Мониторинг скрытых утечек на водопроводной сети
Доклад, представленный на международной конференции «NO-DIG — 2010». Авторы — А.Б. Косыгин, В.Н. Ханин, К.И.Государев, И.В. Фомина, Центр технической диагностики “Мосводоканал” (Россия, Москва).
Основной целью служб, эксплуатирующих водопроводные сети, является повышение качества и надежности водоснабжения потребителей. Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу по снижению количества повреждений на водопроводной сети города, уменьшить затраты на ремонтные работы.
Статистика количества аварий на водопроводной сети г. Москва указывает на постепенное, устойчивое их снижение. Снижение аварийности обусловлено увеличением объемов работ по перекладке трубопроводов, их реновации, применению новых, современных труб со значительно большим сроком эксплуатации, новых ремонтных комплектов и т.д. Число повреждений соединений труб в камерах и колодцах снизилось за 7 лет более чем в 2 раза. Сокращается и количество повреждений, ликвидация которых производится с раскопками.
Повышается надежность сетей. В связи с этим возрастает роль диагностики, профилактики водопроводной сети, осуществляемой Центром технической диагностики (ЦТД) “Мосводоканал”. Одним из методов такой диагностики, направленной на выявление аварийного участка на ранней стадии, является мониторинг водопроводной сети.
Целью комплекса работ, проводимых ЦТД “Мосводоканал” с помощью систем мониторинга SebaLog и Zonescan является обнаружение скрытых утечек — потерь воды, не проявляющихся выбиванием на поверхность или подтоплением различных подземных коммуникаций или сооружений, что определяет трудность их нахождения, при этом приводящих к значительным потерям воды. Так величина скрытых утечек в г. Москве не превышает 5%, однако в абсолютном выражении при водопотреблении городом 4,5 млн кубометров/сутки достигает 225 тыс. кубометров/сутки.
К вероятным источникам скрытых утечек можно отнести участки сети с большой аварийностью или же расположенные на набережных, рядом с ливневой канализацией, в грунтах с повышенной водопроницаемостью, то есть в местах, где вода из повреждённого водопровода не выходит на поверхность.
Актуальность данной работы для городской водопроводной сети состоит, во-первых, в поиске именно такой неявной (скрытой) утечки, когда потребление воды резко сокращается по неясным причинам, во-вторых, в случаях наличия признаков утечки – подтопление приямков ЦТП, подвалов зданий грунтовыми водами, канализационными водами, водой из сети горячего водоснабжения, как подтверждение отсутствия потери воды в водопроводе.
Существующие методы определения утечек: их достоинства и недостатки
В настоящее время существует целый ряд различных по природе и техническому осуществлению методов поиска утечек:
1. Визуальный контроль уровня воды в гидрантах при закрытии участка сети;
2. Анализ потерь воды с помощью лаборатории фирмы «Себа динатроник» по обнаружению и определению величины утечки на наружной сети города и внутренних сетях зданий;
3. Акустический метод;
4. Корреляционно-акустический метод;
5. Обнаружение утечки с помощью проталкиваемого микрофона GOK A-10;
6 Применение регистраторов шумов утечки (системы мониторинга в/сети);
7. Обнаружение наличия и места повреждения трубопровода с помощью приборов ТВ-диагностики: робототехнических комплексов, промышленных эндоскопов (при снятии давления воды).
8. Обследование водопроводных сетей на предмет поиска утечек методом применения газ-индикатора гелия, смеси газов водорода и азота.
Гидравлические методы
Данные способы определения утечки основаны на изменении гидравлических характеристик (уровня воды, давления в трубопроводе) при спуске (подаче) воды в трубопровод. Визуальный контроль воды в гидрантах проводится после прекращения подачи воды в участок сети: при наличии утечки уровень воды в гидранте падает, при отсутствии – остаётся прежним. Анализ потерь воды лабораторией фирмы «Себа динатроник» осуществляется подачей напора воды в отключённый участок трубопровода.
Существенным недостатком в данном случае является необходимость отключения участков сети трубопровода, что делает эти методы не оперативными и трудоёмкими в исполнении. В частности при пропусках арматуры требуется установка рассечек на трубопроводах.
