Kattilalaitokset ja niiden runkoratkaisut

Teknillinen korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Rakenne- ja rakennustuotantotekniikan laitos Markku Vaittinen Kattilalaitokset ja niiden runkoratkaisut Talonrakennuksen erikoistyö 11.10.2009 Työn valvoja: Professori Jari Puttonen

TIIVISTELMÄ SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO 1.1 Yleistä 1.2 Kattilatyypit 1.2.1 Kerrosleijukattila BFB 1.2.2 Kiertoleijukattila CFB 1.2.3 Soodakattila RB 1.2.4 Jätelämpökattila WHB 2. KATTILARAKENNUSTEN SUUNNITTELU 2.1 Yleistä 2.2 Kattilalaitoksien runko 2.3 Rungon teräsrakennesuunnittelu 2.3.1 Teräsmateriaali 2.3.2 Liitossuunnittelu 2.4 Rungon teräsrakennevalmistus 3. ESIMERKKIKOHDE JA LIITTEET 3.1 Esimerkkikohde 3.2 Liitteet Lähdeluettelo Liitteet 2

1 JOHDANTO 1.1 Yleistä Kattilalaitos on energian tuottamista varten rakennettu laitteisto, johon kuuluvat kattila, savuhormirakenteet, polttoaineen syöttöjärjestelmät ja muut lämmöntuottoon liittyvät laitteet. Höyrykattilan toiminta perustuu veden höyrystämiseen. Kattilan putkistoon syötetään vettä ja lopputuloksena saadaan höyryä. Vesi ei muutu putkistossa höyryksi ilman ulkopuolista lämpöä. Kattilatekniikassa lämpöä tuotetaan putkistoon pääasiassa polttoaineilla. Tuotetulla lämmöllä lämmitetään vesi kattilassa höyrystymislämpötilaan. Höyrystymislämpötilassa vesi alkaa höyrystyä. Tiettyä painetta vastaa tietty höyrystymislämpötila. Vedelle ominaisesti höyryn muodostuminen saavuttaa suurimman mahdollisen arvonsa tietyssä tilavuudessa ja lämpötilassa. Kun kaikki vesi on höyrystynyt tietyssä tilavuudessa ja sitä on niin paljon kuin tässä lämpötilassa on mahdollista, puhutaan kylläisestä höyrystä. Kylläisen höyryn kuumentamista nesteettömässä tilassa sanotaan tulistamiseksi. /1/ Kuvassa 1 on esitetty veden muuttuminen höyryksi ja edelleen tulistetuksi höyryksi lämmitettäessä sitä savukaasuilla sekä kuinka lämpötila muuttuu. Kuumempi höyry sisältää enemmän liike-energiaa ja lisää höyryturbiini pyörimisnopeutta. Kuva 1. Veden höyrystyminen ja tulistuminen kattilassa /1/ Savukaasuihin sitoutunut lämpö hyödynnetään mahdollisimman tarkkaan jäähdyttämällä sitä erilaisilla lämmönvaihtimilla. Höyrykattilatekniikassa käytettäviä lämmönvaihtimia ovat höyrystin, tulistin, syöttöveden esilämmitin (EKO) ja palamisilman esilämmitin (LUVO). Savukaasut kulkevat edellä 3

mainittujen lämmönvaihtimien läpi savukaasujen puhdistimille ja lopuksi savupiipun kautta ympäristöön. /1/ 1.2 Kattilatyypit Kattilatyypit voidaan jakaa niissä käytettävän vesitilan perusteella kahteen pääluokkaan, lieriökattilat ja vesiputkikattilat. Vesiputkikattilat jaetaan vedenkierto periaatteen perusteella luonnonkierto, pakkokierto ja läpivirtauskattiloihin. Luonnonkiertokattilat voidaan vielä jakaa polttoaineen tai tuliperärakenteen perusteella leijupeti (BFB = bubbling fluidized-bed boiler), kiertopeti (CFB = circulating fluidized-bed boiler), sekä soodakattilatyyppeihin (RB = recovery boiler). Soodakattiloissa polttoaineena käytetään mustalipeää jota syntyy paperinvalmistuksen selluloosan valmistuksessa. Jätelämpökattilatyypit (WHB = waste heat boiler) ovat yleensä pakkokiertokattiloita.. /1/ Kuvassa 2 on esitetty luonnonkiertokattilan komponentit sekä veden- ja höyrynkierto kattilassa. Kuva 2. Luonnonkiertokattilan periaatekuva /1/ Kattilan kannatustyypin valintaan vaikuttavat kattilan paino, koko sekä muodonmuutoksille asetetut vaatimukset. Kattilan tuenta voidaan jakaa kahteen päätyyppiin, ylhäältä ripustettuun ja alhaalta tuettuun kattilaan. 4

Kuva 3. Tässä tyypissä kattila on tuettu ripustamalla se kattilapalkistosta. /2 Suurehkot kattilat ovat yleensä ylhäältä ripustettuja ja pienehköt ovat alhaalta tuettuja. Suurten kattiloiden tapauksessa on erityisen tärkeää, että kattila riippuu vapaasti, jolloin sillä on riittävästi tilaa lämpölaajentua. Ylhäältä ripustettu kattila roikkuu kannatinpalkistosta kannatustankojen välityksellä. Tämän tuentatapauksen etu on se, että kattila roikkuu vapaasti kannatustankojen varassa, jolloin kattila pääsee vapaasti lämpölaajentumaan. 5

