HOVEDPROSJEKT (BACHELOROPPGAVE)

Studieprogram maskin HOVEDPROSJEKT (BACHELOROPPGAVE) Oppgavens tittel: Utvikling av verktøy for tilstandskontroll av GRP rørgater for småkraft. Studenter Umar Vaqas Ali Mina Martine Braaten Leif Andreas Hirsti Dato: 24.05.2017 Antall sider: 84 Antall vedlegg: 11 Veiledere: Alfredo Carella Samarbeidspartner: Multiconsult v/ Bjarne Børresen Sammendrag: Målet med denne oppgaven er å utvikle et verktøy for tilstandskontroll av GRP- rørgater. Denne arbeidsprosessen er basert på Alberto Sols forbedrede Stevensmodell. Rapporten er delt inn i tre faser. Fase 1 tar for seg ulike egenskaper til GRP rør, hvordan de blir brukt, ulike skademekanismer de kan bli utsatt for og kravene til verktøyet blir presentert. Fase 2 tar for seg konseptutvikling. Sortering og diskriminering av de ulike konseptene ble gjort gjennom en AHP-modell som tilslutt ga ett konsept. Fase 3 tar for seg utregninger, konstruksjon, hyllevarer og verifisering av valgt konsept. Hele verktøyet består av to sammenstillinger, kjøretøy og vinkelmåler. Konklusjonen er at kravene i hele arbeidsprosessen har vært styrende for utformingen til det resulterende verktøyet. Oppgavens målsetning har blitt innfridd. Sluttproduktet er bevist teoretisk å kunne utføre en tilstandskontroll av GRP rørgater i henhold til kravene gitt av Multiconsult. Tre stikkord: Avvinkling, GRP, Produktutvikling

Forord Denne hovedoppgaven er utarbeidet av tre studenter ved Høgskolen i Oslo og Akershus våren 2017. LATEX er skriveprogrammet som har blitt brukt. Hovedoppgaven er skrevet for Multiconsult med Bjarne Børresen som kontaktperson. Vi vil gjerne takke vår veileder Alfredo Carella ved HiOA for veiledning og råd under arbeidet med oppgaven. Videre vil vi takke vår veileder på Multiconsult, Bjarne Børresen, for god hjelp med oppfølging av arbeidet og for den imøtekommenheten han har vist. Vi ønsker å takke Multiconsult for et interessant prosjekt. Oslo 22.05.2017 Snapkode og link til nettsiden. http://student.cs.hioa.no/bachelorprosjekter/maskin/2017/03/ i

Innhold Forord............................................... i Figurer............................................... ii Tabeller............................................... iii 1 Innledning 1 1.1 Kort oppsummering om dimensjonering av GRP rør, skademekanismer og tilstandsvurdering............................................. 4 1.1.1 Dimensjonering av GRP rør........................... 5 1.1.2 Skademekanismer................................. 11 1.1.3 Tilstandsvurdering................................ 13 1.2 Consept of operation.................................... 14 1.2.1 Stakeholders.................................... 14 1.2.2 Krav........................................ 15 1.3 Oppsummering....................................... 17 Vedlegg 18 A Akronym 18 ii

Figurer 1.1 Faseinndeling (Sols, 2014, s. 44)............................. 3 1.2 GRP-struktur (NPG Norge, 2017)............................ 4 1.3 Struktur til sentrifugalstøping............................... 6 1.4 Struktur til kontinuerlig vikling.............................. 7 1.5 Struktur til kryssvikling.................................. 7 1.6 Illustrerer en GRP bit for trykklasse PN 25 og stivhetsklasse SN 5000........ 8 1.7 Muffe dimensjonert for PN 10............................... 8 1.8 Skisse av rørledning som skal transportere en ønsket vannmengde fra kilde til høydebasseng eller forbrukssted................................ 9 1.9 Disponibelt trykktap.................................... 10 1.10 Undersøkelse fra Tyskland. Brudd i ledningsnett.................... 12 iii

