Optimal fornyelse av vannforsyningsnett. (31) Planlegging og teknologisk grunnlag Innledning

Transkript

1 Innledning Målet for vannforsyning i byer og tettsteder Forskningsprogrammer har gitt konkrete resultater Metoder for fornyelsesplanlegging internasjonalt prosjekt De overordnede målene for vannforsyningen i norske byer og tettsteder er knyttet til vannkvalitet, forsynings- (mengde og trykk) og driftssikkerhet. For å oppfylle disse målene, er det nødvendig å gjennomføre systematisk og planmessig utbygging, vedlikehold og fornyelse av vannforsyningssystemene. Ledningsnettet for vannforsyning som betjener norske byer og tettsteder er opptil 150 år gammelt. Den eldste delen er bygget med en teknologi og etter standarder som ikke er tilfredsstillende i dag. En generell fornyelse av denne delen vil kreve økonomiske ressurser som er utenfor kommunenes rekkevidde i dag. Det må derfor legges opp til å beholde deler av systemet, og vedlikeholde dette med hensiktsmessige metoder. I forbindelse med planleggingen, er det viktig å kjenne kriterier for hvilke deler av nettet som bør fornyes og hvilke som kan beholdes. Dette foredraget inkluderer temaene sikkerhet i vannforsyningssystemer og forfall og fornyelse av ledningsnett. Sikkerhetsproblematikken er bearbeidet med en kombinert hydraulisk modell og pålitelighetsmodell. Denne virker i sammenheng med en modell for sviktsannsynlighet som utvikles i et dr.grads arbeid ved NTNU (Jon Røstum). Vi har i dette prosjektet anvendt en sviktsannsynlighetsmodell på data fra 10 norske kommuner, og et utvalg av resultatene er presentert i denne rapporten. Ved vurdering av fornyelsesbehovet, må også kunnskap om de ulike materialers bestandighetsegenskaper trekkes inn. I dette prosjektet er det fokusert på støpejern- og plastmaterialer, og det er presentert konklusjoner med hensyn til forventet tilstandsutvikling for disse materialene. Forskningen som er utført gjennom programmene Forfall og fornyelse av ledningsnett for NORVAR og Optimal fornyelse av vannforsyningsnettet for Program for drikkevannsforskning har gitt en rekke konkrete resultater. Dette gjelder både metoder for å beregne sårbarhet og sannsynlighet for fremtidig svikt i vannforsyningsnettet, og grunnlag for valg og beskyttelse av ledningsmaterialer. Noen av de viktigste behovene fremover er en tilrettelegging, prøving, demonstrasjon og eventuelt kommersialisering av de verktøy som er utviklet for å forbedre planleggingen av drift, vedlikehold og fornyelse av VA-ledninger. Det er viktig at denne fasen støttes av nasjonale forskningsprogrammer og institusjoner. I denne sammenheng er det etablert et europeisk nettverk, og det arbeides med å etablere et større europeisk prosjekt (CARE-W Computer Aided Rehabilitation of Water networks ), der planleggingsmetoder ved ledningsfornyelse og ledningsmaterialer står i sentrum.

2 Rehabiliteringsfilosofi Reaktiv og proaktiv fornyelse Forsyningssikkerhet Unngå fremtidige problemer Ikke mer enn nødvendig holde ledninger lengst mulig (reparere) Hva bør være kriteriet for utskiftning antall brudd? Moderne forvaltning av vannforsyningssystemer bør baseres på nøyaktig informasjon om den tekniske og funksjonelle tilstanden til ledningsnettet, sannsynligheten for feil og konsekvensene av feil. Denne informasjonen kan mest effektivt skaffes til veie med et databasert system som inkluderer innsamling av opplysninger om feil, kombinert med metoder for varsling av feil og metoder for vurdering av pålitelighet av ledningsnettet. Rehabilitering av vannledningsnett kan utføres med en forebyggende, pro-aktiv, eller en reparerende, re-aktiv strategi. Ved en pro-aktiv strategi vektlegges forebyggende vedlikehold, dvs at ledninger der problemer er forventet repareres eller fornyes før problemet oppstår. Den re-aktive strategien består mer eller mindre i problemløsning ut i fra akutte hendelser. Ved første øyekast synes den pro-aktive strategien å være mest hensiktsmessig, men denne krever et inngående kjennskap til ledningsnettet, hvis feilinvesteringer skal unngås. Det finnes ingen vitenskapelige beviser for at forebyggende vedlikehold er bedre teknisk og økonomisk enn reparerende vedlikehold. Suksessen ved pro-aktivt vedlikehold avhenger av hvilke kriterier som brukes ved beslutninger om rehabilitering 1. Når er ledningen så dårlig at det ikke lenger lønner seg å reparere? Videre må det tas i betraktning hvilken betydning ledningen har for vannforsyningen, dvs hvor mange et eventuelt brudd og skadeavbrekk vil ramme. I tillegg til dette må kostnader ved rehabilitering, og direkte og indirekte kostnader ved feil på ledningsnettet inkluderes i vurderingene. Hvis denne informasjonen er tilgjengelig, er det mulig å beregne optimal tid til tiltak bør gjennomføres. Den nødvendige informasjonen for et pro-aktivt program består således av: - Beregninger av vannforsyningsnettets sårbarhet. En integrert modell for hydrauliske analyser og sårbarhetsanalyser bør være tilgjengelig. - Målinger og prognoser for feilsannsynlighet. - Kunnskap om ledningsmaterialer 1 Rehabilitering omfatter alle tiltak for å fornye ledningsnettet, både opprustning av eksisterende ledning og full utskiftning av ledningen.

