YAŞLANAN BORU HATLARININ RİSK VE GÜVENİRLİK DEĞERLENDİRMESİ Prof. Dr. Selcuk Toprak Pamukkale Üniversitesi, Denizli, TURKEY
Boru Hatları Sistemleri İçme Suyu Atık Su Petrol Doğal Gaz Elektrik İletişim
Boru Hatlarının Değerlendirilmesi Bir boru hatları sistemi değerlendirilirken, sistemin hem bileşenleri hem de bütünü değerlendirilmeli. Örneğin su dağıtım sistemini göz önüne alırsak bileşenler depolar, iletim hatları, arıtma tesisleri, kuyular, dağıtım hatları, vanalar, vb. olacaktır. Ve her bir bileşenin farklı bir hasar görebilirlik fonksiyonu olacaktır.
Boruda meydana gelen sızıntı sonucu altı oyulan yolun üzerinden geçen itfaiye aracı yola batışı
20 cm çaplı pik boruda boyuna kırılma (Boruda paslanma işaretleri gözükmektedir)
Denizli Su Şebekesinde Yaşlanan Borular Değişim programı kapsamında çıkarılan borular (Güngör, 2009)
Denizli Su Şebekesinde Yaşlanan Borular Değişim programı kapsamında çıkarılan borular (Güngör, 2009)
Denizli Su Şebekesinde Yaşlanan Borular Değişim programı kapsamında çıkarılan borular (Güngör, 2009)
Risk: Neticeler x Hasar oluşma olasılığı (from Thomson and Wang, 2009)
Risk Assessment Matrix (Koch, 2012)
Uygulamada: Bazen hasar olasılığı yüksek fakat neticeleri az ise detaylı inceleme ya da müdahale gerekli görülmeyebilir (Örneğin, kaynakların kısıtlı olduğu bir durumda kırsal kesimdeki bir borunun kapsamlı değerlendirilmesinden ziyade problem çıkmasının beklenmesi gibi).
Hasarların Neticeleri Doğrudan Maliyet Çevresel Maliyetler Sosyo-Ekonomik Maliyetler Her bir boru bu başlıklar kapsamında değerlendirilebilir. Eğer bu başlıkların herhangi birinin altında yüksek bir etki veya maliyet hesaplanıyorsa bu durumda borunun netice puanı yüksek olacaktır.
Hasarların Yüksek Neticeleri
Hasar Olasıkları-Ana Göstergeler Kırık Hasarları Sızıntı Hasarları Boruda Paslanmalar
Hasar Olasıkları-İkincil Göstergeler Boru Yaşı Boru Çapı Boru Kalınlığı İç Kaplama Türü Ekler Lokasyon Kuruluş Hataları Potansiyel Zemin Problemleri Zemin Sıcaklığı Su Seviyesi Basınç Değişimleri Su Sıcaklık Değişimleri
Borularda en yaygın hasar tipleri (NRC, 2003).
PM4WAT Eğitim simülatörü modüllerinin ilişkileri Sistem Kullanıcı Kullanıcı Arayüzü (KAY) Sorgulama Yöneticisi Bilgi Tabanı Toprak ve diğ., 2011a Yapısal Güvenilirlik Modülü Rehabilitasyon Döngüsü Fiyat Modülü Veri Yöneticisi Senaryolar Veritabanı CBS KAY
IWA / AWWA Yöntemine Göre Su Bütçesi Tablosu Faturalandırılmış Faturalandırılmış Ölçülmüş Kullanım Gelir Yasal Tüketim Faturalandırılmış Ölçülmemiş Getiren Su Yasal Kullanım Tüketim Faturalandırılmamış Ölçülmüş Faturalandırılmamış Kullanım Yasal Tüketim Faturalandırılmamış Ölçülmemiş Sisteme Kullanım Giren Hacim Su Kayıpları İdari (Ticari) Kayıplar Yasadışı Kullanım Sayaç Hatası Okuma Hatası İletim ve Dağıtım Hatlarındaki Kaçaklar Gelir Getirmeyen Su Fiziksel Kayıplar Depolardaki Kaçak ve Savaklanan Sayaç ile Dağıtım Borusu Arasında Bağlantı Hatlarındaki Kaçaklar
Denizli Belediyesi 2003 Yılı Su Bütçesi Tablosu (m 3 /yıl) Sisteme Giren Hacim 23,849, 688 (100%) Yasal Tüketim 14,815, 114 (62.12%) Su Kayıpları 9,034, 574 (37.88%) Faturalandırılmış Yasal Tüketim 13,636,509 (57.18%) Faturalandırılmamış Yasal Tüketim 1,178,605 (4.94%) İdari (Ticari) Kayıplar 438,320 (1.84%) Fiziksel Kayıplar 8,596,254 (36.04%) Faturalandırılmış Ölçülmüş Kullanım 13,636,509 (57.18%) Faturalandırılmış Ölçülmemiş Kullanım 0 (0.00%) Faturalandırılmamış Ölçülmüş Kullanım 1,078,605 (4.52%) Faturalandırılmamış Ölçülmemiş Kullanım 100,000 (0.42%) Yasadışı Kullanım 3,095 (0.02%) Sayaç Hatası Okuma Hatası 435,225 (1.82%) İletim ve Dağıtım Hatlarındaki Kaçaklar Depolardaki Kaçak ve Savaklanan Sayaç ile Dağıtım Borusu Arasında Gelir Getiren Su 13,637,252 (57.18%) Gelir Getirmeyen Su 10,212,436 (42.82%) Bağlantı Hatlarındaki Kaçaklar
