bbk 000000

УДК 621.643-034.14.004.67

Косыгин А. Б., Фомина И. В., Горицкий В. М., Хромов Д. П.

Методика оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопроводов водопроводной и канализационной сетей г. Москвы

Аннотация

Целью обследования трубопроводов водопроводных и канализационных сетей Москвы, осуществляемой Центром технической диагностики МГУП «Мосводоканал», является оценка технического состояния сетей, а также выработка рекомендаций по их дальнейшей эксплуатации, реконструкции и перекладке. Разработана методика комплексного диагностирования стальных трубопроводов водопроводной сети в коллекторах, обвязке насосных станций и подземных трубопроводов, уложенных в грунт, а также стальных трубопроводов напорной канализационной сети. При определении сроков возможной безопасной эксплуатации трубопроводов водопроводной и канализационной сетей методика позволяет учитывать все типы наиболее интенсивных воздействий, вносящих основной вклад в формирование напряженно-деформированного состояния, что повышает техническую обоснованность и достоверность получаемых результатов

Ключевые слова:

герметичность , водопроводная и канализационная сети , оценка технического состояния , остаточный ресурс трубопровода , диагностирование , прочность

 

Скачать статью в журнальной верстке PDF

Нарушение герметичности труб водопроводной и канализационной сетей представляет опасность с точки зрения ухудшения санитарно-эпидемиологической обстановки и рисков размыва грунта с последующим обрушением попавших в область размыва зданий и сооружений. Во всех крупных населенных пунктах такие сети обладают значительной разветвленностью. Специфические особенности трубопроводов – низкое давление, широкий диапазон диаметров труб, большая протяженность, ограниченный доступ, возможное воздействие грунта.

Указанные обстоятельства обусловили необходимость создания единой методики оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопроводов. Хотя водопроводные и канализационные сети не подведомственны Ростехнадзору России, при разработке концепции методики учитывали принципы, заложенные в известные методики технического диагностирования опасных производственных объектов, и специфические особенности сетей. Методика применима к стальным трубопроводам водопроводной сети в коллекторах, обвязке насосных станций и подземным трубам, уложенным в грунт, а также к стальным трубопроводам напорной канализационной сети. Методика не распространяется на чугунные, пластмассовые и железобетонные трубы.

Диагностирование трубопроводов водопроводных и канализационных сетей Москвы осуществляется Центром технической диагностики МГУП «Мосводоканал». Его основной целью является оценка технического состояния водопроводных и канализационных сетей, напорных канализационных трубопроводов, а также выработка рекомендаций по их дальнейшей эксплуатации, реконструкции и перекладке, что невозможно без проведения комплексной диагностики сетей.

Виды дефектов стальных водопроводных и канализационных трубопроводов

Все трубопроводы водопроводной и канализационной сетей в зависимости от характера прокладки, методов обследования и схемы прочностного расчета делятся на подземные и надземные (в коллекторах, на насосных станциях).

Подземные трубопроводы

90% повреждений на стальных трубах водопроводной сети представляют свищи, которые возникают в результате язвенной коррозии труб как с внешней, так и с внутренней стороны; также возможны разрывы шва, продольные трещины, вызванные гидроударами. Дефекты внутренней поверхности стальных канализационных труб: общая, язвенная коррозия, абразивный износ лотковой части трубопровода (для напорной канализационной сети).

Надземные трубопроводы (в коллекторах, на насосных станциях)

Основной причиной разрушения стальных труб является общая (фронтальная) и язвенная коррозия. Наибольшее количество аварий происходит на трубах водопроводной сети малых диаметров (100–400 мм). Свищевые повреждения вызваны локальной коррозией внутренней поверхности труб под действием воды как агрессивной среды и коррозией внешней поверхности, связанной с нарушением изоляционного покрытия, влажностью помещения, попаданием воды на трубы. Исследования причин разрушения труб, проложенных в коллекторах, показали, что оба вида коррозии обусловлены сочетанием нескольких факторов. Образование язвы на внутренней поверхности трубы усугубляется присутствием в стали большого количества неметаллических включений, т. е. плохим качеством стали, образованием застойных зон (при отключении трубопровода), а также неравномерной скоростью потока жидкости в течение суток.

