Anläggningsteknik ETT NYHETSBREV FRÅN ELFORSK NUMMER 1 FEBRUARI Storfinnforsens damm. Foto: P. Stenström, WSP

Transkript

1 Anläggningsteknik ETT NYHETSBREV FRÅN NUMMER 1 FEBRUARI 2010 VVattenkraftföretagen (Vattenfall AB Vattenkraft, Fortum Generation, E.ON Vattenkraft Sverige AB, Skellefteå Kraft AB, Statkraft Sverige AB, Jämtkraft AB, Sollefteåforsens AB, Karlstads Energi AB, Jönköping Energi AB) har via Elforsk finansierat Forskning och Utveckling (FoU) inom det betongtekniska området sedan början av 90-talet avslutades den första treårsperioden av det betongtekniska programmet för kärnkraft. Detta finansieras av Vattenfall AB, Forsmarks Kraftgrupp, Ringhals, OKG, Strålsäkerhetsmyndigheten (SSM), samt av Teollisuuden Voima Oy (TVO) i Finland. De betongtekniska programmen för både kärnkraft och vattenkraft löper etappvis i treårs perioder. Programmen har visat på resultat som är efterfrågade av intressenterna vilket gjort att nya treårssatsningar, , påbörjats. Vattenfall Research and Development (VRD) fortsätter att administrera vattenkraftsprogrammet i tätt samråd med styrgruppens medlemmar från vattenkraftsägare och Christian Andersson från Elforsk. Lars Wrangesten på Elforsk fortsätter att administrera kärnkraftsprogrammet med VRD som teknisk handläggare. I styrgruppen deltar representanter från kärnkraftverken och SSM. De betongtekniska programmen syftar till att bättre nyttja FoU resurser inom industrin, institut och högskolor för att stärka kraftindustris betongtekniska verksamhet. Detta har aldrig varit viktigare då förnyelsearbeten och uppgraderingar får ökad betydelse för både vattenkraften och kärnkraften. Åldringsfrågor, tillståndsbedömning samt reparationer är också viktiga frågor som får allt mer fokus hos kraftverken. Det finns goda möjligheter att genom FoU bidra med förbättrade tekniska lösningar, mer kvalificerade bedömningar (när åtgärder bäst bör göras) samt minskade kostnader. Cristian Andersson, Elforsk (programområdesansvarig Vattenkraft) Lars Wrangensten, Elforsk (programområdesansvarig El- och värmeproduktion) Modellering av uppsprickning i Storfinnforsens damm Storfinnforsens damm. Foto: P. Stenström, WSP I Sverige finns idag ett stort antal betongdammar och det är känt att ett flertal av dessa har sprickor. Vid bedömning av dammsäkerhet är det av största vikt att utifrån observationer, mätningar, och beräkningar kunna avgöra om respektive spricka utgör ett hot mot dammen eller inte. Sådan tolkning måste bygga på kunskap om var och hur sprickor uppträder och propagerar. Många betongdammar utsätts för temperaturgradienter på grund av stora skillnader i temperatur mellan vattnet på dess ena sidan och luften på dess andra vilket, särskilt i kombination med övriga laster, kan leda till allvarlig sprickbildning. Vid tillståndsbedömning av befintliga dammar bör mätningar kombineras med beräkningar för att mätresultaten ska kunna förstås och tolkas, särskilt vid existerande sprickor. Kunskap om sprickornas tillstånd underlättar val av reparationsmetoder. En realistisk och verifierad modell underlättar även analysen av den reparerade konstruktionen. Med bakgrund av detta startade Elforsk ett pilotprojekt avseende finit elementmodellering av Storfinnforsens damm som byggdes , se ovan. Projektgruppen bestod av deltagare från Vattenfall Research & Development, SwedPower (Vattenfall Power Consultant) och Carl Bro (Grontmij). Dammen är en lammelkröndamm som dämmer ett vattenmagasin på 400 Mm3 och dess vattennivå hålls nästan alltid i 1 närheten av dämningsgränsen. Lamellerna består av monoliter, till antalet ca Omfattande sprickbildningar på monoliternas frontplatta och stöd har uppstått. En teori var att sprickorna har uppkommit p.g.a. förhindrade termiska rörelser. För att undersöka detta utfördes numeriska beräkningar. Resultatet visade att de förhindrade termiska rörelserna kunde vara en av anledningarna bakom dammens uppsprickning. Med hjälp av elastiska beräkningar kunde information om var sprickorna borde uppkomma och i vilken riktning de förväntas propagera tas fram. För att få mer noggranna resultat behövdes en modell som kan beskriva de icke-linjära egenskaperna hos betong vid uppsprickning. Utav denna orsak startades ett nytt projekt där även KTH Betongbyggnad ingick i projektgruppen. Med beräkningsmodeller som kan beskriva det icke-linjära beteendet hos betongen gick det att påvisa att sprickor initieras och propagerar som resultat av temperaturerna vid sommar respektive vinter. Under senare Forts...

