城镇给水系统可靠性分析与研究

重庆大学城市建设与环境工程学院研究生《水工程可靠性原理与应用》课程论文1/11城镇给水系统可靠性分析与研究摘要：城镇给水系统是城镇重要的基础设施，随着城镇的现代化发展，城镇的生产、生活越来越依赖城镇给水系统。城镇给水系统运行可靠与否直接影响着人们的日常生活和工业生产，城镇给水系统的可靠运作对城镇的健康发展具有举足轻重的经济效益和社会效益。随着现代科学技术的快速发展和人们生活水平的不断提高，城镇给水系统的可靠性成为近年来研究的热点之一。本文从可靠性研究的基础理论出发，对城镇给水系统进行了可靠性分析和研究。关键词：城镇给水系统；可靠性；分析研究ReliabilityAnalysisandResearchonUrbanWaterSupplySystemAbstract:Alongwiththecitymodernizeddevelopment,thecityproductionandthelifewillrelyonthewater-supplysystemmoreandmore,andthewaterdistributionnetworkisanimportantpartofwater-supplysystem,anditsreliabilityhassignificantinfluenceonsocialandeconomicbenefitsofthewater-supplysystemasawhole.Itsoperationalreliabilityisdirectlyrelatedtothenormallifeandtheindustrialactivityofpeople.Withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,andthepersistentincreasingstandardofpeople’sliving,thereliabilityofurbanwaternetworksystemhasbeentheoneoftheresearchhotspotsinrecentyears.Throughreliabilityassessmentofthewaternetwork,itishelpfultofindouttheweaknessoftheexistedsystem,andthenthecorrespondingmaintenanceandalterationcanbeeasilycarriedout.Itcanbeutilizedtocomparethedifferentdesigns.Fromthebasictheoryofthereliabilityresearch,thereliabilityofdistributionpipesystemhavebeenanalyzedandstudied.Keywords:Urbanwatersupplysystem;Reliability;Analysisandresearch1可靠性概述1.1可靠性研究的意义随着科学技术不断发展，可靠性问题也随之产生。二战期间，美国空军飞行事故比击落的多1.5倍等诸多事件，引起专家的注意，从而提出了可靠性概念，揭开了可靠性研究的序幕。可靠性发展至今，作为产品质量和技术措施的一个重要指标早已受到世界各国的高度重视。任何产品和技术都需要以可靠性为基础，离开可靠性谈质量管理和安全生产都是不可能的，因为科学技术发展的本身就是要求高可靠性，现代工业生产全过程贯穿可靠性，使用维修阶段依赖可靠性[1,2]。大型系统，复杂系统的大量涌现，迫切需要站在系统的角度考虑可靠性。可靠性研究的对象也从起初的电子产品和机械产品，发展到如今的像核电站、大型化工程、空间飞行器等复杂和高风险的系统。可靠性工程涉及元件失效数据的统计和处理、系统可靠性的定量评定、运行维护、可靠性和经济性的协调等各个领域。设备的可靠性是贯穿于整个寿命周期全过程的一个时间性度量指标，从设计规划、制造安装、使用维护到修理、报废为止，可靠性始终是设备的灵魂。国内外的专家都指出，现在和将来，市场竞争的焦点是可靠性，只有那些了解并能控制自己产品可靠性的企业，才能在国际竞争中生存。