Nordstream kaasuputken mitoitukseen vielä hieman kommenttia (edelleen teknistä, joten jos ei kiinnosta, niin ei kannata itseään närkastyttää pidemälle lukemisella
):
Ymmärtääkseni näin siinä kävisi, jos Saksassa ei putkesta kaasua laskettaisi ulos ja Venäjältä vain putkea täytettäisiin. Syöttöpaine (220 bar) ei kuitenkanaan riitä putken rikkoontumiseen/murtumaan, koska seinämän teräs myötää varovaisen laskutavan mukaan ~216 bar (von Mises) ohuimman seinämän nimellisillä arvoilla. Myötäämisen jälkeen teräs voi lujittua murtolujuuteen/-venymään saakka, mutta siihen jää pysyvä muodonmuutos ts. halkaisija kasvaisi, jos jännitykset ylittävät putken myötölujuuden. Pöljän Pojan laskutapakin oli varmalla puolella, koska painepinta-alana käytin keskisädettä (keskihalkaisijaa). Todellisuudessa painepinta-ala on sisäsäteen (sisähalkaisijan) mukaan hieman pienempi. Tosin vanhojen normien mukaan putkien mitoituksessa painesäteenä (-halkaisijana) käytettiin putken ulkohalkaisijaa, joten laskentamenettely vaihtelee sovellettavan standardin mukaan. Nordstream putkistossa sovellettavan DNV-standardin menettelyt eivät ole tiedossa.
Arvelen min 485 MPa:n myötölujuuksisella hitsattavalla teräksellä (sangen luja rakenneteräs tms. hitsattava teräs) murtovenymän olevan luokkaa >15 % ja murtolujuuden olevan Rm>1,2*myötölujuus, joten varaa on hieman myötölujuuden jälkeenkin, mutta pysyvä muodonmuutos jäisi putkeen.
Putken pituussuuntaisen hitsin lujuus ja muodonmuutoskyky ovat tietysti huomioitava ja hitsin alueella (hitsi + perusaine) muodonmuutoskyky (murtovenymä) voi olla neitseellistä perusainetta heikompi. Lisäksi poikittaisen jatkosauman kohdalla tulee vähintään kahden hitsin "törmäys" eli pituussuuntaisen hitsin ja kehänsuuntaisen hitsin T-risteys. Pahimmillaan 3:n hitsin törmäys (kahden pituussuuntaisen hitsin ja kehänsuuntaisen jatkohitsin X-liitos), mutta arvelen putken pätkiä käänneltävän asennuksen aikana siten, ettei tuommoista 3:n hitsin detaljia synny.
Kyllä teräskin on kallista, kun noin pitkiä ja suurihalkaisijaisia putkilinjoja tehdään. Terästonneja säästyy paljon noilla km-määrillä. Arvelen myös, että ~27 mm:n paksuisen levyn taivutuksessa (voimat/osien paino) ja hitsauksessa (pienempi hitsin a-mitta ja hitsin tilavuus) vs. ~35...41 mm levyt saavutetaan merkittäviä menetelmä- ja valmistuskustannussäästöjä painon säästön (teräsmäärän) ohella.
Nordstream 1 putki on koeponnistettu vesipainekokeella pätkä kerrallaan asennusvaiheessa, ohessa leike Nordstream 1 kuvauksesta (osa 4), johon viite aiemmassa viestissä:
"4.6.2 (s. 221/pdf s. 119) Järjestelmän koeponnistus ja putkiosien yhdistäminen
Putkien eheys tarkistetaan koeponnistuksella (huoltoa edeltävä vedenpainetesti). Kun putket on
täytetty vedellä, paineen ja lämpötilan täytyy tasata. Paineen ja lämpötilan tasaantumisen
jälkeen painetta lisätään ruiskuttamalla putkilinjaan lisää vettä, kunnes vaadittava jälkipaine
saavutetaan.
