ALTERNATIEVEN VOOR PIJPLEIDINGEN BIJ HET HYDRAULISCH TRANSPORT BIJ MATIGE DRUK VOOR KLEINSCHALIG BAGGERWERK
Een studie naar mogelijkheden voor pijpleidingen vervaardigd uit andere materialen dan s t aa Hierbij zijn diameters beschouwd welke kleiner of gelijk zijn aan 500 millimeter. De beschouwde drukken zijn kleiner of gelijk aan 0.8 MPa (80 MWK). ï
•
A.J. Andringa
mei 1987 deelopdracht, uitgevoerd bij: Vakgroep Transporttechniek, Afdeling der Werktuigbouwkunde, Technische Universiteit Delft.
Begeleiders: ir. A.D. Bakker prof. ir. J. de Koning
INHOUDSOPGAVE
*
Inhoudsopgave ...•............................•..••.•.•••••••.•
2
*
Opdracht
4
*
Inhoudeli jke samenvatting •••••••••••••••••••••••••••••••••••••
6
*
Hoofdstuk
*
Hoofdstuk 2 : Technische aspecten
1
2.1
8
Inleiding
Inleiding
10
2.2 Treksterkte van de leiding .••••.•••••••••••••••••• 11 2.3 Leidingweerstanden 2.3.1 Leidingweerstand 2.3.2 Leidingweerstand
bij schoon water ....••••.• 12 bij zandwatermengsels ••••• 14
2.4 Wandslij tage ........•.....•..••.•.•...•..••...••.•
15
2.5 Korte beschrijving enige voorgaande onderzoeken 2.5.1 Onderzoek van Volker-Stevin ...•.•...•.••••. 16 2.5.2 Onderzoek van het Franzius-Institut •••••••• 19
*
Hoofdstuk 3 : Selectie van in aanmerking komende materialen 3.1
Inleiding
3.2
Polyamide
21 ,
22
3.3 Polyvinylchloride •••••••.•.•.•••••••••••••••••••••
23
3.4
24
Polyethyleen
3 .5 Rubber ....•.•..•....•............••••.••.......•..
26
3.6 Vergelijking van de materiaaleigenschappen 3.7 Vergelijking van de materialen a.d.h. van een "ontwerp Le i d ing"
2
••.••..• 27
•••••••••••••••••••• 28
*
Hoofdstuk 4 : Koppelingen, 4.1
appendage's en transport
Inleiding
32·
4.2 Algemene aspecten m.b.t. transport en montage •.••• 33 4.3 Korte behandeling per materiaal •....•.•....•.•.••• 37
*
Hoofdstuk 5
*
Hoofdstuk 6 : Conclusies en aanbevelingen
Financiêel economische afwegingen ••••••••••.•••• 38
6.1
Conclusies
-oe
••••••••••••••••
6.2 Aanbevelingen •....•.•..••...•..•••••.••••........•
40
42
*
Geraadpleegde
literatuur ••.•••••••.••••.••••••.•••••••••••••••
43
*
Gebruikte symbolen .........•........•.•....•..•..•..•......••.
45
*
Bij lage I
Brief aan producenten ...•..••••••.••••••••••••••••
3
47
lA~~if.
TU Delft
Faculteit der Werktuigbouwkunde
VAKGROEP TRANSPORTTECHNOLOGIE Sectie GRONDVERZET
Technische Universiteit Delft
Deelopdracht voor de Heer A.J.ANDRINGA, no. 87.3.GV.2181 (student Vakgroep Waterbouwkunde/Kustwaterbouwkunde,
_________________________ Pr~~~~~~~~~_~~~~_~Î~~~l~ Delft,
Titel:
Alternatieven
voor pijpleidingen
bij het hydraulisch
_ 2 februari
transport
_______ ~~i_~~~~~~_~~_~~~~_~!~~~~~~!~~_~~~~~~~~~~
_
OVERWEGING De laatste decennia heeft een omwenteling plaatsgevonden in het ter beschikking komen van nieuwe materialen voor pijpleidingen, o.a. thermoplasten. In de baggertechniek echter worden op het stort nog steeds stalen pijpen gebruikt. Diverse proeven zijn genomen voor het bekleden van die leidingen. Behalve aan boord van schepen heeft deze trend zich niet doorgezet omdat de extra aanschafkosten niet worden goedgemaakt door een lagere slijtage. Bij deze vergelijkingen werd veelal alleen de slijtage in aanmerking genomen en werden de exploitatiekosten op het stort niet in ogenschouw genomen. Het is echter niet bekend of het toepassen van kunststof leidingen op kleine werken niet kostenbesparend zou kunnen zijn in verband met de hanteerbaarheid van lichtere kunststof. Ook valt te denken aan oprolbare leidingen. Van U wordt in deze opdracht gevraagd een inventarisatie te maken fabrikaten die in de handel zijn en een financieel-economische beschouwing te maken omtrent de haalbaarheid.
van de
A. Uitgangspunten Al. Praktijkgegevens A2. Algemene A3. Brochures
van Volker
Stevip.
literatuur. van fabrikanten.
A4. Leidingdiameters
tot 50 cm.
B. Opdrachten BI. Literatuurstudie. B2. Selectie van in aanmerking appendages. B3.
Studie van de montage en appendage s .
B4. Financieel-economische
komende
en demontage afweging.
materialen,
leidingen
en het transport
van
en
leidingen
1987
-
2 -
C. Begeleiding Deze opdracht zal worden begeleid door Ir. A.D. Bakker. Vanuit de industrie zal Ir. A.J.de Jong voor ondersteuning
D. Rapport
zorgdragen.
en planning
Het rapport van deze opdracht zal een omvang van 50 bladzijden niet te boven gaan. Het vangt aan met deze opdracht en wordt samengevat in een inhoudelijke samenvatting van ten hoogste 3 bladzijden.
E. Arc hi ver ing Ten behoeve van de bibliotheek Transporttechnologie wordt het manuscript los in een envelop ingeleverd. Daarnaast worden 3 gebonden exemplaren voor de bibliotheek gemaakt. Tenslotte worden gebonden exemplaren geleverd voor de begeleiders en de hoogleraren.
De hoogleraar,
Prof.ir.
_-"
J. de Koning
-
Copieën aan : - Prof.dr.ir. E.W.Bijker, Faculteit der Civiele Ir. A.D. Bakker, Vakgroep Transporttechnologie - Ir. A.J.de Jong, Volker-Stevin - Archief Vakgroep Transporttechnologie
Techniek
5
INHOUDELIJKE SAMENVATTING
In deze s tudi eis gezocht naar mogelij ke alternat ieven voor stalen leidingen bij baggerwerk. Het idee voor deze studie is afkomstig van ir A.J. de Jong en ir. A.P. Wanders van de studiedienst van VolkerStev in Dredging. De laatste decennia zijn vele nieuwe materialen ontwikkeld. Enkele van deze nieuwe materialen kunnen worden toegepast als leidingmateriaal. Materialen waarvan reeds leidingen kunnen worden geproduceerd zijn onder meer de zogenoemde thermoplastische materialen Polyamide, Polyvinylchloride, POlyethyleen, Polyurethaan en glasvezelversterkte Polyesther, alsmede het materiaal rubber. Enkele voordelen van leidingen vervaardigd van deze materialen zijn een geringer gewicht, een grotere slijtvastheid en een grotere flexibiliteit in vergelijking met een stalen leiding. Daarentegen is de sterkte van de meeste kunststof materialen aanmerkelijk lager dan die van staal, terwijl de aanschafprijs van een kunststof leiding vaak hoger is dan die van een stalen leiding. Door de grotere sterkte van stalen leidingen, zijn deze leidingen veel beter bestand tegen beschadigingen van de leiding door stenen, schelpen of stukken staal welke door de leiding worden geperst. Door de geringe sterkte van kunststof leidingmaterialen ten opzichte van staal, zijn grotere wanddikte's vereist (tot 10 % van de diameter). Om dergelijke grote en dure wanddikte's te voorkomen is in het verleden reeds gebruik gemaakt van een combinatie van de slijtvastheid van kunststof en de sterkte van staal, door een leiding aan de binnenkant te bekleden met met een kunststof slijtlaag. Hierdoor wordt geen gebruik gemaakt van de grotere flexibiliteit en het geringere gewicht van de kunststoffen. In deze studie wordt gezocht naar leidingen welke geheel z i j n vervaardigd uit andere materialen dan staal. Teneinde problemen met al te grote wanddikte's te voorkomen, worden in deze studie alleen leidingen beschouwd met diameters kleiner dan 500 mm welke belast worden met drukken kleiner dan 80 MWK ofwel 0.8 MPa. In eerste instantie worden enkele technische aspecten toegelicht van het hydraulisch zandtransport in leidingen. hierbij worden enige resultaten van praktijk- en laboratoriummetingen uit voorgaande onderzoeken behandeld. De resultaten van de verschillende onderzoeken met betrekking tot slijtage en drukverliezen wijken onderling nogal sterk af. Vervolgens worden de mogelijkheden voor de materialen Polyamide (PA), Polyvinylchloride (PVC), Polyethyleen (HOPE), en rubber behadeld per materiaal, waarbij de mogelijkheden voor koppelingen, appendage's en transport van leidingen eveneens worden belicht. De gegevens hiervoor zijn deels afkomstig uit vakliteratuur, deels uit onderzoeksresultaten van Volker-Stevin en deels van fabrikanten. Uit een berekening van leidingen welke even sterk zijn ten aanzien van binnendruk, blijkt dat het gewicht van alle leidingen lager is dan dat van een stalen leiding. Polyamide komt het gunstigst uit de vergelijking, gevolgd door Polyetyleen. Rubber is in de vergelijking niet beschouwd, daar de eigenschappen van een rubber leiding in hoge mate afhangen van de toegepaste versterkingslagen. Een opmerking welke gemaakt dient te 6
worden is dat de willekeurige keuze van de slijtlaagdikte's van de vergeleken leidingen van sterke invloed is op het gewicht en de flexibiliteit van de leidingen. De mogelijkheden voor koppelingen, appendage's en transport van leidingen zijn divers in vergelijking met stalen leidingen met vaste leidinglengte en verbindingen door middel van flensaansluitingen. Door de aard van het produktieproces kunnen kunststof leidingen in principe in onbeperkte lengte's worden geleverd. De maximale leidinglengte uit één stuk wordt bepaald door de transportmogelijkheden. Door het lage gewicht en de hoge flexibiliteit van kunststof leidingen is het transport en de aanleg van leidingen in een bocht eenvoudiger en goedkoper te verwezenlijken dan het geval zou zijn voor een stalen leiding. Zoals reeds vermeld zij de koppelingsmogelijkheden voor kunststof leidingen di vers, hoewel de mogelij kheden voor trek vaste koppelingen bij grotere leidingdiameters dan 200 millimeter aanmerkelijk kleiner zijn. Tevens kunnen met behulp van enkele methode's koppelingen op elke willekeurige plaats in de leiding worden gelegd. Hierdoor kunnen beschadigde leidingdelen worden vervangen. Een zeer belangrijk aspect is uiteraard het financiêle aspect. In het algemeen is de aanschafprijs van een stalen leiding lager dan die van een kunststof of rubber leiding. Daar tegenover staat dat door een betere bestandheid tegen slijtage de levensduur van een kunststof of rubber leiding langer is. Door onvoldoende bekendheid van het slijtagevoordeel, en de grotere zekerheid van een stalen leiding ten aanzien van getransporteerde stenen, schelpen of stukken staal, vindt slechts op kleine schaal vervanging plaats van stalen leidingen door kunststof of rubber leidingen. Geconcludeerd moet worden dat er nog geen materiaal staal zonder meer kan vervangen als leidingmateriaal.