3 Dette er kunnskap som er tatt fram gjennom programmene Forfall og fornyelse av ledningsnett (NORVAR) og optimal fornyelse av vannforsyningsnettet. (Drikkevannsprogrammet). I tillegg er det nødvendig å hente inn direkte og sosiale kostnader av reparasjon og rehabilitering. Når disse foreligger sammen med kostnader for ulike tiltak, vil det være mulig å beregne optimal tid til fornyelse av ledningsnettet. Modell for sikkerhet og pålitelighet Sammenknytning med hydraulisk modell Filosofi bak NETREL, hvordan minimalisere beregningstiden Eksempel på beregning med syntetiske data Pålitelighet for vannforsyningssystemer Dersom det oppstår brudd på en vannledning, er det en viss fare for at abonnenter nedstrøms bruddet kan miste vannet, eller i det minste oppleve redusert vanntrykk. Påliteligheten til et vannforsyningssystem er et uttrykk for sannsynligheten for at dette ikke vil skje, for eksempel innenfor et visst tidsrom. Det er utviklet statistiske metoder for å beregne pålitelighet av nettverk som vannforsyningssystem. Metodene bygger på en oppdeling av nettet i knutepunkter og lenker (her: ledninger). Hver enkelt lenke eller ledning har en bestemt sviktsannsynlighet, som gjerne kan forandre seg med tiden. Denne sannsynligheten kan beregnes med utgangspunkt i registrerte feil på nettet. Det er egne lover for beregning av sannsynligheten for to eller flere samtidige feil på ulike steder i nettet. Sviktsannsynligheten for alle ledningene i et system beregnes i sammenheng med en pålitelighetsmodell. Påliteligheten uttrykkes som full tilgjengelighet minus sviktsannsynligheten. Pålitelighetsmodellen beregner altså de tekniske konsekvensene av svikt i vannforsyningen, men ikke de økonomiske. Dette må hver enkelt bruker selv gjøre når omfanget av forsyningssvikt er kjent. Oppbygging av modellen Konsekvensene av svikt i en vannforsyningsledning vil variere svært mye. Enkelte ledninger er nødvendige for vannforsyningen til store områder, mens andre kan erstattes ved ulike metoder for omkjøring av nettet. Den funksjonelle sammenhengen mellom ledningene i nettet analyseres med hydrauliske modeller. Et godt instrument for analyse av ledningsnettets sårbarhet kan etableres ved å supplere de hydrauliske beregningene med en beregning av påliteligheten for hver ledning.

4 Vanligvis inneholder et vannledningsnett tusenvis av komponenter i form av vannledninger, pumper og ventiler. Modeller bygd i EPANET blir tilsvarende store og vil kreve lang beregningstid. Dette er et problem for pålitelighetsmodellen, som vil måtte utføre et relativt stort antall kjøringer av EPANET. For å illustrere dette, anta at det er M vannledninger i et nettverket, og kuttsett orden L = 2, dvs. at pålitelighetsmodellen skal ta høyde for kombinasjoner av svikt av to og to vannledninger. Det må da utføres i alt M 2 beregninger. For å begrense dette tidsproblemet innføres støtte for modularisering. Modularisering innebærer å dele nettverket opp i soner (eller områder), som kan ha sin fysiske fortolkning som lekkasjesoner e.l. Mellom områdene går det vannledninger som forsyner de enkelte sonene. Disse vil typisk være hovedledningene i vannledningsnettet. Hvert område består av et (del)nettverk, med rørledninger og sluttbrukere, se Figur 1. Kilde Omr. 2 Omr. 1 Omr. 3 Omr. 5 Leveransepunkt Omr Omr. 5 6 Omr. 7 Omr. 6 Figur 1: Eksempel på vannledningsnett med modularisering. Hele nettet blir delt i områder eller soner, hvor hvert område har sitt delnettverk. Modellen blir hierarkisk i natur med to nivåer: et overordnet nivå kalt global modell - hvor nodene i nettverket er sonene og lenkene er hovedrørledningene, og et detaljert nivå kalt lokal modell - hvor hver sone modelleres som et eget nettverk.

