О контроле состояния тепловых сетей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет

О контроле состояния тепловых сетей

К.т.н. А.Н. Машенков, доцент,

А.В. Филимонов, инженер, МУП «Теплоэнерго»

В связи с кризисным состоянием жилищно-коммунального комплекса, деятельность предприятий в этой сфере характеризуется высокими затратами, отсутствием экономических стимулов снижения издержек на производство услуг, неразвитостью конкуренции. Все это приводит к высокой степени износа основных фондов, неэффективной работе предприятий, большим потерям энергии, водных и других ресурсов.

Опыт эксплуатации тепловых сетей в России показывает, что контроль за реальными тепловыми потерями на них, как правило, не проводится, хотя в ряде случаев можно выявить, что до 50% транспортируемой теплоты не доходит до потребителя из-за нарушения (отсутствия) теплоизоляции и утечек теплоносителя. Старение трубопроводов из-за коррозии происходит в 2-3 раза быстрее расчетных нормативов. Статистика показывает, что на каждые 100 км двухтрубных водяных сетей ежегодно выявляется около 30-40 повреждений [1]. При межремонтном периоде 16 лет действительные перекладки трубопроводов, существующих конструкций бесканальной прокладки, проводятся через 6-8 лет, в непроходном канале - через 12 лет [2]. На территории Н. Новгорода наработка (до первого повреждения) после капитального ремонта (замены) большинства участков трубопроводов теплосети составляет в среднем 5-6 лет. Основные причины - несоблюдение технологии монтажа, низкое качество материала трубопроводов, высокое содержание кислорода в сетевой воде.

По данным эксплуатационных организаций состояние трубопроводов считается известным, что в реальности оказывается истинным лишь на 50-70%. В графике планово-предупредительного ремонта часто учитывается лишь временной показатель работы теплосети, хотя во многих случаях дефекты носят локальный характер. Иногда теплотрассы, проложенные более 30 лет назад, имеют лучшую сохранность, чем с 10-15-летним сроком эксплуатации.

Причиной повреждений подземных теплотрасс является как внутренняя, так и наружная коррозия. Развитие повреждений за счет внутренней коррозии приводит к тому, что уже через 5-6 лет после замены трубопровода в нем появляются утечки теплоносителя в местах локальных дефектов (коррозионные язвы). При этом происходит увлажнение изоляции и, как следствие, образование прогрессирующей наружной коррозии трубопровода. Как показывает практика, при отсутствии неблагоприятных факторов воздействия внешней среды, в которой работает трубопровод, наружная коррозия практически не развивается. В качестве примера можно привести результаты эксплуатации некоторых участков теплосети микрорайона Мещерское озеро Н. Новгорода. Намывной песчаный грунт и неглубокое заложение трубопровода при канальной прокладке исключили подтопление грунтовыми водами и утечками из водонесущих коммуникаций. После 10-15 лет эксплуатации участки теплосети имели хорошее состояние тепловой изоляции и наружной поверхности трубопроводов. Повреждения на данных участках определялись исключительно внутренней коррозией трубопроводов за счет катодного процесса с кислородной деполяризацией.

Внутренняя и наружная коррозия трубопроводов могут развиваться как независимо, так и взаимосвязано друг с другом. В случае взаимосвязи первопричиной является внутреннее поражение стенок трубопровода коррозионными язвами до истечения теплоносителя, что ведет к увлажнению изоляции, развитию поверхностной коррозии на некоторой длине теплотрассы. Самостоятельное развитие наружной коррозии обусловлено внешними неблагоприятными гидрогеологическими условиями (подтопление грунтовыми водами или в результате утечек из водонесущих коммуникаций), высокой влажностью в канале теплосети. В большинстве случаев опасная степень наружной коррозии имеет локальный характер и сосредотачивается на участках труб длиной 1-1,5 метра, охватывая не более 25-35% периметра трубы [3]. Следует отметить, что территория Н. Новгорода потенциально является неблагоприятной в плане гидрогеологических условий. В соответствии с закономерностями расположения грунтовых вод [2] определено, что по мере движения на юг грунтовые воды залегают на большей глубине, а на север - ближе к поверхности грунта. Количество испаряемой влаги на севере меньше, чем количество выпадающих осадков в несколько раз. Для Волговятского региона среднегодовая влажность всех грунтов велика, а средний коэффициент водонасыщения I_в - более 0,7 [2]. Кроме того, необходимо учитывать, что антропогенные грунты в городах весьма специфичны по составу, состоянию и свойствам, и являются агрессивными по отношению к теплопроводам. Влажность грунтов в городах превышает естественную вследствие конденсации влаги под зданиями и асфальтовыми покрытиями, утечек технических и хозяйственных вод. В зависимости от величины коэффициента водонасыщения грунты разделяют на маловлажные I_в<0,5, влажные 0,5<I_в<0,8, водонасыщенные I_в>0,8. Высокая влажность грунта, в котором проложены конструкции тепловой сети, является одним из основных факторов, влияющих на протекание коррозионных процессов и определяющих долговечность теплопровода.

