Bezpieczeństwo tłocznych rurociągów ściekowych

Bezpieczeństwo ściekowych rurociągów tłocznych jest zdecydowanie bardziej ważne niż ściekowych kanałów grawitacyjnych [7], czy przewodów wodociągowych [9, 11]. Awarie ściekowych rurociągów tłocznych są niezwykle uciążliwe dla użytkowników terenów, na których mają one miejsce. Z uwagi na lokalizację ściekowych rurociągów tłocznych, z reguły w pobliżu oczyszczalni ścieków i rzek, wydobywające się z nich w dużych ilościach ścieki mogą także zanieczyszczać cieki wodne.

1. Uwagi wstępne

W trakcie eksploatacji ściekowych rurociągów tłocznych może zaistnieć szereg czynników mających wpływ na istotną zmianę początkowej wartości współczynnika bezpieczeństwa ich konstrukcji i przyczyniających się do powstania awarii.

Aby ustalić aktualną wartość współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji ściekowych rurociągów tłocznych, należy wykonać ekspertyzę konstrukcyjną, tj.: dokonać stosownych badań poligonowych tychże przewodów, a następnie wykonać obliczenia statyczno-wytrzymałościowe.

Ekspertyza konstrukcyjna ściekowych rurociągów tłocznych umożliwia podjęcie decyzji, czy należy badane przewody:

• nadal bezpiecznie eksploatować, nie podejmując działań opisanych w punktach b-d;
• wymienić na nowe w wykopie lub bezwykopowo [6];
• poddać bezwykopowej rekonstrukcji [6];
• zastosować tańszą od bezwykopowej rekonstrukcji ich bezwykopową renowację lub częściową rekonstrukcję [6].

2. Dlaczego tak ważne jest wyznaczenie współczynnika bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur?

Wartość współczynnika bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur może ulegać daleko idącym zmianom w trakcie wieloletniej ich eksploatacji stosunku do wartości początkowej, na którą zostały one zaprojektowane. Na te zmiany mogą wpływać czynniki zewnętrzne, np. związane ze zmianą użytkowania terenu, a tym samym np. zwiększeniem się obciążeń oddziałujących na rury, czy zmiany dotyczące samych rur, np. zmniejszania się grubości rur stalowych lub rur z betonu sprężonego wskutek wystąpienia wewnętrznej korozji, czy pogarszania się parametrów wytrzymałościowych rur z tworzyw sztucznych w wyniku występowania w nich procesów starzeniowych. Problematyka dotycząca własności rur czy ich parametrów została opisana m.in. w [3, 5].

Ustalone w wyniku ekspertyzy wartości współczynnika bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur umożliwiają podjęcie decyzji, czy należy przewód:

• w dalszym ciągu bezpiecznie eksploatować, nie podejmując działań opisanych w punktach b-e. Decyzję taką podejmuje się, gdy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcyjnego rurociągu jest wyższy od wymaganego (lub równy), a w rurociągu nie zaobserwowano żadnych jego nieprawidłowości (np. postępującego procesu korozji);
• wymienić na nowy w wykopie lub bezwykopowo. Decyzję taką podejmuje się gdy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcyjnego rurociągu jest niższy od wymaganego, a jego przepustowość hydrauliczna niewystarczająca lub gdy bezwykopowa rekonstrukcja przewodu jest bardziej kosztowna od jego wymiany;
• poddać bezwykopowej rekonstrukcji (ang. fully structural rehabilitation). Decyzję taką podejmuje się, gdy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcyjnego rurociągu jest niższy od wymaganego, przepustowość hydrauliczna jest wystarczająca, a jego wymiana w wykopie na nowy bardziej kosztowna od bezwykopowej rekonstrukcji;
• poddać bezwykopowej renowacji (ang.: non structural rehabilitation). Decyzję taką podejmuje się, gdy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcyjnego rurociągu jest wyższy od wymaganego, a w rurociągu zaobserwowano np. jego korozję, przepustowość hydrauliczna jest wystarczająca, a jego wymiana w wykopie na nowy bardziej kosztowna od bezwykopowej renowacji;
• poddać częściowej rekonstrukcji (ang.: semi or partially rehabilitation) gdy współczynnik bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur jest nieznacznie mniejszy od wymaganego.