5 Det antas at delnettverkene i hvert område kan behandles uavhengige av hverandre, både i den hydrauliske modellen og i pålitelighetsmodellen 2. Siden områdene antas å være uavhengige kan følgende algoritme brukes til å beregne nettverkets pålitelighet: Algoritme 1: Generell algoritme for beregning av pålitelighet For hvert område i 1. Erstatt node i i global modell med lokal modell 2. Erstatt område i 1 i global modell med node 3. Kjør pålitelighetsmodellen for dette nettverket Algoritmen er illustrert i Figur 2 og Figur 3. Kilde a 1 b c 2 d 3 Figur 2: Algoritme 1 illustrert: global modell 2 Dette er en forenkling av virkeligheten, og det vil være ønskelig å evaluere viktigheten av antagelsen. Det er imidlertid vanskelig å si noe håndfast om dette, i hvert fall inntil videre.

6 Kilde a Kilde a Kilde a b 1 1 c1 b 12 c d2 c b c d d1 3 2 d iterasjon: Node 1 i den globale modellen erstattes med lokal modell nr iterasjon: Node 1 settes tilbake, og node 2 i den globale modellen erstattes med lokal modell nr iterasjon: Node 2 settes tilbake, og node 3 i den globale modellen erstattes med lokal modell nr. 3 Figur 3: Algoritme 1 illustrert: de globale nodene blir erstatte med tilhørende lokal modell for node 1 3. Merk at noen inngående/utgående linker vil bli splittet. Denne fremgangsmåten krever at hovedrørledningene kobles inn i den lokale modellen på riktige noder, og ut fra den lokale modellen til de tilknyttede områdene. Dette vil gjøres automatisk av NETREL. Resultater fra anvendelse av modellen Som eksempel for metoden og prototypen brukes ledningsnettet i Trondheim kommune. Modellen er modularisert som beskrevet over, og Figur 4 viser den overordnede modellen generert i EPANET. Modellen består av i alt 210 noder og 212 rørledninger.

7 Figur 4: Overordnet modell over ledningsnettet i Trondheim I den tidlige fasen av utviklingen av prototypen er kun den overordnede modellen brukt. Inntil videre anvendes kun hypotetiske verdier for tilgjengeligheten for rørledningene; det antas at alle ledninger har en tilgjengelighet lik Videre settes krav til vanntrykk ved knutepunktene lik det trykket EPANET beregner ved normal -kjøring. Et utdrag av resultatene er vist i Tabell 1. Disse er sortert etter avtagende sannsynlighet for perfekt leveranse, dvs.100% av krav til trykk. Figur 5 viser resultatene for alle nodene i nettverket. Figuren viser én søyle per node. Disse står imidlertid såpass tett at vi ikke kan skille søylene fra hverandre. Hver søyle viser tilgjengeligheten i hvert intervall, og summen over de fire intervallene vil altid være lik 1 (eller 100%). Tabell 1: Utdrag av NETREL kjøring Node ID 100% % 50 0% 0%

8 % 50-0% % 100 % E E+05 2E+06 5E E+05 4E+05 4E+05 4E E+05 Figur 5: Resultater fra NETREL kjøring på overordnet Trondheim-modell. Resultatene er sortert etter avtagende sannsynlighet for 100% leveranse (nodenes ID numre kan ikke leses). Eksempelet viser at en rekke knutepunkter vil ha en lav leveringssikkerhet. Trykket er lavere enn forutsatt i inntil 15 prosent av tiden, og en rekke punkter vil være uten trykk i perioder. Det må imidlertid understrekes at eksempelet er kunstig og laget for å demonstrere effekter i modellen. Feilhyppigheten for den enkelte ledning på 1 prosent er en kraftig overdrivelse av virkeligheten. I det videre arbeidet med modellen vil de bli lagt inn reelle sviktdata, bla analysert med de metoder som er beskrevet i kapittel 4.

