Development of Piping Stress Analysis Guideline for Neste Jacobs' Projects

The aim of this research was to develop a piping stress analysis guideline to be widely used in Neste Jacobs Oy’s domestic and foreign projects. The company’s former guideline to performing stress analysis was partial and lacked important features, which were to be fixed through this research. The development of the guideline was based on literature research and gathering of existing knowledge from the experts in piping engineering. Case study method was utilized by performing stress analysis on an existing project with help of the new guideline. Piping components, piping engineering in process industry, and piping stress analysis were studied in the theory section of this research. Also, the existing piping standards were studied and compared with one another. By utilizing the theory found in literature and the vast experience and know-how collected from the company’s employees, a new guideline for stress analysis was developed. The guideline would be widely used in various projects. The purpose of the guideline was to clarify certain issues such as which of the piping would have to be analyzed, how are different material values determined and how will the results be reported. As a result, an extensive and comprehensive guideline for stress analysis was created. The new guideline more clearly defines formerly unclear points and creates clear parameters to performing calculations. The guideline is meant to be used by both new and experienced analysts and with its aid, the calculation process was unified throughout the whole company’s organization. Case study was used to exhibit how the guideline is utilized in practice, and how it benefits the calculation process.

Putkistosuunnittelun tunnusluvut

Tässä insinöörityössä tutkittiin Neste Jacobsin toimeksiantamia laitossuunnitteluprojekteja ja tarkemmin niiden yleis- ja putkistosuunnittelua ja siinä yleisimmin käytettäviä tunnuslu-kuja. Tunnuslukujen selvittämistä varten valittiin neljä projektia, jotka olivat tyypillisiä teollisia investointiprojekteja, ja joista saadut tekniset tiedot olivat tuoreita. Valittujen projektien suunnittelutyö oli joko valmis tai valmistumassa tietojenkeruuhetkellä. Työssä tutkittiin projektien tunnuslukujen eroja ja niiden syitä. Projektien tekniset tiedot kerättiin niiden suunnittelutyössä mukana olleilta yrityksiltä. Alkutietojen hyväksymisen jälkeen niiden pohjalta laskettiin projektikohtaiset tunnusluvut Tunnuslukutietojen keräämisen tuli olla huolellista ja pitkäjänteistä, koska niistä saatuja tietoja käytetään tulevien projektien laajuuksien ja kustannuksien arviointiin. Työn tärkeimpiä tuloksia olivat yleisimmin käytettyjen tunnuslukujen saanti jokaisesta pro-jektista ja tietojen kokoaminen helposti luettavaan taulukkoon. Saatuja tuloksia voidaan pitää luotettavina ja niitä voidaan käyttää jatkossa arvioitaessa projektien laajuuksia.

Teräsrakenteiden ja putkiston suunnittelu sekä asennus vedenkäsittelylaitokseen

Tässä opinnäytetyössä oli tavoitteena teräsrakenteiden ja putkiston suunnittelu ja hankinta sekä niiden asennuksen valvonta Kemira Kemwater Service Oy:n ja Nordic Aluminiumin Oyj:n vedenkäsittelylaitokseen. Uusien teräsrakenteiden ja putkistojen suunnittelussa tuli hyödyntää olemassa olevia rakenteita, jos se oli mahdollista. Teräsrakenteisiin kuuluivat hoitotaso ja keräyssuppilo. Valmiin hoitotason päälle asennettiin suotopuristin, josta putoava kiintoaine ohjataan keräyssuppilon avulla ruuvikuljettimelle, joka siirtää kiintoaineen siirtolavoille. Hoitotasolta käytetään ja huolletaan suotopuristinta sekä putkistoa. Materiaaleina käytettiin Fe37B ja ruostumatonta terästä. Teräsrakenteiden HEB-palkit valittiin laskettujen taipumien perusteella. HEB-palkkien taipumien minimoimiseksi lisättiin vinotukija. Hoitotason suunnittelussa hyödynnettiin olemassa olevia HEB-palkkeja. Hoitotason elementteinä käytettiin teräksestä valmistettuja kuumasinkittyjä ritilöitä. Hoitotason kahteen jalkaan mallinnettiin säätövarat, jotta hoitotason toinen pää saadaan samaan korkoon kiinteästi olevaan päähän nähden. Jalkojen säätö toteutettiin kahdella M20 x 120- ruuvilla per jalka. Putkisto layout mallinnettiin PI-kaavion mukaiseksi ja siinä oli venttiilit mallinnettuna. Työpiirustuksien valmistuttua suoritettiin tarjouskyselyt urakoitsijoille. Teräsrakenteet ja putkiston asensivat kaksi eri urakoitsijaa. Asennusvalvoja oli paikalla lähes koko asennusajan vastaamassa työturvallisuudesta ja asennuksen sujuvuudesta. Urakoiden valmistuttua teräsrakenteille ja putkistolle suoritettiin luovutustarkastukset. Projekti pysyi aikataulussa ja kustannusarviossa suunnittelun sekä valvonnan osalta.

