Трубопроводы водопроводных систем выполняют функцию транспорта воды потребителям. Монтируются эти важнейшие сооружения как правило из различных видов труб, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры. Функции водопроводных сетей и водоводов могут быть на­рушены в результате различного рода повреждений. Наиболее частые отказы трубопроводов обусловлены повреждением стенок или стыков труб. В чугунных и асбестоцементных трубах при накоплении внутренних напряжений могут образоваться сколы и выпадать целые куски стенок. В стальных трубах повреждения чаще обусловлены свищами, трещинами в стенках. Полимерные трубопроводы не менее часто отказывают из-за низкого качества их изготовления и монтажа: трубы рвутся, сминаются, расклеиваются и т.д. Для ликвидации повреждения трубопровода требуется временное выключе­ние ремонтного участка из работы для устранения его неисправности. При этом на все время ремонта прекращается подачи воды по участку, т. е. полное нарушение его работоспособности. В соответствии с указаниями СНиП длины ремонтных участков водопроводных се­тей (между соседними задвижками) должны определяться исходя из того, чтобы при выключении одного из участков отключалось не более пяти пожарных гидрантов. Нарушение работоспособности участка трубопровода начинается с момента его выключения и до момента включения после окончания ремонта и операций, связанных с промывкой и дезинфекцией труб. Дать четкую классификацию причин отказа трубопроводов по "внутренним" и "внешним" признакам, характерным для вида труб, запорной арматуры, не представляется возможным из-за отсутствия достаточной статистической информации и условности  деления повреждений по их разновидностям [1 ] Практика эксплуатации трубопроводных систем показывает, что многие из «внутренних» отказов (повреждений) элементов водопроводных сооружений являются в значительной степени результатом внешних воздействий (среды, давления, ударов, сотрясен и др.). Так, повреждения трубопроводов часто обусловлены причинами действия блуждающих токов, агрессивностью среды, динамическими и статическими нагрузками от городского транспорта, просадкой грунта и т. п. 

       Разнообразны и "внутренние"причины, вызывающие отказы трубопроводов. Неисправности могут возникать вследствие использования дефектных изделий, не- качественного выполнения строительно-монтажных работ, их приемки и испытания, неудовлетворительного режима эксплуатации. Своевременная регистрация всех происходящих в процессе эксплуатации повреждений элементов водопроводных сетей и во­доводов и сбор всех необходимых сведений об обнаруженных по­вреждениях представляют собой единственный возможный источник информации для получения обоснованных численных показателей надежности этих элементов.

       Принимая во внимание перечисленные выше методы оценки надежности объектов (см. главу 3), условия строительства и эксплуатации трубопроводных систем водоснабжения можно допустить, что за элемент трубопровода целесообразно принимать его ремонтный участок (см. рис. 6.4), ограниченный по концам запорной арматурой, которые позволяют его отключать на период ремонта и ликвидации повреждений [ 1] .

Подпись __________________

Рис. 6.4. Ведомость данных по ремонтному участку трубопровода

        На сегодня на­дежность труб и трубопроводных систем не нормируется. В рекламной, технической и даже научной литературе это свойство трактуется произвольно. Например, в публикациях по иссле­дованию надежности трубопровод­ных систем водоотведения, водо - , газо - и теплоснабжения трубы и трубопроводы оцениваются безот­казностью, а в рекламе изготовителей труб - долговечно­стью [15,18] . Поскольку на практике пока­затели надежности труб и деталей трубопроводов не используются при проектировании трубопровод­ных систем, на отмеченные разли­чия не обращают внимание. Хотя нарушается не терминология, а смысловое понятие.

В научной литературе [14, 18 ] в качестве показателя надежности трубы или трубопрово­да используют l , 1/(км-год), - ин­тенсивность отказов трубопровода единичной длины (частота отказов в год каждого километра). Когда пе­реходят к оценке надежности тру­бопровода длиной L, то интенсив­ность его отказов рассчитывают по формуле:

L = l L,                 (6.4)

Чем больше длина L, тем больше L - интенсивность отказов трубо­провода. При этом допускается, что отказы трубопровода носят чисто случайный характер и распределя­ются по показательному закону; по­ток отказов трубопровода обладает свойствами простейшего потока (ста­ционарность, ординарность, отсутст­вие последействия), и для его опи­сания используется аппарат мар­ковских случайных процессов.