一个可靠性差的商品，不但不能在国际贸易中占领市场，在国内市场上也不会站住脚。产品责任法的推行，消费者组织的建立，对产品的可靠性、安全性提出了更高等要求。由于产品可靠性、安全性存在的问题所造成的人身伤害及财产损失，不但要向生产者追赔直接损失，而且要追赔间接损失，一个事故就可以导致一个企业的破产。而对于国家而言，类似的事故也必定将造成更加巨大和深远的消极影响。1.2可靠性的理论基础1.2.1可靠性的定义前苏联国标“技术可靠性术语与定义”中对可靠性的定义为“当规定的运行指标数值保持在给定工况，以及与给定的条件相对应的给定限度内时，对象满足功能的性质”。我国国家标准《可靠性基本名词及术语》(GB3187-82)中规定的可靠性定义“产品在规定的条件下，规定的时间内，完成规定的功能的能力”。[3]在这里，规定的条件通常包括环境条件、使用条件、维修条件、操作技术、运输与储存条件；规定的时间指产品达到一定功能的时间期，可以是日期、小时等具体时间，而在不同的系统里也可以是里程数等其他指标；规定的功能指产品、过程以及服务满足规定或潜在要求或需要的特征和特性的总和，其对应的反面情况则可定义为故障（失效）。可靠性是一个定性指标，很难用一个特征量表示，而且它还具有随机性。系统是由一系列具有某种特定功能的基本组件组成的。系统的可靠性理论主要是确定系统可靠度与组件可靠度之间的关系，要研究系统可靠度就要知道系统中各组件可靠度以及他们之间运行过程中的相互关系。[4]1.2.2可靠性系统模型在对系统进行可靠性分析时，根据所组成结构的不同，可以简单地将系统分为串联系统、并联系统和混联系统，其中混联系统还可细分为串并联系统和并串联系统两类。1、串联系统一个系统，如果至少一个部件故障即导致整个系统故障，或者说只有全体部件都正常系统才正常，这样的系统就叫做串联系统[5]。设串联系统共有n个部件，我们可以把每个部件的状态变量填在一个方框内，将这些方框串联联接起来，这就是串联系统的可靠性框图，如图1.1所示：CC1C2Cn图1.1串联系统可靠性示意框图其系统可靠度计算公式为：其中，Ri表示部件可靠性，设部件相互独立，则串联系统可靠性等于部件可靠性的乘积。2、并联系统n个部件构成的系统，若至少一个部件正常系统即正常，或者，必须n个部件都故障系统才故障，这样的系统就叫做n部件并联系统[5]。并联系统的可靠性框图如图1.2所示：CC2C1Cn图1.2并联系统可靠性示意框图其系统可靠度计算公式为：3、混联系统对于复杂的网络系统，并不只是单纯的串联系统或并联系统，而是大多是由串联系统和并联系统混合组成的系统，称为混联系统。在解决建立串联系统和并联系统可靠性模型问题的基础上，也应该能解决建立混联系统可靠件模型的问题。最常见的混联系统有以下两种：1）串并联系统一个串并联系统串联了n个组成单元，而每个组成单元都由m个基本单元并联而成该串并联系统的可靠性框图如图1.3所示：1212111m122212m2n2n1nmn图1.3串并联系统可靠性示意框图其系统可靠度计算公式为：2）并串联系统—个并联系统并联了m个组成单元．而每个组成单元都由n个基本单元串联而成，该并串联系统的可靠性框图如图1.4所示：1111121m121222m2n1n2nmn图1.4并串联系统可靠性示意框图其系统可靠度计算公式为：1.2.3可靠性系统研究方法研究系统可靠性的数学方法很多，其中包括网络分析法、状态空间法、故障树分析法等。1、网络分析法网络分析法必须建立网络结构图和网络逻辑图。网络结构图用来表示系统组成元件之间的实际联系。有了结构图，在对元件故障后果进行分析的基础上，即可绘出网络逻辑图，可以直观反映出各元件在完成系统功能时的关系。通常将系统的元件用一个个方块表示出来，因此，网络逻辑图又称为“可靠性方块图”。网络分析法只适用于系统逻辑图存在的情况，因此在选用网络法前须对逻辑图是否存在进行判断。当作出系统的逻辑图后，只要每一方块的故障为已知，即可通过适当的运算求得整个系统的可靠度或系统故障概率等可靠性指标。根据逻辑图求系统可靠性指标有两种主要的方法:逻辑图简化法和割集(或路集)法。