Prosessit poikkeavat toisistaan, mutta suunnittelussa ratkaistavat peruskysymykset ovat samoja: mitä laitteessa tapahtuu, mikä sitä kuormittaa ja miten vaatimukset toteutetaan materiaalien, rakenteen ja valmistuksen tasolla. Eri toimialoilta kertynyttä suunnittelu- ja valmistuskokemusta voidaan hyödyntää myös uusissa prosesseissa ja sovelluksissa.
Prosessitiedosta suunnitteluperusteeksi
Prosessilaitteen mekaaninen suunnittelu ei ala pelkästä suunnittelupaineesta ja -lämpötilasta. Ensin on määritettävä laitteen tehtävä osana prosessia sekä ne käyttötilanteet, joihin rakenteen on vastattava.
Normaalikäytön lisäksi tarkasteluun kuuluvat esimerkiksi käynnistykset, alasajot, puhdistusjaksot, täyttöasteen vaihtelut ja mahdolliset häiriötilanteet. Näiden perusteella muodostuva käyttöprofiili vaikuttaa siihen, millaisia kuormituksia laitteen on kestettävä koko suunnitellun käyttöikänsä ajan.
Sisäinen paine, lämpötilaerot, putkistosta välittyvät voimat, laitteen omapaino ja sisältö voivat muodostaa samanaikaisia kuormitustilanteita. Väliaine puolestaan vaikuttaa materiaalin soveltuvuuteen, korroosiovaraan, liitosratkaisuihin ja mahdollisiin pintasuojauksiin. Suunnittelussa on tunnistettava mitoittavat kuormitustapaukset ja määritettävä niiden perusteella tarvittavat materiaalit, rakenteet ja mitoitus.
Rakenneratkaisun on täytettävä lujuustekniset vaatimukset, mutta samalla sen on oltava valmistusteknisesti mahdollinen. Laskentaa, rakennesuunnittelua ja valmistettavuutta ei siksi voida tarkastella toisistaan irrallisina vaiheina.
Materiaali ja ainevahvuus vaikuttavat esimerkiksi muovaukseen, hitsaukseen, lämpökäsittelyihin ja tarkastusmenetelmiin. Geometria ja liitosten sijainti puolestaan määrittävät, ovatko hitsit saavutettavissa, voidaanko vaaditut tarkastukset tehdä ja miten valmistuksen aikaisia muodonmuutoksia hallitaan.
Valmistettavuus ei siis ole suunnittelun jälkeinen tarkistus, vaan osa suunnitteluperustetta.
Prosessi ja käyttöolosuhteet määrittävät suunnittelun painopisteet
Paine, lämpötila, virtaus, korroosio, lämpöliikkeet ja mekaaniset kuormitukset esiintyvät useilla teollisuudenaloilla. Niiden keskinäinen painoarvo kuitenkin muuttuu prosessin ja käyttöympäristön mukaan.
Eri toimialoilta kertynyt kokemus mahdollistaa suunnittelun käynnistämisen jo asiakkaan antamien lähtötietojen, kuten prosessiarvojen ja tarvittavan tilavuuden pohjalta. Kokemus erilaisista käyttökohteista auttaa viemään nämä lähtötiedot käytännön laiteratkaisuksi.
Kemianteollisuus: vaaralliset aineet vaikuttavat materiaalien ja rakenteiden valintaan
Kemianteollisuudessa korkea paine ja lämpötila voivat yhdistyä syövyttävään väliaineeseen tai muuten vaativiin prosessiolosuhteisiin. Vaaralliset aineet ja aggressiiviset prosessit asettavat vaatimuksia sekä materiaalille että rakenteelle.