bekend is dat
Wellicht kunnen kunststoffen of rubber gunstiger uit een kostenvergelijking naar voren komen, indien naast aanschafkosten, slijtage en drukverliezen ook de kostenbesparingen bij transport, montage en dergelijke worden beschouwd.Bovendien zal voorzichtiger moeten worden omgesprongen met kunststof of rubber leidingen, doordat de leiding gevoeliger is voor beschadigingen. Door een langere levensduur zal derhalve extra voorzichtig moeten worden omgesprongen met deze leidingen. Door een betere controle van het materiaal dat in de leiding wordt geperst, moet de kans op beschadigingen door stenen, sche.Lpen of staal kunnen worden gereduceerd.
7
HOOFDSTUK 1
INLEIDING
De laatste decennia Zijn dankzij de chemische industrie veel nieuwe materialen ontwikkeld, waarvan in het kader van deze studie met name de thermoplast ische ma ter ialen polyam ide, polyv iny lchlor ide en polyethyleen, alsmede het materiaal rubber van belang zijn. Deze nieuwe materialen hebben inmiddels een breed toepassingsgebied gevonden in de techniek en de industrie, enerzijds als alternatief voor bestaande materialen, anderzijds hebben zij het ontstaan van veel nieuwe produkten mogelijk gemaakt. Ook in de baggerindustrie wordt- gebruik gemaakt van rubber en van thermoplastische materialen, onder meer in de vorm van drijvers voor leidingen, bekleding van leidingen, perszakken enzovoorts. Het toepassen van leidingen die geheel zijn vervaardigd uit andere materialen dan staal geschiedt evenwel slechts in geringe mate. Enkele voordelen van het gebruik van kunststof leidingen ten opzichte van stalen leidingen zijn onder meer een over het algemeen grotere slijtvastheid ten aanzien van hydraulisch zandtransport, een grotere flexibili teit van de leiding en een lager soortelij k gewicht van het materiaal. Daarentegen is de sterkte van de meeste kunststof materialen aanmerkelijk lager dan die van staal, terwijl de aanschafprijs van een kunststof leiding vaak hoger is dan die van een stalen leiding. Voorts is een belangrij k nadeel van het gebruik van kunststof of rubber leidingen dat grote stenen, schelpen of scherpe stukken staal (zgn. "oude f'Let sen") die door de leiding worden geperst de leiding in veel ernstiger mate beschadigen dan het geval zou zijn bij een stalen leiding. Vanwege deze hogere aanschafkosten en lagere materiaalsterkte, samen met het feit dat veel ervaring is opgedaan met het gebruik van stalen leidingen, die bovendien vaak in ruime mate voorhanden zijn van de baggerbedrijven, wordt nog niet op grote schaal gebruik gemaakt van alternatieven voor stalen leidingen. Door het aan de binnenkant bekleden van stalen leidingen met een laag kunststof is in het verleden reeds gebruik gemaakt van de slijtvastheid van kunststof gecombineerd met de sterkte van staal. Dit principe is in de praktijk getoetst door Volker...stevin.Het idee voor deze studie is afkomstig van Volker-Stevin. In deze studie zal worden onderzocht welke voor- en nadelen zijn verbonden aan de toepassing van een aantal geheel ui talternatieve materialen vervaardigde leidingen. Een restrictie hierbij is dat slechts leidingen met een diameter tot 50 centimeter worden beschouwd, welke belast worden met lage tot middelmatige drukken (tot ca. 80 MWK). Deze restrictie betekent dat persleidingen buiten het beschouwingsgebied blijven, en dat deze studie zich met name richt op kleine stortleidingen. Bij het werken met leidingen is een snelle wijze van montage en transport van leidingdelen van belang, zodat ook aan dit aspect de nodige aandacht zal worden besteed. De opbouw van dit rapport ziet er als volgt uit: In eerste instantie zal een beschrijving volgen van enkele technische aspecten van hydraulisch transport in kunststof leidingen. Hierbij zullen tevens resultaten uit enige onderzoeken en praktijkmetingen worden beschreven (hoofdstuk 2). Vervolgens wordt een selectie gemaakt van in aanmerking komende materialen, waarbij tevens de specifieke eigenschappen van de betreffende materialen worden genoemd (hoofstuk 8
3). Per materiaal worden daarna de mogelijkheden van koppelingen, appendage's en vervoer van leidingen besproken (hoofdstuk 4). De ui teindelij ke beslissing over het al dan niet aanschaffen van kunststof leidingen is uiteraard geheel afhankelijk van het kostenaspect. Hiertoe wordt een financiêel-economische afweging gedaan (hoofdstuk 5). Ter afsluiting van dit onderzoek volgen enkele conclusies en worden aanbevelingen gedaan (hoofdstuk 6). Vervolgens volgt een overzicht van de geraadpleegde literatuur, alsmede een lijst met gebruikte symbolen. Bijlage I toont een kopie van een brief die aan producenten van kunststof en rubber leidingen is gestuurd met het verzoek tot het verstrekken van informatie.
9
HOOFDSTUK 2
2.1
TECHNISCHE ASPECTEN
Inleiding
Voordat wordt ingegaan op de specifieke aspecten van kunststof leidingen, worden in paragraaf 2.2 t/m 2.4 enkele algemene verschijnselen met betrekking tot hydraulisch transport in leidingen behandeld, voor zover deze van belang zijn voor dit onderzoek. In paragraaf 2.2 wordt een formule afgeleid voor de vereiste wanddikte van een leiding als funktie van de materiaalsterkte, diameter van de leiding en de druk in de leiding. In paragraaf 2.3 wordt ingegaan op de leidingweerstanden, in eerste instantie voor het transport van water door de leiding (2.3.1) en vervolgens voor het transport van zandwatermengsels (2.3.2). Paragraaf 2.4 gaat in op de slijtage van leidingen. Paragraaf 2.5 beschrijft resultaten uit enige voorgaande onderzoeken naar het gebruik van kunststof leidingen.
10
2.2
Treksterkte van de leiding
Voor een leiding met druk aan de binenzijde, geldt het volgende verband tussen materiaalsterkte, druk aan de binnenzijde en wanddikte: waarin:
at
treksterkte van het materiaal [N/mm2]
p
druk aan de binnenzijde [MPa]
D
inwendige diameter van de leiding [mm]
s
wanddikte van de leiding [mm]
Ter verduidelijking is het één en ander weergegeven in figuur 2.1.
figuur 2.1 Leiding onder inwendige druk.
Voor evenwicht moet gelden dat gegeven formule is af te leiden.
2
*
s
*
at
" ".:Ft-
11
D
*
P , waaruit
de
2.3
2.3.1
Leidingweerstanden
Leidingweerstand
bij schoon water
Voor het drukverlies in een leiding waardoor schoon water wordt geperst geldt, aangenomen dat de leiding geheel gevuld is, de formule van Darcy-Weiszbach: À
*
1/2
*
*
Pw
v2
*
waarin:
LID
iw
drukverlies
À
weerstandsfactor [ ] ; op de bepaling van het volgende nader ingegaan.
Pw
dichtheid van water [kg/m3]
v
stroomsnelheid
L
=
D
bij waterdraaien
lengte waarover
[Pa] À
wordt in
in de leiding [mis] het druk ver lies wordt bepaald
[m]
= inwendige diameter van de leiding [m]
Voor dit onderzoek is de weerstandsfactor À van essentieel belang, daar deze factor de weerstand van het leidingmateriaal inbrengt in de bovenstaande formule. De waarde van À wordt bepaald met behulp van een zogenaamd Moody-diagram (zie figuur 2.2). Dit diagram geeft de waarde van À als funktie van het getal van Reynolds en de verhouding Dik, welke in het volgende nader wordt verklaard. Het getal van Reynolds is een dimensieloos stromingskental van turbulentie van een stroming geeft volgens: Re = v
*
dat de mate
D
\)
waarin
Re v \)
D
getal van Reynolds [ ] stroomsnelheid van het water [mis] kinematische viscositeit van water [m2/s] inwendige diameter van de leiding [m]
In de faktor "Dz'k" betekent ··D··wederom de inwendige leidingdiameter. De ··k·· -waarde staat voor de wandruwheid van de leiding Cm]. Figuur 2.2 toont een eenvoudig Moody-diagram. Voor het meest gangbare deel van het Moody-diagram is de waarde van À berekend volgens de formule van Colebrook-White: l/IÀ
=
waarin:
-2
*
log{(2,51/(Re
*
IÀ»
À = weerstandsfaktor k = wand ruwheid [m] Re en D :zie boven
+
(k/(3.51
[ ]
12
*
D»}
Een praktijkwaarde voor À bij zandtransport door stalen leidingen is À 0.010 à 0.012. Doordat het zand een in bedrijf zijnde stalen leiding "glad" schuurt, zal À in de praktijk voor een stalen leiding niet groter worden dan 0.012. Bij een stalen leiding welke gedurende langere tijd niet is gebruikt, kan zich een corrosielaag afzetten op de wand, waardoor À in een dergelijk geval wel groter kan worden dan 0.012 • =
e. ..,
r-,
••• rB
i'-.
<,
-.
r-,
~
."" 0.011
.....
<, hydraullsch
~
Slad ek-O)
<,
t---.
r-..._ r-,
<,
1---
,....__ I--,....__ --
'r-... r--....._ ~
<,
r.-r-
D.ooI
D.'"
figuur 2.2
DIk.
