Внутренняя ЦПП (стр. 1 )

Внутренняя ЦПП

Авторы: , ,

Рецензенты: первый зам. ген. директора , зав. Кафедрой МИКХиС «Коммунальное и промышленное водопользование», канд. Наук, доцент .

Анализ эффективности восстановления трубопроводов Московского водопровода

1.  Натурные обследования технического состояния трубопроводов Московского водопровода (до и после санации)

Натурные исследования долговечности и качества защитных покрытий на водопроводных сетях начали проводится на Московском водопроводе начиная с 1968 г., был введен в эксплуатацию реконструированный участок 3-го Краснопресненского водовода второго подъема длиной около 100 м и диаметром 1220 мм, подверженный восстановлению путем нанесения цементно-песчаных покрытий. В течение последующих 30 лет эксплуатации трубопровода на санированном участке с периодичностью в 10 лет проводились эксперименты, цель которых состояла в оценке эффективности и долговечности покрытия, а также перспективности его выбора для условий Москвы. К проведению экспериментов в разные годы привлекались специалисты НИИКВОВ АКХ им. , МГСУ и других организаций.

Отличительной особенностью натурных исследований и аналитических разработок, проведенных МГП «Мосводоканал» в гг., являлся комплексный анализ эффективности внутренних защитных покрытий трубопроводов.

Результаты многолетних экспериментов МГП «Мосводоканал» с привлечением специалистов, участвовавших в работах по нанесению цементно-песчаных покрытий, показали, что защитные покрытия остаются стабильными и могут прослужить много лет. Это обстоятельство прежде всего подтверждает правильность сделанного более 30 лет назад выбора в пользу набрызговых защитных покрытий для ремонта стальных трубопроводов.

Последний (проводимый в 1998 году) сравнительный анализ и визуальный осмотр (с помощью фото - и телеустановок) расположенных в непосредственной близости санированного и несанированного участков 3-го Краснопресненского водовода показал существенное различие в их физическом состоянии. В частности, на незащищенной покрытием поверхности водовода равномерно по всему сечению наблюдались сплошные, значительной механической прочности закрытые бугристые обрастания (наросты) в виде неровных пятен рыжего цвета с темно-коричневыми вкраплениями ржавчины площадью 1-500 см2. Отложения (со средней высотой выступов-бугорков 10-22 мм) были покрыты серой или серо-желтой слизью (налетом) толщиной порядка 1-2 мм, распределенной равномерно по всей внутренней поверхности трубы и легко удаляемой ветошью, но не смываемой потоком движущейся воды.

Отбор проб бугристых отложений и последующий их химический анализ позволил установить, что 70,2% содержимого отложений составляют оксиды железа, причем на долю окиси железа приходится 45,6%, а закиси-24,6%, что свидетельствует об активном процессе коррозии стенок трубопровода.

На защищенной покрытием внутренней поверхности водовода наблюдалась иная картина: внешний вид покрытия представлял собой гладкую серую поверхность практически без обрастаний, нарушений цементно-песчаного покрытия и заметных следов его выщелачивания. Замеры толщины покрытия в зоне его удаления в период экспериментов как в 1988, так и в 1998 г. не показали изменения толщины защитной облицовки (7-9 мм). Коррозии стенок трубопровода в зоне кольцевых усадочных трещин (с раскрытием до 0,3 мм) не наблюдалось. Явления набухания и отслоения покрытия наблюдалось лишь вблизи сварных швов.

Микробиологические и микроскопические анализы проб слизи, отобранной с поверхности санированного и несанированного трубопроводов, также показали некоторое расхождение. В частности, на несанированном участке в пробе слизи с вскрытых бугристых обрастаний присутствовали хлопья коалянта, незначительное количество нитчатых форм железобактерий Leptothrix и одноклеточных Gallionella, которые способны развиваться в слабоминерализованной воде. Данные микроорганизмы производят окисление закисного железа в оксидное, выделяя гидроокись железа в виде бугристых хлопьев ржавчины, которые постепенно уплотняются, образуя рыхлую пористую структуру.