Kuva 4. Tässä tyypissä kattila on altatuettu /2 Alhaalta tuettu kattila makaa kannatuspukkien päällä, jotka vievät kuormat suoraan perustuksille. 6

1.2.1 Kerrosleijukattila BFB Kerrosleijukattila BFB on höyrykattila ja sen energiantuotto perustuu palamisesta höyryyn sidotun energian hyödyntämiseen. Tulistetutuun höryyn sitoutunut lämpöenergia hyödynnetään syöttämällä se turbiiniin jossa se paine- ja lämpötilaerojen vaikutuksesta paisuu. Näin lämpöenergia muuttuu turbiinia pyörittäväksi liike-energiaksi joka taas generaattorin avulla muutetaan sähköenergiaksi. Turbiinin läpi virrannutta höyryä voidaan käyttää kaukolämpövaihtimilla tuottamaan kaukolämpöä tai sitä voidaan hyödyntää suoraan lämmitykseen. Kuva 5. Riiputetun kerrosleijukattilan BFB poikkileikkaus /2/ Kerrosleijukattilaa käytetään voimantuotannossa ja se on suunniteltu polttoaineille, joilla on korkea tuhkapitoisuus, vaihtelevat palamisarvot ja kosteus. Polttoaineina voidaan käyttää erilaisia biopolttoaineita kuten sahanpurua, hakkuujätettä, kuorta, turvetta ja lietettä. Kerrosleijuteknologia mahdollistaa myös eri polttoaineiden rinnakkaispolton. Kattilan hyötysuhde riippuu poltettavasta polttoaineesta, mutta on tyypillisesti 90% luokkaa. Polttoaineen palaminen saavutetaan kerrosleijukattiloissa yli 99% tehokkuudella. Kerrosleijuteknologiassa tulipesään puhalletaan ilmaa vesijäähdytteisissä ilmapalkeissa olevien primääri-ilmasuuttimien kautta. Ilma saa tulipesän pohjalla 7

olevan hiekkapediksi kutsutun vajaan metrin hiekkakerroksen leijumaan. Kattilan käynnistyksen yhteydessä hiekkakerros kuumennetaan starttipolttimien avulla, sillä sen tehtävä on mahdollistaa polttoaineen tehokas kuivuminen ja syttyminen. Pienimmät polttoainepartikkelit palavat jo hiekkapedin yläpuolella, kun taas jäännöshiili ja suuremmat polttoainepartikkelit sen sisällä. Kerrosleijukattilalaitokset ovat kokoluokasta riippuen tyypillisesti 20-60 metriä korkeita. Pienimissä kerrosleijukattiloissa kattilan painerunko on altatuettu, jolloin sen kuormat kantaa kattilapukki. Näin ollen myös lämpöliikkeet tapahtuvat ylöspäin. Keskikokoiset ja suuret kerrosleijukattilat ovat riiputettuja kattilapalkistosta, jolloin niiden painerungon lämpöliike tapahtuu alapäin. /2/ 1.2.2 Kiertoleijukattila CFB Kiertoleijuteknologiaan perustuvassa voimakattilassa, CFB-kattilassa, polttoaineena voidaan biomassa kanssa käyttää fossiilisia polttoaineita kuten hiiltä sekä ruskohiiltä. Kiertoleijukattilassa hiekka ja sen mukana polttoaine kiertävät tulipesän pohjalta syklonin pohjalle ja hiekkalukkoon, josta ne palautetaan takaisin kiertoon. Hiekan kierto tehostaa polttoaineen palamista ja tasaa kattilan lämpötilaeroja, jolloin myös palamishyötysuhde kasvaa. /2/ Kuva 6. Riiputetun kiertoleijukattilan CFB poikkileikkaus /2/ Suurin ero kerrosleijukattilaan on hiekan käytössä ja sen perusteella tarvittavista sykloneista, jotka erottavat savukaasut hiekasta ja palamattomista 8

polttoainepartikkeleista. Hiekka ja palamattomat polttoainepartikkelit erottuvat savukaasuista painonsa perusteella, virratessaan alaspäin syklonia ympäri. Savukaasut nousevat syklonin keskiputkea pitkin ylös. 1.2.3 Soodakattila RB Soodakattiloita RB toimitetaan paperi- ja selluteollisuuden asiakkaille. Polttoaineena soodakattilassa käytetään sellun keiton yhteydessä syntyvää mustalipeää, joka on merkittävä biopolttoaine Suomessa. Soodakattilan tärkein tehtävä on sellun keittokemikaalien kierrätys ja mustalipeän poltosta saadun energian talteenotto. Poltossa vapautuva lämpöenergia käytetään höyryn tuottamiseen. Höyry voidaan käyttää sellutehtaan prosessihöyrynä lämmittämiseen ja lisäksi höyrystä saadaan turbiinien avulla sähköä. Kemikaalien ja lämmön talteenotto ovat periaatteessa toisistaan riippumattomia prosesseja, mutta ovat sellutehtaiden suuren energiankulutuksen ja keittokemikaalien korkean hinnan takia yhdistettynä. /2/ Kuva 7. Riiputetun soodakattilan RB poikkileikkaus /2/ 9