Należy tu dodać, że analizowane kryterium bezpieczeństwa ściekowych rurociągów tłocznych nie jest jedynym, ale jednym z kilku kryteriów doboru optymalnej technologii ich odnowy. Istotną rolę odgrywa tu także trwałość proponowanych rozwiązań materiałowych [10].

Do grupy technologii renowacyjnych zalicza się te technologie, po zastosowaniu których utworzona wewnętrzna powłoka zabezpiecza przewody przed korozją wewnętrzną lub inkrustacją, zabezpiecza dno i ścianki przed ścieraniem się lub uszczelnia przewody, a jednocześnie poprawie ulegają w nich parametry hydrauliczne, ponieważ mimo pewnej redukcji przekroju wzrasta gładkość ich ścian wewnętrznych. Stosując technologie renowacyjne, w zależności od ich rodzaju, nie uzyskuje się lub uzyskuje się tylko niewielki wzrost nośności odnawianych przewodów. Przykładowo, stosując renowację przewodu cienką, 1-milimetrową, warstwą żywicy epoksydowej, nie uzyskuje się jakiegokolwiek wzrostu nośności rur. Z kolei stosując natrysk specjalną zaprawą cementową o szerokim zakresie pH można uzyskać niewielki wzrost nośności rur, tym większy, im większa jest grubość powłoki cementowej. W przypadku innych technologii, w których stosowane są powłoki z tworzyw sztucznych, jest również możliwe uzyskanie przy okazji efektu renowacyjnego (np. uszczelnienia rur) i niewielkiego wzmocnienia ich konstrukcji. Jednak podstawowym celem renowacji, jak to wcześniej zaznaczono, nie jest wzmacnianie konstrukcji odnawianych przewodów. Temu celowi służą technologie rekonstrukcyjne.

Stosując niektóre technologie renowacyjne nie wykonuje się żadnych obliczeń statyczno-wytrzymałościowych (np. dotyczy to technologii natryskowych), w innych, w których do renowacji stosowane są np. powłoki z tworzyw sztucznych, konieczne jest wykonanie obliczeń statyczno-wytrzymałościowych (np. w technologiach ciasno pasowanych z zastosowaniem rur PE konieczne jest m.in. sprawdzenie warunku utraty stateczności powłoki tych rur dla parametrów długoterminowych oraz sprawdzenie występujących w nich naprężeń dla okresu montażu i wbudowania powłoki, a w technologiach nie ciasno pasowanych z użyciem rur PE, dodatkowo warunku krótkoterminowego utraty stateczności powłoki dla okresu iniektowania wolnej przestrzeni międzyrurowej zaprawą cementową).

Do grupy technologii rekonstrukcyjnych zalicza się z kolei te technologie, w wyniku zastosowania których powłoka odnawiająca samodzielnie lub we współpracy z konstrukcją istniejącego przewodu zastępuje go w zakresie wymogów wytrzymałościowych, tj. np. przenoszenia obciążeń zewnętrznych, czy w przypadku rur ciśnieniowych, także ciśnień wewnętrznych. Niektóre technologie, np. technologię ciasno pasowaną z zastosowaniem zdeformowanych fabrycznie rur PE, można zaliczyć zarówno do technologii renowacyjnych (w przypadku zastosowania cienkościennych rur w opcji Compact SlimLiner) jak i do technologii rekonstrukcyjnych (w przypadku zastosowania rur PE o grubszych ściankach w opcji Compact Pipe).

Stosując technologie rekonstrukcyjne należy wykonać obliczenia statyczno-wytrzymałościowe, przyjmując założenie, że powłoka rekonstrukcyjna samodzielnie zastąpi odnawiany przewód lub w określonym stopniu wzmocni go konstrukcyjnie. Aby przyjąć ten drugi przypadek, umożliwiający bardziej oszczędne zaprojektowanie powłoki rekonstrukcyjnej, konieczne jest wcześniejsze wykonanie ekspertyzy konstrukcyjnej analizowanych przewodów.

W przypadku zastosowania technologii częściowo rekonstrukcyjnej, zaprojektowana powłoka powinna wzmocnić konstrukcję rur, tak, aby współczynnik bezpieczeństwa osiągnął wymaganą wartość.