На первый взгляд удобно (или просто) моделировать процесс отка­зов трубопровода марковским (без последействия, показательное распре­деление времени работы элемента и его ремонта ). Но тогда мы допускаем, что вероятность отказа элемента (трубопровода) в будущем зависит только от его состояния в настоящий момент t_о и не зависит от того, сколько времени он прорабо­тал ранее на интервале (0  - t_о)  [3]. Если же до­пустить, что надежность трубопровода зависит от условия, насколько давно он эксплуатируется, т. е. зависит от предистории, то и процесс отказов и восстановления трубопровода не будет марковским. Далее последует, что физика отказов трубопровода носит не чисто внезапный, а износовый характер, процесс его восста­новления детерминирован (фактор участия людей), и применение сис­темы дифференциальных уравнений для описания потоков отказов и восстановления сети в соответствии с моделью «гибели и размножения» не корректно (так как элементы мо­гут находиться не только в состоя­нии работы или отказа, но и на про­филактике).

Возможно, эти доводы несколь­ко абстрактны, но они подтверждаются определениями, понятиями и данными, приведенными в государственных стандартах [5; 8] и нормах амортизационных отчис­лений (см. табл. 6.2) [15]. Согласно норма­тивным требованиям по выбору показателей надежности объектов в технике [16], основным показателем надежности трубопровода является Т_сл ~ средний срок службы (показа­тель долговечности).

Таблица 6.2.

Нормируемые сроки долговечности трубопроводов

       При анализе данных, приведен­ных в нормах [15], можно убедиться (выполнив пересчет норм аморти­зационных отчислений материаль­ных ресурсов), что средние сроки службы трубопроводов (как сово­купность труб, стыков, фасонных деталей и т. д., соединенных после­довательно) изначально планировались вне зависимости от их протяженности. Приведенные доводы подтверждаются и статистическими данными  о наработках на отказ трубо­проводных участков систем водо­снабжения (см. табл. 6.3)

 Таблица 6.3.

Данные о неисправностях трубопроводов

 В табл. 6.3 приведены отчетные данные МГП «Мосводо­канал» о повреждениях трубопро­водов в различных районах г. Моск­вы (диаметр трубы 150 мм, матери­ал - сталь, количество повреждений n на участке длиной L). Из табл.6.3 видно, что количество неисправностей, возникавших на трубо­проводах, в большей мере зависело от места нахождения участка сети, его условий работы, а не протяжен­ности. На отдельных, более протяженных участ­ках сети, возникало меньше аварий, чем на коротких участках. 

Из теории надежности известно, что для объекта, подобного водо­проводному или канализационному трубопроводу, модель «надежности» разрабатывается с учетом тео­ремы [11, 21]: если система из n элементов начала функционировать в бесконечно уда­ленный момент времени в прошлом (элементы системы не обязательно идентичны, но взаимно независимы; отказ каждого элемента приводит к отказу всей системы; в случае от­каза каждый из элементов заменя­ется исправным; процесс обнару­жения и поиска неисправностей и их последующего устранения прак­тически не занимает времени), то количество отказов в интервале вре­мени [0, t] зависит лишь от t, а сум­марный параметр интенсивности отказов L _n остается постоянным при возрастании числа элементов n.

Исследуя только свойства, кото­рые присущи трубопроводной сис­теме, вполне логично допускать, что предельное состояние ее элементов наступает по причинам износа (ста­рения материала, коррозии) или механического повреждения при ста­тическом или динамическом воздействии грунта (сви­детельство тому - статистические данные о повреждениях трубопро­водов [    11; 12; 18, 22]).