Sellutehtaiden tuotantokapasiteetit ovat olleet jatkuvassa kasvussa, mikä on johtanut myös aina vain suurempiin soodakattiloihin. Ne on yleensä aina riiputettu kattilapalkistosta, joten sen painerunko lämpölaajenee alaspäin. 1.2.4 Jätelämpökattila WHB Jätelämpökattila on englanniksi Waste Heat Boiler, josta tulee lyhenne WHB. Jätelämpökattilat ovat yleensä tyypiltään pakkokiertokattiloita. Jätelämpö voi syntyä jonkin teollisuusprosessin tuotteena esimerkiksi metallurgisessa liekkisulatusmenetelmässä. Syntyvät palokaasut ovat normaalia kuumempia ja sisältävät epäpuhtauksia. Palokaasujen epäpuhtaudet kuluttavat kattilaa enemmän ja siksi kattilalta vaaditaan erikoisempaa rakennetta. 2 KATTILARAKENNUSTEN SUUNNITTELU 2.1 Yleistä Teollisuusrakennusten suunnittelu on varsin haasteellista. Prosessi, jonka ympärille rakennus suunnitellaan, asettaa tiukat rajat. Rakennukset ovat kookkaita ja näkyvät usein kauas, mikä tekee niistä maamerkkejä ja vaativia suunnittelukohteita. Toisin kun tavanomaisessa rakennussuunnittelussa arkkitehdin osuus kattilalaitosprojektissa on varsin vähäinen. Rakennuksen suunnitteluun vaikuttavat tekijät muodostuvat pääasiassa laitoksen prosessien vaatimien laitteiden ja rakenteiden tarpeen mukaan. Kattilalaitosprojekteissa arkkitehti toimii lähinnä kuorisuunnittelijana. Kattilalaitoksen rakenteet määräytyvät täysin kattilalaitoksen prosessien vaatimien laitteiden ja järjestelmien mukaan. Rakennustehtäpiirustusten perusteella teräsrakennesuunnittelija suunnittelee rakennuksen rungon. Yleisenä kehityssuuntana on siirtää kattilalaitoksia tuotemalliksi. Asiakkaalle tarjotaan yrityksen moduloidusta tuoterakenteesta valittavia vaihtoehtoja. Kattiloiden pääperiaatteet ovat pysyneet jokseenkin samoina, joten kilpailuetua haetaan esimerkiksi lyhyemmästä toimitusajasta ja helpommasta huollettavuudessa. Kustannustehokkuuden keinona on myös siirtyminen edullisen työvoiman maihin niin suunnittelun, tuotannon kuin materiaalinkin hankinnan osalta. 10

Subcritical Drum Type Units Once-Through Units Supercritical Units Kuva 8. Moduloitua laitostuoterakennetta /3/ Suurimpia kattilalaitostoimittajia maailmassa ovat Metso Power, Foster Wheeler, Mitsubishi, Andritz ja Austrian Energy & Environment. Kuva 9. Kattilalaitoksen osa-alueet ja niiden yhdistyminen 3D-mallissa /2/ Kattilalaitoksien suunnittelussa 3D-tuotemallin tärkeys on merkittävä. Kattilalaitoksesta luotua visuaalista 3D-mallia suunnittelijat käyttävät pohjatietonaan ja eri suunnitteluosa-alueiden suunnitelmia pystytään yhdistämään siihen siirtotiedostoina. Kuvassa 9 kuvataan eri suunnitteluosa-alueiden liittymistä samaan 3D-malliin. Kattilarakennuksen valtavan laite-, putkisto- ja kanavamäärän takia tietokoneavusteinen suunnittelu tehdään 3D-malliin. Tilantarpeiden määrittäminen ja törmäysten huomaaminen on siten helpompaa. Laitos-, painerunko-, automaatio- ja LVIS-suunnittelu ovat jo pitkällä ennen kuin rakennesuunnittelija aloittaa rungon suunnittelun. 11

