Reparatur von Fernwärme- leitungen am Beispiel ... - Nodig-Bau.de

Technik
Leitungsbau
Reparatur von Fernwärmeleitungen
am Beispiel einer
KMR-Transportleitung DN 500
Schadensbild und Maßnahmen Lokalisiert man an einer FW-Leitung mittels Leckwarnsystem
einen Korrosionsschaden, so wird in den meisten Fällen die Schadensstelle freigelegt
und die Rohrleitung während des Betriebes durch Aufschweißen von Blechen oder dem vorübergehenden
Einsatz von Reparaturschellen provisorisch repariert. Dem folgt zu einem
späteren Zeitpunkt die planmäßige Schadensbehebung. Der vorliegende Fall beschreibt indes
eine Ausnahmesituation, die aus verschiedenen Gründen sofortiges Handeln erforderte.
Eine Kunststoffmantel-Rohrleitung
(KMR-Leitung) DN 500 wurde 1985
– eine Hauptverkehrsstraße querend –
in einem Stahlschutzrohr DN 700 auf
einer Höhe von 39 m ü. NN verlegt. Da
die Trasse unmittelbar in Rheinnähe
verläuft, kommt es bei regelmäßig ansteigendem
Pegelstand des Rheines,
von Januar bis Mitte Juni, zu einer
Überflutung der Schadensstelle. Da sich
ferner in diesem Bereich exponierte
Verbraucher befinden – ein 5-Sterne-
Hotel, und zwei Verwaltungsgebäude –
musste die FW-Versorgung hier unbedingt
aufrechterhalten werden.
Die verbrauchsabhängigen
Kosten für
diese Maßnahme sind
während der Heizperiode
erheblich höher
als in den Sommermonaten(Mehrkosten
für diesen Fall: ca.
600.000 Euro). Ferner
war eine visuelle Begutachtung
der Schadensstelle
von außen
unmöglich, weil im
erforderlichen Aufbruchbereich
eine Straßenbahntrasseverläuft.
Somit konnte
PE-Mantelrohr
Stahlmediumrohr
weder eine Prognose zum weiteren
Schadensverlauf, noch eine provisorische
Reparatur, in Verbindung mit einer
Schadensbegrenzung, in Erwägung gezogen
werden.
Auslösende Maßnahmen
Bei einer routinemäßigen Prüfung
(Zeitraum ca. alle 2 Jahre) wurde über
die FW-Transportleitung DN 500 über
ein integriertes Leckwarnsystem (Fabrikat:
Hagenuk) ein Feuchtefehler gemeldet.
Bei einer weiterführenden Untersuchung
durch einen externen Spezialisten
wurde diese Aussage bestätigt.
Daraufhin konnte der Fehler mittels
Schrumpfmanschette
Einpassmuffe
Einfüllöffnung für
Muffenschaum
Impulslaufzeitverfahren lokalisiert werden.
Nach diesen Messungen befand
sich die Schadensstelle innerhalb des
Schutzrohres ca. 18 m vom Kompensatorschacht
entfernt. Eine wichtige Hilfe
war hierbei die Verlegeskizze, in welcher
die Schweißnähte und die Anordnung
der Indikatoren vermessen und
dokumentiert waren.
Bestandsaufnahme der
Verlegesituation
Aus der Dokumentation (Bauakte und
Bautagebuch) wurden folgende Daten
entnommen: Die Transportleitung
wurde 1985 zwecks Erhöhung der
Feuchteindikator
Längsnaht Muffenrohr mit
Unterstützung (Lage 12,00 Uhr)
Kontrolldrähte
PUR- Werkschaum Muffenrohr Schweißnaht Muffenschaum Schrumpfmanschette
Abb. 1 Die Einpassmuffe wird durchmessergleich zwischen den Mantelrohrenden eingepasst.
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Versorgungssicherheit erstellt und
verbindet (nach Unterquerung des
Rheines) die links -und rechtsrheinischen
Kölner Stadtteile. Da im Schadensbereich
eine Hauptverkehrsstraße
unterfahren werden musste, erfolgte
hier eine Verlegung der KMR-Rohre
DN 500 in Stahl-Schutzrohren DN 700.