Доказано [10; 11] , что у элемен­тов с отказами износового характера значения средней наработки на от­каз и среднего срока службы совпа­дают, т. е. Т_о º Т_сл. Период старения элемента объективно зависит от его качества, а время воз­никновения повреждения элемента при случайном механическом воз­действии (при нарушении правил строительства, стихийных бедстви­ях, взрывах, диверсиях и т. д.) или накопившихся напряжениях в дефектном узле не­предсказуемо. Частота непредсказу­емых ситуаций зависит от длины трубопровода, но подобные ситуа­ции необходимо рассматривать от­дельно. Статистическая информация о надежности изделий (в частности, трубопроводных элементов) должна быть однородной. Не различать со­бытия отключения элемента из ра­боты по их причинам - то же самое, что отвергать основы теории на­дежности и математической стати­стики. Выявленные при исследова­нии закономерности должны быть объективны. Если оценки надежно­сти трубопроводов условны и не согласуются с существующими тре­бованиями теории надежности [4; 5; 7, 16], то границы их допустимости необходимо оговаривать. Кроме того, «оценивать степень на­дежности водопроводной сети исхо­дя лишь из сопоставления количест­ва повреждений на тех или иных трубопроводах было бы неправильно" [18]. Многочисленная статистика повре­ждений на сетях Московского водо­провода выявляет следующую зако­номерность - из общего числа пов­реждений аварии, в результате кото­рых была прервана подача воды по­требителям, в среднем составляет 12 %».

При этом необходимо учитывать не только причины, но и время устранения неисправности трубопровода. Строительными нормы и правилами [19 ] расчетное время ликвидации аварии на трубопроводе 1 категории нормируется в пределах , которые приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4.

Нормируемое время восстановления трубопроводов

      Приведенные рекомендации могут рассматриваться лишь как временные и ориентировочные, поскольку они не отражают целого ряда факторов, существенно влияющих на длительность восстановления поврежденного участка трубопровода[ 1] .

 Пример. Стальной водовод име­ет интенсивность отказов l= 0,5 ÷0,93 1/(км-год), как это и принима­ется часто [14, 18]. По формуле

Т_о = 1 / l L

рассчитаем значения средней нара­ботки на отказ Т_о водовода при раз­личной его протяженности: при L = 5 км Т_о = 0,4÷0,2 года; при L = 5 м Т_о = 400 ÷ 215 лет; при L = 1м Т_о = 2000÷1075 лет и т. д.

Очевидно, значение средней на­работки на отказ трубопровода дли­ной 5 и 1 м не может в сотни и де­сятки раз превышать -50 лет). Срок службы любой трубы участка сис­темы водоснабжения (водоотведе­ния) оценивается допустимыми пределами ее долговечности:

Т_сл £ T _о + t_a s /    ,

      где Т_сл - нормируемый срок службы; t_a - квантиль распределения Стьюдента; s - среднее квадратичное отклонение наработки на отказ; N - объем выборки наблюдений; (N-1) - число степеней свободы.

Приведенный пример с про­извольным подходом к решению задачи по оценке надежности трубопроводов подтверждает вывод о том, что пренебрежение основами теории надежности при разработке методов оптимизации систем водо­снабжения и водоотведения дискре­дитирует выбранное направление. Поскольку основным показателем надежности трубопровода является долговеч­ность, которая оценивается Т_сл, ин­тервалы функционирования D t_i  его элемента (трубы) при выполнении задан­ных функций , можно фиксировать только по периодам работы ремонтного участка трубопровода (с мо­мента укладки до момента замены) . Неисправность запорной арматуры или колодца не обуславливают отказ ремонтного участка или трубопровода, поскольку для их замены или восстановления не требуется времени более допустимого t t £ t _доп. По условиям СНиП 2.04.02-84 допускается снижение подачи воды на время Tдоп £ 3 суток.