3D-kuvien havainnollisuus ja ymmärrettävyys on helpottanut oleellisesti monimutkaisten ja teknisesti vaativien rakenteiden suunnittelua ja toteutusta. Kun suunnittelu 1980-luvun alussa oli lähes täysin käsityötä, on tietokoneavusteisen suunnittelun osuus teräsrakenteiden suunnittelussa nykyään yli 80 prosenttia. Tämä on parantanut oleellisesti myös laskelmien tarkkuutta ja lisännyt rakenteiden optimointia. Tietotekniikan avulla pystytään tuottamaan piirustusteknisesti laadukkaampia, virheettömämpiä ja valmistusta paremmin palvelevia suunnitelmia. Suunnitelmien sisältö ei sen sijaan oli juurikaan muuttunut, sillä jo 1980-luvulla teräsrakennepiirustuksissa esitettiin yleisesti myös kaikki valmistuksen edellyttämät yksityiskohdat reikineen ja viisteineen. Tietotekniikan hyödyntämisen ansiosta teräsrakenteiden suunnittelun vaatima aika on parinkymmenen vuoden aikana pienentynyt muutamia kymmeniä prosentteja. Kehityksen varjopuoli on, että suunnittelijasta on toisaalta tullut ohjelmien vanki. Ohjelmat syntyvät tarpeisiin nähden yleensä jälkikäteen, ja ohjelmien ulkopuolelle jäävien ratkaisujen käsittely on hyvin vaikeaa. /6/ Kattilalaitoksen merkittäviä suunnittelun kannalta olevia prosessilaitteita ovat polttoainesiilot, hiekka-kalkki-tuhkasiilot, lieriö, syve sekä luvo. Polttoainesiilot, joita voi olla suuressa laitoksessa 3-4 kappaletta, painavat 40-60 tonnia kappale. Sisältö painaa niissä kussakin 1-3 MN. Syöttöveden esilämmittimeltä lämmennyt syöttövesi johdetaan lieriöön, josta vesi johdetaan laskuputkia pitkin tulipesää ympäröivien höyrystinputkien alapäähän. Höyrystinputkista kylläisen veden ja vesihöyryn seos palaa takaisin lieriöön. Lieriöstä lähtevä veden laskuputki ja tulipesää ympäröivä höyrystinputkisto muodostavat yhtenäisen putkiston. Lieriön paino on noin 40-120 t sekä laskuputkiston noin 100 tonnia. Esimerkkinä muista mainittakoon syvesäiliön oma paino on noin 40 tonnia sekä sisältö 2-4 MN, luvo 2 MN/kpl. 2.2 Kattilalaitoksien runko Kattilalaitoksien runkotyyppi on diagonaalien ja tasojen avulla jäykistetty teräsrunko. Kattilalaitoksen runko muodostuu seinä-, kattila-, tasopilareista kattilan kannatinpalkeista, välitasorakenteista ja rungon jäykistävistä rakenteista. Kattilalaitoksen rungon kokoon vaikuttaa kattilatyyppi ja kattilan koko. Tyypillisesti kattilalaitosten rungon pituudet ja leveydet ovat välillä 20-60m ja korkeudet 20-80m. Teräsrunko on kattilalaitoksissa tavanomaisesti jaettuna korkeuden mukaan 2-5 asennuslohkoon, jotka ovat pituudeltaan noin 12 metriä. Asennus tapahtuu vaiheittain lohko kerrallaan. /4/ Seinäpilarit sijaitsevat kattilarungon ulkoseinillä ja niille tulee kuormitus hoitotasojen tasokuormista ja tuulikuormasta. Kattilapilarit sijaitsevat yleensä rakennuksen sisällä olevan kattilan ympärillä ja niille johdetaan kattilan kannatuskuormat kattilan kannatuspalkkien tai ristikkojen välityksellä. Seinäpilarit ovat yleensä kuumavalssattuja tai hitsattuja I-profiileja, joiden korkeus on yleensä noin 300-400 mm. Kattilapilarit ovat yleensä hitsattuja koteloprofiileja, esimerkiksi 600x600 mm. Toinen erityisesti Yhdysvalloissa paljon käytetty kattilapilarin profiili on ristiprofiili, joka on valmistettu hitsaamalla kaksi T-poikkileikkausta hitsatun I- 12

poikkileikkauksen uumaan. Tämän poikkileikkauksen etuja ovat yksinkertaisemmat liitokset verrattuna koteloprofiilliin. Seinä- ja kattilapilareiden lisäksi voi kattilalaitoksen sisällä olla myös tasopilareita tukemassa välitaso rakenteita. /4/ Kattilan kannatinpalkkien tehtävänä on siirtää kattilan kannatuskuormat kattilapilareille. Kattila roikkuu palkeista terästankojen varassa. Kattilan kannatinpalkit muodostuvat primääri-, sekundääri- sekä tertiääripalkeista. Primääripalkit ovat yleensä massiivisia hitsattuja I-palkkeja, joiden korkeudet voivat olla useita metrejä. Sekundääri- ja tertiääripalkit ovat joko hitsattuja tai kuumavalssattuja I-profiileja. Kattilapalkiston kokonaispaino saattaa olla useita satoja tonneja. Kattilarungon välitasot ovat pääasiassa terästasoja. Joissakin tapauksissa, erityisesti soodakattiloissa, voi pari alinta välitasoa olla betonitasoja ja ylemmät tasot terästasoja. Betonitasot ovat joko betonielementtejä tai paikallaan valettuja teräsbetonilaattoja. Betonitasojen etuja ovat palon kestävyys ja räjähdyssuojaus. Haittoja ovat suuri omapaino ja läpivientien vaikeus. Terästasojen etuina on niiden helppo muunneltavuus vaatimusten mukaan. Terästasot ovat yleensä ritilärakenteisia tai joskus myös kohokuvioitua teräslevyä Tasojen primääri- ja sekundääripalkkeina käytetään pääasiassa kuumavalssattuja I-profiileita. Ulkoseinät ovat yleensä pelti-villa-pelti -sandwich-elementtejä. Kattilalaitoksen jäykistyssysteemiä valittaessa on kiinnitettävä huomiota, että runko pitää olla jäykistetty ennen laite- ja kattila-asennuksia. Tämän vuoksi jäykistys hoidetaan pääsääntöisesti ulkoseinillä sijaitsevilla vinositeillä. Näin pystytään järjestämään riittävän suuria aukkoja kattila- ja laite-asennuksia varten. Vinositeinä käytetään sekä kuuma- että kylmävalssattuja profiileita. Jäykistyksenä voidaan käyttää hyväksi myös kattilarungon ulkoreunoilla sijaitsevaa porras- tai hissikuilua. Se ei kuitenkaan yksin riitä jäykistämään kattilanrunkoa. /4/ 13

