Риски в производственной деятельности предприятий водопроводно-канализационного хозяйства

Предприятия водопроводно-канализационного хозяйства (ВКХ) относятся к объектам с высокой степенью риска по отношению к окружающей природной среде [1]. Степень риска этих предприятий определяет ответственность за жизнеобеспечение населенных пунктов и обусловлена наличием объектов с повышенной экологической опасностью.

Критериями оценки степени риска ВКХ и, соответственно, контроля являются:

• -    техническое состояние систем;

• -    техническое обслуживание и ремонт объектов;

• -    потенциальная техногенная и экологическая безопасность объектов повышенной опасности;

• -    состояние экологической ситуации и др.[2].

В соответствии с [2] в системе водоотведения к потенциальноопасным или объектам с повышенной опасностью относятся:

канализационные сети, коллекторы, насосные станции и очистные сооружения, связанные единым технологическим процессом.

Данные объекты по источнику опасности относятся к аварийным (класс техногенных аварий и катастроф) [3].

Аварийная ситуация характеризуется двумя понятиями -величиной риска и риском последствий. Величина риска аварии (r) показывает, во сколько раз фактический риск аварии выше проектного значения риска, вносимого в объект при проектировании и является интегральным показателем технического состояния объекта [4]:

r =Р Ф /Р т =1/ν ;                           (1)

где Р_Ф и Р _т – фактическая и теоретическая вероятности аварии; ν –уровень конструкционной надежности элемента (объекта).

Таким образом, величина риска аварии обратно пропорциональна надежности объекта, которая в свою очередь зависит от многообразия проектных, строительных и эксплуатационных факторов.

Надежность сооружения формируется с момента проектирования до момента завершения эксплуатации.

Процесс эксплуатации объекта можно представить в виде последовательных временных интервалов (рис.1), где функционирование объекта в полном объеме сменяется временными перерывами в выполнении своих функций.

Рисунок 1 - Процесс эксплуатации объекта

За весь рассматриваемый период эксплуатации t с часть времени

n

X tp i=1

объект полностью выполняет свои функции, а часть времени n —1

52 t*H = t= —

Hcp

=1

функционирование объекта в полном объеме не происходит. Из определения надежности можно получить формулу для комплексной количественной оценки надежности объекта:

n tⁱ

К г = f l p                              (2)

t c

К г называется коэффициентом готовности объекта, который показывает долю времени выполнения объектом своих функций в полном объеме за весь расчетный период эксплуатации [5].

Риск последствий, так называемую «тяжесть последствий» можно свести к производственному и экологическому ущербам в виде суммарного риска, выраженного в денежной форме:

R = Р·(Т 1 +Т 2 ) ;                            (3)

где Р - вероятность аварии, Т₁ – затраты на восстановление, Т₂ - экологический ущерб от аварии.

Последствия аварий могут быть масштабными – протяженными во времени и распространенными по площади.

Для оценки аварийных ситуаций и принятия соответствующих управленческих решений необходимо опираться на надежную информационную базу, что позволит минимизировать риск аварий и повысить безопасность эксплуатации канализационных систем.

В качестве такой информационной базы могут служить результаты мониторинга производственных предприятий ВКХ 30 городов Украины [6]. В системах канализации дефектные элементы располагаются в ряд: трубопроводы -58%;колодцы (камеры) -15%; очистные сооружения – 6%; насосные станции – 5%;эстакады – 3%; дюкеры, выпуски -1% (рис. 2).

Рисунок 2 - Распределение дефектов в системе канализации Как следует из результатов обследований, наиболее проблемной частью канализационных систем являются трубопроводы.

Характеристика трубопроводов канализации страны приведена на рис.3.

Рисунок 3 - Классификация канализационных коллекторов и причин их повреждений

Трубопроводы канализации выполнены из стали(4.8%), чугуна (20%), асбестоцемента (8,6%), керамики (38,3%),бетона (10,5%) и железобетона (17,7%)[6] . Частота выхода из строя канализационных сетей - нарушение их герметичности - различна для каждого вида материала труб и обратно пропорциональна диаметру труб (табл.1).