В качестве основного метода выявления ослабленных участков на трубопроводах приняты гидравлические испытания. Однако этот метод несовершенен, трудоемок и не обеспечивает выявление всех ослабленных мест. Как показывает практика, сильно корродированная, но без сквозных повреждений, стенка трубы, имеющая местами толщину металла порядка 1 мм, может выдержать гидравлические испытания при давлении 16 кгс/см². Сквозные повреждения на ней возникают в начале отопительного периода при температурных деформациях или гидравлических ударах.

До настоящего времени в Н. Новгороде мало уделялось внимания разработке и внедрению достаточно эффективных методов комплексной диагностики состояния теплопроводов без вскрытия теплотрасс, способов обнаружения дефектных участков.

Применение диагностических методов, определяющих состояние трубопровода, должно способствовать выявлению потенциально опасных в гидрогеологическом отношении участков. Это позволило бы обосновать необходимость дополнительной гидроизоляции, дренажа, утепления перекрытий каналов, а также возможность разработки способов их эффективной вентиляции для сушки теплоизоляционных покрытий и предотвращения выпадения конденсата.

Анализируя существующие способы определения состояния тепловых сетей, следует выделить два основных направления и подхода к данной проблеме: трубопровод теплотрасса коррозия гидравлический

Проведение диагностики теплопроводов инструментальными методами.

Прогнозирование повреждаемости и оценка надежности тепловых сетей на основе статистических методов.

Достаточно известным из инструментальных является метод, основанный на определении нарушений в работе теплопровода путем сравнения и анализа данных замеров температур грунта с теоретически расчетными. Отклонение величины измеренной температуры от расчетной свидетельствует о нарушении состояния строительной (изоляционной) конструкции трубопровода, изменении режима его работы. Повреждение слоя изоляции или увеличение коэффициента теплопроводности (увлажнение, изменение структуры теплоизоляционного слоя) меняет величину термического сопротивления изоляционного слоя и, следовательно, температурный контраст поверхности грунта над теплотрассой.

Рассмотрим различные подходы к анализу полученных результатов:

Выделение эталонных участков и построение калибровочных графиков, отражающих связь температурного контраста на поверхности грунта с глубиной заложения и состоянием изоляции теплопроводов. Путем сопоставления тепловых полей эталонного и контролируемого теплопроводов по данным одновременной тепловой съемки с помощью калибровочных графиков определяется состояние контролируемого участка тепловой сети и выявляются места с нарушением изоляционных конструкций [4, 5]. Это позволяет исключить влияние таких факторов, как метеоусловия, состояние поверхности грунта, конструктивные особенности теплопровода.

С помощью численных методов проводится изучение сопряженного теплообмена в системе теплопровод-канал-грунт-атмосфера и определяются расчетные температурные распределения и тепловые потоки [6]. Полученное инструментальным способом температурное распределение на поверхности грунта сравнивается с расчетными температурными полями при различных исходных состояниях теплосети (условиях моделирования) [7]. Анализ данных математического моделирования позволяет сделать вывод о вероятном состоянии контролируемого участка.

К недостаткам инфракрасных методов контроля следует отнести то, что измерение температуры проводится в тонком приповерхностном слое объекта, при этом оказывает влияние окружающая теплорадиационная обстановка. Внутренние дефекты можно обнаружить только в том случае, если они вносят возмущение в температурное поле на поверхности объекта в пределах чувствительности средств контроля. Надежность результатов зависит от достоверности измерений.

Можно предположить, что не всегда с достаточной степенью точности можно идентифицировать полученное температурное распределение с конкретным видом нарушения, поскольку различное сочетание нарушений может определить одинаковое распределение температурного поля. Кроме того, в ряде случаев необходимо учитывать такие факторы, как возможность движения воздуха и воды по длине канала теплотрассы.

Расчет теплопотерь необходимо дополнять анализом вероятности различных причин повреждений, основанном на данных эксплуатации обследуемого участка, следовательно, для качественной диагностики теплосетей необходимо провести их компьютерную паспортизацию с систематизацией статистического материала.

Статистические методы расчета надежности тепловых сетей основаны на сборе материала о повреждениях за предыдущие периоды эксплуатации. По результатам выборки и в соответствии с целями расчета можно выделить следующие направления:

1. Создание модели прогнозирования повреждаемости и планирование ремонтно-вос-становительных работ на долгосрочную перспективу. Проводится группировка трубопроводов по диаметрам, срокам эксплуатации, строится график удельной повреждаемости, формируется матрица протяженности трубопроводов, определяется суммарная повреждаемость на расчетный период [8].

Данная методика представляется эффективной в рамках стратегического планирования, поскольку не дает достоверной информации о состоянии конкретного участка трубопровода, т.к. анализ проводится на основе усредненных данных по большому количеству объектов.

2. Вероятностная оценка надежности трубопровода, состоящая в получении данных о безотказной работе и интенсивности отказов. Данные величины являются нормативными показателями на проектирование систем теплоснабжения.