3. Jaki zakres badań i obliczeń statyczno-wytrzymałościowych powinna zawierać ekspertyza konstrukcyjna rur?

Ocena bezpieczeństwa konstrukcji rurociągu możliwa jest po wykonaniu ekspertyzy konstrukcyjnej połączonej z jego odkopaniem w wybranych miejscach na trasie jego ułożenia. Umożliwia ona określenie aktualnej wartości współczynnika bezpieczeństwa konstrukcji rurociągu oraz określenie prognozy dotyczącej bezpiecznego czasookresu dalszej jego eksploatacji. Zakres ekspertyzy obejmuje badania nieniszczące parametrów wytrzymałościowych rury, a także ewentualne inne badania (np. grubości rur, parametrów gruntu, sposobu posadowienia rur) oraz wykonanie obliczeń statyczno-wytrzymałościowych wg metod zamieszczonych np. w [4].

Na fot. 1 i 2 pokazano kolejno badanie grubości rur stalowych metodą ultradźwiękową i badanie wytrzymałości betonu w ciśnieniowych rurach z betonu sprężonego.

Fot. 1 Badanie grubości rur stalowych metodą ultradżwiękową (zdjęcie własne)

W oparciu o uzyskane wyniki badań oraz dane dotyczące m.in. sposobu i kąta posadowienia rurociągu w wykopie oraz jego zagłębienia, wykonuje się następnie toki obliczeń statyczno-wytrzymałościowych dla najbardziej niekorzystnych założeń, uzyskując w każdym z wykonanych toków obliczeń współczynniki bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur.

Fot. 2 Badanie wytrzymałości betonu w rurach z betonu sprężonego metodą sklerometryczną (zdjęcie własne)

W obliczeniach statyczno-wytrzymałościowych należy uwzględnić obciążenia od ciężaru gruntu, obciążenia użytkowe (najczęściej od taboru samochodowego), ciężar ścieków i konstrukcji rur. Te obciążenia uwzględnia się także w obliczeniach przewodów grawitacyjnych. Specyfiką rur ciśnieniowych jest dodatkowo ciśnienie wewnętrzne tłoczonych ścieków. Moment zginający i siłę osiową rozciągającą niezbędne do wyznaczenia naprężeń oblicza się z następujących wzorów:

gdzie:

M_pw – moment zginający,
N_pw – siła rozciągająca,
p_i – ciśnienie wewnętrzne od transportowanych ścieków,
p_a – zewnętrzne ciśnienie od wody gruntowej,
r_i – promień wewnętrzny rury,
r_a – promień zewnętrzny rury.

Ważnymi czynnikami mogącymi istotnie wpływać na końcowy wynik obliczeń są:

• przyjęcie odpowiedniego schematu obciążeń od ciężaru gruntu, uwzględniającego wystąpienie (bądź nie) zmian reologicznych w gruncie;
• uwzględnienie w obliczeniach istniejącego rodzaju podłoża i kąta oparcia na nim rur;
• przyjęcie odpowiedniej wielkości obciążeń użytkowych od taboru samochodowego, w tym poprawnego współczynnika dynamicznego i współczynnika odciążającego uwzględniającego odciążające oddziaływanie nawierzchni w przypadkach, gdy rury są ułożone pod nawierzchniami ulicznymi;
• przyjęcie poprawnych parametrów geometrycznych i wytrzymałościowych rur, zweryfikowanych w trakcie ekspertyzy;
• przy obliczaniu naprężeń od ciśnienia transportowanych ścieków, uwzględnienie nie tylko siły rozciągającej, ale także momentu zginającego (wzory 1 i 2), podobnie przy obliczaniu naprężeń od ciężaru gruntu, obciążeń użytkowych, ciężaru konstrukcji rury i ciężaru ścieków, należy brać pod uwagę zarówno osiowe siły ściskające jak i momenty zginające.

4. Ryzyko, jako kryterium uwzględniające nie tylko stan techniczny rury, w tym współczynnik bezpieczeństwa konstrukcyjnego, ale także konsekwencje ewentualnej awarii.

W przypadku oceny tłocznych rurociągów ciśnieniowych, podobnie jak w przypadku oceny przewodów wodociągowych i kanalizacyjnych, powinno się brać pod uwagę nie tylko stan techniczny rurociągu uwzględniający jego bezpieczeństwo konstrukcyjne, ale także konsekwencje ewentualnej awarii.

Na konsekwencje awarii mają wpływ m.in. [1, 2]:

• średnica rur,
• zagłębienie rur,
• rodzaj gruntu zasypowego,
• rodzaj transportowanych ścieków,
• poziom zwierciadła wody gruntowej,
• sposób zagospodarowania terenu nad rurociągiem,
• oddziaływanie środowiskowe,
• dostępność do rurociągu.