9 Beregning av sviktsannsynlighet Innsamling av data om feil på ledningsnettet Metoder for statistisk bearbeiding Eksempler fra beregning av levetid Metoder for beregning av sviktsannsynlighet Den forventede fremtidige feilhyppighet for hver enkelt ledning er en kritisk faktor ved analyser av ledningsnettets pålitelighet. Den fremtidige motstand mot ledningsfeil kan estimeres med deterministiske og probabilistiske metoder. En rekke forskjellige metoder er definert i ulike europeiske prosjekter. Metodene kan klassifiseres i fem grupper (Sægrov et al 1999): 1. Analyser basert på fysiske mekanismer for nedbrytning av ledninger og ytre laster (deterministisk modell, program UtilNets (Preston et al 1999) 2. Telleprosesser og ekstrapoleringsteknikker (Sægrov et al 1999) 3. Feilutviklingsprosesser (LeGauffre et al 1999) 4. Ledningsnett overlevelse basert på ekspertvurderinger (Herz 1998), 5. Bestemmelse av feilutbredelse (vha GIS) og underliggende årsaker (Conroy 1998) Alle disse modellene er basert på data fra et ledningsregister. Rørinformasjonene må inkludere teknisk informasjon om egenskaper for hvert enkelt rør, som vist i tabell 2. Oppstillingen viser klart at fire forhold; Registrerte brudd/lekkasjer, alder, lengde og materiale er de mest sentrale parametre. I tillegg vil diameter, grunnforhold, trafikkforhold, lokalisering, vanntrykk, og antall tidligere brudd og lekkasjer i de fleste tilfeller være viktig informasjon for modellene. Et eksempel på en feilutviklingsprosess er en såkalt Ikke-homogen Poisson Prosess (NHPP), (Røstum 1999). Ved denne metoden studeres hvert rør i det tidsintervall (a,b) feilobservasjoner er tilgjengelig, og tidspunket for observerte feil på ledningen (T1, T2 osv, figur 6). Tiden 0 tilsvarer anleggsåret for ledningen. Modellen inkluderer uavhengig variable som har betydning for feilhyppigheten (f eks alder, materiale, grunnforhold, diameter). T 1 T 2 0 a b Time Figur 6: Definisjon av termer brukt i NHPP.

10 Tabell 2: Beskrivelse av nødvendige data for hver modell. UtilNets tilsvarer type 1 i listen på forrige side, AssetMap, Failnet og NTNU/SINTEF type 3, KANEW type 4 og WRC type 5 Vedlikeholdsdata og beskrivelse av ledningsnettet Registrerte 1 AssetMaP 3 Failnet Modeller 4 Kanew 5 WRc 6 NTNU/ SINTEF 7 UtilNets Syntese K K K K K brudd/lekkasjer Ledningenes alder K K K K K K Ledningenes lengde K K K K K K Materiale K K K K K Diameter K K «grunnforhold» K K K «trafikk» K Lokalisering av rør Vanntrykk Antall tidligere brudd/lekkasjer Type skjøter Bruddtype Rørets tilstand Lokalisering av trær Ekvidistanser K : nødvendige data : svært relevante data (i følge tidligere studier) : nyttige data Eksempler på variable som har betydning er antall tidligere feil, ledningens lengde, anleggsår, diameter, materiale og grunnforhold. Det er vist at alle disse parametrene har betydning for forventet svikthyppighet. NHPP modellen kan brukes for å lage prognoser for fremtidig svikthyppighet. Følgende uttrykk brukes ved beregningene: E(N(b) N(a)) = λ(u,β,x)du = λ(b δ -a δ )exp(βx) (1) Her er: E(N(b) N(a)) = forventet antall feil i tidsintervallet a,b λ = sviktintensitetsfunksjon u = feilutviklingsparameter β = vektor for regresjonsvariable for parametre med innflytelse på sviktintensitet X = vektor for parametre med innflytelse på sviktintensitet

11 Beregning av feilsannsynlighet for vannledningsnett i norske kommuner Med utgangspunkt i innsamlede data fra Gemini VA er feilsannsynligheten for ledningsnettet beregnet for 10 norske kommuner (Selseth og Sægrov 1999). Beregningene har omfattet kumulative plott av observerte feil med Nelson Aalens metode, og prognoser for framtidige feil med Non-homogenuous Poisson Process (Røstum og Schilling 1999). Tabell 3 viser hvilke kommuner som inngår i undersøkelsen, hvor lenge de har drevet systematiske registreringer av feil, samt antall feil som er registrert. Fra tabellen fremgår at Oslo og Bergen har registrert feil i over 20 år og inkludert disse opplysningene i Geminidatabasen. Feilhyppigheten er vesentlig større i Trondheim enn i noen annen kommune, men Kristiansand og Oslo har også mange feil. Bergen, Karmøy og Ringsaker har til sammenligning bare 1/5 så mange feil som Trondheim og 1/3 sammenlignet med Kristiansand og Oslo. Tabell 3: Statistisk analyse av feil på vannledningsnettet. Kommuner som er med i undersøkelsen Kommune Registrering av feil fra år Registrert antall brudd og lekkasjer Antall km ledningsnett totalt Bergen ,1 Bodø ,9 Harstad ,2 Karmøy ,4 Kristiansand ,5 Oslo ,1 Ringsaker ,9 Sandefjord ,6 Stavanger ,6 Tromsø ,7 Trondheim ,6 Gjennomsnitt 9,7 Antall feil/ 100 km/år Datagrunnlaget er analysert med kumulative plott, dvs at summen av antall feil fra år 0 (det år registreringene startet) er sammenlignet mot antall km ledningsnett. Ved analysen er ledningsnettet gruppert etter materiale, anleggsår og diameter, ifølge tabell 4:

