sayaç striek

YAŞLANAN BORU
HATLARININ RİSK VE
GÜVENİRLİK
DEĞERLENDİRMESİ
Prof. Dr. Selcuk Toprak
Pamukkale Üniversitesi, Denizli, TURKEY
Boru Hatları Sistemleri
İçme Suyu
l Atık Su
l Petrol
l Doğal Gaz
l Elektrik
l İletişim
l
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:
Ø 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
Ø Kırık
Hasarları
Ø Sızıntı Hasarları
Ø 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)
Bilgi
Tabanı
Toprak ve
diğ., 2011a
Sorgulama
Yöneticisi
Rehabilitasyon
Döngüsü Fiyat
Modülü
Yapısal Güvenilirlik
Modülü
Veri Yöneticisi
Senaryolar
Veritabanı
CBS
KAY
IWA / AWWA Yöntemine Göre Su Bütçesi Tablosu
Faturalandırılmış
Yasal Tüketim
Yasal
Tüketim
Faturalandırılmamış
Yasal Tüketim
Sisteme
Giren
Hacim
Faturalandırılmış Ölçülmüş Kullanım
Faturalandırılmış Ölçülmemiş
Kullanım
Gelir
Getiren Su
Faturalandırılmamış Ölçülmüş
Kullanım
Faturalandırılmamış Ölçülmemiş
Kullanım
Yasadışı Kullanım
İdari (Ticari)
Kayıplar
Sayaç Hatası
Okuma Hatası
Su
Kayıpları
İletim ve Dağıtım Hatlarındaki
Kaçaklar
Fiziksel Kayıplar
Depolardaki Kaçak ve Savaklanan
Sayaç ile Dağıtım Borusu Arasında
Bağlantı Hatlarındaki Kaçaklar
Gelir
Getirmeyen
Su
Denizli Belediyesi 2003 Yılı Su Bütçesi Tablosu
(m3/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%)
Faturalandırılmış Ölçülmüş Kullanım
13,636,509 (57.18%)
Faturalandırılmamış
Yasal Tüketim
1,178,605
(4.94%)
Faturalandırılmamış Ölçülmüş
Kullanım 1,078,605 (4.52%)
İdari (Ticari)
Kayıplar
438,320
(1.84%)
Yasadışı Kullanım
Fiziksel Kayıplar
8,596,254
(36.04%)
Faturalandırılmış Ölçülmemiş
Kullanım
0 (0.00%)
Gelir
Getiren Su
13,637,252
(57.18%)
Faturalandırılmamış Ölçülmemiş
Kullanım 100,000 (0.42%)
Sayaç Hatası
Okuma Hatası
3,095 (0.02%)
435,225 (1.82%)
İletim ve Dağıtım Hatlarındaki
Kaçaklar
Depolardaki Kaçak ve Savaklanan
Sayaç ile Dağıtım Borusu Arasında
Bağlantı Hatlarındaki Kaçaklar
Gelir
Getirmeyen
Su
10,212,436
(42.82%)
DEPREMLER
VE
BORU HASARLARI
Borularda Hasar Nasıl Oluşur?
Ø
Geçici yer deformasyonları (GYD): deprem
dalgalarının geçişi esnasında zeminin
dinamik tepkisi
Ø
Kalıcı yer deformasyonları (KYD): deprem
sonrasında zeminde oluşan ve geri
dönmeyen son yer değiştirmelerdir
l
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)
Yanal
Strike
atılım
slip
Fault
Fay
plane
düzlemi
Boru
hattı
başlıca
Pipeline
subject
eğilmeye
maruz
mainly
to bending
ss
sv
Legend
sd -Eğim
atılım
sd - Dip slip
ss -Yanal
atılım
ss - Strike slip
sv -Düşey
yer değiştirme
sv - Vertical
displacement
sh -Yatay
yer displacement
değiştirme
sh - Thrust
sd
sh
Eğim
Dip
atılım
slip
b) Perpendicular
Crossing
b) Dik Geçiş
Üç Boyutlu Görünüş
a) Three-Dimensional
View
Boru
hattısubject
basınçtove
Pipeline
compression
and bending
eğilmeye
maruz
Pipeline subject to
Boru
hattı
çekme
tension
and
bending
ve eğilmeye maruz
c) Oblique
c) EğikCrossing
Geçiş
Boru hattı
çekme
Pipeline
subject
to ve
eğilmeye
tension
andmaruz
bending
Pipeline subject to
Boru hattı basınç ve
compression and bending
eğilmeye maruz
d)d)
Parallel
Crossing
Paralel Geçiş
Boru Hatlarında Hasar
Oluşumunu Etkileyen Faktörler
Ø
Boru cinsi (malzemesi)
Örneğin, su dağıtım sistemlerinde düktil demir, dökme
demir (font), çelik, plastik (PVC) ve asbest (AÇB)
borular
Gaz dağıtım sistemlerinde çelik ve PE borular
Ø
Boru çapı
Ø
Ek türleri (örneğin kaynaklı, muflu)
Ø
Zeminden kaynaklanan korozyon
Ø
Boru yaşı vb.