Tabeller 1.1 Klassifisering av kraftverk (NVE, 2017)......................... 2 1.2 Konsekvensklasser (Damsikkerhetsforskriften, kapitel 4, 4-2 klassifiseringskriterier) 5 1.3 Aktive og passive stakeholders.............................. 14 iv

Fase 1 Innledning Vår oppdragsgiver Multiconsult er et av Norges ledende miljøer innen prosjektering og rådgiving. Deres visjon er å skape en bro mellom fortid og fremtid. Fellesnevneren i alle Multiconsults prosjekter er at de uten unntak skal bidra til å forbedre liv, vekst og utvikling. Virksomheten er delt inn i syv ulike forretningsområder: Bygg og eiendom Industri Olje og gass Samferdsel og infrastruktur Fornybar energi Vann og miljø By og samfunn (Multiconsult, 2017) 1

Oppgaven som her ble gitt av Multiconsult har som formål å utvikle et verktøy for tilstandskontroll av GRP rørgater for småkraft. Småkraft er ifølge NVE en felles betegnelse på vannkraftverk som er mindre enn 10 MW. Mikrokraftverk Minikraftverk Småkraftverk < 100 kw 100 kw - 1000 kw 1000 kw - 10 000 kw Tabell 1.1: Klassifisering av kraftverk (NVE, 2017) Mange av disse småkraftverkene bygges med GRP rør (glass fiber reinforced polyester), i deler eller hele rørgater. For å sikre stabiliteten av rørgaten stilles det strenge krav til kvalitet ved legging. En viktig parameter er i disse tilfeller vinkelendringen fra et rør til et annet (avvinklingen). Før vannfylling og idriftsettelse av anlegget er det nødvendig å sjekke at leggingen har blitt gjennomført korrekt, og at avvinklingen er innenfor kravene satt i teknisk plan. I løpet av anleggets levetid kan det oppstå setninger eller andre endringer som påvirker avvinklingen. Ved periodisk kontroll og/eller revurderinger i hht. damsikkerhetsforskriften vil det derfor være nødvendig å sjekke om avvinklingen er endret. 2

For å kunne løse denne oppgaven på best mulig måte er arbeidet delt inn i fire faser som tidfestes i et Gantt diagram (Vedlegg B). Alle fasene baserer seg på Alberto Sols forbedrede Stevensmodell. (Systems Engineering, A. Henriksen 2015) Figur 1.1: Faseinndeling (Sols, 2014, s. 44) 3

1.1 Kort oppsummering om dimensjonering av GRP rør, skademekanismer og tilstandsvurdering. GRP rør bygges hovedsakelig opp av polyester og armeres med glassfiber. Kompositten inneholder ofte fyllstoff som sand, og kan med variasjon i råvarene komponeres til de egenskaper en ønsker. GRP er en betegnelse på et materiale bestående av herdeplast som har fått sin endelige form med kryssbundne molekyler i et tredimensjonalt nettverk (figur 1.2). Andre betegnelser på denne type herdeplast kan være, GUP (Glassfiberarmert umettet polyester), GAP (Glassfiberarmert polyester) og GRVe (Glassfibre reinforced vinylester) (NPG Norge, 2017). GRP kan derfor i motsetning til termoplastene PE, PVC, PP, (som har en ubunden molekylstruktur) ikke omformes etter at det har fått sin endelige form. I tillegg er materialet korrosjonsfritt, har lite vekt og gode hydrauliske egenskaper på grunn av glatte overflater. (NPG Norge, lærebok, 2011, s. 7, 9-10). Det finnes mange fordeler, men også noen ulemper som må tas hensyn til ved bruk og legging. Figur 1.2: GRP-struktur (NPG Norge, 2017) Omgivelsene til verktøyet for tilstandskontroll av GRP rørgater blir i denne oppgaven antatt som GRP rør. Hvordan GRP rør dimensjoneres, hva hovedårsakene til skadene på rørene er og hvordan tilstandsvurderingen gjennomføres er viktige forkunnskaper for å kunne utvikle et optimalt produkt 4

