Provtryckning Svensk Vatten utvecklingsprojekt. Gunnar Bergman BERGMAN POLYMER CORROSION AB

Transkript

1 Provtryckning Svensk Vatten utvecklingsprojekt Alternativa metoder och metodiker för att säkerställa tätheten och kvaliteten hos skarvar i nya markförlagda tryckvattenledningar av etenplast Gunnar Bergman Thomas Blomfeldt, KIMAB

2 Corrosion resistance of polymeric materials Scientific Advisor Gunnar Bergman Research Leader Petter Bergsjö Senior Researcher Karin Jacobson Researcher Johan Samuelsson Researcher Thomas Blomfelt Researcher Caroline Ankerfors Researcher Daniel Ejdeholm

3 Syfte Syftet med projektet är: att kartlägga, analysera och utvärdera problem, nackdelar och risker med att använda en täthetsprovningsprocedur som samtidigt utgör en fullskalig hållfasthetsprovning av ledningen med utgångspunkt från VAV-publikationen P78 och SVU Rapport Nr som the-state-of-the-art, att inventera och undersöka möjliga alternativa metoder och metodiker för att säkerställa tätheten och kvaliteten i skarvar hos främst nylagda grova tryckvattenledningar av etenplast och som företrädesvis inte inbegriper en provning vid höga tryck såsom 1.3 ggr tryckklassen.

4 Följande huvudmoment skall innefattas: Kartlägga, analysera och utvärdera problem, nackdelar och risker med att använda en täthetsprovningsprocedur som samtidigt utgör en fullskalig hållfasthetsprovning. I arbetet ingår särskilt redovisningar och analyser av svällningseffekter vid provtryckningar av PE-ledningar hos referensgruppen från 5 projekt vardera. Detta är intressant med tanke på att man på respektive ställe provtrycker vid olika tryck vilket ger tillfälle att kunna undersöka om teori och praktik stämmer överens.

5 Resultat Nackdelar med provtryckningsförfarande P78 Finns flera fall där PE-ledningar blivit godkända vid provtryckningen men som senare havererat eller uppvisat läckor efter varierande tider i drift. Ett godkänt resultat från provtryckningen kan ge sken av att ledningsskarvarna har godtagbar kvalitet, dvs att entreprenören har gjort ett fullgott jobb. En entreprenör kan hävda att problem med läckor hos ledningen under garantitiden, men även efter, beror på att ledningen egentligen inte tål påkänningar som motsvarar 1.3xPN, dvs han anser att ledningen kan ta skada av att provtryckningen görs på det sätt som anges i P78. Ibland väljs PE-rör med väsentligt högre tryckklass än vad som motsvarar det normala drifttrycket i syfte att öka säkerhetsmarginalerna för vad ledningen kan komma att tåla med hänsyn till predikterad långtidshållfasthet och andra tänkbara påkänningar, exempelvis PN16 där drifttrycket inte är mer än 7 8 bar. Man vill säkerställa eller öka chanserna till långa livslängder. Varför då utsätta ledningen för en extrempåkänning av 20.8 bar redan innan den tas i drift?

6 Resultat Nackdelar med provtryckningsförfarande P78 Ledningen kan vara otät, men ändå bli godkänd enligt P78. Proceduren tolererar/accepterar nämligen ett läckage D (liter/tim)= (0.4d i 20) L/24000, dvs en muff på en sträcka av exempelvis 1000 m, DN 730, SDR11 kan läcka upp till 9 liter/h och ändå bli godkänd. Om sträckan vore 2000 m tolereras upp till 18 l/h. Ledningen kan vara tät, men ändå inte bli godkänd enligt P78. Orsaken till detta är vanligen förekomst av luft i ledningen. Svällningseffekter till följd av krypning medför att rörets diameter ökar. Finns en viss risk för höga tryckslag om någon detalj brister hastigt vid provtryckningen. Den uppkomna tryckvågen påverkar hela ledningsdelen som testas, och kan i värsta fall ge upphov till betydande skador. Vem tar ansvar för detta?

