2.Характерные отказы тепловых сетей

Системы централизованного теплоснабжения (СЦТ), как и все технические системы массового обслуживания, должны обеспечивать потребителей тепловой энергией, выполнять заданные функции при минимальных затратах на сооружение и эксплуатацию, обладать требуемой надежностью.

Надежность тепловых сетей - это свойство транспортной системы обеспечивать в течение заданного времени подачу потребителю требуемого количества теплоносителя с определенными температурой и давлением.

Тепловые сети состоят из участков трубопроводов, секционирующих и отключающих задвижек, оборудования сетей (компенсаторы, опоры, спускные краны и пр.), насосные подстанции. Насосные подстанции представляют собой достаточно сложные подсистемы и должны рассматриваться с точки зрения надёжности как самостоятельные объекты.

Ниже приведены характерные отказы тепловых сетей, обобщённые в МИСИ по определённой методике, позволяющей получить данные, которые пригодны для статистической обработки. Сбор информации осуществлялся по журналам учёта повреждений эксплуатационных районов. Не рассматривались отказы:

• происшедшие в период гидравлических и температурных испытаний тепловых сетей;

• повлекшие за собой отключение участков и абонентов на время менее 3 часов;

• на магистралях, которые по ряду причин находились в крайне неблагоприятных условиях эксплуатации (каналы периодически затапливались грунтовыми и ливневыми водами, заносились грунтом, нарушалась целостность антикоррозионного покрытия трубопроводов и т.п.).

Все повреждения на теплотрассах и оборудовании, которые после анализа были отнесены к отказам, имеющим случайную природу, были классифицированы по видам, и для каждого вида была установлена относительная частота появления.

Наиболее частой причиной повреждения тепловых сетей является наружная коррозия. Обычно коррозия равномерно поражает теплопроводы на значительных участках по длине. При этом встречаются отдельные участки (с нарушенным защитным покрытием), которые поражены наиболее интенсивно. Причина коррозии в контакте металла труб с влагой. В результате коррозии снижается толщина стенок, появляются свищи и, как следствие, происходят разрывы теплопроводов.

Значительно меньше отказов связано с разрывом продольных и поперечных швов. Встречаются случаи вырыва гильз под термометры и патрубков под манометр, вызванные некачественной сваркой. Повреждения сальниковых компенсаторов вызываются коррозией стакана сальникового компенсатора, выходом из строя грундбуксы, размывкой набивки.

Задвижки на трубопроводах отказывают из-за коррозии корпуса, коррозии байпаса, неплотности фланцевых соединений, трещин в корпусе. Классификация отказов по причинам приведена в табл.2.

Классификация отказов по причинам

Таблица 2

Вид повреждения	Период наблюдения, год				Среднее значение
	1974	1975	1976	1977
Наружная коррозия труб	83	82	82	85	83
Разрывы сварных швов	5	5	3	7	5
Коррозия стаканов сальниковых компенсаторов, выход из строя грундбуксы	5	4	5	5	4,75
Повреждение задвижек	7	9	10	3	7,25
Итого	100 %	100 %	100 %	100 %	100 %

По результатам наблюдений вычислялся параметр потока отказов ,

где n – количество отказов, зафиксированных на трубопроводах одного диаметра; t - время наблюдения за трубопроводами; L – суммарная длина подающего и обратного трубопроводов одного диаметра, км.

Зависимость параметра потока отказов от диаметра трубопровода исследованиями не установлена, что объясняется малой вероятностью появления одновременного поражения трубы в нескольких местах на одном диаметре одновременно. Наблюдения не выявили также зависимости времени восстановления от диаметра трубы, что можно объяснить недостаточным объёмом статистических данных. Некоторые результаты наблюдения за отказами трубопроводов показаны в табл.3.

Статистические оценки показателей надёжности трубопроводов

Таблица 3

Показатель	Диаметр трубопроводов, мм
	200	250	300	350	400	450	500	600	700	800	1000	1200	1400
Протяжённость труб (подающих и обратных), км	401	60	88	23	113	13	136	67	31	42	36	58	27
Число отказов	9	11	14	1	7	5	17	1	4	1	0	0	1
Параметр потока отказов,  1/(кмгод)	0,01	0,081	0,071	0,02	0,027	0,171	0,056	0,034	0,057	0,011	-	-	0,016
Среднее время восстановления, ч	6,2	6,6	5,3	4	7,5	6,2	13	8	24,6	4	-	-	5

Примечание. Анализировались тепломагистрали протяжённостью 1094,5 км; общее количество отказов 71.Среднее значение потока отказов для труб всех диаметров 0,041, 1/(кмгод).

Интервальная оценка по данным табл.10.3 при доверительной вероятности = 0,95 показывает, что значение параметра потока отказов находится в пределах 0,0288 <  < 0,0532. Верхнее граничное значение  = 0,0532 можно принимать за расчётную величину.

Аналогичные исследования по безотказности задвижек для тех же тепломагистралей показали, что интервальная оценка параметра потока отказов при доверительной вероятности =0,95 равна 0,00069< _з < 0,00111. Правую границу интервала можно принять за расчётную величину.

Проверка влияния срока службы тепломагистралей на параметр потока отказов показала, что при сроке службы более 35 лет _ср = 0,059, при сроке службы от 20 до 30 лет _ср = 0,046 и при сроке службы от 10 до 20 лет _ср = 0,023. При этом ежегодное уменьшение составило 0,0015, что означает снижение параметра потока отказов с сокращением длительности эксплуатации теплопроводов.