Акустические методы
В настоящее время в МГУП “Мосводоканал” специалистами ЦТД поиск утечек преимущественно осуществляется более точными, позволяющими установить не только факт наличия, но и место утечки –акустическими методами. При этом задачи нахождения утечек из водопроводов решаются путем локализации места наибольшей интенсивности акустического «шума», появляющегося при резком изменении давления жидкости в месте повреждения трубопровода.
Чем больше разница давлений внутри трубопровода и вне его, тем больше интенсивность звуковых колебаний. Метод акустического нахождения мест повреждений трубопровода разделяется на 2 способа: слуховой или акустический и корреляционный.
Акустический метод. При акустическом способе находится место наибольшей величины колебаний на поверхности земли, связанных с утечкой.
Колебания грунта преобразуются датчиками сейсмического типа в электрический ток, который затем усиливается, фильтруется от посторонних шумов и его значение отображается на дисплее. Кроме этого усиленный электрический ток преобразуется в звуковые колебания в головных наушниках.
Корреляционно-акустический метод. При корреляционном способе устанавливаются 2 датчика сейсмического типа с обеих сторон поврежденного трубопровода с помощью магнитов. Колебания стенок трубы преобразуются в электрический ток, усиливаются, фильтруются от промышленных помех и излучаются передающими устройствами и процессор вычисляет расстояние от датчика до места повреждения.
При первом способе необходимо точно знать местоположение трубопровода и обладать прибором с максимальной чувствительностью к колебаниям грунта. При втором — длину участка трубопровода, диаметр, материал стенок трубы и иметь прибор, обладающий максимальной чувствительностью и помехозащищенностью к внешним шумам.
Таким образом, основным недостатком акустического метода является обнаружение всех шумов, что иногда не позволяет отличить шум утечки от постороннего шума. Более точный, быстрый и эффективный корреляционный метод в определённых случаях: полиэтиленовые трубы, резиновые уплотнения раструбов труб из ВЧШГ не указывает повреждения.
И, наконец, при работе с малыми уровнями утечек или с большими длинами участков трубопроводов величина уровня шума может быть меньше порога чувствительности и акустического и корреляционного приборов.
Обнаружение утечки с помощью проталкиваемого микрофона GOK A-10
Для поиска скрытых утечек на трубопроводах из разных материалов при неудовлетворительных акустических условиях и при малых утечках в ЦТД в последнее время применяется комплект для поиска мест повреждений GOK A-10.
В состав GOK A-10 входят: стекловолоконный локационный кабель на конце которого находится пьезо-микрофон и труба-шлюз с резьбой.
Принцип действия: пьезо-микрофон проталкивается в трубу, находящуюся под давлением через шлюз, до тех пор, пока шум утечки не будет максимальным. В этом случае пьезо-микрофон будет находиться непосредственно в месте утечки. Для усиления сигнала микрофона к прибору GOK A-10 через специальное переходное устройство подключается течеискатель HL 400 или HL 4000. Специальное переходное устройство используется также для того, чтобы подать сигнал на излучатель, размещенный в одном корпусе с пьезо-микрофоном. Местоположение излучателя, а следовательно, и места утечки, определяется с поверхности земли любым трассоискателем, настроенным на частоту излучателя, или менее точно — по длине вошедшего через шлюз стекловолоконного кабеля.
Сложностью в применении данного устройства является необходимость иметь набор фасонных частей-заглушек для различных диаметров задвижек с вваренным в них переходом для присоединения трубы-шлюза или же необходимость вваривать на месте производства работ штуцера под трубу-шлюз. Ограничивающим условием также является диаметр обследуемого трубопровода (до 300-400 мм), так как при большем диаметре происходит закручивание стекловолоконного кабеля внутри трубопровода по винтовой линии, что препятствует проталкиванию микрофона в трубопровод к месту утечки.
Однако благодаря тому, что микрофон в данном случае находится непосредственно в воде под давлением и при этом не регистрируются шумы окружающей среды, данный метод в отличие от других позволяет достичь очень высокой чувствительности и обнаружить даже достаточно малые утечки.
Обнаружение наличия и места повреждения трубопровода с помощью приборов ТВ-диагностики
Наибольшей трудностью в определении места повреждения обладают трубы из ВЧШГ при малых утечках из-за неплотности в раструбах или, наоборот, при значительном изливе через разгерметизированный раструб или поврежденную стенку трубопровода.. В этих случаях, а также при малых утечках из свищевых повреждений корреляционные и акустические течеискатели бессильны. Однако существует еще один способ определения мест повреждений, который с успехом используется в МГУП «Мосводоканал»- поиск утечек с использованием малогабаритных телевизионных диагностических комплексов.