DEPREMLER VE BORU HASARLARI
Borularda Hasar Nasıl Oluşur? Geçici yer deformasyonları (GYD): deprem dalgalarının geçişi esnasında zeminin dinamik tepkisi Kalıcı yer deformasyonları (KYD): deprem sonrasında zeminde oluşan ve geri dönmeyen son yer değiştirmelerdir Örnekler: Fay hatlarının hareketleri, şev kaymaları, sıvılaşma sonucu oluşan yer değiştirmeler, kohezyonsuz topraklarda oluşan farklı oturmalar
KYD, GYD, veya KYD+GYD? Tasarımda GYD ve KYD birlikte değerlendirilmelidir. Zemin koşullarının uygun olması durumunda KYD analizlerine gerek olmadan yalnızca GYD değerleri kullanılabilir. Geleceğe yönelik hasar tahminlerinde yine GYD ve KYD birlikte göz önüne alınır. Toplam hasarlara etkisi açısından GYD ve KYD değerlerinin rölatif büyüklükleri hangisinin boru hattının üzerinde etkisinin hakim olduğunu belirler.
KYD sonucunda zemin-boru hattı etkileşimi (O Rourke, 1998) s s Yanal Strike atılım slip Fay Fault düzlemi plane Boru hattı başlıca eğilmeye maruz Pipeline subject mainly to bending sv s d Legend s d - Dip slip s s - Strike slip s v - Vertical displacement s h - Thrust displacement s d -Eğim atılım s s -Yanal atılım s v -Düşey yer değiştirme s h -Yatay yer değiştirme Eğim atılım Dip slip s h b) Dik Geçiş b) Perpendicular Crossing a) Üç Boyutlu Görünüş a) Three-Dimensional View Boru hattı basınç ve eğilmeye maruz Pipeline subject to compression and bending Boru hattı çekme ve eğilmeye maruz Pipeline subject to tension and bending Pipeline subject to tension and bending Pipeline subject to Boru hattı basınç ve compression and bending Boru hattı çekme ve eğilmeye maruz eğilmeye maruz c) Oblique Crossing d) Parallel Crossing c) Eğik Geçiş d) Paralel Geçiş
Boru Hatlarında Hasar Oluşumunu Etkileyen Faktörler Boru cinsi (malzemesi) Örneğin, su dağıtım sistemlerinde düktil demir, dökme demir (font), çelik, plastik (PVC) ve asbest (AÇB) borular Boru çapı Gaz dağıtım sistemlerinde çelik ve PE borular Ek türleri (örneğin kaynaklı, muflu) Zeminden kaynaklanan korozyon Boru yaşı vb.
Farklı Şehirlerin İçme Suyu Şebekelerinde Boru Malzeme Dağılımı (Toprak, Koc ve Taskın, 2007) Şebekedeki Boru Malzeme Yüzdesi 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% İzmit (4374 km) İstanbul (14099 km) Adana (4571 km) Antalya (1625 km) Denizli (1743 km) PVC Font Düktil demir Çelik Asbestli çimento Polietilen CTP Beton
Farklı ülkelerde su dağıtım sistemlerindeki boru cinsleri Japonya, A.B.D. Tayvan
Boru Eklerine Bazı Örnekler (Japonya) a) S Tipi b) SII Tipi b) SII Tipi ve K Tipi Ek
1999 Kocaeli Depreminde fay kırığı hareketi sonucu boruda oluşan buruşma (Eidinger vd, 2002)
1994 Northridge, Amerika depreminde Balboa Bulvarında boru hasarları
Kaynaklı Birleşim Noktasında Hasar 1994 Northridge, Amerika depreminde sıvılaşma sonucu oluşan yanal yayılmalar etkisiyle boruda meydana gelen kırılma
1995 Kobe Depreminde Gözlenen Zararlar Özellikle kalıcı yer deformasyonu gerçekleşen alanlarda çok yoğun zararlar gözlenmiştir. Eski borular ve birleşim noktaları, daha düktil ve esnek olan yeni borulara kıyasla daha çok zarar görmüştür.