Diese wurden nach Erstellung der Startund
Zielgrube über eine Länge von
jeweils 67 m mit dem Bohr-Pressverfahren
unter der Straßenoberkante verlegt.
Detaildaten
• Stahlschutzrohr mit äußerer PE-Umhüllung
• Rohrinnendurchmesser: 792,8 mm
• Rohrwanddicke: 8,0 mm
Besonderheiten
Je nach Pegelstand des Rheines (erhöhter
Grundwasserstand) konnte durch
die Schutzrohre Wasser in die Schächte
dringen.
Fernwärme-Transportleitung:
• Kunststoff-Verbundmantelrohr
(KMR): 508 mm � 6,3 mm
• Außendurchmesser PE-Mantel:
670 mm
• Einpassmuffen (siehe Beschreibung)
• Leckwarnsystem: Hagenuk (Überwachung
der Schweißnähte mit Indikatoren)
Einpassmuffe:
Einpassmuffen sind dadurch charakterisiert,
dass sie im Wesentlichen durchmessergleich
zwischen den Mantelrohrenden
eingepasst werden (Abb. 1). Somit
treten bei axialen Verschiebungen
keine Kräfte an der Stirnseite der Muffe
auf. Das Muffenrohr, das den gleichen
Außendurchmesser wie das Mantelrohr
besitzt, wird längsgeschlitzt
über das Mantelrohr gelegt. Mit beidseitigen
Sägeschnitten erfolgt die Einpassung
des Muffenrohres. Nach einer
Arretierung mit Spannbändern wird
die Längsnaht mit Warmgas extru-
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Leitungsbau
sionsgeschweißt. Verfahrensbedingt
muss der Bereich der Längsnaht unterlegt
werden (im vorliegenden Fall mit
einer Alu-Schiene). Zur Abdichtung
der Rundnähte wurden Schrumpfmanschetten
eingesetzt. Die Verbindung
gilt als bedingt kraftschlüssig. Anmerkung:
Nach dem heutigen Stand der
Technik ist eine Verschweißung der
Rundnähte von Muffenrohr und PE-
Mantelrohr mittels Extrusionsschweißung
möglich.
Planung der Reparaturmaßnahmen
Neben der Beantragung der erforderlichen
Genehmigungen waren die folgenden
wesentlichen Punkte zu beachten.
Versorgungssicherheit
Da die Reparatur für einen längeren
Zeitraum zu veranschlagen war, musste
währenddessen für exponierte Verbraucher
im Reparaturbereich die FW-
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Leitungsbau
Abb. 2 Nachträglicher Einbau von Absperrarmaturen
Versorgung in Form einer Notversorgung
sichergestellt werden. Hierzu
musste neben der Installation der erforderlichen
Rohrleitungsschläuche ein
Schacht erweitert werden, um die erforderlichen
Absperrarmaturen nachträglich
zu installieren (Abb. 2).
Da es sich bei der defekten Leitung um
eine Haupttransportleitung handelte,
musste die FW-Versorgung – nach der
Leitungstrennung – durch ein Heizwerk
erfolgen. Dieses wird normalerweise
nur in Notfällen angefahren und ist gegenüber
der standardmäßigen FW-Versorgung
mit Kraft-Wärme-Kopplung
erheblich kostenintensiver.
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Rheinpegel 1995
Rheinwasserstand
Da vom Pegelstand des Rheines der
Grundwasserspiegel im Reparaturbereich
abhing und somit zu einer Überflutung
der Schutzrohre führen konnte,
musste die Reparatur bei einem möglichst
niedrigem Rheinpegel vorgenommen
werden. Aufgrund langjähriger
statistischer Werte kamen nur die Monate
August und September in Frage
(Abb. 3).
Vorbereitende Maßnahmen zur
Reparaturdurchführung
Nach der erfolgten Absicherung der
Baugruben wurde im August 2003 mit
den Rammarbeiten begonnen. Da je-
Jan. Feb. Mrz. Apr. Mai Juni Juli Aug. Sep. Okt. Nov. Dez.