Коррозия внешней поверхности труб усиливается под действием напряжения (в местах провисания трубопровода, на сгибах). Трещины образуются под действием напряжений при гидроударах, размораживании воды в трубе.

Основные этапы технического диагностирования

В соответствии с методикой, основные этапы и организация оценки технического состояния трубопроводов, являются типичными для работ такого рода и предусматривают: анализ технической документации; разработку программы технического диагностирования; подготовку трубопроводов к проведению диагностирования и обеспечение безопасности при обследовании; проведение диагностирования; составление заключения по результатам обследования. Содержание каждого из вышеперечисленных этапов является оригинальным, что обусловлено своеобразием городских трубопроводных сетей как объекта диагностирования и фактическим уровнем технического вооружения диагностических служб Центра технической диагностики МГУП «Мосводоканал».

Данных, содержащихся в проектной и технической документации, в большинстве случаев недостаточно для формирования полного представления о первоначальном состоянии трубопроводов, количестве и объемах выполненных ремонтных работ. Поэтому в настоящее время в ЦТД внедряется автоматизированная система планирования и контроля работ по диагностике трубопроводов городской водопроводной сети Москвы, объединяющая все базы данных по диагностике сетей, а также базы данных паспортов колодцев, участков. Система позволяет получить полную информацию об участке трубопровода, обеспечить организацию автоматизированного сбора, хранения, обработки данных для анализа текущего состояния трубопровода и перспективного планирования диагностики и реконструкции.

В рамках технического диагностирования выполняются следующие работы:
визуальный и измерительный контроль;
определение фактической толщины стенок трубопроводов;
электрометрические измерения;
поверочные расчеты трубопроводов на прочность с оценкой возможного срока дальнейшей эксплуатации.

При необходимости проводятся:
ультразвуковой контроль сварных соединений;
аттестация качества стали трубопроводов (проведение вырезки металла или отбор микропроб и проб; оценка механических свойств основного металла и сварных соединений, металлографический контроль).

Визуальный и измерительный контроль

Наружный осмотр трубопроводов в коллекторах, на насосных станциях и на доступных участках (в колодцах) подземных трубопроводов проводится с целью:

выявления видимых искажений формы трубопроводов (выпучины, вмятины, смещение кромок и перелом осей в сварных соединениях), повреждений изоляции или покрытия, коррозионных повреждений и трещин всех видов в основном металле и сварных соединениях;
оценки расположения, типа и состояния опор и соответствия проектной документации.

Выявленные дефекты наносятся на схему трубопровода.

Внутренний осмотр трубопроводов проводят с той же целью, что и внешний.

Методика проведения работ учитывает ограниченный доступ к трубопроводам как с внутренней, так и с наружной стороны. Для расширения зон контроля предусмотрено использование эндоскопов и внутритрубных снарядов различного класса.

Методы осмотра определяются диаметром трубопровода. Трубопроводы диаметром более 900 мм осматриваются визуально, меньшего диаметра – с помощью эндоскопического оборудования или приборов телевизионной диагностики.

По результатам анализа технической документации и визуально-измерительного контроля составляется схема обследуемого участка трубопровода. На схеме указываются: расположение элементов трубопровода и их длина; расположение колодцев и расстояние между ними; тип опор и расстояние между ними; иные сведения, необходимые для выполнения поверочного прочностного расчета.

Определение фактической толщины стенок трубопроводов

Для определения толщины металла рекомендуется применять толщиномеры, позволяющие проводить измерения с точностью не менее 0,1 мм. Толщиномеры СКАТ-4000, Panametrics, «Взлет УТ», УТ-04 ЭМА обеспечивают требуемую точность измерений. Пороговые уровни обнаружения дефектов трубопроводов приведены в табл. 1.

Объем измерений должен обеспечить требуемую достоверность определяемой толщины и результатов поверочных и иных расчетов.

Методика определения толщины стенок трубопроводов с ограниченным доступом

При определении остаточной толщины стенок трубопроводов с ограниченным доступом используются методы статистической обработки результатов ультразвуковой толщинометрии. Это позволяет с заданной степенью достоверности при ограниченном объеме измерений оценить необходимые для проведения поверочных расчетов среднюю и минимальную толщину стенок труб. Методика распространяется на подземные трубопроводы диаметром менее 900 мм, а также другие трубопроводы, для которых при визуальном измерительном контроле из-за ограниченного доступа не получена информация о зонах максимальных коррозионных повреждений.