Методика выполнения работ заключается в следующем. При малой величине утечки участок поврежденного трубопровода ставится под напор на один – два часа. Затем после снятия давления и опорожнения трубопровода, обеспечивается допуск ТВ комплексу внутрь трубопровода через подставу пожарного гидранта или через лаз. Место повреждения определяется по обратной инфильтрации воды внутрь трубопровода. К недостаткам данного метода определения можно отнести: определение места повреждения в 30% случаев и необходимость проведения хлорирования участка трубопровода после выполнения работ.
Таким образом, в настоящее время не существует универсального метода поиска утечки, позволяющего определить любую потерю воды (малую, большую), на трубопроводе из любого материала, поэтому только комплексное использование нескольких методов позволяет точно и быстро определять место утечки. Именно такой подход при оперативной работе по поиску “открытой” утечки осуществляется в ЦТД“ Мосводоканал”. Комплект оборудования по поиску мест повреждений, смонтированный на автомобилях типа «Газель» включает:
- корреляционный течеискатель;
- акустический течеискатель;
- трассоискатель;
- металлоискатель.
Принцип работы системы мониторинга скрытых утечек водопроводной сети
Все перечисленные ранее методы позволяют определять и скрытую утечку, однако наиболее точным, эффективным, позволяющим определить такую потерю воды на широком участке сети без его отключения является мониторинг сети на поиск скрытых утечек.
В ЦТД «Мосводоканал» он осуществляется с помощью систем SebaLog и Zonescan. Принцип работы этих систем основан на постоянном сборе информации об утечках в трубопроводах с помощью акустических датчиков-регистраторов (логгеров). При утечке вытекающая вода создает шумы (звуковые сигналы), которые фиксируются логгерами. Шум утечки постоянен, однако днем из-за высокого уровня помех (интенсивности уличного движения, высокого потребления воды, и так далее) прослушивание не производится. Акустические датчики – регистраторы программируются таким образом, чтобы шумы утечек записывались ночью (например, с 2:00 часов до 4:00 часов).
Система состоит из регистраторов уровня шума, блока управления и компьютера со специализированным программным обеспечением.
Единая сеть трубопровода разбивается на различные зоны, в которые регистратор в последующем будет устанавливаться. Затем устанавливаются параметры регистратора. На каждый километр сети трубопроводов необходимо определенное количество регистраторов, которое выбирается в зависимости отряда параметров: напора, материала, из которого изготовлена труба и ее диаметра, наличие ответвление/отводов.
Влияния посторонних шумов на точность измерений
Чем выше уровень посторонних постоянных шумов (например, поблизости находятся Вокзал, насосные станции и т. д.), тем количество регистраторов увеличивается на исследуемый участок трубопровода. Измерения системой при так называемых долговременных посторонних шумах возможны, так как между этими помехами есть короткие бесшумные паузы, а регистратор записывает самое минимальное значение уровня и частоты шума за определенное время. При этом влияние посторонних помех на измерение полностью исключаются. По значению записанной частоты можно судить: это шум от работы насосов в ЦТП (низкая частота) или шум от утечки (высокая частота – больше 400Гц).
Программное обеспечение устанавливается на компьютере, а затем переносится на блок управления. После этого программируются датчики-регистраторы (время измерения, время передачи радиосигнала, число данных измерений/промежутки между измерениями). Программирование может осуществляться напрямую через блок управления.
Регистратор может быть запрограммирован на длительную работу (без потерь записанных данных до 80 ночей), но в принципе достаточно, чтобы датчик-регистратор в течение одной ночи произвел измерения.
Для эксплуатации необходимы блок управления и компьютер. Коммуникация происходит всегда по цифровой радиосвязи между регистраторами и блоком управления. Эта система обладает дуплексным радиопередатчиком, позволяющая кроме того, что программировать датчики (установка измерительных параметров, синхронизации времени, и т. д.) так и считывать информацию с регистраторов.
Данные датчиков об измерениях считываться с помощью блока управления.
К пользователю по запросу передаются все данные о том определил ли регистратор утечку или нет. Эти данные сохраняются в принимающем устройстве и могут быть впоследствии записаны и выведены на компьютер.
