Разрыв шва 14%

Повреждения строителями 4% Износ лотка трубы' 8%

Прочие 10%

Свищи 43%

0,019 <w(t) < 0,045, (1/годкм).

С увеличением длительности эксплуатации увеличивается риск отказов напорных трубопроводов водоотведения (рис. 21.3). Анализ влия­ния факторов, дестабилизирующих надежность участков напорных трубо­проводов, позволяет их систематизировать по трем группам.

Si

Он

0.8 0.6 0.4 0.2 0

0 2.5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Возраст труб

Рис. 21.3. Влияние возраста труб на величину отказов напорных трубопроводов

Первая группа факторов связана с технологией изготовления труб. Для стальных труб заводскими дефектами являются металлургические де­фекты в стенках труб, закаты, расслоения, трещины. Сварочные заводские дефекты возникают в продольных стыках труб в тех случаях, когда нару­шается технология сварки или применяются некондиционные материалы.

Вторая группа факторов связана со строительством трубопрово­дов и заключается либо в неотработанной технологии укладки труб, либо в нарушении строителями требуемой технологии. В стальных трубопроводах это проявляется в переломах труб, нарушении сварных соединений и т.д.

Третья группа факторов определяется условиями функционирова­ния и эксплуатации трубопроводов. К этой группе могут быть отнесены следующие факторы, которые по степени их влияния на уровень надежно­сти трубопроводов могут быть ранжированы в последовательности: диа­метр трубопровода, наличие и качество изоляции, материал труб, возраст трубопровода, наличие блуждающих токов, грунтовые условия.

Общие принципы и методы обеспечения надежности системы водоотведения, включающей насосную станцию (НС) - напорные тру­бопроводы (НТ). Надежность и экологическая безопасность НС и НТ должна обеспечиваться высоким качеством элементов, из которых они со­стоят (насосные агрегаты, трубы, арматура), соблюдением технологии строительно-монтажных работ и регламента эксплуатации. Современное качество элементов и оборудования НС и НТ, эксплуатируемых в городах РФ, не может обеспечить безотказной их работы и соответственно экологи­ческую безопасность при эксплуатации. В этой связи основным методом обеспечения надежности системы водоотведения и ее элементов является резервирование, то есть введение в систему «избыточности».

Нормами проектирования степень резервирования НТ зависит от категории надежности НС. Так, например НС системы водоотведения г. Москвы, относится к первой категории надежности, при которой должна обеспечиваться 100 %-ная подача расчетного расхода (в том числе и в слу­чае возникновения отказа (аварии) на НТ). Обеспечение этого требования должно предотвратить снижение пропускной способности НТ и снизить риск сброса неочищенных сточных вод в водоемы или на поверхность зем­ли при отказах или авариях в системе водоотведения.

Наибольшее распространение в практике проектирования и экс­плуатации напорных трубопроводов систем водоотведения при решении задачи обеспечения их надежности получили методы структурного, раз­дельного, функционального и временного резервирования.

Метод структурного резервирования НТ заключается в прокладке двух параллельных трубопроводов. В практике проектирования и эксплуа­тации напорных трубопроводов характерно использование такого вида структурного резервирования, при котором резервный трубопровод нахо­дится в нагруженном резерве. Расчет показателей надежности НТ при использовании методов структурного резервирования должен производить­ся для следующих основных вариантов:

Вариант 1. Простейший вариант подачи сточных вод от насосной станции по одному напорному трубопроводу. Этот вариант используется достаточно редко, так как эта схема не содержит средств резервирования, то есть не обладает необходимой надежностью и не обеспечивает беспере­бойности отвода сточных вод.

С точки зрения теории надежности данный вариант относится к нерезервированным системам с «последовательным включением элемен­тов». Элементом этой системы является участок трубопровода. Каждый из элементов такой системы может пребывать или в работоспособном состоя­нии, или в состоянии отказа. Вероятность одновременного пребывания всех п участков системы НТ в работоспособном состоянии равна произведению вероятностей их исправного состояния.