В свою очередь, в пробах на облицованном участке обнаруживались лишь одноклеточные Gallionella, которые при отсутствии явных очагов коррозии на стенке трубы и облицовке могут быть следствием миграции с несанированных участков на санированные с закреплением на защитных покрытиях.

Несмотря на многие положительные моменты, доказывающие эффективность нанесения защитных покрытий на трубопроводы, результаты описанных выше опытов не могли дать ответы на многие вопросы, связанные с изменением показателей качества воды под влиянием санации из-за ограниченной протяженности восстановленного участка и возможности миграции загрязнителей с незащищенных участков на защищенные по ходу движения воды.

Для описания реальной картины трансформации качественных показателей воды, т. е. наиболее близкой к истиной для санированных и несанированных трубопроводов, работающих в идентичных гидравлических режимах и других аналогичных условиях, проводились исследования динамики изменения качественных показателей на протяженных участках защищенной и незащищенной внутренним покрытием водопроводной сети. Сущность исследований заключалась в сопоставлении и интерпретации полученных данных по изменению качественных показателей воды при ее транспортировке по трубопроводам от водопроводной станции до центральной части города (до Садового кольца).

В этих целях проводились натурные исследования на двух участках напорных водопроводов Северной водопроводной станции (СВС) Москвы:

I – несанированный (водовод №7) длиной 11 км и диаметром 1400 мм, на котором отбирались пробы в 4-х различных точках по течению воды (точка 1-СВС; точка 2 (№ 000) –Дмитровское шоссе, 116; точка 3 (№ 000)-Дмитровское шоссе, 97; точка 4 (№ 000) – проезд Черепановых, 72);

II – санированный внутренним цементно-песчаным покрытием (водовод №3) длиной 11,2 км и диметром 1200 мм, на котором также отбирались пробы в 4-х различных точках по течению воды (точка 1 –СВС; точка 2 – пос. Ларино; точка 3 (№ 000) – ул. Дублинская на пересечении с ул. 800-летия Москвы; точка 4 (№ 000) – Дмитровское шоссе, 58).

Продолжительность пребывания воды (в период протекания от точки 1 до точки 4) на I и II водоводах составляла в среднем 3,5 часа. Пространственное ограничение пробегания воды в период проведения опытов объяснялись лишь тем, чтобы максимально приблизить условия экспериментов и выявить соответствующие закономерности в санированных и несанированных трубопроводах.

Серии натурных исследований включали определение следующих качественных показателей транспортируемой питьевой воды, ответственных за интенсивность коррозионных процессов: рН, растворенного кислорода, свободного хлора, железа (Fe2+ и Fe3+), хлоридов, сульфатов, щелочности, а также расчет индекса стабильности. Анализы качества воды выполнялись аккредитованным Аналитическим Центром контроля качества воды .

По результатам натурных исследований был сделан предварительный вывод: низкие значения индекса стабильности и повышенное содержание растворенного кислорода могут прежде всего о коррозионной активности воды в обоих водоводах при соприкосновении с металлическими поверхностями (внутренними стенками, трубопроводной арматурой).

Графики изменения концентрации ионов железа Fe3+ в санированном и несанированном водоводах, приведенные к одинаковым начальным условиям (по исходной концентрации железа и в пересчете на диаметр 1200 мм для равной площади контакта воды с внутренними стенками трубопровода), показывают, что на несанированном трубопроводе процессы коррозии протекают более интенсивно. Расчетный прирост концентрации ионов железа в транспортируемой воде на 1 км несанированного водовода составляет 0,017 мг/л, а на санированных – 0,0042 мг/л, т. е. более чем в 4 раза.

В результате обработки данных установлено, что изменение концентрации ионов железа Fe3+ соответственно в санированном и несанированном трубопроводах может быть описано математически в виде следующих линейных функций вида:

Y =0.012+0.0042Х и Y=0.027+0.017Х,

Где: Y – концентрация железа в воде, мг/л;

Х – протяженность водовода диаметром 1200 мм.

