Главная > Статьи > Теория надежности в расчетах водопроводной сети

Теория надежности в расчетах водопроводной сети

Евгений Гальперин,
кандидат технических наук, в прошлом – профессор кафедры водоснабжения и водоотведения Самарского архитектурно-строительного университета

Александр Стрелков,
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Водоснабжения и водоотведения» Самарского государственного технического университета

 


Надежность является важнейшим показателем уровня качества работы водопроводной сети. Это сознавали авторы первых редакций СНиПа по водоснабжению. В результате в этих документах появились требования в целях обеспечения надежности водоподачи сооружать для значимых объектов водоснабжения кольцевые водопроводные сети, лимитировать время их ремонта и др. В настоящее время в связи с появлением аппарата теории надежности выявилась недостаточность этих требований. Они не учитывают фактические условия работы водопроводной сети и не обеспечивают необходимый уровень ее надежности.


 

Теория надежности – наука, изучающая закономерности распределения отказов технических устройств и конструкций, причины и модели их возникновения. Изучает методы обеспечения стабильности работы объектов (конструкций, изделий, устройств, систем и т. п.) в процессе проектирования, производства, приемки, транспортировки, эксплуатации и хранения. Устанавливает и изучает количественные показатели надежности. Исследует связь между показателями эффективности и надежности.

В середине прошлого века общество столкнулось с проблемами в области надежности техники. В первую очередь – военной. Для разрешения возникших трудностей интуиции, здравого смысла и имеющегося на тот момент опыта оказалось недостаточно. В ответ на эти потребности общества была создана теория надежности.

Специалистами по расчету водопроводной сети была предпринята попытка применить аппарат теории надежности для повышения надежности водопроводной сети. С использованием накопленной статистики отказов были проведены исследования по определению параметра потока отказов (аварии) и восстановлению (ремонта) металлических трубопроводов.

В работе [1] приведены результаты обработки материала по эксплуатации водопроводов г. Москвы и еще четырех крупных городов СССР (Киев, Харьков, Запорожье, Ленинград). За основу были взяты технические отчеты московского водопровода, как содержащие наиболее полный материал по повреждению трубопроводов за последние 50 лет эксплуатации. Согласно результатам исследований [1] параметр потока отказов колеблется в пределах от 1,0 до 0,5 на 1 км в течение года (λ = 1 ÷ 0,5, 1/(км×год)). Близкие результаты получены другими исследователями.

Относительно времени ремонта имеется значительно меньше исследований, и их результаты сильно отличаются в зависимости от конкретных условий производства. На основе московского опыта рекомендуется пользоваться средним расчетным временем восстановления 26±2 часа. К сожалению, дальнейшее полезное использование элементов теории надежности в вопросе усовершенствования проектирования и расчета водопроводной сети остановилось. Этому обстоятельству способствовал ряд причин.

Противоречие требований и реалий
Первая из причин заключалась в том, что результаты проведенных исследований не были проанализированы и из них не извлекли полезных выводов. Если λ ≈ 1, 1/(км×год), то даже в небольшой сети, имеющей, например, 200 км труб, в течение года произойдет
200 аварий. Если предположить, что время ликвидации последствии одной неисправности равно одним суткам, то рассчитывать на исправное состоянии сети все время в течение года нереально. В то же время действующие нормы [2] при расчете водопроводных сетей рекомендуют принимать их в исправном состоянии. Налицо противоречие между нормативными требованиями и реалиями жизни.

Как разрешается это противоречие? Опыт научил проектировщиков, что если устанавливать диаметры труб в соответствии с существующими методиками и технико-экономическими расчетами, водопроводная сеть будет ненадежна. Потребителю в таком виде она не нужна, и он вскоре потребует ее реконструкции. Поэтому проектировщики сразу повышают надежность сети, увеличивая ее диаметры против расчетных, создавая тем самым резерв пропускной способности. Характерным примером такой практики может служить решение по обеспечению надежности водоснабжения заводской площадки ВАЗа в Тольятти: соорудить вокруг нее кольцо из двух параллельно проложенных водоводов d = 1000 мм каждый. Следует отметить, что в ходе эксплуатации этих водоводов из-за низких скоростей движения воды в них возникла проблема с застоем воды.