Таблица 1 - Интенсивность выхода из строя канализационных трубопроводов из различных материалов

Материал труб	Диаметр, мм	Интенсивность отказов ,λ, 1/км·год
	200	3.05
	300	1.79
	400	1.78
Сталь	500	1.41
	600	0.76
	1000	0.03
	150	3.95
	200	1.53
Чугун	400 500	1.22 1.1
	800	0.07
	150	1.87
Асбестоцемент	300 400	1.29 1.1
	500	1.09
	200	1.0
Керамика	400 500	0.94 0.06
	600	0.05
	400	0.19
Бетон	600	0.1
	1000	0.05
	600	0.12
	800	0.10
	1000	0.09
Железобетон	1600	0.06
	2000	0.05
	3600	0.006

Обобщая информацию мониторинга [6], можно однозначно утверждать о низкой надежности канализационных сетей в масштабе страны, что является причиной высокой степени риска аварий в системе, и, в целом, для всего водопроводно – канализационного хозяйства. Высокую степень риска и низкую надежность с одной стороны можно обьяснить физическим износом сетей. Исходя из норм амортизационных отчислений для различного вида труб: керамика – 3,2 %, бетон и железобетон – 3,6 %, асбестоцемент – 4,8 % и т.д. , 165

трубопроводы канализации, построенные еще в 60-70 годах прошлого века давно отработали свой ресурс и требуют обновления. С другой стороны имеет место влияние просчетов и ошибок на стадиях проектирования, технологии производства материалов и конструкций, строительства и эксплуатации сооружений.

При обновлении канализационных сетей (потребует по нашим подсчетам более 10 млрд. Евро) необходимо учесть полувековой опыт их строительства и эксплуатации для создания нового поколения надежных и долговечных сооружений [6-8].

Эффективным решением проблемы безопасной эксплуатации канализационных систем и минимизации риска аварий и повреждений является предварительная оценка их надежности на стадии проектирования, строительства и эксплуатации.

Как было отмечено ранее [6], основными факторами, обуславливающими повреждения конструкций трубопроводов, являются внешние воздействия (различного вида нагрузки, просадки и неоднородность грунтов основания), внутренние механические и коррозионные воздействия (абразивный износ, техногенное загрязнение грунта, эксплуатационная среда), ошибки при проектировании, изготовлении конструкций, строительстве, эксплуатации и превышение сроков нормативного периода эксплуатации.

Целью исследования является разработка классификации канализационных коллекторов по степени их надежности и аварийности и обоснование методики расчета вероятности безотказной работы трубопроводов.

Для дифференциации к подходу долговечности и надежности в таблице 2 предлагается выполнить классификацию канализационных коллекторов по степени их потенциальной аварийности.

Таблица 2 - Классификация канализационных коллекторов по степени потенциальной аварийности

Классы			I класс	II класс	III класс
Характеристика			Высокая вероятность биологического фактора коррозии (образования биологически активной среды), масштабные последствия аварии	Повреждения и аварии вследствие физикомеханического влияния       на отдельных участках	Случайные механические и коррозионные повреждения на отдельных участках
s и cd К 8	о К m S й о		В        начале коллектора размещен напорный трубопровод; самотечный коллектор имеет перепады или быстротоки	Наличие наземных или надземных участков трубопровода; наличие преград (реки,     дороги, другие трубопроводы)	Обычная конструкция и условия      по длине трубопровода
	S m о R о		Стоки        с органическими веществами при ХПК≥350 мг/л или сульфиды ≥1 мг/л	На    отдельных участках техногенное влияние (подработки, ударные     или вибрационные нагрузки, слабые грунты)	Наличие     на трассе коллектора агрессивных грунтов     или блуждающего тока
Категория			I – признаки А и Б I – только А I– только Б	II– признаки А и Б II– только А II– только Б	III– признаки А и Б III– только А III– только Б

Согласно приведенной классификации коллекторы, в которых возможно образование сероводородной газовой среды, что является причиной малых сроков безаварийной эксплуатации вследствие коррозии и значительных техногенных последствий в результате аварий, относятся к I классу аварийности. К категории Iа относятся сооружения, эксплуатирующиеся в агрессивной среде (биологический фактор), в которых конструктивные особенности способствуют снижению долговечности и, как следствие, повышению риска аварий.

Для конструкций, отнесенных к категории Iа, Iб на стадиях проектирования и строительства должны быть предусмотрены мероприятия, снижающие влияние агрессивной среды эксплуатации (конструктивные решения, антикоррозионная защита или мероприятия, снижающие степень агрессивности эксплуатационной среды).

К классу II отнесены все виды трубопроводов, потенциально подверженные физико-механическому влиянию на отдельных участках. Для обеспечения безаварийной работы сооружений, отнесенных к II классу, следует предусмотреть повышенные требования к конструкциям, выполненных из традиционных материалов и качественной подготовки основания

К III классу отнесены все виды трубопроводов, потенциально поддающихся случайным механическим влияниям или внешней коррозии. При проектировании сооружений, отнесенных к III классу, возможно использование традиционных материалов и технологий.