逻辑图简化法是对可靠性方块图连续地进行简化，直到整个网络简化成一个等值的方块为止，然后根据简化后的网络求可靠性指标。对于逻辑图为非串、并联结构的系统(称为复杂系统)不能直接利用有关概率公式来计算其可靠度，而要采用最小割集法、最小路集法或分解法等将其变为串、并联形式，再利用有关公式来计算其可靠度。2、状态空间法状态空间法是估算系统可靠性时采用较广泛的方法。对于不可修复系统，可求出系统的可靠度(或不可靠度);对于可修复系统，可求出系统可用度(或不可用度)，以及其它特征量。计算过程是先绘出系统状态空间图，用系统状态的转移率计算出系统的状态指标，然后进行故障后果分析，将系统的状态分类，从而计算出系统的可靠性指标。用状态空间法分析系统可靠性时，系统可用状态及其转移来描述。所谓系统状态，是指系统运行时的某特定状态，系统的各元件处于一定的运行状态(正常运行、故障、检修以及其它相关状态)，系统中任一元件的状态发生变化，系统就从一状态转入另一状态。系统的所有可能状态形成状态空间，用状态空间图来表明状态空间及其转移。[6]状态空间法常用于可修复系统的可靠性分析，用来计算其故障状态概率，状态频率和持续时间等指标。3、故障树分析法故障树分析法简称FTA，是一种特殊的树状逻辑因果关系图，是近些年发展起来的用于大型复杂系统可靠性和安全性分析的一种工具。[7]它是采用演绎分析方法，以系统不希望发生的事件，即故障事件，作为分析的目标，先找出导致这一事件发生的多有直接原因和可能原因，接着将这些直接原因和可能原因作为第二级事件，再往下找出造成第二级事件发生的全部直接原因与可能原因，并按此找下去，直到发现哪些最原始的直接原因。故障树分析法的优点是提供了一种系统的方法来阐明各元件和子系统及故障间的因果关系，迅速发现系统中最重要的故障和薄弱环节，为改善与评估系统的可靠性提供了定性与定量的根据。2给水厂可靠性2.1给水厂系统分析2.1.1给水厂工艺流程絮凝取水泵站沉淀过滤消毒絮凝取水泵站沉淀过滤消毒清水池二泵站水凝源凝管网凝网凝给水厂一般处理工艺流程图如图2.1所示。处理后出水经二泵站进入市政给水管网，此处暂不考虑深度处理环节。2.1.2给水厂系统模型经过对给水厂运行系统的分析，可以得出给水厂系统整体呈串联形式，但部分单元存在并联形式，即给水厂为串并联系统模型。2.2给水厂可靠性定义根据我国国家标准《可靠性基本名词及术语》(GB3187-82)中规定的可靠性定义，同时结合给水厂出水功能要求，此处将给水厂的可靠性定义为：给水厂在正常运行条件下，能够持续保证满足水量、水质、水压要求的水供给的能力。2.3给水厂可靠性分析2.3.1水量可靠性分析由图2.1分析可知，在整个给水厂的一般处理工艺流程中，影响其水量指标的因素主要存在于水源和二泵站部分。水源处获取的原水经过中间一系列净水过程后经二泵站输送至市政供水管网，所以原水水量将很大程度上影响到最后给水厂的供给水量，而二泵站的出水水量更是将直接影响到给水厂的供给水量。同时，对于其两者之间的净水工艺环节，若有部分不能正常运转，也会影响到最终的出水量，可能对正常的供给造成影响。2.3.2水质可靠性分析由图2.1分析可知，在整个给水厂的一般处理工艺流程中，影响其水质指标的因素主要存在于水源和净水工艺部分。水源处获取的原水水质作为整个净水工艺的基础，起着至关重要的作用，而其中净水工艺的处理效果更是直接影响到最终供给出水的水质，其中任一环节出现问题，都会影响最终结果，导致出水水质不达标。一般认为，清水池和二泵站部分对水质影响可忽略不计。2.3.3水压可靠性分析由图2.1分析可知，在整个给水厂的一般处理工艺流程中，影响其水压指标的因素主要存在于二泵站部分。给水厂出水由二泵站加压输送至市政供水管网，如果水压不足，可能造成部分用户不能用水或是水压不足，不能满足用户用水需要。在这里，暂不考虑市政管网可能的压力损失。2.4给水厂可靠性提高措施给水厂为串并联混联系统模式，其可靠度等于串联系统上各个单元可靠度的乘积，故而提高各个单元的可靠度将直接提高整个系统可靠度。上文已经讨论到，给水厂一般处理工艺流程中的每一个环节都对给水厂可靠性中的水量、水质或水压要求有影响，因此在这里，可以认为提高每个单元的可靠度是提高整个给水厂的可靠度的必要措施。