Analiza poważnych awarii przewodów wodociągowych na wybranych przykładach

Problem awarii przewodów wodociągowych jest ściśle powiązany z niezawodnym i bezpiecznym ich funkcjonowaniem [8, 13, 14]. Na awaryjność systemów wodociągowych składa się wiele czynników często nakładających się na siebie. Awaryjność można określić jako miarę niezawodności, czyli w przypadku sieci wodociągowych zdolność do zapewnienia dostaw wody do użytkowników w pożądanej ilości, o określonej jakości, pod odpowiednim ciśnieniem w rozpatrywanym czasie [7]. Awarie wodociągowe można więc definiować jako uszkodzenie elementów sieci wodociągowej, skutkujące ograniczeniem bądź niemożnością zapewnienia poszczególnych zadań sieci wodociągowej.

1. Wstęp

Awarie wodociągowe można podzielić na awarie o charakterze nagłym i stopniowym. Z awariami o charakterze nagłym mamy do czynienia podczas występowania dużych wypływów wody w krótkim czasie, natomiast awarie o charakterze stopniowym cechują się niewielkim natężeniem wypływu, które może się nasilić [10].

Uszkodzenia przewodów wodociągowych mogą mieć różne przyczyny, do których w głównej mierze należą fizyko-chemiczne procesy starzenia się rurociągów, niska jakość zastosowanych materiałów oraz błędy projektowe i wykonawcze [4, 5].

Do fizykochemicznych procesów starzenia się rurociągów zalicza się korozję rur żeliwnych, stalowych, azbesto-cementowych oraz zmniejszanie się elastyczności rur z PVC w funkcji czasu czy utratę wytrzymałości rur z polietylenu wcześniejszych generacji. Proces starzenia dotyczy nie tylko materiału konstrukcyjnego rur, ale również ich powłok ochronnych czy dawniej stosowanych materiałów uszczelniających.

Niska jakość materiałów zastosowanych do budowy infrastruktury sieciowej w dużej mierze powodowana jest wadami produkcyjnymi czy niewłaściwym doborem materiału do danych warunków wbudowania i eksploatacji.

Jako błędy wykonawcze traktuje się niewłaściwe posadowienie oraz wbudowanie, niepoprawne łączenie rur czy niewłaściwy transport i sposób ich składowania. Znaczna liczba uszkodzeń powodowana jest również zbyt płytkim układaniem, rur nieuwzględniającym rzeczywistych wartości głębokości przemarzania gruntu, na które wpływa wiele czynników (np. rodzaj gruntu, rodzaj przykrycia terenu).

Awarie przewodów wodociągowych mogą być również powodowane:

• zmianą obciążeń użytkowych od taboru samochodowego, względem tych, na które rurociąg był zaprojektowany;
• błędnym obliczaniem współczynnika dynamicznego;
• zmianą warunków gruntowo-wodnych w otoczeniu rurociągu;
• oddziaływaniem obciążeń od sąsiednich budowli;
• wzrostem naprężeń powodowanym przemarzaniem otoczenia gruntowo-wodnego w przypadku ułożenia rurociągu poniżej zwierciadła wody gruntowej;
• wzrostem ciśnienia wody w rurociągach;
• uderzeniem hydraulicznym;
• prądami błądzącymi powodującymi korozję elektrochemiczną rur stalowych i żeliwnych.

Prof. Marian Kwietniewski [7], z kolei, jako czynniki powodujące awaryjność sieci wodociągowych i kanalizacyjnych wymienia:

• czynniki związane z przewodem i jakością jego wykonania, do których zaliczono takie cechy przewodu, jak materiał z którego jest wykonany, rodzaj zabezpieczenia antykorozyjnego, średnicę, liczbę i rodzaj połączeń, wiek przewodu, ciśnienie i prędkość przepływu oraz korozyjność transportowanych mediów w stosunku do materiału przewodu;
• czynniki związane z otoczeniem przewodu, tj. warunki gruntowo-wodne oraz występujące obciążenia zewnętrzne;
• czynniki eksploatacyjne związane z kontrolą (monitoringiem) stanu technicznego przewodu oraz zakresem i intensywnością czynność konserwacyjnych.

