Verwendung zerstörungsfreier Ultraschallprüfungen zur Sicherstellung des Erfolgs im Tiefwasserbereich

Vor der endgültigen Installation bewertete GF Piping Systems den Zustand jeder Schweißnaht per Ultraschall und nutzte einen hochentwickelten Algorithmus, um die zukünftige Leistung vorherzusagen.

Als das Allgemeine Krankenhaus von Französisch-Polynesien (französisches Akronym CHPF) nach einer besseren Möglichkeit zur Kühlung seiner Gebäude suchte, suchte es nach einer Lösung, die sowohl die häufigste Ressource der Erde als auch eine innovative Möglichkeit nutzte, um den Erfolg des Projekts sicherzustellen.

CHPF mit Sitz in der Hauptstadt Papeete ist das Referenzkrankenhaus für das gesamte Land, ein Überseegebiet Frankreichs mit mehr als 100 weit verstreuten Inseln im Südpazifik. Angesichts des tropischen Klimas der Region hat die Klimatisierung von Gesundheitseinrichtungen hohe Priorität. Die durchschnittliche Jahrestemperatur in Papeete beträgt 30 °C, mit hoher Luftfeuchtigkeit während der Regenzeit. Die Kühlung der Einrichtung mit einer herkömmlichen Klimaanlage war energieintensiv und hatte negative Auswirkungen auf die Umwelt und das Betriebsergebnis des Krankenhauses.

Um diesen beiden Herausforderungen zu begegnen, hat CHPF in Zusammenarbeit mit Geocean das längste Meerwasser-Klimasystem (SWAC) der Welt installiert.

Geocean mit Sitz in Cassis, Frankreich, ist die Marine- und Offshore-Bausparte von VINCI Construction Grands Projets. Der Schwerpunkt seiner Arbeit liegt auf küstennahen und Flachwasserbauprojekten, bei denen Offshore nach und nach zu Onshore wird. Der Schwerpunkt liegt auf der Bereitstellung schlüsselfertiger Entwicklungen. Die Kompetenzen umfassen Design, Beschaffung, Konstruktion und Installation.

In Gebieten mit leichtem Zugang zum Meer bieten SWAC-Systeme eine klimafreundliche Alternative. Da sie die bereits kalten Temperaturen des Meerwassers (das aus Tiefen unter 700 m entnommen wird) nutzen, benötigen SWACs weitaus weniger Strom (bis zu 75 %), um die gleichen Kühlergebnisse zu erzielen. Laut einer Studie aus dem Jahr 2020 in der Zeitschrift Energy Efficiency kann 1 m3 Wasser in einem SWAC-System die gleiche Kühlenergie liefern wie 21 Windkraftanlagen oder ein Solarkraftwerk mit der Größe von 68 Fußballfeldern.

Der Reiz war für CHPF klar, aber auch die Herausforderungen des Geocean-Projekts waren klar. Sobald die notwendigen Rohrleitungen auf dem Meeresboden verlegt waren, gab es keine zweite Chance mehr – absolutes Vertrauen in jede einzelne der fast 400 Schweißnähte war von entscheidender Bedeutung.

Der Schlüssel zum Erfolg für Geocean lag in einem erfahrenen Partner und einer neuen Technologie: GF Piping Systems und seiner zerstörungsfreien Ultraschall-Schweißprüfung (NDT). Das Unternehmen entwickelte seine Version der Ultraschall-ZfP ursprünglich für Metallschweißnähte, passte sie jedoch auch für die Prüfung von Verbindungen an Kunststoffrohrsystemen an.

Mit 60 Jahren Erfahrung liefert GF Piping Systems sichere und nachhaltige Flüssigkeitstransportsysteme. Wie die Entwicklung der Ultraschall-ZfP zur Schweißnahtbewertung zeigt, konzentriert sich das Unternehmen stark auf die Zusammenarbeit mit Kunden, um Lösungen für Probleme zu finden.

Schweißnähte können die Achillesferse jedes Rohrleitungssystems sein. Sie sind für einen sicheren und zuverlässigen Betrieb von entscheidender Bedeutung – aber in der Vergangenheit kann damit gerechnet werden, dass bis zu eine von 300 Schweißnähten versagt. Bis vor Kurzem war es unmöglich, die Qualität von Schweißnähten in Kunststoffrohrsystemen bei der Installation zu überprüfen, ohne die Schweißnähte zu zerstören.

Eigentümer und Projektmanager standen vor einem schmerzhaften Dilemma: Sie konnten sich dafür entscheiden, einige Schweißnähte zu zerstören – und hoffen, dass die Prüfung einiger auf diese Weise einen gültigen Aufschluss über den Zustand der anderen liefern würde, oder sie konnten auf zerstörende Prüfungen verzichten und einen höheren Wert akzeptieren Höhe des wirtschaftlichen Risikos und des Reputationsrisikos. Herkömmliche Druckprüfungen konnten die Zukunft einer Schweißnaht einfach nicht genau vorhersagen.