Abb. 3 Rheinpegelstand im Bereich der Baustelle
KMR-Leitung im Schutzrohr
Pegelstand am 07.08.2004
(Montagebeginn)
doch nicht berücksichtigt worden war,
dass dieses Gebiet in der Zielschneise
alliierter Bomber im zweiten Weltkrieg
lag, veranlasste der Kampfmittelräumdienst
eine sofortige Einstellung der Arbeiten.
Nach zweiwöchigen Untersuchungen
des Baugeländes durch eine
Spezialfirma konnten die Arbeiten fortgesetzt
werden. Nach Einbau der Absperrarmaturen
in Verbindung mit Leitungstrennung
vom Netz und Inbetriebnahme
der Notversorgung wurde
eine Baugrube mit den Maßen 16 m
lang, 4 m breit und 7 m tief erstellt
(Abb. 4), um die FW-Leitung aus dem
Schutzrohr zu entfernen.
Als erstes wurde die Rücklaufleitung
„gezogen“. Hierzu musste eine maximale
Zugkraft von ca. 60 kN aufgewendet
werden. Nach jeweils ca. 10 m wurde
die Leitung getrennt. Es wurde festgestellt,
dass sich die Schrumpfmanschetten
an einigen Stellen gelöst hatten. Dieser
Schaden war jedoch relativ gering
und hätte auch beim Ziehen der KMR-
Leitungen entstehen können.
Dagegen stellte man beim Vorlauf fest,
dass im Bereich der georteten Schadensstelle
eine Muffenverbindung mit
einem Teilstück des KMR-Rohres aufgeplatzt
war. Das hier eingedrungene
Wasser führte zur Zerstörung des Muffenschaumes
einschließlich der Feuchte-Indikatoren
und löste die Alarmmeldung
über das Leckwarnsystem aus.
Begutachtung des Schadens
Besonderheiten während des Ausziehvorganges:
Um das Ausziehen der Rohrleitung
mit den geringen Zugkräften
durchführen zu können, mussten die
KMR-Rohre im Schutzrohr verdreht
werden. Diese Tatsache lies darauf
schließen, dass sich die Schutzrohre
während des Pressens verformt hatten,
wodurch sich in Teilbereichen eine
Ovalität und damit eine Durchmesserverringerung
zeigte. Somit steht außer
Frage, dass während der Durchpressung
des Schutzrohres durch das Erdreich
partiell eine plastische Materialverformung
stattgefunden hatte. Es war
also möglich, dass die Schweißnähte
der Schutzrohrverbindungen gerissen
und deshalb Undichtheiten aufgetreten
waren. Durch die äußere Beschädigung
des Schutzrohres konnte auch eine Korrosion
der Rohrwand nicht ausge-
28 10/04

Abb. 4 Auszugsgrube für FW-Transportleitungen
schlossen werden, da das Rheinwasser
häufig hoch stand und das Material entsprechend
angreifen konnte.
Beschädigung der Einpassmuffen
Das Aufplatzen der Muffen lies darauf
schließen, dass beim Einziehen der FW-
Leitung die Einpassmuffen mit der verformten
Rohrwand des Schutzrohres in
Berührung kamen und dieser Schaden
durch Kerbwirkung entstanden war.
Bei einer qualitativ hochwertig ausgeführten
Nachdämmung mit Muffenschaum
benötigt anstehendes kaltes
Wasser relativ lange, um den Schaum zu
zerstören und bis zu den Leckwarnindikatoren
vor zu dringen – im Gegen-
10/04
satz zu austretendem
heißen Wasser bei Innenkorrosion
oder
schadhaften Schweißnähten.
Die exakte
Schadensursache zu
ermitteln hätte weitergehende
Prüfungen
erfordert, auf die aber
verzichtet werden
musste, weil ein Ausbau
der Stahlschutzrohre
nicht möglich
war.
