Kaukolämpöjohtojen lämpöjännitykset. Osa 1. Lämpötilavaihtelut johtorakenteissa

Kaukolämpöjohdoissa veden lämpötila vaihtelee sekä ohjaustoimenpiteiden vuoksi että häiriötilanteissa. Lämpötilamuutokset aiheuttavat johtoihin jännityksiä ja niistä puolestaan aiheutuu johtojen kestävyyden alenemista. Tässä tutkimuksessa selvitetään, kuinka suuria lämpötilatransientteja voi johtoihin aiheutua ja minkälaiset kestävyysseuraamukset niistä aiheutuu. Tutkimuksen tulokset raportoidaan siten että tässä raportissa on johtojen lämpötilasimulointien tulokset ja erikseen raportoidaan jännitys- ja kestävyystulokset. Johtojen terässeinämän ja eristeen lämpötilakäyttäytymistä tutkitaan simulointimallilla muuttamalla lämmönsiirtoveden lämpötilaa askelmaisesti tai viiveellisesti. Veden lämpötilamuutos aiheuttaa terässeinämän sisä- ja ulkopinnan välille lämpötilaeron, joka on suuruudeltaan noin kymmenesosa veden lämpötilamuutoksesta tarkasteltavassa putken poikkileikkauksessa, jos putkikoko on NS300 ja virtausnopeus 1 m/s. Sekä putkikoon kasvaessa että virtausnopeuden kasvaessa lämpötilaero myös kasvaa. Putkikoon ollessa NS600 on lämpötilaero 15 % veden lämpötilamuutoksesta, jos virtausnopeus on 1 m/s, ja noin 25 %, jos virtausnopeus on 2 m/s. Terässeinämä tasaantuu veden lämpötilaan noin puolessa minuutissa veden lämpötilamuutoksen ollessa askelmainen. Eristeessä lämpötilamuutos etenee hitaasti ja vaimenee voimakkaasti. Lämpötila-aikavakio eli aika jona uusi lämpötilatasapaino saavutetaan on n. 20 vuorokautta. Veden lämpötilan 50 °C:n muutos aiheuttaa eristeen ulkopintaan noin 3 °C:n muutoksen. Voimakkain lämpötilatransientti muodostuu eristeen sisäkerrokseen, jossa muutos voi olla yli 50 °C yhden cm:n matkalla. Lämpötilatransientti on jonkin verran suurempi veden lämpötilan noustessa kuin laskiessa. Eristekerroksen lämmönjohtavuusarvojen muutokset eivät vaikuta merkittävästi lämpötilatransienttien suuruuteen.