В настоящее время достаточно сложной проблемой для коммунальных служб является поддержание эксплуатационных возможностей трубопроводных систем водоснабжения и канализации на должном уровне. На износ труб влияет окружающая среда, старение материала трубопровода, в том числе и коррозионный износ. Независимо от рода причин эксплуатационного износа, необходимо наладить непрерывный контроль за состоянием объектов, а также мониторинг состава среды. На сегодняшний день разрабатываются автоматизированные системы в области защиты от коррозии и предупреждения аварийных ситуаций на объектах водоснабжения и канализации.

Каждый человек понимает, что в его доме постоянно должны быть основные блага — вода и тепло. В современном мегаполисе эти блага были бы невозможными без существования трубопроводной системы. Вместе с тем, что городские водопроводные сети являются наиболее функционально значимым элементом системы водоснабжения, они считаются и наиболее уязвимыми. По-прежнему острой остается проблема износа трубопроводной сети. Проектирование водопроводов из стальных труб делается из расчета срока службы около 20–25 лет, тем не менее, как показывает опыт эксплуатации, уже примерно через 10 лет городские инженерные сети получают различные локальные разрушения, приводящие к потере прочности, а во многих случаях и к прорывам [1]. В результате этого возникают аварийные ситуации, для устранения которых необходимо проводить дорогостоящие ремонтные работы. По данным на 2010 г., было заменено 116,51 км ветхих водопроводных сетей на новые. Отмечено, что удельное количество повреждений на 1 км — 0,4 [2].

Причиной аварий на трубопроводах, как правило, является интенсивная коррозия труб, как с внутренней, так и с наружной стороны. Следует подчеркнуть, что возникновение течей обуславливается действием повышенных напряжений в местах утончения стенки трубы за счет протекания коррозионных процессов [3]. Коррозия трубопроводов – явление, обусловленное самопроизвольным разрушением металлов труб вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней и внутренней средой. Вследствие этого металл постепенно видоизменяется на ионном уровне (окисляется) и, распадаясь, исчезает с поверхности трубы. Это несет за собой изменение химических, механических свойств металла, а также эксплуатационных свойств металлоконструкций. Окисление металла может зависеть от характера жидкости, протекающей по трубопроводу, или от свойств среды, в которой проложен трубопровод. Эти факторы необходимо учитывать при выборе способов защиты от коррозии. В некоторых случаях целесообразно проводить усиленные меры по химической обработке воды, чтобы уменьшить ее коррозионные свойства, в других случаях – использовать защитные покрытия для внешней или внутренней поверхности труб, в третьих – применять специальные способы, например «катодную защиту». Однако для начала необходимо тщательно подобрать материал для трубопровода. Как правило, для городских трубопроводных систем чаще используют стальные трубы [2], которые являются наиболее подверженными коррозионным разрушением.  

Зачастую, водопроводные трубы для удобства укладывают в землю. Коррозия с наружной стороны в первую очередь обусловлена агрессивностью и повышенной влажностью среды, в которой проложен трубопровод. Поэтому на практике большое внимание уделяется борьбе с коррозией внешней поверхности стенок труб, т. е. с «почвенной» коррозией, которая характеризуется разрушающим действием на металл жидких электролитов (растворов солей), содержащихся в почве. Известно, что агрессивность среды зависит от многочисленных утечек в грунт стоков от изношенных канализационных систем [4]. Коррозионную агрессивность почвы оценивают посредством определения электрического сопротивления. Чем ниже этот показатель, тем агрессивнее воздействует грунт на стенки водопровода, и наоборот. Помимо состава грунта, немаловажными факторами, влияющими на износ трубопроводов, являются климатические условия, особенности трассы, условия эксплуатации. Такого рода воздействия приводят к деформации трубопроводов, вертикальным смещениям и, как следствие, обрыву. Наибольшую опасность представляют трубы больших размеров, так как при аварии на них произойдет значительная утечка, что приведет к загрязнению больших площадей.

Коррозия трубопровода с внутренней стороны обусловлена агрессивными свойствами протекающей по нему среды. Агрессивность среды (воды) зависит от той обработки, которой она подвергается на станции (коагуляция, флокуляция), а также от содержания в ней определенных компонентов (хлора, кислорода, карбонатов, бикарбонатов, фосфатов, сульфатов и др.). Агрессивность увеличивается при содержании в воде растворенных газов – воздуха и углекислого газа, и уменьшается при возрастании и жесткости [5]. Металл, пораженный коррозией, может продолжать эксплуатироваться в течение некоторого времени только при тщательном контроле со стороны персонала. Но даже в этом случае не исключено возникновение аварийных ситуаций.