7 Haverier vid provtryckningar täthetsprovning leak-proof testing Haveri, RCP Rapid Crack Propagation i U.S.A vid provtryckning av en 760 mm PVC ledning, PN10. En explosion hördes vid provtryckningen. RCP-sprickan utbredde sig 330 m. Haveri, RCP Rapid Crack Propagation i U.S.A vid provtryckning av en 500 mm PVC ledning, PN16. RCPsprickan blev 480 m lång Haveri, RCP Rapid Crack Propagation i U.S.A vid provtryckning av en 500 mm PVC ledning, PN14. RCPsprickan blev 660 m lång. Vid provtryckningarna exploderade ledningarna. En hög tryckpuls kan initiera RCPbrottet. Denna är direkt proportionell mot provningstrycket.

8 Kort om RCP-brott RCP-brott kan inträffa om spänningsintensiteten i materialet, K I, blir större än materialets brottseghet K IC, dvs K I K IC Kritisk tryck Risken ökar med sprödheten hos materialet (som kan vara temperaturberoende), högre tryck och förekomst av spänningskoncentrationer exempelvis repor. Kritisk temperatur Risken ökar med andelen luft i ledningen. Kan uppträda också i PE-rör, men är sällsynt förekommande. Nyare PE-materialen alltmer brottsega, särskilt s.k. bimodala PE- material

9 Studium av svällningseffekterna vid provtryckning. Svällningseffekterna vid provtryckning och vid drift av PEledningar har blivit större genom övergången från PE-80 till PE-100 material. Detta eftersom godset i ett PE-100 rör är ca 30% mindre än i motsvarande PE-80 rör. Norrvatten provtrycker enligt VAV P78, dvs 1.3xPN Stockholm Vatten provtrycker enligt VAV P78, men endast vid 1xPN Göteborg Vatten har en egen provtryckningsprocedur, som delvis liknar EN 805 och ASTM F2164, men använder betydligt lägre provningstryck. Vad blir svällningseffekterna vid respektive provningsprocedur?

10 Simulering av tryckprovning enligt VAV P78 med provstavar i laboratoriet Spännings-/töjningsförloppet mäts mycket noggrant.

11 kristallinitet = 66 vikt%,

12 kristallinitet = 66 vikt%,

13

14

15

16 För dragspänningar under 4.1 MPa erhålls ingen permanentad deformation hos röret, dvs om trycket vid en tryckprovning enligt VAV P78 är lägre än 8 bar hos en SDR 11 ledning eller lägre än 5 bar i en SDR 17 ledning erhålls inga kvarstående svällningseffekter i samband med provningen.

17 22 C Svällningen till följd av 5 års drift är exempelvis 2%, vilken sjunker till ca 1.5% vid avlastning. Till detta kommer 0.4% permanentad deformation från tryckprovningen, dvs totalt 1.9%. Vilken betydelse har temperaturen? OBS! Den permanentade deformationen på 0.4% som uppkom vid tryckprovningen är inte medtagen i kurvorna utan skall adderas om svällningseffekter skall utvärderas!

18 12 C Vid olika kristalliniteter hos PEmaterialet OBS! En permanentad deformationen av uppskattningsvis 0.3% vid 12 C, som uppkommer vid tryckprovningen är inte medtagen i kurvorna utan skall adderas om svällningseffekter skall utvärderas! Svällningen till följd av 5 års drift (6 bar i en PN10 ledning) är 1.8 %, vilken sjunker till ca 1.4% vid avlastning. Till detta kommer ca 0.3% permanentad deformation från tryckprovningen, dvs totalt 1.7%. Man kan således räkna med att det 5 år gamla 710-röret har en ytterdiameter av ca 722 mm vid en reparation.

19 Motsvarande krypuppförande vid trycket 1XPN, dvs 10 bar i en PN10-ledning Svällningen till följd av 5 års drift är 4%, vilken sjunker till ca 3 % vid avlastning. Till detta kommer 0.4% permanentad deformation från tryckprovningen, dvs totalt 3.4 %. Motsvarande värde vid 12 C kan uppskattas till 3%. Man kan i detta fall räkna med att det 5 år gamla 710-röret har en ytterdiameter av ca 731 mm vid en reparation. Motsvarande värde vid 50 år är 735 mm.

