OPTIMUM DESIGN OF AN ABOVE GROUND CO 2 PIPELINE VIRÁG ZOLTÁN 1

Átírás

1 Műszaki Földtudományi Közlemények 84. kötet 1. szám (013) pp FÖL DFELETTI CO -CSŐVEZETÉK OPTIMÁLIS MÉRETEZÉSE OPTIMUM DESIGN OF AN ABOVE GROUND CO PIPELINE VIRÁG ZOLTÁN 1 Absztrakt: Egy csővezeték optimális méretei meghatározhatóak ha ismerjük a szerkezeti anyag tulajdonságait és a különböző geometriai és terhelési feltételeket. Ez a cikk egy tanulmány kezdeti lépéseit mutatja be ezekre a feltételekre melynek a célja hogy megtaláljuk a legkisebb önsúlyú szerkezetet. A csőnek az átmérőjét és a falvastagságát változónak tekintjük. Adott értéknek vesszük az alátámasztások távolságát a szerkezeti anyag minőségét és a terheléseket. A szállítási kapacitás szintén adott a számítás során. A belső nyomásból és az önsúlyból származó terhelés hatással van a feszültségi és a stabilitási feltételre. A csővezeték lehajlása a támaszközök távolságától függ. Ha a lehajlási határérték kisebb akkor a cső optimális mérete is nagyobb lesz. A folyóméter tömeg különbségek a kisebb és nagyobb átmérők és falvastagságok között jelentősek ezért célszerű az optimalizálást elvégezni. Kulcsszavak: csővezeték szállítás stabilitás lehajlás optimalizálás Abstract: The optimum sizes of the pipeline can be determined using different steel grades and different geometrical and loading conditions. The paper shows an initial parametric study on these conditions to find the lowest self mass. Tube diameter and thickness are variables. Spanlength steel grade and loading are considered to be given parameters. Another constraint is transfer capacity. The stress and stability constraints result from inner pressure and deadload. The deflection of the tube is proportional to spanlength and if its limit is small it increases the optimum sizes of the tube. The mass per unit length difference between the smaller and larger diameters and thicknesses is significant which emphasizes the necessity of optimization. Keywords: pipeline transportation stability deflection optimization 1. Bevezetés A Carbon Capture and Storage (CCS) technológiák egyre fontosabb szerepet játszanak az ipar életében. Egyre szigorúbb környezetvédelmi szabályozások lépnek életbe amik a CO -leválasztásra -szállításra -tárolásra és végleges elhelyezésre irányítják az ipari beruházások figyelmét. A CO könnyen kezelhető semleges gáz amely nagynyomású csővezetékeken keresztül szállítható. Szállításra vannak más lehetőségek is mint pl. hajón vagy vonaton de ezekkel szemben a csővezetékes szállítás kockázata sokkal kisebb. Ezért a csővezetékes szállítás tekinthető a CO -szállítás legmegfelelőbb módjának. 1 DR. VIRÁG ZOLTÁN egyetemi docens Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar Bányászati és Geotechnikai Intézet 3515 Miskolc-Egyetemváros gtbvir@uni-miskolc.hu

2 18 Virág Zoltán Ennek a szállítási technológiának a költsége főképpen a szállítási távolságtól és a szállított mennyiségtől függ illetve hogy szárazföldi vagy tengeri csővezetéket használunk. [1]. A szárazföldi csővezetékek nagy része a föld alatt halad 1 1 méter mélységben Hasonló módon beágyazzák a tengerfenékbe a sekély részeken illetve mély vizekben a 400 mm-nél kisebb átmérőjű csővezetékeket hogy megóvják őket a horgászati tevékenység eszközeitől []. A CO szállítása általában szuperkritikus folyadék formájában történik. A szuperkritikus állapot fenntartásához a szállítás során alkalmazott nyomás jellemzően 80 és 180 bar közötti. Ahhoz hogy a szállítás során megmaradjon ez az állapot a csővezetékek mentén nyomásnövelő szivattyúállomásokat telepítenek. E miatt a megnövelt nyomás miatt a CO -csővezetékek favastagsága nagyobb mint a hagyományos földgázszállításra használt csővezetékeké [3]. A CCS-csővezeték rendszere több helyen is a föld felett halad igaz a teljes rendszer méretéhez képest ezen szakaszok hossza nem túl jelentős. Ilyen helyek a kibocsátás és tárolás környezetében is találhatóak. 1. ábra. Föld feletti CO -csővezeték [4] Ez a tanulmány az ilyen föld feletti csővezetékekkel foglalkozik melyek felépítése hasonló az 1. ábrán láthatóhoz ahol csőhidat nem alkalmaznak. A méretezés során a támaszok távolsága a cső átmérője vastagsága és az anyag minősége valamint a terhelés nagysága vehető fel paraméternek vagy ismeretlennek. A csővezetékben lévő belső nyomás minden belső átmérőre változó az állandó szállítási kapacitás miatt. Jelen tanulmányban a csővezeték átmérője és falvastagsága a változó. A szerkezeti anyag minősége a terhelés és az alátámasztások távolsága állandó érték ezek további