Suunnittelun tunnusluvut

Diplomityön tavoitteena oli kehittää Andritzin Kuitulinja-divisioonalle tunnuslukuja, työkaluja sekä menetelmiä projektin johdon jasuunnittelun eri osa-alueiden arviointiin, hinnoitteluun ja seurantaan Työn teoriaosuudessa käsiteltiin projektiliiketoimintaa, suunnitteluaja sen hankintaa, tunnuslukuja sekä mittaamista projektiympäristössä. Työn pääpaino oli kuitenkin empiriaosuudella, jossa aluksi tutustuttiin yksityiskohtaisesti työssä tutkittaviin osa-alueisiin. Tiedonkeruuvaiheessa kerättiin suuri määrätunnuslukujen laskemiseksi tarvittavaa tietoa toteutetuista tai vielä hieman keskeneräisistä projekteista. Työn kirjallinen osuus ja kerätty numeerinen tieto yhdistettiin tunnuslukujen analysointivaiheessa, jossa tutkittiin eri tunnuslukujen soveltuvuutta mittaamiseen. Tunnusluvut soveltuivat hyvin joidenkin osa-alueiden kuten prosessi- ja putkistosuunnittelun mittaamiseen. Joidenkin osa-alueiden, kuten rakennussuunnittelun mittaaminen tunnuslukujen avulla oli vaikeampaa tunnuslukujen suuresta hajonnasta johtuen. Eri osa-alueille saatiin kuitenkin määritettyä parhaat tunnusluvut, projektien luokitteluperusteet ja standardiarvot. Työn lopputuloksina saatiin päätavoitteena ollut tunnuslukumittaristo sekä mittaamisen yhtenäistämiseksi luotu tiedonkeruulomake. Mittaamisen tehostamiseksi ja kehittämiseksi tehtiin useita jatkotutkimus- ja kehitysehdotuksia. Lisäksi työssä esitettiin uusi menetelmä projektinohjauksen ja resurssisuunnittelun tueksi.

Virtaavien aineiden asettamat suunnitteluvaatimukset haihduttamon putkisto- ja laitesuunnittelussa

Diplomityö on tehty Andritz Oy:n toimipisteessä Varkaudessa. Andritz on yksi maailman johtavista sellu- ja paperiteollisuuden järjestelmien, laitteiden ja palvelujen toimittajista. Työn tarkoituksena on kehittää ja ohjeistaa haihduttamon putkistosuunnittelua osana suurempaa laitossuunnittelua. Työssä on selvitetty pääpiirteittäin haihduttamon toiminta sekä siinä virtaavat väliaineet. Erityisesti on perehdytty väliaineiden ominaisuuksiin ja siihen, kuinka nämä ominaisuudet on otettava huomioon putkistosuunnittelussa. Käsiteltäviä aineita ovat mustalipeä, primääri- ja likaislauhteet, vesi, hajukaasut sekä haihduttamon primääri- ja sekundäärihöyry.

Soodakattilan vesi-höyryjärjestelmän vuodonvalvonta

Työn tavoitteena oli kehittää Kaukaan sellutehtaalle luotettava vesi-höyrypiirin vuodonvalvontajärjestelmä. Vesi-höyrypiirin vuodonvalvontajärjestelmällä pystytään ehkäisemään soodakattilassa mahdollisen putkivaurion aiheuttama sulavesiräjähdys. Työn teoreettisessa osassa käsitellään soodakattilan turvallisuutta sekätutustutaan kaupallisilla markkinoilla oleviin vuodonvalvontajärjestelmiin. Vuodonvalvontajärjestelmän kehityksessä käytetään hyväksi prosessitietoa noin vuoden ajalta sekä yhden vakavan vesi-höyrypiirin putkirikon aikaisia mittaustietoja.Työssä testataan käytännössä Kaukaan soodakattilaan rakennettu järjestelmä. Työn tuloksena Kaukaan sellutehtaan soodakattilan on rakennettu vuodonvalvontajärjestelmä, joka havaitsee vesi-höyrypiirin putkirikon aiheuttaman vuodon, määrittää sen suuruuden sekä pystyy paikantamaan vuodon sijainnin.