20 Vilken betydelse har typen av PE-100 för svällningen, och hur är krypuppförandet hos ett PE-80 rör? PE-materialets krypegenskaper bestäms till stor del av dess kristallinitet. PE-material/Tillverkare Kristallinitet, % PE-100 Hostalen CRP100/ Borstar HE3490-LS, Wavin DN 710, SDR 13.6, PN 12.5 PE-100 okänt fabr. Tillverkare 1 63 PE-100 okänt fabr. Tillverkare 2 59 PE-80 okänt fabr. Tillverkare 1 49 PE-80 okänt fabr. Tillverkare

21 VAV P78 En viss avvikelse från logaritmiskt krypsamband kan konstateras vid noggranna mätningar. En sådan olinjäritet skulle möjligen kunna medföra att en ledning inte blir godkänd vid tryckprovningen trots att den är tät. Vanligen upprepas tryckprovningarna tills godkänt resultat erhålls.

22 Exempel Resultat från 5 provtryckningar i fält B/A = 40/290 =0.138 B/A = 20/800 =0.250 B/A = 800/2500 =0.32 B/A = 1200/3000 =0.4 B/A = 810/2100 =0.39 Resultaten visar att svällningen avviker från det teoretiska logsambandet som säger att B/A skall vara vid inget läckage.

23 Tryckprovning i fält, Norrvatten, Norrtäljeledningen, maj 2013 vid Frötuna kyrka En DN560-ledning som ansluter en DN710-ledning En DN710-ledning, ca 1000 m Tryckprovningen skulle utföras av TKIG från Gävle

24 Provtryckningen av de två ledningsdelarna tog i stor sett en hel vecka i anspråk inklusive lördag och söndag, på grund av en massa strul. Svällningsmätningarna gjordes i två gropar som inte var igenlagda. Omkretsförändringen mättes dels med måttband, dels med fotografering av ett pålagt rutmönster: 1) före konditionering, 2) efter konditionering, 3) vid tryckprovning under 5 h, och 4) vid återhämtningen under 18 h. Temperaturen mättes med yt-termometer, och med laser.

25 710-ledningen Omkretsen mättes på 2 ställen Rutmönster skapades med vit tejp på 4 olika ställen.

26 560-ledningen Omkretsen kunde inte enkelt mätas pga vatten. Rutmönster skapades med vit tejp på 2 olika ställen (ställena skyddade för regn och kondens)

27 Resultat Töjningsmätningarna genom fotografering av rutnäten uppvisade alltför stor onoggrannhet, främst till följd av att fotograferingen skedde på fri hand och inte från en stativ med exakt samma kamerauppställning vid varje tillfälle. Töjningsmätningarna med måttband gick i stor sett bra, men det är svårt att få en noggrannhet bättre än +/- 1 mm. Före konditioneringen hade ledningen en omkrets av mm vilket motsvarar en ytterdiameter av ca 715 mm. En ytterdiameter av 710 mm ger en omkrets av 2229 mm. En bortkapad rörpipa uppvisade en diameter av 2240 mm, vilket motsvarar diametern 713 mm.

28 Resultat Position O före O efter konditionering (svällning) O 2 h tryck (svällning) O 4 h tryck (svällning) O återhämtad (permanent deformation) (1.0%) 2269 (1.1%) 2269 (1.1%) 2247, 0.1% (1.5%) 2277 (1.5%) 2277 (1.5%) 2255, 0.5%

29 Vinkelavvikelse i två muffar Man hade stora problem med att muffa rören till följd av att ytterdiametern var större än 710 mm.

30 Provtryckning av 1113 m PE-100 ledning DN710, SDR 13.6, PN 12.5 enligt VAV P78 vid trycket 1xPN 8.7% minskning av trycket vid konditioneringen (12 h) Det tog 12 h att öka trycket 1.1 bar, från 11.5 till 12.6 bar 19 maj 2013 B/A = 220/274= 0.802, Ej godkänd C/B = 63.7/220 = 0.30 C teor /B teor = Kontrollvattenmängd (D) =10.2 l/h Referensvolym (RF) = l Godkänd 53.8 % minskning av trycket vid konditioneringen (18 h)

31 21.1 % minskning av trycket vid konditioneringen Trycksänkningens storlek är således beroende av belastningshistorien!

