Общность и различие в подходах к разработке стратегии восстановления городских водопроводных и водоотводящих сетей

12 мая 2016 г.

В коммунальных системах подавляющего большинства городов Российской Федерации эксплуатируются подземные трубопроводы, построенные несколько десятилетий назад и требующие в связи с этим регулярной проверки работоспособности, периодического ремонта, восстановления и модернизации. Учитывая общее неудовлетворительное состояние трубопроводного транспорта, перед водоканалами и проектными организациями часто встают вопросы стратегического планирования реновации водопроводных и водоотводящих сетей.

Для глубокой проработки вопросов, связанных с разработкой стратегии восстановления городских трубопроводных сетей, полезно провести параллели между водопроводными и водоотводящими сетями. Стратегия восстановления городских водопроводных и водоотводящих сетей отличается совокупностью индивидуальных подходов, обусловленных спецификой прокладки сетей под землей, режимами работы и условиями эксплуатации, а также рядом общих или базовых обстоятельств, влияющих на надежность и эффективность их работы. Остановимся на этом более подробно.

Своеобразие подхода к восстановлению водопроводных сетей по сравнению с водоотводящими заключается, прежде всего, в том, что первые выполняются из более прочных материалов, способных выдерживать значительные давления, имеют существенные конструктивные отличия, соответствующие условия прокладки и эксплуатации, приобретают с течением времени характерные и несвойственные водоотводящим трубопроводам патологии. Кроме того, водопроводные трубопроводы по сравнению с безнапорными водоотводящими работают в ином гидравлическом режиме (в широком и нестабильном диапазоне расходов, скоростей, давлений воды).

В свою очередь, водоотводящие сети, как уже отмечалось, работают в основном при частичном наполнении и безнапорном режиме течения сточной жидкости. При безнапорном режиме работы водоотводящих трубопроводов утечки сточных вод через стенки и стыковые (раструбные или муфтовые) соединения происходят в меньшем объеме и появляется возможность (если это не противоречит экологическим и другим требованиям) устройства сетей из труб, к качеству которых предъявляются более низкие требования, чем к качеству напорных труб.

При гидравлическом расчете водопроводных сетей подлежат учету местные сопротивления, тогда как в инженерных расчетах водоотводящих сетей местные потери напора, образующиеся, например, вследствие различий форм и конфигураций сечений труб и открытых лотков в пределах смотровых колодцев, на практике отдельно не учитываются, а входят составной частью в соответствующие значения коэффициентов шероховатости.

При решении вопросов обеспечения гидравлической совместимости в системе «восстановленный — невосстановленный участки трубопровода» городская водопроводная сеть, как правило, рассматривается в едином комплексе, а водоотводящая — дискретно, т. е. в локальном аспекте воздействия на группу участков.

Водопроводные и водоотводящие сети транспортируют крайне несхожие по химическому и бактериологическому составу и физическим свойствам жидкости, что приводит к специфическим особенностям их эксплуатации и ремонта, а также к неравнозначным последствиям в случае аварии.

На водопроводных и водоотводящих сетях по-разно- му должны решаться и вопросы резервирования в период проектирования ремонтно-восстановительных работ. Как правило, водоотводящие сети являются тупиковыми, и авария на одном участке выводит из строя все трубопроводы, подсоединенные к этому участку. Городские водопроводные сети в большинстве своем кольцевые, поэтому авария на одном участке отражается на ситуации с водопотреблением косвенно. В разветвленной кольцевой водопроводной сети проблема отключения того или иного участка с помощью запорной трубопроводной арматуры может быть решена без особых осложнений, а при восстановлении самотечных водоотводящих сетей любое отключение участков связано с определенными трудностями: перекрытием трубопроводов заглушками и перекачкой сточных вод насосами по временным веткам в обход ремонтных участков. Последнее мероприятие сопряжено со значительными проблемами как технического, так и материального характера и применимо в основном для водоотводящих сетей диаметром до 400 мм. При больших диаметрах водоотводящих самотечных сетей таким способом отключить участки весьма сложно. В данной ситуации наиболее целесообразно устройство временных дублирующих линий, что сильно отражается на стоимости ремонтно-восстановительных работ. Другим, более сложным, но подчас единственно возможным способом резервирования водоотводящих сетей может являться устройство связок, обеспечивающих переброску сточных вод между двумя смежными бассейнами канали- зования за счет прокладки дополнительных коллекторов, пересекающих водораздел и соединяющих магистральные водоотводящие коллекторы обоих бассейнов.

