Awarie w systemie dystrybucji wody – cz. I

Tekst nawiązuje do artykułu „Straty wody i sposoby skutecznego ich ograniczania w systemach dystrybucji wody” z „IB”, nr 11/2013.

Obecnie dąży się do skracania czasu wykrycia, lokalizacji oraz usunięcia wycieków wody z przewodów wodociągowych, co przekłada się na obniżenie strat wody w sieci wodociągowej.

Awaria na przyłączu wody – pęknięcie obwodowe rury stalowej

Awaria sieci wodociągowej jest to uszkodzenie lub niesprawność przewodu, uzbrojenia powodująca częściową lub całkowitą utratę wymaganych parametrów funkcjonalnych. Wskaźnikiem oceny stanu technicznego przewodów, wyrażającym się liczbą uszkodzeń przypadających na kilometr sieci w ciągu roku, jest intensywność uszkodzeń sieci wodociągowej zwana inaczej wskaźnikiem awaryjności. Parametr ten dostarcza informacji o stanie technicznym przewodu, pozwala na zaplanowanie inwestycji dotyczących napraw i wymian przewodów przesyłowych.

Średnia intensywność uszkodzeń według badań sieci wodociągowej dla 174 miast Polski za 1998 r. obliczona dla sumarycznej długości sieci 55 008 km wynosiła l = 1,06 uszk./km rok [3]:

– dla przewodów magistralnych – l = 1,14 uszk./km rok,

– dla przewodów rozdzielczych – l = 2,01 uszk./km rok,

– dla przyłączy wodociągowych – l = 2,55 uszk./km rok.

Wskaźnik ten dla analizowanych sieci zawarty jest najczęściej w przedziale 0,25–1,50 uszk./km rok. Jednak dla 32 miast Polski wskaźnik wynosił powyżej 1,5 uszk./km rok.

W nowszych badaniach przeprowadzonych w 2006 r. dla sieci wodociągowych o łącznej długości 68 313 km wskaźnik ogółem wynosił l = 0,67 uszk./km rok [4]:

– dla przewodów magistralnych – l = 0,16 uszk./km rok,

– dla przewodów rozdzielczych – l = 0,46 uszk./km rok,

– dla przyłączy wodociągowych – l = 0,70 uszk./km rok.

Odnotowano obniżenie wskaźnika awaryjności, spowodowane najprawdopodobniej zastosowaniem do budowy sieci przewodów z tworzywa sztucznego (PE HD, PVC) w większości przypadków wypierających materiały tradycyjne, takie jak żeliwo i stal.

Fot. 1 Nieszczelność występująca na połączeniu kielichowym

Drugim parametrem, który istotnie wpływa na wielkość strat wody przy usuwaniu awarii, jest czas od wystąpienia awarii do jej usunięcia. Proces usuwania awarii można podzielić na trzy fazy [8]:

1) powiadomienie – czas upływający od momentu pojawienia się wycieku do odebrania zgłoszenia przez przedsiębiorstwo, średnio wynosi ok. 100–120 dni;

2) lokalizacja – czas upływający od zgłoszenia wycieku do rozpoczęcia naprawy;

3) naprawa – czas upływający od rozpoczęcia naprawy do jej zakończenia.

Dla przedsiębiorstw wodociągowych niezwykle istotna jest faza pierwsza – powiadomienie. Ma ona bezpośredni wpływ na straty wody, szczególnie gdy wycieki naprawiane są wówczas, gdy zostaną zgłoszone.

Rys. 1 Nieszczelność występująca na połączeniu kielichowym

W procedurze wykrywania, lokalizacji i usuwania wycieków wody istotną rolę odgrywa podział na trzy przedziały czasu (rys. 1): 

– czas wykrycia – powiadamiania (Tp): średni czas upływający od wystąpienia przecieku wody do powiadomienia o nim przedsiębiorstwa wodociągowego; 

– czas lokalizacji – reakcji (Tl): średni czas, jaki upływa od zgłoszenia awarii do wyłączenia wody lub rozpoczęcia naprawy połączonej z wyłączeniem wody (uwzględniający również czas potrzebny na zlokalizowanie uszkodzenia);

– czas naprawy – koniec awarii (Tn): średni czas mierzony od rozpoczęcia naprawy do jej zakończenia.