W kraju ukazała się duża liczba publikacji dotyczących przyczyn awarii przewodów wodociągowych w różnych polskich miastach. Celem tego artykułu jest pokazanie m.in. przyczyn awarii przewodów wodociągowych w innych krajach w oparciu o dostępne publikacje zagraniczne.

Poniżej podano przykłady pięciu poważnych awarii przewodów wodociągowych, a następnie zestawiono w tabeli (tab. 1) przyczyny, konsekwencje oraz podejmowane działania naprawcze na przykładzie 18 różnych awarii.

.

2. Awaria wodociągu w Bostonie (USA) wstrzymująca dostawę wody do ok. 2 mln mieszkańców

W maju 2011 roku w Bostonie doszło do awarii magistrali [1, 2], której konsekwencją było zaprzestanie dostaw wody pitnej do prawie 2 mln mieszkańców miasta przez ponad dwa dni. Koszty naprawy przewodu wodociągowego o średnicy 3000 mm wyniosły 5 mln dolarów. Podczas wystąpienia awarii doszło do utraty ok. 969 mln litrów wody (265 mln galonów), która trafiła wraz z dużymi ilościami gruntu do pobliskiej rzeki Charles.

Uszkodzeniu uległo złącze zaciskowe rur, które zostało odnalezione po wykonaniu naprawy uszkodzonego miejsca. Wraz z zaciskiem znaleziono jedną nienaruszoną śrubę utrzymującą dwie części zacisku razem. Znaleziono również fragmenty dwóch innych śrub, nakrętek, podkładek i oringów oraz materiału izolacyjnego. Ustalenia wykazały, iż przyczyną  awarii było uszkodzenie złącza rur, a dokładniej zła jakość śrub użytych do skręcenia połączenia. Zespół badawczy wykazał ponadto, iż wiele ze śrub, które zabezpieczały połączenie rur mogło ulec pęknięciu już podczas montażu. Co więcej wykazano, iż w celu zapewnienia bezpieczeństwa połączenia należało zastosować większą ilość śrub dwustronnych o większym rozmiarze i lepszej jakości.

W trakcie dochodzenia ustalono również producenta połączenia zaciskowego oraz wadliwych śrub. Podczas sporządzania raportu, który był podstawą do złożenia pozwu w celu odzyskania środków finansowych poniesionych na pokrycie kosztów usunięcia awarii, wykluczono również inne możliwe przyczyny awarii, takie jak trzęsienie ziemi czy podziemne prądy błądzące. Raport wskazywał również na dodatkowe naprężenia działające na śruby spowodowane niezgodnym z instrukcją montażem.

Po awarii ponownie sprawdzono złącza na sieci, które posiadały podobną konstrukcję jak to złącze, które uległo awarii.

3. Awaria magistrali wodociągowej w pobliżu Kopenhagi spowodowana wykonaniem przewiertu sterowanego

W październiku 2000 roku uszkodzeniu uległ jeden z dwóch istniejących przewodów wodociągowych położonych na zachód od Kopenhagi, który wykonany był z rur żelbetowych z powłoką stalową w środku warstwy betonowej [2]. Rury takie posiadają szereg zalet, a ich odporność na uszkodzenia spowodowane korozją, parciem gruntu czy obciążeniem użytkowym od pojazdów jest bardzo duża. Do awarii doszło podczas wykonywania przewiertu sterowanego związanego z układaniem światłowodów. Uszkodzeniu uległa 60-letnia magistrala o średnicy 1100 mm, czego następstwem było wyłączenie z eksploatacji dwóch odcinków sieci o łącznej przepustowości wynoszącej 45 000 m³/d.