Режимы работы системы
Реальный режим работы. Производятся измерения уровня сигнала в данный момент и устанавливается порог, при превышении которого сигнал будет идентифицирован как утечка.
Режим патрулирования. Этот режим в действительности и есть режим запроса установленных регистраторов. Запрос — это список со всеми регистраторами, с которыми установилась связь.
В верхней части показан график изменения уровня шумов утечки в зависимости от времени, а нижняя часть – изменение частоты шума в зависимости от времени. Возле уровня справа шкала от 0 до 100%, слева единичное измерение. Нижняя часть графика отображена частота шума утечки 0-2500 Hz, слева снова единичное измерение.
В конце работы производится статистическая обработка данных измерений.
Организация работы по мониторингу сети в ЦТД ”Мосводоканал”
Системы SebaLog и Zonescan используются в ЦТД с 2006 г. За 2 года работы с помощью этих систем обследовано 120 км в/сети города. Обнаружено 3 скрытых утечки.
Кроме того, эти системы были использованы в ряде случаев для подтверждения отсутствия скрытой утечки на участках водопроводной сети (это случаи при наличии признаков утечки – подтопление приямков ЦТП, подвалов зданий грунтовыми водами, канализационными водами, водой из сети горячего водоснабжения).
Выполнение работ производится специалистами участка гидравлических измерений цеха ДВС ЦТД. Звено в составе 3-х человек на автомобиле, оснащенной мотопомпой и электровентилятором, объезжает зону обследования сети, где снимает показания логгеров, устанавливает или переставляет логгеры в колодцы. Записанные в приемное устройство результаты (коммандер) затем переносятся в компьютер и анализируются ИТР в здании ЦТД. Таким образом, в банке данных накапливаются сведения о наличии, отсутствии утечек на обследуемых участках сети, а также данные об уровне шума и его частотной характеристике.
Так как количество логгеров (53 шт.) (23 шт. до 2008 г.), имеющиеся в ЦТД, и довольно напряженный план обследования сети (120 км – 2008 г.) не позволяют работать методом постоянного длительного прослушивания участка сети, то работа организована способом перестановки логгеров из колодца в колодец. При этом время прослушивания одного участка – не менее 3-х ночей. При обнаружении шума, вызывающего подозрение на утечку, прослушивание этого участка повторяется еще раз.
При получении результатов, указывающих на наличие утечки после 2-х этапов прослушивания, на место производства работ выезжает специалист участка поиска мест повреждений трубопроводов.
С помощью приборов корреляционных и акустических течеискателей он фиксирует факт и место утечки.
После проведения этих работ ИТР участка гидравлических измерений оформляет заявку на скрытую утечку в Единой приемной МГУП «Мосводоканал».
План развития системы мониторинга водопроводной сети в МГУП ”Мосводоканал”
Системы мониторинга в/сети являются современными, перспективными методами обнаружения скрытых утечек.
Согласно Программы развития ЦТД «Мосводоканал» в 2006-2010 гг. к 2010 году план по поиску скрытых утечек должен вырасти в четыре раза по сравнению с 2006 годом (40 км – 2006 год, 160 км- 2010 год).
Учитывая, что протяженность водопроводной сети г. Москвы примерно 11 тыс. км, что охват сетей системами мониторинга скрытых утечек незначителен (в силу малого количества логгеров, имеющихся в ЦТД: 23 в 2006 году, 53 в 2007). Также принимая во внимание то, что эффективность данного метода может быть максимальной только в случае постоянного прослушивания участков сети, т.е. при возможности периодического сравнения через определенные периоды времени уровня шума и частотной характеристики трубопровода предполагается приобрести в ЦТД еще 20 логгеров.
Таким образом, работа по поиску скрытых утечек с помощью систем мониторинга показала их эффективность в обнаружении таких потерь воды.
Данные системы позволяют обнаружить аварию на ранней стадии, вследствие чего уменьшаются затраты на восстановление аварийного участка трубопровода, а также освободить персонала водопроводных служб от ночной смены, что обуславливает актуальность их использования с экономической точки зрения.
С технической точки зрения этот метод более надёжен, чем другие существующие методы, позволяет охватывать широкую зону водопроводной сети, обнаруживать утечки на трубах из разных материалов.
Источник