3 Föld feletti CO -csővezeték optimális méretezése 183 változtatása egy későbbi tanulmány lehet. A számítások nem tartalmaznak áramlástani vizsgálatokat habár ezek fontosak lehetnek a csővezetékrendszer egészére nézve.. Tervezési feltételek Az ilyen nagy nyomású csővezetékek méretezésénél három feltételt kell figyelembe venni melyek a feszültségi feltétel a lehajlási feltétel és a karcsúsági feltétel. Ezek teljesülésével kapható meg az a külső átmérő és falvastagság páros amely az adott szerkezet legkisebb tömegét eredményezi..1. Feszültségi feltétel A feszültségi feltételt a különböző terheléseknek a összegzéseként számíthatjuk. Figyelembe kell vennünk az alap szerkezet önsúlyából adódó terhelésből számítható feszültséget és a csőszerkezet belső túlnyomása során keletkező feszültséget. A megoszló terhelés ( 1 ρa 11 csoρ g ) p = A + A g ahol A csőszerkezet keresztmetszete ρ a a szerkezeti acél sűrűsége A cso csőszerkezet belső keresztmetszete ρ g a szállított nagynyomású gáz sűrűsége. A szerkezetanalízis során a Clapeyron-egyenlet alkalmas arra hogy háromtámaszú tartóknál a belső támasznál fellépő nyomatékokat meghatározza. Legyen ABC a három támasz jele l pedig az AB támasz távolsága l` pedig a BC támasz távolsága. w és w` az egyes elemek egységnyi tömege. A hajlítónyomatékok meghatározhatók az egyes támaszoknál M A M B M C a következő módon: M l M l l M l 6a x 6a x l l ' A B ( + ') + = + C ahol a 1 a nyomatéki ábra alatti terület a függőleges terhelések hatására az AB szakaszon a a nyomatéki ábra alatti terület a BC szakaszon x 1 az A támasz és a nyomatéki ábra súlypontjának távolsága az AB szakaszon x a C támasz és nyomatéki ábra súlypontjának távolsága a BC szakaszon. Ezáltal a hajlítónyomaték a Clapeyron formulával a következő a középső támasznál: ahol L a támaszok közötti távolság. M = 5pL 4

4 184 Virág Zoltán A feszültség M σ 1 = K x ahol K x = 4 4 ( D d ) π 3D ahol D a csőszerkezet külső átmérője és d a belső átmérő. A kazán formulából számítható feszültségértéke: σ = ahol p b a belső nyomás és t a falvastagság. A redukált feszültség: pbd t σ R = σ1 + σ σ σ. A megengedett legnagyobb feszültség R adm f = n y e ahol n e a biztonsági tényező melynek értékét 1-re vehetjük és f y a folyáshatár. Ezek ismeretében a feszültségi feltétel végleges alakja:.. Lehajlási feltétel σ R A csőszerkezet lehajlását korlátoznunk kell hogy egy bizonyos deformációt a szerkezet már ne haladjon meg ami már káros hatással lenne. A lehajlás mértékét a támaszok között a következő egyenlettel számíthatjuk: Radm.

5 Föld feletti CO -csővezeték optimális méretezése pl w = 84EI x ahol E a rugalmassági modulus és az inercianyomaték pedig: I x = 4 4 ( D d ) A lehajlás értékét a támasztávolság 300-ad részében maximalizálhatjuk:.3. Stabilitási feltétel w A stabilitás az egyik legfontosabb probléma a fémszerkezetek tervezésében mert az instabilitás sok esetben okoz meghibásodást vagy tönkremenetelt. A feltétel ez esetben a csőszerkezet külső átmérő és a falvastagság hányadosától függ: 64 L 300. π. ahol ε = D t 90ε 35MPa f y. 3. Számpélda A vizsgálat célja megtalálni a legkisebb folyóméter tömeget egy adott terhelés esetére. Az alapozás és megtámasztás költségeit állandónak vettük mivel a fesztáv adott nem változik. Ahhoz hogy megtaláljuk az optimális szerkezetet ismernünk kell a gyakorlatban használt csőszerkezetek külső átmérőit és a falvastagságokat. Ezeket a gyakorlatban alkalmazott geometriákat az EN 100 [5] tartalmazza. Ezek közül kell kiválasztani azokat az alkalmazott méretkombinációkat amelyek kielégítik a tervezési feltételeket. A számpéldában a csőszerkezetben levő terhelést 8 m 3 /s térfogatáramú szén-dioxid biztosítja mely térfogatáram előfordul a Weyburn-csővezeték rendszerben []. A támaszközök nagysága L = 5 m nagyságban a csőszerkezet alapanyagának folyáshatára f y = 448 MPa-ban rögzített. A különböző átmérőkre számolt eredmények az 1. táblázatban láthatók. Az optimum eredményei vastag dőlt számokkal jelöltek.