Измерение осуществляют точечным методом или сканированием участков трубы с помощью автоматических ультразвуковых толщиномеров (на доступных участках в колодцах) либо внутритрубных телевизионных роботов. Измеряют фактическую толщину трубопровода s. Глубину коррозионных повреждений t определяют как разность между номинальной (начальной s₀) и фактической s толщиной трубопроводов.

Статистическая обработка результатов измерений включает:
определение минимального необходимого числа измерений (объема выборки);
оценку однородности полученной выборки (отбраковка измерений, выполненных в месте расположения язв, каверн);
определение коэффициента вариации и параметров распределения глубины коррозионных повреждений;
определение максимальной глубины повреждения.

Критерием отбраковки значений является выполнение условия:

где  – коэффициент вариации; t_cред, t_верх – средняя и максимальная глубина коррозионных повреждений (значение в полученной выборке);N – объем выборки; t_cред вычисляется без учета значения t_верх.

Для предварительной оценки числовое значение коэффициента вариации  может быть
выбрано в следующих интервалах: до 0,2 – при умеренной неоднородности (сплошная коррозия); 0,2–0,5 – при средней неравномерности (коррозия пятнами); выше 0,5 – при высокой неравномерности (язвы, питтинги).

Выявление неоднородности выборки свидетельствует о наличии язвенной коррозии. При выявлении трех и более язв их максимальная глубина рассчитывается по методике, приведенной ниже. При выявлении одной или двух язв максимальная глубина язвы t_макс принимается равной 1,5t_верх.

Средняя толщина стенки:

s_cред=Сумма s_i/N. (2)

Среднее квадратичное отклонение глубины коррозионных повреждений:

За пределами методики в настоящий момент остается только обнаружение и контроль развития локальных коррозионных дефектов, возникающих с наружной стороны труб на недоступных участках.

Электрометрические работы выполняются с целью определения коррозионного состояния водопроводных сетей, наружного изоляционного покрытия и выдачи рекомендаций по его защите от коррозии.

В соответствии с требованиями ГОСТ 9.602, для оценки опасности коррозионных повреждений подземных трубопроводов проводят следующие работы:

определение коррозионной агрессивности среды (грунта, грунтовых вод) по отношению к металлу трубопровода в полевых или лабораторных условиях. Рекомендуется использовать прибор Ф 4103-М1;

измерение разности потенциалов «трубопровод – земля» с помощью регистраторов РАД-256 (ПКИ-02) с применением стального и медносульфатного электродов сравнения;

контроль состояния защитных изоляционных покрытий с помощью приборов ТИСПИ-02, ТИСПИ-03, АНПИ.

Контроль сварных соединений методами ультразвуковой дефектоскопии проводится при необходимости с целью выявления внутренних дефектов, определения вида и типа дефектов, их местоположения и размеров. Ультразвуковая дефектоскопия проводится в соответствии с требованиями ГОСТ 14782. Рекомендуется использовать дефектоскопы УД2-12, «Сканер», Epoch IV, Epoch XT. Выявленные дефекты должны быть классифицированы по типу: объемные непротяженные, объемные протяженные или плоскостные. Место и результаты контроля (расположение и размеры дефектов) наносят на схему. В тех случаях, когда применение ультразвуковой дефектоскопии затруднено из-за небольших значений толщины стенки и диаметра трубы, для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов допускается магнитопорошковый метод (ГОСТ 21105).

При необходимости аттестации качества стали трубопроводов для установления соответствия фактических свойств материала требованиям проектной и нормативно-технической документации, выявления изменений в свойствах материалов, произошедших во время эксплуатации, получения сведений о свойствах материала трубопроводов, необходимых для проведения поверочного расчета, могут выполняться следующие виды работ: определение химического состава стали, металлографический анализ, дюрометрический анализ, определение механических свойств и фрактографический анализ. Механические свойства стали допускается определять при испытаниях стандартных образцов или с помощью метода микропроб. Последний позволяет оценить основные механические свойства стали, исключая при этом проведение восстановительных ремонтных работ в месте отбора проб на трубопроводе.

