Dynamika rozwoju technologii w branży wodno-kanalizacyjnej w Polsce stale rośnie. Wdrażane są nowe, coraz doskonalsze produkty oraz rozwiązania znacząco wpływające na jakość usług związanych z dostarczaniem wody. Jednym z najważniejszych zakresów działań przedsiębiorstw branży jest diagnostyka sieci. Najczęstsze uszkodzenia sieci wodociągowych i związane z tym straty wody powstają w wyniku:

•    niewłaściwego wykonania połączeń rurowych (np. kielichowych lub zgrzewanych),

•    nadmiernego ciśnienia w sieci wodociągowej,

•    zbyt gwałtownych zmian ciśnienia w sieci wodociągowej (uderzeń hydraulicznych),

•    niewłaściwego zabezpieczenia antykorozyjnego rurociągów stalowych,

•    przemarzania gruntu w miejscach posadowienia przewodów wodociągowych,

•    nadmiernego dynamicznego obciążenia gruntu nad sieciami wodociągowymi,

•    osiadania gruntu w wyniku szkód górniczych, ruchów tektonicznych itp.,

•    prądów błądzących w rejonie trakcji elektrycznych wysokiego napięcia,

•    degradacji eksploatacyjnej materiałów sieci wodociągowych. [1]

Wykrywanie wycieków

Wycieki wody do gruntu są nieodłączną częścią eksploatacji sieci wodociągowej. Jednym z zadań diagnostyki sieci jest ograniczenie rzeczywistych strat wody, polegające na ujawnieniu, a następnie zlokalizowaniu miejsca wycieku. W ujawnianiu nieszczelności sieci wodociągowej kapitalne znaczenie ma właściwie skonfigurowany system monitoringu przepływu i ciśnienia w sieci wodociągowej, dzięki któremu możliwe jest szybkie zawężenie obszaru, na którym nieszczelność wystąpiła. Kolejnym z kroków jest precyzyjne zlokalizowanie miejsca wycieku. Najbardziej znaną dzisiaj metodą lokalizacji jest korelacja, wykorzystująca analizę dźwięków wytwarzanych przez wyciek. Dźwięk ten przenosi się po materiale rury lub przez wodę płynącą w wodociągu i odbierany jest przez czujniki piezoelektryczne lub hydrofony. Do wykonania korelacji niezbędne jest uzyskanie minimum dwóch punktów dostępowych, poprzez które możliwe jest podłączenie się do rurociągu lub do zabudowanej na nim armatury. [2]

Akustyczna metoda korelacji wykorzystująca czujniki piezoelektryczne jest skuteczna podczas lokalizacji wycieków w rurociągach wykonanych przede wszystkim z materiałów dobrze przenoszących dźwięki, takich jak np. stal lub żeliwo. Wykorzystując hydrofony, dzięki zdolności przenoszenia dźwięku w przepływającej wodzie, możliwe jest zlokalizowanie wycieku także na rurociągach z tworzywa sztucznego, lecz nie zawsze udaje się tego dokonać z pożądaną precyzją. Niedoskonałość metody pojawia się w przypadku hydrantów o niesprawnych odwodnieniach. Taka sytuacja często uniemożliwia wykonanie wiarygodnego pomiaru.

Kolejną, powszechnie wykorzystywaną metodą wykrywania i precyzyjnego lokalizowania wycieków, jest stosowanie loggerów korelujących. Urządzenia te posiadają wbudowany rejestrator, a dzięki budowie (niewielkie gabaryty) możliwe jest ich rozłożenie na sieci i pozostawienie przez dłuższy czas, np. w skrzynkach zasuwowych. Odpowiednio zaprogramowane urządzenie pozwala na odsłuch w godzinach nocnych, w momencie, gdy występują najmniejsze zakłócenia zewnętrzne.