Objętość strat wody jest wprost proporcjonalna do sumy czasów Tp + Tl i wynosi:

V_STR = (Tp + Tl) Q przecieku 

Czas usuwania awarii wyrażony w godzinach według danych Izby Gospodarczej Wodociągi Polskie wynosi: do 5 godzin w 60–90% przypadków, do 8 godzin w 10–30%, do 12 godzin w 5–15%, do 24 godzin w 0–5% i powyżej 24 godzin w 0–2%.

Orientacyjne objętości traconej wody w wyniku jej wypływu z dziury (awarii) o określonej średnicy i panującym w sieci ciśnieniu operacyjnym podano w tab. 1. Jak widać, objętości wody traconej do gruntu są znaczące. Należy podkreślić, że wypływ ten zależny jest również od rodzaju gruntu i materiału rurociągu.

Tab. 1 Natężenie wypływu wody z otworów zależne od średnicy uszkodzenia i ciśnienia w sieci – szacunkowe straty wody w wyniku awarii

Przecieki są naturalnym zjawiskiem występującym podczas eksploatacji sieci wodociągowych. Nie można przewidzieć ani czasu, ani miejsca ich wystąpienia, a w wielu przypadkach nawet nie wiadomo o ich istnieniu, dopóki nie wywołają zauważalnych skutków – często poważnych strat. Tak jak w przypadku każdego uszkodzenia jedynym sposobem likwidacji przecieków jest jak najszybsze ich wykrycie i usunięcie, zanim spowodują poważne straty.

Fot. 2 Awaria wodociągu PVC DN 200 – nacisk punktowy

Wykrywanie i usuwanie nawet małych przecieków to z jednej strony korzyści finansowe dla przedsiębiorstwa wodociągowego przez ograniczanie strat wody w układzie dystrybucji, a z drugiej strony to zabezpieczenie przed poważnymi awariami. Istotny jest również aspekt ochrony środowiska, a przede wszystkim bardziej racjonalna gospodarka zasobami wody, zmniejszenie zużycia chemikaliów przy uzdatnianiu wody oraz zużycia energii elektrycznej niezbędnej do wtłoczenia wody do sieci.

Usuwanie przecieków można realizować na dwa sposoby: albo wykrywać ich istnienie i usuwać niezauważalne przecieki, albo usuwać tylko te przecieki, które wywołują zauważalne skutki. Niestety większość przedsiębiorstw wodociągowych reaguje tylko na zauważalne przecieki i przystępuje do ich usuwania z różnymi efektami. Problem niezauważalnych przecieków jest natomiast pomijany, mimo że obecnie technika oferuje skuteczne metody poszukiwania i prowadzenia całych programów poszukiwań niewidocznych przecieków. W wielu krajowych zakładach wodociągowych prowadzi się je przy wykorzystaniu sprzętu do:

– lokalizacji podziemnych sieci i armatury,

– kontroli szczelności sieci,

– lokalizacji wycieków,

– monitorowania oraz rejestracji przepływu i ciśnienia wody.

Obecnie dąży się do skracania czasu wykrycia, lokalizacji oraz usunięcia wycieków wody z przewodów wodociągowych, co przekłada się na poprawę w postaci obniżenia strat wody w sieci wodociągowej.

Fot. 3 Awaria stalowego wodociągu DN 1000 – wada materiału

Główne przyczyny awarii sieci wodociągowych

Awarie w sieci wodociągowej występują na przewodach o średnicach 300–1400 mm, powodują znaczne i zauważalne zniszczenie jezdni, chodników, zalewanie piwnic i garaży budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej, uszkodzenie infrastruktury podziemnej itp. Awarie mogą mieć charakter nagły – z dużym wypły­wem wody, lub stopniowy – z niewielkim wypływem wody w początkowej fazie (rys. 1). Awarie nagłepowstają w wyniku znaczących zmian cech wytrzymałościo­wych materiału. Nie można przewidzieć czasu ich wystąpienia i długości trwa­nia. Przyczynami awarii nagłych są obciążenia statyczne, dynamiczne i termicz­ne, wady materiałowe, uszkodzenia mechaniczne. Awarie stopniowe,jak nazwa wskazuje, powstają powoli na skutek nieodwracalnych zmian właściwości pierwotnych materiału w wyniku zużycia technicznego, zmęczenia bądź starzenia. Możliwe jest ich prognozowanie na podstawie wyników badań niezawodnościowych pracy układu.