Przewiert sterowany, który spowodował uszkodzenia magistrali wodociągowej, wykonywany był przy użyciu głowicy z przewodem wiertniczym o średnicy 400 mm. Podczas prac wiertniczych głowica zablokowała się i nastąpił wtedy wypływ dużej ilości wody na powierzchnię terenu. Po odnotowaniu awarii zamknięto najbliższe zawory na magistralach odcinając przepływ wody. Wyłączono z eksploatacji w sumie 10,3 km przewodów dostarczających wodę do pięciu gmin aglomeracji kopenhaskiej. Dzięki alternatywnym źródłom zasilania w wodę, podczas usuwania skutków awarii mieszkańcy odczuli jedynie spadek ciśnienia wody. Po osuszeniu miejsca uszkodzenia i odkopaniu przewodu stwierdzono, iż uległ on uszkodzeniu w obrębie dna. Podczas wykonywania przewiertu rozwiertak natrafił na dno rury, zniszczył zewnętrzną powłokę betonową, skruszył zbrojenie, przedziurawił warstwę stalowej blachy i dostał się do wnętrza rury.

W trakcie wykonywania wykopu natrafiono na kabel wysokiego napięcia oraz kable telekomunikacyjne, które dodatkowo utrudniały naprawę magistrali wodociągowej. Miejscowy zarządca sieci wodociągowej poinformował również o występowaniu w bliskim sąsiedztwie uszkodzonej magistrali rury azbestocementowej o średnicy 400 mm, która dostarczała wodę do pobliskiej strefy przemysłowej.

Do naprawy zdecydowano się użyć specjalnych złączek marki Uni-Joint produkowanych w Holandii. Po tygodniu od wystąpienia awarii, dostarczone zostały złączki i rury naprawcze. Okazało się jednak, iż z powodu nieporozumienia pomiędzy zamawiającym a dostawcą, złącza nie pasowały do rury naprawczej. Zdecydowano się na cięcie złączy oraz przyspawanie odpowiednich fragmentów, które dopasowały je do rury naprawczej. Ostatecznie naprawa ta zakończyła się pomyślnie, a przewód wodociągowy okazał się szczelny. Niestety, analiza mikrobiologiczna przebadanych próbek wody wskazywała na niezadawalającą jakość wody, przez co konieczne było przepłukiwanie magistrali przez niemal dwa tygodnie.

Usunięcie awarii kosztowało około 2,0 mln koron duńskich (ponad 1 mln złotych) i wielokrotnie przekroczyło kwotę potrzebną na odkopanie magistrali podczas wykonywania przewiertu, co uchroniłoby ją od uszkodzenia. Wykonawca i jego ubezpieczyciel odmówili poniesienia kosztów za spowodowane szkody, twierdząc, że wina leży po stronie Departamentu Wodnego, który nie przekazał wykonawcy szczegółowej mapy terenu inwestycji.

4. Awaria przewodu wodociągowego w Londynie przyczyną uszkodzeń pojazdów na parkingu

W październiku 2016 roku w Londynie miała miejsce awaria, która spowodowała zaprzestanie dostaw wody oraz energii elektrycznej do setek gospodarstw domowych w południowo-wschodniej części miasta [2, 9]. Uszkodzeniu uległa magistrala wodociągowa o średnicy 304,8 mm (12 cali). Awaria po raz pierwszy wystąpiła we wtorkowe popołudnie, lecz naprawa usterki okazała się nieudana i już w sobotę złącze uległo ponownemu uszkodzeniu. Zdarzenie to, oprócz wstrzymania dostarczania wody pitnej, spowodowało również lokalne podtopienia. Woda zalała między innymi jedną z ulic oraz parking w centrum handlowym. Podtopienie podziemnego parkingu spowodowało uszkodzenia pojazdów pozostawionych tam na noc. Woda spowodowała napęcznienie polistyrenowej izolacji nawierzchni parkingu, przez co podniosła się ona o 1,22 m (4 stopy) powodując zmiażdżenie dachów samochodów o strop parkingu (rys. 4).Ze względu na lokalizację uszkodzenia i dużą głębokość posadowienia rury, naprawa okazała się trudna do wykonania, jednakże pracownicy w krótkim czasie opanowali sytuację. Dzięki dobrej organizacji okoliczne domy nie zostały podtopione, a bezpieczeństwo mieszkańców nie zostało zagrożone.