Индивидуальный подход к разработке вопросов стратегии восстановления городских водопроводных и водоотводящих сетей требует руководствоваться некоторыми допущениями: городская водоотводящая сеть, выполненная из труб различного материала (керамических, чугунных, бетонных, пластмассовых и др.), может и должна рассматриваться как единое целое. Это означает, что материал труб не играет существенной роли в образовании патологий (дефектов), ведущих к аварийным ситуациям. В то же время в отношении водопроводных сетей необходимо строгое дифференцирование в подходе к патологиям. Другими словами, реновация водопроводных сетей требует отдельного рассмотрения участков трубопроводов, выполненных из стали, чугуна или асбестоцемента, так как технические, технологические, эксплуатационные и другие показатели их работы неравнозначны.

В качестве примера на рисунке 1.3 представлены характерные дефекты находящихся в эксплуатации водопроводных и водоотводящих сетей, которые позволяют определить грань существенных отличий между действующими водопроводными и водоотводящими сетями и, в конечном итоге, обозначить своеобразие подхода к их профилактической чистке, а в перспективе и к стратегии и тактике восстановления.

Так, для водопроводных сетей характерно относительно равномерное распределение большинства дефектов (коррозионные обрастания, биообрастания, свищи, трещины) по всему периметру внутренней поверхности с постепенным зарастанием живого сечения и снижением пропускной способности трубопровода, рисунок ниже.

Нагрузки и характерные дефекты водопроводных и водоотводящих трубопроводов

3

Н — давление грунтовых вод над лотком;

Ягд — горное давление (давление грунта).

Последнее объясняется, прежде всего, напорным режимом течения воды и взаимодействия ее с внутренней поверхностью трубы или внутренней защитной оболочкой, которая реагирует на изменение качественных химических и бактериологических показателей транспортируемых вод. Отсутствие свободной поверхности потока формирует относительно равномерное образование коррозионных наростов (ржавчины), карбонатных отложений и биообрастаний (например, в виде тонкого слизистого налета бактерий, простейших и даже моллюсков, в частности, на водоводах первого подъема). В донной части водопроводных сетей происходит миграция заносимых в них случайно (в период строительства, ремонта и замены трубопроводной арматуры) минеральных частиц. На интенсивность коррозии внутренних поверхностей трубопроводов оказывает влияние химический состав воды, а внешних поверхностей — наличие подземных вод и агрессивных грунтов. Наиболее скорому старению подвергаются водопроводные сети, транспортирующие высоко минерализованные воды и находящиеся под горизонтом грунтовых вод.

Водопроводные и водоотводящие сети воспринимают усилия от грунта, подземных вод, горизонт которых расположен над действующим трубопроводом, временных и постоянных статических и динамических нагрузок. Сети проявляют чувствительность в период чрезвычайных ситуаций (при взрывах, стихийных бедствиях, землетрясениях), что приводит к их деформациям, появлению трещин и переломов, прежде всего, в верхней и нижней частях трубы.

Для городских водопроводных и водоотводящих сетей характерно проявление на их внутренних стенках биологической коррозии, которая следует за электрохимической и ускоряет последнюю. Процессы биологической коррозии на внутренней поверхности водоотводящих сетей, как правило, проходят эффективнее, чем у водопроводных сетей. Последнее обстоятельство существенно влияет на выбор методов и интенсивность прочистки водоотводящих сетей. В уплотненном осадке, скапливающемся в основном на лотковой части водоотводящих трубопроводов, не исключено активное прохождение процессов анаэробной ферментизации отложений. Анаэробный процесс проходит в две стадии с образованием и выделением сероводорода (H2S) и окислением его до серной кислоты (H2S04). Реакция протекает более интенсивно при pH < 6 и повышенной температуре сточной жидкости. В результате воздействия кислоты на часть свода трубопровода, расположенного выше уровня воды, а также малой концентрации кислорода и конденсации воды происходит постепенное разрушение трубопровода.

Например, анализ характера повреждений железобетонных водоотводящих трубопроводов показывает, что в большей степени коррозии подвергаются сводная часть трубопровода, а в меньшей — стыковые соединения и лотковая часть. Изучение механизма коррозионных процессов бетона в газовоздушной среде показывает, что он обусловлен жизнедеятельностью тионовых и других бактерий, расселяющихся на внутренней поверхности трубы. Оптимальными условиями для существования ти- оновых бактерий являются высокая влажность воздуха (более 75%), наличие сероводорода или других соединений серы, температура 32-35°С, наличие биогенных веществ (углерода, азота, фосфора, калия и др.) и преимущественно кислая среда.