10.000
DIk·
20.000
DIk·
50.000
f--._
Eenvoudig Moody-diagram
13
2.3.2
Leidingweerstanden bij zandwatermengsels
Afhankelijk van de deeltjesgrootte van de getransporteerde zandkorrels wordt de in paragraaf 2.3.1 berekende weerstand voor schoon water vermenigvuldigd met een bepaalde faktor. Voor zeer kleine kwartsdeeltjes (d ~ 40 ~m) homogene vloeistof te beschouwen. Bij een niet van de kwartsdeeltjes gedraagt het mengsel vloeistof [lit 1]. Voor een Newtonse vloeistof
is het mengsel als een al te hoge concentratie zich als een Newtonse geldt:
waarin: im
drukverlies van het mengsel [Pa]
iw
drukverlies bij waterdraaien [Pa] (zie par. 2.3.1)
Pm
dichtheid van de vloeistof [kg/m3]
Pw
dichtheid van water [kg/m3]
Als de getransporteerde kwartsdeeltjes groter zijn dan ca 150 ~m. ontstaat een heterogeen mengsel. Voor een heterogeen mengsel zonder een noemenswaardige hoeveelheid fijn materiaal geldt de formule van Durand-Condolios: waarin: im en iw : zie boven Cv
concentratie van de kwartsdeeltjes in het mengsel
~
180
*
~3/2
~
g
*
D
* W Igq-
v~
(volgens Durand)
[m/s2]
g
gravitatieversnelling
D
inwendige diameter leiding Cm]
v
snelheid van het mengsel
W
valsnelheid deeltje in water [mis]
d
uitwendige diameter kwartsdeeltje Cm]
[mis]
Voor het bepalen van het drukverlies voor het transport van een heterogeen mengsel waarin zich wél fijn materiaal bevindt, wordt verwezen naar de literatuur. Voor het transport van deeltjes met een grootte van 40 u m < d < 150 u m is de bepaling van À zeer ingewikkeld. Voor deze korrelgrootte's bieden praktijkmetingen de beste oplossing.-
14
2.4
Wandslijtage
De slijtage van een leiding is een erg belangrijk criterium in de afweging tussen stalen en kunststof of rubber leidingen. Slijtage treedt op doordat de zandkorrels in aanraking komen met de wand, hetzij door schui ven en rollen van de korrels langs de wand, hetzij door botsingen onder een hoek als gevolg van de turbulentie. Aangezien zandkorrels (kwarts) een hogere hardheid bezitten dan het materiaal van de leiding (staal of kunststof), zal bij de aanraking van een korrel met de wand een kleine beschadiging van de wand optreden. De mate waar in deze slij tage zich voordoet is sterk afhankelijk van de k_orrelgrootte van de kwartsdeeltjes. Bij kleine korrelgrootte's (d < 150 ~m) treedt nagenoeg geen wandslijtage op. Bij toenemende korrelgrootte neemt de slijtage sterk toe. Ook de vorm van de korrels is van belang, aangezien scherpe en hoekige korrels een aanzienlijk gotere slijtage veroorzaken dan gladde en ronde korrels. Voorts is de snelheid en daarmee samenhangend de druk van het getransporteerde mengsel van invloed op de slijtage. Bij een toenemende snelheid ontstaat een toenemende turbulentie, waardoor de zandkorrels vaker en met hogere snelheid met de wand in aanraking komen. Aangezien de meeste en met name de grootste zandkorrels zich in het onderste deel van de leiding bevinden, zal de grootste slijtage zich juist in het onderste deel van de leiding voordoen. Teneinde een gelijkmatige slijtage over de leiding te krijgen, wordt de leiding tijdens de uitvoering zo nu en ~an gedraaid, waardoor het-deel dat eerst boven Lag, nu onder komt te liggen.Bij het zoeken naar alternatieve leidingmaterialen is het oneconomisch een materiaal te gebruiken dat harder is dan kwarts. Een dergelijk materiaal zou niet beschadigd worden door de zandkorrels, maar er zijn geen m~terialen bekend die naast een voldoende hoge hardheid een voldoend lage prijs bezitten. Een mogelijke oplossing kan wel zijn het verwerken van zandkorrels in de leidingwand, waardoor de wand een even grote hardheid krijgt als de getransporteerde korrels. Het feit dat de meeste kunststof leidingmaterialen een lagere slijtage vertonen dan staal wordt dan ook niet veroorzaakt door een grotere hardheid van het materiaal,c maar doo~ de grotere flexibiliteit, waardoor het materiaal lets meegeeft bij een botsing-met de korrels. De meting van wandslijtage in de praktijk geschiedt door het meten van de afname van de wanddikte van de leiding tussen twee tijdstippen.
15
2.5
Korte beschrijving van enige voorgaande onderzoeken
2.5.1
Onderzoek van Volker-Stevin [lit 2 en 3J
In 1979 is door ir. A. Wanders van de Studiedienst van Volker-Stevin een onderzoek verricht naar het gebruik van een polyamide leiding. Het betrof een zogenaamde Infinit leiding, vervaardigd van het materiaal Julon (polyamide) door de firma Jung-Werke. Het onderzoek heeft zich toegespitst op twee zaken, te weten een slij tagemeting en een meting van het drukverlies (leidingweerstand). Bij deze metingen stond een vergelijking met een stalen leiding centraal. Voor de slijtagemeting waren enkele leidingdelen voldoende geweest. Om een betrouwbare waarde te krijgen voor ~H/1000, ofwel het drukverlies in meters waterkolom over 1000 meter leiding, is gebruik gemaakt van een sectie van circa 280 meter. Deze leiding is opgenomen in de persleiding achter de -Sliedrecht 26- bij werkzaamheden aan de Stichtse brug. De inwendige diameter van de polyamide leiding bedroeg 846 mmo In verband met de relatief lage treksterkte van Polyamide ( 30 N/mm2 ), zou de vereiste wanddikte bij een geheel uit polyamide vervaardigde leiding te groot worden. Er is gekozen voor een stalen buitenmantel om de polyamide leiding heen ter verkrijging van de vereiste sterkte. Aangezien een uitzetting van polyamide verwacht werd door wateropname, is tussen de stalen mantel en de polyamide kern een elastisch vulmiddel opgenomen om uitzetting in radiale richting mogelijk te maken. Om een uitzetting in axiale richting mogelijk te maken, is bij de aansluiting van de flenzen circa 10 mm ruimte gelaten (zie figuur 2.3) 31
I.D
figuur 2.3
Opbouw van de leiding 16
In de studie van Volker -Stevin is eveneens een korte samenvatting opgenomen van resultaten uit andere onderzoeken naar het gebruik van polyamide leidingen [lit 4, 5 en 9J. Deze onderzoeken worden behandeld in de paragrafen 2.5.2 en verder. In het volgende wordt eerst ingegaan vervolgens op de weerstandsmetingen.
Slijtagemeting
op de slijtagemetingen
en
[lit 2J
De slij ta ge werd gemeten in een meetsectie met twee stalen en twee pOlyamide leidingsegmenten. De wanddikte is gemeten in drie doorsnede's van elke leiding, te weten 70 mm in stromingsrichting vanaf de flens (A), 200 mm vanaf de flens (B) en in het midden van de leiding (C). Elke doorsnede bestond ui t zes meetpunten. (zie figuur 2.4) I ,.. 1
I I
A
2.4
1n l1li11.
~
s
figuur
aten
(.
.B
midden leidinc
Overzicht van de meetplaatsen
De eerste meting vond plaats op 5-7-1979; de tweede meting op 29-51980. In de tussengelegen tijd was 3.950.000 m3 zand door de leiding getransporteerd. Om de invloed van de radiale ui tzetting te kunnen meten, is een klein deel van de polyamide leiding onder water bewaard. Gelijktijdig met de slijtagemetingen werd de wanddikte van dit leidingdeel gemeten. Het resultaat van de slijtagemetingen gemiddeld over alle meetpunten bedraagt voor staal 0.270 mm en voor polyamide 0.172 mm. Hieruit vOlgt een slijtage verhouding van (slijtage staal)/(slijtage
polyamide)
1.57
17
Door de fabrikant was een slijtageverhouding opgegeven van minimaal 2.0 De nauwkerigheid van de meetapparatuur bedraagt + 0.05 mm. Hierdoor kan de slijtageverhouding var-Iër-entussen 0.99 en-2.62. Voor het onderste deèl van de leiding wordt een slijtageverhouding gevonden van 1.10, welke door de meetnauwkeurigheid kan variêren tussen 0.79 en 1.52. Geconcludeerd wordt dat de slijtvastheid van polyamide tegenvalt. De voorspelde uitzetting door wateropname is bij metingen niet gebleken. Hierdoor heeft een grote afslijting van de po Ly am Lde leidingeinden plaatsgevonden ter plaatse van de flensaansluitingen. Opgemerkt wordt dat de gunstige effecten van polyamide leidingen -met betrekking tot gewicht en flexibiliteit teniet worden gedaan door de stalen bui tenmantel. Door de geringe dikte van de stalen bui tenmantel zijn de flensaansluitingen vrij zwak, waardoor het transport van twee aan elkaar gekoppelde leidingdelen niet mogelijk was. Verder is een kostenbeschouwing opgenomen. De polyamide leidingen waren aangeschaft onder bepaalde garantie"s met betrekking tot de slijtage. Hierop wordt hier niet nader ingegaan.
Meting van het drukverlies [lit 3J
In deze studie is het drukverval gemeten over een stalen en een polyamide leiding. Hiertoe is de mengselsnelheid gevariêerd van circa 2 tlm 6.5 mis. De meting werd uitgevoerd voor waterdraaien en voor var Iër-ende mengselconcentraties. De resultaten worden gepresenteerd in een Moody-diagram (zie par. 2.3). Hierbij is tevens weer een vergelijking gemaakt met andere onderzoeken. Op deze onderzoeken wordt in de volgende paragrafen nader ingegaan. Met betrekking tot de meetnauwkeurigheid zijn de nod Lge problemen ondervonden, onder meer doordat de concentratie moeilijk te beheersen was. Ui t de Moody-diagrammen wordt voor staal een ··D/k·· verhouding gevönden van circa 40.000, en voor polyamide een verhouding van 50.000, uitgaande van de formule van Colebrook-White voor het verband tussen 1 en het getal van Reynolds. Uit deze -D/k- waarden volgt voor staal een wandruwheid van k = 0.02-1 mm en voor polyamide een waarde van k = 0.017 mmo Deze k-waarden zijn gebaseerd op de leidingweerstand inclusief de flensovergangen.
