvan State University, Kyzyl
В статье рассматриваются проблемы эксплуатации водопроводных сетей в суровых климатических условиях. Проектирование, строительство и эксплуатация систем водоснабжения в районах с суровым климатом имеет особенности по сравнению с аналогичными инженерными системами других климатических зон. Также они более сложны, существенно отличаются от строительства в средней полосе России и всегда связаны с большими трудозатратами. Водопроводные сети являются совокупностью всех систем жизнеобеспечения. От правильного функционирования инженерных систем зависит вся человеческая деятельность. Поэтому их проектирование, эксплуатация, монтаж и обслуживание является актуальной задачей. При эксплуатации инженерных сетей необходимо всесторонне рассматривать вопросы совместной прокладки инженерных сетей.
Ключевые слова: трубопровод; инженерные сети; эксплуатация; мерзлый грунт; суровый климат
The article deals with the problems of the operation of water supply networks in harsh climatic conditions. The design, construction and operation of water supply systems in areas with a harsh climate has features in comparison with similar engineering systems in other climatic zones, and is also complex, significantly different from construction in central Russia and is always associated with high labor costs. Water supply networks are the totality of all life support systems. All human activity depends on the proper functioning of engineering systems. Therefore, their design, operation, installation and maintenance is an urgent task. When operating engineering
networks, it is necessary to comprehensively consider the issues of joint laying of engineering networks.
Keywords: pipeline; utilities; operation; frozen ground; harsh climate
В Восточной Сибири и на Крайнем Севере зимние источники водоснабжения ограничены: вода транспортируется на дальние расстояния из крупных рек, озер и водохранилищ.
Водоводы обычно прокладываются над землей и в этих несовершенных способах теплоизоляции неизбежны большие тепловые потери. Чтобы не допускать замерзания воды в пути, практикуется подогрев воды, на что расходуется значительное количество энергии.
Из-за больших эксплуатационных расходов на содержание водоводов, в том числе на подогрев воды и теплоизоляцию, стоимость воды в районах Восточной Сибири очень высокая.
Проблема доставки воды на предприятия, в города и поселки занимает важное место в освоении и развитии производительных сил Восточной Сибири.
При понижении температуры воды о критических значениях внутри водоводов образуется слой льда. Оледенение водопроводящих сооружений систем водоснабжения приводит иногда к перебоям в удовлетворении потребителя водой и электрической энергией. Но
условия возникновения этих ледовых затруднений еще мало изучены как с теоретической, так и с практической точки зрения.
Эксплуатация водопроводящих
сооружений в суровых климатических условиях связана с определенными трудностями. Суровый климат Восточной Сибири (чрезвычайно низкие температуры воздуха, длительная зима, ветры иногда при сильных морозах) создают здесь особые условия в работе водоводов (Рис. 1).
Системы водоснабжения являются важной составляющей, обеспечивающей бесперебойность работы промышленных предприятий и создание для населения бытовых условий, отвечающих
современным требованиям. Водонесущие трубопроводы - это основные элементы этих систем, определяющие их надежность и экономичность. Строительство и эксплуатация водоводов на этих районах имеют отличительные свойства, связанные с наличием вечномерзлых грунтов и сурового климата, а также дополнительными мероприятиями по предотвращению их перемерзания.
Рис. 1. Климат России
Мировой опыт проектирования и строительства систем водоснабжения в условиях сурового климата говорит о необходимости соблюдения комплексных мероприятий по защите трубопроводных систем от замерзания и разрушения.
Проектирование и эксплуатация водопроводных сетей в условиях сурового климата всегда связана с большими трудозатратами, они должны быть доступны и просты в эксплуатации. При обосновании способа прокладки водопроводных сетей необходимо всесторонне рассматривать вопросы совместной прокладки инженерных сетей [2, 3]. Надежность конструктивных решений, возможность быстро
ликвидировать аварии, являются в настоящее время актуальной задачей.
К мероприятиям, повышающим надежность водопроводных сетей от замерзания, относятся снижение до минимума тепловых потерь трубопроводов и оборудования, обеспечение непрерывного движения воды в водоводах, установка средств подогрева воды в местах подачи ее в трубопроводы, а при необходимости - и дополнительно промежуточных пунктах по пути следования транспортируемой воды, организация контроля за гидравлическими режимами водопровода, установка на насосных станциях не менее трех агрегатов, независимо от того, сколько из них работающих, установка на водопроводных линиях незамерзающего оборудования, обеспечение водопроводных линий автоматической защитой от замерзания. Главными факторами при решении
вопросов обеспечения надежности водопроводных сетей является допустимое время остановки водопровода и сетей, минимальная допустимая температура воды в конечных пунктах водопровода, ледовые режимы водопроводов.
