С начала 1990-х годов в нашей стране формируется новая система нормативных документов в соответствии с новыми экономическими условиями, законодательством и структурой управления на базе действующих норм и правил в строительной области Российской Федерации. Правила регулирования отношений, связанные с разработкой, принятием, применением и исполнением требований к процессам проектирования (включая изыскания), производства, строительства, монтажа, наладки, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации объектов утверждены Федеральным законом №184-ФЗ [1] как совокупность взаимосвязанных документов, принимаемых компетентными органами исполнительной власти и управления строительством, предприятиями и организациями. Главная направленность вновь разрабатываемых нормативных документов системы — защита прав и интересов потребителей строительной продукции, общества, государства, а также их безопасности.

Для централизованных систем водоснабжения понятие безопасности включает в себя обеспечение требуемых показателей качества воды, экологической безопасности, пожаробезопасности в течение процесса эксплуатации. К показателям качества относятся не только гигиенические параметры состава питьевой воды, но и надежность самой системы.

Понятие надежности для граждан, а особенно для специалистов в области водоснабжения и водоотведения (ВиВ), имеет такое же значение, как характеристика оборудования: насосов, двигателей, запорно-регулирующей арматуры, аппаратуры. Параметры надежности любого объекта не просто задаются, а экспериментально и теоретически обосновываются. Обывательский подход ко всему окружающему не позволяет по сей день многим инженерам осознать, что обеспечение и сохранение надежности при проектировании, изготовлении, эксплуатации объекта — это не «изложение» требований, отождествляющих перечень мероприятий по достижению каких-то целей, а количественная оценка свойства рассматриваемого объекта в выполнении заданных функций.

Еще в 1970-е годы ведущими специалистами по проектированию, строительству и эксплуатации систем водоснабжения и водоотведения отмечалась необходимость научного подхода к надежности данных систем [2]. Благо что упомянутые предложения сегодня учтены в требованиях Постановления Правительства РФ №87 [3]. Можно согласиться с автором статьи [4], что в документе [3] не перечислены методы оценки надежности проектируемых систем водоснабжения и водоотведения. Тем не менее, это первый документ, в котором официально утверждено требование по количественной оценке надежности объекта (системы водоснабжения, водоотведения, теплоснабжения и т. д.), как свойства любого изделия, выпускаемого производителем: промышленным предприятием, проектной организацией или научно-исследовательским институтом.

По сей день в нормативных документах по проектированию и строительству систем ВиВ понятие надежности объекта (системы, сооружения, оборудования) формулируется как условный показатель качества. На стадии формирования новых сводов правил в 1995 году содержание п. 4.4 СНиП 2.04.02–84* [5] по классификации систем водоснабжения было отредактировано и приведено к такому виду: «централизованные системы водоснабжения по степени обеспеченности подачи воды подразделяются на три категории: I, II, III» (бесперебойная подача и допустимое снижение подачи воды ∆Q ≤ 30% на срок t ≤ 3 суток; с перебоями и интервалом времени снижения подачи воды потребителям ∆Q ≤ 30% на срок t ≤ 10 суток; с интервалами перебоя t ≤ 10 суток и снижения подачи воды потребителям ∆Q ≤ 30% на срок t ≤ 24 суток).

В своде правил для систем водоотведения классификация последних четко не оговорена, но приведено требование (п. 4.18 СП 32.13330.2018 [6]): «Надежность системы водоотведения, определяемая по ГОСТ 27751, характеризуется сохранением расчетной пропускной способности и степени очистки сточных вод при изменении в расчетных диапазонах расходов сточных вод и состава загрязняющих веществ… условий сброса их в водные объекты, в условиях перебоев в электроснабжении, возможных аварий на коммуникациях, оборудовании и сооружениях, производства плановых ремонтных работ, ситуаций, связанных с особыми природными условиями (сейсмичность, карстовые явления, просадочность грунтов, многолетнемерзлые грунты…)».

Данный ГОСТ не «…устанавливает общие принципы обеспечения надежности строительных конструкций и оснований», а формулирует требования по расчету прочности строительных конструкций для ситуаций: установившейся, переходной, аварийной и т. д. (п. 3.10 ГОСТ 27721–2014 [7]). Поэтому в печати нередко можно встретить высказывания типа:

«…Могу с полной ответственностью утверждать, что…», хотя почти никто из специалистов-технологов и проектировщиков не владеет (и автор статьи — не исключение) методами оценки надежности систем ВиВ. «И не потому, что сами по себе эти методы плохи или недостоверны, а по причине того, что они не изучаются в ВУЗах, не описаны в учебниках, не отражены в нормативных документах…» [4].