Тот факт, что в реальных условиях водопроводная сеть исправной практически не бывает, и скорости движения в трубах значительно меньше рекомендуемых методиками технико-экономического расчета, на основе фактических данных был высказан сравнительно давно [3; 4].
Рассмотрим график на рис. 1. Дни, в которые была отключена труба, на нем выделены черным цветом. В том случае, если время отключения составляло менее суток, при построении графика оно было принято равным одним суткам. За 2014 г. в этой части сети было произведено 82 отключения. В графике на рис. 1 соответственно 82 строчки. В неисправном состоянии рассматриваемая сеть находилась 139 дней, то есть 38% годового периода.

Статистические данные об условиях функционирования водопроводной сети убедительно свидетельствуют, что водопроводная сеть при существующих параметрах потока отказа и восстановления находиться постоянно в исправном состоянии практически не может.

В результате создания резерва пропускной способности трубопроводов за счет увеличения их диаметров, скорость движения воды в реальных водопроводных сетях существенно уменьшается по сравнению с экономической. Согласно [5] «гидравлические расчеты, выполненные на ЭВМ с использованием математической модели для водопроводной сети ряда микрорайонов Москвы, показали наличие низких скоростей движения воды по трубопроводам в течение суток – в основном от 0,01 до 0,2 и реже 0,3 м/с. Расчеты совпали с данными натурных измерений скоростей. Для магистральной водопроводной сети города также отмечено увеличение количества трубопроводов, работающих со скоростью 0,2–0,5 м/с».

В свое время был выполнен гидравлический расчет водопроводной сети г. Зеленограда (Московская область) для периода максимального часового водопотребления по существующему положению и при назначении диаметров труб на основании технико-экономических расчетов при той же структуре сети и величине узловых отборов. Результаты расчета представлены на рис. 2.

В нем по оси ординат показан процент суммарной длины труб определенного диаметра, а по оси абсцисс интервалы скоростей, с которыми вода движется в этих трубах. Выше линии ординаты указано существующее в то время положение (В-1), ниже линии ординат – результаты расчета при назначении диаметров на основе технико-экономических расчетов (В-2). В В-1 отключение участка водопроводной сети практически не приводит к снижению. Аналогичные действия в В-2 приводили к понижению свободного напора в сети по сравнению с требуемой величиной.

На территории Зеленограда находилось 10 водоснабжающих узлов, имеющих насосные станции II-го подъема с резервуарами. Установка на них оперативных резервных насосов позволила бы компенсировать понижение свободного напора при отключении участков в варианте В-2. Сравнение вариантов В-1 и В-2 показало, что В-2 по приведенным затратам экономичнее и требует в 1,82 раза меньше металла (в то время трубы из пластика только начали появляться).

Показатели надежности
Вторым обстоятельством, затрудняющим полезное использование аппарата теории надежности в соответствующих расчетах водопроводной сети, является отсутствие у многих специалистов по ее расчету ясности в вопросе, что такое надежность водопроводной сети.

В соответствии с ГОСТом [6] надежность определяется как «свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования». Из определения следует, что для водопроводной сети показатель надежности должен выражаться временем обеспечения водой потребителя в нормальном режиме или сниженным, по сравнению с нормальным, в допустимых по нормативам пределах. При нормальном режиме у потребителя обеспечивается требуемый свободный напор и расчетный расход, тогда как при сниженном свободный напор в сети должен быть не менее 10 м, а снижение расчетного расхода допускается не более чем на 30%.

Надежность является комплексным показателем, который формируется единичными показателями ее свойств: безотказностью, ремонтопригодностью, долговечностью, сохраняемостью. Каждое свойство характеризуется рядом показателей. Комплексный показатель надежности определяется несколькими ее свойствами одновременно.

Например, такой показатель надежности как коэффициент технического использования определяется «отношением математического ожидания суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии за некоторый период эксплуатации к математическому ожиданию суммарного времени пребывания объекта в работоспособном состоянии и простоев, обусловленных техническим обслуживанием и ремонтом за тот же период» [6]. Очевидно, в процессе определения коэффициента технического использования участвуют такие единичные свойства надежности как безотказность и ремонтопригодность. Если отвлечься от строгой математической формулировки, то коэффициент технического использования водопроводной сети представляется отношением, в знаменателе которого – некий интервал времени, а в числителе – часть этого интервала, в период которого она полностью обеспечивала потребителей водой под требуемым напором и расчетным расходом. Теперь посмотрим, как в технической литературе трактуется надежность водопроводной сети.
В [7] утверждается, что «к основным показателям надежности участка трубопроводов относятся:

  • w(t) – интенсивность отказов, 1/(км×год);
  • tв – среднее время восстановления (ликвидации аварии), ч;
  • Т0 – среднее время работы элемента (участка трубопровода) между отказами (наработка на отказ), год;
  • Р(t) – вероятность безотказной работы участка трубопровода в интервале времени t;
  • Q(t) = 1 – Р(t) – вероятность возникновения отказа участка трубопровода в интервале времени t».