1995 Kobe Depreminde Gözlenen Zararlar Vida eklemli gaz boru hattı düktil boruda birleşim noktasında ayrılma font boru hasarı (Editorial Committe for the Report on the Hanshin-Awaji Earthquake Disaster dan).
ZEMİN BORU ETKİLEŞİMİ VE SONLU ELEMAN ANALİZLERİ
Boru eksenine dik doğrultuda KYD hali için örnek bir analitik model (M. O Rourke, 1989) KYD bölgesinin genişliğinin büyük olması durumunda boru göreceli olarak düktil gibi davranacak ve zemin hereketine yakın bir yer değiştirmeye maruz kaldığı kabul edilebilecektir. KYD bölgesinin genişliğinin küçük olması durumunda ise boru göreceli olarak rijit gibi davranacak ve zemin hereketine göre çok az bir yer değiştirmeye maruz kalacaktır. ε = ± b ε = ± b 2 π δ D 2 W p u W 3π EtD 2 2
Boru eksenine paralel doğrultuda KYD: Kayan Blok Analitik Modeli (M. O Rourke ve Nordberg (1992) ) Birim Sürtünme kuvveti: fm = (c + µγh)πd Boru gömme parametresi: βp = (c + µγh)/t Bu modelde iki farklı durum gözönüne alınmaktadır. Durum I de KYD bölgesinin uzunluğu (L), boru ile KYD bölgesi içinde borunun etrafındaki zemin arasında sıfır-kayma geliştirebilecek yeterlikte büyüklüğe sahiptir. Durum II de KYD bölgesinin uzunluğu (L), sıfır-kayma oluşturacak değerden büyüktür. Bu nedenle borudaki şekil değiştirme Durum I de KYD bölgesinin uzunluğu, Durum II de ise KYD miktarı (δ) tarafından kontrol edilmektedir.
GÖMÜLÜ BORU SİSTEMLERİNİN ANALİZLERİ,YÖNETMELİKLER, COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ
Yönetmelik, Standart ve Kılavuzlar Japon Depreme dayanıklı tasarım yönetmelikleri American Lifelines Alliance (ALA) organizasyonu altında farklı altyapı sistemleri için kılavuz geliştirme çalışmaları yapılmış ve çıkan ürünler online olarak sunulmuştur (ALA, 2011) Eurocode 8 Depreme dayanıklı yapı tasarımı-bölüm 4 Silolar, tanklar & borular Eurocode 3 Çelik Yapıların Tasarımı - Bölüm 4-3: Borular ISO 16134- Düktil Demir Boruların Depreme ve oturmaya dayanıklı tasarımı) Türkiye nin Alt Yapılar için Afet Yönetmeliği
Japonya da Yönetmelik Değişiklikleri Deprem hareketleri iki seviye: seviye 1 ve 2 olarak uygulanır. Sıvılaşma etkisiyle oluşan kalıcı yer deformasyonları gözönüne alınır. Performansa dayalı tasarım ve yönetim kapsamlı olarak benimsenmiştir. Seviye 2 depremleri için tasarımda esas olarak yapıların ve zemin yapılarının plastik deformasyonları ve taşıma gücünün tahmin edilmesi gerekir.
Örnek: Gaz İletim Boru Hatları (Toprak ve Yoshizaki, 2003) Deprem Hareketi: Depreme dayanıklı tasarımında Seviye 1 ve 2 deprem hareketlerinin her ikiside gözönüne alınmalıdır. Seviye 1 deprem hareketleri yapıyı kullanımda olduğu süre içinde bir veya iki defa etkileyebilir. Seviye 2 deprem hareketleri plak içi veya karaya yakın plaklar arası depremler tarafından oluşur ve yapıyı kullanımda olduğu süre içinde etkileme ihtimali çok azdır ama gerçekleştiğinde etkisi çok büyüktür. Seviye 2 deprem hareketi Kobe depreminde deprem kaynağına yakın 16 kayıttan elde edilen ve maksimum hızı 1 m/s ye karşılık gelen hız spektrası ile tanımlanmıştır. Gerekli Performans : Seviye 1 deprem hareketine karşı boru hattında aşırı deformasyon olmamalı ve onarım gerekmemelidir. Boru hattındaki deformasyon, % 1 veya boru kalınlığının çapına oranının 0.35 katından az nominal şekil değiştirme oranına karşılık gelmelidir. Seviye 2 deprem hareketine karşı boru hattında büyük deformasyon gözlenebilir ama gaz sızıntısı olmamalıdır ve deformasyonlar % 3 nominal şekil değiştirme oranınına karşılık gelen değerden küçük olmalıdır.