值得注意的是，每个单元之间的链接和控制部分也会很大程度上影响到整个系统的运行，应作为一个独立的单元来进行考虑。因此提高可靠性的措施主要应从以下几个方面考虑：①提高设备本身的可靠性；②增加设备备用数量；③加强维护检修和系统管理；④做好紧急情况应急方案。2.5给水厂可靠性与经济性给水厂可靠性应建立在经济合理的基础上。在提高给水厂的可靠性的措施之中，几乎都是需要增加资金支出的，从经济方面考虑肯定是不经济的，但在很多时候却是为了保障整个系统的正常运转和功能要求所必须的，这就需要针对给水厂的具体性质与情况，进行相关技术经济比较，通盘考虑，取得可靠性与经济性的良好结合，最终取得最有可靠度。3给水管网可靠性3.1城镇给水管网系统可靠性概述城镇给水管网是城镇给水系统重要的组成部分，其担负着向用户输送生产、生活用水的任务，是社会健康发展、人民安居乐业不可或缺的保障[8]。给水管网系统投资庞大、结构复杂，其运行的可靠性对整个给水系统发挥经济效益和社会效益起着举足轻重的作用[9]。然而由于给水管网的复杂性，在运行一段时间后，其往往会发生故障，使管网失效。近些年来，尽管依据城镇规划发展需要新建和优化改建了很多供水管网系统，但仍有大量的老化、供水不安全的管线在继续运行。由于供水系统设施老化、陈旧引起的系统功能的降低、用水需求的大量增加、科学技术水平较低、管理体制不完善等诸多原因，使我国城镇供水系统漏损、故障现象频繁加剧，使给水系统的可靠性问题倍受关注。因此，有必要对给水管网的主要失效形式和薄弱环节进行分析，进而采取相应的措施提高其可靠性和使用寿命。本文主要从城镇给水管网系统可靠性的影响因素分析切入，有针对性的分析城镇给水管网系统的可靠性问题，并通过分析提出具体的提高城镇给水管网系统可靠性的相关措施与建议。可靠性就是指产品在规定的工况条件下和规定的工作时间内，完成规定功能的能力。城镇给水管网系统的可靠性，就是指通过选购材料合适、压力合适、功能合适的给水管网件，在此基础上组件具备能够承受一定供水压力、实现一定供水水量功能的城镇给水管网系统，在一定时间内能够正常工作实现其功能的概率。对于城镇供水管网系统而言，其可靠性直接影响到供水管网系统的服役寿命，同时对城镇居民用水、工业生产用水等都会产生严重影响，因此必须要尽可能的实现城镇供水管网系统的可靠性。由于受到外界因素的影响，或者是受到自身管网构件质量因素及其他不可避免的因素影响，城镇供水管网不可避免的会发生一些故障问题，一旦发生故障，那么城镇供水管网系统就不可能再实现其预定功能，轻则会导致漏水事故发生，重则会发生停水事故，造成严重的经济损失。因此，必须要对城镇供水系统的可靠性加以研究，以期能够抑制那些容易造成供水事故的不可靠因素，从而将城镇供水管网系统的服役寿命最大化延长。3.2城镇给水管网系统可靠性影响因素总的来说，影响城镇给水管网系统的可靠性的因素很多，有些是不可控的因素，有些是可控的因素，在实际的给水管网系统的设计施工时，我们就应该尽可能的减小那些不可控影响因素所带来的损失和危害，尽可能避免那些可控影响因素所造成的不可靠损失。具体来说，对城镇给水管网系统的可靠性造成影响的因素主要有如下几个方面的因素。3.2.1可控因素可控因素主要是指可以控制的相关因素，这一类因素主要包括以下几个方面：管材、设计、施工、运行管理。1、管网管件的材料构成城镇给水管网系统的基本元件就是管网管件，管件的材料埋在地下，需要承受一定的地压、水压、温度以及具备一定的耐腐蚀性，因此管件材料的选取成为影响给水管网系统功能可靠性的主要影响因素之一。近年来，新型供水管道材料陆续得到了应用，但限于城镇供水的特殊性，供水管网的更新改造只能分期分批推进，不可能一步到位，因而老旧管材仍占相当大的比例。此前应用较多的有水泥管、铸铁管和镀锌管，这几种管材自身都存在一定的性能缺陷，即使未超过其使用寿命，若安装或使用不当，会带来漏损等诸多问题[10]。2、管网系统的设计城镇给水管网系统的设计合理性也是影响其可靠性的一大因素，在设计上要充分考虑城镇地下的管线编排情况，以及相关下水道的设计，井口的布置等，从而能够在一定程度上提高给水管网系统的可靠性。