Kuva 10. Kattilalaitoksen jäykistyssysteemi. Seinäjäykistyksenä vinositeet ja vaakajäykistyksenä hoitotasot. B betonilaattajäykistys, C ja D rengaspalkkijäykistys, E ristikkotasojäykistys. /4/ Kattilarungon tasojäykistys voidaan hoitaa usealla eri jäykistystavalla. Jäykistämistasoina käytetään hoito- ja kattotasoja. Jäykistystapoina ovat ristikko-, rengaspalkki- tai betonilaattajäykistys. Yleisimmin käytetty ristikkojäykistys muodostuu hoitotasojen primääri- ja sekundääripalkeista sekä vinositeistä. Rakennuksen runko on vaakajäykistetty ristikkojäykisteillä yleensä yhdestä tai useammasta eri tasosta. Ensimmäinen jäykistystaso voi olla esimerkiksi tasolla +23.500, toinen +42.000 ja kolmas kattilapalkiston alareuna korossa +54.500. Itse kattila on vaakatuettu jäykistävien tasojen kohdilta rakennuksen runkoon stopparein. 14

Kuva 11. Jäykistys pilarien välisin diagonaalein Pystyjäykistys hoidetaan yleensä rakennuksen ulkoseinillä olevilla vinositeillä. Pilarien väliset jäykistysjärjestelmät muodostuvat diagonaaleista, jotka ovat joko yksittäin kentissä tai muodostavat ristin tai K-kuvion tai sitten diagonaalien päät eivät ole nurkissa. Ristikkojärjestelmien etu on, että jäykistyssauvoihin vaikuttaa vain veto tai veto ja puristus eikä lainkaan taivutusmomenttia. Seurauksena on, että sauvat ovat suhteellisen keveitä, mutta ne jäykistävät rakenteen erittäin tehokkaasti. Kun diagonaalien päät eivät ole nurkissa, järjestelmässä turvaudutaan osittain vaakapalkkien taivutustilaan. Juuri tällä järjestelyllä saavutetaan sitkeämpi rakennekokonaisuus, joka on tehokkaimmillaan seismisessä kuormituksessa. Kun kentässä käytetään yksittäistä jäykistysdiagonaalia, sen täytyy pystyä kestämään sekä veto- että puristusvoimaa tuulikuorman vaihtelevan suunnan takia. Tässä tapauksessa suositetaan, että jäykistyssauvan geometrinen hoikkuus olisi enintään 250, jotta jäykisteen omasta painosta aiheutuva taipuma ei rajoittaisi sen puristuskestävyyttä. Vaikka puristettuina jäykisteinä voidaan käyttää monia erilaisia profiilimuotoja, niin pyöreä putkiprofiili on rakenteellisesti tehokkain. On syytä huomata lisäksi, että putkiprofiililla on parempi korroosiokestävyys ja se voi olla ulkonäöltään miellyttävämpi kuin avoimet profiilit. Ristiin jäykistetyissä järjestelmissä jäykistyssauvojen tarvitsee kestää vain vetoa. /5/ 2.3 Rungon teräsrakennesuunnittelu 2.3.1 Teräsmateriaali 15

Teräsrakentaminen on kehittynyt kaikilla osa-alueillaan valtavasti viimeisten vuosikymmenten aikana. Teräksestä on tullut luonnollinen vaihtoehto moniin käyttötarkoituksiin ja tietyissä käyttökohteissa se on hallitseva materiaali. Tämä on edellyttänyt alan teollisuudelta järjestelmällistä ja pitkäjänteistä työtä yritysten tuotekehityksessä sekä alan yleisten toimintaedellytysten kehittämisessä. /6/ Kuva 12. Kattilalaitokset ovat teräsrakenneteollisuudelle tärkeä vientituote. Kuvassa Alhoman kattilalaitoksen teräsrakenteita asennusvaiheessa. /6/ Käytetyin lujuusluokka teräsrakentamisessa on pitkään ollut S355, jonka myötölujuus on 355N/mm 2. Siirtymistä lujempiin teräksiin on kuitenkin havaittavissa. Ohjeiden B7 mukaisissa teräsrakenteissa voidaan käyttää teräksiä myötölujuuteen 420 saakka, ja varmennettujen käyttöselosteiden kautta S460 lujuusluokan teräkset ovat nykyään yleisen hyväksynnän piirissä. Tyypillinen piirre materiaalien käytössä on ollut niobilla mikroseostetun teräksen lisääntyvä käyttö. Mikroseostuksen avulla teräkseen saadaan edullinen hienorakeinen mikrorakenne, joka parantaa lujuutta ja sitkeyttä hitsattavuuden kärsimättä. Varsinaisissa hienoraerakenneteräksissä lujuutta ja sitkeyttä parannetaan mikroseostuksen lisäksi lämpökäsittelyillä, kuten normalisoinnilla ja termomekaanisella valssauksella. Myös näiden terästen käyttö on lisääntymässä. /6/ 16