Вариант 2 . Вариант обеспечения надежности системы НС-НТ при подаче сточной жидкости по системе из двух (п=2) параллельно уложен­ных трубопроводов одинаковой длины и диаметра - общее структурное резервирование.

При исправной работе оба трубопровода подают требуемый рас­ход. Предположим, что имеется функциональный резерв по пропускной способности трубопроводов, который позволяет при отказе одного из них обеспечивать 100%-ную подачу сточной воды по трубопроводу, находяще­муся в исправном состоянии. Отказ системы НТ (полное прекращение по­дачи) может происходить только тогда, когда во время ремонта одного тру­бопровода откажет второй.

Известно, что в условиях, когда время ремонта мало по сравнению с временем исправной работы элемента (участка трубопровода), распреде­ление наработки системы НТ до отказа и между отказами (Т) близко к экспоненциальному.

Способ резервирования путем прокладки резервных ниток напор­ного трубопровода ясен и весьма надежен, но экономически нерационален. Он требует увеличения капитальных вложений в два раза больше, чем ва­риант без резервирования. Устройство резервной линии не обеспечивает долговечность НТ. Резервная линия, даже если она не работает, а находится в резерве, также подвергается интенсивной коррозии, не уступающей ско­рости коррозии работающей нитки.

Практика эксплуатации определила и другие недостатки этого спо­соба резервирования, главные из которых следующие:

104. в период притока минимального и среднего расходов воды су­щественно снижаются скорости движения воды в напорных трубопроводах, то есть величина их становится меньше критических, при которых обеспе­чивается самоочищение трубопроводов,

105. в период притока минимального и среднего расходов воды рабо­та насосов происходит при пониженных значениях КПД, что приводит к неоправданному повышению эксплуатационных расходов.

Эффективным средством повышения надежности системы напор­ных трубопроводов в системах водоотведения является использование раз­дельного резервирования системы НТ, то есть устройство перемычек - со­

единительных линий с камерами переключений между параллельными трубопроводами.

Перемычки позволяют выключать на ремонт при аварии не весь трубопровод, а только его неисправный участок, передавая сточные воды в обход поврежденного участка в исправный трубопровод, этот способ ре­зервирования рекомендуется СНиПом и он предпочтительней других по капитальным вложениям.

При использовании перемычек напорные трубопроводы обычно разбиваются на ремонтные участки между двумя задвижками, так что сис­тема представляет собой п последовательно включенных участков (элемен­тов) в т параллельно уложенных трубопроводах.

Устройство камер переключений на НТ позволяет в случае аварии выключать не всю линию, а только поврежденный участок, тогда из П уча­стков системы в работе остаются П-1 участков поврежденной линии. Из­менение пропускной способности системы НТ в целом будет значительно меньшим, чем при отключении поврежденного трубопровода полностью. Полное прекращение функционирования системы НТ может наступить лишь при одновременном повреждении на всех участках трубопроводов.

У стройство перемычек позволяет значительно уменьшить влияние экологических последствий аварий напорных трубопроводов системы во­доотведения при незначительном увеличении затрат. Рассмотрим пример оценки показателей надежности системы параллельно уложенных напор­ных канализационных трубопроводов с устройством перемычек между ни­ми (рис. 21.4).

Перемычки имеют малую длину по сравнению с общей протяжен­ностью напорных трубопроводов и поэтому надежность их во много раз превышает надежность самих трубопроводов, то есть при инженерных рас­четах можно пренебречь вероятностью отказа перемычки.

Могут иметь место следующие состояния этой системы напорных трубопроводов:

• полная работоспособность системы (1-е состояние);

• отказ одного из участков (2-е состояние) - четыре варианта;

• отказ непротиволежащих двух участков (3-е состояние) - четыре комбинации;

• отказ двух противолежащих участков (4-е состояние)- две комбинации.