Materiaalin soveltuvuutta ei siksi voida arvioida pelkän kemikaalin nimen perusteella. Pitoisuus, lämpötila-alue, epäpuhtaudet, virtausnopeus ja prosessin vaihtelut voivat muuttaa korroosiokäyttäytymistä olennaisesti. Myös rakenteen yksityiskohdat vaikuttavat paikallisiin olosuhteisiin. Seisovat alueet, kerrostumat, huono tyhjennettävyys tai epäedullinen virtaus voivat lisätä kuormitusta kohdissa, joita yleiset prosessiarvot eivät sellaisenaan kuvaa.
Reaktoreissa, autoklaaveissa, kolonneissa, lämmönvaihtimissa ja pesureissa voidaan käyttää esimerkiksi hiili- ja ruostumattomia teräksiä, duplex-teräksiä, titaania ja muita seoksia. Materiaalilta vaaditaan korroosionkestävyyden lisäksi riittävää lujuutta, hitsattavuutta ja valmistettavuutta. Kemiallisesti kuormittuvia pintoja voidaan tarvittaessa suojata myös pinnoitehitsauksella.
Sellu-, paperi- ja biotuoteteollisuus: aggressiiviset prosessiolosuhteet korostavat materiaalivalintojen merkitystä
Sellu-, paperi- ja biotuoteteollisuudessa prosessiolosuhteet voivat olla aggressiivisia. Kemiallinen rasitus ja korroosio vaikuttavat materiaalivalintoihin, rakenteiden käyttöikään ja siihen, miten olemassa olevia laitteita voidaan korjata tai niiden käyttöikää jatkaa.
Suunnittelukohde on lisäksi usein osa jo toimivaa laitosta. Uuden laitteen lisäksi kyse voi olla olemassa olevan laitteen korjauksesta, muutoksesta tai käyttötarkoituksen vaihtamisesta. Tällöin uudet prosessiarvot on sovitettava olemassa olevaan rakenteeseen, materiaaleihin, dokumentaatioon ja käytettävissä olevaan asennustilaan.
Korjaus- ja muutostöissä voidaan kohdata laitteita, joiden alkuperäinen materiaalivalinta ei vastaa parhaalla mahdollisella tavalla nykyisiä prosessiolosuhteita. Materiaaliratkaisuun ovat voineet vaikuttaa esimerkiksi materiaalien kustannukset, mutta käytössä korroosion, kemiallisen rasituksen ja muiden prosessiolosuhteiden vaikutukset tulevat konkreettisesti esiin.
Vaativissa prosessiolosuhteissa laitteen alkuperäistä runkoa voidaan suojata sisäpuolisella vuorauksella. Vuorausmateriaalin valinnassa on huomioitava prosessiolosuhteiden lisäksi sen soveltuvuus alkuperäiseen rakenteeseen ja käytettäviin valmistusmenetelmiin.
Korjaus- ja muutostöissä mahdollisimman suuri osa rakenteesta voidaan esivalmistaa konepajalla, mutta joskus kulkureitit tai käytettävissä oleva tila edellyttävät laitteen jakamista osiin. Tämä vaikuttaa jo suunnitteluvaiheessa liitoskohtiin, työmaahitsauksiin, tarkastuksiin, nostoihin ja toleransseihin.
Meriteollisuus: paineenkeston lisäksi dynaaminen käyttöympäristö
Meriteollisuudessa painelaite toimii liikkuvassa ympäristössä. Aluksen liikkeistä aiheutuvat kiihtyvyydet kuormittavat säiliötä, sen sisältöä, tuentoja ja liitäntöjä. Kuormitustapaukset voivat muuttua myös täyttöasteen mukaan, ja toistuva kuormitus nostaa väsymiskestävyyden keskeiseen asemaan. Samanaikaisesti käytettävissä oleva tila ja sallittu paino voivat rajoittaa rakennetta merkittävästi.
Merikäyttöön suunniteltavien laitteiden on lisäksi täytettävä sovellettavat luokituslaitoksen vaatimukset. Luokitus vaikuttaa suunnittelun lisäksi muun muassa materiaalien hyväksyntään, valmistukseen, hitsaukseen, tarkastuksiin, testaukseen ja dokumentointiin. Nämä vaatimukset on siksi huomioitava osana suunnittelua ja valmistusta koko projektin ajan.