Tämän jälkeen paine ja lämpötila pidetään muuttumattomana tavallisesti 24 tunnin ajan, jonka
aikana painetta tarkkaillaan vuotojen varalta.
Putkilinjan täytön aikana ja koeponnistuksen suorittamisen jälkeen putkiosat yhdistetään
kilometrikohdissa KP 300 ja KP 675 veden alla korkeapainehitsauksella."
Valitettavasti koeponnistuspainetta ei kuvauksessa mainita. Lopusta näkyy myös, että KP 300 ja KP 675 kohdissa putket liitetään koeponnistuksen jälkeen veden alla, joten ne hitsit jäivät koeponnistamatta. Ko. hitsit ovat kuitenkin varmalla puolella, koska niissä on toisena putkena paksumpiseinämäinen putki, mutta paine lienee alkavan ohuemman seinämän osuuden mukainen.
Vertailuksi Suomen käytännöt maakaasuputkiston koeponnistukselle/tiiveyskokeelle löytyvät "epävirallisesti" maakaasukäsikirjasta, johon linkki ohessa
https://www.kaasuyhdistys.fi/julkaisut/maakaasun-kasikirja/
Osalainaus s. 32:
"
Käyttöönottotarkastukseen, joka voidaan tehdä yhdellä kertaa tai useassa osassa, sisältyy painekoe,
joka tehdään vedellä, ilmalla tai inerttikaasulla. Painekokeella testataan putkiston lujuutta.
Siirtoputkiston koepaine on vähintään 1,3 kertaa putkiston suunnittelupaine. Jakeluputkiston
koepaine on vähintään 1,3 kertaa suurin sallittu käyttöpaine ja käyttöputkistolla vähintään 1,43
kertaa suurin sallittu käyttöpaine. ...."
Painekokeen varmuus suunnittelupaineeseen on n>1,3 Suomessa. Yleensä painemitoituksessa on vielä jokin lisävarmuus putken myötäämiseen nähden ts. painekokeessa putkeen ei saa syntyä laajaa pysyvää muodonmuutosta. Jakeluverkossa on paineasemia (pumppaamoita/kompressoreja) + paineenjako/-tasaus asemia yms. pitkin linjaa, joten tilanne on hyvin hallittavissa putkiosuuksittain ja paineet ovat matalampia (max ~80 bar siirtoputkissa suunnittelupaine, muualla pienempiä) kuin Nordstream putkissa oli (suunnittelupaine 220....170 bar) ja joissa matkan varrella ei liene pumppuasemia eikä muita sulkujakaan.
Jos Nordstream 1 koeaponnistuspaine olisi Suomen maakaasu putkiston koepaineiden mukainen, niin viimeisellä pätkällä koepaineen minimi olisi min pkoe = 1,3*170 bar= 221 bar eli likimain sama kuin alkuosan suunnittelupaine ja pumppauspaineen maksimi Viipurissa (220 bar). Suomen käytäntöjen mukaisesti mitoitettuna putken tulisi kestää myötäämättä 220 bar syöttöpaineen myös loppupäässä (koeponnistuspaine min 221 bar). Olisi tuo valitettavan lähellä ja "väärällä puolella" Pöljän Pojan -menettelyin arvioituja myötöpaineita (211 bar (Tresca) ja 216 MPa (von Mises)).
Sähläysvaraa ei jäisi lainkaan?
Putken mitoituksen tarkempi arviointi palautuu DNV-standardin edellyttämiin käytäntöihin, joiden vaatimuksia ei liene julkisesti (ilmaisdokumentteja) saatavilla, paitsi ehkä opinnäytteissä epävirallisesti esitettyjä tietoja lukuunottamatta. Sopivia viitteitä ei löytynyt.
Putken syöttöpäässä (~Viipurissa) kaasun lämpötila max =+40 oC, joskus kuumina kesinä pävällä lämpötila voi olla korkeampi, jolloin kaasun syöttöä putkeen vähennetään, jotta suurin mahdollinen tulolämpötila (Saksan päässä) ei ylity.