Sıvılaşmadan etkilenen yeraltı gaz iletim hatlarının depreme dayanıklılığının değerlendirilmesi Boru Hattı Tasarımı (boyutlar, yer, malzeme, vb.) Sıvılaşmaya dayanıklı tasarıma ihtiyaç olan bölgenin tespiti Sıvılaşma sonucu oluşabilecek zemindeki yer değiştirmenin tahmini Toprak-Boru etkileşimi Boru biçim değiştirebilirliği Boru hattındaki biçim değişikliğinin analizi Sıvılaşma dayanıklılığının değerlendirilmesi
ALT YAPILAR İÇİN AFET YÖNETMELİĞİ (Şubat 2007) İçme ve Kullanma Suyu Tesislerinde Deprem Sonrası Performans Hedefleri HİZMET KATEGORİSİ MUHTEMEL DEPREM MAKSİMUM DEPREM Yaşam güvenliği Minimum risk Minimum risk Yangın söndürme Kritik hizmet İçme suyu ve halk sağlığı Evsel, ticari ve endüstriyel kaynak Tüm alanlarda hizmet mevcuttur. Kış talep oranlarında tüm alanlara sürekli tam hizmet sağlanır. Su kalitesi korunur. Hasarlı durumdaki sınırlı alanların vana ile kapatılmasından sonra rezervuarların %70 i kullanılır durumdadır. Servis alanının %70 ine, kış talep miktarının %70 i oranında hizmet verilir. Merkezi yerlerde 72 saat içerisinde içme suyu temin edilir. Kaynama suyu emri istenebilir. Açıktan su temin edilmez. 7 gün içerisinde birkaç alana kış talep oranlarında tam hizmet verilir. 1 ay içerisinde tüm bölgeye kış talep oranlarında tam hizmet verilir.
ALT YAPILAR İÇİN AFET YÖNETMELİĞİ (Şubat 2007) Muhtemel deprem: Tesisin tasarlanan hizmet süresi içerisinde meydana gelmesi olası deprem olup 50 yıllık zaman aralığı içerisinde %50 olasılıkla meydana gelebilecek, 72 yıl dönüş periyotlu bir deprem büyüklüğünü Maksimum deprem: 50 yıllık zaman aralığı içerisinde %10 olasılıkla meydana gelebilecek, 475 yıl dönüş periyotlu bir deprem büyüklüğünü,
Gömülü boru hattının fay hattını kestiği durumlarda izlenecek uygulama kuralları: Borunun konumunu çekme şekil değiştirmesi gerçekleşecek şekilde belirle Geçişin gerçekleştiği yerde boru kalınlığını arttır Boru-Zemin arasındaki sürtünmeyi azalt (Düşük sürtünmeli kaplama) Fayın her iki tarafında 50 m bölge içerisinde gevşek dolgu malzemesi kullan Boru hattını fay bölgesi içinde zemin üzerinden geçir (Rölatif harekete izin verecek deforme olabilecek destekler kullanılmalı)
Trans-Alaska Boru Hattı Başarı Hikayesi November 3, 2002 M 7.9 Depremi & Denali Fay Kırılması (Cluff, 2006) Dışmerkez TAPS Susitna Glacier Fayı Rupture Length ~ 354 km Maximum right slip ~ 8.8 m Bir damla petrol dahi sızmadı! T. Dawson, 2002
İyi Örnek Uygulaması: Denali, Alaska Depremi Nov. 3, 2002 Büyüklük 7.9 (Cluff, 2006) Fay The fault trace passes beneath the pipeline between the 2nd and 3rd slider supports at the far end of the zone Yay The Trans Alaska Pipeline was engineered to bend/ zig-zag in response to movement on the Denali fault. The large arc in the pipe is due to shortening of the pipeline trace within the fault zone. (Offset in region was ~8.5 feet)
Denali Fay Geçişi Tasarım Bölgesi (Cluff, 2006) Boru Hattı
Denali Fay Geçişi (Cluff, 2006) Teflon kaplanmış beton ve çelik elemanlar L. Cluff, 1976
Denali Fay Geçişi Tasarım Bölgesi 2000 ft L. Cluff, 1976
Denali Fay Geçişi Tasarım Parametreleri Yatay, 20 feet Düşey, 5 feet Up En Muhtemel Lokasyon Sağ atılım fayda eksenel basınca sebep olur. 2000 ft November 3, 2002 kırığı Yatay, 18 feet Düşey, 3.5 feet Eksenel basınç, 11 feet Boru hattı tasarlandığı gibi davranış gösterdi ve petrol sızıntısı olmadı!
7.5 ft Deformasyon genişliği 660 ft Fay Deplasmanı 18 ft 10.5 ft Fay deplasmanı tasarım bölgesi 2,000 ft genişliğinde
YAŞLANAN BORU HATLARININ RİSK VE GÜVENİRLİK DEĞERLENDİRMESİ Prof. Dr. Selcuk Toprak Pamukkale Üniversitesi, Denizli, TURKEY