Теория надежности — это система определенных идей, математических моделей и методов, направленных на решение проблем предсказания, оценки и оптимизации различных показателей надежности (например, вероятности безотказной работы, среднего времени безотказной работы, вероятности того, что система будет исправна в некоторый заданный или произвольный момент времени, и пр.) [8, 9].

Теория надежности едина, как для оценки надежности летательных аппаратов, так и объектов ВиВ. В большинстве случаев надежность функционирования объекта существенно зависит от организации, которая охватывает замену отказавших элементов, ремонт, проверки и т. п.

Надежность — есть вероятность того, что устройство выполняет свои функции в соответствии с заданными требованиями в течение времени t.

Если система должна подавать 100% воды, то и оценивать надо эту способность, а не рассчитывать возможную подачу воды системы при заданных показателях надежности ее элементов. Вместо того, чтобы усваивать и применять готовые методы оценки качества технических объектов, направление по нормированию требований надежности систем ВиВ дискредитируется. Нет доступа к достоверной информации по эксплуатации объектов ВиВ. Если и публикуются какие-то отрывки статистических данных по наработкам на отказ элементов систем ВиВ, то они, как правило, не убедительны. Чаще эти публикации имеют форму рекламы, а не объективных данных о надежности изделий.

Например, в период заполнения отечественного рынка полимерными трубами поставщики «гарантировали» срок службы полиэтиленовых труб Тсл = 200 лет, хотя те и 50 лет не эксплуатировались в различных странах мира. До сих пор приводятся отчетные данные об интенсивности отказов трубопроводов λ = 1/То, как количество отказов за год на единицу длины [км]. Подобные данные противоречат здравому смыслу, хотя их и удобнее составлять. В этом несложно убедиться на следующем примере. Допустим, что стальной трубопровод длиной L имеет интенсивность отказов λ = 0,5–0,931/(год·км).

Если длина трубопровода составляет L = 5 км, то То = 1/(λL) = 0,4–0,2 года; при L = 6 м. То = 333–179 лет; при L = 1 м. То = 2000–1075 лет.

Поскольку основным показателем надежности трубопровода является долговечность, которая оценивается сроком службы Тсл, то интервалы функционирования ∆ti его элемента при выполнении заданных функций, можно фиксировать только по периодам работы ремонтного участка трубопровода (с момента укладки до даты замены). Срок службы ремонтного участка трубопроводной системы должен оцениваться [10]:

где Тсл — нормируемый срок службы; То — среднее время наработки на отказ; ta — квантиль распределения Стьюдента; σ — среднее квадратичное отклонение наработки на отказ; N — объем выборки наблюдений; (N — 1) — число степеней свободы.

За отказ трубопровода (ремонтного участка) следует принимать событие, связанное с исключением его из работы для замены или ремонта поврежденных труб, а не произвольное (любое) отключение трубопровода из работы — на время t более трех суток для устранения неисправностей. Если повреждение связано с износом трубы, то необходимо перекладывать (реконструировать) весь ремонтный участок трубопровода. Смысл данного определения заключается в том, что при оценке надежности трубопровода необходимо учитывать качество конструкции, материалов, из которых он изготовлен, и изменение его свойств во времени при заданных условиях функционирования и эксплуатации. Единственным способом выявления закономерностей возникновения отказов и времени восстановления трубопроводов является сбор и обработка статистических материалов по их эксплуатации. Значимость и практическое использование результатов статистических оценок времени восстановления ремонтных участков трубопроводных систем определяются возможностью оценки вероятности их восстановления за время t.

Исходя из этого возможно оценить работу и достаточность оснащения ремонтно-восстановительных бригад, ремонтопригодность трубопроводов, совершенствовать нормы технического обслуживания трубопроводов.

Уровень надежности системы ВиВ должен назначаться в процессе ее проектирования, строительства и эксплуатации, о чем неоднократно высказывались ведущие ученые и руководители организаций по строительству и эксплуатации объектов водоснабжения России и зарубежных стран [2, 11–13]. На стадии проектирования можно избежать серьезных проблем в будущем при выполнении мероприятий по обеспечению надежности уже действующей системы.