Ulostulon (Saksan rannikolla) kaasun lämpötila min. -5 oC (lyhytaikaisesti), -1 oC pitkäaikaisesti (normaalitilanne?). Kylminä talvina Saksassa ulostulon lämpötila saattaa madaltua alle sallitun (-5 oC??), jolloin virtausta vähennetään, jottei ulostulon lämpötila laske liikaa.
Ks. tarkemmin: Nordstream 1 kuvaus s. 226 pdf s. 126, kohta Putkilinjan parametrien valvominen.
Arvelen paineen pudotuksen johtuvan kaasun lämpötilan laskusta sekä putken seinämän ja kaasun rajakerroksen kitkahäviöstä, joka pitkässä putkessa on merkittävä paineen alennuksen syy.
Paineen laskulle linjastossa kaasun lämpötilan laskemisen myötä saanee "pöljän pojan" -arvion ideaalikaasun tilanyhtälön pV/T=vakio perusteella. Esimerkiksi (vakiotilavuus, isokoorinen prosessi):
p2=p1*T2/T1 = 220 bar * (-1 + 273) K/(40+273) K=191 bar ja loppu osa (~21 bar) olisi sitä kitkan voittamiseen tarvittavaa paineen pudotusta.
Jep. Putken virtaus ei ole suljettu systeemi eikä se siten ole isokoorinen prosessi, mutta kai tuo jonkun arvion paineen pudotuksesta antaa lämpötilan alenemisesta johtuen ainakin "pöljän pojan" tarkkuuksilla.
Bernoullin yhtälö kokoonpuristuville kaasuille on hankala "pöljän pojan" hallittavaksi. Nyt paine on myös korkea (~100...220 bar), joten kokoonpuristuvuus pitäisi ehkä myös huomioida häviötermien lisäksi.
Tosin laskennallinen paineen muutos on "vain" ~40 MPa, joten kokoonpuristuvuuden vaikutuksen voi ehkä unohtaa?
Yleensä Bernoullin yhtälöä sovelletaan kokoonpuristumattomille fluidille (nesteille toimii hyvin), kun virtauspoikkipinta-ala muuttuu ja "häviöt" (esim. kitkatyö) unohdetaan. Nyt putken sisähalkaisija on vakio 1153 mm ja siten virtauspoikkipinta-ala ei muutu, kun tarkastellaan pelkästään putkea, muttei sen päissä olevia venttiileitä, mittausyhteitä tms, joissa tapahtuvat muutokset eivät vaikuta putken sisällä olevaan tilanteeseen ennen kuin pitkän ajan kuluttua virtauksen tasaannuttua.
Arvelen putkilinjan matkalla syntyvän kaasun lämpötilan aleneman (ideaalikaasun yhtälö) ja kitkahäviön olevan merkittävimmät syyt paineen laskuun Bernoullin sijasta.
Kaasujen virtauksia ja etenkin putkivirtauksia ymmärtävä henkilö voinee kommentoida aihetta teknisesti fiksummin.
Esim. Miten ideaalikaasun tilanyhtälö, reaalikaasut ja Bernoullin yhtälö kytkeytyvät toisiinsa ja mikä niistä on syy / seuraus maakaasun putkivirtaukseen niitä sovellettaessa.
Oheisessa kandidaatin työssä on aihetta käsitelty ja sieltä saanee ideoita paineenlaskun arviointiin (ks Luku 3, ja hiki nousee otsalle
):
Kyllä näin lopulta kävisi, mutta putki kestäisi myös loppuosaltaan paineen nousun nippa-nappa. Putkea ei saa murtumaan 220 bar paineella Saksan päästä Pöljän Pojan tarkastelujen perusteella, mutta lähellä vaurioitumista oltaisiin putkiseinämän myötäämisen (pysyvän muodonmuutoksen) suhteen.