som tilfredsstiller stakeholders krav. 1.1.1 Dimensjonering av GRP rør Alle vassdragsanlegg skal klassifiseres i en av fem konsekvensklasser. (Lovdata.no, Kapitel 4, 2009). I følge NVE (2016) er Vassdragsanlegget et begrep som rommer alt fra store dammer, små vannforsyningsdammer og trykkrør til mikrokraftverk. I damsikkerhetsforskriten (2009, 5-15) beskrives rør som rør for transport av vann fra magasin til kraftstasjon, eller mellom magasiner, inklusive fundamenter og komponenter som naturlig hører til disse rørene. Rørene kan være frittliggende, nedgravd eller innstøpt. Disse kriteriene har betydning for rørenes dimensjonering. Konsekvensklasse Boenheter 4 > 150 3 21 150 2 1 20 1 Midlertidig oppholdssted tilsvarende < 1 permanent boenhet. Infrastruktur, samfunnsfunksjoner Skade på sterkt trafikkert veg eller jernbane, eller annen infrastruktur, med spesielt stor betydning for liv og helse. Skader på middels trafikkert veg, jernbane eller annen infrastruktur med stor betydning for liv og helse. Skader på mindre trafikkert veg, jernbane eller annen infrastruktur med betydning for liv og helse. Miljø og eiendom Stor skade på spesielt viktige miljøverdier, eller spesielt stor skade på fremmed eiendom. Stor skade på viktige miljøverdier eller stor skade på fremmed eiendom. Skade på miljøverdier eller fremmed eiendom. Tabell 1.2: Konsekvensklasser (Damsikkerhetsforskriften, kapitel 4, 4-2 klassifiseringskriterier) 5

GRP-rør dimensjoneres med karakterisk last som angis i damsikkerhetsforeskriften 5-3. Frittliggende og nedgravde GRP-rør skal for alle konsekvensklasser oppfylle krav i henhold til NS-EN 1796 [9]. Rørene skal ha en sikkerhetsfaktor (F S min ) på 1,8 etter 50 år ved en kontinuerlig belasting lik karakteristisk trykk ( 5-3 punkt b avsnitt 4). Minimum korttids ringstivhet (SN) for GRP rør skal være på 5000 N/m 2, fordi stivhetsklasser under dette ikke er innknekkingssikre ved korttidsundertrykk. GRP rørene leveres som et standardisert produkt, med unntak av spesialbestillinger. De produseres normalt etter tre ulike prinsipper. Sentrifugalstøping i utvendig stålmantel, normalt 6 meter lengde. Roterende form, materiala blir påførte innvendig. Kutta glassfiber, sand og/eller kalsium karbonat, polyester. Rask ombygging av dimensjon, rør med avgrensa trykkapasitet. Først og fremst brukt til avløp og avgrensa trykk. Figur 1.3: Struktur til sentrifugalstøping 6

Kontinuerlig viklet på innvendig kjerne og leveres ofte i lengder 6 og 12 meter. Avansert kjerne - utvendig påføring av materiell. Kontinuerlig og kuttet glassfiber, sand og polyester. Høy produksjonskapasitet, rør med høy trykkapasitet. Mest brukt til vann, avløp og kraftverk. Figur 1.4: Struktur til kontinuerlig vikling Kryssvikling, denne produseres kun for olje og gass næringen da det i slike tilfeller er behov for mer strekkfaste løsninger. Roterende kjerne. Utvendig materialpåføring. Kontinuerlig glassfiber, polyester. Industri, shipping, olje og gass, stor aksialstyrke. Figur 1.5: Struktur til kryssvikling 7

