В соответствии с ГОСТ 27.002-89 "Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения" надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Применительно к трубопроводам надежность является показателем качества проектирования, строительства и эксплуатации. Она обеспечивается реконструкцией узлов сооружений, заменой устаревших конструкций, работой в наиболее экономичных и стабильных режимах течения, соблюдении условий, позволяющих продлить срок службы трубопровода. Из всех существующих методов повышения безотказности напорных водоводов наиболее экономичными следует считать конструктивные методы, осуществляемые на стадии расчета и прокладки.

Строительство и проектирование трубопроводов системы водоснабжения долгое время в нашей стране осуществлялось без должного учета требований надежности по применяемым материалам и организационно-технических возможностей эксплуатационных организаций. Большинство напорных водоводов составляют трубы, изготовленные из наиболее дешевых марок стали, без защиты внутренней и внешней поверхности от коррозии, которые были относительно недороги. Катастрофические последствия их коррозии проявляются лишь через несколько лет эксплуатации.

Согласно ГОСТ 10705-80 "Трубы стальные электросварные" и СНиП 2.05.06-85* "Магистральные трубопроводы" срок службы трубопровода рассчитывается, исходя из толщины стенок, диаметра, расчетного давления, прочностных характеристик материала. Например, для трубопровода диаметром 108 мм и толщиной стенки 3мм эта величина составляет 17 лет.

трубопровод водоснабжение узел напорный водовод

По данным ВНИПИЭнергопрома, 54 % от общего числа повреждений являются следствием коррозии. Именно она является основной причиной того, что в отличие от нормативного срока службы трубопроводов - 25 лет, фактический срок составляет 12 - 15 лет для магистральных трубопроводов и 7-8 лет для разводящих трубопроводов (данные Госстроя России).

При анализе надежности рассматривается элемент - часть сложного объекта, имеющая самостоятельную характеристику надежности, и система - сложный объект, внутри которого элементы выполняют частные функции. При исследовании надежности напорных водоводов каждое местное сопротивление или узел сопротивлений (участок) можно рассматривать как элемент, а участок трассы - как систему. С другой стороны, для всей системы трубопроводов каждый участок трассы является элементом.

Безотказность - это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Повреждение - событие, состоящее в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. Основное понятие, используемое в теории надежности - отказ. Это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта, которое происходит либо внезапно, либо постепенно.

В оценке надежности преобладает характер констатации статистических данных, но в последние годы возникли новые направления исследований - прогнозирование отказов на основании физико-химических процессов, оказывающих влияние на надежность. В результате к 50-м годам ХХ в. сформировались не только общие основы теории надежности, но и ее частные направления по отдельным видам техники.

Учет эффекта взаимного влияния местных сопротивлений на структуру потока и его взаимосвязь с безотказностью элементов трубопроводов был предложен в судостроении [1], где агрессивная рабочая жидкость (забортная вода) достаточно быстро приводила к отказам систем забора и охлаждения - свищам. Напорные трубопроводы, использующие пресную воду, помимо коррозии внешних стенок, борьбе с которой посвящено достаточно много исследований, также имеют и внутреннюю коррозию, учет которой позволит повысить безотказность работы систем.

Одновременно с выбором материала и диаметра трубопровода одним из способов повышения надежности является назначение геометрических характеристик узлов местных сопротивлений, обеспечивающих значения гидравлических характеристик потока, способствующих уменьшению коррозии внутренних стенок. Процесс коррозии в узлах трубопроводов с различным сочетанием местных сопротивлений будет происходить с неодинаковой интенсивностью, поэтому необходим сбор статистических данных о частотах повторяемости отказов для каждой комбинации узлов с целью выявления этих различий.

Геометрические характеристики узлов и их сочетаний, полученные в результате сбора натурных данных по трассам водопроводов, необходимо ранжировать для определения наиболее часто встречающихся конструкций узлов местных сопротивлений (рис.1).

9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1. Ранжированный ряд сочетаний местных сопротивлений в узлах

9

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2. Распределение длин прямых участков в зоне узлов, комбинация узла 1

Один из первых вопросов, возникающих при исследовании местных сопротивлений узлов, состоит в отличие узла от двух отдельных сопротивлений при наличии между ними проставки определенной длины. Предлагается одиночным считать такое местное сопротивление, прямой участок за которым больше, чем длина, необходимая для стабилизации коэффициента Кориолиса и его приближению к значению 1.1, характерному для развитого турбулентного течения. По данным [2] для отвода это 2.1d, для тройника 5.5d, для проходного клапана 2.8d и т.д. В противном случае следует рассматривать узел, в котором имеет место взаимное влияние местных сопротивлений и суммарное сопротивление узла равно

,

где - коэффициент взаимного влияния местных сопротивлений; , - коэффициенты местных потерь в первом и втором отдельно стоящих местных сопротивлениях.

