Awarie w sieci wodociągowej wystę-pują na przewodach o średnicach 300–1400 mm, powodują znacz-ne i zauważalznacz-ne zniszczenie jezdni, chodników, zalewanie piwnic i garaży budynków mieszkalnych i użytecz-ności publicznej, uszkodzenie infra-struktury podziemnej itp. Awarie mogą mieć charakter nagły – z du-żym wypły wem wody, lub stopniowy – z niewielkim wypływem wody w po-czątkowej fazie (rys. 1). Awarie nagłe powstają w wyniku znaczących zmian cech wytrzymałościo wych materia-łu. Nie można przewidzieć czasu ich wystąpienia i długości trwa nia. Przy-czynami awarii nagłych są obciążenia
statyczne, dynamiczne i termicz-ne, wady materiałowe, uszkodzenia mechaniczne. Awarie stopniowe, jak nazwa wskazuje, powstają powo-li na skutek nieodwracalnych zmian właściwości pierwotnych materia-łu w wyniku zużycia technicznego, zmęczenia bądź starzenia. Możliwe jest ich prognozowanie na podstawie wyników badań niezawodnościowych pracy układu.
Każda awaria wodociągowa jest zja-wiskiem losowym. Można ją opisać, charakteryzując jej genezę, czyli ze-spół warunków i przyczyn, które zło-żyły się na jej powstanie, siły powodu-jące zniszczenie elementów układów wodociągowych i otoczenia, objętość wody, jaka wypłynęła z uszkodzonego elementu, skutki poawaryjne.
Główne przyczyny awarii w sieci wo-dociągowej związane są z: nieod-powiednią jakością wykonania, nie-właściwą eksploatacją i wadliwym projek towaniem.
W przypadku wystąpienia awarii bar-dzo istotne staje się wstępne ustale-nie jej przyczyn.
Gdy niemożliwe jest określenie bezpo-średniej przyczyny awarii, konieczne jest przeprowadzenie szczegółowych badań specjalistycznych, takich jak określenie stopnia korozji, zbadanie wytrzymałości materiału.
Systemy dystrybucji wody są ukła-dami hydraulicznymi i dyna micznymi o ciągle zmieniających się (w pewnych granicach) parametrach, jaki mi są ciśnienie i przepływ. Sieci wodocią-gowe mają zmienną strukturę nie-zawodnościową, a potwierdzeniem tego jest fakt, że ciśnienie wody nie jest wartością stałą, lecz zmienną w poszczególnych godzinach lub do-bach. Powoduje to zmęczenie ma-teriału, z którego zbudowane są elementy (żeliwo, stal, tworzywo sztuczne), innymi słowy zniszcze-nie jego wy trzymałości w wyniku Przekrój Litry/min. Litry/godz. m3/dzień m3/miesiąc m3/rok
6,0 barów
2 mm 5.00 300.00 7.00 216.00 2.592.00
4 mm 18.40 1.104.00 26.40 792.00 9.504.00
6 mm 40.00 2.400.00 57.60 1728.00 20.736.00
8 mm 70.20 4.212.00 100.80 3.024.00 36.288.00
3,0 bary
2 mm 3.20 192.00 4.60 138.00 1.656.00
4 mm 12.00 720.00 17.20 516.00 6.192.00
6 mm 27.00 1.620.00 38.80 1.164.00 13.968.00
8 mm 48.00 2.880.00 69.12 2.073.00 24.876.00
1,5 bara
2 mm 1.80 108.00 2.50 75.00 900.00
4 mm 7.00 420.00 10.00 300.00 3.600.00
6 mm 15.00 900.00 21.60 648.00 7.776.00
8 mm 27.00 1.620.00 38.00 1.164.00 13.968.00
t e chn o l ogi e
Fot. 2
Awaria wodociągu PVC DN 200 – nacisk punktowy
wielokrotnych obciążeń dynamicznych spowodowanych ciągle zmieniającymi się wartościami ciśnienia wody oraz uderzeniami hydraulicznymi związany-mi z nieprawidłową gospodarką powie-trzem w sieciach dystrybucji wody.
Do sił wewnętrznych można zali-czyć również obciążenia termiczne powstają ce na skutek zmiany tem-peratury wody tłoczonej do układów dystrybucji wody.
Do sił zewnętrznych należą: obciąże-nia statyczne (od ciężaru gruntu i po-jazdów), obciążenia dynamiczne (od ruchu pojazdów kołowych, szynowych i innych) oraz naprężenia w podłożu gruntowym spowodowane np. realiza-cją głębokich wykopów.