18
2.5.2
Onderzoek van het Franzius-Institut [lit 4]
In dit onderzoek is aandacht besteed aan het slijtagegedrag en het drukverlies van pijpleidingen van diverse materialen. De resultaten worden gebaseerd op laboratoriummetingen en praktijkmetingen. De laboratoriummetingen betreffen leidingen met diameters D = 0.10 en D = 0.50 meter van de materialen polyvinylchloride (PVC), basalt, polyamide (PA) en rubber. De veldmetingen betreffen leidingen met een diameter D = 0.45 meter van de materialen staal (Fe360), gehard staal (Fe510) en polyamide. Deze polyamide leiding was net als die van Volker-Stevin afkomstig van de firma Jung Werke, maar nu zonder een stalen buitenmantel. Uit de laboratoriumresultaten blijkt een lage waarde van de wandruwheid van de materialen PVC, basalt, polyamide en rubber ten opzichte van staal (Fe360), zie tabel 2.1. tabel 2.1 Wandruwheden gevonden bij laboratoriummetingen
materiaal k [m*10-5]
PVC
basalt
polyamide
4
5
3
staal(Fe360)
rubber
10
In tabel 2.1 valt de extreem lage waarde op van de wandruwheid van polyamide. Deze k-waarde geeft een -super-smoothness-, waardoor een grote afname van het energieverlies mogelijk zou zijn. De -supersmoothness- doet zich evenwel alleen voor bij nieuwe, onbeschadigde leidingen. Bij grotere hoeveelheden zandtransport door de leiding verdwijnt het verschijnsel. In de laboratoriumopstelling werden slechts kleine hoeveelheden zand getransporteerd, waardoor een juiste waarde van de k voor polyamide hier niet gegeven kan worden. Voorts val t de relat ief hoge k-waarde op voor staal van k = 0.10 mm, tegenover een uit veldmetingen blijkende waarde van k = 0.02 mmo Dit valt eveneens te verklaren door de relatief geringe hoeveelheid getransporteerd ma ter i aa I in de laboratorium met ingen. In de stalen leiding ontstaat namelijk een corrosielaag, welke in de praktijk bij grotere transporten wordt weggesleten, maar bij de met ingen in het laboratorium nog wel aanwezig was. Bij de veldmetingen is de k-waarde op twee tijdstippen bekend, te weten na 83.000 en na 322.000 m3 getransporteerd zand (zie tabel 2.2).
tabel 2.2 materiaal polyamide staal Fe510 staal Fe360
Wandruwheid gevonden bij veldmetingenj k na 83.000 m3
k in [m*10-5]
k na 322.000m3
10-5 1.3 2
0.6 5 2
19
De eerder beschreven ..super-smoothness·· blijkt lang te hebben bestaan. De onverwacht hoge k-waarde voor hard staal van k = 0.05 mm na 322.000 m3 getransporteerd zand wordt verklaard door de aanwezigheid van een spiraalvormige lasnaad in de hardstalen leiding, welke een extra turbulentie en dientengevolge een verhoogde weerstand als gevolg zou hebben. De slijtage van polyamide bleek, in tegenstelling tot de metingen van Volker-Stevin groter te zijn dan die van staal. Tabel 2.3 toont de slijtage van de drie materialen van de veldmetingen van het -Franzius Insti tut,"• tabel 2.3
Slijtage gemeten bij veldmetingen "Fr-anz Ius Inst.··, gegevens overgenomen uit [lit 2]
getransporteerde hoeveelheid zand [m3] 100.000 300.000 540.000
PA
1.03 1. 72
2.36
slijtage in [mm] Fe360 0.28 0.98 1.78
Fe510 0.19 0.67 1.20
Een belangrijke opmerking is dat tijdens de werkzaamheden enige polyamide leidingen zijn bezweken (zgn. "k Lapp i j pen"), Dit bezwijken geschiedde niet in de vorm van -spuiters-, maar met een explosief karakter, waardoor ernstige schade werd toegebracht aan de pompen.
20
HOOFDSTUK 3
SELECTIE VAN IN AANMERKING KOMENDE MATERIALEN
3.1 Inleiding
In dit hoofdstuk worden enkele alternatieve materialen gepresenteerd voor stalen leidingen. De hier behandelde materialen zijn polyamide (PA), polyvinynchloride (PVC), pOlyethyleen (PE) en rubber. Deze vier materialen vertegenwoordigen weliswaar niet alle mogelijke alternatieven voor staal, maar wel de meest gangbare. Andere mogelijke materialen welke in di t rapport niet nader worden behandeld zijn onder meer glasvezel versterkte polyesther en polyurethaan. Leidingen uit deze materialen zijn in principe mogelijk, hoewel deze tot op heden nauwelijks worden geproduceerd. De paragrafen 3.2 t/m 3.5 behandelen kort enige specifieke kenmerken per materiaal. In paragraaf 3.6 worden de materiaaleigenschappen vergeleken met die van staal. In paragraaf 3.7 wordt een berekening uitgevoerd voor ontwerpleidingen van 30 en 50 centimeter doorsnede, waaruit de afmetingen en gewichten blijken van de leidingen ten opzichte van elkaar bij gelijke sterkte. De gegevens omtrent de materialen zijn voor het grootste deel afkomstig uit brochures van fabrikanten [lit 6 t/m 8 en 11 t/m 17J, aangevuld met gegevens ui t gesprekken welke gevoerd zijn -met vertegenwoordigers van fabrikanten.
21
3.2
Polyamide
Polyamide (PA) is een materiaal dat vervaardigd wordt uit nylon. Producent van polyamide leidingen is de firma Jung-Werke te WehbachSieg in West-Duitsland. Rechtstreeks contact met deze firma heeft niet plaatsgevonden. De informatie is verkregen van ir. A. Wanders en ir. A. de Jong van Volker-Stevin [lit 2 en 3J. De leidingen worden geproduceerd middels een extrusieproces, waardoor de maximale leidinglengte in principe onbeperkt is. Enkele voor dit onderzoek belangrijke materiaaleigenschappen staan vermeld in tabel 3.1 in paragraaf 3.6. In hoofdstuk 2 is bij de bespreking van de verschillende onderzoeken reeds enkele malen het gedrag van polyamide leidingen naar voren gekomen. Volgens een brochure van de fabrikant zou polyamide 2 tot 8 maal zo ~lijtvast zijn als staal. Bij metingen van Volker-Stev in [li t 2] bleek deze factor ongeveer 1.6 te bedragen. Metingen van het "Fr-anzLus-dnat Itut," gaven zelfs een factor van 0.6 à 0.7 te zien. De drukverliezen van polyamide leidingen zijn volgens alle drie de onderzoeken welke behandeld zijn in hoofdstuk 2 iets lager dan die van staal, hoewel in de gevonden k-waarden voor de wandruwheid een grote spreiding optreedt. Deze spreiding wordt mede veroorzaakt door het feit dat een nieuwe BOlyamide leiding een zeer lage wandruwheid vertoont (k = 10-1 m), welke toeneemt met de hoeveelheid getransporteerd ma ter iaal, en op den duur dezel fde orde van groot te krijgt als de wandruwheid van staal (k = 0.02 mm). Polyamide is een vrij sterke kunststof in vergelijking met de andere nog te behandelen materialen. Bij gebruik van polyamide leidingen is voorzichtigheid geboden, aangezien de leiding kan barsten. Voorts kan wateropname leiden tot problemen met betrekking tot lengteveranderingen. De leidingen kunnen worden geleverd in diameters van 150 tlm 900 mmo Op diameter-wanddikteverhoudingen wordt ingegaan in paragraaf 3.7.
22
3.3
Polyvinylchloride
Polyvinylchloride (PVC) is een veel toegepast leidingmateriaal voor onder meer waterleidingen, riolering of regenwaterafvoer. De kleur is crèmekleur voor waterleidingen en donkergrijs voor bovengrondse leid ingen. Producenten zi jn onder meer ··WAVIN KLS·· te Hardenberg en -DRAKA POLVA- te Enkhuizen [lit 13 tlm 16 en 17J. Contact heeft plaatsgevonden met de heren Runhaar~ Menhee~e, Overeem en van Nes in een gesprek bij WAVIN te Hardenberg; tevens heeft telefonisch contact plaatsgevonden met de heer Rozema van DRAKA POLVA te Enkhuizen. PVC leidingen zijn onder meer toegepast als afvoerleidingen voor slurrietransport bij suikerfabrieken. Produktie van PVC vindt plaats middels een extrusieproces. De leidingen kunnen worden geleverd in diameters tot circa 630 mmo Uit gesprekken met fabrikanten bleek dat PVC minder geschikt is voor transport van zandwatermengsels dan het hierna te behandelen polyethyleen (PE). De slijtvastheid van PVC is lager dan die van PE; de sterkte is groter dan die van PE. Bovendien heeft PVC de eigenschap te kunnen barsten bij overbelasting. Een vergelijking van enkele materiaaleigenschappen van PVC ten opzichte van de andere materialen vindt plaats in paragraaf 3.6. Aan de verhouding tussen wanddikte en diameter wordt in paragraaf 3.7 aandacht besteed. Tot slot van deze paragraaf geeft figuur 3.1 een regressielijn voor de wandspanning als funktie van de belastingsduur en de temperatuur van het materiaal.
50
....... 40
r--.
.5
Kl"'
-
~ IIOICMIMAL[WA~
10'
10'
10'
PVC
figuur
3.1
Tangenti~le wandspanning van een PVC leiding als funktie van de belastingsduur en de temperatuur [lit 11J
23
3.4
POlyethyleen
Polyethyleen (PE) wordt in verschillende dichtheden op de markt gebracht, te weten LOPE (Low Oensity Polyethylene), MOPE (Medium Oensity Polyethylene) en HOPE (High Oensity Polyethylene). In dit onderzoek is alleen HOPE van belang, gezien de te lage treksterkte van MOPE en LOPE. HOPE wordt in Nederland ook wel HPE (Hard Polyethyleen) genoemd. Producenten zijn onder meer -WAVIN KLS- te Hardenberg en -DHAKA POLVA- te Enkhuizen. HOPE wordt eveneens geproduceerd door middel van een ex tr-us t epr-ooes. De leidingen zijn vooralsnog leverbaar in diameters tot circa 630 mmo De kleur van het leidingmateriaal is geel bij toepassing voor ondergrondse gasleidingen of zwart voor bovengrondse toepassingen. De zwarte kleur ontstaat door toevoeging van roet, hetgeen dient om het materiaal een grotere bestandheid tegen ultra-violette straling te geven. De leidingen voor baggerdoeleinden zijn derhalve zwart van kleur. De grondstoffen voor de produktie van HOPE-leidingen worden geleverd door de firma ""HOECHSr-",welke tevens een aantal brochures over HOPE-leidingen heeft verzorgd. Enkele opvallende kenmerken van het materiaal zijn het lage soortelijk gewicht, HOPE is lichter dan water, de lage elasticiteitsmodulus, waardoor het materiaal zich vrij eenvoudig laat vervormen en vooral de zeer geringe lange duur sterkte van het materiaal. Het materiaal gedraagt zich visco-elastisch, hetgeen betekent dat de sterkte en de vervomingen afhankelijk zijn van de temperatuur en de belastingsduur, zie figuur 3.2. 25
'0
i
15
1 <
~
!,
'0
1!