LNG-säiliöissä meriympäristön vaatimuksiin yhdistyvät kryogeeniset käyttöolosuhteet. LNG:n noin –163 °C:n lämpötila asettaa omat vaatimuksensa materiaalien sitkeydelle, hitsausratkaisuille, eristykselle ja laadunvarmistukselle. Säiliön suunnittelussa tarkastellaan kokonaisuutena paineenkestoa, dynaamisia ja toistuvia kuormituksia, tuentaa, lämpötilan vaikutuksia sekä valmistettavuutta ja asennettavuutta.
Vihreää siirtymää tukevat prosessit: kehittyvät sovellukset ja suurempi mittakaava
Vihreää siirtymää tukevissa hankkeissa prosessiteknologia ja laitteiden lähtötiedot voivat tarkentua vielä projektin aikana. Vetyyn, ammoniakkiin, biometanoliin, hiilidioksidin talteenottoon ja varastointiin (CCUS) sekä uusiin biojalostusprosesseihin liittyvissä hankkeissa pilotointi, skaalaus ja teollisen toteutuksen vaatimukset voivat edetä osittain rinnakkain.
Silloin korostuvat lähtötietojen hallinta, muutosten vaikutusten arviointi sekä selkeä rajapinta prosessisuunnittelun, laitesuunnittelun ja valmistuksen välillä.
Uusi sovellus voi tuoda mukanaan myös materiaalien käyttäytymiseen liittyviä erityiskysymyksiä. Vetysovelluksissa yksi tällainen ilmiö on vetyhaurastuminen, joka on otettava huomioon materiaalien soveltuvuutta ja käyttöolosuhteita arvioitaessa. Aiempi kokemus vaativista materiaaleista ja painelaitevalmistuksesta antaa pohjaa suunnittelulle, mutta materiaalien ja rakenteiden soveltuvuus on arvioitava kyseisen vety-ympäristön perusteella.
Hiilidioksidin talteenottoon ja varastointiin liittyvissä CCUS-hankkeissa suuret käsittely- ja varastointivolyymit voivat tuoda suunnitteluun myös valmistus- ja kuljetuskapasiteettiin liittyviä kysymyksiä. Laitteen koko vaikuttaa esimerkiksi siihen, missä koossa se voidaan valmistaa ja miten se voidaan kuljettaa asennuspaikalle. Valmistus-, kuljetus- ja asennusrajoitukset voivat siten vaikuttaa rakenneratkaisuun jo suunnitteluvaiheessa.
Monialainen kokemus madaltaa kynnystä tarttua uusiin sovelluksiin
Eri toimialoilta kertynyttä osaamista voidaan hyödyntää myös uusien prosessien ja käyttökohteiden suunnittelussa.
”Olemme suunnitelleet painelaitteita monenlaisiin teollisuuden projekteihin, joten meillä on laaja kokemus erilaisista sovelluksista. Tämän ansiosta meillä on matalampi kynnys tarjota myös uniikkeja ratkaisuja. Näemme haasteet mahdollisuutena.”
Janne Halonen, toimitusjohtaja
Laite voidaan suunnitella alusta lähtien myös useampaan käyttötarkoitukseen. Tällöin eri prosessiolosuhteiden ja väliaineiden asettamat vaatimukset on huomioitava materiaalivalinnassa, mitoituksessa ja rakenteessa.
Eri toimialoilta kertynyt kokemus antaa valmiuksia soveltaa suunnitteluosaamista myös uudenlaisiin prosesseihin. Olennaista on ymmärtää prosessin asettamat vaatimukset ja suunnitella niiden perusteella kyseiseen käyttökohteeseen sopiva ratkaisu.
