Piping the globe - Benchmark analysis of piping systems in global infrastructure projects

Abstract

Hersteller, die unterschiedliche Materialien und Lösungsmöglichkeiten anbieten. Daher ist eine objektive Entscheidung ohne persönliche Einflüsse schwer zu treffen. Um dieses Problem zu lösen, vergleicht diese Arbeit in Form einer Benchmark-Analyse gängige Rohrmaterialien für Wassersysteme mit großem Durchmesser. Bewertet werden Rohre hinsichtlich technischer, kommerzieller und umweltrelevanter Parameter, wobei der Schwerpunkt auf den Materialien Polyethylen, Stahl, Gusseisen, Beton und glasfaserverstärktem Kunststoff liegt. Um die Benchmark-Analyse durchzuführen, wurde für jedes betrachteten Kriterium eine Bewertungsmatrix erstellt. Folgende Parameter wurden analysiert: Erstens, technische Parameter wie strukturelle Integrität, Temperatur- und Druckbeständigkeit, Fließeigenschaften, typische Ausfallarten von Rohren und die Komplexität von Installation und Wartung. Zweitens, wirtschaftliche Parameter wie Kosten, Materialverfügbarkeit, Marktwettbewerb, Logistik und Lebenszykluskosten. Zuletzt wurden Umweltparameter wie Lebenszyklusbewertung und damit verbundene Umweltauswirkungen, Energiebedarf bei Herstellung, Systemkomplexität und Recyclingfähigkeit der Rohrmaterialien untersucht. Parameter, die bisher in der Praxis bei der Entscheidungsfindung für Rohrmaterialien nur selten berücksichtigt wurden. Die aus den Benchmark-Analysen abgeleiteten Stärken, Schwächen, Chancen und Risiken der einzelnen Werkstoffe wurden in einer SWOT-Analyse zusammengefasst. In der Diskussion wird das Ergebnis des Materialbenchmarks mithilfe von Netzdiagrammen dargestellt. Das Ergebnis der Benchmark zeigte, dass PE unter den analysierten Parametern häufig die beste Wahl für Großrohrmaterialien darstellt. Hier sei erwähnt, dass die Umweltauswirkungen, welche durch die LCA bewertet wurden, immer kritisch betrachtet werden müssen, da sie je nach gesetzten Systemgrenzen, getroffenen Annahmen und ausgewählten Wirkungskategorien variieren können. Zudem betrachtet diese Arbeit keine sozialen Parameter. Zur Veranschaulichung der Schlussfolgerungen wurde ein Entscheidungsbaum erstellt, der je nach ausgewähltem Kriterium die zwei besten Rohrleitungsmaterialien angibt. Im Zusammenhang mit dem Entscheidungsbaum wurden drei Fallstudien aus der Praxis vorgestellt, die den Entscheidungsprozess bei der Wahl des Rohrmaterials dokumentieren. Diese Entscheidungen wurden analysiert und kommentiert, um darzustellen, zu welcher Wahl der Entscheidungsbaum gekommen wäre. Diese Diplomarbeit unterstützt die Entscheidungsfindung über Rohrmaterialien unter Berücksichtigung technischer, wirtschaftlicher und ökologischer Faktoren und trägt damit zu nachhaltigeren und effizienteren Infrastrukturprojekten bei.

Selecting the optimal piping material for large diameter water systems can be a complex decision, especially in global water and wastewater infrastructure projects. The world market is full of manufacturers promoting different materials and solutions. But how can a well-considered choice be made, one that best suits a specific situation, without bias or personal assumptions? To solve this issue, this work compares common piping materials for large-diameter water systems, focusing on polyethylene, steel, ductile iron, concrete and glass-reinforced plastic.A comprehensive structured benchmark analysis was carried out to evaluate the performance of these materials. Therefore, an evaluation matrix was carried out for different parameter groups. First technical parameters such as structural integrity, temperature and pressure ratings, flow characteristics, typical pipeline failure modes and complexity of installation and maintenance were assessed. Second, commercial parameters such as cost, material availability, market competition, logistics and life cycle costs were examined. Finally environmental parameters, including life cycle assessment of the different pipe materials, several environmental impacts and its behaviour under different conditions, energy requirements, component diversity, and the recyclability of pipe materials, were analysed. These often-overlooked environmental aspects are critical for informed decisions. A SWOT analysis summarized each materials strengths, weaknesses, opportunities, and threats, based on benchmark analyses.Based on spider web diagrams, the outcome of the material benchmark has been discussed. The analysis of the material benchmark revealed that based on the considered criteria, PE is often the most appropriate material choice for large-diameter pipeline systems. Environmental factors and their impacts can be difficult to compare due to different life cycle studies and system boundaries, which can easily influence decisions. In addition, this thesis did not consider social parameters, which also play a crucial role and should not be ignored. To illustrate the conclusions drawn from the benchmarking analysis, a decision tree was created to list the top two piping materials for each parameter based on the evaluation matrix. Linked to the tree are three real-world case studies that illustrate the decision-making process and the aspects that influence this decision. In relation to the decision tree, the influencing aspects are analysed and commented on in terms of what kind of decision the tree would have come to.This work provides a framework for making informed decisions about water pipe materials, taking into account technical, economic and environmental factors, thereby contributing to more sustainable and efficient infrastructure projects.