Sieć wodociągowa to przewody – rury wraz z uzbrojeniem i urządzeniami, którymi dostarczana jest woda pobie-rana z ujęć do odbiorcy. Do podstawo-wych zadań sieci przesyłopodstawo-wych należy zapewnienie dostaw potrzebnej obję-tości wody o wymaganej jakości, pod odpowiednim ciśnieniem, bez przerw, przy minimalnych kosztach budowy i eksploatacji.
Każda awaria powstała w sieci wodo-ciągowej powoduje przerwę w ciągło-ści dostaw wody do odbiorców. Naj-częściej mamy do czynienia z brakiem szczelności i przepustowości oraz z uszkodzeniami uzbrojenia, wymaga-jącymi napraw z zamknięciem dopływu wody w sieci wodociągowej.
Nadmierne ciśnienie. Ze względu na ukształtowanie terenu w systemach wodociągowych występują duże różni-ce wysokości między ujęciami i zbior-nikami wody a odbiorcami. W ten sposób istnieją obszary, w których występują nadwyżki ciśnienia. Nad-mierne ciśnienie w sieciach rozdziel-czych przyczynia się bezpośrednio do zwiększenia liczby awarii dla prze-wodów wykonanych z różnych mate-riałów, w gruntach o wysokim stop-niu agresywności, a także do utraty szczelności połączeń kielichowych rur żeliwnych i zasuw.
Wadliwe ułożenie przewodu wodociągo-wego w gruncie. To częsta przyczyna powstawania uszkodzeń i nieszczel-ności w sieciach wodociągowych.
Dotyczy szczególnie rur
posadowio-nych w gruntach nadmiernie nawod-nionych, osiadających czy skalistych.
Brak odpowiedniego zagęszczenia gruntu, a także niezastosowanie pod-sypki i obpod-sypki nad rurą przewodową skutkuje powstawaniem uszkodzenia na skutek przesunięcia osiowego rury lub nacisku punktowego podłoża rodzi-mego (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 od-cinki. Lokalizacja nieszczelności w wy-mienionych wcześniej gruntach jest szczególnie pracochłonna ze względu na brak wypływu wody na powierzch-nię terenu.
Uderzenia hydrauliczne. Powstają na skutek nagłej zmiany prędkości prze-pływu wody silnie oddziałującej na we-wnętrzne ścianki rury przesyłowej oraz jej połączenia. W skrajnych przypad-kach może to doprowadzić do pęknię-cia korpusu rury. Najbardziej odpornym
materiałem na skutki oddziaływania uderzeń hydraulicznych jest poliety-len, 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 dobra-ny do planowadobra-nych warunków pracy przyczynia się do powstawania licz-nych nieszczelności. Czynniki ze-wnętrzne działające na rurę, takie jak obciążenie dynamiczne, nadmierne wstrząsy czy drgania, wymuszają do-bór materiałów o odpowiednich para-metrach technicznych. Trafny wybór materiału zapewnia prawidłową eks-ploatację sieci wodociągowej.
Wady materiałowe. Wyróżnić należy wady materiałowe powstałe w cza-sie procesu produkcji (fot. 3) oraz wady materiałowe nabyte podczas transportu lub składowania i maga-zynowania.
Nadmierny wiek rurociągu. Powszech-nie panująca opinia, że im starsza sieć wodociągowa, tym wyższe prawdopo-dobieństwo wystąpienia awarii, nie zawsze sprawdza się w praktyce.
Na fot. 4 (rura z 1935 r.) można
Fot. 3 Awaria stalowego wodociągu DN 1000 – wada materiału
zauważyć brak oznak zużycia mate-riału mimo czasu eksploatacji wyno-szącego 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 znaczne-mu pogorszeniu, co wpłynęło na ob-niżenie parametrów technicznych.
Zazwyczaj, szczególnie dla rur sta-lowych i żeliwnych, na skutek upły-wu czasu średnica eksploatowanego rurociągu się zmniejsza i pogarszają się własności hydrauliczne sieci wo-dociągowej. Z drugiej strony starze-nie się materiału powoduje, że łatwiej ulega on uszkodzeniom.