Każda awaria wodociągowa jest zjawiskiem losowym. Można ją opisać, charakteryzując jej genezę, czyli ze­spół warunków i przyczyn, które złożyły się na jej powstanie, siły powodujące zniszczenie elementów układów wodociągowych i otoczenia, objętość wody, jaka wypłynęła z uszkodzonego elementu, skutki poawaryjne.

Główne przyczyny awarii w sieci wodociągowej związane są z: nieodpowiednią jakością wykonania, niewłaściwą eksploatacją i  wadliwym projektowaniem.

Fot. 4 Rury żeliwne na podłączeniu wodociągowym z 1935 r.

W przypadku wystąpienia awarii bardzo istotne staje się wstępne ustalenie jej przyczyn.

Gdy niemożliwe jest określenie bezpośredniej przyczyny awarii, konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych badań specjalistycznych, takich jak określenie stopnia korozji, zbadanie wytrzymałości materiału.

Systemy dystrybucji wody są układami hydraulicznymi i dynamicznymi o ciągle zmieniających się (w pewnych granicach) parametrach, jakimi są ciśnienie i przepływ. Sieci wodociągowe mają zmienną strukturę nie­zawodnościową, a potwierdzeniem tego jest fakt, że ciśnienie wody nie jest wartością stałą, lecz zmienną w poszczególnych godzinach lub dobach. Powoduje to zmęczenie materiału, z którego zbudowane są elementy (żeliwo, stal, tworzywo sztuczne), innymi słowy zniszczenie jego wytrzymałości w wyniku wielokrotnych obciążeń dynamicznych spowodowanych ciągle zmieniającymi się wartościami ciśnienia wody oraz uderzeniami hydraulicznymi związanymi z nieprawidłową gospodarką powietrzem w sieciach dystrybucji wody.

Do sił wewnętrznych można zaliczyć również obciążenia termiczne powstające na skutek zmiany temperatury wody tłoczonej do układów dystrybucji wody.

Do sił zewnętrznych należą: obciążenia statyczne (od ciężaru gruntu i pojazdów), obciążenia dynamiczne (od ruchu pojazdów kołowych, szynowych i innych) oraz naprężenia w podłożu gruntowym spowodowane np. realizacją głębokich wykopów.

Sieć wodociągowa to przewody – rury wraz z uzbrojeniem i urządzeniami, którymi dostarczana jest woda pobierana z ujęć do odbiorcy. Do podstawowych zadań sieci przesyłowych należy zapewnienie dostaw potrzebnej objętości wody o wymaganej jakości, pod odpowiednim ciśnieniem, bez przerw, przy minimalnych kosztach budowy i eksploatacji.

Fot. 5 Inkrustracja – przewód przyłącza wodociągowego

Każda awaria powstała w sieci wodociągowej powoduje przerwę w ciągłości dostaw wody do odbiorców. Najczęściej mamy do czynienia z brakiem szczelności i przepustowości oraz z uszkodzeniami uzbrojenia, wymagającymi napraw z zamknięciem dopływu wody w sieci wodociągowej.

Nadmierne ciśnienie. Ze względu na ukształtowanie terenu w systemach wodociągowych występują duże różnice wysokości między ujęciami i zbiornikami wody a odbiorcami. W ten sposób istnieją obszary, w których występują nadwyżki ciśnienia. Nadmierne ciśnienie w sieciach rozdzielczych przyczynia się bezpośrednio do zwiększenia liczby awarii dla przewodów wykonanych z różnych materiałów, w gruntach o wysokim stopniu agresywności, a także do utraty szczelności połączeń kielichowych rur żeliwnych i zasuw.