12 Tabell 4: Gruppering av ledningsnett ved kumulative plott ( merk at de tre rekkene i tabellen må leses uavhengig av hverandre) Materiale Grått støpejern Duktilt støpejern Asbestsement Polyetylen Anleggsår < Diameter < >250 (mm) PVC I det følgende (figur 7 10) vises eksempler på kumulative plott med data fra Kristiansand og Bergen kommuner. 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 SJG Alle AAS PE* SJK PVC y = x x R 2 = y = -0,0004x 2 + 0,016x - 0,0056 R 2 = 0,9893 y = -0,0002x 2 + 0,0083x + 0,0013 R 2 = 0,9785 y = -0,0003x 2 + 0,0069x - 0,0057 R 2 = 0,9755 y = -0,0001x 2 + 0,0039x + 0,0008 R 2 = 0,9573 y = 4E-06x 2 + 0,0009x + 0,0023 R 2 = 0,8594 0,10 0,05 0, Figur 7: Kumulativt plott inndelt som materialer, Kristiansand kommune.

13 0,35 0,30 0,25 0,20 0, Alle før y = -0,0004x 2 + 0,0303x - 0,0149 R 2 = 0,9917 y = -0,0004x 2 + 0,016x - 0,0056 R 2 = 0,9893 y = -0,0003x 2 + 0,0114x - 0,0046 R 2 = 0,9674 y = -5E-05x 2 + 0,0043x - 0,0015 R 2 = 0,9892 y = -0,0002x 2 + 0,0039x + 0,0046 R 2 = 0,7596 0,10 0,05 0, Figur 8: Kumulativt plott, inndelt i anleggsperioder, Kristiansand kommune 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0, mm Alle < 100 mm > 250 mm y = -0,0004x 2 + 0,0199x - 0,0063 R 2 = 0,988 y = -0,0004x 2 + 0,016x - 0,0056 R 2 = 0,9893 y = -0,0003x 2 + 0,0072x - 0,0068 R 2 = 0,9701 y = -0,0002x 2 + 0,0053x - 0,0065 R 2 = 0,9785 0,08 0,06 0,04 0,02 0, Figur 9: Kumulativt plott, inndelt i diameterklasser, Kristiansand kommune

14 0,12 Bergen rørmateriale 0,10 0,08 0,06 AAS SJG Alle PVC SJK Resten y = 0,0002x 2-0,0002x + 0,0016 R 2 = 0,9698 y = 0,0002x 2-0,0007x + 0,008 R 2 = 0,9882 y = 9E-05x 2 + 4E-06x + 0,0046 R 2 = 0,9869 y = 4E-05x 2-0,0006x + 0,0038 R 2 = 0,9315 y = 2E-05x 2-0,0002x + 0,0018 R 2 = 0,9365 y = 1E-05x 2 + 5E-05x + 0,0016 R 2 = 0,886 0,04 0,02 0, Figur 10. Kumulativt plott, inndelt i materialklasser, Bergen kommune. Både i Bergen og Kristiansand har ledninger av grått støpejern og asbestsementrør høy skadehyppighet. Særlig gjelder dette ledninger lagt i perioden Ledninger med diameter mellom mm har i Kristiansand større bruddhyppighet enn de mindre og større ledningene. Ledninger av duktilt støpejern, PVC og PE har i Kristiansand en vesentlig lavere sviktintensitet. Disse registreringene og trendene gir et representativt bilde på situasjonen i også de andre kommunene. Datagrunnlaget tyder på en langsiktig trend mot en lavere skadehyppighet i Kristiansand kommune, og en motsatt trend mot høyere skadehyppighet i Bergen. Dette vises i figurene ovenfor med en nedadrettet krumning på kurvene for Kristiansand og en oppadrettet krumning for Bergen. Også i de andre kommunene spriker resultatene. Trondheim og Stavanger har tiltakende forfall som Bergen, mens de fleste andre er i en status quo stilling, med et jevn feilhyppighet. Årsakene til dette kan ligge i praksis ved og omfang av ledningsfornyelse og effektiviteten av systemer for innsamling av skadeinformasjon. Hvis dette systemet er forbedret i løpet perioden skader er registrert, kan det forklare økningen av feilhyppighet. I alle tilfeller viser resultatene at erfaringer fra en by ikke kan overføres til en annen. Det er nødvendig å gjøre egne analyser i hvert enkelt tilfelle for å skaffe grunnlag for rehabilitering av ledningsnettet. I figur 11 og 12 er eksempler på prognose for fremtidige brudd på ledninger vist. Eksempelet gjelder duktile ledninger i Bergen og grå støpejernsledninger i Trondheim, og prognosen er beregnet med NHPP modellen. Parametrene i modellen er kalibrert mot observerte feil på ledningsnettet.

