Voor het aanleggen van een warmtenet is het belangrijk dat het leidingnetwerk dat daarvoor nodig is, op de meest efficiënte manier kan worden aangebracht. Het overbruggen van grotere afstanden, zonder kostbare en ruimtevretende expansievoorzieningen, is mogelijk door leidingen met warmte voor te spannen. Hierdoor kunnen de aanleg- en materiaalkosten fors omlaag. Dit biedt kansen!

 

Dit geldt zowel voor STAAL/PUR/PE -leidingen als voor STAAL-in-STAAL leidingen met uiteenlopende lengten en diameters. Omdat thermisch voorspannen van STAAL/PUR/PE-leidingen bij horizontaal gestuurde boringen nog weinig wordt gedaan, liet Stichting Warmtenet het whitepaper ‘Thermisch voorspannen van leidingen voor warmtenetten’ schrijven over deze techniek.

 

Het whitepaper is voortgekomen uit meerdere kennissessies van de Programmaraad Techniek van Stichting Warmtenetwerk over thermisch voorspannen. De inhoud ervan is opgesteld in samenwerking met Bram Hendriksen (Amsterdam Engineering), Rik Rouweler (Vattenfall) en Rob de Vries (RdV Consult).

 

Aanleiding
Leidingen in een warmtenet zetten uit. Dat zal niemand verbazen. Een STAAL/PUR/PE-leiding (bijvoorbeeld een DN 300) van 1 kilometer lang, die open en bloot op een (wrijvingloze) leidingbrug ligt, zal bij een temperatuursverhoging van 120 °C, 1,44 meter uitzetten. Dat is 72 centimeter aan beide kanten. Ligt de leiding niet bovengronds, maar in de grond, dan zal de uitzetting slechts 12 centimeter per zijde bedragen. Dit komt door de wrijving van de grond die de uitzetting tegenhoudt, als de leiding 1 meter onder de grond ligt.

 

Voorverwarmen halveert de uitzetting
Toch is ook die 12 centimeter uitzetting te veel, omdat er dan een hoge spanning in de langsrichting van de leiding ontstaat (axiaalspanning): ongeveer 308 N/mm2 (170 ton). Een veelgebruikte manier om de uitzetting en de spanning te verlagen is het gebruik van expansielussen met expansiekussens. Deze kosten veel geld en vragen veel ruimte. Ook moeten hierbij veel mofverbindingen worden toegepast die onderhoud vragen en de kans op lekkages vergroten. Hier komt het voordeel van thermisch voorspannen om de hoek kijken.

Stel, we gaan een leiding in een open sleuf aanleggen. Eenmaal aangelegd wordt die leiding tot 70 °C verwarmd. (Een temperatuurverschil van 60 °C ten opzichte van de grondtemperatuur van 10 °C.) Daarna wordt de grond erop gestort en aangestampt. De leiding zal nu gaan krimpen, 3 centimeter per zijde. (De leiding bereikt dan zijn oorspronkelijke aanlegtemperatuur.) Wanneer de leiding in bedrijf wordt genomen, zal de temperatuur oplopen tot 130 °C, een verschil van 120 °C ten opzichte van zijn oorspronkelijke aanlegtemperatuur. Omdat de leiding bij 70 °C het punt bereikt waarop zijn krimp teniet wordt gedaan, zet hij daarna nog maar 3 centimeter per zijde uit, in totaal dus 6 cm in plaats van 12. De uitzetting en de axiaalspanning zijn door het thermisch voorspannen dus gehalveerd en vallen hiermee binnen acceptabele randvoorwaarden!

 

Bij horizontaal gestuurd boren ontbreekt de grondwrijving die de uitzetting remt
Tot zover het voordeel van het thermisch voorspannen van leidingen die in sleuven worden aangelegd. Nu gaan we kijken naar de voordelen van deze techniek bij een horizontaal gestuurde boring. Bij lange boringen kun je geen expansievoorzieningen inzetten om de uitzetting te compenseren, terwijl de noodzaak om dit te doen hier juist extra groot is. Bij het boren wordt namelijk een gladde klei/wateroplossing (bentoniet) in het boorgat gespoten, wat de omgeving van de leiding vrijwel wrijvingsloos maakt. Dit betekent dat de uitzetting net zo groot zal zijn als de leiding in ons eerste voorbeeld die open en bloot op een leidingbrug lag.