Titanyylisulfaatin elektrolyyttisen pelkistyslaitoksen esisuunnitelma

Työssä esisuunniteltiin Kemira Pigments Oy:lle uusi titanyylisulfaatin elektrolyyttinen pelkistyslaitos. Suurin syy uuden laitoksen suunnitteluun oli nykyisen laitoksen aiheuttamat korkeat H2SO4-pitoisuudet pelkistyslaitoksen läheisyydessä. Työn kirjallisuusosassa käsitellään elektrolyysilaitteiston suunnitteluun liittyviä seikkoja ja esitellään titanyylisulfaatin elektrolyyttiseen pelkistykseen liittyvää tutkimustietoa. Ennen uuden laitoksen suunnittelua suoritettiin nykyisellä pelkistyslaitoksella koeajoja, joiden tarkoituksena oli antaa lähtötiedot uuden laitoksen suunnittelulle. Koeajot osoittivat mm., että pelkistys on edullisinta suorittaa alhaisella virrantiheydellä n. 300…400 A/m2 ja vesilaimennuksen avulla anolyytin H2SO4-pitoisuus saadaan säädettyä tasolle, jossa titaani ei saostu. Kärynpoistoyhteisiin asennettujen pesuvesisuuttimien avulla saatiin titaanin saostuminen kärynpoistokanaviin estettyä. Uudesta titanyylisulfaatin elektrolyyttisestä pelkistyslaitoksesta laadittiin mm. seuraavat dokumentit: prosessin virtauskaavio ja ainevirtakenttä, PI-kaavio, layout-kuvat laitoksesta ja sen sijoituksesta sekä rakennepiirros elektrolyysialtaasta. Hankkeelle tehtiin kustannusarvio tarkkuudella ±20 %, jonka loppusummaksi saatiin 1 489 000 €. Laitoksen vuotuisten käyttökustannuksien arvioitiin olevan n. 105 000 €. Investoinnista aiheutuvien vuotuisten annuiteettikustannusten arvioitiin olevan n. 237 000 € 16,3 % korolla.

Lisäainetehtaan tuotantoprosessin kehittäminen

Tämän diplomityön tarkoituksena oli Finnsementti osakeyhtiöön kuuluvan betonin lisäaineita valmistavan tehtaan tuotantoprosessin kehittäminen. Työssä laadittiin myynnin kasvuennusteen perusteella suunnitelma, jonka mukaan määriteltiin betonin lisäaineille ja raaka-aineille sopivat varastosäiliöt. Suunnitelman perusteella määriteltiin kiinteät putkilinjat sekä kirkkaille että tummille nesteille, jolloin materiaalihäviöt saatiin pienemmiksi ja putkilinjojen pesun tarve väheni. Lisäksi työssä otettiin huomioon tuotantoprosessin automatisointi. Suunnitellusta projektista laadittiin alustava kustannusarvio, toteutusaikataulu sekä sijoituspiirustus, putkisto-instrumentointikaavio ja 3D-piirrokset. Projektin kustannusarvioksi saatiin noin 290 tuhatta markkaa ja projektin pituudeksi noin 11 viikkoa.

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmät. Case: Kaasunerotuslaitteiston evaluointi