15 Rørmateriale: SJK (k11) no of pipes: 1406 no of breaks: 30 no of covariates: 3 Observed Predicted NHPP Figur 11: Prognose for fremtidige brudd på ledninger av duktilt støpejern, Bergen kommune. Rørmateriale: SJG (k09) 2000 no of pipes: 2872 no of breaks: 514 no of covariates: 3 Observed Predicted NHPP Figur 12: Prognose for feil på ledninger av grått støpejern i Trondheim

16 Prognosemodellen i figur 11 antyder en svak økning i feilhyppigheten for de duktile støpejernsledningene i Bergen de kommende to dekader. Sammenligning med tilsvarende modeller fra andre kommuner viser noe forskjellige tendenser, og enkelte kommuner vil sannsynligvis oppleve en reduksjon i feilhyppigheten for denne ledningstypen. Dette bekrefter nødvendigheten av egne analyser for ledningsnettet i hver enkelt by eller tettsted. Figur 12 viser en meget svak økning i feilfrekvensen for ledninger av grått støpejern. Tilsvarende som for duktilt støpejern, vil også ledninger av grått støpejern utvikle seg forskjellig i ulike byer. Generelt synes veksten i feil pr km ledninger å bli sterkere for ledninger av ikkekorrosjonsbeskyttet duktilt støpejern enn for ledninger av grått støpejern. Det bør imidlertid gjøres flere beregninger for å bekrefte denne tendensen. Materialer Bruk av rene matematiske modeller uten vurdering av de enkelte materialers egenskaper kan gi uheldige resultater. Materialene reagerer ulikt på ytre mekanisk og kjemisk belastning, og har også forskjellig langtidsegenskaper. I prosjektet Forfall og fornyelse av ledninger for vann og avløp har egenskaper til ulike materialer vært studert, og i det følgende er en sammenfatning av viktige momenter presentert. - rør av PE og PVC forfaller normalt ikke, men utvikling av mikrosprekker pga feil ved produksjon og legging kan medføre betydelige skader som først kommer til syne etter mange år. - Rør av støpejern ruster hvis de ikke er beskyttet. Disse må derfor før eller senere fornyes. Støpejern med god korrosjonsbeskyttelse vil ha lang levetid. - Rør av asbestsementrør vil oppføre seg meget forskjellig, avhengig av produksjonsmetode og leggeforhold. I beste fall kan de fungere svært lenge, i verste fall må vesentlige deler skiftes ut. Levetid til plastrør Termoplastrør er blant de viktigste materialene til vann og avløpsledninger. Ledninger som er lagt med disse materialene har hatt svært få feil, men noen skader har oppstått. Hensikten med et delprosjektet utført for NORVAR/Program for drikkevannsforskning har vært å drøfte mulige årsaker til feil på ledninger av plast, og hvilke forholdsregler som må tas ved legging av plastrør i fremtiden. Beregningsmodeller for bestemmelse av levetid ut fra de faktiske driftsforhold er også vurdert. Det er også foretatt undersøkelser av innsamlede rørprøver. Undersøkelsene er konsentrert om de to mest benyttede rørmaterialene, nemlig PE (polyetylen) og UPVC (polyvinylklorid uten mykner), (Christensen 1998).

17 Undersøkelsene viser ingen fremtredende skadeårsaker. En rekke skader skyldes forhold ved tidligere generasjoner plastrør, som senere er rettet opp. Eksempler på skader hos trykkrør er oksidasjon av innerflate ved ekstrudering av PE-rør, bruk av dårlig stabilisert materiale eller regranulat og utilstrekkelig blanding av råmateriale ved ekstrudering av UPVC-rør. Det er foretatt undersøkelser av 8 stk UPVC og 2 stk PE-rør lagt i perioden Tre av UPVC rørene og begge PE-rørene var av så dårlig kvalitet at de må skiftes ut. Dette er imidlertid rør som er produsert for bortimot 30 år siden, og der det allerede er observert feil (Christensen 1999). Prosedyrene ved buttsveising av PE-rør har medført fare for forbruk av tilsatte antioksidanter og forsprødning av materialet. Slike mangler, samt feil sveiseprosedyre, vil fremdeles kunne forårsake brudd på eksisterende plastledninger. For øvrig viser skadeundersøkelsene eksempler på brudd pga setninger i grunnen, lokale belastninger (stein inntil rørveggen), tvungen deformasjon osv. Skader og deformasjoner vil være en viktig årsak til havarier i fremtiden. Det skorter ofte på kontroll og kvalitetssikring ved legging. For nyere plastrør er skademuligheten også knyttet til overflateriss, sveiser og trykkluft/luft i rørene. Overflateriss kan oppstå ved produksjon, transport og legging av rørene. Særlig vil rørene være utsatt ved rehabilitering ved trekking av plastrør. Lav temperatur, trykksvingninger og fleraksial last vil også øke bruddsannsynligheten for rør med overflateriss. Betydningen av overflateriss er omdiskutert, men det er på det rene et det vil øke spenningen i rørveggen. På grunn av at slike riss ofte er skarpe, vil det være en høy spenningskonsentrasjon ved sprekkspissen, som vil kunne gi sprekkvekst. Riss med kjervradier under 25 µm vil være en alvorlig bruddanvisning. For å redusere faren for riss må rørene håndteres forsiktig. Det må stilles krav til materialets bruddseighet og til sprekkens dybde og lengde. Dersom rør med overflateriss deformeres, vil levetiden kunne reduseres drastisk. Dette kan skje ved anboringer, og må tas hensyn til ved tilkoblinger av stikkledninger på plastledninger. Ovalitet på trykkløse avsløpsledninger har normalt ikke betydning. Kunnskap om sveiser er bedre i dag enn før, men utførelsen er ikke tilfredsstillende. I 1996 og 1997 er halvparten av prosedyresveiser forkastet på grunn av for dårlig kvalitet. Det må derfor fokuseres på sveisekvalitet. Noe luft i rørene vil øke belastningen på rørene dramatisk, og trykkstøt medfører stor sannsynlighet for brudd. Slike forhold må derfor forebygges. Enkelte metoder der plastrør brukes ved rehabilitering, forutsetter oppvarming av røret (Uliner). Målinger på slike rør har vist stort forbruk av antioksidanter. Dette må derfor kontrolleres for slike metoder anvendes.

