Ryzyko pod kontrolą – Jak nowoczesne technologie pomagają dbać o infrastrukturę wod-kan Warszawy.

Nie sposób rozmawiać o bezpieczeństwie miasta i jego mieszkańców nie dotykając tematu bezpieczeństwa infrastruktury wodociągowo-kanalizacyjnej. Infrastruktury będącej siecią wzajemnych połączeń i relacji setek obiektów technicznych, z których każdy wymaga odpowiedniego zabezpieczenia, konserwacji i monitoringu. Każda z instalacji działa w nieco odmiennych warunkach, a jej obsługa zmaga się z innymi wyzwaniami w zakresie jej konserwacji i zabezpieczenia. Konieczna jest nie tylko kompleksowa ocena stanu technicznego, ale także odpowiednie zaplanowanie przyszłych inspekcji – w sposób indywidualny i precyzyjny, a zarazem usystematyzowany i obiektywny. Z tego względu Wodociągi Warszawskie rozwijają system, który łączy inspekcje, monitoring konstrukcji, badania materiałowe i analizę danych z wykorzystaniem najnowszych technologii badawczych i informatycznych. Celem jest wcześniejsze rozpoznawanie zagrożeń i kierowanie kontroli tam, gdzie mogą przynieść największą wartość dla bezpieczeństwa.

Projekt „Opracowanie systemu minimalizacji ryzyka eksploatacyjnego oraz monitoringu technicznego infrastruktury krytycznej wodociągowej i kanalizacyjnej z wykorzystaniem zaawansowanych narzędzi analitycznych” otrzymał dofinansowanie z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Priorytetu I „Fundusze Europejskie dla bardziej konkurencyjnego i inteligentnego Mazowsza”, Działania 1.1 „Badania, rozwój i innowacje przedsiębiorstw” programu Fundusze Europejskie dla Mazowsza 2021–2027. Maksymalna wartość projektu wynosi 2 954 452,12 zł, przy maksymalnym dofinansowaniu 1 062 492,08 zł.

Projekt realizowany jest przez Pion Badań i Analiz Technicznych we współpracy z innymi jednostkami organizacyjnymi Spółki, a jego rezultatem będzie zmniejszenie maksymalnego ryzyka wystąpienia awarii liczonego zgodnie z opracowanymi algorytmami metodologii RBI o min. 20%

Metodyka RBI

Projekt zakłada opracowanie metodyki RBI (z ang. Risk-Based Inspection, inspekcje oparte na analizie ryzyka), innowacyjnej w branży wod-kan, a będącą standardem w przemyśle petrochemicznym i energetyce atomowej. W praktyce oznacza to połączenie wiedzy o konstrukcji, materiałach, warunkach pracy, historii usterek i możliwych skutkach awarii. Wynikiem ma być nie tylko ocena „dobry–zły”, lecz uporządkowana odpowiedź: co sprawdzić, jaką metodą, gdzie i kiedy.

W ujęciu stosowanym w standardach API 580 i API 581 ryzyko wiąże się z prawdopodobieństwem uszkodzenia oraz konsekwencjami, jakie może ono wywołać. RBI traktować należy jako proces oceny i zarządzania ryzykiem, w którym opracowany plan inspekcji jest cyklicznie weryfikowany i stale ulepszany. W projekcie ta logika zostanie dostosowana do specyfiki komunalnych rurociągów i współpracującego z nimi tunelu.

Etapy Projektu

• Najpierw zespół porządkuje dokumentację techniczną, dane eksploatacyjne i historię awarii. Rozpoznaje elementy układu, warunki obciążenia i stosowane zabezpieczenia.
• Następnie określa możliwe mechanizmy degradacji, takie jak korozja, erozja, uszkodzenia mechaniczne czy zmęczenie materiału. Dla każdego mechanizmu dobiera metody, które mogą wykryć dany typ wady.
• Kolejny etap to ocena prawdopodobieństwa uszkodzenia (PoF) oraz jego konsekwencji (CoF), w tym skutków technicznych, środowiskowych i finansowych. Wspólna ocena pozwala wskazać obszary wymagające większej uwagi.
• Na tej podstawie powstaje Program Badań Eksploatacyjnych (PBE): harmonogram, zakres i metody inspekcji, zasady interpretacji wyników oraz ścieżka postępowania po wykryciu nieprawidłowości.
• Program jest okresowo weryfikowany. Nowe odczyty i wyniki badań aktualizują obraz ryzyka, dzięki czemu decyzje mogą uwzględniać rzeczywisty stan instalacji.

W tradycyjnym podejściu kontrole często odbywają się w stałych odstępach. RBI pozwala różnicować ich zakres i częstotliwość zależnie od ryzyka. Ostatecznie oznacza to pozyskanie jasnej informacji na temat tego który obszar instalacji lub konstrukcji wymaga największej uwagi. Umożliwia to najbardziej optymalne skierowanie zasobów i personelu w celu pozyskania najlepszej wiedzy o stanie technicznym obiektu.