Полученные в процессе эксплуатации статистические данные о повреждениях можно использовать в качестве оценки соответствия фактической и проектной надежности. Особенностью данной методики является то, что система теплоснабжения рассматривается как неремонтируемая (не восстанавливается после отказа), а за расчетный период принимается длительность отопительного периода. Отказом считается только то повреждение трубопровода, которое приводит к отключению потребителей [9]. В данном случае по показателю безотказной работы определяется резервирование магистральных теплопроводов, но не представляется возможным определить степень технической надежности тепловой сети. В поток отказов не попадают те повреждения, которые устраняются без отключения потребителей, а подобное временное устранение повреждения оставляет опасность возникновения повторного дефекта. В результате потенциально аварийная тепловая сеть может иметь хороший показатель надежности.

Можно использовать различные алгоритмы оценки состояния теплопроводов на основе обработки статистических данных их эксплуатации. Современные компьютерные базы данных предоставляют для этого широкие возможности [10]. При этом диагностика состояния трубопроводов может основываться как на статистике данных по уже случившимся авариям и условиям их возникновения, так и на основе дискретизации теоретических зависимостей [11].

Главным источником изучения и обобщения должен являться систематический учет всех повреждений, выявленных во время эксплуатации и ремонтов на трубопроводах. При этом возможно получение значения среднего срока службы и характеристики эксплуатационной надежности для различных участков тепловой сети. Данные об этих участках систематизируются по диаметру трубопроводов, условиям заложения, типу изоляции, условиям и времени работы, источнику теплоснабжения.

Для составления графика планово-предупредительных ремонтов тепловых сетей необходима полная информация о техническом состоянии теплопроводов, адресах и объемах выполненных на них работ, количестве замененных участков с ежегодной расшифровкой исправленных повреждений.

Для паспортизации теплопроводов необходимо создать компьютерный банк данных, куда заносятся все основные технические данные участков тепловых сетей и все имеющиеся изменения, включая конструктивные. Использующиеся при этом параметры контроля могут быть существенно расширены за счет использования таких элементов диагностики, как коррозионный мониторинг трубопроводов тепловых сетей по методу НПК «Вектор» [12], определение мест и степени увлажнения изоляционных конструкций методами биолокации [13].

Объединение информации наиболее перспективно осуществлять с помощью геоинформационной системы (ГИС). Основная задача ГИС - интеграция картографической и атрибутивной информации. Основные аспекты ГИС:

Создание и поддержание корректной базы данных (БД).

Обработка и анализ информации, содержащейся в БД.

Текущая информация на рабочем столе с возможностями поиска, обработки и создания отчетов.

Перспективы развития ГИС: создание виртуальных моделей на основе объектно-ориентированной технологии и интеграция в единую информационную систему города.

Контроль за состоянием тепловых сетей необходимо осуществлять, начиная с приемки их в эксплуатацию. Система контроля предусматривает создание методов оценки, приборов и средств, позволяющих определить параметры технического состояния и их соответствия нормативным характеристикам, а также обеспечивает на основании поступления и обработки данных о состоянии элементов эксплуатируемых теплопроводов организацию своевременных профилактических мероприятий и ремонта.

Литература

1. Витальев В. П. Бесканальные прокладки тепловых сетей.

2. Инструкция по капитальному ремонту тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1988.

3. Авдолимов Е. М. Реконструкция водяных тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1990.

4. Заверткин Н.А., Казаков Б.В., Островский Э.Я., Антыпко А.И. Развитие методов диагностики конструкций тепловых сетей // Энергетик. 1988. № 10. С. 12-14.

5. Заверткин Н.А., Казаков Б.В., Островский Э.Я., Антыпко А.И. и др. Диагностика подземных теплопроводов аэрофотосъемкой в инфракрасном излучении // Энергетик. 1991. №10. С. 11-13.

6. Иванов В. В., Василенко В. В., Черныш С. В. К оценке тепловых потерь подземных теплотрасс // Изв. вузов. Строительство. 2000. № 1. С. 66-69.

7. Бабенков В. И., Дунин И.Л., Иванов В. В., Куженков Е.Е. Использование тепловидения в строительстве // Изв. вузов. Строительство. 1992. № 1. С. 80-83.

8. Глюза А.Т., Яковлев Б.В., Лысенко Ю.Д., Мельцер М.Я., Шиенок О.Ф. Прогнозирование повреждаемости подземных тепловых сетей//Теплоэнергетика. 1989. № 6. С. 18-20.

9. Ионин А.А. Надежность систем тепловых сетей. М.: Стройиздат, 1989.

10. Сазонов Э.В., Кононова М. С. Реализация метода прогнозирования состояния трубопроводов тепловых сетей на ЭВМ//Изв. вузов. Строительство. 2001. № 7. С. 68-70.

11. Сазонов Э.В., Кононова М.С. Оценка эффективности прогнозирования состояния тепловых сетей // Изв. вузов. Строительство. 1999. № 12. С. 64-66.

12. 12 Самойлов Е.В. Диагностика как элемент коррозионного мониторинга трубопроводов тепловых сетей // Новости теплоснабжения. 2002. № 4. С. 29-34.

13. Болтунов В., Гиршгорн В. Природные и техногенные факторы возникновения аварийных ситуаций тепломагистралей // Мир и безопасность. 2000. № 5. С. 35-37.

Размещено на Allbest.ru