Ostatnią z opisywanych metod akustycznych o wysokiej skuteczności jest lokalizowanie wycieku przy pomocy geofonu, czyli odpowiednio skonstruowanego mikrofonu gruntowego zapewniającego odsłuch bezpośrednio nad rurociągiem. [3]

Powszechnie używane metody akustyczne podatne są jednak na wpływ zewnętrznych zakłóceń dźwiękowych, które zakłócają szum powstały w wyniku wycieku. Wykonanie precyzyjnej korelacji lub jakiegokolwiek innego rodzaju odsłuchu sieci wodociągowej jest utrudnione zwłaszcza w centrach miast, przy ruchliwych drogach, a niemal niemożliwe podczas kontroli rurociągu łączącego się z komorą redukcyjną, gdzie szum urządzenia redukującego ciśnienie wytwarza dźwięk podobny dla dźwięku powstałego przy awarii sieci. Kontrola akustyczna szczelności odcinka rurociągu, w niedalekiej odległości połączonego z komorą reduktorową, skutecznie zakłóci odsłuch. Obok konieczności uwzględnienia uwarunkowań wymagane jest także spełnienie warunku utrzymania w sieci minimalnego ciśnienia około 2 bar, bowiem poniżej tego poziomu wyciek jest już mniej słyszalny. W przypadku spadku ciśnienia w rurociągu poniżej wartości 1 bara – ciśnienia koniecznego do detekcji – wyciek może przestać być słyszalny.

Nowatorska metoda

Duże zróżnicowanie sieci wodociągowych, wynikające z zastosowanych do ich budowy materiałów, oraz coraz większa ilość rurociągów wykonanych z tworzywa sztucznego, przyczyniły się do opracowania metody, która niezależnie od rodzaju materiału będzie tak samo skuteczna, jak metoda akustyczna. Pionierem w stosowaniu takiego właśnie – nowatorskiego – sposobu detekcji, opartego na wykorzystaniu walorów helu, jest dzisiaj Rejonowe Przedsiębiorstwo Wodociągów i Kanalizacji w Tychach Spółka Akcyjna.

Od początku stosowania tej metody przez RPWiK, zlokalizowano oraz usunięto wycieki z wykorzystaniem wcześniej opisanych metod akustycznych. Skuteczność tej metody jest dzisiaj bardzo wysoka. Wszystkie odnotowane w trakcie pomiarów przypadki zwiększonego stężenia gazu w gruncie świadczyły o nieszczelności wodociągu. Co istotne, metodą tą możliwe jest lokalizowanie wycieku w bardzo wczesnym stadium, tzn. w momencie, gdy wyciek dopiero zaczyna się tworzyć. Taka sytuacja może mieć miejsce w przypadku wystąpienia mocno skorodowanego rurociągu, którego perforacja jest na tyle mała, że nie powoduje jeszcze przepuszczania wody, ale pozwala na wydostanie się gazu na powierzchnię. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczka helu jest mniejsza od cząsteczki wody.

Etapy działania

Technika detekcji oparta na wykorzystaniu helu przewiduje kilkuetapowe działania. Pierwszym jest wtłaczanie gazu do pracującego rurociągu. Następuje to na początku odcinka, który będzie poddany badaniu, poprzez punkt dostępowy do sieci, jak np. hydrant lub króciec zabudowany w komorze pomiarowej. Gaz rozprowadza się zgodnie z kierunkiem przepływu wody w sieci wodociągowej, a wprowadzona jego ilość musi być dostosowana do prędkości przepływu wody oraz średnicy rurociągu. Długość badanego jednorazowo odcinka sieci może przekraczać nawet 5 km, niezależnie od średnicy, materiału oraz ilości zabudowanej na nim armatury. Wtłaczany gaz rozpraszany jest w wodzie i nie zagraża on w żadnym stopniu jej odbiorcom. Wtłaczanie odbywa się do momentu uzyskania odpowiedniego stężenia gazu w wodzie, na końcu badanego odcinka sieci. Po zakończeniu wtłaczania – uzyskaniu odpowiedniego stężenia w sieci – wymagane jest odczekanie około 12 godzin, w celu odpowiedniego rozprowadzenia się gazu w gruncie.

Kolejnym etapem detekcji jest wprowadzenie sondy pomiarowej do gruntu, poprzez którą próbka powietrza w nim zawartego przekazywana zostaje do analizatora. Odczyt wskazania analizatora pokazującego wzrost stężenia helu ponad poziom jego naturalnej zawartości w atmosferze, informuje o wystąpieniu nieszczelności. Miejsce występowania nieszczelności wodociągu wskazywane jest przez najwyższe stężenie gazu, co stwierdza operator korzystający z czujnika stężenia gazu. Hel, jako gaz lżejszy od powietrza, w miejscu nieszczelności uwalnia się z wody i przenika do gruntu, w którym jest wykrywalny przez około 4 dni. W tym czasie możliwe staje się wykonanie detekcji i uzyskanie wystarczająco wiarygodnych wyników pomiarowych.