Kontinuerlig viklet Trykklasser for innvendig karakteristisk trykk leveres fra 6 til 32 bar, og stivhetsklasser opp til 10000 N/m 2 i henhold til NS-EN 1796. Figur 1.6: Illustrerer en GRP bit for trykklasse PN 25 og stivhetsklasse SN 5000 Figur 1.7: Muffe dimensjonert for PN 10. 8

Sikkerhet mot brudd For at sikkerhet mot brudd skal tilfredsstille NVEs krav må valg av rørtype, trykklasse, rørstivhet etc. bestemmes ut ifra leggeforhold, bruksområde osv. Ved vanlig dimensjonering benyttes ofte kapasitetsdiagrammer. Hvor nødvendig data er: Disponibel trykkhøyde (h f ) [m] Ledningens lengde (L) [km] Ønsket vannmengde (Q max ) [l/s] eller innvendig diameter på eksisterende rør (d i ) [mm] Krav om vannhastighet (v) [m/s] Figur 1.8: Skisse av rørledning som skal transportere en ønsket vannmengde fra kilde til høydebasseng eller forbrukssted. 9

Disponibel trykkhøyde (h f ) dividert med ledningens lengde (L) gir oss energigradient (I), også kalt disponibelt trykktap eller fall [, m/km, mm/m]. Total trykkhøyde dividert på ledningens lengde er ledningens virkelige fall [, m/km, mm/m]. Beregninger basert på denne verdien gir maksimal kapasitet, men med null trykk på vannet ved endepunktet. Normalt anbefales vannhastigheter mellom 0,5-2,0 m/s i kommunale vannledninger. Vannhastigheter inntil 3,5 m/s kan i enkelte tilfeller godtas. Ønsket trykk ved utløpet er normalt mer enn 2 bar/20mvs. Ved trykk større enn 4 bar i nærheten av en bygning må det monteres trykkreduksjonsventiler. Utstyr i hus er beregnet for trykk mindre enn 4 bar. (Rørhåndboka mai 2007, 2017). I = h f L Figur 1.9: Disponibelt trykktap 10

1.1.2 Skademekanismer Man antar at tiden frem til utskifting av GRP rør ligger et sted mellom 150-200 år. Levetiden til GRP rør er beregnet og dokumentert gjennom flere gjentatte langtidstester. Langtidstestene er standardisert gjennom internasjonale standarder for GRP. Det beskrives blant annet i standarden et krav på over 10000 timer for å danne grunnlag for beregning av 50 års verdier. De viktigste testene som gjennomføres for å beskrive disse langtidsegenskapene er: Trykkegenskaper Bøye og stivhetsegenskaper Kjemisk resistens Skjøtemetoder Tross dette kan det oppstå hendelser som gjør at levetiden blir redusert. Forhold som kan redusere den forventete levetiden skyldes som oftest: Uheldig håndtering og feil ved legging av rørene Kjemisk påvirkning fra stoffer i eller rundt røret Høy driftstemperatur Store og hyppige trykksvingninger Punktlast rundt rørene. (http://npgnorge.no/kunnskapsarkiv/laerebok/trykkroersystemer) Skademekanismer som dette er som tidligere nevnt vanskelig å forutse. En jevnlig kontroll sjekk av rørenes tilstand er derfor avgjørende for å sikre sikkerheten til omgivelser rundt rørgatene. Selv om GRP-rør stort sett har pakninger av beste kvalitet, som EPDM-gummi, er det grunn til å tro at dette er svakeste punktet i forhold til de ulike skademekanismene GRP rørene kan bli utsatt for. Dette er viktig å ta i betrakting ved utførelse av tilstandskontroller. 11