        За отказ трубопровода (ремонтного участка) следует при­нимать событие, связанное с отклю­чением его из работы для замены труб, а не произвольное (любое) от­ключение трубопровода из работы - отключение на время t < 10 мин ÷3 сут для устранения неисправно­стей (при профилактике запорно-регулирующей арматуры, пожарных гидрантов, колодцев, при выполне­нии врезок и т.д.) . Смысл данного определения за­ключается в том, что при оценке на­дежности трубопровода необходимо оценивать качество конструкции, ма­териалов, из которых он изготовлен, и изменение их свойств во вре­мени при заданных условиях функ­ционирования и эксплуатации сис­темы водоснабжения. Воздействие человека на трубопровод не может быть объективным событием (по­вреждения трубопровода при зем­ляных работах, военных событиях и т. д.). Потоки подобных воздействий в теории надежности принято рас­сматривать как потоки детермини­рованных событий, не подчиняю­щихся законам распределения слу­чайных величин. Детерминирован­ные потоки связаны с психологиче­скими и социальными факторами, а потому требуют особых методов ис­следования.

       Необходимо отметить также, что точности сбора и обработки стати­стической информации по надежно­сти трубопроводов не уделяется должного внимания. На практике «службы» эксплуатации трубопро­водов вели и ведут учет поврежде­ний водопроводной (канализацион­ной) сети по обезличенной сово­купности трубопроводов системы на закрепленной за ведомством тер­ритории, а не по участкам, различа­ющимся по видам труб, условиям воздействия статических и динами­ческих сил, блуждающих токов, грунтовых вод и т. д. В каждой ор­ганизации понятия «надежность» и «отказ» трубопровода трактуются по-своему. Хранение и распростра­нение информации о надежности трубопроводов до недавнего време­ни не стимулировались существо­вавшей системой оплаты труда. На­оборот, эта информация искажалась и скрывалась от анализа специали­стов и контролирующих организа­ций. Возможно, что в других стра­нах отчетная документация по экс­плуатации трубопроводных систем находится в аналогичном состоя­нии. Тем не менее специалисты за­рубежных стран констатируют [22], что правильно смонтированный и эксплуатируемый трубопровод из любого материала может служить 100-200 лет и больше. Например, из правил Германской ассоциации газо- и водопроводов, а также Ассоциа­ции санитарной инженерии исклю­чены различия по материалам труб. Трубопровод из любого вида труб должен служить назначенный срок. Другое дело, условия защиты тру­бопроводов при этом будут различ­ными. И их необходимо оценивать.

       Таким образом можно сказать:

       1) надежность трубопровода целесообразно оценива­ется долговечностью;

       2) показателем долговечности трубопровода явля­ется средний срок службы или сред­няя наработка на отказ Т_сл º Т_о;

       3) при анализе статистических данных необходимо установить объективные причины отказов трубопро­водов: износ под воздействием окружаю­щей среды, электрокоррозии, снижение несущей способности и т. д.

 6.4.Оценка надежности технологических систем насосных станций

Технологическая система насосной станции (ТСН) объединяет: насосные агрегаты, трубопроводы, запорно-регулирующую арматуру и т.д. 

ТСН непрерывно функционирующая относится к восстанавливаемым системам. 

 Специалисты в области водоснабжения и водоотведения отвечают за технологическую часть насосной станции.

Оценка надежности технологической системы насосной станции (ТСН) оценивается по надежности ее элементов – насосных установок (см. рис. 6.5)

Рис.  6.5 Насосная установка

Насосная установка – насосный агрегат с комплектующим оборудованием (насос, двигатель, запорно-регулирующая арматура, обвязанные трубопроводами) смонтированным по определенной схеме, обеспечивающей работу насоса.

При неисправности любого из комплектующего оборудования отключается (останавливается) на ремонт вся насосная установка.           Оценки показателей надежности насосных установок Т_о, Т_в º t можно получить по выборкам статистических данных об отказах и о времени восстановлении последних. Следует иметь ввиду, что согласно ГОСТа 27.002 [4 ] :

1/Т_в = m - интенсивность восстановления;

 1/Т_{о =} w - параметр потока отказов

 Доверительный интервал для каждого показателя надежности насосной установки принимается в зависимости от закона распределения наработки на отказ (закона распределения времени восстановления) насосной установи, объема наблюдений    n   и стандартного отклонения s º ² с уровнем значимости g_t   = 0,1.    При обработке статистического материала необходимо соблюдать условие о том, что объем отобранной выборки однороден и соответствует генеральной совокупности. 