Şebekedeki Boru Malzeme Yüzdesi
Farklı Şehirlerin İçme Suyu
Şebekelerinde Boru Malzeme Dağılımı
(Toprak, Koc ve Taskın, 2007)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
İzmit
(4374 km)
PVC
Asbestli çimento
İstanbul
(14099 km)
Font
Polietilen
Adana
(4571 km)
Antalya
(1625 km)
Düktil demir
CTP
Denizli
(1743 km)
Çelik
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
Ø Özellikle
kalıcı yer deformasyonu
gerçekleşen alanlarda çok yoğun
zararlar gözlenmiştir.
Ø 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.
eb = ±
eb
p 2d D
W
2
p uW 2
= ±
3 p EtD 2
Boru eksenine paralel doğrultuda KYD: Kayan Blok
Analitik Modeli (M. O’Rourke ve Nordberg (1992) )
Birim Sürtünme
kuvveti:
fm = (c + mgH)pD
Boru gömme
parametresi:
bp = (c + mgH)/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 (d) tarafından kontrol edilmektedir.
GÖMÜLÜ BORU SİSTEMLERİNİN
ANALİZLERİ,YÖNETMELİKLER,
COĞRAFİ BİLGİ SİSTEMLERİ
Yönetmelik, Standart ve
Kılavuzlar
Ø
Japon Depreme dayanıklı tasarım yönetmelikleri
Ø
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
Ø Eurocode 3 – Çelik Yapıların Tasarımı - Bölüm 4-3: Borular
Ø
Ø
ISO 16134- Düktil Demir Boruların Depreme ve oturmaya
dayanıklı tasarımı)
Ø
Türkiye’nin “Alt Yapılar için Afet Yönetmeliği”
Japonya’da Yönetmelik
Değişiklikleri
Ø
Deprem hareketleri iki seviye: seviye 1 ve 2
olarak uygulanır.
Ø
Sıvılaşma etkisiyle oluşan kalıcı yer
deformasyonları gözönüne alınır.
Ø
Performansa dayalı tasarım ve yönetim
kapsamlı olarak benimsenmiştir.
Ø
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)
Ø
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.
Ø
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 hattındaki biçim
değişikliğinin analizi
Boru biçim
değiştirebilirliği
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
Tüm alanlarda
hizmet
mevcuttur.
Hasarlı durumdaki sınırlı alanların vana ile
kapatılmasından sonra rezervuarların %70’i
kullanılır durumdadır.
Kış talep
oranlarında tüm
alanlara sürekli
tam hizmet
sağlanır.
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.
Su kalitesi
korunur.
7 gün içerisinde birkaç alana kış talep
oranlarında tam hizmet verilir. 1 ay
içerisinde tüm bölgeye kış talep oranlarında
tam hizmet verilir.
Kritik hizmet
İçme suyu ve
halk sağlığı
Evsel, ticari ve
endüstriyel
kaynak
ALT YAPILAR İÇİN AFET YÖNETMELİĞİ
(Şubat 2007)
Ø
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
Ø
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)
The fault trace passes
beneath the pipeline
between the 2nd and
3rd slider supports at
the far end of the zone
Fay
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
Up
Yatay, 20 feet
Düşey, 5 feet
En Muhtemel Lokasyon
Sağ atılım fayda eksenel
basınca sebep olur.
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 !
2000 ft
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