Festlegung der
Reparaturmaßnahmen
Aufgrund des Schadensbildes
und der
lokalen Gegebenheiten
wurden die Reparaturmöglichkeiten
mit fachkompetenten Firmen und Vertragspartnern
erörtert, wobei schließlich
die nachfolgenden Maßnahmen
realisierte wurden.
Sanierung der Stahlschutzrohre
Die vorhandenen Stahlschutzrohre
blieben im Erdreich und wurden mittels
GFK-Inliner abgedichtet und mechanisch
stabilisiert.
FW-Transportleitung
Im Bereich der Schutzrohre wurde die
Wärmedämmung der KMR-Leitung
verringert, so dass sich der Außendurchmesser
von 670 auf 630 mm reduzierte.
Technik
Leitungsbau
Durchführung der Reparatur
Reinigung des Schutzrohres
Vor der Sanierung musste das Schutzrohr
gereinigt werden (Abb. 7). Hierbei
wurde ein metallischer Kratzer eingesetzt
und anschließend ein Wasserhöchstdruckreinigungsverfahrenangewandt.
Letztgenannter Vorgang wurde
wiederholt. Im Nachgang erfolgte eine
Inspektion mit einer mobilen Videokamera.
Lieferung und Montage des
GFK-Inliners
Der GFK-Inliner bestand aus einem
Mischlaminat aus Glasfasermatten
und Harz. Die Kurzzeit-E-Modulwerte
erreichen Werte zwischen etwa
9.000 und 12.000 N/mm 2 . Die Biegefestigkeit
ergab Werte > 150 N/mm 2 .
Mit dieser hohen Festigkeit in Verbindung
mit der nahtlosen Konstruktion
bot der Liner die Möglichkeit die vorhandenen
Stahlschutzrohre zu stabilisieren.
Durch den Einbezug von GFK
ergab sich eine Dehnfähigkeit > 15
Prozent. Hierdurch ist gewährleistet,
dass sich der mit Untermaß gefertigte
Liner bei Beaufschlagung mit Innendruck
formschlüssig und faltenfrei an
die Rohrwand anlegte – selbst bei
größeren Nennweitentoleranzen. Der
Aufbau selbst setzte sich aus einer
2-Schicht-PE-PA-Innenfolie, dem eigentlichen
GFK-Inliner sowie einer
3-Schicht-PE-PA-PE-Außenfolie zusammen.
Die Innenfolie übernahm
hierbei die Funktion einer „Aufstellhilfe”
und wurde im Anschluss an die
Sanierung entfernt.
Abb. 5 Schadensstelle Einpassmuffe Abb. 6 a+b Schadensstelle: zerstörter Schaum und Indikatoren
29

Technik
Leitungsbau
Abb. 7 Reinigung der Stahlschutzrohre
Abb. 8 Aufbauschema des Inliners
Anlieferung
Die Anlieferung erfolgte verlegefertig
als nahtloser Schlauch mit einer Länge
von je 67 m und einer Wanddicke von
10 mm. Als Verpackung diente eine
Transportbox, wobei zusätzlich UV-undurchlässige
Kunststofffolien den Liner
vor dem Aushärten schützten.
Startschacht
Abb. 10 Prinzipdarstellung der Einziehung des Inliners
Startschacht
Verschlußstdeckel
Monrtage des Verschlussstopfens(Packer) am Lineranfang
Stahlschutzrohr
GFK- Inliner
Stahlschutzrohr
PE-PA-PE Außenfolie
GFK - Inliner (Advantex)
PE-PA Innenfolie (nach
Sanierung entfernt)
Monrtage des Verschlussstopfens(Packer) am Lineende
GFK- Inliner
Aktivierung des Inliners
Die Aushärtung des Inliners erfolgt
durch Wärmeenergie in Form einer gezielten
und kontrollierten Einleitung
von Heißdampf (Druck + Temperatur).
Die wichtigsten Kriterien für eine
erfolgreiche Aushärtung sind die
Dampftemperatur und die Dauer des
Vorganges. Der gesamte Vorgang wird
elektronisch, über Temperaturfühler
Verschlußdeckel
Abb. 11 Prinzipdarstellung der Einziehung des Inliners
Abb. 9 Anlieferung des Inliners in einer Transportbox
Endschacht
Endschacht
Verschlußstdeckel
Zugkraft
ca.85 kN
Zugkraft
ca.85 kN
Umlenkrolle
gesteuert, überwacht. Diese Informationen
werden protokolliert und dokumentiert.