To ważne, bo rozległe sieci i obiekty techniczne nie starzeją się równomiernie. Stały odstęp między kontrolami może nie uwzględniać lokalnych różnic w obciążeniu czy środowisku. Z kolei reakcja dopiero po wystąpieniu usterki oznacza, że ostrzeżenie przychodzi za późno. RBI ma pomóc przejść od takiego schematu do planowania inspekcji zgodnie z prawdopodobieństwem uszkodzenia i wagą jego konsekwencji.

Tunel pod Wisłą - laboratorium w skali rzeczywistej

Przedmiotem analiz układ przesyłu ścieków pod Wisłą: około 1,3-kilometrowy tunel łączący zakłady „Farysa” i „Świderska”, wykonany metodą TBM o średnicy rozmiarach porównywalnych z tunelem metra, mieszący w sobie infrastrukturę technologiczną – dwa rurociągi stalowe o średnicy 1,4 m zabezpieczone powłokami poliuretanowymi, w technologii znanej z pracujących w trudnych warunkach gazociągów podziemnych. Tunel przebiega pod rzeką, więc przy analizie jego zachowania niezbędne jest uwzględnienie warunków gruntowych i hydrogeologicznych. Układ przesyłowy, jako skomplikowany system techniczno-konstrukcyjny wymaga indywidualnego i szczegółowego podejścia do analizy ryzyka awarii i stanu technicznego – i tu właśnie przychodzi z pomocą zarówno metodyka RBI, jak również najnowsze zdobycze techniki.

Konstrukcja bez tajemnic

Tunel pracuje. Obudowa tunelu poddawana jest ciągłym naprężeniom związanym z naporem mas gruntu i wody. Na rurociągi technologiczne działają siły związane z odkształceniami termicznymi – jedne z najsilniejszych oddziaływań znanych w inżynierii. Kontrolę nad prawidłową bezpieczną pracą konstrukcji zapewnia monitoring strukturalny SHM (Structural Health Monitoring). Monitoring przemieszczeń oparty o czujniki strunowe oraz czujniki typu MEMS umożliwia śledzenie ruchu poszczególnych elementów rurociągów i porównywanie z określonymi progami bezpieczeństwa.

Obudowa tunelu wyposażona jest w trzy liniowe czujniki światłowodowe DFOS rozmieszczone u góry i po bokach przekroju tunelu. Włókna mierzą odkształcenia i temperaturę na kolejnych odcinkach pozwalając wyznaczać miejsca zmian geometrii, w tym ruchy osi tunelu oraz przemieszczenia między sąsiednimi prefabrykatami. Pomiar światłowodowy daje informację rozłożoną wzdłuż całej trasy, a nie tylko w kilku punktach, jak w tradycyjnych metodach pomiarowych.

Dane z monitoringu konstrukcji przechodzą przez system akwizycji, następnie trafiają do bazy danych, co umożliwia ich analizę – możliwym staje się dokładna korelacja przemieszczeń poszczególnych elementów tunelu z warunkami ich pracy, co daje możliwość wykrywania ewentualnych anomalii i zjawisk niepokojących.

Modelowanie i predykcja

Dane pozyskane z systemu monitoringu posłużą do zasilenia symulacji komputerowych na modelu 3D odwzorowującym pełną geometrię tunelu, jego zmienne spadki, warunki gruntowe i wodne oraz obciążenia od wyposażenia i instalacji. Do jego zbudowania posłużono się dokumentacja projektowa i powykonawcza, danymi geodezyjnymi, parametrami materiałów oraz batymetrią Wisły. Model numeryczny kalibrowany jest na podstawie rzeczywistych pomiarów. Pozwala analizować pionowe i poziome przemieszczenia konstrukcji oraz sprawdzać scenariusze, których nie da się odtworzyć w warunkach rzeczywistych gwałtowny wzrost poziomu rzeki, niski stan wody, różne stany napełnienia rurociągów czy wstrząsy podłoża.

Ocenę stanu technicznego wesprze sztuczna inteligencja. Projekt zakłada przygotowanie systemu IT analizującego dane z systemów przemysłowych, historii awarii, badań materiałowych, monitoringu światłowodowego i modelu tunelu. Uczenie maszynowe (ML) pozwala algorytmom rozpoznawać zależności w danych, a uczenie głębokie (DL) wykorzystuje wielowarstwowe sieci neuronowe do wykrywania bardziej złożonych wzorców. W tym zastosowaniu narzędzia mają wspierać wykrywanie anomalii, wskazywać obszary podwyższonego ryzyka i pomagać prognozować rozwój uszkodzeń oraz trwałość elementów.