Das Allgemeine Krankenhaus von Französisch-Polynesien ist das wichtigste regionale Krankenhaus des gesamten Landes, das Dutzende Inseln im Südpazifik umfasst.

Um eine bessere Lösung zu finden, hat GF Piping Systems 25 Jahre Materialforschung ausgewertet, die feinen Details zahlreicher Schweißnähte katalogisiert und verfolgt, wie diese Informationen mit der Langzeitfestigkeit der Schweißnähte korrelieren.

Diese Daten ermöglichten es GF Piping Systems, einen proprietären Algorithmus zu entwickeln, der die Wahrscheinlichkeit zukünftiger Schweißfehler auf einer Gut/Schlecht-Basis beurteilen kann, wobei die Ergebnisse innerhalb von 24 Stunden verfügbar sind.

Sobald die Prüfer vor Ort sind, wenden sie Techniken wie Flugzeitbeugung und Phased-Array-Ultraschallprüfung an, um Informationen über den Schweißstatus zu sammeln. Nicht bestandene Schweißnähte können sofort ersetzt werden. Sobald alle Schweißnähte erfolgreich sind, können Sie sicher mit Schritten fortfahren (z. B. das Schließen eines Grabens), die den zukünftigen Zugang zu den Schweißnähten erschweren oder unmöglich machen.

Für das ehrgeizige Projekt von Geocean auf Tahiti kann die Bedeutung von Seelenfrieden in dieser Hinsicht kaum genug betont werden.

Die Regierung von Französisch-Polynesien hat das SWAC-System für CHPF in Auftrag gegeben, mit dem Ziel, zum Ausstieg aus fossilen Brennstoffen beizutragen und gleichzeitig die Vorteile eines geringeren Energieverbrauchs zu nutzen. Da SWAC auf einer erneuerbaren Ressource basiert und den Strombedarf senken kann, bezeichnet Ocean Energy Europe es als „die perfekte Technologie zur Dekarbonisierung von Heiz- und Kühlsystemen an den Küsten der Welt“. SWAC-Systeme sind außerdem erheblich leiser und kompakter als herkömmliche Klimaanlagen .

SWAC-Systeme nutzen kaltes Meerwasser, um über ein System von Wärmetauschern einen geschlossenen Süßwasserkreislauf zu kühlen. Das durch den Austausch erwärmte Meerwasser wird dann wieder ins Meer zurückgeführt. Für das CHPF-Projekt plante Geocean ein 3.800 m langes Ansaugrohr, das bis zu einer maximalen Tiefe von 900 m in den Ozean reichen würde, wobei drei Pumpen 1 Million Liter Wasser pro Stunde ansaugen könnten.

Das Ansaugrohr leitet Wasser mit einer Temperatur von ca. 41 Grad Fahrenheit in die Klimaanlage des Krankenhauses, während ein 200 Meter langes Auslassrohr das Wasser mit ca. 53 Grad Fahrenheit in den Ozean zurückführt. Die Kühlung erfolgt direkt, durch thermischen Kontakt, mit keine Stromerzeugung. Die Rohrleitungen bestehen aus 710-mm-NPS-Rohren aus hochdichtem Polyethylen (HPDE), die im Polyfusionsverfahren geschweißt sind. Mit einer Gesamtlänge von 4.300 m gilt die Anlage als die längste ihrer Art weltweit.

Um ein so großes System ohne unnötige Beeinträchtigung des Krankenhauses zu schaffen, wurde die Pipeline hauptsächlich an einer Baustelle in Papeari auf der anderen Seite der Insel montiert. Nach der Fertigstellung wurde die gesamte Länge durch das Meer zu einer Anschlussstelle in der Nähe von Papeete geschleppt – wobei die Pipeline und alle ihre Schweißnähte extremen Bedingungen ausgesetzt waren. Erfahrene Techniker arbeiteten bis zu neun Stockwerke über der Erde und führten dann den heiklen Vorgang durch, das tonnenschwere Rohr an das Klimatisierungsnetz des Krankenhauses anzuschließen.

Eine weitere Sorge bestand darin, dass sich die flexiblen Polyethylenrohre nach der Verlegung des Rohrs an den unregelmäßigen Meeresboden anpassen würden, was möglicherweise zu einer zusätzlichen Belastung der Schweißnähte führen würde, allerdings an einer Stelle, an der Reparaturen unmöglich wären. Vorabkenntnisse über den Zustand der Schweißnähte mit wissenschaftlicher Sicherheit hätten für die Realisierbarkeit des Projekts nicht wichtiger sein können.

Angesichts der absoluten Notwendigkeit zu wissen, dass die Schweißnähte halten würden, bot das SWAC-Projekt für CHPF einen nahezu perfekten Testfall für die Ultraschall-ZfP-Fähigkeit von GF Piping Systems, sowohl technologisch als auch organisatorisch.