t
t
5
! IQ"'
IQ'
IO'
.0'
IQ'
HOPE - MOPE
"figuur
3.2
Tangentièle wandspanning van een HDPE leiding als funktie van de belastingsduur en de temperatuur [lit 11J
24
Een spannings-rek diagram voor korte duur belsting is gegeven figuur 3.3. Opvallend hierbij is de grote breukrek van ca 800%. 35 Nimrrr
1
3Q
L L
1
I
,
25
I
__l
20
/
i
,
I
15 10
in
i
L
I
I
I 5
,
o
1
I
rek
figuur
3.3
750
500
250
%
1000
E
Spannings-rekdiagramvoor HDPE bij belastingssnelheid 125 mm/min en temperatuur 23 C ; [11t 6]
In een brochure van ""HOECHST"",Technische Dokumentation fUr Rohre aus Hohstalen GM 5010 T2 [lit 5], wordt een proefcircuit beschreven waarin het Slijtagegedrag is getest van HDPE leidingen ten opzichte van stalen leidingen, afhankelijk van de buigstraal en de mengselconcentratie, zie figuur 3.4. In deze genoemde brochure worden eveneens figuren gegeven voor het drukverl ies. De brochure geeft een waarde voor de wandruwheid van k = 0.007 mmo Dit is een lage waarde, vergeleken met k = 0.02 mm voor staal. g.m/u""'" CD
j
JOd
/ IJ I
ZOd
......
'"'"
~SIlhIrriIrOll5IJ.PNlI/ ~""dV dditns=6_
15d
{I
s, +) Cl)
eo ..... :s
IOd
.0
U~
7% S.nd
./ /
I "'/,
~
-
~
,/'
L
/ 7-'.
AtIIIndIltlwrr#_ W.ntMicb s=6_
d=',_ -
1kIdI11.llmrdill1l ~ .. ., mil 7bzWl"1bI. % s.nd /IidI1P 107b1Wl1.15",n.~JWf,_.tll3D-35", St"",ungsgr!dt";,,digbit ca 7/11/s"
6d
o
ll1f1J
IMIJ
111l1li
"l1li
h
..
tijd tot het ontstaan v.e. gat figuur
3.4
Tijd verstreken tot het ontstaan van een gat in HDPE en stalen leidingen afhankelijk van de buigstraal en de concentratie vaste stof [lit 5]
25
3.5
Rubber
Rubber leidingen worden reeds op kleine schaal toegepast in de bagger industrie, vooral voor kleine leidingdiameters. Deze leidingen worden het meest toegepast in de offshore-industrie als transportleidingen voor olie en dergelijke. Rubber leidingen bestaan nooit geheel uit rubber, maar zijn opgebouwd uit lagen rubber met daartussen staal of kunststof vezelmaterialen ter vergroting van de sterkte. De kleur van rubber is zwart door de toevoeging van roet. Rubber wordt geproduceerd door middel van vulcanisatie. Door de afmetingen van de ovens is de leverbare leidinglengte beperkt tot circa 12 meter. Producent van rubber leidingen is onder -meer ··DUNLOP··.Contact heeft plaatsgevonden met dhr P. Geudekke van "DUNLOP OIL & MARINE div;: Rubber leidingen zij n afhankelij k van de gewenste toepassing op te bouwen uit verschillende rubberlagen met versterkingen. Het is hierdoor niet mogelijk de specifieke materiaaleigenschappen van rubber op te nemen in paragraaf 3.6, daar gewicht, sterkte, elasticiteit en dergelijke afhangen van de toegevoegde versterkingslagen. De oppervlaktelagen aan de binnen- en buitenzijde zijn van rubber, zodat over het slijtagegedrag wel enige opmerkingen kunnen worden gedaan. De slijtage van een rubberleiding blijkt over het algemeen ongeveer 2 à 3 maal zo laag te zijn als van een stalen leiding. Door het productieproces van vulcanisatie bestaat de mogelijkheid slijtvaste korrels in te "bakken" in de slijtlaag. In verband hiermee zal binnenkort waarschijnlijk een slijtageproef worden uitgevoerd op een stuk rubber met zandkorrles in de slijtlaag. Op het moment van het schrijven van dit rapport was een poging om een dergelijk proefstuk te vervaardigen mislukt. De aanwezigheid van zandkorrels in het rubber belemmerde een goede vulcanisatie. Bovendien bleek de aanhechting van de zandkorrels aan rubber onvoldoende te zijn.
26
3.6
Vergelijking van de materiaaleigenschappen
In deze paragraaf wordt een vergelij kende tabel gegeven met enkele materiaaleigenschappen van de verschillende materialen (tabel 3.1). Om een vergelijking met staal mogelijk te maken zijn in de laatste kolöm de eigenschappen van staal vermeld. In de kolom betreffende rubber kan niet de waarde worden opgenomen van het leidingmateriaal rubber, daar de eigenschappen van het materiaal afhankelijk zijn van de toegevoegde versterkingslagen. De waarden welke in de kolom zijn opgenomen betreffen het homogene materiaal rubber, en gelden dus niet voor een rubber leiding. Opvallend is dat de alternatieve materialen op de meeste punten gunstig afsteken ten opzichte van staal. Alleen de sterkte van staal is vele malen groter dan die van de alternatieve materialen. Een vergelijking op grond van -even sterke- leidingen vindt plaats in paragraaf 3.7. Overigens dient opgemerkt dat ook de kosten nog niet in aanmerking zijn genomen. Zie hiervoor hoofdstuk 5.
tabel
3.1
materiaal dichtheid PI in [kg/m3]
Materiaaleigenschappen
van de leidingmaterialen
PA
PVC
HOPE
1150
1400
955
elasticiteitsmodulus E in [N/mm2] 1400 korte duur
3000
800
rubber
staal
1200
7800
10
200.000 200.000
lange duur
1400
1500
200
toelaatbare wandspanning Ot in [N/mm2]
30
10
5
lineaire uitzetting scoe ff.:eï Cl in [K-1] * 10 .
90
60
200
200
12
wandruwheid k in [mm]
0.0001 à 0.01
0.03
0.007
0.04
0.02
160
27
3.7
Vergelijking van de materialen a.d.h. van een "ontwerp-leiding"
In deze paragraaf wordt voor vier zogenaamde "ontwerpleidingen" de vereiste wanddikte berekend. Op basis hiervan kan een vergelijking van gewicht en kosten worden gemaakt. De gekozen ontwerpleidingen hebben een diameter van 300 en 500 mm (inwendige diameter). De drukken waarop de leidingen berekend worden zijn respectievelijk 40 meter waterkolom en 80 meter waterkolom (resp. 0.4MPa en 0.8 MPa). Voor de praktijk zullen vooral de combinaties D = 500 mm met p = 0.8 MPa en D = 300 mm met p = 0.4 MPa van belang zijn. Over het slijtagegedrag is onv~ldoende bekend om per materiaal een slijtlaagdikte op te geven. Ook kan hierdoor niet worden gerekend aan de afname van de sterkte bij een bepaalde slijtage. In tabel 3.2 is de wanddikte gegeven volgend uit een berekenig van de vereiste wanddikte als funktie van de diameter en de inwendige druk. De hiervoor gebruikte formule is reeds besproken in paragraaf 2.2.
tabel 3.2
materiaal
Vereiste wanddikte voor leidingen uit verschillende ma ter ialen bij verschillende druk, op basi s van gelijke sterkte, in [mm].
gebruikstreksterkte
druk = 0.4 MPa D = 300 mm D = 500 mm
druk = 0.8 MPa D = 300 mm D
500 mm
PA
30 N/mm2
2
3.3
4
6.7
PVC
10 N/mm2
6
10
12
20
HDPE
5 N/mm2
12
20
24
40
160 N/mm2
0.38
0.63
0.75
1.25
Fe360
Bij de berekende minimale wanddikte wordt voor de leidingen met diameter D = 300 mm een slij tlaag van 5 mm opgeteld en bij de leidingen met diameter D = 500 mm een slijtlaag van 10 mmo Deze keuze lijkt willekeurig, maar de in tabel 3.2 berekende wanddikte's zijn alleen gebaseerd op de sterkte ten aanzien van druk in de leiding. Een stalen leiding met D = 300 mm en s = 0.38 mm bijvoorbeeld is niet bruikbaar voor praktische toepassing; een leiding van staal met D = 300 mm en s = 5.38 mm daarentegen wel. Vervolgens wordt het gewicht van een meter leiding berekend met behulp van de form ule:
* ~*
(Du 2 _ D.2) 1
*
*
G
1/4
G
leidingewicht per strekkende meter leiding [kg/m']
Du
uitwendige diameter van de leiding [mm]
Di
inwendige diameter van de leiding [mm]
PI
1
PI
waarin:
dichtheid van het leidingmateriaal 28
[kg/m3]
Het resultaat van de berekening van het gewicht per meter leiding volgens bovenstaande formule is gegeven in tabel 3.3. Hierin is tevens de wanddikte (s) en de uitwendige diameter (Du) opgenomen. tabel 3.3
materiaal PA
Leidinggewicht per meter (G in [kg/m']), wanddikte (s in [mm]) en uitwendige diameter (Du in [mm]) voor leidingen uit verschillende materialen. Aangehouden slijtlaagdikte : 5 mm bij Di = 300 mm en -10 mm bij Di = 500mm
dichtheid 1150 [kg/m3]
druk = 0.4 MPa Di=500 mm Di=300 mm s Du G
PVC
1400 [kg/m3]
s Du G
HDPE
955 [kg/m3]
s Du G
Fe360
7800 [kg/m3]
s Du G
druk = 0.8 MPA -Di=500 mm Di=300 mm
13.3 526.6 24.7
s = 9 Du = 318 G = 10.1
s Du
20 540 45.7
s Du
17 334 23.7
s Du
17 334 16.2
s 30 Du = 560 G 47.7
s Du
29 358 28.6
s = 50 Du 600 G 82.5
5.4 310.8 40.4
s Du
5.8 311 .6 43.5
s Du
7 314 7.8
s Du
11 322 15.1
s Du
G
G
G
G
G
10.6 521.2 132.6
s Du G
G
G
G
=
16.7 533.4 31.17 30 560 69.9
11.3 522.6 141 .6
Uit bovenstaande tabel blijkt dat de polyamide (PA) leidingen het geringste gewicht bezitten bij gelijke sterkte. Voorts valt de grote wanddikte op van de HDPE leidingen. Bij de leidingen voor een druk van 0.8 MPa is de uitwendige diameter 20% groter dan de inwendige diameter. Bij dergelij ke wanddikte's ontstaan problemen met het beheersen van de kw~liteit van het leidingmateriaal tijdens het extrusieproces. Om een indruk te krijgen van de invloed van de wanddikte op de flexibiliteit van de berekende ontwerpleidingen, is in tabel 3.4 het resultaat opgenomen van een berekening van de vervorming van de ontwerpleidingen bij het volgende belastingsgeval, zie figuur 3.5.