5. Awaria przewodu wodociągowego we Florencji przyczyną zapadnięcia się ulicy z pojazdami

W maju 2016 roku we Florencji zapadł się w wyniku awarii przewodu wodociągowego fragment ulicy wraz z zaparkowanymi tam pojazdami [2, 6, 15]. Sytuacja ta została spowodowana pęknięciem magistrali o średnicy 600 mm znajdującej się pod nawierzchnią ulicy. Badania potwierdziły wystąpienie dwóch przecieków, które spowodowały rozmycie gruntu, osłabienie podbudowy ulicy i w konsekwencji zapadnięcie się nawierzchni. Powstałe zapadlisko miało około 180 m długości i 6,5 m szerokości. Znalazło się w nim ponad 20 samochodów (rys. 5).

Przed przystąpieniem do wyciągania samochodów konieczne było wstrzymanie przepływu wody w sieci, odpompowanie wody z zapadliska oraz ustalenie, czy osłabiona nawierzchnia uliczna będzie w stanie utrzymać niezbędny do tej operacji dźwig. W ramach środków ostrożności mieszkańcy dwóch pobliskich domów zostali ewakuowani. Konsekwencją awarii było również odcięcie dostaw wody dla części mieszkańców miasta.

6. Wyciek wody w Scranton (USA), powodujący oblodzenie okolicznych obiektów

W mieście Scranton w Pensylwanii (USA) 12 lutego 2016 roku w godzinach nocnych doszło do awarii magistrali wodociągowej o średnicy około 300 mm (12 cali) przy jednej z ulic [2, 11]. Pęknięcie rury spowodowało wystąpienie około sześciometrowego słupa wody, który z powodu niskiej temperatury przyczynił się do oblodzenia całej okolicy. Pomimo szybkiego odcięcia przepływu wody, warstwą lodu pokryte zostały okoliczne domy, znaki drogowe, zaparkowane samochody czy nawet linie energetyczne, a na ulicach zalegał rozmoknięty śnieg. Wyciekająca woda dostała się również do piwnicy pobliskiego budynku mieszkalnego, powodując odcięcie centralnego ogrzewania. Ze względu na to, iż prognozowana temperatura w nocy miała wynosić około –12°C, konieczna okazała się ewakuacja 13 mieszkańców tego budynku.

Pracownicy przedsiębiorstwa wodociągowego Pensylwania American Water Co. ustalili, że przyczyną awarii był uszkodzony zawór przed hydrantem. Dzięki temu nie zaistniała konieczność odkopywania całego przewodu w celu naprawy. Największym wyzwaniem okazało się zamknięcie wszystkich pobliskich zaworów, do których dostęp ograniczała warstwa lodu. Infrastruktura wodociągowa w obrębie awarii została zbudowana zaledwie 10 lat wcześniej i administratorowi sieci nie udało się określić dokładnej przyczyny pęknięcia zaworu.

7. Zestawienie przyczyn i konsekwencji wystąpienia awarii oraz podjętych działań na przykładzie 18 różnych awarii przewodów wodociągowych

Dane związane z poddanymi analizie 18 przypadkami awarii wodociągowych, które wystąpiły w różnych krajach, zostały zestawione w tab. 1. Zawarto w niej informacje na temat lokalizacji awarii, parametrów przewodu (średnica, wiek, materiał), przyczyn i konsekwencji awarii oraz podjętych działań naprawczych.