Приведённые оценки показателей надёжности относятся только к одному из регионов и не могут претендовать на обобщение для всей территории Российской федерации. Однако анализ данных по некоторым другим регионам показал, что качественная картина отказов сохраняется. По-прежнему, основными причинами отказов являются внешняя коррозия, разрывы сварных швов, дефекты компенсационных устройств, дефекты задвижек, механические повреждения при монтаже, аварии водопроводных и канализационных трасс.

Примерно 55 % всех зафиксированных отказов вызвано внешней коррозией, причём большая часть из них на теплопроводах со сроком службы 5-15 лет. Эти коррозионные повреждения вызываются следующими факторами:

• отсутствием попутного дренажа и дренажных насосных станций на теплотрассах;

• недостаточной высотой и прочностью скользящих опор, в результате чего постоянно увлажняется теплоизоляция на трубах;

• применением малоэффективных антикоррозионных покрытий (лак 177, краска АЛ-177, изол на битуме вместо изола на изольной мастике);

• повреждением антикоррозионных покрытий при транспортировке труб;

• применением бесканальных прокладок теплотрассы в битумперлитной изоляции, отличающейся высоким водопоглощением.

Внешняя коррозия труб вызывается также блуждающими токами – утечками от городского и железнодорожного транспорта, работающего на постоянном токе. Несмотря на защиту теплопроводов изолирующими покрытиями и применение электрических методов защиты, возможны случаи совпадения мест повреждения изоляции с зонами коррозионно-активных грунтов и возникновения коррозионных процессов. Таким образом, процесс развития коррозии можно считать нестационарным случайным процессом с неизвестными параметрами.

Разрывы сварных швов возникают при снижении прочностных свойств металла по сравнению с действующими внутренними и внешними нагрузками. Точное значение нагрузок на трубопровод определить невозможно из-за случайности многих нагрузочных факторов. Принимаемые запасы прочности должны компенсировать эту неопределённость, но при дефектах сварных швов, при случайных нагрузках, например, из-за проседания отдельных опор усилия превышают предел прочности металла и происходит разрыв. Параметр потока отказов, вызванных разрывами сварных швов, практически не зависит от диаметра.

Повреждения задвижек могут носить различный характер: неплотное закрытие задвижки или нарушения герметичности корпуса или фланцевых соединений, вызывающие утечку теплоносителя. В первом случае увеличивается длина трубопровода, отключаемого при аварии, и возрастает недопоставка теплоносителя потребителям. При нарушениях герметичности приходится отключать задвижку, чтобы локализовать последствия аварии. Отказы системы из-за неисправности задвижек составляют 1,5-2 % от общего числа отказов.

Обобщение данных по отказам тепломагистралей показывает их следующую классификацию по причинам возникновения:

• наружная коррозия трубопроводов ……………………………..55 %

• разрывы сварных швов …………………………………………..20 %

• дефекты компенсационных устройств…………………………6 %

• дефекты задвижек ……………………………………………….1,5 %

• прочие причины (механические повреждения при монтаже, аварии на водопроводных и канализационных сетях и т.д.) ……….17,5 %

Восстановление работоспособности тепломагистралей после отказа зависит от многих факторов, определяющим среди которых является диаметр трубопровода. В Московском инженерно-строительном институте получена формула⁴ для расчёта времени восстановления теплопроводов, ч

_в = 5,06 + 14,93 d , где d – диаметр теплопроводов, м.

Установлено, что время восстановления можно разделить на три части: время слива, которое составляет 7-8 % общего времени ремонта; время собственно ремонта 76-79 %; время наполнения теплопроводов 14-15 %.

Насосные станции в 30 % случаев отказывают из-за течи сальников насосов, в 30 % случаев из-за повреждения подшипников, в 12 % из-за необходимости ревизии или ремонта насоса, в 1 % случаев из-за ремонта электродвигателя; 3 % составляют повреждения вала насоса или его центровки; 3 % - неисправность задвижек; 3 % - повреждение обратного клапана; 2,5 % - повреждение автоматических регуляторов давления. Кроме того, встречаются отказы из–за коррозии трубопроводов в пределах станции, протечки, неисправности токовых преобразователей.

При анализе показателей надёжности насосных станций учитывают отказы насосного агрегата, обратного клапана и двух отключающих задвижек. Всё это вместе образует насосный блок. Параметр потока отказов насосного блока определяется по формуле

_б = _н.а + _о.к + 2_з,

где _н.а, _о.к, _з - параметры потока отказов насосного агрегата, обратного клапана и задвижек.

На основе обобщения и статистической обработки эксплуатационных данных получены следующие значения параметров потоков отказов:

_н.а= 0,97,1/год; _о.к = 0,017, 1/год; _з = 0,015, 1/год.

Среднее время восстановления насосного блока можно принимать при оценочных расчётах _р.б = 7 ч.

1 Малафеев В.А., Пейсахович В.Я. Роль теплоснабжения в энергосбережении и охране окружающей среды// Энергетик 1994. №11. С. 9 –13.

2 Попырин Л.С., Зубец А.Н. Надёжность систем теплоснабжения // Энергетик 1994. №11.С. 14 –16.

3Ковылянский Я.А, Старостенко H.H. Практическая методика количественной оценки надежности тепловых сетей при проектировании и в условиях эксплуатации// Теплоэнергетика. 1997. №1.С. 12 –16.

4Ионин А.А. Надёжность систем тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1989.-268 с.

8