figuur 3.5 Belastingsschema bij tabel 3.4 29
De formule voor de doorbuiging van een ingeklemde ligger luidt: 6 = F * 13 3*E*I
waarin:
6
doorbuiging
[mm]
F
belasting
[N]
1
lengte van de ligger [mm]
E
elasticiteitsmodulus
[N/mm2]
I
traagheidsmoment
[mm4] volgens I = {(~/64)*(Ou4 -Di4)}
De gebruikte elasticiteitsmodulus is die voor korte duur belasting. Een doorbuiging als gevolg van het eigen gewicht is niet beschouwd, aangezien de berekening slechts dient om inzicht te krijgen in de verhouding van de flexibiliteit. tabel 3.4
Doorbuiging (6 in [mm]) van de ontwerpleidingen onder het belastingsgeval van figuur 3.5; in de tabel zijn tevens de traagheidsmomenten opgenomen (I in [mm4 * 106J)
materiaal
E [N/mm2J
1400
PA
druk = 0.4 MPA 0i=300 mm °i=500 mm I 6
PVC
3000
I 6
HOPE
800
I
s Fe360
200.000
I
s
79.6 29 .9
6
130.1 8.5
6
213.3 19.5
s
60.4 0.3
I = 706.8 3.4
druk = 0.8 MPa Di=500mm °i=300mm
6
I = 104.4 22.8
I = 905.6 2.6
6
I = 1106 1.0
6
I = 213.3 5.21
ó
1
1759 2.4
1
= 408.7 ó ...10.2
I ó
3294 1.3
554.4 0.03
I = 65.2 ó '"0.25
I
593.4 0.028
I 6
Uit de tabel volgt een verhouding verschillende leidingmaterialen, ontwerpleidingen van :
=
voor de vervorming gemiddeld over
1
=
s =
de
1759 0.6
van de vier
ó(Fe360) : ó(PA) : ó(PVC) : ó(HDPE) = 1 : 101 : 27 : 59 Deze verhouding is slechts illustratief, daar de willekeurige keuze van de slijtlaagdikte's van grote invloed is op de verhouding. Uit de verhouding kunnen wel enige conclusies worden getrokken. Alle drie de kunststof leidingen blijken aanmerkelijk flexibeler te
30
zijn dan de stalen leidingen. Volgens verwachting komt PVC het meest ongunstig uit de vergelijking. Opvallend is dat de polyamide (PA) leidingen flexibeler zijn dan de polyethyleen (HDPE) leidingen. Hierbij dient wel te worden opgemerkt dat de korte duur elasticiteitsmodulus is gebruikt voor HDPE. De lange duur elasticiteitsmodulus is slechts een kwart van de waarde voor de korte duur. Voor langdurende belastingen is HDPE derhalve wel gemakkelijker te vervormen dan PA.
31
HOOFDSTUK 4
KOPPELINGEN, APPEDAGE'S EN TRANSPORT VAN LEIDINGEN
4.1 Inleiding
In dit hoofdstuk wordt de praktische kant belicht van transport, montage, demontage en transport van leidingen. Hierbij wordt alleen gekeken naar het gebruik op het stort. Toepassingen met betrekking tot drijvende leidingen en dergelijke worden niet beschouwd. In paragraaf 4.2 zullen enige algemene opmerkingen worden gemaakt omtrent mogelijke methoden van transport en koppelingen. In paragraaf 4.3 zullen per materiaal de specifieke transport- en koppelingsmehoden worden behandeld.
32
4.2 Algemene aspecten m.b.t. transport en montage
Stalen leidingen worden vrijwel altijd getransporteerd in lengte~s van 6 of 12 meter. De aansluiting vindt plaats door middel van stalen flenzen op beide leidingeinden, welke worden verbonden met stalen bouten. Tussen de flenzen wordt een ringvormige pakking aangebracht om de aansluiting waterdicht te maken. Een stalen leiding is te zwaar om met de hand te worden gedragen en wordt door middel van een grijper of een ander werktuig verplaatst. Transport van stalen leidingen geschiedt met behulp van trucks, per trein of over het water (per schip of ponton). Een stalen leiding is zodanig stijf, dat voor het leggen van een bocht in de leiding speciale bochtstukken zijn vereist. Bij overbelasting van de leiding kunnen zogenoemde spuiters optreden. Door het bezwijken van een flenspakking of een lasnaad zal het zandwatermengsel dan met kracht naar buiten spuiten. Een klap of stoot tegen de leiding zal veelal een indeuking van de leiding als gevolg hebben. Voor kunststof en rubber leidingen z i j n de mogelijkheden transport en montage aanzienlijk groter.
voor
TRANSPORT Het produktieproces van kunststoffen staat in theorie onbeperkte leidinglengte~s uit één stuk toe. De enige beperking aan de leidinglengte wordt gesteld door de transportmogelijkheden. Indien vanaf de plaats van produktie naar de plaats van gebruik kan worden gevaren, kunnen leidinglengte~s tot enkele honderden meters drijvend worden vervoerd. Dergelij k lange ononderbroken delen worden alleen toegepast in langdurende werken met een vaste leiding. Bij transport per spoor zijn lengte~s van enkele tientallen meters te vervoeren. Over de weg is de maximale lengte beperkt tot circa 20 meter, tenzij van een spec iaal transport gebruik wordtgemaak t. Een andere mogelijkheid is het oprollen van een leiding op een haspel. Voor HDPE geldt een minimale diameter van een haspel van 15 maal de leidingdiameter. Voor rubber waarbij geen stalen spiralen zijn verwerkt in de leidingwand geldt een nog iets kleinere straal. Alleen voor leidingdiameters kleiner dan circa 200 mm is dit ook praktisch te verwezenlijken voor de materialen rubber en HDPE. Bij grotere diameters wordt de haspel te groot voor vervoer over land, en tevens worden dan de krachten welke optreden bij op- en afrollen van de haspel erg groot. Het transport van kunststof en rubber leidingen wordt in grote mate vereenvoudigd door het lage gewicht ten opzichte van staal (zie tabel 3.3). Een leidingdeel met een lengte van 6 meter en een diameter van 300 mm, geschikt voor een werkdruk va 0.4 MPa van de materialen PA, PVC en HDPE weegt respectievelijk 47, 90 en 97 kg. Voor staal weegt eenzelfde leidingdeel 242 kg. De kunststof leidingen van deze genoemde gewichten moeten door 2 à 3 man te tillen zijn. Voor grotere diameters en wanddikte's neemt het gewicht en daardoor de handelbaarheid af.
33
KOPPELINGEN De hoeveelheid koppelingen voor kunststof leidingen is enorm. De meeste systemen van koppelingen vallen echter af doordat ze geen trekvaste verbinding maken. In eerste instantie zullen alle alternatieven voor staal een goede aansluiting moeten kunnen maken op stalen leidingen, daar een groot deel van de tot op heden gebruikte leid ingen van staal zi jn. Een dergeli jke aanslui t ing dient te geschieden middels een flensaansluiting. Op alle behandelde alternatieve materialen kan een dergelijke flens worden aangebracht. Er kunnen problemen optreden door de grote wanddikte van kunststof leidingen. Meestal zal namelijk worden getracht de inwendige diameter van de te koppelen leidingeinden gelijk te houden. Dit kan speciale verloopstukken vereisen. Voor een snelle wijze van montage bij korte leidingdelen verdient het de voorkeur een standaard leidinglengte van bijvoorbeeld 6 of 12 meter te gebruiken met een snelle koppeling. Hiervoor zijn klemkoppelingen op de markt welke snel zijn aan te leggen. Deze zijn echter alleen leverbaar voor diameters kleiner dan 200 mmo Voor grotere diameters kan gebruik worden gemaakt van flensaansluitingen of overschuifmoffen. Figuur 4.1 toont een flensaansluiting met een losse flens voor een HOPE-leiding. De rand waartegen de overschuifflens aan moet klemmen is bevestigd door middel van de spiegellasmethode.
figuur 4.1
Losse overschuifflens voor HOPE-leiding [lit 13J
Figuur 4.2 toont een overschuifmof met een spie. De mof wordt over de twee te koppelen leidingeinden geschoven. Aan de binnenzijde zijn rubber of kunststof profielen aangebracht ter afdichting. De treksterkte wordt verkregen door een spie of pees welke in een uitgefreesde gleuf nabij de leidingeinden en in een gleuf in de mof valt. Door het losmaken van de spie kan de verbinding weer worden losgemaakt. Dit systeem is erg gevoelig voor beschadigingen aan de leidingeinden en aan de in de leiding gefreesde gleuf nabij het leidingeinde.
34
overschu1fmot spie
~_._-
------
figuur
4.2
Schematische weergave spie-bevestiging
van een overschuifmof
met
Bij het gebruik van langere leidingdelen kan gebruik worden gemaakt van permanente verbindingen. Hierbij valt te denken aan lij men of ""lassen" van kunststof. Voor toepassing bij HOPE bestaan twee lasmethode's, te weten de elektrolasmethode en de spiegellasmethode, waarmee op elke willekeurige plaats in de leiding verbindingen kunnen worden gemaakt. De elektrolas wordt gelegd met behulp van een speciale mof, welke over de twee leidingeinden wordt geschoven. In de mof bevinden zich gloeidraadjes. Door een sterke stroom door de gloeidraadjes te voeren versmelt het materiaal van de mof met dat van de leiding en ontstaat een blijvende verbinding, zie figuur 4.3. De elektrolas is slechts leverbaar voor diameters tot en met 200 mmo
elektrolasmof leiding
1 - groeven ter vergroting van de flexibiliteit
2 ~ verloop krachtlijnen bij voltooide las 3 - draadwikkeling 4 - gele stiften welke aangeven wanneer de
las voltooid is
~ - aansluitbus
figuur 4.3
Elektrolaskoppeling
voor HOPE [lit 13J
De spiegellasmethode is geschikt voor de grotere diameters van HOPE leidingen. Tussen de twee aan te sluiten leidingeinden wordt een metalen plaat of spiegel aangebracht, nadat eerst de einden exact vlak zijn gemaakt. De spiegel wordt verwarmd tot de beide leidingeinden voldoende week zijn. Dan wordt de spiegel snel verwijderd, waarna de leidingeinden kr-achtLg tegen elkaar gedrukt worden tot de las voldoende is afgekoeld, zie figuur 4.4.