2 etapper av detta projekt vidareutvecklades beräkningsmodellen så att den beaktade den cykliska temperaturvariationen från årstiderna. Med denna modellens hjälp gick det att förklara hur de olika typerna av sprickor som observerats vid Storfinnforsen uppstod. Dessutom visade modellen att det var den efterinstallerade isolerväggen, som monterades för att reducera frostskador på frontplattans uppströmssida, som var orsaken till de lutande sprickorna i stödskivan, se Figur 1. Figur 1 - Observerat och beräknat sprickmönster Denna lutande sprickan bedömdes som allvarlig för damsäkerheten. För att kunna jämföra beräkningar mot utförda fältmätningar simulerades temperaturen för varje vecka under ett helt år. Mycket hög överensstämmelse erhölls mellan uppmätt och beräknad förskjutning av dammkrönet respektive variation i sprickbredd, se Figur 2. Resultatet från detta Elforskprojekt har varit att visa att det med icke-linjär finit elementmodellering går att prediktera uppkomst av sprickor och beskriva deras propagering. Resultaten från projektet har även varit till nytta för anläggningsägaren E.ON i samband med utvärdering av lämpliga förstärkningsmetoder. Richard Malm KTH Betongbyggnad (och numera Vattenfall Power Consultant AB) Tidigare och nuvarande deltagare i projektgruppen: Anders Ansell, KTH Betongbyggnad Jonas Björnström, Vattenfall Power Consultant Tomas Ekström, EnergoRetea Manouchehr Hassanzadeh, Vattenfall Research & Development (projektledare), Richard Malm, KTH Betongbyggnad Mattias Unosson, Vattenfall Power Consultant Marie Westberg, Vattenfall Vattenkraft Figur 2 - Jämförelse mellan beräknad och uppmätt krönförskjutning och variation i sprickbredd 2

3 Luftinträngning i betong I Sverige finns det för närvarande tio kärnkraftsreaktorer. Samtliga reaktorer har betonginneslutningar bestående av: bottenplatta, cylindervägg och kupol., vilka även är kompletterade med en tätande plåt runt om. Utöver detta finns inre betongkonstruktioner som bär upp reaktortank och andra huvudkomponenter samt rörledningar, se Figur 1. Innerslutningens (främst plåtens) primära uppgift är att säkerställa att radioaktivt kontaminerad luft inte läcker ut från reaktorn, om en olycka i form av ett rörbrott eller dylikt inträffar. För att kontrollera att inneslutningarna uppfyller täthetskravet, provtrycks varje reaktor tre gånger under en tio års period. Resultaten kontrolleras sedan av Strålskyddsmyndigheten (SSM). Detta innebär således att tre reaktorer provtrycks varje år. Vid provningen ökas trycket i innerslutningen med ca 4 bar, vilket motsvarar ett beräknat haveritryck, alternativt ett halvt haveritryck på ca 2 bar (för Ringhals 3 och 4). För att kunna utföra testerna måste den aktuella reaktorn vara ur drift under själva tryckprovningen. Provningen kan ta upp till flera dygn att genomföra, vilket således medför ett stort produktionsbortfall med ett uppskattat värde av ca 5 Mkr per provning. Flertalet länder har med tiden ökat sina provningsintervall. Bland annat testas anläggningarna i USA en gång vart tio år, planer finns att öka intervallet till en gång vart 15:e år. Även i Sverige finns det en önskan att öka intervallet mellan provtryckningar. För att detta skall vara möjligt måste kärnkraftsanläggningarna påvisa för SSM att täthetskravet uppfylles och att detta består i framtiden. Det finns dock en teori om att reaktorinneslutningarna i realitet är tätare än vad provtryckningarna påvisar. Hypotesen är att en viss andel av luften i inneslutningen tränger in i konstruktionens betong, under provtryckningen. Konstruktionen och dess betong agerar i princip som ett kärl som absorberar den trycksatta luften under själva provningen. Rent fysikaliskt beskrivs detta som en masstransport (i gasform) som tränger in i betongen och genererar en tryckökning i materialets luftporer. Under 2007 påbörjade Per Fredlund ett doktorandprojekt vid Lunds Tekniska Högskola. Projektet är en del av ett forskningsprogram kring betongkonstruktioner inom kärn- kraft som finansieras via Elfors. Syftet är att utreda om ett gasflöde in i betongen verkligen inträffar, samt att utreda om detta går att kvantifiera. Figur 1. 