Szczególnie istotny jest ostatni z wymienionych czynników. Ma on duży wpływ na możliwość odkopania rurociągu celem dokonania jego naprawy. Najszybsza możliwość dotarcia do uszkodzonego rurociągu jest w przypadku umieszczenia go w przełazowym tunelu wieloprzewodowym [10] w opcji nieobetonowania tego rurociągu.

Ryzyko awarii oblicza się jako iloczyn prawdopodobieństwa wystąpienia awarii uwarunkowanego stanem technicznym rurociągu, w tym głównie wartością współczynnika bezpieczeństwa konstrukcyjnego i konsekwencji awarii, będącej funkcją wyżej wymienionych czynników. Przykład obliczania ryzyka awarii nawierzchni ulicznej (jej zapadnięcia się) spowodowanej awarią konstrukcyjną przewodu kanalizacyjnego zamieszczono w [1], inny przykład dotyczący ryzyka przerastania korzeni drzew do wnętrza grawitacyjnych kanałów sanitarnych zamieszczono w [2].

5. Wnioski

• Zagwarantowanie bezpieczeństwa tłocznych rurociągów ciśnieniowych jest niezbędne aby wyeliminować ich awarie. Jest ono określane współczynnikiem bezpieczeństwa konstrukcyjnego rur. Współczynnik ten można ustalić w wyniku wykonanej ekspertyzy rurociągów.

• Wykonując ekspertyzę konstrukcyjną tłocznych rurociągów ściekowych, w tym szczególnie obliczenia statyczno-wytrzymałościowe, należy wziąć pod uwagę cały szereg wymienionych wyżej czynników.

• W wyniku wykonanej ekspertyzy można sformułować zalecenia dotyczące dalszych losów badanego rurociągu. Możliwe są: dalsza bezpieczna eksploatacja rurociągu, wymiana rur na nowe lub ich bezwykopowa odnowa w opcji renowacyjnej, częściowo rekonstrukcyjnej lub w pełni rekonstrukcyjnej. W przypadku, gdy ekspertyza wykonywana jest po raz drugi po upływie kilku lub kilkunastu lat, możliwe jest opracowanie prognozy dotyczącej czasookresu dalszej bezpiecznej eksploatacji analizowanych rur.

6. Literatura

[1] Kuliczkowska E.: The interaction between road traffic safety laid under road and the condition of sewers, Transportation Research Part D, 2016, 48, 203-2013.

[2] Kuliczkowska E.: Management of risk of environmental failure caused by tree and shrub root intrusion into sewers, Urban Forestry & Urban Greening, 2017, 21,1-10.

[3] Kuliczkowski A., Rury kanalizacyjne, t. I; Własności materiałowe, monografia nr 28, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2001.

[4] Kuliczkowski A.: Rury kanalizacyjne, t. II: Projektowanie konstrukcyjne, monografia nr 42, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2004.

[5] Kuliczkowski A.: Rury kanalizacyjne, t. III: Rury o konstrukcji sztywnej i sprężystej, monografia nr M4, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2008.

[6] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Zwierzchowska A., Zwierzchowski D., Dańczuk P., Kubicka U., Kuliczkowski P., Lisowska J.: Technologie bezwykopowe w Inżynierii Środowiska, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2010.

[7] Kuliczkowski A.: Ekspertyzy konstrukcyjne kolektorów kanalizacyjnych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2011, 1, 18-22.

[8] Kuliczkowski A., Madryas C.: Tunele wieloprzewodowe dawniej i współcześnie, monografia nr M58, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2013.

[9] Kuliczkowski A.: Ekspertyzy konstrukcyjne przewodów wodociągowych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2014, 3, 94-99.

[10] Kuliczkowski A.: Trwałość rozwiązań stosowanych w budowie i odnowie przewodów kanalizacyjnych, INSTAL, 2014, 3, 54-56.

[11] Kuliczkowski A.: Jak oceniać bezpieczeństwo konstrukcyjne przewodów wodociągowych, INSTAL, 2017, 11, 59-64.

prof. dr hab. inż. Andrzej Kuliczkowski
Politechnika Świętokrzyska
Wydział Inżynierii Środowiska, Geomatyki i Energetyki
Katedra Sieci i Instalacji Sanitarnych

źródło: Forum Eksploatatora 5/2020