32 Provtryckning av 489 m PE-100 DN560, SDR 13.6, PN 12.5 enligt VAV P78 vid trycket 1xPN Konditionering 17 h 9.2% minskning av trycket B/A = 6.35/66.12= B teor /A teor = Kontrollvattenmängd (D)= l/h Referensvolym (RN) = l Godkänd 53.8 % minskning av trycket vid konditioneringen (18 h)

33 Provtryckning av 569 m PE-80 ledning DN75, SDR 11, PN 10 enligt VAV P78 vid trycket 1xPN 14.0 % minskning av trycket vid konditioneringen (13 h) B/A = 0.36/0.42= B teor /A teor = Ej godkänd, RN = B A >D C/B = 0.31/0.36 = 0.86 C teor /B teor = Kontrollvattenmängd (D) = l/h Referensvolym Normal (RN) = l Referensvolym Förlängd (RF) = l Godkänd, RF<D

34 Andra tryckprovningsprocedurer för täthetskontroll Från mars 2011, utarbetad av Exova Ltd, dvs Dr Edward Ingham & Co Från feb 2000

35 Utdrag från IGN it is important for PE pipes to have short rise times since creep deformation accumulates during the pressure rise the contractor should ensure that a pump of capacity to raise pressure to STP in a time period of approx minutes is avaiable It is not advised to have any preliminary test for PE pipes (as recommended by BS EN 805) pre-pressuring PE pipes totally confuses subsequent data analysis

36 Norrtälje-projektet Norrvatten Ledningsdelarna har blivit godkända vid tryckprovningarna och man har anlitat kontrollanter under läggningens gång. Vad mer kan man göra för att säkerställa skarvarna kvalitet? Man lät entreprenören göra en E- skarvmuff vid sidan om som sedan skulle skickas till SP för kontroll och godkännande. Muffen gjordes under närmast ideala förhållanden.

37 Del 2 av projektet att inventera och undersöka möjliga alternativa metoder och metodiker för att säkerställa tätheten och kvaliteten i skarvar hos främst nylagda grova tryckvattenledningar av etenplast och som företrädesvis inte inbegriper en provning vid höga tryck såsom 1.3 ggr tryckklassen. Den 23/4 gavs möjlighet att testa röntgen som OFP-metod för elektrosvetsmuffar hos Inspecta i Bergshamra, Solna. Intresset var stort!

38 Röntgen Radiografi Alternativa metoder och metodiker för att säkerställa tätheten och kvaliteten hos skarvar i nya markförlagda tryckvattenledningar av etenplast Radiografi = metod att med genomträngande strålning, t.ex. röntgenstrålning, genomlysa och avfotografera ett föremål på film eller visa det på bildskärm. 710-muff från Norrtäljeledningen. Den ska skickas till SP för provning. Vi får tillbaka alla bitarna. Muffen röntgades runt om av Inspecta (digitalröntgen) och märktes upp så att man senare kan jämföra röntgenbilderna med uppskurna tvärsnitt i samma positioner.

39 Troligen första gången som någon röntgar en 710-muff Utrustningen är fältmässig/portabel och kan tas med ut i en rörgrav. Den består av ett röntgenrör, en bildplatta och en dator. Bildplattan som Inspecta har i Stockholm är största möjliga, och har dimensionen 432x342 mm. Röntgenrör Bildplatta

40 Fantastisk lovande resultat!! Mycket god skärpa och upplösning hos bilderna.

41 Röntgning av elektrosvetsmuffar synes ha förutsättningar att kunna bli lika framgångsrikt som dess användning inom läkarvården, tandvården och för statusundersökningar av processkomponenter inom industrin.

42 Rapport från SP, förstörande provning Muffen blev ej godkänd. Man kan befara att ledningen innefattar muffar som ej är godkända enligt fläktestningen, men har ändå blivit godkänd vid tryckprovningen.

43 Elektrosvetsmuff DN 160 som klarat provtryckningen enligt VAV P78 men som sprungit läck efter ca 2 års drift.

44 Elektrosvetsmuff DN 160 som klarat provtryckningen enligt VAV P78 men som sprungit läck efter ca 2 års drift. Luftspalt/spricka över hela muffens längd.

45 Ny PE-ledning DN 710 som läckte vid provtryckningen. Läckan var stor, varför den gick att finna relativt lätt. Blött på marken ovanför. Man har genom god planering lyckats nedbringa antalet elektrosvetsmuffar i ledningen. Muffningen utfördes utan problem.