Analizując omawiane przypadki awarii zauważyć można, iż najczęstszą ich przyczyną była korozja rury lub jej zbrojenia, w przypadku zastosowania rur o konstrukcji sprężonej. Zjawisko to miało miejsce 17-krotnie. Na drugie miejsce zaklasyfikowano pękające złącza rur z wynikiem siedmiu wystąpień. Z wynikiem trzykrotnego występowania odnotowano takie zdarzenia jak pękanie rury, uszkodzenia przewodów podczas prowadzenia innych prac czy uszkodzenie zaworu. Najrzadziej występowały awarie, których przyczyną była kruchość wodorowa strun w rurach z betonu sprężonego, błąd pracowników, zła jakość użytych rur czy znaczący ich wiek.

Kolejnym ważnym aspektem związanym z awariami magistrali wodociągowych są ich konsekwencje. Na podstawie danych literaturowych dokonano zestawienia tychże konsekwencji w formie wykresu (rys. 8), który przedstawia częstotliwość wystąpienia poszczególnych konsekwencji wywołanych uszkodzeniami przewodów wodociągowych. Nieodłączną konsekwencją awarii wodociągowych są straty wody. Utrata dużych ilości wody oraz przerwanie dostaw wody pitnej do mieszkańców wystąpiło w omawianych przypadkach odpowiednio 12 i 10 razy. Częstymi konsekwencjami analizowanych awarii okazały się również lokalne podtopienia, zalania i uszkodzenia budynków. Stany awaryjne przewodów wodociągowych powodują często konieczność ograniczenia ruchu pieszych i pojazdów w miejscu awarii, zapadnięcia nawierzchni czy uszkodzenia pojazdów. W skrajnych przypadkach bywa, iż konieczna staje się ewakuacja mieszkańców. Często koszty niezbędnych napraw są bardzo wysokie. Najrzadziej występującymi konsekwencjami analizowanych awarii okazało się opróżnianie miejskiego zbiornika wody, pokrycie ulicy warstwą lodu czy konieczność szybkiego uruchomienia zastępczego ujęcia wody.

8. Podsumowanie

Przedstawiona w artykule analiza 18 przypadków awarii wodociągowych, które wystąpiły w innych krajach, wskazuje na zróżnicowane przyczyny zaistniałych zdarzeń. Z uwagi na to, iż awarie wodociągowe powodują duże straty finansowe oraz wysokie koszty społeczne i środowiskowe, należy zadbać o to, aby awarie były możliwie jak najszybciej usuwane. Sprawowanie właściwego nadzoru nad siecią wodociągową może przyczynić się do zredukowania częstotliwości występowania awarii. Okresowa kontrola stanu technicznego oraz ocena bezpieczeństwa konstrukcyjnego wodociągów może pozwolić na zredukowanie bądź uniknięcie występowania sytuacji awaryjnych [3, 6]. W przypadku stwierdzenia niezadowalającego stanu technicznego danego przewodu można zastosować odpowiednią do danych warunków metodę bezwykopowej odnowy, co pozwala na wydłużenie bezpiecznego czasu eksploatacji magistral wodociągowych nawet o ponad pięćdziesiąt lat [12].

Brak prowadzenia monitoringu sieci wodociągowej skutkować może tym, iż w określonych sytuacjach renowacja (ang. non structural rehabilitation) okazać się może niewystarczająca (np. gdy przewód nie zachowuje wymaganej wytrzymałości mechanicznej) i wtedy będzie już konieczna jego bezwykopowa rekonstrukcja (ang. fully structural rehabilitation) bądź wymiana przewodów bezwykopowa lub realizowana w wykopie, co wiąże się ze znacznie wyższymi kosztami. Prac konserwacyjnych, renowacyjnych czy rekonstrukcyjnych nie należy traktować jedynie jako działań doraźnych lecz powinny być one ujęte w ramach wieloletnich planów, co pozwoli na zachowanie zadawalającego stanu infrastruktury wodociągowej.