Для предотвращения экономического, а также экологического ущерба от аварийности, необходимо комплексное применение средств противокоррозионной защиты и коррозионного мониторинга. Одна из основных задач коррозионного мониторинга - своевременное получение данных по коррозионному состоянию трубопроводов и эффективности ингибиторной защиты. Для получения в режиме реального времени информации об изменении коррозионной ситуации и эффективности защиты необходимо отслеживать изменения скорости коррозии и агрессивности сред. На крупных энергетических объектах контроль коррозионного состояния оборудования, как правило, ведётся. В противовес этому в коммунальной энергетике такой контроль практически не проводится, результатом чего и являются вышеупомянутые аварийные ситуации.

Выбор способов контроля или защитных мероприятий зависит в первую очередь от механизма развития коррозии, а также от характера ее проявления. При рассмотрении процесса коррозии определяют механизм химической реакции, лежащей в его основе. Если реакция идет в присутствии электролита, то такую коррозию принято называть электрохимической, или низкотемпературной, так как процесс протекает с заметной скоростью уже при температуре выше 0⁰С. Именно этот вид коррозии, как правило, преобладает при рассмотрении городских трубопроводных систем.

Другим немаловажным фактором для разработки систем коррозионного контроля является характер поражения. По этому принципу различают общую и местную (локальную) коррозию (рис. 1) [6].

Как было сказано выше, современные трубопро-водные системы жилищно-коммунального городско-го хозяйства характеризуются низкой надежностьюи высоким эксплуатационным износом. В качестве при-чин низкой надежности трубопроводов городов России можно отметить:

• коррозионный износ поверхности трубопроводов;
• несоответствие качества труб требованиям нормативных документов;
• использование труб из материалов, не способных выдержать фактические внешние и внутренние нагрузки, воздействующие на трубопровод;
• технологические работы по укладке и монтажу трубопроводов, не соответствующие нормами правилам;
• отсутствие необходимых мер по защите трубопроводов от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды;
• влияние окружающей среды;
• разрушающие внешние механические нагрузки.

Из этого следует вывод, что значительное количество трубопроводов сетей жилищно-коммунального городского хозяйства проложено из сравнительно дешевых стальных труб, без защиты их внутренней и внешней поверхности от коррозии. Катастрофические последствия этого проявляются лишь через несколько лет эксплуатации. На сегодняшний день одной из важнейших задач инженерной мысли является увеличение эксплуатационного срока трубопровода. Поэтому немаловажно развитие современных технологий, способствующих положительному разрешению вопроса.

Химическая обработка воды – немаловажный способ защиты внутненних стенок трубопроводов от коррозии. Основная цель – преобразовать потенциально агрессивную воду в слабокальцирующую. Известно, что присутствующие на внутренней поверхности трубы отложения солей кальция, образуют покрытие, защищающее его от коррозийного воздействия. Образованию таких отложений способствует умеренная жесткость воды. Затормозить коррозионные процессы можно с помощью добавления в воду ингибирующих веществ. В водопроводных сетях систем жилищно-коммунального городского хозяйства обработка воды сводится, как правило, к добавлению кальция [Ca(OH)₂], соды (NaНСO₃), и карбоната натрия (Na₂CO₃). Эффективным способом антикоррозийной защиты считается обработка воды полифосфатами (а также фосфатами и силикатами), которые корректируют чрезмерную жесткость воды, которая приводит к образованию нежелательных очагов известковых отложений. В стальных оцинкованных трубопроводах при добавлении в воду таких добавок на внутренней поверхности трубопровода образуется пленка, защищающая металл от коррозии. Такие реагенты применяются на участках водопровода, обеспечивающих распределение воды по отдельным точкам водоразбора, однако их разрешено применять и в водопроводных сетях питьевого назначения при условии соблюдения требований, установленных действующим санитарно-эпидемиологическим регламентом. Для определения оптимальных дозировок реагентов необходимы лабораторные исследования состава среды, ее коррозионной агрессивности и склонности к выпадению солей, а также дальнейший непрерывный лабораторный контроль ситуации на объекте.

Надежность и эффективность любого способа защиты обеспечивается, в том числе, периодическим осмотром сети трубопровода, проверкой работоспособности используемого оборудования и своевременным устранением неисправностей.

Защита от коррозии, а также контроль состояния труб в водопроводной и канализационной системе – задача не только изготовителей или строителей, но и проектировщика сети и конечного пользователя. Процесс коррозии зависит от недостаточно сбалансированного состава протекающей по трубам жидкости, некорректным сочетанием различных металлов или, наконец, недостаточным вниманием к защите трубопровода.

Трубопроводные системы жилищно-коммунального городского хозяйства для своего нормального функционирования нуждаются в высокоорганизованной и отлаженной работе всего технического персонала. Этот персонал отвечает не только за проведение всех необходимых мероприятий по ремонту трубопровода, но и организацию предупредительных работ, направленных на модернизацию и реконструкцию трубопроводов. Только в своевременном выполнении этих работ, вероятность возникновения различных аварийных ситуаций будет сведена к минимуму. Плановые мероприятия эксплуатационных служб включают не только ремонт трубопровода, но и различные работы по улучшению их состояния, а также наблюдение за правильной эксплуатацией водопроводных и канализационных систем.