Muutoin teknisempi vastaus ensimmäisen lainauksen alla yllä. Ohessa vielä "epävarmuuksia" listana.
Aika paljon on tullut kirjoitettua paineenalaisen putken mitoituksesta, joten kerrataan "Pöljän Pojan" menetelmän heikkoudet vielä tähän viestiin:
- Seinämän rasitus (kehäjännitys) on laskettu kattilakaavan mukaisella keskimääräisellä jännityksellä. Niin voi tehdä, koska seinämänpaksuus/säteen suhde <0,1 ja putki on lujuusteknisesti "ohut seinämäinen". Suhteellinen virhe kehäjännityksessä < 5 %. Tarkempi tarkastelukaan ei ole ylivoimainen tehtävä, kun paine ja mitat tunnetaan
+/- Painesäteenä on käytetty putken keskiseinämän sädettä = säde +puolet seinämästä. Todellisuudessa painesäde olisi ehyelle putkelle sisäsäde, jota joissakin standardeissa käytetään mitoituksessa. Joissakin painestandardeissa (vanhoissa, kuten minäkin, esim SFS:t) putkien mitoituksessa on painesäteenä konservatiivisesti käytetty ulkosädettä (=sisäsäde + seinämän paksuus)
- Hitsattujen putkien tapauksessa on jännitysten yhdistämisessä tapana käyttää Trescan (max leikkausjännitys) hypoteesia, joka on konservatiivisempi kuin nykyään teräsrakentamisessa yleisesti käytetty von Mises (vakiomuodonvääristymishypoteesi). Kansanomaisesti voinee sanoa: Tresca-materiaali kestää vähemmän rasitusta ja on heikompi kuin von Mises-materiaali. Sovellettavan standardin (DNV) mukainen käytäntö pitäisi tietää
- Putkimateriaalin myötölujuudeksi on oletettu "Kuvauksen" mukaisesti SMYS (Specified minimum yield stress)=485 MPa, onko niin, DNV-kertoo... Muita materiaaliarvoja ei ole tiedossa, joten vain arvailuja voi esittää muodonmuutoskyvystä ja hitsausystävällisyydestä ja niiden vaikutuksesta "pöljän pojan " yksinkertaisiin tarkastelumenetelmiin
- Putken seinämän paksuuden vaihtelua ja pyöreyttä/soikeutta (valmistustoleransseja) tai syöpymis-/korroosiovaroja ei ole huomioitu. DNV-standardi kertonee....
- Hitsausliitosten lujuus ja muodonmuutoskyky vs. tarkastus vs. standardin edellyttämät menettelyt, DNV-standardi kertonee
- Putkeen kohdistuvia muita rasituksia ei ole tarkastelussa huomioitu. Esim. kannakointi kuten lepääkö putki tasaisesti meren pohjassa vai onko joitain erikoistuentakohtia. Onhan niitä asennustyön rasituksien vuoksi joissakin kohdin ~900 m:n välein, joissa kohdin on "paksumpi erikoispätkä", jonka rakennetietoja ei ole yksityiskohtaisesti saatavilla. Aksiaalirasituksia (putken taivutus merivirtauksesta ja normaalivoima esim. lämpötilan vaihtelusta johtuen) ei ole huomioitu. Lämpötila ei voine meren pohjalla kovin paljoa vaihdella, joten lämpöliikkeitä ei tarvinne huomioida. Tosin suunnitteluvaatimus on merenalaisella osuudella -10....+60 oC ja käyttölämpötila -10...40 oC. Betonipinnoituksen rasituslisää (paino) ei ole huomioitu. Jos putki lepää tasaisesti tuettuna pohjaa vasten, ei betonista aiheutune merkittäviä rasituslisiä. Pohjan muodon ja niistä johtuvien putken loivien (tai jyrkkien??) mutkien rasituslisät? Oletuksena ne lienevät riittävän loivia mutkia, jottei niistä synny lujuusteknisiä harmeja
- Aiemmassa viestissä esitetty veden syvyyden helpottava vaikutus (1 MPa/100 m) on turhaa pohdintaa, koska putki tulee lopulta pintaveteen "heikommasta päästä" Saksan rannikolla. Jos putki olisi ollut suljettuna, niin periaatteessa sen olisi pitänyt murtua Saksan rannikolla ylipaineen vaikutuksesta, jossa meriveden hydrostaattinen paine on pienin
- Nordstream 1 kuvauksessa oli maininta, että käytönaikanen häiriötilanteen häiriöpaine voi hetkellisesti ylittää suunnittelupaineen 5 % ! (Kuvaus s. 225/ pdf s. 125). Taitaa olla niin, että paineensäädön venttiilit ovat vain linjaston päissä, jolloin säätötoimien vaikutusaika on "pitkä" kauempana putken päistä ja siellä ehtii paine nousta. Miksei tuota ole huomioitu suunnitelupaineessa, jos se noin hyvin tiedetään ennakolta vai onko se DNV-standardin mukainen mitoitustapa??