Наряду с тионовыми бактериями на внутренней поверхности труб развиваются и другие, но во всех случаях в разрушении железобетонных труб участвуют кислоты, выделяемые в процессе жизнедеятельности микроорганизмов (от сильных минеральных — серной и азотной до органических — уксусной, молочной, пропионовой и др.). Скорость коррозии в таких условиях может составлять 0,04-0,7 см/год.

Практически единственным способом предотвращения явлений коррозии на водопроводных и водоотводящих сетях может служить нанесение внутренних защитных покрытий, поддержание высоких скоростей потока, препятствующих выпадению осадка, а также избегание деаэрации воды в трубопроводе. Обеспечение незаиливающей или самоочищающей скорости является одним из существенных факторов предотвращения аварийных ситуаций на водоотводящих сетях.

Возвращаясь к вопросам разработки стратегии ре- монтно-восстановительных работ на городских инженерных сетях, необходимо отметить, что общими или базовыми обстоятельствами, имеющими решающее значение для повышения долговечности и надежности работы трубопроводов, являются: качество строительных работ; эффективная эксплуатация сетей, включающая регулярные профилактические чистки, техническую диагностику, своевременный текущий ремонт; культура пользования системами в жилых домах, общественных зданиях и на производственных объектах. Однако для избежания аварийных ситуаций этого недостаточно. Нельзя забывать, что трубопроводы прокладываются под землей (в грунте, проходных или непроходных каналах), а значит, могут эксплуатироваться при непосредственном контакте с агрессивными грунтами, подземными водами, способными не только размыть грунтовый свод и отрицательно воздействовать на материал труб, но и в случае загрязненности их органическими веществами, вирусами и другими патогенными организмами, привести к заражению транспортируемых питьевых вод. Подземные трубопроводы в мегаполисах также подвержены восприятию дополнительных динамических и статических нагрузок от наземных и подземных (метро) транспортных средств, от прокладываемых параллельно им в другом временном промежутке новых инженерных коммуникаций бестраншейными методами, от вскрышных работ различного назначения вблизи объекта эксплуатации, оползней, вибраций, чрезвычайных природных катаклизмов и т. д. При этом учету должны подлежать и влияния ползучести грунтовой засыпки на напряжен- но-деформированное состояние как напорных, так и безнапорных трубопроводов.

Разработка стратегии восстановления инженерных сетей является методически исключительно сложной задачей, где по этой причине допускается ряд упрощений технического характера и своеобразие методологического подхода.

Стратегия базируется на выявлении и глубоком изучении взаимовлияния значительного количества так называемых внешних факторов (показателей, характеристик), те или иные состояния которых способны оказать существенное воздействие как на работоспособность, так и на срок эффективного использования трубопровода. К данным факторам в наиболее общем виде могут быть отнесены: год укладки трубопровода, толщина его стенки, наличие комплекса патологических изменений, проявленных и зафиксированных в период инспекционной диагностики, глубина залегания, характер окружающих грунтов, наличие подземных вод, величина их давления на трубы, качественные показатели транспортируемой воды и др. Специфической особенностью большинства перечисленных факторов является принципиальная невозможность их прямого измерения, что требует применения логических критериев их взаимовлияния.

Как известно, специфика работы водопроводных сетей требует детального изучения влияния на эффективную эксплуатацию и поддержание нормативного срока службы труб таких внешних факторов, как гидравлические характеристики потока и, прежде всего, напор, качественные характеристики транспортируемой воды и ряд других. В свою очередь, для решения подобных задач при разработке стратегии реновации водоотводящих сетей подробному анализу и прогнозу развития, прежде всего, должны подлежать разнообразные патологии (дефекты, повреждения, нарушения работы), которые могут появиться в период строительства (перекладки) сетей, последующей неэффективной эксплуатации трубопроводов или чрезвычайных природных явлений. К патологиям, в частности, необходимо отнести деформацию труб, интенсивное образование и характер всех типов препятствий на пути движения сточной жидкости, наличие дефектов стыковых соединений, проявление инфильтрации, эксфильтрации и других негативных явлений.