 

Hoe krijgen wij de grote verplaatsingen van de leiding aan de uiteinden van de boring kleiner?
Bij het thermisch voorspannen van een horizontaal gestuurde boring is het wel zaak om aan de beide einden van de boring te zorgen voor leidinglengte achter de boring met voldoende gronddekking. Deze lengte dient tenminste zo lang te zijn als het glijdende deel van de leiding, zodat de boring daadwerkelijk door de grond(wrijving) wordt gefixeerd. Dit glijdende deel van de leiding – het deel aan de uiteinden van een leiding dat nog in lengte uitzet – is met de formules in het whitepaper ‘Thermisch voorspannen van leidingen voor warmtenetten’ te berekenen en is afhankelijk van de gebruikte voorspanningstemperatuur.

 

Liever trekspanning dan drukspanning
Bij lange horizontaal gestuurde boringen, die zijn voorgespannen, is het belangrijk dat bij de maximale temperatuur de drukspanning niet te hoog is. In het whitepaper ‘Thermisch voorspannen van leidingen voor warmtenetten’ staan de formules waarmee de beste temperatuur voor het thermisch voorspannen kan worden bepaald. Hierbij geldt dat we liever met een hogere temperatuur verwarmen dan een lagere. Want de vuistregel is: liever trekspanning (gevolg van verhinderde krimp) dan drukspanning (gevolg van verhinderde uitzetting). De trekspanning die een leiding aankan is namelijk vele malen groter dan de drukspanning. Bij een zekere drukspanning zal de leiding namelijk uitknikken, wat bij trekspanning niet zal gebeuren. Denk aan een satéprikker die je tussen duim en wijsvinger indrukt. Zet wat kracht en hij zal buigen en uitknikken. Maar om de prikker uit te rekken, heb je niet genoeg kracht.

 

Grote voordelen op meerdere terreinen
Het grote voordeel van het thermisch voorspannen van leidingen bij horizontaal gestuurde boringen is dat je in principe onbeperkte lengten kunt toepassen. De maximale boorlengte die zonder thermisch voorspannen mogelijk is met STAAL-in-STAAL leidingen ligt nu op zo’n 1.300 meter.

Met een STAAL/PUR/PE-leiding is dit maximaal 250 meter. De lengtes die mogelijk zijn met thermisch voorspannen maken dus ook een keuze voor de voordeliger STAAL/PUR/PE-leiding (in plaats van STAAL-in-STAAL) mogelijk. Toch is niet alleen de lengte een argument.

Ook bij kortere lengten en bij de aanleg in een open sleuf, kan de keuze voor thermisch voorspannen een belangrijke optimalisatie van een project betekenen.

Met het whitepaper ‘Thermisch voorspannen van leidingen voor warmtenetten’ willen we deze mogelijkheid voor alle partijen in de wereld van warmtenetwerken ontsluiten en dit met hun input verder ontwikkelen.

 

Waar vindt u het whitepaper?
Een preview van het Whitepaper Thermisch Voorspannen van Leidingen voor Warmtenetten is hier te downloaden. Wilt u het volledige whitepaper ontvangen? Neem dan contact op met het secretariaat van Stichting Warmtenetwerk via e-mailadres secretariaat@warmtenetwerk.nl. Het volledige rapport wordt alleen aan deelnemers van Stichting Warmtenetwerk verstrekt.

 

Praktische infographic
In een handige infographic hebben we de highlights uit het whitepaper overzichtelijk voor u samengevat. Hierin vindt u een korte samenvatting over thermisch voorspannen en de voordelen die deze techniek biedt, zonder te diep de technische details te duiken. Download hier de  Infographic Thermisch Voorspannen. 

 

Thermisch voorspannen maakt projecten haalbaar en biedt kansen!