Пример оценки надежности ТСН основывается на базе статистических данных, полученных по данным эксплуатации крупных и средних городов России и СССР.

6.4.1. Проверка однородности данных о наработке на отказ насосных установок

Необходимость этой проверки обуславливается тем, что су­ществующие алгоритмы обработки статистических данных [10, 20,40,49 ]основываются на допущении, что наработки на отказ (между отказами) для всех объектов в выбранной партии распре­делены одинаково, т.е. причины их отказов одни и те же. Поэтому только для однородных данных о надежности насосных установок можно считать, что разброс наработок на отказ  носит случайный характер и не является следствием различия в условиях функционирования или искажения статистической информации. Так нулевая гипотеза Н_о о неизменности условий эксплуатации и регулярности ведения записей об отказах насосных установок на насосной станции выполнялась путей сравнения данных, собранных до подконтрольной эксплуатации и при ней, по методике, которая применяется в работах [13, 24].     При проверке упомянутой гипотезы использовался критерий , связанный с критерием К.Пирсона c². На последующем этапе обработки статистических данных выполнялась проверка однородности выборки о наработках между отказами насосных установок каждой насосной станции. Проверки выполнялись по критериям Бартлетта   М  и  Фишера    F [ 3.13]. Нулевая гипотеза Н_о принималась, если при проверке равенства дисперсий подгрупп каждой выборки выполнялось условие

где

k - суммарное число степеней свободы;

- число данных в j -й подгруппе;

 - число подгрупп;

             дисперсия в j –й подгруппе;

 – среднее время наработки на отказ насосной установки по j –й подгруппе; ,

а при проверке равенства средних - условие:

           где   - дисперсия, характеризующая рассеивание средних ;

           - среднее время наработки на отказ насосной установки по выборке ;

            - оценка дисперсий средневзвешенная дисперсия).

Если в выборке данных о наработках между отказами /нара­боток на отказ/ насосных установок

объем каждой подгруппы данных но превышл , то проверка однородности выполнялась по критерию

,                   

           где      - наибольшее отклонение средней подгруппы от общей средней ;

                          n                        - объем выборки ;

                          n_j                   - объем j -й подгруппы ;

S- среднее квадратическое отклонение данных в выборке ,

который имеет распределение Стьюдента с К= n -2 степенями свободы [13]. Следует заметить, что выбранные данные о наработках между отказами насосных установок обладают и свойством представительности (репрезентативности), т.к. случайность отбора каждой выборки обеспечивалась. Ниже в таблице 6.5 приведен пример проверки этой гипотезы.

Таблица 6.5.

Точечные оценки времени наработки на отказ насосных установок

Город	Насосная станция	Точечные оценки времени наработки на отказ насосных установок
				S
1	1	3012	3012	1329
	2	3224	3224	1870
	3	3062	3062	1490
	4	3098	3098	792
2	1	3408	3408	1327
	2		2875	1131
3	1	2797	2784	1544
		2770
	2	2525	2616	1084
		2627
	3	2427	2353	623
		2355
	4	3492	3010	898
		3931
		2847

       Проверка однородности:

       Гипотеза Н_о не отвергается.

Из таблицы 6.5 видно, что параметры надежности ис­следованных насосных установок незначительно отличаются от генеральной средней , и могут использоваться при оценке средней наработки на отказ типовой на­сосной установки. Очевидно, такой вывод справедлив потому, что отечественной промышленностью выпускаются насосы, электродвигатели, запорная арматура, обратные клапаны с однозначными параметрами надежности для каждого типа оборудования [ 10, 11, 14, 15, 18]. Отклонения полученных оценок надежности насосных установок    от генеральной средней Т_о можно объяснить различиями в организации ремонтных работ и ква­лификации обслуживающего персонала на насосных станциях.