6 186 Virág Zoltán Külső átmérő [mm] 1. táblázat Eredmények különböző átmérőkre Falvastagság [mm] Folyóméter tömeg [kg/m] Az adott külső átmérők értékét csökkentve juthatunk el az optimumhoz minden esetben keresve a lehető legkisebb falvastagságot. Nagy külső átmérők esetén a falvastagság csökkentésének stabilitási feltétel szab határt kisebb külső átmérők esetén pedig a feszültségi feltétel válik először aktívvá. Ezeknek a feltételeknek a hatása az hogy a külső átmérő csökkentése egy bizonyos szint után már nem eredményez folyómétertömeg csökkenést és az érték már növekedni fog. Ez a változó tendencia igazolja hogy a különböző feltételek aktívvá válása befolyásolja az optimális szerkezet végleges geometriáját. Az 1. táblázatból látható hogy az 508 mm külső átmérőjű és 14 mm falvastagságú csőszerkezet lett a legkedvezőbb folyóméter tömegű szerkezet a különböző csőgeometriák közül. Az így kapott eredmény akár 50%-os folyóméter tömeg csökkenést eredményezhet nagyobb átmérőkkel szemben. 4. Következtetések A különböző szerkezetek optimális tervezése nagyon jelentős megtakarításokat hozhat mind a felhasznált alapanyagok mind a ráfordított költségek tekintetében. Számos tanulmány igazolja hogy a tervezés során figyelembevett feltételek pontos megválasztása nagyon fontos szerepet játszik az optimális szerkezet végleges geometriájában. Többtámaszú csővezetékek méretezésében a feszültségi feltétel a stabilitási feltétel és a lehajlási feltétel játszhat jelentősebb szerepet. Csőszerkezeteknél úgy juthatunk el a lehető legkisebb folyóméter tömegekhez hogy a feltételeket figyelve csökkentjük a külső átmérőket és a hozzájuk tartozó falvastagságokat. Nagy külső átmérők esetén a falvastagság csökkentésének stabilitási feltétel szab határt míg kisebb külső átmérők esetén pedig a feszültségi feltétel válik aktívvá így szabva határt a tömeg csökkentésének. A számított eredmények e szerkezet optimális tervezésénél is megmutatják hogy bizonyos méretcsökkentés már nem hoz további végeredmény javulást. Ezért ebben az esetben is igazolható az optimális méretezés létjogosultsága és fontossága.

7 Föld feletti CO -csővezeték optimális méretezése 187 Köszönetnyilvánítás A tanulmány a TÁMOP-4..1.B-10//KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. IRODALOMJEGYZÉK [1] Bumb P. Desideri U. Quattrocchi F. Arcioni L.: Cost Optimized CO Pipeline Transportation Grid: A Case Study from Italian Industries. World Academy of Science Engineering and Technology pp [] IPCC: IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage Davidson O de Coninck HC Loos M and Meyer LA (eds.). Cambridge University Press Cambridge United Kingdom and New York NY USA 005 p. 44. [3] Amann R. et al.: A Policy Legal and Regulatory Evaluation of the Feasibility of a National Pipeline Infrastructure for the Transport and Storage of Carbon Dioxide. Topical Report 010 p. 10. [4] Saundry P. (Contributing Author) Congressional Research Service (Content Source) Hassenzahl D. (Topic Editor): Pipelines for Carbon Dioxide Control in the United States. In: Encyclopedia of Earth. Eds. Cutler J. Cleveland (Washington D.C.: Environmental Information Coalition National Council for Science and the Environment) pic=54490 [5] European Standard EN 100:00. Seamless and welded steel tubes Dimensions and masses per unit length 9p.

8 188 Virág Zoltán Kiadja a Miskolci Egyetem Tudományszervezési és Nemzetközi Osztálya A kiadásért felelős: Prof. Dr. Dobróka Mihály rektorhelyettes Műszaki szerkesztő: Dr. Szunyog István A kéziratot gondozta a Miskolci Egyetemi Kiadó A kiadó felelős vezetője: Burmeister Erzsébet Készült a Miskolci Egyetem Sokszorosító Üzemében Miskolcon A sokszorosításért felelős: Pásztor Erzsébet Példányszám: 00 TU ME HU ISSN

9 Föld feletti CO -csővezeték optimális méretezése 189

10

11