3D-ritning av inre betongkonstruktioner Utredningen bestod av både mätningar och avancerade teoretiska beräkningar/ simuleringar, för att verifiera samt kvantifiera en luftinträngning. De avancerade teoretiska beräkningarna/-simuleringarna, visade sig vara tids och datorkrafts krävande, vilket hämmade dess praktiska applicerbarhet. Därav utvecklades även ett beräkningsverktyg för att kunna utföra dessa simuleringar på ett enklare ingenjörstekniskt sätt. Beräkningsverktyget är baserat på tidsberoende mass-/ gastranssport i en dimension och är programmerat i Excel. För den som är mer intresserad finns en Elforkrapport av Per Fredlund och hans handledare Lars-Olof Nilsson (Elforsk rapport 09:101) att läsa. I nuläget pågår ett arbete med att verifiera samt kalibrera beräkningsverktyget gentemot provtrycksmätningar. En del av arbetets komplexitet består i att transformera flerdimensionelle geometrier till ekvivalenta väggar (med ett endimensio- nellt flöde), samt att ansätta, för luftinträngningen, representativa materialparametrar. Arbetet utförs av Vattenfall Research and Development AB (VRD), på uppdrag av Ringhals. Specifikt består arbetet i att utföra simuleringar på reaktorinneslutningen och dess betongkomponenter i Ringhals 4. Resultatet jämförs sedan med aktuella provtrycksmätningar. Om simuleringarna uppvisar god överensstämmelse med dessa provtrycksmätningar, blir nästa steg att utföra ytterligare simuleringar och verifieringar gentemot tidigare provdata, i hopp om att även dessa överrensstämmer. Arbetets förhoppningar är att resultatet skall vara en del av ett material som kan påvisa för SSM att reaktorinneslutningarna i realitet är tätare än vad provtrycksmärtningarna hitintills visat. Detta skall då bidraga till argumentet att provtryckningarna kan utföras med ett längre tidsintervall. Mikael Persson Vattenfall Research & Development AB 3

4 Vindtunnel på 140 m höjd 7 m/s i årsmedelvindhastighet Vattenfall utreder möjligheterna att bygga samt nyttja vindkraftverk på olika platser och landskapstyper i Sverige, därtill hör även skogslandskap. Via testverken i Ryningsnäs har Vattenfall införskaffat kunskap om hur vindförhållandena i ett skoglandskap påverkar vindkraftverk. Vattenfall anser att det är möjligt att utveckla effektiva samt robusta vindkraftverk som är lämpade för uppförande och drift i skogslandskap. Om Sverige ska uppnå regeringens målsättning på 12 TWh per år producerad el från svenska vindkraftverk, till och med år 2020 (inom certifikatsystemet), måste vindkraftverken byggas med en höjd över de 100 m maxnavhöjd som vanligtvis används idag. Denna höjdökning motiveras med att detta möjliggör en gynnsam vindkraftsutbyggnad i skogslandskap som är belägna i södra Sverige, med avseende på att merparten av den svenska elförbrukningen sker i landets södra del. I annat fall måste det byggas fler anläggningar till havs, där kostnaderna och riskerna är större, och/ eller i norra Sverige med nedisning av rotorbladen samt elöverföringsproblem till följd. Troligtvis kommer det krävs att vindkraftsutbyggnaden sker på samtliga platser. Test i Ryningsnäs För att raskt införskaffa kunskap om hur vindkraft kan tänkas fungerar i ett skogslandskap, initierade Vattenfall en projektering av