Допустимое время остановки водопровода, которым располагает противоаварийная служба для устранения повреждения, тесно связано с величиной минимальной допустимой температуры воды. Минимальные допустимые температуры воды в наиболее удаленных пунктах водопроводной системы должна позволить эксплуатационной службе устранить аварию в минимально возможные сроки. Анализ факторов, определяющих допустимое время остановки водовода, минимальную допустимую температуры воды в конечных пунктах системы, показывает, что время остановки водовода в аварийных ситуациях можно продлить за счет подогрева воды более высокой температуры,
обеспечивающего положительное значение температуры ее в конечных пунктах водопроводной системы, и за счет оледенения внутренних стенок труб, когда используется скрытая теплота,
освобождающаяся при замерзании воды в трубопроводе.
Подогрев воды является
дорогостоящим способом продления времени остановки водовода. Расчеты
показывают, что время остывания жидкости для трубопроводов надземной прокладки составляет не более 5-15% от общего времени остывания и замерзания, поэтому величина температуры воды в момент аварии не может существенно влиять на допустимую продолжительность остановки, и за счет повышения температуры воды в удаленных точках системы допустимое время остановки увеличится незначительно. Особенно это неэффективно для трубопроводов малого диаметра, в наибольшей степени подверженных замерзанию, так как подогрев воды даже не насколько десятых долей градуса требует значительных затрат тепловой энергии.
Время остывания и замерзания воды при данных температурных условиях определяется за счет уравнения теплового баланса, согласно которому тепло, содержащееся в наполненном жидкостью трубопроводе в пределах от начальной температуры до температуры замерзания, к теплу, выделяющееся при образовании некоторого слоя льда, приравнивается тепловой потере в окружающей среду за период остановки движения жидкости [4].
Электрообогрев арматуры позволял допустить образование ледяного кольца на ровном участке трубопроводов и исключить образование льда на участке с трубопроводной арматурой при перерывах в подаче воды. Исследования показали, что
работоспособность устройств того и другого вида в условиях оледенения равноценна. Однако система с греющими элементами имеет более высокую стоимость и, в то же время, менее надежна в работе, так как аварийное отключение электроэнергии приводит к ее замерзанию.
Для выработки основных положений, руководствуясь которыми можно предложить новые виды арматуры, отвечающей условию работы в ледовых режимах, был выполнен ряд исследований. Выявлено оптимальное расположение входных каналов и затвора в корпусе арматуры.
На основании комплексных теоретических и экспериментальных исследований были выведены принципы конструирования и разработаны водопроводные устройства, работоспособные при оледенении на половину площади сечения трубы, наиболее необходимы для нужд промышленного, хозяйственного,
противопожарного водоснабжения.
Технико-экономический эффект от внедрения арматуры, работающей в ледовых режимах, возникает за счет предотвращения замерзания водопроводных труб, снижения затрат на подогрев воды, что подразумевает снижение строительной стоимости и эксплуатационных расходов при переходе на мелкую прокладку труб в районах глубокого сезонного промерзания грунта.
С внедрением арматуры, способной работать при образовании ледяной корки на стенках труб, повысится надежность водоснабжения в водопроводах, где возможны случаи замерзания труб и трубопроводных устройств.
Арматура, работающая в ледовых режимах, будет способствовать переходу на мелкую прокладку водопроводных линий в районах глубокого сезонного промерзания грунта, что значительно снизит строительные затраты и улучшит эксплуатацию сетей.
Переход на новые водопроводные устройства не потребует для их производства больших средств, чем затрачивается в данный момент на изготовление известной арматуры, работоспособной при отрицательной температуре наружного воздуха до появления льда в трубах.
Различают две задачи: предохранение водопроводных линий от замерзания при нормальной эксплуатации и обеспечение незамерзаемости труб во время аварий. Решение первой задачи сводится к систематическому восполнению тепловых потерь трубами и арматурой при нормальных режимах работы водопровода. Гораздо сложнее задача сохранности водоводов и сетей в моменты аварийных ситуаций. В аварийных случаях, которые сопровождаются прекращением или значительным замедлением движения
жидкости, происходит интенсивное охлаждение воды за счет теплообмена с окружающей средой, что может привести к оледенению внутренних стенок труб и замерзанию воды в трубопровод.
Опыт эксплуатации водопроводных сетей, проложенных в суровых климатических условиях, позволяет сделать следующие выводы: в целях улучшения условий эксплуатации и снижения эксплуатационных затрат, при
проектировании водоводов необходимо учитывать, что температура грунта зимой с глубиной резко повышается [4-6]. На глубине 1,5-2,0 м температура грунта обычно не понижается ниже минус 3 - 5 О С; суточные колебания составляют десятые доли градуса; тепловая инерция водоводов диаметром 400 мм и более, проложенных в грунте на глубине 1,5-2,0 м, значительна и
Библиографический список
1. Гинзбург, А. В. Повышение эффективности работы систем водоснабжения и водоотведения в сложных природных условиях : автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ; 05.23.04 / Гинзбург Александр Владимирович. - Москва, 2005. -22 с. - Текст : непосредственный.