Jak się okazuje metoda detekcji helem umożliwia zdecydowanie dokładniejsze zlokalizowanie wycieku niż metoda wykorzystująca tradycyjne narzędzia akustyczne. Metoda „gazowa” ma wysoką skuteczność, niezależnie od średnicy, a także materiału rury. Nie wymaga także stosowania tzw. punktów odsłuchowych, w przeciwieństwie do powszechnie wykorzystywanych metod akustycznych. Podczas detekcji helem konieczna jest jednak dobra znajomość przebiegu sieci oraz kierunku i prędkości przepływu wody.

Czemu hel?

Z uwagi na swoją bezwonność, niepalność oraz nietoksyczność, hel okazuje się idealnym narzędziem w technice sprawdzania szczelności. Do specyfiki helu należy również to, że nie tworzy mieszanin eksplozyjnych z innymi gazami. Cechy te sprawiają, że jest nieszkodliwy dla środowiska. Ponadto gaz ten jest bardzo stabilny temperaturowo, co ułatwia badania obiektów znajdujących się w środowiskach o ekstremalnych temperaturach. Należy również zauważyć, że jego cząsteczka jednostkowa jest najmniejsza zaraz po wodorze, co sprawia, że może wnikać w mikroszczeliny. Dzięki tej właściwości badania helem są bardzo dokładne i pozwalają na wykrycie najdrobniejszych nawet nieszczelności. [4]

Porównując pod kątem ekonomicznym metodę akustyczną oraz detekcję helem należy wnikliwie przygotować kryteria oceny metod. Biorąc pod uwagę kosztowy aspekt lokalizowania nieszczelności, a później ich usuwania, trzeba dokonać kompleksowej analizy opłacalności potencjalnych działań naprawczych. W tym kontekście należy przeanalizować ryzyko powiększenia się wycieku w czasie, tym samym potencjalnych kosztów wystąpienia awarii o większym niż pierwotnie stwierdzonym zakresie. W powyższym kontekście metoda detekcji helem okazuje się być atrakcyjną alternatywą dla przypadków, w których metoda akustyczna zawodzi.

***

Jednym z największych sukcesów RPWiK w zakresie wykorzystania metody detekcji helem jest zlokalizowanie trzech wycieków o łącznej wielkości 8 m3/h, na jednym odcinku sieci o długości 3000 m. Nieszczelności te nie były możliwe do wykrycia metodą akustyczną, zarówno z wykorzystaniem czujników piezoelektrycznych, jak i hydrofonów. Rok pracy z urządzeniem potwierdził wysoką skuteczność metody, pozwalając na zdobycie cennych doświadczeń oraz osiągnięcie znacznych oszczędności wody.

Pomimo wdrożenia i funkcjonowania z dużym powodzeniem, omawiana metoda jest ciągle rozwijana i ulepszana. Aktualnie prowadzone są badania mające na celu skrócenie czasu detekcji oraz zminimalizowanie ilości wtłaczanego gazu. Ciągłe prace rozwojowe mają doprowadzić do obniżenia kosztów detekcji, przy pozostawieniu wysokiego poziomu skuteczności metody.

Literatura:

[1] Ociepa E. ,Mrowiec M. , Deska I. Straty wody w systemach dystrybucji – przyczyny, określanie, działania na rzecz ograniczania. Instytut Inżynierii Środowiska, Wydział Infrastruktury i Środowiska Politechnika Częstochowska – praca prezentowana podczas konferencji ECO Opole,

[2]  Sobczak R., Turkowski M., Bratek A., Słowikowski M., Bogucki A. Metody i systemy detekcji nieszczelności rurociągów dalekosiężnych. Pomiary Automatyka Robotyka 4/2007,

[3]  Piechurski F. Urządzenia do wyszukiwania wycieków w sieci wodociągowej (2), Sondowanie rury, Magazyn Instalatora 8(192) sierpień 2014,

[4]  Tomicz S. Hel – własności, produkcja, zastosowanie. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa 1978.

Artykuł został również opublikowany w nr 2/2018 magazynu "Kierunek WodKan"