två testturbiner monterade på ståltorn i Ryningsnäs, Figur 1. Dessa togs i drift januari Dessförinnan utfördes en omfattande vindmätningskampanj i södra Sveriger. Innan vindkraftverken uppfördes påvisade mätningarna att vindförhållandena, med avseende på hastighet, inte var lika gynnsamma som MIUU:s vindresurskartering angett. I och med dåvarande marknadsläge fanns det varken möjligt till införskaffning av högre torn eller vindkraftverk med större rotorblad, detta för att möjliggöra en effektiv nyttjning av dessa i skogslandskap. Syftet med Ryningsnäs försöket var att utreda hur skogslandskapets turbulenta vindförhållanden inverkade på förslitningen av vindkraftverken. Efter mindre än ett år av mätningar, påvisade en första mätdata analys att skogslandskapets turbulens är större (vid höga vindhastigheter) än vad de installerade vindkraftsturbinerna normalt är designade för. Eftersom det förhållandevis sällan blåser i denna storleksordning, har detta inte föranlett till någon oro från turbintillverkaren Nordex. I efterhand så har det visat sig att den största utmaningen är att utforma ett vindkraftverkskoncept som är lönsamt vid rådande vindförhållanden. I dagsläget finns det marknadstillgängliga turbiner med större rotordiametrar; 100 m tillskillnad från 90 m. Dessa ger 20 % ökad el produktionen, vilket är ett första steg i att uppnå en god lönsamhet från vindkraftverk uppförda i ett skogslandskap. Dock är detta inte tillräckligt. Navhöjden måste dessutom höjas från 100 m till 140 m för att till- Figur 1 Geografisk placering av Ryningsnäs Figur 2a. Betonghybridtorn i Danmark 4

5 handahålla en årlig medelvindhastighet som överstiger 7 m/s. Vattenfall har lämnat in en tillståndsansökan för att få ett godkännande att höja båda testturbinerna i Ryningsnäs från 80 rep.100 m till 140 m navhöjd. Nya tornlösningar I dagsläget används konventionella cylindriska ståltorn för vindkraftverk. Dess max diameter begränsas dock av transporter över broar till 4.30 m. Om denna max diameter i kombination med höga torn (140 m), samt kraven på egenfrekvens, skall nyttjas måste godsstorleken (plåtens tjocklek) vara orimligt stor, vilket medför att dessa inte är kostnadseffektiva. Sedan hösten 2009 har Vattenfall undersökt en rad nya tornlösningar bestående av fackverkstorn i stål och betonghybridtorn. Figur 2a och 2b. Fackverkstorn Det utvecklas även torn bestående av limträ. Den finska ståltillverkaren Ruukki har i samarbete med Nordex utveckla ett fackverkstorn med sex ben bestående av en ny typ av segmenterad rörprofil. Det tyska företaget Tower Tech utvecklar ett smalt trebent fackverkstorn som är estetsikt tilltalande. I Tyskland har turbintillverkaren Enercon stor erfarenhet av prefabricerade betongtorn som skall vara kostnadseffektivare än att platsgjutna betongtorn. Byggnadsföretaget Max Bögl har tagit fram ett betongsegment torn där delarna slipas till en 0,1 mm tolerans i en CNC maskin innan de lämnar fabriken. Utgångspunkten för samtliga är att konstruera kostnadseffektiva torn som gör det möjligt att bygga på betydligt högre höjder än vad som vanligtvis görs idag. Höga torn Fackverkskonceptet är enklare att komma igång med eftersom en prototyp kan tillverkas utan att göra stora investeringar i gjutformar. I dagsläget finns det ett överskott av elcertifikat innebärande att vindkraften inte upprätthåller den förmodade utbyggnadstakten. Detta försenar utvecklingen av vindkraftverk med höga torn. Dessutom medför dagens finanskris att det är svårare att finansiera utvecklingsprojekt på kort sikt. Samtidigt är det nu som vi skulle göra dessa investeringar för att stå bättre rustad inför framtiden. Figur 2b. Betonghybridtorn i Danmark Utanför ett