На рисунке 4 приведены характерные повреждения трубопроводов, отнесенных в соответствии с предлагаемой классификацией к различным классам аварийности. Некоторые виды повреждений, связанных с производственными дефектами, приведены на рисунке 5.

Рисунок 4 – Повреждения, классов аварийности характерные для I (а), II (б) и III (в)

Рисунок 5 – Виды производственных дефектов а) заводской брак; б) монтажный брак ; в) монтажные механические повреждения;

г) строительная небрежность (совмещение осей трасс ЛЭП и трубопровода).

Упреждение аварийных ситуаций затрудняется из-за отсутствия информации о уровнях надежности участков системы трубопроводов, вызванных:

• - отказами от внешних воздействий;

• - отказами от производственных дефектов;

• - отказами физического износа.

Основой для определения надежности систем трубопровода являются проектные материалы, срок эксплуатации, материалы обследований, данные о техногенных процессах, материал и диаметр труб, толщина стенок, глубина заложения трубопровода, геологические условия, уклоны, скорости транспортирования жидкостей, наличие агрессивных сред, абразивных компонентов.

Расчет вероятности безотказной работы участка трубопровода P(t) выполняется по формуле (4)

P(t)= P T (t)+ P c (t),

где P_T(t) – вероятность безотказной работы трубопроводов при учете только техногенных воздействий, P c (t) - вероятность безотказной работы трубопроводов при учете только физического износа в период эксплуатации.

Отказы, вызванные техногенными воздействиями, не зависит от предыдущей безотказной работы системы и не связаны с физическим износом. Вероятность безотказной работы в этом случае описывается экспоненциальным законом

P T (t) = e ^-λt ,

где λ – интенсивность отказов, t – время работы системы.

Число отказов, вызванных физическим износом трубопроводов в процессе эксплуатации, связана с предыдущими периодами работы трубопроводов и с течением времени растет. Подобные отказы

описываются двухпараметрическим законом распределения вероятностей (законом Гаусса).

Pc ( t ) = F 0

‘'n -) при ^f ^n-t )> 0, I ^ n )    ( a )

нормального

Pc ( t ) = 1 - F 0 1 ^ n- t I при f O n - 1 |< 0, I CT n J ( CT n )

где a n , a n — проектные значения параметров нормального

распределения,

a n ^- t । - табулированная функция

нормального

распределения.

Отказы трубопроводов от производственных дефектов имеют обратную направленность относительно отказов старения – от максимального количества отказов при пуске трубопроводов к постепенному уменьшению их до нуля.

Схематически поток отказов трубопроводов приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Суммарный поток отказов трубопроводов:1 – отказы от дефектов изготовления; 2-отказы от внешних воздействий; 3- отказы от физического износа

Значения интенсивности отказов железобетонных канализационных трубопроводов различных диаметров (по результатам обследований) приведены в таблице 1.

На основе обработки данных обследований работы железобетонных трубопроводов диаметром 600 мм с использованием зависимостей (5-7) построены графики вероятности безотказной работы железобетонного трубопровода диаметром 600 мм в зависимости от физического износа (старения), техногенных (внешних) воздействий и производственных дефектов (рисунок 7,а). Интегральный график вероятности безотказной работы железобетонного трубопровода приведен на рисунке 7,б.

Рисунок7- Графики вероятностей безотказной работы железобетонного трубопровода:

1 – в зависимости от физического износа (старения);

2- от производственных дефектов;

3 – от внешних воздействий.

Выводы.

• 1.    Риски производственной деятельности предприятий ВКХ в сфере водоотведения обусловлены степенью надежностью всех элементов системы канализации, однако наиболее проблемной является канализационная сеть. Фактичекая надежность элементов трубопроводной сети ниже теоретичекй за счет сложности учета массива отрицательных факторов на этапе проектирования , строительства и эксплуатации сооружений.

• 2.    С целью снижения производственного и экологического рисков и принятия соответствуюих инженерных и управленческих решений предложена классификация канализационных коллекторов по степени их потенциальной аварийности.

• 3.    Предложен дифференцированный подход к определению надежности канализационных коллекторов в зависимости от степени их аварийности, условий эксплуатации и конструктивных особенностей.

• 4.    Разработанный алгоритм расчета вероятности безотказной работы канализационных трубопроводов с учетом имеющихся дефектов и условий эксплуатации позволяет определить время безаварийной работы сооружений при наличии соответствующей информационнй базы.