Для качественного и своевременного ремонта водопровода в настоящее время недостаточно использования старых технологий. На смену им приходят новые малозатратные, экологически безвредные современные технологии, которые позволяют не только провести ремонт любой сложности за очень короткое время, но и идентифицировать дефект трубопровода сразу же после его появления. 

В настоящее время на водопроводных станциях многих городов эффективно внедряется использование автоматизированных систем учета аварий и повреждений трубопроводов и оборудования. Одной из таких систем является проект с техническими решениями по автоматизации средств электрохимической защиты и приборов контроля потока рабочей среды, работающие в поле сотовой связи GSM/GPRS (или через сеть Интернет) [7]. В состав разработанного проекта входят элементы силового и контрольно-измерительного оборудования, позволяющие контролировать и управлять процессом электрохимической коррозии в автоматическом режиме. При этом система обладает возможностью контроля рабочего потока и своевременного оповещения на пульт Центральной Диспетчерской службы (ЦДС) об аварийных ситуациях на трубопроводе. Задача контроля целостности трубопровода решается путем своевременной фиксации утечки за счет обнаружения волны давления, возникающей при сквозном свище в стенке трубопровода. В зонах, имеющих циклические нагрузки, дополнительно устанавливаются датчики акустической эмиссии, позволяющие выявлять динамику трещинообразования в корпусном оборудовании. Предлагаемая система включает в себя блоки оперативного и удаленного серверов, обеспечивающих непрерывное получение информации от объектов контроля в режиме реального времени (рисунок 2) [7].

Места, подверженные интенсивному эксплуатационному износу оснащаются средствами электрохимической защиты и приборами контроля состояния материала трубопровода и потока рабочей среды. С датчиков контроля (электроды сравнения, датчики расхода и АЭ), находящиеся непосредственно около трубопровода, параметрические сигналы поступают на оперативный модуль сбора и управления для дальнейшей передачи на пульт диспетчера в ЦДС, посредством сотовой связи GSM/GPRS, в режиме реального времени.

В качестве базы программного обеспечения центрального сервера используется SCADA-пакет, обеспечивающий поддержку технологий OPC XML. Automation Server и OPC-сервер, работающий под Windows. Вся поступающая информация накапливается но жестком диске и выводится на информационный экран ПК диспетчера в виде основных параметров, влияющих на протекание коррозионных процессов и контроля целостности трубопровода. В зависимости от показаний датчиков и установленных контрольных критериев, система в автоматическом режиме осуществляет управление катодными станциями.

На пульт диспетчера поступают следующие показания:

• величины напряжения и тока на выходе СКЗ, потенциала в точке дренажа;
• изменения напряжения питающей сети;
• суммарного времени наработки СКЗ под нагрузкой и потребления активной энергии за прошедший период;
• о несанкционированном доступе в шкаф катодных станций и модуль сбора и управления;
• данные расхода воды (рабочего продукта);
• скорости коррозии (по желанию заказчика);
• величины потенциала и тока в точке дренажа протекторных установок (если они установлены);
• данные с датчиков АЭ (если они установлены) о состоянии материала, на предмет наличия динамики трещинообразования

Система обладает визуальными и звуковыми ступенями предупреждения – тревога, опасность и норма, и в случае отклонения от нормы, не зависимо от человеческого фактора, срабатывает программа установленных допустимых значений. На основе сравнения непрерывно поступающих данных исключается фактор человеческой ошибки и повышается достоверность показаний.

Внедрение системы позволяет:

1. Обеспечить непрерывное получение информации о работе и параметрах системы.
2. В автоматическом режиме управлять коррозионной интенсивностью, вызванной как изменением свойств грунта, так и влиянием промышленных и гражданских объектов.
3. Контролировать расход воды, путем непрерывного сравнения поступающих данных и своевременно фиксировать образовавшиеся утечки на трубопроводе.
4. Экономить энергоресурсы от10 до20 %.
5. Снизить затраты на обслуживание трубопроводных систем.
6. Оперативно и своевременно ликвидировать аварии и аварийные ситуации, существенно снизить затраты, связанные с экологическими последствиями и восстановлением поврежденной территории города.

Таким образом, на сегодняшний день для обеспечения безопасной эксплуатации технологического оборудования систем водоснабжения и канализации необходимы постоянные лабораторные исследования агрессивности сред и подбор эффективных реагентов для защиты от коррозии и солеотложений, а также применение систем современного автоматизированного контроля ситуации для своевременного предотвращения экономических и экологических катастроф.