3、管网系统的施工在施工时，要严格按照施工工序和工艺要求进行施工，在管件的联接处尤其要注意密封和防漏水工艺的处理，确保整个管网系统施工过程的严谨和严密，这对于提高城镇给水管网系统的可靠性具有积极意义。施工质量也是影响城镇供水管网可靠性的重要因素。施工不重视安装前的管材质检，无论是混凝土管还是金属管，虽然经过检验才能准予入场，但在进入施工场地的过程中都经过了多次搬运和装卸，很容易受损，但在实际安装时，施工人员却很少对管道进行质检筛选，使得新铺设或改造的管线也存在漏损隐患。有时一些管线施工选址也有失妥当，主要表现在支管施工时，易受窄小街巷的施工环境限制，为降低作业难度因陋就简，将管道沿路边沟渠铺设，这样一方面管内壁受管道内余氯腐蚀会逐渐变薄，管外壁又受到地面积水或地下污水的侵蚀，易形成大面积的锈蚀层，抗压能力降低，形成漏损，另一方面，管线一旦发生暗漏，漏水将直接进入沟渠，难以及时发现。另外，施工规范也常常执行不到位，由于受到安装及维修的工程管理体制以及施工人员技术素质的影响，管道施工时大都未能严格按规范操作。综上所述，施工质量将会对供水管网的可靠性产生较大的影响。4、管网系统的运行管理城镇给水管网系统的正常运行，离不开水泵、电机等电气控制部件的正常工作，一旦水泵、电机等电气控制部件发生故障，也会造成城镇给水系统发生故障，从而降低其可靠性，因此在对电气控制部件进行选型设计时，必须要考虑到整个给水管网系统的功率、压力和流量等参数，从而选取合适的电气控制部件。3.2.2不可控因素不可控因素主要是指由于自然灾害因素而引发的城镇给水管网系统功能的不可靠。自然灾害因素主要是指由于地震、洪水或者泥石流等自然灾害，这些由于自然灾害因素而造成的城镇给水管网系统被破坏，进而造成城镇给水功能的丧失，会引发相关供水事故发生，因此，对于这一类自然因素是无法避免的，在城镇给水管网系统设计施工时，应当尽可能减小这一类因素发生时对于城镇给水管网系统所造成的危害和损失。3.3提高城镇给水管网系统可靠性的措施3.3.1合理选择管材对于新敷设的供水管道工程和维修工程，必须严格按国家规定执行，从设计选材，接口形式都要精心研究，探索采用新型材料。从目前来看，球墨铸铁管是广泛推广的优质管材，从其材质的特性上看，有强度高、延伸率大、抗腐蚀、抗老化等优点，使用寿命可达50年以上，安装方便，应力释放能力强。为了节约金属消耗，有关部门早已提出推广使用新型管材，如PPR、PE等管材。该类型管材具有重量轻、运输安装方便、造价低、耐压强度、流体阻力小、耐腐蚀性强、不影响水质等优点，深受广大用户喜爱[11]。3.3.2合理设计管网系统管网系统的设计，主要是指管网系统的拓扑结构，还包括管网系统的空间布置方案。一个良好的、合适的管网拓扑结构能够保证在供水区内以恒定的压力和流量实现供水，即使发生供水故障，整个供水管网的压力减小的程度也不是很大，因此这样的管网系统对于保证给水功能的可靠性具有重要作用。合理设计管网系统的另一个方面就是在管网拓扑结构设计的基础上构件管网定位标记，以方便后期对给水管网系统的故障定位和排查，尤其是下水道井口的安置位置，需要经过合理的计算与空间布局才能够得出。当然，随着技术的发展，现在已经出现了利用GIS定位装置实现对地下给水管网系统定位和故障排查的功能[12]。3.3.3采用先进施工工艺对于给水管网系统的施工，要采用合理的施工工艺和技术，确保不会对给水管网造成隐性伤害，另一方面，要通过合理选项变频器、控制器、电机、水泵等控制部件提高对给水管网运行工作控制的可靠性，提高控制的智能性，即使发生故障也能够立即做出相应处理或者减小故障的危害损失，从而提高给水管网系统整体的可靠性。也可以通过以太网实现对给水管网系统的联网监控监测，实现对城镇给水系统的可靠监控与管理[13]。3.3.4提高给水管网节点的可靠性给水管网由管件组成，不同的管件相互联接需要设置节点，而节点的可靠性在很大程度上直接决定了整个给水管网的可靠性，因此要提高给水管网的可靠性，就必须要想方设法提高管网节点的可靠性。首先，要从管网材料的选择上确保节点功能的可靠；其次，要结合节点的布置合理设计地下给水管网的拓扑结构，以确保整个给水管网系统