Mit über 4.000 m ist die Meerwasser-Klimaanlage (SWAC) des Allgemeinen Krankenhauses von Französisch-Polynesien die längste ihrer Art weltweit. Geocean hat das 32,6-Millionen-Dollar-Projekt in weniger als einem Jahr abgeschlossen.

Glücklicherweise hat das Projekt diesen Test mit Bravour bestanden. Der Bau des 32,6-Millionen-Dollar-Projekts wurde trotz der Störungen durch COVID-19 im November 2021 nach weniger als einem Jahr Arbeit abgeschlossen. Im Juli 2022 wurde das System im Krankenhaus vollständig in Betrieb genommen. Alle Beteiligten waren mit dem positiven Ergebnis der gemeinsamen Arbeit zufrieden.

„Jede der 350 hergestellten Schweißnähte musste per Ultraschall überprüft werden, und GF Piping Systems war das einzige Unternehmen, das uns die Wirksamkeit seines Systems beweisen und garantieren konnte“, sagte Geocean-Projektmanager Roy Issa.

Damien Moine, Vertriebsleiter für Versorgungsunternehmen bei GF Piping Systems France, betonte die Bedeutung dieser Rolle für sein Unternehmen. „Wir haben gleich zu Beginn des Projekts mit der technischen Unterstützung begonnen und haben dann einen Service bereitgestellt, der auf dem Markt einzigartig ist: die zerstörungsfreie Prüfung mittels Ultraschall“, sagte Moine.

Unterdessen erreicht der SWAC wichtige Ziele für CHPF und Französisch-Polynesien. Das System wird den jährlichen Stromverbrauch des Krankenhauses um 12 GWh pro Jahr senken, was 90 % der bisherigen Ausgaben für die Klimatisierung und etwas mehr als ein Drittel seines Gesamtverbrauchs entspricht. Die jährlichen Kosteneinsparungen für das Krankenhaus werden auf 2,9 Millionen US-Dollar geschätzt.

Da das Krankenhaus außerdem jedes Jahr 5.000 Tonnen CO2 weniger produziert, wird laut Issa erwartet, dass das Projekt ganze 2 % der in Französisch-Polynesien verbrauchten kohlenstoffbasierten Energie ersetzen wird. Ungefähr zwei Drittel des Stroms in Französisch-Polynesien werden durch importiertes Erdöl erzeugt, und (zumindest bis jetzt) ​​war die KWK-Anlage die energieintensivste Einrichtung der Region.

Das SWAC-Konzept wurde erstmals in den 1960er Jahren entwickelt. Zu den ersten Anwendern gehört das Sydney Opera House, das 1973 fertiggestellt wurde. Derzeit gibt es Systeme an Küstenorten von Hongkong bis Hawaii, darunter auch anderswo in Französisch-Polynesien. Das wahre Potenzial dieses Ansatzes muss jedoch noch vollständig ausgeschöpft werden. Aktuelle regionale Nachhaltigkeitspläne in der Karibik haben sich beispielsweise nicht auf die Technologie konzentriert.

Ein mögliches Hindernis für die Einführung sind die hohen Vorabkosten für den Bau. Langfristig dürfte sich die Investition in ein SWAC jedoch amortisieren. Beispielsweise wird erwartet, dass die im CHPF installierte SWAC eine Betriebslebensdauer von 30 Jahren hat, aber die Kosteneinsparungen sind so groß, dass das Projekt innerhalb von 10 oder 15 Jahren eine Kapitalrendite erzielen dürfte.

Die Geographie ist eindeutig eine Einschränkung dieser Lösung. Streng genommen ist SWAC nur für Gebäude in unmittelbarer Nähe zum Meer realistisch. Darüber hinaus lässt es sich am einfachsten an Orten durchführen, an denen die Tiefe des Ozeans relativ steil vom Ufer abfällt – wie etwa in der Nähe von Tahiti. Kühlsysteme nach dem gleichen Prinzip sind jedoch auch für Standorte in der Nähe tiefer Seen möglich. Beispielsweise nutzt Lake Source Cooling an der Cornell University Wasser aus dem Cayuga Lake, um sowohl den Cornell-Campus als auch die nahegelegene Ithaca High School zu kühlen.

Laut einem Bericht der Internationalen Energieagentur hat sich der Energieverbrauch für die Kühlung von Gebäuden weltweit zwischen 1990 und 2016 verdreifacht und ist damit die am schnellsten wachsende Quelle des Energiebedarfs. Dieser Verbrauch belastet das Stromnetz in wärmeren Regionen und trägt jedes Jahr mehr als eine Million Tonnen CO2 zur Umwelt bei. Die jüngsten hohen Temperaturen auf der ganzen Welt deuten darauf hin, dass der Bedarf an Kühlung in den kommenden Jahren nur noch zunehmen wird. Bis 2070 könnte der weltweite Kühlbedarf den weltweiten Wärmebedarf übersteigen.