В свою очередь, длина прямой проставки за узлом, обеспечивающая выравнивание поля скоростей, будет определена тем сечением, в котором коэффициент взаимного влияния близок к единице. Так, в сочетании отвод-клапан это 7.5d, отвод задвижка - 8d, утка - 18d, тройник-тройник - 15d, задвижка-тройник - 6.5d [3].

Особого внимания требует учет зоны местных сопротивлений, в которой работает каждый из натурных узлов. В напорных гидротехнических водоводах и магистральных трубопроводах водоснабжения существует турбулентный режим течения. Помимо материала и диаметра водовода следует учитывать число Рейнольдса (Re), так как значения местных сопротивлений как одиночных, так и узловых, будут зависеть от Re в переходной зоне и быть постоянными в квадратичной области.

Результатами статистической обработки на данном этапе исследований должны стать гистограммы частот разнесения местных сопротивлений, входящих в конкретный узел (рис.2), в которых по оси абсцисс откладывается относительная длина проставки l/d. Это позволит выявить наиболее характерные сближения местных сопротивлений в узлах с целью последующей оценки отказов в них и установления возможной связи.

Систематизация натурных данных на этом этапе исследований также позволит дать практические рекомендации по возможному снижению потерь давления в трубопроводе, вызванном эффектом взаимного влияния в узле.

Смена последовательности группировки местных сопротивлений в узле либо увеличение проставки между ними (в пределах зоны влияния) не только повысят безотказность узла, но и снизят потери давления в нем. Например, исследованиями [3] доказано, что установка отвода перед клапаном значительно изменяет величину местного сопротивления узла, а клапана за отводом - незначительно. Сближение тройников с другими элементами на расстояние, меньше 20d достаточно сильно изменяет потери напора, особенно это прослеживается на расстоянии сопротивлений менее 5 диаметров.

Как было отмечено выше, одной из причин внутреннего коррозионного разрушения трубопроводов является резкое изменение гидравлических характеристик потока в районе местных сопротивлений. Сбор информации по отказам элементов узлов трубопроводов на основании данных по аварийным ремонтам и неисправным состояниям по данным текущих и плановых ремонтов, в идеале, будет проводиться по каждому узлу сочетаний местных сопротивлений. При недостатке исходных данных можно ограничиться теми сочетаниями сопротивлений в узлах, которые по ранжированному ряду сочетаний будут иметь наибольшие ранги, а по гистограмме частот разнесения - пиковые значения (см. рис.1).

Статистическому исследованию надежности работы узла (участка) напорного водовода соответствует определение трех основных параметров: время наработки на отказ; время наработки до ремонта; вероятность безотказной работы в течение фиксированного времени в зависимости от длины прямой проставки между сопротивлениями в узле.

Закон распределения наработки до отказа определяет количественные показатели надежности. Он может быть описан в дифференциальной форме плотности вероятности f (t) либо в интегральной форме F (t). Существуют следующие соотношения между показателями надежности и законом распределения:

;

;

,

где P (t) - вероятность безотказной работы в течение времени t;

(t) - интенсивность потока отказов.

В теории надежности для описания времени наработки на отказ, времени наработки до ремонта и вероятности безотказной работы возможно использование одного из следующих распределений экстремальных значений [4]:

1. Распределение Вейбулла, описываемое интегральной функцией

,

2. Распределение Гумбеля или двойное экспоненциальное распределение, (достаточно новое распределение, впервые предложенное Либлайном в 1953 г.) и описываемое интегральной функцией

, где ,

х - параметр распределения; - параметр положения; - параметр масштаба.

Разница между двумя этими распределениями вызвана тем, что распределение Вейбулла возникает при ограничении одной переменной, а распределение Гумбеля существует для неограниченной переменной.

Проверка соответствия данных натурных исследований выбранному типу распределения будет происходить по гистограммам относительных частот отказов и относительных частот неисправных состояний по каждому характерному узлу с использованием критериев согласия.

Практической ценностью исследований станет оценка безотказности и неисправности различных узлов трубопроводов, а также рекомендации по сокращению числа отказов путем частичного изменения конструкции узла.

Выводы