av Vattenfalls kolkraftverk i Cottbus Tyskland, finns en vindkraftspark med 10 turbiner från turbintillverkaren Fuhrländer som är monterade på 141 m höga fackverkstorn. Vattenfall för även en nära dialog med ett antal tillverkare av höga torn och försöker intressera turbintillverkare att använda sig av dessa. Siemens tittar också på nya tornkoncept och bygger tre glidformgjutna betongtorn i Danmark. Vattenfall genomför även projekt i Tyskland bestående av vindraftverk med en navhöjd på 140 m och har för avsikt att testa nya kostnadseffektiva torn. Thomas Stalin Vattenfall Vindkraft AB 5

6 Porsi kraftverk med en students perspektiv Vattenfalls kraftverk Porsi, intill samhället Vuollerim vid Lule älv, studerades under hösten/vintern 2008/2009, i ett examensarbete med fokus på uppkomna frostskador på betongen i vattenlinjen. Den 1 september 2008 påbörjade Martin Rosenqvist och Mikael Persson sitt examensarbete vid Avdelningen för Byggnadsmaterial vid Lunds Tekniska Högskola. För två studenter från Lund i Skåne kändes den norrländska vattenkraften avlägsen, men samtidigt väldigt spännande. Upprinnelsen till examensarbetet var observerade skador på betongen runt vattenlinjen på nedströmssidan av maskinbyggnaden till Porsi kraftverk, se Figur 1a. Dessa skador antogs kunna bero på ett flertal skademekanismer. Hypotesen var att frostsprängning skulle vara den dominerande skademekanismen. Syftet med examensarbetet var att bidra till en ökad förståelse för hur betong i en kraftverksdamm kan skadas, i ett hårt klimat, med samverkande kyla och icke fruset sötvatten. Att få vetskap om varför en skada har uppkommit är en viktig aspekt för att kunna utforma samt utföra en hållbar reparation. Det första steget var att utveckla en provningsmodell i laboratoriemiljö. Vintertid hade det observerats att vattnet förblev ofruset, trots en temperatur ned mot - 30 C, men att det på betongen kring Figur1a. Skadad betong i vattenlinjen Figur1b. Skadad betong efter laboratorieförsök enligt föregående bild vattenlinjen ändå bildades en ishinna. Efter en del arbete hade en provningsmodell utvecklats som avspeglade ovan nämnda företeelser. Två betongkvaliteter testades, vct 0,65 utan luftinblandning och vct 0,45 med extra luftinblandning. Betongen i Porsi kraftverk antogs bestå av en betongkvalitet som befinner sig mellan dessa två nämnda kvaliteter. Tryckhållfastheten och spräckhållfastheten visade sig vara likartade för de två betongkvaliteterna. Efter 50 fryscykler konstaterades det att den bättre betongen hade klarat sig utan skador. Däremot hade den sämre betongen ådragit sig avskalning som utseendemässigt överrensstämde med skadorna på maskinbyggnaden, se Figur 1b. Slutsatsen blev att skadorna på Porsi kraftverk till största del orsakades av frostsprängning. 6

7 I mitten av juni 2009 gavs ett tillfälle att genomföra en studieresa längs Lule älv, för att med egna ögon se Porsi kraftverk. Framme i Vuollerim blev vi vänligt mottagna av Stefan Stare, som visade oss runt i kraftverket och gav oss möjlighet att titta på skadorna intill maskinbyggnaden. Intryck som imponerande på oss var den storslagna vyn nedströms, samt storleken på kraftverket med dess damm, maskinbyggnad och utskovsparti, se Figur 2. Efter besöket i Porsi fortsatte färden uppströms till Letsi kraftstation som, till skillnad från Porsi, ligger nedsprängd i berget. Det enda som syntes ovan jord var en 85 meter hög stenfyllningsdamm med ett utskovsparti vid den södra änden. Trots att det var i mitten av juni månad kunde stora ispartier skönjas längs utskovskanalen, se Figur. 3 Resan avslutades med ett besök på Akkats kraftstation och dess pågående ombyggnation, vilket blev följden av haveriet år Sammanfattningsvis har examensarbetet och resan längs Lule älv fått upp våra ögon för den svenska vattenkraften. Finansiär av examensarbetet, med tillhörande studieresa, var Erik Nordström vid Vattenfall Vattenkraft. Martin Rosenqvist Vattenfall Research & Development AB Figur 2. Vy nedströms från Porsi kraftverk FAKTA Porsi kraftverk Byggår 1961/1987 Aggregat 2 Kaplan, 1 Propellerturbin Effekt 275 MW Årsproduktion 1145 GWh Fallhöjd 33 m Ägare Vattenfall AB Figur 2. Isbildning vid utskovsparti till Letsi kraftverk i juni månad 7