Arbeitsablauf beim Inlinereinbau
Die zur Durchführung des Verfahrens
notwendige Geräteausstattung besteht
aus der Heizanlage, einem Kompressor,
einem Notstromaggregat und einer
Abb. 12 Vorbereitung des Einziehvorgangs
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Abb. 13 Einziehvorgang des Inliners
elektrischen Winde mit Zugkraftbegrenzung.
Die Heizanlage wird zur Installation
des Liners am Startschacht,
die Winde am Endschacht positioniert.
Für den Dampfkessel ist eine Wasserversorgung
(Trinkwasseraufbereitung)
mit einem Druck von mindestens 2,5
bar bauseits erforderlich.
Vorbereitende Arbeiten
Nach der Anlieferung auf der Baustelle
muss der Inliner beim Entnehmen aus
dem Transportkasten möglichst weitgehend
durch eine entsprechende Folie
vor Licht geschützt sein. Vor den GFK-
Linereinbau wird am Schlauchanfang
ein so genannter „Einzugskopf“ gefaltet,
so dass nach dessen Durchlochung
ein Einzugsseil befestigt werden kann.
Einzug des Inliners
Nach Entfernen der Kamera wird an
diesem Hilfsseil das Windendrahtseil
zum Anfangsschacht gezogen und dort
mit dem Anfang des GFK-Liners verbunden.
Dieser wird seinerseits an der
Winde mit der Kraft von 14 bis max.
86 kN über Umlenkrollen zum Endschacht
gezogen (Abb. 10 + 11). Damit
bei diesem Vorgang der Inliner nicht
beschädigt wird, muss vorher eine
Gleitfolie in das Schutzrohr eingezogen
werden (Abb. 12). Um ein Zurückgleiten
des GFK-Liners aufgrund seiner
Elastizität und somit das Entstehen von
Radialfalten nach der Sanierung zu vermeiden,
wird nach dem Einziehen die
notwendige Einzugskraft noch ca. 15
10/04
Minuten aufrecht erhalten.
Kalibrieren des
Inliners
Im Endschacht wird
der Dampfschlauch
montiert. Die Sensoren
zur Messung der
Dampftemperaturen
sowie des Innendrucks
befinden sich
an den beiden Verschlussdeckeln,wogegen
die Sensoren für
die Laminattemperatur
an beiden Linerenden
befestigt werden.
Nach der Abdichtung
der Inlinerenden
mit Verschlussdeckeln
wird der noch
flach im Rohr liegende Schlauch durch
Einblasen von Druckluft kalibriert, d.h.
er legt sich an die Innenwand des Stahlschutzrohres
an (Abb. 14).
Aushärten des Inliners
Erst wenn sich der Liner gleichmäßig an
die Rohrwand angelegt hat, wird Heißdampf
bei ca. 0,4 bar und ca. 120 °C in
den Liner geleitet (Abb. 15). Die Aushärtung
erfolgt nach einer vorgegebenen
Aushärtungskurve und benötigt
unter normalen Verhältnissen (ohne
anstehendes Grundwasser oder Infiltration)
ca. 4 Stunden. Um bei diesem Pro-
Startschacht
Druckluft ~0,4bar
Verschlußdeckel
Stahlschutzrohr
Abb. 14 Aufstellung des Inliners durch Druckluft
Abb. 15 Aushärten des Inliners
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Leitungsbau
zess einen gleichmäßigen Wärmeübergang
zu gewährleisten, ist eine stetige
Zirkulation des Dampf-Luftgemisches
erforderlich.
Abschließende Arbeiten nach
der Sanierung
Nach dem Abkühlen des Inliners werden
die Sensoren von den Packern demontiert
und die Linerenden abgeschnitten.