Ominaisuuksiensa puolesta teräs soveltuu mitä mielikuvituksellisempiin rakenteisiin. Vaikeat statiikan ratkaisut ja rakenneratkaisujen hankala mallintaminen ovat rajoittaneet suunnittelijoiden vapautta ja mahdollisuuksia hyödyntää täysimääräisesti teräksen tarjoamia mahdollisuuksia. Tietokoneiden laskentakapasiteetin vallankumouksellisen kehityksen myötä mitoitusohjelmat ovat kehittyneet huimasti, ja nykyään pystytään analysoimaan entistä vaikeammat rakenteet. Teräsrakennepiirustukset tuotetaan nykyään esimerkiksi Tekla Oy:n Tekla structure-ohjelmalla. Ohjelmasta saadaan osien leikkaus- ja rei'itystiedot konepajalle sähköisessä muodossa. Kokonaismalli siirretään myös kattilatoimittajalle törmäystarkastelua varten Tämä on helpottanut vaativien insinöörirakenteiden suunnittelua, missä teräs on usein käytännöllisesti katsoen ainoa mahdollinen materiaali. Kehitys on myös lisännyt teräsrakenteiden arkkitehtonista käyttöä. Näkyviin jääviä näyttäviä teräs- ja metallirakenteita on nykyään paljon myös muista materiaaleista valmistetuissa rakennuksissa. /6/ 2.3.2 Liitossuunnittelu Rungon työmaalla tehtävät liitokset ovat pääosin ruuviliitoksia, jotka mahdollistavat nopean asentamisen, kun kyseessä on konepajalla esivalmistettuja kokoonpanoja. Ruuviliitosien etuja ovat myös riippumattomuus asennuksen aikaisesta sääolosuhteista ja asentajilta ei vaadita erityisosaamista. Ruuviliitoksien käytössä on kutenkin otettava huomioon, että osien mittatarkkuus on oltava hyvin korkea ja liitoksissa ei ole säätövaraa asennusvaiheessa. Teräksen etuja materiaalivalinnan kannalta ovat erittäin korkea esivalmistusaste ja siten nopea rungon asennus sekä rakenteiden keveys ja tilantarve. Muita etuja ovat mm. teräsmateriaalin hyvä muunneltavuus. Liitostarvikkeissa ollaan siirtymässä entistä lujempiin tuotteisiin. Esimerkiksi raskaasti kuormitetuissa palkeissa käytetään jo 10.9 lujuusluokan ruuvituotteita, vaikka 8.8 lujuusluokka onkin edelleen vallitseva ruuvituotteissa. /2, 6 / Ristiin jäykistetyissä järjestelmissä jäykistyssauvojen tarvitsee kestää vain vetoa. Siten voidaan käyttää hyvin keveitä umpinaisia sidetankoja tai lattateräksiä. Kuvassa 13 esitetään ristiin jäykistettyihin järjestelmiin sopivia kiinnitysdetaljeja, kun taas kuvassa 14 esitetään K-jäykistettyihin järjestelmiin sopivia rakennedetaljeja. 17

Kuva 13. Ristikkäisdiagonaalijärjestelmän yksityiskohtia. /5/ Kuva 14. K-jäykistysjärjestelmän rakenneyksityiskohtia. /5/ Yksinkertaisen sauvarakenteen eri osien väliset liitokset ovat suhteellisen helpot valmistaa, ja ne voidaan helposti tehdä työmaalla. Täten yksinkertaiset sauvarakenteet voidaan pystyttää hyvin nopeasti ja tehokkaasti. Kun palkkien ja pilareiden välinen liitos ei siirrä momenttia, niin rakenteen jäykistäminen pystytyksen aikana voi tuottaa joukon ongelmia. Usein on tarpeen järjestää rakenteeseen tilapäisjäykistys, jotta saataisiin tarpeellinen poikittaiskestävyys, kunnes pysyvä jäykistysjärjestelmä asennetaan. Selvästikin rakenteen yleisratkaisu ja erityisesti pysyvien jäykistysjärjestelmien sijoitus vaikuttaa valmistusjärjestykseen, materiaalien toimitukseen työmaalle ja asentamiseen. Vaikutukset rakentamisohjelmaan on siksi otettava huomioon kehiteltäessä 18

kantavan rungon periaateratkaisua. Yksi eniten asentamisen tehokkuuteen ja nopeuteen vaikuttavia tekijöitä on erillisten osien lukumäärä. Kun osien määrä on suuri, nosturien käyttötarve on suuri, mikä on suuri kustannustekijä asennusprosessissa. Rakennekaavio ja sauvarakenneratkaisu pitää siksi valita siten, että asennettavien osien lukumäärä on mahdollisimman pieni. /5/ Mahdollinen osien kokoaminen maassa ja nostaminen isompana kokonaisuutena paikalleen, nopeuttaa myös asennusta. Esimerkiksi kattilarakennuksen ja turbiinirakennuksen väliset kulkusillat voidaan koota maassa ja nostaa kokonaisina paikoilleen. Palkki-palkki- ja palkki-i-pilari -liitoksissa voidaan käyttää pultattavia L-teräksiä liitoskappaleina. Tällaisten liitosten etuna on se, että hitsattavien liitososien määrä pienenee. Vastaavasti asennusosien ja pulttien määrä on suuri. Kuva 15. L-teräsliitos Muita palkkiliitoksia ovat esimerkiksi uumalevyliitos ja päätylevyliitos. Kuva 16. Palkin pääätylevyliitos, jossa käytetty leikkauspalaa sekä uumalevyliitos 19