35
figuur 4.4 Spiegellas koppelingsmethode voor HOPE [lit 13]
Een nadeel van de beide lasmethode's is dat de las niet weer kan worden verwijderd. Bovendien ontstaat bij de spiegellas een oneffenheid aan de binnenzijde van de aansluiting met als gevolg toenemende drukverliezen en slijtage. Oe spigellasmethode is zeer tijdrovend (maximaal circa 4 lassen per dag voor één lasapparaat + bemanning).
APPENOAGE'S Afsluiters zullen over het algemeen uit staal vervaardigd blijven in verband met de grote sterkte van staal. Op de aansluiting van een kunststof leiding op een stalen flens is in het vorige reeds kort ingegaan. Bochtstukken zullen veel minder nodig zijn, aangezien kunststof en rubber leidingen zonder problemen vrij sterke bochten kunnen nemen.
36
4.3 Korte behandeling per materiaal
POLYAMIDE (PA) Polyamide wordt het meest toegepast met vaste flenzen in leidingdelen van 6 meter lengte. Door middel van lij men kunnen flenzen op willekeurige plaatsen-worden aangebracht. POLYVINYLCHLORIDE
(PVC)
Voor PVC zijn diverse koppelingen mogelijk met behulp van overschuifmoffen. Trekvastheid ontstaat hierbij door het lijmen van een rand op de leiding nabij het uiteinde. In combinatie met een gleuf in de mof ontstaat een trekvaste verbinding. Ook flenzen kunnen worden toegepast, waarbij deze op willekeurige plaatsen kunnen worden opgelijmd.
HIGH DENSITY POLYETHYLENE
(HDPE)
Lijmen van HOPE is niet mogelijk. De lasmethode's bieden een goed alternatief, hoewel de spiegellasmethode, welke bij diameters groter dan D = 200 mm gebruikt moet worden erg tijdrovend is. RUBBER Voor rubber zijn de mogelijkheden beperkter dan voor kunststoffen. De maximale lengte voor één leidingdeel is circa 12 meter. Door de aard van het produktieproces dienen de aansluitingen reeds tijdens de produktie van de leidingen te worden aangebracht. Hierdoor is het niet mogelijk een beschadigd deel uit te snijden, maar dient een leidingdeel met een beschadiging geheel te worden vervangen. De meest gebruikte koppeling is de klemkoppeling of de flenskoppeling.
37
HOOFDSTUK 5
FINANCIEEL ECONOMISCHE BESCHOUWING
In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de kosten van de diverse leidingen. De beslissing van baggerbedrijven over het al dan niet aanschaffen van leidingen van een ander materiaal dan staal, wordt ui teraard geheel gebaseerd op het kostenaspect. Het is hierbij van belang niet alleen de aanschafprijs van de diverse leidingen te beschouwen, maar de kosten van de leidingen in een zo breed mogelijk perspectief te beschouwen, immers zaken als slijtage, drukverliezen, transportkosten en kosten van koppelingen zijn van grote invloed op de kosten welke verbonden zijn aan het gebruik van een bepaalde leiding. Het geven van een kostenvergelij king op grond van- bovenstaande factoren valt binnen het kader van deze studie nauwelijks te geven. De aanschafkosten op zich zijn al afhankelijk van de te bestellen hoeveelheid en de vereiste kwaliteit (met name rubber). De kosten van het transport van leidingen zijn afhankelijk van het te maken werk. De levensduur en het slijtagegedrag zijn nog moeilijker in kosten uit te drukken. Van het slijtagegedrag en de drukverliezen van rubber, PVC en HDPE leid ingen zi jn slechts weinig praktij kgegevens bekend. Van PA leidingen zijn wel een aantal praktijkgegevens bekend, maar de resultaten van deze metingen met betrekking tot wandruwheid en slijtage spreken elkaar op sommige punten tegen, zie hoofdstuk 2. Voordat door de baggerindustrie op grote schaal tot vervanging van stalen leidingen door leidingen van andere materialen kan worden overgegaan, dient nog meer onderzoek naar het gedrag van deze leidingen te worden uitgevoerd. Dergelijk onderzoek wordt in de weg gestaan door de malaise in de West-Europese bagger industrie, waardoor van de zijde van de baggerbedrijven weinig geld beschikbaar is voor onderzoek en er van de zijde van de producenten weinig hoop is op spoedige orders, hetgeen het tot stand komen van onderzoeken eveneens niet bevordert. Hierdoor blijft de stand van zaken zodanig dat bekend is dat de aanschafprijs van een stalen leiding lager is dan die van een kunststof of rubber leiding, en dat de slijtage en de drukverliezen van staal groter zijn, maar door onbekendheid van de verhouding van deze factoren wordt afgezien van aanschaf van kunststof of rubber leidingen. Een andere factor die pleit voor staal is de veel hogere bestandheid tegen beschadigingen door in de leiding getransporteerde stenen, rotsblokken of stukken staal (zogenoemde -oude fiets-). Rubber en kunststof leidingen bleken in het verleden door dergelijke materialen catastrofaal te worden beschadigd. Verder kan worden opgemerkt dat de aanschaf van rubber leidingen met kleine diameters wordt bemoeilijkt door het feit dat door de offshore industrie afgedankte rubber leidingen vrijwel gratis zijn te verkrijgen. Ook het feit dat een stalen leiding altijd nog een restwaarde C· schrootprij s") behoudt speelt een rol. Bij een meer algemene toepassing van alternatieve materialen, kunnen ook afgeschreven leidingen van deze materialen worden herverwerkt, waardoor een restprijs mogelijk moet zijn. Tot slot zullen nog enige aanschafprij zen worden gegeven in tabel 5.1 voor de kosten van een leiding en in tabel 5.2 voor de kosten van enige koppelingen.
38
tabel 5.1
Enige aanschafprijzen
prijs
materiaal rubber D
in guldens per meter leiding
=
200 mm.
bron
f 142.5
Im Im
,
,
HDPE
D = 200 rnrn.; s = 7.7 rnrn voor p = 0.4 MPa (KIWA)
f 57.10
HDPE
D = 315 rnrn ; s = 12.2rnrn voor p = 0.4 MPa (KIWA)
f 141.40
HDPE
D = 200 rnrn; s = 11.4 rnrn f 74.85 voor p = 0.6 MPa (KIWA/GIVEG)
HDPE
f 193.85 D = 315 rnrn;s = 17.9 rnrn voor p = 0.6 MPa (KIWA/GIVEG)
PVC
D = 200 rnrn; s = 4.9 rnrn voor p = 0.63 MPa (KIWA)
f 35.35
Im
PVC
D = 315 rnrn; s = 7. 7 rnrn voor p = 0.63 MPa (KIWA)
f 79.55
Im'
tabel
5.2
Enige
aanschafprijzen
materiaal
HDPE overschuifmof D = 200 mm
f 132.40
PVC
spiemof voor 1.0 Mpa; trekvaste koppeling inclusief benodigheden D 200 rnrn D = 300 mm
,
,
Im' ,
idem idem idem [lit 15 en 17J idem
voorPVC en HDPE bron
prijs f 151 .55
TV-rnof met 2 x borg snoer 200 mm D D = 315 rnrn
[lit 16 en 17]
van koppelingen
HDPE elektrolasfitting D = 200 mm
PVC
Im Im
dhr. Geudekke
[lit 16 en 17] idem [lit 15 en 17]
f 155.95 f 222.70 idem
f 227.95 f 411 .60
39
HOOFDSTUK 6
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN
6.1 Conclusies
*
De huidige stand van zaken is zodanig dat de aanschafprijs van stalen leidingen lager is dan die van kunststof of rubber leidingen. De slijtage en wandruwheid van staal is daarentegen hoger. Bij transport van grote, hoekige zandkorrels, stenen of schelpen is de stalen leiding echter beter bestand tegen beschadigingen. Indien stukken staal C' oude r i e t sen") door de leiding worden geperst kan totale destructtie van kuststof of rubber lagen optreden. Een stalen leiding biedt derhalve een grotere veiligheid ten aanzien van de aard van het getransporteerde materiaal, een lagere aanschafprijs en bovendien is de opgebouwde ervaring in het werken met stalen leidingen groot.
*
In de laatste decennia is veel onderzoek verricht naar het slijtagegedrag en de drukverliezen van leidingen van verschillende mater ialen. De resultaten van de di verse onderzoeken geven nogal uiteenlopende resultaten te zien (zie hoofdstuk 2). Hierdoor heeft men niet onomstotelijk kunnen bewijzen dat de hogere aanschafprijs van kunststoffen en rubber wordt gecompenseerd door lagere energiekosten als gevolg van geringere drukverliezen en door een langere levensduur als gevolg van geringere slijtage. Toch wordt op bescheiden schaal gebruik gemaakt van kunststof en rubber leidingen, het meest voor kleinere diameters, en soms als binnenbekleding van een stalen leiding.
*
Hoewel HDPE als materiaal op zich lichter is dan PVC en PA, blijkt bij het ontwerp van een even sterke leiding uit de drie materialen HDPE, PVC en PA dat door de invloed van de geringe sterkte van HDPE, een leiding uit dit materiaal zwaarder weegt dan een PVC of een PA leiding. Leidingen van alle drie de materialen zijn aanmerkelijk lichter dan staal, zie tabel 3.3 in hoofdstuk 3. Een berekening van de flexibiliteit van leidingen met een even grote sterkte ten aanzien van binnendruk, waarbij eveneens een slijtlaagdikte is aangehouden van 5 mm bij leidingdiameters D = 300 mm en 10 mm bij leidingdiameters D = 500 mm levert ruwweg een verhouding op voor de flexibiliteit van: flexibiliteit
{ Fe360 : PA : PVC : HDPE } = 1 : 100 : 30 : 60
Hierbij is gebruik gemaakt van de elast ici tei tsmodulus voor korte duurbelasting, gezien de geldigheid voor het aanleggen en vervoeren van leidingen. Voor langdurende belastingen wordt PVC 2 maal en HDPE 4 maal zo gemakkelijk te vervormen. (zie tabel 3.4 in hoofdstuk 3)
*
De mogelijkheden voor het koppelen van kunststof leidingen zijn vrij groot, hoewel de mogelijkheden voor trekvaste koppelingen bij grotere diameters beperkter zijn. Waarschijnlijk zullen bij meer algemene toepassing van kunststof leidingen meer koppelingsmogelijk40 -,
heden op de markt komen. Bij kunststof leidingen is het mogelijk op willekeurige plaatsen in de leiding een koppeling aan te leggen door middel van lassen (HOPE) of lij men gecom b ineerd met overschuifmoffen (PVC), waardoor het mogelijk wordt leidingdelen met een beschadiging ui t te snijden. Bovend ien moet het moge lij k zij n een koppeling met behulp van een over schuif mof met een spiebevestiging op een willekeurige plaats in de leiding aan te leggen (HOPE en PVC). Hiertoe dienen dan wel gleuven gefreesd te worden nabij de aan te slui ten leidingeinden. Voor rubber leidingen z r j n de leidinglengte's en kop pe I i ngsmogel ijkheden beperk ter door de aard van he t produktieproces. De maximale leverbare lengte uit één stuk is hierdoor in het algemeen beperkt tot 12 meter. De koppelingen dienen tij dens de produk tie te worden aangebracht. De mogelij kheden hiervoor zijn stalen klemmen of flenzen.