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmiä tarvitaan prosessien lämpötilan ja paineen hal-litsemiseen. Vesi on käytetyin lämmönsiirtoaine hyvän saatavuutensa, halvan hin-nan ja korkean lämmönsiirtokyvyn ansiosta. Jäähdytysjärjestelmät jaetaan kolmeen päätyyppiin, joita ovat läpivirtausjäähdytys, suljettu ja avoin kiertojäähdytys. Kullakin järjestelmätyypillä on tyypilliset alatyyppinsä. Avoimella kiertojär-jestelmällä on eniten alatyyppejä, joista yleisin on jäähdytystorni. Jäähdytystorneja on kolmea tyyppiä: märkä-, kuiva ja hybriditorni. Kullakin järjestelmätyypillä on ominaiset piirteensä käyttökohteiden, ympäristövaikutusten, ohjattavuuden, investointi- ja käyttökulujen suhteen, joita tässä työssä esitellään. Työssä tutkitaan teollisuuden jäähdytysjärjestelmien esittelyn lisäksi erään ali-painekaasunpoistimen soveltuvuutta suljetun kiertojäähdytysjärjestelmän kaasun-poistoon. Suljettuun kiertojäähdytysjärjestelmään jää ilmaa täyttövaiheessa ja kul-keutuu liuenneena käytettävän jäähdytysveden mukana. Muodostuva ylikylläinen seos synnyttää veden sekaan ilmakuplia, jotka aiheuttavat korroosiota kemiallisesti ja kuluttamalla. Lisäksi kaasukuplat vievät tilavuutta nesteeltä. Tämä pienentää järjestelmän jäähdytystehoa merkittävästi, koska kaasun lämmönsiirtokyky verrat-tuna veden lämmönsiirtokykyyn on pieni. Työssä esitellään myös muita mahdolli-sia suljetun järjestelmän kaasulähteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia. Alipainekaasunpoistimen kaasunerotustehokkuutta mitattiin jäähdytysvesinäyttei-den selkeytymisnopeudella ja lämmönsiirtimien tehon paranemisella. Kahden viikon tarkastelujaksolla selkeytymisajat paranivat 36–60 % eri mittauspaikoissa ja lämmönsiirtimien tehot paranivat 6–29 %. Järjestelmään kuitenkin jäi merkittävä määrä kaasua, vaikka laitteen käyttöä jatkettiin tarkastelujakson jälkeen, joten tavoitteisiin ei päästy. Tutkitun alipainekaasunpoistolaitteen ei todettu soveltuvan tehdasympäristöön kestämättömyyden, hankalakäyttöisyyden ja tehottomuuden takia. Tulokset kuitenkin osoittavat, että kaasunerotuksella on merkittävä vaikutus suljetun jäähdytysjärjestelmän toimivuuteen ja saavutettavaan jäähdytystehoon.

Sellutehtaiden höyrytasojen optimaaliset paineet

Sellutehtaiden kannattavuutta pyritään lisäämään parantamalla tehtaiden energiatehokkuutta ja tehostamalla tuotantoa. Yksi keino tehtaan sähkön tuotannon lisäämiseksi on höyrytasojen paineiden alentaminen tehtaan tuotantoprosesseissa. Tällöin höyry voidaan paisuttaa turbiinissa matalampaan paineeseen. Höyryn painetasojen alentaminen kuitenkin lisää tehtaan investointikustannuksia siirtoputkistojen kokojen ja lämmönsiirtopinta-alojen kasvaessa. Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa osana Suomen Soodakattilayhdistyksen projektia ”Skyrec – Soodakattilan sähköenergiatehokkuuden nostaminen uudelle tasolle”. Tässä diplomityössä määritetään 600 000 tonnia sellua vuodessa tuottaville Suomeen sopiville sellutehdastyypeille taloudellisesti optimaaliset höyryn painetasot. Optimaaliset höyryn painetasot määritettiin painetasojen mukaisten energiataseiden sekä investointiarvioiden perusteella. Työn taselaskennat tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Millflow-laskentasovelluksella. Matalapainetason mukaisia investointikustannuksia arvioitiin tehtaiden putkiston, haihduttamon ja kuivauskoneen osalta. Tulosten mukaan höyrytasojen paineet on taloudellisesti kannattavaa valita tehtaan laitteiston ja prosessien mukaan alhaisimmiksi mahdollisiksi. Lisäksi työssä tarkastellaan välipainehöyryn ja nuohoushöyryn paineiden alentamisen vaikutuksia tehtaan sähkön tuotantoon sekä joillekkin tehtaan prosesseille rakennettavan oman matala- tai välipainelinjan käytön kannattavuutta. Diplomityöhön kerättiin tietoa suomalaisilla sellutehtailla käytössä olevista höyryn paineista sekä syistä painetasojen valintaan.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

Vesihuollon aluesaneerausten arvottamisen kehittäminen Jyväskylässä

Vesihuoltoverkostojen ikääntyminen ja niiden kunnon heikentyminen ovat useimpien vesihuoltolaitosten ongelmia. Tekemättä jääneistä saneerauksista muodostuu saneerausvelkaa, jonka hoitaminen vaatii tehokkaita toimenpiteitä.Saneerausten tehokas kohdentaminen on tärkeää, koska käytettävissä olevat taloudelliset ja toiminnalliset resurssit ovat rajallisia. Työn tavoitteena oli kehittää laskentamalli, jonka avulla vesihuollon huonokuntoiset alueet voidaan arvottaa saneerausjärjestykseen. Tutkimusmenetelminä käytettiin vesihuollon yleisten tietojen osalta kirjallisuustutkimusta sekä toimeksiantajan verkostotietojen osalta tapaustutkimusta. Malliin valittiin arvottamisen kannalta merkittävimmät tekijät. Valinta tehtiin tekijöiden arvottamis- ja laskentakelpoisuuden perusteella. Tutkimustietojen perusteella saatiin määritettyä putkimateriaalien ikä- ja materiaalikertoimet. Niiden lisäksi laskennassa huomioidaan putkien kunnossapitotietoja. Tutkimuksen lopputuloksena saatiin kehitettyä laskentamalli, joka vastaa asetettua työn tavoitetta. Laskennan tuloksena saadaan lukuarvo, joka perustuu verkostojen ikä- ja materiaalijakaumaan sekä kunnossapitotietoihin. Suurin lukuarvo vastaa kiireellisimmin saneerattavia kohteita.