2.4 Rungon teräsrakennevalmistus Rakenne- ja liitosratkaisuja valittaessa on suunnittelussa otettava entistä enemmän huomioon valmistustekniikan asettamia vaatimuksia. Vaatimuksissa alkaa olla valmistajien välisiä eroja, sillä teräsrakennetehtaat erikoistuvat koko ajan. Teräsrakenneala on ollut edelläkävijä tuotetietojen siirron kehittämisessä. Organisaatioiden välinen sähköinen tiedonsiirto on jo osin rutiinia ja yleistyy jatkuvasti. Teräsrakenteiden valmistus on koneistunut merkittävästi ja vastaavasti käsityön osuus on vähentynyt. Robotteja hyödynnetään valmistuksessa yleisesti, ja saha- ja poralinjojen tarkkuus sekä työn jälki ovat näin oleellisesti parantuneet. Tämä on puolestaan parantanut mittatarkkuutta ja rakenteiden yhteensopivuutta, mikä helpottaa monimutkaisten ja vaativien teräsrakenteiden valmistusta ja asennusta. Suunnittelijalta tuleva tieto ohjaa työstökoneita usein automaattisesti käsin koskematta. Teräsrakenteiden valmistajat ovat erikoistumassa tiettyihin tuotteisiin ja liitosratkaisuihin, jotka sopivat omaan tuotantotekniikkaan. Yleisenä kehityspiirteenä näyttää olevan pyrkimys vähentää hitsaustyötä ja hyödyntää ruuviliitoksiin perustuvia liitoksia, joiden valmistustekniikkaa voidaan automatisoida hyödyntämällä robottilinjoja reikien porauksessa. Tämä vaikuttaa myös rakenteiden suunnitteluun. Valmistajat ovat viime aikoina hankkineet käyttöönsä myös suunnitteluosaamista, mikä on ollut tarpeen esim. tuoteosakauppaan perustuvissa toimintamalleissa. Tietotekniikkaa hyödyntämällä on voitu parantaa myös materiaalin käytön tehokkuutta ja jäljitettävyyttä. /6/ Kuva 17. Alstomin toimittama kattilalaitos, jossa vinositeet kattilarungon yhteydessä. /3/ 20

Voimalarakennukset ovat lähes tyystin teräsrakenteisia ja poimulevyin verhoiltuja. Teräsrakenteita suositaan, koska kattilalaitoksen rakentaminen on lähes aina toimintaverkon kriittisellä polulla. Kattilan runko on keskeinen osa aikataulussa, koska se tukee itse kattilaa ja on suunniteltu juuri sitä varten. /7/ 3 ESIMERKKIKOHDE JA LIITTEET 3.1 Esimerkkikohde Esimerkiksi tässä työssä otettiin kohde, jossa on yhdistetty soodakattila ja voimakattilarakennus (Recovery and Power Boiler building). Rakennus käynnistyi alkuvuodesta 2009 ja sijaitsee etelä-euroopassa. Tasot on jaettu ao. mukaan. Kattilapalkkitasot ovat tasoilla +134.900 (PB) ja +158.800 (RB). Rakennuksen jäykistystasot sijaitsevat rastilla merkityillä korkotasoilla. Taso +112.300 on osittain betonitaso ja muut ristikkotasojäykisteisiä. Elevation marking Horizontally stiffned +104.550 a 1 st erection section +107.300 b +112.300 c X +115.500 d 2 nd erection section +119.300 e +122.300 f +125.900 g X +130.900 h 3 rd erection section +134.900/ PB BOILER BEAMS j X +137.900 k 4 th erection section +140.900 l +143.900 m +146.900 n X +149.700 p 5 th erection section +151.700 q +158.800 RB BOILER BEAMS r X +163.800 ROOF s Tasokuormina on käytetty seuraavan mukaisia kuormia: Live loads Concrete platforms uniform load 10.0 kn/m 2 Gratings uniform load 5.0 kn/m 2 Point load 7.5 kn Beams on steel platforms uniform load 5.0 kn/m 2 Point load 7.5 kn 21

Stairs and landings uniform load 5.0 kn/m 2 Point load 5.0 kn Roof uniform load 1.0 kn/m 2 Point load 10.0 kn/m 2 3.2 Liitteet Liitteissä on esitelty kohteen toteutukseen liittyviä erilaisia piirustuksia. Kohteen layout-piirustuksissa tilaaja määrittelee eri suunnittelijoille rakennustehtävän. Tähän perustuen rakennesuunnittelija suunnittelee ja mitoittaa rakennuksen rungon. Rungosta tehdään asennuspiirustus, jossa jokaiselle kokoonpanolle näytetään sijainti ja asennustapa. Erillisistä teräsosista ja niistä muodostuvista kokoonpanoista laaditaan taas konepajapiirustukset. Jokainen yksityiskohta suunnitellaan ja toteutetaan sen mukaan. Kuviin on merkitty alapuolelle selitysteksi mitä niissä esitetään. 22

Lähdeluettelo /1/ Lahtinen Onni, Membraneseinän ohituspiirustusten ohjeistus. Tutkintotyö, Tampereen ammattikorkeakoulu, Kone- ja tuotantotekniikan koulutusohjelma. 2007. 54s /2/ Salo Pekka, Hybex-kattilalaitoksen rungon perussuunnittelun ja 3Dmallintamisen kehittäminen. Tutkintotyö, Tampereen ammattikorkeakoulu, Rakennustekniikan koulutusohjelma. 2009. 86s /3/ Dipl.-Ing. Thomas Dressel, Technische Entwicklung und Anwendungen im Kraftwerksbau Deutscher Stahlbautag 2006 / Dresden, Alstom /4/ Hannila Petri, Kattilalaitoksen teräsrunkopilareiden mitoitus. Tutkintotyö, Teknillinen Korkeakoulu, Teräsrakennetekniikka. 1998. 73s /5/ ESDEP-työryhmä 14, Rakennejärjestelmät: rakennukset, luento 14.10, Yksinkertaiset jäykistetyt sivusiirtymättömät monikerroksiset rakennukset, Teräsrakenneyhdistys /6/ Kalamies Unto, Teräsrakennetekniikan kehitys Suomessa. Teräsrakennelehti 1-2002, Teräsrakenneyhdistys /7/ ESDEP-työryhmä 1B, Teräsrakentaminen, suunnittelun perusteet, luento 1B.5.2, Erikoisteollisuusrakennuksien suunnittelun perusteet, Teräsrakenneyhdistys 23