8 PROGRAM KRAFTINDUSTRINS BETONGDAG :e APRIL-15:e APRIL 2010 Plats: Vattenfall Research and Development AB, Älvkarleby, Hörsalen Onsdag 14:e April Registrering och lunch Tema laster Termiska laster på aggregatnära konstruktioner. Bengt Forsberg och Ljiljana Plavsic, Vattenfall Power Consultant Dimensionering av fästplattor vid Forsmarks kärnkraftverk. Kostas Xanthopoulos, Strålsäkerhetsmyndigheten Extrema laster och händelser för kärnkraftindustrin, Patrik Gatter, Vattenfall Power Consultant Förbättrade provtryckningsmetoder för reaktorinneslutningar, Mikael Persson, Vattenfall Research & Development Vindkraft. Hur dimensionerar man fundament? Lars Johansson, Ramböll, Malmö Kaffe Doktorandprojekt Probabilistiska dimensioneringsmetoder för vattenkraft -resultat av doktorsavhandling, Marie Westberg, Energoretea Kontroll av ingjutna spännkablar i reaktorinnneslutning, Peter Lundqvist, Lunds Tekniska Högskola Uppfuktning av betong i våta konstruktioner Examensarbete. Tina Wikström, Lunds Tekniska Högskola Nya planerade doktorandprojekt inom kraftindustrin, Manouchehr Hassanzadeh, Vattenfall Research & Development 16:20 Pågjutningar för Vattenkraften Resultat efter 3 års forskning. Tomas Sandström, Sweco Infrastructure Tema korrosion och beständighet Korrosionsrisker i kraftindustrin. Swerea KIMAB, Bertil Sandberg Kontrollprogram gällande inspektion av kylvattenvägar vid Forsmarks kärnkraftverk, Arvid Hejll, Vattenfall Research & Development Erfarenheter från landbaserad byggnation av vindkraft i Tyskland samt Danmark, Thomas Stalin och John Johansson, Vattenfall Vindkraft Täta betongkonstruktioner efter ombyggnad? Praktiska erfarenheter, Thomas Rasmussen, KFS Anläggningskonstruktörer Tipspromenad Middag vid Älvkarleby Turisthotell KONTAKT: Cristian Andersson Elforsk AB Programområde Vattenkraft Stockholm , cristian.andersson@elforsk.se Lars Wrangensten Elforsk AB Programområde El- och Värmeproduktion Stockholm , lars.wrangensten@elforsk.se REDAKTION Bojan Stojanovic, Vattenfall Research & Development AB Älvkarleby bojan.stojanovic@vattenfall.com , PRODUKTION: Alf Linderheim Vattenfall Research & Development AB alf.linderheim@vattenfall.com , Forsmarks Kraftgrupp AB Ringhals AB Torsdag 15:e April Tema tillståndsbedömning Oförstörande provningsmetoder och Structural Health Monitoring (SHM) för kraftindustrin - Applicerbarhet och utvecklingsbehov. Peter Ulriksen, Lunds Tekniska Högskola Förändringsprocesser i reaktorinneslutningar, Peter Johansson Lunds Tekniska Högskola Verktyg och metoder för tillståndsbedömning samt erfarenheter från Ringhals kärnkraftverk. Manouchehr Hassanzadeh, Vattenfall Research & Development Användning av IT-baserade reparationshandboken. Martin Rosenqvist, Vattenfall Research & Development Kaffe Diskussion om gemensamma forskningsfrågor för kärnkraft, vattenkraft och vindkraft Utfall av Elforskseminarium under september 2009, Arvid Hejll, Vattenfall Research & Development Bygginnovationen, Satsning på forskning ur kraftindustrins perspektiv, Kyösti Tuutti, Skanska Framtiden för svensk byggforskning. Ove Lagerqvist, Sveriges Bygguniversitet Avslutningsdiskussion Lunch - Avslut och hemfärd 8