Расчет трубопроводов на прочность и оценка остаточного ресурса трубопровода

Проведение обследования технического состояния обеспечивает получение исходных данных для поверочного расчета и расчета остаточного ресурса трубопроводов. Конечной целью расчетов является установление периода времени, в течение которого обеспечивается выполнение условий прочности, устойчивости и герметичности. Выполнение первого условия означает возможность исключения интенсивной деформации и разрушения трубопроводов под воздействием эксплуатационных факторов (давление жидкости, влияние грунта и частей трубопровода друг на друга и т. д.). Выполнение второго условия свидетельствует об отсутствии сквозных коррозионных повреждений, приводящих к утечкам транспортируемой жидкости и (или) просачиванию грунтовых вод внутрь трубопроводов.

Предлагаемая методика прочностного расчета учитывает специфику трубопроводов городских сетей: разветвленность, относительно невысокое внутреннее давление, небольшая длина линейных частей трубопровода при отсутствии полной самокомпенсации, возможность подземного залегания. Проверка герметичности методами математической статистики позволяет определить глубину локальных коррозионных повреждений с требуемой степенью достоверности. Учет перечисленных факторов приводит к усложнению расчетов, поэтому разработаны специальные программы для персональных компьютеров, позволяющие определить напряженно-деформированное состояние в наземных и подземных трубопроводах.

Методика поверочного расчета надземных трубопроводов

При расчете многопролетного надземного участка трубопровода с постоянными по всей длине геометрическими и прочностными характеристиками обязательному прочностному расчету подлежат: концевые пролеты; пролет максимальной длины; пролеты с ответвлениями.

Вариант расчета концевого пролета выбирается в зависимости от соотношения длины расчетного и смежного с ним пролетов. Расчет ведется по одной из двух расчетных схем, представленных на рис. 1, в зависимости от соотношения длины пролетов  = b/a, где a, b – соответственно длина концевого и смежного пролетов.

При расчете на прочность внутреннего пролета максимальной длины вычисляется максимальный (опорный) момент M_b. Расчетная схема представлена на рис. 2.

Для расчета пролета, содержащего врезку (патрубок) с горизонтальной осью, направленной по нормали к оси магистральной трубы, используется расчетная схема трубопровода с ответвлением (рис. 3).

Расчетная толщина стенки труб не должна быть меньше значений, приведенных в табл. 2.

Методика поверочного расчета подземных трубопроводов

Подземные трубопроводы следует проверять на прочность и деформируемость. Проверку на прочность в продольном направлении следует производить из условия:

Расчет остаточного ресурса трубопровода

Расчетный срок безопасной эксплуатации _res определяется как период времени, в течение которого, согласно проведенным расчетам, трубопровод будет удовлетворять условиям прочности и устойчивости, и в нем не возникнут недопустимые дефекты.

Расчетный ресурс безопасной эксплуатации трубопровода по условию исчерпания несущей способности:

Если регламент (инструкция) эксплуатации трубопровода ограничивает срок ₀ между последующими техническими освидетельствованиями, то возможный срок безопасной эксплуатации _р определяется как минимальное значение из _res и ₀. Решение о продлении эксплуатации по истечении срока безопасной эксплуатации принимается по результатам очередного технического диагностирования.

Если при обследовании выявлены недопустимые дефекты, или по результатам поверочного расчета трубопровод не удовлетворяет условиям прочности или устойчивости, проводится ремонт дефектной части трубопровода. Когда проведение ремонта невозможно или экономически нецелесообразно, проводится замена этой части трубопровода.

Итоговым документом, составляемым по результатам экспертного технического диагностирования, является заключение. В нем содержатся основные сведения, полученные в ходе проведения технического диагностирования. В его завершающей части приводится оценка технического состояния трубопровода на момент проведения технического диагностирования, а также заключение о возможности, условиях и сроках дальнейшей эксплуатации.

Выводы

Разработанная методика оценки технического состояния и остаточного ресурса трубопроводов водопроводной и канализационной сетей при определении сроков возможной безопасной эксплуатации позволяет учитывать все типы наиболее интенсивных воздействий, вносящих основной вклад в формирование напряженно-деформированного состояния трубопроводов, что повышает техническую обоснованность и достоверность получаемых результатов.