*
Het transport van leidingen van kunststof of rubber wordt door het geringe gewicht ten opzichte van staal eenvoudiger en goedkoper. Bij grote lengte's uit één stuk is transport over water of eventueel per trein of over de weg (speciaal transport) mogelijk. Kunststoffen en rubber zijn minder bestand tegen krassen en snijden, zoals bijvoorbeeld optreedt bij het slepen van leidingen door zand. Daarentegen zal een kleine deuk in de meeste gevallen kunnen verdwijnen hetgeen bij staal niet het geval is.
41
6.2 Aanbevelingen
*
Voordat op grotere schaal en weloverwogen kan worden overgegaan tot de aanschaf van kunststof of rubber leidingen als vervanging van stalen leidingen, is onderzoek vereist naar slijtage en drukverlies in deze leidingen, waarbij een vergelijking ten opzichte van staal van belang is. De duur van een dergelijk onderzoek moet dermate lang zijn dat een corrosielaag van staal of een zeer lage aanvangswandruwheid van kunststof de resultaten niet belnvloedt.
*
Bij het vergelijken van de kosten van verschillende leidingen moet niet alleen een afweging worden gemaakt tussen aanschafprijs en levensduur (afschrijving) op grond van slijtage. Indien bijvoorbeeld ook de kosten van transport, energ iebespar ing van de pom pen, snelheid van montage, mogelijkheden voor het leggen van bochten bij een kostenbechouwing wordt meegenomen, zal de balans wellicht eerder doorslaan ten gunste van andere materialen dan staal.
*
Het gebruik van langere leidingdelen en montage verkleinen.
*
Voor een optimale toepassig van kunststof of rubber leidingen is een gewijzigde houding ten opzichte van deze leidingen vereist. De nieuwe leidingen moeten minder als vervanging van stalen leidingdelen worden benaderd, maar dienen in een veel breder perspectief te worden gezien, en vereisen een geheel eigen benadering. Zo zal als gevolg van een hogere aanschafprijs en langere levensduur (afschrijvingstermijn) voorzichtiger moeten worden omgesprongen tijdens transport, montage en demontage. De aard van het door de leiding getransporteerde materiaal moet nauwkeuriger kunnen worden gecontroleerd om beschadigingen ten gevolge van stenen of staal te voorkomen. Ter voorkoming van klappijpen is een goede monitoring van persdruk en wanddikte van de leiding vereist. Eventueel moet personeel worden geschoold voor het leggen van koppelingen, transport van leidingen enzovoorts.
*
Door de lage sterkte van kunststoffen ten opzichte van staal zijn grote wanddikte's vereist. Mogelijke oplossingen kunnen worden gezocht in het optimaal combineren van het geringe gewicht, de hoge flexibiliteit en de hoge slijvastheid van kunststoffen samen met de hoge sterkte van staal of sterke vezels als glasvezel of Kevlar/Twaron.
kan de kosten van koppelingen
42
GERAADPLEEGDE
LITERATUUR
prof. ir. J. de Koning, T.U. Delft, Afdeling der werktuigbouwkunde, vakgroep transportkunde, Autogrammen behorend bij college i82A 2 ir. A.P. Wanders, Studiedienst Volker-Stevin Dredging, Vergelij kende slij tagemet ing tussen een stalen en een polyam ide perspijp achter de Sliedrecht 26 tijdens werkzaamheden bij de "Stichtse Brug" (5-7-1979 tot 29-5-1980) 3 ir. A.P. Wanders, Studiedienst Volker Stevin Dredging, ~H/1000 meting aan een stalen en een polyamide leiding (firma Jung Werke GMBH) achter de Sliedrecht 26 tijdens werkzaamheden bij de -Stichtse Brug- op 28 november 1979 4 l.B. Kazanskij, H.J. Mathias and W. Kahle, Franzius Institut, Technical University of Hannover, Some remarks on pipe materials in connection with wear resistance and dredging efficiency (energy consumption and critical velocity); Gepubliceerd in paper C5 van het 3rd International Dredging Technology, Bordeaux: 5-7 maart 1980 5 Dr.-Ing. R. Meldt, Hoechst-A.G., Frankfurt am Main, Hydraulischer Feststofftransport in Rohrleitungen 6 Hoechst A.G., Frankfurt am Main, Dimensionierung von Hostalen-Rohren Feststofftransport
fUr
Symposium
on
aus HDPE
den
hydraulischen
7 Hoechst A.G., Frankfurt am Main, Rohre Hostalen GM 5010 T2 GM 7040 G 8 MATS (Marien Technologisch Speurwerk), Systematisch onderzoek naar het erosiegedrag grond-zeewatermengsels
van materialen
9 Prof. Dr.-Ing Manfred Weber, Universitat Karlsruhe, Abteilung StrOmungsfOrdertechnik, Gutachten fiber Druckverlust beim hydraulischer Transport 43
in
von
Basaltsplitt Stahlrohr
irn Jung-Infinit
Rohr aus Polyarnid irn vergleich
zurn
10 Koninklijke PBNA, Polytechnisch zakboekje, 41e druk 11 Dunlop Oil & Marine division, Dredgeflote & Dredgeline ; Hoses ans Sleeves for slurries 12 Dunlop Oil & Marine division, Lifeline Hose Range 13 Draka-Polva, Enkhuizen, Uitgebreide informatiernap rn.b.t Polva PVC en Polva HDPE leidingen 14 Draka-Polva, Enkhuizen, Polva kunststofleidingen
voor zandtransport
15 Draka-Polva, Enkhuizen, Bruto prijslijst Polva-PVC drukleidingen,
juni 1985
16 Draka-Polva, Enkhuizen, Bruto prijslijst Polva-PE drukleidingen,
januari 1986
17 Wavin KLS, Hardenberg, Prijslijst 05/86
44
GEBRUIKTE
SYMBOLEN
Cv
concentratie van zand in zandwatermengsel
[]
d
uitwendige diameter zandkorrel
[m]
D
inwendige diameter van de leiding
[mm] of [m]
Di
inwendige diameter van de leiding
[mm]
Du
uitwendige diameter van de leiding
[mm]
E
elasticiteitsmodulus leidingmateriaal
[N/mm2]
F
belasting op een ingeklemde ligger of leiding
[N]
g
gravitatieversnelling
[m/s2]
Gleidingmassa
[kg/m']
per meter leiding
I
traagheidsmoment
[mm4]
im
drukverlies bij transport zandwatermengsel
[Pa]
iw
drukverlies bij transport schoon water
[Pa]
k
wandruwheid leidingmateriaal
[m] of [mm]
1
lengte van ingeklemde ligger of leiding
[mm]
L
lengte van een leiding
[m]
p
druk in de leiding
[Pa]
Re
kental van Reynolds
[]
s
wanddikte van de leiding
[mm]
v
stroomsnelheid van het mengsel
[mis]
W
valsnelheid van een zandkorrel in stilstaand water
[mis]
a
lineaire uitzettingscoeffici~nt
[K-1]
ö
doorbuiging van ingeklemde ligger of leiding
[mm]
coeff. in formule van Durand volgens Durand : ~
[]
180
*
~3/2
À
weerstandsfaktor
[]
v
kinematische viscositeit van water
[m2/s]
Pl
dichtheid van het leidingmateriaal
[kg/m3] 45
Pm
dichtheid van het zandwatermengsel
[kg/m3]
Pw
dichtheid van het water
[kg/m3]
Ot
treksterkte
[N/mm2]
'i'
coeff. in de formule van Durand 'i'
= (g
*
van het leidingmateriaal
D) / (v2)
*
[
W
jg
*
d'
46
]
Delft, 20-3-1987
naam bed rij f contactpersoon adres + plaats
onderwerp:
informatie m.b.t. kunststof pijpleidingen
L.S. Onderge tek ende, A.J. Andri nga, is laa tstej aars student aan de afdeling der Civiele Techniek van de Technische Universiteit Delft. In het kader van het afstuderen wordt een onderzoek uitgevoerd naar de mogelijkheden van het gebruik van kunststof pijpleidingen bij kleinschalig baggerwerk. Een omschrijving van het onderzoek volgt in de bij lage. Het onderzoek vindt plaats bij de vakgroep Transporttechnologie van de afdel ing der Werk tuigbou wkunde, onder leiding van prof. ir.J .de Koning. De directe begeleiding geschiedt door ir.A.D. Bakker, medewerker van de vakgroep Transporttechnologie. Het onderwerp voor de studie is aangedragen door ir.A.J.de Jong, hoofd van de studiedienst van Volker Stevin Dredging, welke tevens de begeleiding zal ondersteunen. Door ir.A.P. Wanders, eveneens van deze studiedienst, is in juni 1980 reeds een vergelijkend onderzoek uitgevoerd naar het gedrag van een polyamide pijpleiding tegenover een stalen leiding. Op grond van di t onderzoek werd destijds tot de conclusie gekomen dat slijtage en kosten van deze pOlyamide leiding zodanig hoog waren, dat van een eventueel gebruik werd afgezien. Een aspect van het huidige onderzoek is, zoals blijkt uit de bijlage, te beschouwen welke leidingen momenteel verkrijgbaar zijn. In verband hiermee doet ondergetekende een beroep op Uw bedrijf, met het verzoek tot het verschaffen van informatie. Een belangrijk gegeven in de omschrijving van het onderzoek is dat de betreffende pijpen een diameter van 50 cm. niet teboven gaan, en niet bloot worden gesteld aan een druk groter dan 70 mWK ofwel 70 kPA. Gegevens welke voor dit onderzoek vooral van belang zijn, zijn o.m.
*
*
* * * * *
sterkte van de pijp (treksterkte, draagkracht, slijtvastheid leverbare diameters gewicht per strekkende meter leiding kosten per strekkende meter leiding mogelijkheden van montage en demontage appendages
47
buigsterkte)
•