Wadliwe ułożenie przewodu wodociągowego w gruncie. To częsta przyczyna powstawania uszkodzeń i nieszczelności w sieciach wodociągowych. Dotyczy szczególnie rur posadowionych w gruntach nadmiernie nawodnionych, osiadających czy skalistych. Brak odpowiedniego zagęszczenia gruntu, a także niezastosowanie podsypki i obsypki nad rurą przewodową skutkuje powstawaniem uszkodzenia na skutek przesunięcia osiowego rury lub nacisku punktowego podłoża rodzimego (fot. 2). W przypadku połączeń kołnierzowych powoduje przesunięcie osiowe rury i w rezultacie pęknięcie korpusu przewodu. Należy zwrócić uwagę na narastające skutki, które powoduje wypływająca woda. Może ona wypłukiwać spodnią warstwę podłoża, rozszczelniając kolejne odcinki. Lokalizacja nieszczelności w wymienionych wcześniej gruntach jest szczególnie pracochłonna ze względu na brak wypływu wody na powierzchnię terenu.

Uderzenia hydrauliczne. Powstają na skutek nagłej zmiany prędkości przepływu wody silnie oddziałującej na wewnętrzne ścianki rury przesyłowej oraz jej połączenia. W skrajnych przypadkach może to doprowadzić do pęknięcia korpusu rury. Najbardziej odpornym materiałem na skutki oddziaływania uderzeń hydraulicznych jest polietylen, charakteryzujący się zdolnością do sprężystego odkształcania podczas działania nadmiernego ciśnienia.

Nieprawidłowo stosowane materiały. Sieci wodociągowe zbudowane są głównie z: żeliwa, PVC, PE HD, stali i AC. Materiał nieodpowiednio dobrany do planowanych warunków pracy przyczynia się do powstawania licznych nieszczelności. Czynniki zewnętrzne działające na rurę, takie jak obciążenie dynamiczne, nadmierne wstrząsy czy drgania, wymuszają dobór materiałów o odpowiednich parametrach technicznych. Trafny wybór materiału zapewnia prawidłową eksploatację sieci wodociągowej.

Fot. 6 Awaria na rurze przyłącza wody – perforacja ocynkowanej stalowej rury

Wady materiałowe. Wyróżnić należy wady materiałowe powstałe w czasie procesu produkcji (fot. 3) oraz wady materiałowe nabyte podczas transportu lub składowania i magazynowania.

Nadmierny wiek rurociągu. Powszechnie panująca opinia, że im starsza sieć wodociągowa, tym wyższe prawdopodobieństwo wystąpienia awarii, nie zawsze sprawdza się w praktyce. Na fot. 4 (rura z 1935 r.) można zauważyć brak oznak zużycia materiału mimo czasu eksploatacji wynoszącego ponad 70 lat. Za zły stan techniczny materiałów odpowiada wiele czynników, m.in. dokładność wykonania wyrobu i jego montażu. Po roku 1945 dokładność wykonania krajowych wyrobów uległa znacznemu pogorszeniu, co wpłynęło na obniżenie parametrów technicznych. Zazwyczaj, szczególnie dla rur stalowych i żeliwnych, na skutek upływu czasu średnica eksploatowanego rurociągu się zmniejsza i pogarszają się własności hydrauliczne sieci wodociągowej. Z drugiej strony starzenie się materiału powoduje, że łatwiej ulega on uszkodzeniom.

Wzrost oporności hydraulicznej. Występuje głównie na przewodach wykonanych ze stali i żeliwa. Oporność hydrauliczna wzrasta na skutek zachodzących procesów fizykochemicznych, w wyniku których następuje odkładanie się związków chemicznych na wewnętrznych ściankach rury. Proces ten powoduje zmniejszenie przekroju przepływu rury (fot. 5). Dla zapewnienia ciągłości dostaw wody o odpowiednich parametrach zwiększa się ciśnienie w danej strefie, aby pokonać narastający opór hydrauliczny, co skutkuje zwiększeniem liczby awarii. Problemem są również zgromadzone osady powodujące wtórne zanieczyszczenie wody. Po oderwaniu się osadu od wewnętrznych powierzchni ścianki (zwykle po zmianie kierunku przepływu wody) następuje zabarwienie wody na kolor brunatny. Częstym zjawiskiem jest zapychanie filtrów wody u odbiorców, czyli utrudnienia w prawidłowej eksploatacji instalacji wodociągowej.