Figur 1.10: Undersøkelse fra Tyskland. Brudd i ledningsnett. 12

1.1.3 Tilstandsvurdering Tilstandskontroll under og etter legging av rørene er en god investering for ledningseierne. Det sikrer de økonomiske perspektivene på lang og kortsikt, og reduserer uheldige hendelser knyttet til feil og slitasje som beskrives i punkt 1.1.2. God kontroll vil med andre ord bidra til færre feil, lengre levetid, bedre og jevnere kvalitet av rørene. Dagens teknologi gjør det mulig å sende inn digitalt utstyr sammen med videokamera. Dette krever gode kunnskaper og er en svært effektiv måte å gjennomføre en deformasjonskontroll på. Samtidig er ikke dette helt optimalt, da det er erfart en del feilkilder i form av utydelighet på hva man faktisk finner og ser i røret ved hjelp av videokamera. Det har også vist seg at utstyrets fremkommelighet begrenses på grunn av dens størrelse. (Flowtite 2017) (Rørhåndboka mai 2007, 2017). I oljebransjen har man kommet med ulike løsninger, men disse er store langtidsinvesteringer hvor verktøyene er betraktelig mye dyrere. Småkraft er et svært kostnadsfølsomt område og hovedutfordringene ved å lage et verktøy for tilstandskontroll av GRP rørgater til småkraft er å få til sikre og kostnadseffektive løsninger. 13

1.2 Consept of operation Consept of Operations (CONOPS) er et middel som brukes for å beskrive brukerens operative behov. CONOPS beskriver de ulike egenskapene knyttet til produktet og legger til rette for en felles forståelse av hvilket problem som skal løses. Det er et hjelpemiddel for å kunne kommunisere de kvantitative og kvalitative systemegenskapene til alle interessenter. For å oppnå dette er det utviklet en CONOPS. Systemests målsetning: Utvikle et verktøy for tilstandskontroll av GRP-rørgater. 1.2.1 Stakeholders Stakeholder defineres her som de personer eller organisasjoner som har interesse av, blir berørt av, har innflytelse på eller kan påvirke ytelsen til produktet. Vi har valgt å dele dem inn i to grupper, aktive og passive. Aktive stakeholders har en direkte påvirkning og interesse av produktet, mens de passive stakeholderne er de som har indirekte påvirkningskraft og interesse av produktet. Det totale antallet på stakeholders er mange, men her presenteres kun de største. Hvem Hva Aktive/Passive Multiconsult Oppdragsgiver Aktive Eiere av anlegg Forbruker Aktive Produsenter Lager piloten/produktet Aktive NVE Interesseorganisasjon Passive Standard Norge Interesseorganisasjon Passive Flowtite AS/Hobas Produsenter av rør Passive Lokalsamfunn Kraftverk nær bebyggelse Passive Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap (DSB) Kontrollører Passive Småkraftforeninga Interesseorganisasjon Passive Tabell 1.3: Aktive og passive stakeholders 14

1.2.2 Krav Når et produkt skal utvikles blir det satt krav til produktets egenskaper. Kravene sier noe om oppdragsgivers visjon av produktet. Det er avgjørende for produktutviklerne å kunne analysere kravene riktig slik at oppdragsgiveren får det produktet de ønsker. Hvis man er i tvil på enkelte krav er kommunikasjon med oppdragsgiver essensielt. På denne måten vil man holde kostnader nede og produktet holder den standard som kreves av oppdragsgiver. De beste kravene er målbare, det betyr at alle kan se og teste at kravet er oppfylt. Et godt eksempel er vektbegrensning. Under produktutvikling skal kravene tenkes på, og være en mal for produktutvikler. Kravene for dette produktet ble gitt av Multiconsult, og de viktigste egenskapene til produktet er beskrevet her: 1. Mulighet til å operere verktøyet utenfra ved å sende verktøy inn via mannhull eller tilsvarende. Det vil si at operatøren av verktøyet ikke skal befinne seg i røret, og verktøyet skal kunne styres uten i fra. 2. Vekt på verktøy må være slik at én person kan bære en vis avstand (< 20 kg?) Dette er en vektkonto som ikke skal overskrides. Dette er fordi brukervennlighet er essensielt og rør ofte er plassert på en slik måte at man ikke kan kjøre inn til mannhull der tilstandskontrollen skal gjennomføres. 3. Størrelse på verktøy må være slik at man kan sende det med ordinær flyfrakt (evt. demonterbar på en enkel måte) Kravet er en volumbegrensning. Meningen er å gi mulighet for frakt av verktøyet på en enkel og tidseffektivt måte. Det vil si at verktøyet må ha et maksimalt mål på 81x119x119 cm (Raynair.com 2017). 15