Отказ в работе напорных трубопроводов наступает тогда, когда имеют место все четыре состояния (1, 2, 3, 4).

Можно считать, что для системы дублированных трубопроводов введение одной перемычки, соединяющей трубопроводы посередине, уменьшает интенсивность отказов системы НТ в два раза по сравнению с трубопроводами без перемычки.

При рассмотрении вариантов обеспечения требуемой надежности НТ задачей функционального резервирования является возможность нахо­дить необходимое минимальное увеличение пропускной способности тру­бопроводов сверх определяемой из технико-экономических соображений. Это способствует выполнению заданных функций НТ по показателям на­дежности.

Определение номинального диаметра трубопроводов системы про­изводится на пропуск расчетного расхода. Техническое решение примене­ния функционального резервирования как метода повышения надежности НТ может быть основано на использовании двух его проявлений:

106. Увеличение пропускной способности НТ, осуществляемое за счет установки трубопроводов большего диаметра, приводит к уменьше­нию гидравлического сопротивления системы НТ и тем самым способству­ет улучшению качества функционирования.

107. Интенсивность отказов участков НТ уменьшается с увеличением диаметра, то есть при этом также будет иметь место увеличение вероятно­сти работоспособного состояния системы НТ.

Целесообразность применения функционального резервирования для системы напорных трубопроводов требует технико-экономического и надёжностного обоснования.

Временное резервирование является одним из наиболее эффектив­ных методов обеспечения надежности и экологической безопасности сис­темы НС-НТ.

В соответствии с существующей терминологией, временное резер­вирование это «резервирование», предусматривающее использование избы­точного времени. Применительно к системам водоотведения под избыточ­ным временем может пониматься время, в течение которого сточная жид­кость может накапливаться в аварийном резервуаре. Этого времени должно быть достаточно для устранения аварии на напорных трубопроводах.

До настоящего времени использование временного резервирова­ния, как средства обеспечения требуемой надежности и экологической безопасности системы НС-НТ, не нашло широкого применения. Регули­рующие резервуары применяются на водоотводящих сетях общесплавных

620

систем водоотведения, которые существует в значительной части городов за рубежом, а в РФ регулирующие резервуары рекомендуется применять на ливневых сетях различных систем водоотведения.

В настоящее время, применение регулирующих резервуаров стано­вится обязательным и обеспечивает значительное сокращение капитальных вложений на все элементы системы водоотведения, расположенные ниже регулирующих резервуаров (трубопроводы, насосные станции, очистные сооружения и др.).

В последние годы использование временного резервирования пу­тем строительств резервуаров, совмещающих аварийные и регулирующие функции, нашло эффективное применение в системе водоотведения г. Мо­сквы. При этом функционирование аварийно-регулирующих резервуаров (АРР) позволяет не только обеспечить требуемый уровень надежности сис­темы НС-НТ, но и использовать их для целей зарегулирования притока сточных вод. Наиболее эффективными методами обеспечения надежности системы НС-НТ в водоотводящей системе города являются: использование раздельного резервирования (устройство НТ не менее, чем из двух водово­дов и переключения между ними); использование временного резервирова­ния - применение аварийно-регулирующих резервуаров (АРР).

Нахождение оптимального варианта обеспечения надежности сис­темы НС-НТ определяется путем выполнения на ЭВМ серии надежностно-технологических расчетов различных вариантов устройства системы НС-НТ и последующего сравнительного анализа их технологических и надеж­ностных показателей. В качестве оцениваемых показателей надежности системы НС - НТ следует принимать интенсивность отказов системы на­порных трубопроводов w(t), характеризующая величину риска аварий и вероятность безотказной работы - P(t).

В основу технологических расчетов надежности системы НС-НТ должны быть положены фактические данные по технологическим парамет­рам эксплуатируемых насосных станций и напорных трубопроводов.