Используя полученные зависимости, можно предположить, что санированный водовод диаметром 1200 мм при начальной концентрации железа в воде до 0.012 мг/л, средней скорости течения 1 м/с и указанном выше индексе стабильности может обеспечить требования нормативных документов по концентрации железа в питьевой воде менее 0,3 мг/л при его протяженности до 67,58 км.

Учитывая площади зон влияния московских водопроводных станций, и прежде всего СВС, а также суммарную протяженность водоводов, магистралей и перемычек в каждом РВС, можно предположить, что при указанных выше исходных качесвенных параметрах транспортируемой воды санация водовода №3 до точки № 000 практически обеспечивает требуемые ГОСТом показатели по содержанию железа в питьевой воде до границы зоны влияния СВС. Данное обстоятельство снижает риск появления наростов ржавчины на внутренних стенках трубопроводов и образование свищей. В отношении несанированного водовода №7 и примыкающей к нему разветвленной водопроводной сети такой гарантии дать не представляется возможным, т. к. железо может осаждаться на стенках труб, приводя в конечном итоге к интенсивному образованию наростов ржавчины и сквозным отверстиям (свищам).

Таким образом, натурные исследования позволили сделать вывод: нанесение на трубопровод защитного покрытия может рассматриваться и как обеспечение своеобразного временного запаса, в течении которого характеристики качества воды изменяются незначительно или не изменяются вовсе по ряду причин.

Анализируя опыт Московского водопровода по эффективности защиты трубопроводов, нельзя не отметить аналогичные разработки других организаций.

МУП «Водоканал» г. Анапа в 1983 г. были проведены работы по защите цементно-песчаным покрытием участка стального водовода диаметром 1220 мм и протяженностью 14 км. В течении 17 лет периодически ведутся наблюдения за состоянием цементно-песчаного покрытия и замеры качества транспортируемой воды. Натурные исследования, в частности, показали, что толщина нанесенного цементно-песчаного покрытия за период эксплуатации не изменилась по сравнению с первоначальной, а качество воды остается стабильным.

Определенный научный и практичный интерес представляет опыт нижегородских специалистов, проводивших оценку измерения качественных параметров питьевой воды в несанированных трубопроводах при ее транспортировке от резервуаров чистой воды водопроводной станции до городских распределительных сетей.

В период экспериментов оценка качественных показателей питьевой воды проводилась по следующим показателям питьевой воды проводились по следующим приоритетным загрязнителям: хлороформу, трихлорэтилену, формальдегиду, связанному хлору, железу, алюминию, мутности, цветности и нескольким микробным показателям. Результаты экспериментов, в частности, показали, что в воде по мере удаления от водопроводной станции увеличивается количество соединений железа, образующихся за счет влияния электрохимической коррозии. Так, интенсивность коррозийных процессов стальных водопроводных труб увеличилась с 3,15 г/м2хсут в резервуаре чистой воды до 5,72 г/м2хсут на наиболее удаленных участках сети. При этом олбщая токсичность воды, определяемая по специальной методике с помощью клеточного тест-объекта, возрастала на 10-15 % на каждый километр удаления от станции.

Основной задачей проводимых МГП «Мосводоканал» натурных гидравлических испытаний на трубопроводах, как неподвергшихся, так и подвергшихся санации, является определение гидравлического трения λ/ Последние служат наиболее объективной характеристикой состояния внутренней поверхности эксплуатируемого трубопровода. В свою очередь, наличие сведений о величинах коэффициентов гидравлического сопротивления на действующих трубопроводах до и после работ по очистке и облицовке их внутренней поверхности позволяет оценить качество работ по нанесению покрытий.