18 UPVC og PE-ledninger er generelt lite følsomme for sollys, og kan lagres utendørs i flere år. Tilsetting av carbon black reduserer sannsynligheten for skader på PE-rør pga ultrafiolett stråling. Her er det viktig å ta hensyn til miljøfaktorer og temperatur. Ved normal drift vil et nedgravd rør ikke bli utsatt for noen skadelig nedbrytning. Når det gjelder metoder for bestemmelse av levetid, er det overordnede mål å finne en beregningsmodell som er rask, reproduserbar og billig. Man har pr. i dag i det internasjonale plastmiljøet ikke kunnet bli enig om en standardisert metode for beregning av levetid for plastrør. For avløpsrør er den hyppigste skadeårsak skarpe steiner som ligger mot røret, underdimensjonering av rør med store overfyllingshøyder og deformasjoner og brudd i påsveist muffe (EHRI-muffen, svenske erfaringer). Levetid til støpejernsrør Brudd og tæringshull på vannledninger av støpejern forekommer med økende hyppighet. Skader på rør av grått støpejern opptrer som brudd, mens skader på seigt støpejern opptrer som gjennomtæring. Bruddene skyldes ofte en kombinasjon av korrosjon og ytre belastningsforhold. Ytre belastningsforhold som jordtrykk og toppene i den dynamiske belastningen fra trafikklast forandrer seg lite, mens setninger i grunnen, frost/tele nedtrenging og utvasking rundt rørene kan føre til betydelige belastningsvariasjoner. Den innvendige belastningen, vanntrykket, kan forandre seg på grunn av endringer i driftsrutinene, øket eller redusert vanntrykk el. Korrosjon er en kontinuerlig prosess som fører til en stadig svekkelse av rørets evne til å ta opp ytre eller indre belastninger. Når rørets veggtykkelse avtar som følge av korrosjon, øker spenningen i veggen, inntil den i deler av rørtverrsnittet overstiger bruddspenningen. Bruddet blir ofte utløst av en økning i vanntrykket, f eks pga trykkstøt eller redusert friksjonstap i perioder med lite forbruk. Statistiske undersøkelser i norske kommuner viser at tverrbrudd opptrer åtte ganger oftere enn langsgående brudd (Sægrov S, Selseth I og Hasselvold S 1995). Rør med liten diameter er mer utsatt for brudd enn rør med stor diameter. Jo eldre rørene er, desto mer omfattende er korrosjonsskadene. Samtidig har de eldste rørene større veggtykkelse, slik at de har mer å gå på før skade opptrer. Data fra Oslo viser at mens setningsrelaterte tverrbrudd er helt dominerende for rør lagt etter 1930, så er korrosjonsrelaterte brudd (langsgående brudd) mer vanlig for rør eldre enn Dette kan ha sammenheng med tidsbestemte leggemetoder, men kan også skyldes at korrosjon som en tidsavhengig prosess blir mer framtredende når røret blir eldre. For ledninger utsatt for korrosjon, kan forventet tid til første, andre, tredje brudd osv beregnes med en modell på grunnlag av målt korrosjon og beregnede belastninger. Ved en metode