- Pöljän Pojan tarkastelun selittely- ja laskuvirheet
edelleen, joilta ei voi välttyä...
- Nordstream-putkien mitoituksessa sovellettujen DNV-standardien määräyksiä, laskentamenetelmiä tai koeponnistuskäytäntöjä ei tähän hätään löytynyt, joten siltä osin tilanne jää avoimeksi. Fysiikan / mekaniikan ja lujuusopin perusteet lienevät melko vakaita, joten kovin suuria eroja ei standardien välillä voi esiintyä, vaikka laskentamenetelmät hieman toisistaan poikkeaisivatkin. Erot syntyvät vaadittavan varmuuden ja niihin sisällytettävien "epävarmuuksien" käsittelystä ja niitä vastaavista varmuuskertoimista suunnittelu-, koestus- ja käyttöpaineiden sekä materiaalin lujuuksien suhteen
- Lähtötietojen lähteenä Nordstream (1 ?) kuvaus Suomen YVA-tarkastelua varten. Onko Nordstream 2 tehty samoilla "putki-"teknisillä spekseillä ja onko kuvauksen tekniset tiedot oikein?
Joku putkisto- ja prosessisuunnittelua, etenkin termodynamiikan ja sen virtausopin sovellutuksia paremmin ymmärtävä sekä DNV-normit tunteva henkilö tai henkilöt voi /voinevat tarkentaa pohdintoja kaikilta osin.
Lisäpohdittavaksi vaihtoehdot, että:
- Venäjä kykenisi pumppaamaan merkittävästi suunnittelupainetta (220 bar) korkeammalla paineella kaasua putkeen. Silloin voisi Saksan päässä putki lopulta murtua, jos siellä olisi venttiili kiinni. Tuskin venttiiliä pidetään kiinni, jos paine Saksan päässä nousee...
- Helpompi "vaurion synty" on tietysti jonkun putkielementin (12 m:n pätkän) huono hitsaus pituussuuntaisessa saumassa, jolloin ko. kohtaan muodostuu heikko "hot-spot", joka murtuisi ensiksi, olisi se sitten missä tahansa linjaa. Tämä "miina" olisi pitänyt suunnitella ja toteuttaa jo linjan rakennusvaiheessa.
Seuraavaksi lienee teknisten pohdintojen kohteena räjähdystapahtuma, miten se tehtiin/miltä puolelta ja mitä saatiin aikaan: Kuinka iso rako/aukko/läpisärö tarvitaan, että putki repeytyy omasta paineesta vai tehtiinkö "iso repeämä" pelkällä räjähdysaineella jne. Viranomaiset asian selvittävät aikanaan, mutta saattaa siihen aikaa kulua, vrt. Estonia-onnettomuus.
sverigesradio.se
www.iltalehti.fi