Wzrost oporności hydraulicznej. Wy-stępuje głównie na przewodach wy-konanych ze stali i żeliwa. Oporność hydrauliczna wzrasta na skutek za-chodzących procesów fi zykochemicz-nych, 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 zwięk-sza się ciśnienie w danej strefi e, aby
pokonać narastający opór hydraulicz-ny, co skutkuje zwiększeniem liczby awarii. Problemem są również zgro-madzone osady powodujące wtórne zanieczyszczenie wody. Po oderwa-niu się osadu od wewnętrznych po-wierzchni ścianki (zwykle po zmianie kierunku przepływu wody) następuje zabarwienie wody na kolor brunatny.
Częstym zjawiskiem jest zapychanie fi ltrów wody u odbiorców, czyli utrud-nienia w prawidłowej eksploatacji in-stalacji wodociągowej.
Działalność górnicza. Ruch górotwo-ru, powodujący obniżenie terenu na powierzchni. Następstwami tego procesu jest rozszczelnienie połączeń w sieci wodociągowej oraz niszczenie zabudowanej armatury. W przypadku połączeń tzw. sztywnych ruchy grun-tu powodują pękanie rur na korpusach lub na złączach, powodując całkowitą utratę szczelności układu.
Badania potwierdzają, że największą podatność na awarie mają sieci wo-dociągowe wykonane ze stali, szcze-gólnie podatne na korozję. Następnym materiałem po stali wykazującym zdolności do uszkodzeń jest żeliwo szare, jego awaryjność jest mniej-sza. Z rozpatrywanych materiałów
t e chn o l ogi e
Fot. 4 Ι Rury żeliwne na podłączeniu wodociągowym z 1935 r.
Fot. 5 Ι Inkrustracja – przewód przyłącza wodociągowego
Fot. 6 Ι Awaria na rurze przyłącza wody – perforacja ocynkowanej stalowej rury
do budowy sieci wodociągowych najle-piej sprawdzają się tworzywa sztucz-ne, jak PE HD czy PVC. Problemem tworzyw sztucznych są utrudnienia w wykrywaniu awarii przez urządzenia do poszukiwania wycieków – przyrzą-dy te analizują szumy, które tworzy-wa sztuczne skutecznie tłumią. Stal oraz żeliwo szczególnie osłabione wpływem korozji dużo gorzej znoszą zmiany ciśnienia, nadmierne ciśnienie, uderzenia hydrauliczne niż przewo-dy 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 kilkudziesię-ciu zakładach eksploatujących sie-ci wodosie-ciągowe na terenie Śląska.
Wżerowa korozja punktowa może być spowodowana agresywnym śro-dowiskiem wspomaganym prądami błądzącymi (fot. 6).
Literatura
1. A. Lambert, R. McKenzie, Practical Experience in using the Infrastructure Leakage Index, Paper to IWA Conferen-ce Leakage Management – A Practical Approach, Cyprus November 2002.
2. F. Zygmanowski, Walka ze stratami wody w sieciach wodociągowych, War-szawa 1957.
3. P. Dohnalik, Straty wody w miejskich sieciach wodociągowych, Polska Fun-dacja Ochrony Zasobów Wodnych, Byd-goszcz 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, War-szawa 2011.
8. H. Hotloś, Ilościowa ocena wpływu wy-branych czynników na parametry i kosz-ty eksploatacji sieci wodociągowych, Ofi cyna Wydawnicza Politechniki Wro-cławskiej, Wrocław 2007.
9. H. Berger, U. Roth, D. Sammet, Struk-tur und Entwicklung des Wasserver-brauchs in Wiesbaden, „GWF Wasser Abwasser”, Nr 9/1998.
10. M. Kwietniewski, W. Gębski, N. Wro-nowski, Monitorowanie sieci wodocią-gowych i kanalizacyjnych, PZIiTS, War-szawa 2007.
11. P. Tuz, Straty pozorne wody w syste-mie wodociągowym, „Magazyn Insta-latora” nr 12/112/2007.
12. VAG – Guidelines for water loss re-duction. A fokus on pressure mana-gement.
13. Zheng Yi Wu i inni, Water loss redu-ction, Bentley Institute Press, Pennsyl vania 2011.
14. A. Kuliczkowski i inni, Technologie bez-wykopowe w inżynierii środowiska, Wy-dawnictwo Seidel-Przywecki, 2010.
Wykorzystane zostały materiały fi rmowe:
Inter Global – www.interglobal.pl Seba Poland – www.sebakmt.com Złote Runo – www.zloteruno.pl