Design of a Test Stand for a Centrifugal Compressor

The goal of the Master’s thesis is to design a test stand for a centrifugal compressor. Different theoretical aspects of flow parameters measurements and test rigs built for the similar purposes in other research units are described in the theoretical part of the work. The process of components selection and the description of chosen components are given in the second part of the thesis. Besides measuring and control stages, the designed test stand has a closed-loop piping, an aftercooler and a surge tank. Overview and layout of the test rig is presented in the last chapter of the work.

EN 1090-laatuvaatimusten kartoitus ja hallinta hitsauksen laatujärjestelmän avulla

Diplomityössä tarkastellaan standardin EN 1090 vaikutuksia Bilfinger Industrial Services Finland Oy:n toimintaympäristössä ja kuinka niitä voidaan hallita hitsauksen laatujärjestelmän avulla. Työssä on myös käsitelty yrityksen pääasiallisen tuotannon eli metallisten teollisuusputkistojen valmistusta sekä laadunhallintaa yleisellä tasolla ja erityisesti hitsauksessa. Rakennustuoteasetuksen mukaisen yhdenmukaistetun standardin EN 1090-1:n siirtymäaika päättyy 1.7.2014 ja se asettaa uudenlaisia vaatimuksia teräsrakentamiseen. Rakennustuotteiden CE-merkintä ja sertifioidun laadunhallinnan järjestäminen vaikuttaa hyvin laajasti suomalaiseen metalliteollisuuteen. Työssä selvitettiin yrityksen nykyiset menettelyt ja kuinka niitä tulisi kehittää uusien vaatimusten mukaiseksi. Tietoa hankittiin keskustelemalla yrityksen henkilöstön kanssa ja tutustumalla sen toimintaperiaatteisiin. Selvitystyötä helpotti jo valmiiksi suhteellisen korkea hitsaustoiminnan laatutaso, joka johtuu vaativien asiakkaiden velvoittamasta laatutyöstä. Työn tuloksena yrityksellä on selkeä kuva miten toimintaa tulee kehittää EN 1090 vaatimusten täyttämiseksi. ISO 3834-2:n soveltaminen paineenalaisten putkistojen valmistuksessa tulee ulottaa myös teräsrakenteiden valmistukseen. Myös vaatimusten mukaisen dokumentaation luomista ja hallintaa tulee kehittää, jotta siitä ei tule liian raskasta henkilöstölle.

Vesiputkikattilan paineenalaisten osien lujuuslaskentaohjelman kehitys

Työssä kehitetään standardin EN 12952 mukaisille vesiputkikattiloiden paineenalaisille osille lujuuslaskentaohjelma. Lisäksi perehdytään putkisto-osien mitoituksen lujuusopilliseen pohjaan ja tarkastellaan vastaako standardin mitoitus sitä. Standardin EN 13480 mukaisille metallisille teollisuusputkistoille on kohdeyrityksellä käytössään mitoitusohjelma. Näin ollen työssä vertaillaan standardin EN 12952 ja EN 13480 mukaisia putkisto-osien mitoituksia. Vertailun perusteella selvitetään mitkä putkistokomponentit voidaan mitoittaa olemassa olevalla ohjelmalla. Joidenkin putkisto-osien mitoitus on standardeissa yhtenevä. Suunnittelujännitys määritetään kuitenkin eri tavalla kyseisissä standardeissa. Tämän takia kaikki yrityksen tarvitsemat putkistokomponentit ovat kirjattu kehitettyyn laskentaohjelmaan. Koska putkistokomponenttien mitoitus on yhtenevä monelta osin kyseisissä standardeissa, vertaillaan ohjelmien antamia tuloksia toisiinsa. Näin voidaan todeta kehitetty laskentaohjelma toimivaksi.