4. Målenøyaktighet innenfor ±0.2 Maksimal feilmargin på verktøy når man måler i skjøten. 5. Registrering av posisjon for hver skjøt. Verktøyet skal kunne detektere skjøt for så å stoppe og utføre en tilstandskontroll. 6. Mulighet til å bruke samme verktøy ved ulike rørdimensjoner (Ø500-Ø2500) Dette er rørdimensjonen verktøyet skal operere i. Kravet omhandler brukervennlighet og fleksibilitet for så å kunne være allsidig til flere rør. Dette er viktig da enkelte rørbaner kan ha ulike rørdimensjoner. Dette gjør målingene mer sikre og effektive. 7. Målområde avvinklinger mellom 0-15 Kravet er en vinkelbegrensning til verktøyet. Dette er med på å sette standard for hvilke egenskaper oppdragsgiver ser på som relevant til i forhold til verktøyets bruksområde. 8. Kunne forsere støpte bend på inntil 30 Kravet er en volumbegrensning i form av fleksibilitet av verktøy. Og hvilke områder eventuelle hinder verktøyet må komme seg igjennom underveis i tilstandskontroll. 9. Som et utgangspunkt skal det legges til grunn at fabrikasjonskostnader, utstyr og instrumentering skal koste mindre enn kr 200 000,- Siden småkraft er et kostnadsfølsomt område er det satt et krav til kostnader rundt produksjon. Dette må ikke overskrides. Det vil bli lagt stor vekt på kostnader i videre arbeid. For å utvikle en optimal løsning er det viktig å få et målbart definisjonsområde av hva et kostnadseffektivt verktøy betyr. Kommunikasjon med oppdragsgiver ga oss et estimert beløp på kr. 200 000,-. Mer spesifikasjon se listen over. 16

1.3 Oppsummering I fase 1 ble det funnet ut hvordan GRP-rør fungerte, de ulike skademekanismene ble identifisert og viktige elementer knyttet til tilstandsvurderingen ble beskrevet. Det ble utformet en CONOPS for å gi alle interessenter en overordnet beskrivelse på hva som skal bli gjort. Videre ble det utarbeidet en utredning av stakeholdere, dette er de personer og bedrifter som har en påvirkning på det endelige produktet. Tilslutt er kravene på plass med kommentarer for hvilke utfordringer og konsekvenser de har for videre arbeid. For å sikre at Multiconsults krav til produktet har blitt drøftet riktig, har vi gjennom møtevirksomhet gjennomført en formell gjennomgang av oppgaveteksten. Den formelle gjennomgangen kalles SRR og er en bekreftelse på vår forståelse av hvilke behov som kreves av produktet. Gjennom SRR stilte vi ulike spørsmål og tanker knyttet til vår visjon. Visjonen ble validert i form av bekreftelse fra Multiconsult. 17

Vedlegg A Akronym 3D Three dimensional AHP Analytisk Hieraki Prosess APS Angular Position Sensor GAP Glassfiberarmert Polyester GRP Glass Reinforced Polyester GRVe Glass Reinforced Vinylester GUP Glassfiberarmert umettet Polyester PE Polyetylen PLA Polylactic Acid PVC Polyvinylklorid PP Polypropen SDR System Definisjon Revisjon 18