9. Literatura

[1] Daley B., Wrong studs led to water main break, report says, The Boston Globe, strona internetowa: www.archive.boston.com/news/local/massachusetts/articles/2011/05/26/wrong_studs_led_to_2010_water_main_break_report_says/?page=1 [dostęp: 02.2018].

[2] Kotwica K., Studium przyczyn i konsekwencji awarii przewodów wodociągowych, (niepublikowana praca magisterska, promotor E. Kuliczkowska), Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2017.

[3] Kuliczkowski A.: Ekspertyzy konstrukcyjne przewodów wodociągowych „Gaz Woda i Technika Sanitarna” 2014, nr 3, s. 94–99.

[4] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Czynniki mające wpływ na odnowę przewodów wodociągowych cz.1, Rynek Instalacyjny, 2010, nr 7-8, 70-72.

[5] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Czynniki mające wpływ na odnowę przewodów wodociągowych cz.2, Rynek Instalacyjny, 2010, nr 9, 62-65.

[6] Kuliczkowska E., Kotwica K., Konsekwencje awarii przewodów wodociągowych na wybranych przykładach, Nowoczesne Budownictwo Inżynieryjne 2017, nr 3, 86-88.

[7] Kwietniewski M., Awaryjność infrastruktury wodociągowej i kanalizacyjnej w Polsce w świetle badań eksploatacyjnych, XXV Konferencja Naukowo-Techniczna, Międzyzdroje 24-27 maja 2011, Awarie budowlane 2011, 127-140.

[8] Kwietniewski M., Rak J., Niezawodność infrastruktury wodociągowej i kanalizacyjnej w Polsce, Polska Akademia Nauk. Warszawa 2010.

[9] Miles P., Flood chaos. Vehicles are crushed in car park after burst water main causes flooding misery, The Sun, strona internetowa: www.thesun.co.uk/news/uknews/1940836/hundreds-of-homes-left-withoutwater-after-burst-main-floods-town-centre/ [dostęp: 02.2018].

[10] Piechurski F., Awarie w sieci wodociągowej, Wodociągi – kanalizacja, 2015, nr 3, 40-46.

[11] Pleasance C., Into the deep freeze! Homes, trees and even power lines are entombed in ice in Pennsylvania after water main bursts. and they won’t thaw out any time soon, Dailymail, strona internetowa: www.dailymail.co.uk/news/ article-3443271/Into-deep-freeze-Homes-treespower-lines-en- tombed-ice-Pennsylvania-water-main-bursts-won-t-thaw-timesoon.html [dostęp: 02.2018].

[12] Praca zbiorowa pod redakcją Andrzeja Kuliczkowskiego: Technologie bezwykopowe w Inżynierii Środowiska, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.

[13] Rak J., Kwietniewski M.: Bezpieczeństwo i zagrożenie systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów 2011.

[14] Rak J., Tchórzewska-Cieślak B., Studziński A., Pietrucha-Urbanik K., Boryczko K., Niezawodność i bezpieczeństwo systemów zbiorowego zaopatrzenia w wodę, Rzeszów 2012.

[15] Robinson J., Dozens of cars are swallowed up in massive 600ft road collapse along river in Florence after underground water pipe bursts, MailOnline, strona internetowa: www.dailymail. co.uk/news/article-3608437/Dozens-cars-swallowed-massive-600ft-road-collapse-river-Florence-nderground-water-pipe-bursts.html [dostęp:02.2018].

Emilia Kuliczkowska, Michał Sitarski

Politechnika Świętokrzyska, Wydział Inżynierii Środowiska Geomatyki i Energetyki

..

Źródło: Forum Eksploatatora nr 5/2019

…

Polecamy publikacje uzupełniające powyższy artykuł