Działalność górnicza. Ruch górotworu, powodujący obniżenie terenu na powierzchni. Następstwami tego procesu jest rozszczelnienie połączeń w sieci wodociągowej oraz niszczenie zabudowanej armatury. W przypadku połączeń tzw. sztywnych ruchy gruntu powodują pękanie rur na korpusach lub na złączach, powodując całkowitą utratę szczelności układu.

Badania potwierdzają, że największą podatność na awarie mają sieci wodociągowe wykonane ze stali, szczególnie podatne na korozję. Następnym materiałem po stali wykazującym zdolności do uszkodzeń jest żeliwo szare, jego awaryjność jest mniejsza. Z rozpatrywanych materiałów do budowy sieci wodociągowych najlepiej sprawdzają się tworzywa sztuczne, jak PE HD czy PVC. Problemem tworzyw sztucznych są utrudnienia w wykrywaniu awarii przez urządzenia do poszukiwania wycieków – przyrządy te analizują szumy, które tworzywa sztuczne skutecznie tłumią. Stal oraz żeliwo szczególnie osłabione wpływem korozji dużo gorzej znoszą zmiany ciśnienia, nadmierne ciśnienie, uderzenia hydrauliczne niż przewody wykonane z tworzyw sztucznych. PE HD oraz PVC są materiałami dużo bardziej elastycznymi.

Przyłącza wodociągowe. Przyłącza, zwłaszcza te wykonane z rur ze stali ocynkowanej, są najbardziej awaryjne – jak wynika z analiz w kilkudziesięciu zakładach eksploatujących sieci wodociągowe na terenie Śląska. Wżerowa korozja punktowa może być spowodowana agresywnym środowiskiem wspomaganym prądami błądzącymi (fot. 6).

dr inż. Florian G. Piechurski

Instytut Inżynierii Wody i Ścieków

Politechnika Śląska Gliwice

Śląska Izba Budownictwa

Literatura

1. A. Lambert, R. McKenzie, Practical Experience in using the Infrastructure Leakage Index, Paper to IWA Conference Leakage Management – A Practical Approach, Cyprus November 2002.

2. F. Zygmanowski, Walka ze stratami wody w sieciach wodociągowych, Warszawa 1957.

3. P. Dohnalik, Straty wody w miejskich sieciach wodociągowych, Polska Fundacja Ochrony Zasobów Wodnych, Bydgoszcz 2000.

4. M. Sozański, Wodociągi i kanalizacja w Polsce, tradycja i współczesność, Bydgoszcz 2002.

5. P. Dohnalik, Z. Jędrzejowski, Efektywna eksploatacja wodociągów. Ograniczanie strat wody, Lemtech, Kraków 2004.

6. S. Speruda, R. Radecki, Ekonomiczny poziom wycieków, Translator S.C.

7. S. Speruda, Optymalny poziom strat wody z wycieków w sieci wodociągowej, Akademia strat wody WaterKEY, Warszawa 2011.

8. H. Hotloś, Ilościowa ocena wpływu wybranych czynników na parametry i koszty eksploatacji sieci wodociągowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2007.

9. H. Berger, U. Roth, D. Sammet, Struktur und Entwicklung des Wasserverbrauchs in Wiesbaden, „GWF Wasser Abwasser”, Nr 9/1998.

10. M. Kwietniewski, W. Gębski, N. Wronowski, Monitorowanie sieci wodociągowych i kanalizacyjnych, PZIiTS, Warszawa 2007.

11. P. Tuz, Straty pozorne wody w systemie wodociągowym, „Magazyn Instalatora” nr 12/112/2007.

12. VAG – Guidelines for water loss reduction. A fokus on pressure management.

13. Zheng Yi Wu i inni, Water loss reduction, Bentley Institute Press, Pennsylvania 2011.

14. A. Kuliczkowski i inni, Technologie bezwykopowe w inżynierii środowiska, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, 2010.

Wykorzystane zostały materiały firmowe:

Inter Global – www.interglobal.pl

Seba Poland – www.sebakmt.com

Złote Runo – www.zloteruno.pl