2. Майны, Ш. Б. Анализ аварий канализационных трубопроводов (на примере г. Кызыла) / Ш. Б. Майны. - Текст : непосредственный // Вестник гражданских инженеров. - 2015. - № 3 (50). - С. 197-201.
обеспечивает предохранение водовода от замерзания в течение нескольких суток, что дает возможность устранить возникшие неполадки в аварийных случаях; в условиях глубокого сезонного промерзания грунтов необходимо шире использовать опыт строительства на вечномерзлых грунтах; прокладка водоводов и водопроводных сетей в зоне сезонного промерзания грунтов и применение незамерзающей арматуры (водоразборные колонки, краны, пожарные гидранты, компенсаторы, автоматические водовыпуски и др.); на периодически действующих водоводах в водопроводных сетях, проложенных в зоне сезонного промерзания грунтов, необходимо предусматривать меры защиты от замерзания.
3. Терехов, Л. Д. Аварийность водоводов БАМа / Терехов, Л. Д., Гинзбург А. В. - Текст : непосредственный // Материалы семинара МДНТП «Обеспечение надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения». -Москва : МДНТП, 1989. - С. 63 - 66.
4. Терехов, Л. Д. Исследование изменения теплового режима канализационных сетей в зимний период / Л. Д. Терехов, Ш. Б. Майны. - Текст : непосредственный // Водоснабжение и санитарная техника. -2019. -№ 12. - С. 42-47.
5. Рекомендации по теплотехническим расчетам и прокладке трубопроводов в районах с глубоким сезонным промерзанием
грунтов. - Москва : НИИОСП, 1975. - 91 с. - Текст : непосредственный.
6. Терехов, Л. Д. Экспериментальное исследование оттаивания грунта вокруг канализационных трубопроводов мелкого заложения в зимнее время / Л. Д. Терехов, Ш. Б. Майны, Н. А. Черников. - Текст : непосредственный // Вода и экология : проблемы и решения. - 2019. - № 4 (80). - С. 71-78.
References
1. Ginzburg A. V. Povyshenie jeffektivnosti raboty sistem vodosnabzhenija i vodootvedenija v slozhnyh prirodnyh uslovijah : avtoreferat dissertacii na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk [Improving the efficiency of water supply and sewerage systems in difficult natural conditions: abstract of Cand.Tech.Sci. Diss.]. Moscow, 2005. 22 p. (In Russian)
2. Mainy Sh. B. Analiz avarij kanalizacionnyh truboprovodov (na primere g. Kyzyla) []. Vestnik grazhdanskih inzhenerov [Analysis of sewerage pipelines accidents (on the example of Kyzyl) yusch. Bulletin of Civil Engineers]. 2015. No. 3 (50). P. 197-201. (In Russian)
3. Terekhov L. D. and Ginzburg A. V. Avarijnost' vodovodov BAMa [Emergency of the BAM water pipelines]. Materialy seminara MDNTP «Obespechenie nadezhnosti sistem hozj aj stvenno-pit'evogo vodosnabzhenij a» [Materials of the seminar on Ensuring the reliability of drinking water supply systems]. Moscow, MDNTP, 1989. P. 63 - 66. (In Russian)
4. Terekhov L. D. and Mainy Sh.B. Issledovanie izmenenija teplovogo rezhima kanalizacionnyh setej v zimnij period [Study of changes in the thermal regime of sewer networks in winter]. Vodosnabzhenie i sanitarnaja tehnika. 2019. No. 12. P. 42-47. (In Russian)
5. Recommendations for heat engineering calculations and laying of pipelines in areas with deep seasonal freezing of soils yusch. Moscow, NIIOSP, 1975, 91 p. (In Russian)
6. Terekhov L. D., Mainy Sh. B., Chernikov N. A. Jeksperimental'noe issledovanie ottaivanija grunta vokrug kanalizacionnyh truboprovodov melkogo zalozhenija v zimnee vremja [Experimental study of soil thawing around shallow sewer pipelines in winter]. Voda i jekologija : problemy i reshenija [Water and Ecology : problems and solutions]. 2019. No. 4 (80). P. 71-78. (In Russian)
Майны Шончалай Борисовна - старший преподаватель кафедры городского хозяйства Тувинского государственного университета, г. Кызыл, E-mail: [email protected] Куулар Кара Шораановна - магистрант, направление подготовки «Энергосбережение и энергоэффективность в зданиях», Тувинского государственного университета, г. Кызыл, email: [email protected]
Shonchalay B. Mayny - Senior Lecturer, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: [email protected]
Kara Sh. Kuular - master's student, Tuvan State University, Kyzyl, Russia, e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 30.11.2021