19 utviklet ved NTNU/SINTEF beregnes korrosjonsdybde for et tilfeldig utvalg segmenter av ledningen, og korrosjonshastigheten beregnes (Fiksdal og Sægrov 1998). Ved å sammenstille beregninger av ytre og indre belastning med rørets styrkesvekkelse som funksjon av korrosjonsdybden, kan et mål for rørets restlevetid oppnås. Gjennom et internasjonalt samarbeide, deltar SINTEF ved utvikling av et mer omfattende beregningssystem for støpejernledningers sannsynlige fremtidige bruddforløp (UtilNets). Denne modellen bygger på en statistisk beregning av ytre laster og korrosjonshastigheter, og er i utgangspunktet ikke avhengig av målinger på den aktuelle ledningen (Preston et.al 1999). Konklusjon, oppsummering: Kravet til sikker vannforsyning vil øke i årene framover, samtidig som en voksende del av ledningsnettet vil være modent for rehabilitering. Samtidig vil de økonomiske ressursene til drift, vedlikehold og fornyelse være begrenset, og oppgaven vil være å få mest mulig ut av de midler som er tilgjengelige. Kommuner med dokumentert sikker vannforsyning vil ha et konkurransefortrinn med hensyn til etablering av næringsbedrifter og tiltrekking av arbeidskraft. Dette krever metoder som sikrer en mest mulig optimal rehabiliteringsstrategi, der unødvendige arbeider unngås og der tiltak settes inn til rett tid, hverken for tidlig eller for sent. Slike metoder krever god dokumentasjon av vannforsyningssystemene, inkludert alle hendelser, og det krever modeller for å vurdere de forsyningsmessige konsekvensene ved brudd samt sannsynligheten for brudd, og hvordan denne sannsynligheten vil endre seg med tiden. Slike modeller må brukes i sammenheng med kunnskap om og med konkrete undersøkelser av ledningsnettets tilstand, så som korrosjon i støpejernsledninger og asbestsementrør, styrke for plastledninger etc. Norske byer og tettsteder har nå til disposisjon et metodegrunnlag som inkluderer alle disse momentene, og har mulighet for en langt mer sikker planlegging av rehabilitering og vannteknisk beredskap enn tidligere. Dette grunnlaget består av: - Elektronisk ledningsregister (GEMINI VA e.l) - Kombinert hydraulisk og pålitelighetsmodell (NETREL) - Modell for beregning av feilsannsynlighet basert på registrerte skader (NHPP) - Modell for beregning av feilsannsynlighet basert på stikkprøver av korrosjon (UtilNets, NTNU/SINTEF-metode) - Grunnleggende kunnskap om svakheter ved ulike materialer og ulike former for anleggsutførelse tidligere (enkelte tidsperioder mht anleggsutførelse er mer utsatt for feil enn andre).

20 Dette grunnlaget kan forbedres ytterligere ved å gjøre modellene mer brukervennlige og ved å utnytte geografiske informasjonssystemer i sterkere grad. Videre er det fremdeles et potensiale for optimalisering av tiltakstyper når en utbedring er besluttet. Disse temaene er inkludert i videre søknader til Drikkevannsprogrammet, NORVAR og i et større anlagt internasjonalt samarbeide i programmene CARE-W og UtilNets. Referanser 1. Christensen T 1998: Forfall og fornyelse av ledningsnett. Litteraturstudie vedrørende sprekkdannelse og levetid hos termoplastrør, SINTEF STF24 A Christensen T 1999: Forfall i ledningsnett III. Kvalitetsundersøkelse av skadede trykkrør, SINTEF STF24 A99231, 3. Conroy P 1996: Achieving a cost effective rehabilitaion solution. Chartered Institution of water and Environmental Management training day seminar on true cost of pipelines, Swindon UK. 4. Fiksdal L og Sægrov S 1999: Modell for tid til brudd og gjennomtæring for ledninger av støpejern, SINTEF STF22 A98320, ISBN Hansen, G K 1999: Pålitelighetsmodell og verktøy for evaluering av vannledningsnett SINTEF rapport under utarbeidelse. 6. Herz R 1998: Exploring rehabilitaion needs of drinking water distribution networks. J Water SRT- Aqua, 47, Høyland A, Rausand M 1994: System Reliability Theory, Models and Statistical Methods, Wiley LeGauffre P, Eisembeis P, Conroy,P, Herz R K, Schiatti M and Sægrov S 1999; European models and databases for drinking water infrastructure rehabilitation, COST C3 final report (to be published) 9. Preston, N, Melbourne P, Eimermacher M, Hadzilacos T, Kalidromitis V 1999: UtilNets: A Water Mains Rehabilitation Decision Support System. NO-DIG 1999 North American Society of Trenchless Technology, Orlando May Røstum J og Schilling W 1999: Predictive Service-life models used for Water Network Management, NO-DIG, Budapest Selseth I og Sægrov S 1999: Trender mht skader på vannledningsnett. SINTEF-rapport under utarbeidelse. 12. Sægrov S, Conroy P, Herz R K, LeGauffre P, Melo Baptista J, Moss G, Oddevald J E, Rajani B, Schiatti M 1999: Rehabilitation of water networks survey of research needs Journal of Urban Water no 1/ Sægrov S, Selseth I og Hasselvold S 1995: Bearbeideing av statistikk for driftsforstyrrelser i vann og avløpsledninger. SINTEF rapport STF 60A95035.