Все перечисленные здесь «основные показатели надежности» являются единичными показателями, а трубопровод – ремонтируемым изделием, надежность которого должна определяться комплексным показателем, сочетающим свойства безотказности и ремонтопригодности. С помощью перечисленных показателей нельзя определить, сколько времени трубопровод будет выполнять свою функцию на определенном интервале времени, то есть установить его надежность. Очевидно, изложенное в учебнике не дает представления, что такое надежность трубопровода и как использовать так называемые основные показатели для того, что бы ее определить.

Нормативные ошибки
Посмотрим, как вопросы надежности водопроводной сети отражены в нормативном документе [1]. Пункт 11.6 гласит: «При выключении одного участка (между расчетными узлами) суммарная подача воды на хозяйственно-питьевые нужды по остальным линиям должна быть не менее 70% расчетного расхода, а подача воды к наиболее неблагоприятно расположенным местам водоотбора – не менее 25% расчетного расхода воды, при этом свободный напор должен быть не менее 10 м».

Продемонстрируем, как это выглядит на примере водопроводной сети, изображенной на рис. 3. Предположим, что условия водоснабжения в узле 1 определяют надежность сети. При неисправности участка 10 он отключается, и в узле 1 возникает нехватка требуемого напора. Все или часть потребителей в нем оказываются без воды. Проходит некоторое время, участок 10 восстановлен, водоснабжение узла 1 нормальное. Через некоторый промежуток времени отказал участок 7, и вновь в узле 1 – нехватка требуемого напора и связанные с этим проблемы.

При отключении участка 10 длиной L10 км в течение года возникнет λ × L10 отказов в сети и, соответственно, столько же перерывов в нормальной подаче воды в узел 1. В течение года в узле 1 произойдет λ × ∑Li перерывов в подаче воды, где i – номер участка, выключение которого из работы приводит к понижению напора в узле 1 ниже требуемой величины или к прекращению подачи воды всем или части потребителей в узле 1. Если предположить, что в среднем время ремонта трубопровода будет составлять t суток, то в узле 1 потребитель будет испытывать недостаток воды в течение года

t × λ × ∑Li суток.

 

Нельзя исключить вероятность того, что отключение любого участка сети и водоводов от водопитателей приведет к снижению свободного напора в узле 1 ниже требуемой величины. Надежность водопроводной сети, изображенной на рис. 3, будет определяться как отношение (365 – t × λ × ∑Li)/365.

Представляет интерес установление численного значения надежности водопроводной сети, изображенной на рис. 3. Если принять среднюю длину участка сети 800 м, суммарную длину трубопроводов водопроводной сети на рис. 1 (вместе с водоводами) можно полагать 15 км. Согласно [7] на российских водопроводах параметр потока отказов

λ = 0,5 ÷ 2, 1/(км×год).

В г. Самаре λ ≈ 1, 1/(км×год), время ремонта трубопровода составляет в среднем двое суток. Следует иметь в виду, что Самара – город миллионщик, водопроводно-канализационное хозяйство которого эксплуатирует опытный многотысячный коллектив. В более мелких населенных пунктах уровень эксплуатации ниже. Будем полагать t = 2,25, λ = 1,25, тогда (365 – t × λ × ∑Li)/365 ≈ 0,88 годового периода. При этом в узле 1 потребитель может более 42 суток в течение года не получать воду. То есть в среднем – более трех суток в месяц или почти еженедельно.

В 2008 г. Министерство регионального развития РФ издало приказ № 48, подписанный тогдашним министром Дмитрием Козаком [8]. В Приложении № 1 «Показатели и индикаторы для проведения мониторинга выполнения производственных и инвестиционных программ в сфере водоснабжения» указан показатель, который определяется как «отношение количества часов представления услуг к количеству дней в отчетном периоде» [8, пп. 1.2.3 и 2.1.3]. Недостаток этого показателя в том, что его числитель и знаменатель даны в разных единицах времени. Если принять для них одинаковые единицы времени, то получится такой показатель надежности как коэффициент технического использования.