Modele predykcyjne nie zastępują inżyniera ani badań. Ich jakość zależy od jakości i kompletności danych, dlatego ważne są uporządkowane bazy, porównywalne pomiary oraz walidacja wyników. Algorytm może sygnalizować nietypową zmianę; specjaliści oceniają jej znaczenie, sprawdzają ją odpowiednią metodą i decydują o dalszych działaniach. Tak powstaje pętla uczenia: pomiar, analiza, inspekcja, aktualizacja oceny ryzyka.

Badania materiałów bez zgadywania

Podstawą do rozważań na temat zagrożeń i mechanizmów degradacji konstrukcji jest wiedza o materiałach. Wodociągi Warszawskie od lat rozwijają samodzielny potencjał badawczy w zakresie materiałoznawstwa, tworząc Dział Badań Materiałowych działający w ramach Pionu Badań i Analiz Technicznych. Projekt obejmuje przeprowadzanie badań materiałowych, testy próbek oraz sprawdzanie, jak wady rozwijają się pod wpływem temperatury, przepływu i obciążeń. Zespół ma porównać skuteczność metod i ocenić, które najlepiej wykrywają konkretne uszkodzenia w warunkach eksploatacyjnych.

Doświadczenie i wyposażenie personelu Wodociągów Warszawskich umożliwia przeprowadzenie między innymi badań ultradźwiękowych (UT) wykorzystujących fale dźwiękowe do oceny materiału. Odpowiednio dobrana technika może wskazać nieciągłości wewnętrzne, pęknięcia lub ubytki grubości ścianki. Ultradźwiękowy pomiar grubości pozwala śledzić, czy materiał traci przekrój, np. wskutek korozji. Grubościomierze i inne metody kontroli mogą być też używane do oceny elementów powłokowych.

Informacji o stanie materiału dostarczy między innymi badanie twardości metodą Shore’a, stosowane dla materiałów polimerowych i kompozytowych. Pomiar pomoże ocenić zmianę właściwości powłok ochronnych.

Osobnym zagadnieniem jest pomiar grubości warstwy ochronnej. Pozwala on sprawdzić, czy powłoka antykorozyjna lub izolacyjna ma wymagane parametry i czy nie występują lokalne ubytki, które mogłyby odsłonić podłoże. Dobiera się do tego przyrząd odpowiedni dla rodzaju powłoki i podłoża, a pomiary wykonuje w reprezentatywnych punktach. Zestawienie wyników z oceną przyczepności, porowatości i oględzinami pomaga określić, czy warstwa nadal pełni swoją funkcję ochronną.

Projekt zakłada również wytworzenie nowych stanowisk badawczych pozwalających między innymi zbadać zachowanie się materiału pod wpływem ekspozycji na medium takie jak ścieki lub solanka i wyciągnąć wnioski na temat starzenia się powłok.

Plan prac

Harmonogram prowadzi od poznania obiektu do wdrożenia procedur eksploatacyjnych. Poszczególne zadania częściowo się zazębiają, tak aby wyniki pomiarów i badań mogły zasilać kolejne analizy:

• Analiza konstrukcji i warunków pracy: przegląd dokumentacji, historii awarii, obciążeń, zabezpieczeń i danych SCADA; wskazanie mechanizmów degradacji oraz punktów krytycznych.
• Badania materiałowe: testy próbek i modeli instalacji, przyspieszone starzenie oraz porównanie metod niszczących i nieniszczących, w tym UT, pomiarów twardości i kontroli powłok.
• Analiza pracy tunelu: instalacja i wykorzystanie monitoringu światłowodowego, przygotowanie danych środowiskowych i technologicznych oraz budowa i kalibracja modelu numerycznego.
• Algorytmy ryzyka: opracowanie sposobu szacowania prawdopodobieństwa i skutków awarii, analiza danych historycznych oraz przygotowanie systemu wykrywania anomalii z wykorzystaniem ML/DL.
• Program Badań Eksploatacyjnych: określenie metod i częstotliwości inspekcji, procedur interpretacji, zasad okresowej walidacji oraz reagowania na wykryte uszkodzenia.

Realizacja projektu przyniesie wielowymiarowe korzyści dla mieszkańców Warszawy, środowiska oraz samej Spółki. Wdrożenie rozwiązań będących efektem projektu ograniczy ryzyko awarii infrastruktury wod.-kan. co w sposób bezpośredni podniesie bezpieczeństwo mieszkańców Warszawy w kontekście zaspokojenia podstawowych potrzeb. Zmniejszenie ryzyka awarii to również ograniczenie potencjalnych szkód dla środowiska naturalnego. Ponadto skuteczna diagnostyka i planowanie konserwacji instalacji zmniejszy koszty związane z ewentualnymi naprawami.

Zdobyte w toku realizacji projektu dane i wiedza będą mogły być wykorzystane do dalszego rozwoju metodyki RBI na innych elementach infrastruktury miejskiej np. tunelach metra, co w przyszłości przełoży się na ogólną poprawę bezpieczeństwa miasta.

Projekt dofinansowany przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach programu Fundusze Europejskie dla Mazowsza 2021–2027.