Специалисты заводов-изготовителей труб констатируют, что правильно смонтированный и эксплуатируемый трубопровод из любого материала может служить 50–100 лет и более. Например, из правил Немецкой ассоциации по газу и воде (DVGW), а также Ассоциации сантехников (SEA) исключены различия по материалам труб [12]. Трубопровод из любого вида труб должен служить назначенный срок (Тсл ≥ 50 лет) [12]. Надежность трубопроводной сети целесообразно оценивать не по количеству суммарных повреждений в системе, а по наработке на отказ Tо каждого ремонтного участка сети с момента укладки труб до их отказа (с указанием условий функционирования, диаметра, материала трубопровода, и т. д.) на интервале (0; tо).

Оценка надежности объектов требует квалифицированного подхода для решения поставленных задач, в этом никто не сомневается. Нужны не только специалисты, но и условия доступа к отчетной документации по эксплуатации объектов, законы, которые бы мотивировали организации соблюдать требования потребителей по подаче и отводу воды, а муниципальные управления контролировать достоверность отчетных данных. Необходимо обосновать основные показатели надежности систем ВиВ, а также их предельные интервалы [14]. Наличие в действующих строительных правилах [5] требований по «…заданию определенного количества резервных агрегатов на насосных станциях в зависимости от категории… предусматривать в резервуарах чистой воды аварийный объем воды… закольцовывать водопроводные сети» [4] не отражает уровни надежности сооружений систем водоснабжения, а только формулируют перечень возможных мероприятий по обеспечению требований потребителей к подаче или отводу воды (бесперебойности, проценту снижения подачи воды). По сей день на очистных сооружениях фильтры, отстойники не резервируются. И только попытка напоминания о необходимости резервирования сооружений на станциях очистки воды вызывает у некоторых специалистов не то что недоумение, а просто безудержный гнев. Фильтры очистных сооружений должны работать равномерно, с заданным циклом остановки на промывку или профилактику, а не форсированно; при увеличении скорости фильтрования снижается качество очистки воды. Даже если очистные сооружения работают не круглосуточно, это не исключает опасения, что за время ремонта или перезагрузки одного из фильтров не возникнет необходимость в интенсификации работы оставшихся сооружений и оборудования. Более подробно все пояснения приведены в [15], с учетом которых требования по расчету фильтров в СП [5] были пересмотрены. Что касается указаний [4] по классификации элементов в системе очистки воды, то отметим, что рабочие и резервные элементы в любой системе не классифицируются по признаку периода простоя. Все элементы резервируемой системы могут взаимозаменяться, ремонтироваться, ставится на профилактику. Если элемент не обладает готовностью включаться в работу при необходимости, то он не является резервным элементом системы. Все периоды жизни систем и сооружений ВиВ должны учитываться и оцениваться количественно по установленным во всем мире правилам, формируемым на базе теории надежности [16–17], а не произвольно по усмотрению «опытных» специалистов.

Оценка оптимальности любого объекта систем ВиВ должна выполняться не только по параметрам его стоимости:

П = (ЕК + С) → min

(где П — приведенные затраты, руб/год; Е — нормативный коэффициент экономической эффективности капитальных вложений; К — капитальные вложения, руб.; С — эксплуатационные затраты, руб/год), но и с учетом уровня выполнения заданных функций, который назначается показателями надежности: Р(t) — вероятностью безотказной работы за время t; Тсл — нормируемым сроком службы; Кг — коэффициентом готовности и т. д.

Заключение

1. Требования по оценке надежности систем и сооружений водоснабжения и водоотведения должны соблюдаться не только по условиям выполнения постановлений Правительства РФ, но и необходимости совершенствования теоретических подходов по формированию методов проектирования, строительства и эксплуатации объектов ВиВ.

2. Необходимо восстановить требования по составлению ежегодных отчетов организаций по эксплуатации стратегических объектов ВиВ и обеспечению доступа к их статистической информации.

3. Предлагается выполнить редактирование разделов оценки надежности действующих сводов правил проектирования наружных систем водоснабжения и водоотведения с учетом требований Постановления Правительства РФ №87 [3].