Приказ № 48 зарегистрирован в Минюсте РФ 27.06.2008, он опубликован 11.08.2008 в [9]. Этот приказ и его приложения являются результатом работы большого коллектива специалистов, и рекомендуемый в нем комплекс показателей охватывает достаточно полно область водоснабжения, но ни Минрегион, ни его приемник Минстрой не проявили настойчивости и воли во внедрении его в жизнь. Вместо этого появился приказ № 162 Министерства строительства и ЖКХ РФ, в котором «показателем надежности и бесперебойности водоснабжения является количество перерывов в подаче воды… в расчете на протяженность водопроводной сети в год (ед./км)» [10, п. 5].

Во-первых, хотелось бы отметить, что плодить множество документов, в которых одно указание противоречит другому – признак плохого управления. Во-вторых, показатель, предложенный Минстроем, является негодным. Для того, что бы это доказать, рассмотрим две системы водоснабжения, в которых этот показатель одинаковый. В первой системе большинство аварий вызывает перерыв в подаче воды у одних и тех же потребителей, во второй системе – у разных. Очевидно, надежность первой системы ниже, чем второй, хотя предложенный показатель одинаков. Кстати, в приказе № 48 Минрегиона присутствует такой же показатель, только он определяет не надежность, а аварийность. Вообще, при наличии развитой теории надежности, придумывать что-то доморощенное, «свое» – признак невысокой квалификации.

Выводы
1. Отсутствие в нормативных документах показателя надежности водопроводной сети приводит к неэффективному использованию средств. По России в целом эти потери составляют ежегодно миллиарды рублей и десятки тысяч тонн зарытых в землю малоэффективных трубопроводов.
2. Следует порекомендовать Минстрою РФ внимательнее отнестись к подбору кадров, занимающихся разработкой нормативно-технической документации, не путающих понятия «надежность» с «аварийностью».
3. Необходимо безотлагательно включить показатель надежности в нормативную базу проектирования объектов систем водоснабжения.
4. Требуется повысить уровень подготовки инженеров в способах обеспечения надежности водопроводной сети. Достигать этого следует не только резервированием пропускной способности трубопроводов (что ныне имеет место), но и использованием более эффективных методов: созданием оперативного резерва насосного оборудования на насосных станциях, временным резервированием и т.д.

Литература
1. Макогонов В.С. Исследование надежности водопроводных сетей. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Москва, МИСИ, 1972.
2. СП 31.13330.2012. Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.02-84. Опубликовано: http://docs.cntd.ru/document/1200093820.
3. Гальперин Е.М. Надежность функционирования кольцевой водопроводной сети. Водоснабжение и санитарная техника, 1987, № 4.
4. Гальперин Е.М. Методика расчета кольцевых СПРВ и соответствующие разделы СНиП 2.04.02-84 не отражают реальность и требования жизни. Водоснабжение и санитарная техника, 1996, № 8.
5. Храменков С.В. Принципы обеспечения надежности водопроводной сети в условиях сокращения водопотребления. Водоснабжение и санитарная техника, 2003, № 8, ч. 2.
6. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Опубликовано: http://docs.cntd.ru/document/gost-27-002-89.
7. Сомов М.А., Журба М.Г. Водоснабжение. Т. 1. Системы забора, подачи и распределения воды: учебник для вузов. Москва, АСВ, 2010.
8. Об утверждении Методики проведения мониторинга выполнения производственных и инвестиционных программ коммунального комплекса. Приказ Министерства регионального развития РФ от 14 апреля 2008 г. № 48. Опубликовано: http://docs.cntd.ru/document/902108094.
9. Бюллетень нормативных актов федеральных органов исполнительной власти № 32.
10. Об утверждении перечня показателей надежности, качества, энергетической эффективности объектов централизованных систем горячего водоснабжения, холодного водоснабжения и (или) водоотведения, порядка и правил определения плановых значений и фактических значений таких показателей. Приказ Министерства строительства и ЖКХ РФ от 4 апреля 2014 г. № 162. Опубликовано: http://docs.cntd.ru/document/499089815.