46 Det skulle ha blivit betydligt billigare att ha kvalitetssäkrat muffarna genom röntgning innan rörgraven lades igen än att upptäcka felet vid provtryckningen. De andra muffarnas status ur kvalitetssynpunkt vet man inget om. Kan de komma att läcka efter 2, 3, 5 års drift? Borde också ha röntgats för att få kvitto på god kvalitet.

47 Muff som läckte vid tryckprovningen i ett projekt på Värmdö. Defekten skulle enkelt ha kunnat upptäckas med röntgen!

48 Alla typer av defekter i elektrosvetsmuffar som anges i referensatlasen kan detekteras med röntgen, utom förekomst av spröda/oxiderade skikt.

49 DN250 1) Rörände perfekt förbehandlad 2) Skitig rörände utan skrapning och spritning

50 Perfekt förbehandlade rörändar, men utsatta för vatten under svetsningen.

51 Perfekt förbehandlade rörändar, men utsatta för brytning under svetsningen.

52 Andra metoder att kontrollera täthet och kvalitet hos elektrosvetsmuffar. Ultraljudsteknik Mikrovågsteknik Gas, spårgas, såpbubblor, vacuum, enskilda skarvar kan isoleras från insidan med rörpluggar Vatten, inre tryck enskilda skarvar speciell apparatur Vacuum, enskilda skarvar isoleras från utsidan speciell apparatur

53 Andra metoder att kontrollera täthet och kvalitet hos elektrosvetsmuffar. Ultraljudsteknik TWI har nyligen avslutat (april 2013) ett stort treårigt europeiskt projekt (EU:s 7:e ramprogram) som har syftat till att utveckla tekniker och apparatur för att kunna kvalitetskontrollera stum- och elektrosvetsmuffskarvar hos PE-ledningar med hjälp av ultraljud. Projektet har haft 15 deltagare från 7 länder och en budget på ca 30 MSEK. Man har testat skarvar i dimensionerna mm, 62 st stumskarvar och 102 st elektrosvetsmuffar. Det är osäkert hur resultaten från projektet kan komma att nyttiggöras och exploateras i framtiden, då de tillhör deltagarna i projektkonsortiet. För närvarande finns inga tjänster att köpa som gör det möjligt för vem som helst att testa och nyttiggöra den utvecklade tekniken. Hur det blir i framtiden är också osäkert enligt uppgifter från Fredrik Hägglund vid TWI.

54 Ultraljudsteknik From: Paper presented at NDT 2006, the 45th Annual British Conference on NDT, Stratford-upon- Avon, UK, September 2006 Muff som sprang läck efter 2 års drift. HAZ = 4 mm är OK HAZ = 1.5 mm, kallsvets

55 Mikrovågsteknik Low voltage microwave imaging Tekniken utvecklades i USA av företaget Evisive Inc, och är patenterad. Exova Ltd i UK har licensen i Europa. Intressant med denna metod är att den kan detektera kallsvetsar, något som är relevant både för stum- och elektromuffsvetsar och som ingen annan OFP-teknik klarar av. Bilderna visas med tillstånd från Ken Murphy, Exova Ltd,, Salford UK ASTM WK40655 bildad i januari 2013 New Practice for Microwave Examination of High Density Electrofusion Joints and Couplings Used in Piping Applications

56 Gas, spårgas, såpbubblor, enskilda skarvar kan isoleras med rörpluggar Bilderna visas med tillstånd från Matz Malmgren, Hamafo Teknik AB

57 Vatten, inre tryck enskilda skarvar speciell apparatur Bilderna visas med tillstånd från Jarle Hausberg, APS Norway AS, Norge

58 Alternativa metoder och metodiker för att säkerställa tätheten och kvaliteten hos skarvar i nya markförlagda tryckvattenledningar av etenplast Sammanfattande slutsatser/rekommendationer I framtiden bör skilja mellan provningar och tester som avser att kontrollera skarvarnas täthet och kvalitet och provningar som avser att kontrollera/verifiera ledningens mekaniska integritet under specificerade eller väntade driftförhållanden, dvs ett funktionsprov i form av något slags trycktest. Röntgen Ser fantastisk lovande ut!! Initiativ borde redan nu tas till ett större projekt på detta område. Här bör även mikrovågs- och ultraljudsteknikerna tas med för en närmare utvärdering av deras praktiska användbarhet i fält och tillförlitlighet vad gäller att tolka resultaten.

59 Tack så mycket!