Liitteet Liite sivut 23-28 Liite sivut 29-31 Liite sivut 31-34 Liite sivut 35-36 Liite sivu 37 Kattilalaitoksen arkkitehti-, layout- ja luonnospiirustuksia Kattilalaitoksen teräsrungon asennuspiirustuksia Teräsrakenteiden detaljipiirustuksia Konepajapiirustuksia Tyypillisesti käytettävät teräsmateriaalit 24

Kattilalaitoksen luonnospiirustus 25

6 5 4 6 1 1 6 6 9 3 8 7 2 6 6 6 6 6 6 6 6 6 5 6 6 6 Kattilalaitoksen arkkitehtipiirustus 26

Kattilalaitoksen laitteet ja putkistot 27

Kattilalaitoksen kanavat, laitteet sekä putkistot 28

Kattilalaitoksen leikkauspiirustus 29

Kattilalaitoksen savupiipun layout-piirustus 30

Kattilalaitoksen teräsrakenteen asennuspiirustus jäykistävältä linjalta 31

Kattilalaitoksen teräsrakenteen asennuspiirustus jäykistävältä tasolta 32

Kattilalaitoksen teräsrakenteen asennuspiirustus kattilapalkkitasolta 33

Kattilalaitoksen linjasideliitoksen detalji-piirustus 34

Teräsrakenteen palkki-palkki-uumalevyliitoksen detaljipiirustus 35

Teräsrakenteen pilari-palkki-liitoksen detaljipiirustus 1 Teräsrakenteen pilari-palkki-liitoksen detaljipiirustus 2 36

Kattilalaitoksen linjasiteen kokoonpanon konepajapiirustus Kattilalaitoksen kattilapilarin kokoonpanon konepajapiirustus

Kattilalaitoksen jäykistävän linjan seinäpilarin kokoonpanon konepajapiirustus 38

Yritys AB OY PROJECT RB and BFB proj. number: By: Date: Rev Rev date: TYPICAL EUROPEAN ROLLED PROFILES AND PLATE MATERIALS TO BE USED IN BOILER BUILDING STEEL DESIGN: Hot rolled profiles: Hot-rolled IPE-beams (narrow flange), Standard -- IPE160 Grade S235JRG2 IPE180, IPE200, IPE220, IPE240, IPE270, IPE300, IPE330, IPE360, IPE400Grade S355J2G3 Hot-rolled HEA-beams (wide flange), Standard -- HEA160 HEA180, HEA200, HEA220, HEA240, HEA260 HEA280, HEA300, HEA320, HEA340, HEA360, HEA400 Hot-rolled HEB-beams (wide flange), Standard -- HEB160 HEB180, HEB200, HEB220, HEB240, HEB260 HEB280, HEB300, HEB320, HEB340, HEB360, HEB400 Hot-rolled UNP-beams, Standard -- UNP160 - UNP400 Hot-rolled equal-leg L-profiles (angles), Standard - L50x50x5 L70x70x7 L100x100x10 L120x120x12 Grade S235JRG2 Grade S355J2G3 Grade S355J2G3 Grade S235JRG2 Grade S355J2G3 Grade S355J2G3 Grade S235JRG2 Grade S235JRG2 Grade S235JRG2 Grade S235JRG2 Grade S235JRG2 Unequal-leg L-profiles (angles), Standard - L150x75x9 (angle of handrail toe plate) L150x60x6 (toe plate, cold formed) Tear plate PL6*1500*6000 Regtangular tube section CFRHS60*60*4 CFRHS80*80*4 CFRHS100*100*4 CFRHS 120*120*4 CFRHS 150*150*5 CFRHS 180*180*5 CFRHS 200*200*6 CFRHS 220*220*8 CFRHS 250*250*8 CFRHS 250*250*10 CFRHS 300*300*10 CFRHS 300*300*12.5 Handrail tubes CFCHS48.3*3.2 CFCHS33.7*3.2 Curves according strandard? (DIN2605) CFCHS48.3*3.2 : bending radius 57 CFCHS33.7*3.2 : bending radius 38 Grade S235JRG2 Grade S235JRG2 Grade S235JRG2 Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S355J2H Grade S235JRG2 or Fe 200 Combi or S185 Grade S235JRG2 or Fe 200 Combi or S185 USED PLATE MATERIAL FOR WELDED SECTIONS AND CONNECTION PLATES: THICKNESS: 6, 8, 10, 12, 16, 20, 25, 30, 35, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 ( mm ) (Welded section web at least 8 mm on stiffening paltforms) UPPER YIELD POINTS f y : Grade S355J2G3 5-40 mm 355 N/mm2 > 40 mm 335 N/mm2 Kattilalaitoksen tyypillisesti käytettävät teräsmateriaalit 39