Методика определения коэффициента гидравлического сопротивления базируется на использовании зависимости Дарси – Вейсбаха, а коэффициент гидравлического сопротивления рассчитывается по формуле:

λ = 2g x ∆H x D/L x V2

где λ – коэффициент гидравлического сопротивления;

g – ускорение свободного падения;

∆H – перепад (потери напора) на мерном участке трубопровода, м;

D – диаметр трубопровода, м;

L – длина участка измерения, м;

V – скорость движения воды в трубопроводе, м/с;

Re – число Рейнольса (безразмерная величина).

Потери напора по длине испытуемого участка водопроводной сети определяются как:

∆H = (H1 + Z1) – (H2 + Z2) = (H1 - H2) – (Z1 - Z2),

Где H1 и H2 -давление воды в точках измерения, приведенных к верху трубы, м вод. ст.;

Z1 и Z2 – геодезические отметки верха трубы, м.

Соответственно величина расхода воды при измерении перепада водовоздушным дифманометром определяется как:

Q =0,01252 х ά х d2 х √ h/γ (м3/ч),

Где ά – коэффициент расхода;

d – диаметр сужающего устройства, мм;

h – перепад давления, мм вод. ст.;

γ – объемный вес воды, кг/м3

Некоторые выборочные за прошедшие годы результаты натурных исследований по определению коэффициентов гидравлического сопротивления участков городской водопроводной сети приведены в табл. 4, а результаты расчетов относительно изменения коэффициентов гидравлического сопротивления для водоводов после прочистки и санации – табл. 5.

Таблица 4.

Результаты расчета коэффициентов гидравлического сопротивления стальных участков городской водопроводной сети.

Адрес	Диаметр, мм	Скорость, м/с	К = λ/ λt
1	2	3	4
Старомонетчиковкий пер., 32	600	0.61	2.49
1-й Электровозный пер., 4	600	0.93	1.76
Чонгарский б-р, 9	600	1.2	2.37
Сходненская ул., 44	700	0.29	3.37
Лобачика ул.	800	0.53	1.83
Поперечный пр-т	800	0.94	2.05
Окружной пр.	900	0.63	2.81
Оранжерейная ул.	1200	1.27	2.1
Нагатинская ул.	1200	0.71	1.8
Сталеваров ул.	1400	1.35	1.74
Минское ш.	1400	1.65	1.58
Абрамцевская ул.	1400	1.53	1.74
Коровинское ш.	1400	0.84	1.89

Таблица 5.

Сведения об относительном увеличении коэффициентов гидравлического сопротивления стальных водоводов первого подъема Восточной водопроводной станции.

Номер водовода	Диаметр, мм	Год укладки	Кλ после прочистки по отношению к табличному значению	Кλ после облицовки по отношению к прочистке
1	2	3	4	5
1	1200	1967	1.6	1.06
3	1200	1967	1.61	1.03
4	1400	1968	1.68	1.02
6	1200	1968	1.53	1.01
8	1400	1978	1.65	1.02
9	1400	1978	1.32	1.00

Таблица 6.

	Адрес участка	D1,мм	Длина участка, м	До облицовки	После облицовки	Отн. Увелич. Расхода % (раз)
				∆H, м	V, м/с	λ1	Кλ= λ1/ λt	∆H, м	V, м/с	λ2	Кλ= λ2/ λt	∆Q=Q2/Q1
1	Шипиловская	300	68.58	0.798	0.552	0.122	3.75	0.151	0.4246	0.0722	2.14	66(1.66)
2	Шипиловская	400	47.32	0.286	0.637	0.116	4.0	0.101	0.462	0.078	2.5	92(1.92)
3	Уссурийская	400	79.8	0.256	0.628	0.064	2.2	0.0047	0.414	0.0269	0.835	46(1.46)
5	И. Сусанина	250	106.0	0.938	0.84	0.0627	1.96	0.157	0.7133	0.021	0.65	63(1.63)
6	1-я Магистральная	1200	99.7	0.182	0.99	0.0438	2.179	0.039	0.99	0.0185	0.53	90(1.9)

Анализ и обобщение результатов проведенных исследований позволяет сделать следующие выводы.