Es folgt das Herausziehen der
Innenfolie aus dem Inliner. Durch eine
abschließende Befahrung mit einer Kamera
wird die Installation des GFK-Inliners
dokumentiert. Danach werden
die Sensoren von den Packern demontiert
und die Linerenden abgeschnitten.
Im Anschluss wird die Innenfolie aus
dem Inliner herausgezogen. Eine abschließende
Befahrung mit einer Kamera
dokumentiert die Installation des
GFK-Inliners.
Die Sanierung von 2 � 67 m Schutzrohrlänge
wurde im vorliegenden Fall
komplett mit allen Vor- und Nacharbeiten
in knapp 10 Stunden durchgeführt
(Abb. 16).
Einziehen einer KMR-
Leitung DN 500
Nachdem diese Arbeiten fertiggestellt
waren, konnten die neuen KMR-Fernwärmeleitungen
installiert werden.
Während des Betriebes waren im
Schutzrohr axiale Bewegungen bis ca.
80 mm zu erwarten.
GFK- Inliner
Einzugschacht
Verschlußdeckel
Startschacht
Einzugschacht
Heißdampf
Verschlußdeckel Stahlschutzrohr GFK- Inliner
~0,4bar; 120°C
Druckluft
Verschlußdeckel
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Technik
Leitungsbau
Abb. 16 Fertiggestellter Inliner Abb. 17 Neue KMR-Transportleitung mit Auflagesattel
Deshalb wurden im unteren Bereich des
PE-Kunststoffmantelrohres in Abständen
von ca. 3,0 m gleitende Auflagesättel
aus Kunststoffschalen angefertigt
und mit Schrumpfmanschetten am
Mantelrohr befestigt (Abb. 17). Bedingt
durch die Reduzierung der KMR-Wärmedämmung
betrug der Mantelrohrdurchmesser
630 mm. Hierdurch vergrößerte
sich der Zwischenraum von
Schutzrohr zum KMR-Mantelrohr auf
ca. 140 mm. Somit konnte die Nachisolierung
der Verbindungsstellen mit vollvernetzten
Schrumpfmuffen erfolgen,
die teilweise vor dem Ausschäumen –
mit Luft von 0,5 bar Überdruck – auf
Dichtheit geprüft wurden.
Kosten der Reparaturmaßnahme
Die Baukosten (ohne interne Personalkosten)
betrugen:
• Tiefbau, Betonbau, Rohrbau, Isolierung:
200.000 Euro
• Inliner inkl. Material, Reinigung und
Einbau: 84.000 Euro
• Rohrleitungen und Zubehör: 35.000
Euro
• Absperrklappen: 10.000 Euro
• Einsatz des Heizwerkes: 88.000 Euro
• Gesamt: 417.000 Euro
Die Zeitdauer der Reparaturmaßnahme
dauerte vom 11. August bis zum 17. Oktober
2003 und wurde also in insgesamt
9 Wochen durchgeführt!
Zusammenfassung
Das Einbringen von Stahlschutzrohren
bei der Unterquerung von Straßen kann
beim aktuellen Stand der Technik und
den bisherigen Erfahrungen als Routinearbeit
betrachten werden. Aber auch
hier kann Nachlässigkeit zu schwerwiegenden
Folgen führen. Im geschilderten
Fall wurde eine mögliche Materialschädigung
(Deformierung) bei der Durchpressung
der Stahlschutzrohre nicht beachtet.
Dies führte beim Einziehen der
KMR-Transportleitung DN 500 zu einer
Beschädigung der Verbindungsmuffen,
wodurch über einen Zeitraum
von 18 Jahren das Eindringen von Wasser
in die Wärmedämmung erfolgte.
Besonders erschwerend für diese Reparaturmaßnahme
waren folgende Rahmenbedingungen:
• die nicht zu unterbrechende Wärmeversorgung
der Anrainer,
• die oberirdisch nicht zugängliche
Schadensstelle (Hauptverkehrsstraße
mit Straßenbahn),
Dipl.-Ing. Albert Burg
Unter Gottes Gnaden 24
50869 Köln
Tel.: 0221 508 524
E-Mail: nc-burgal@netcologne.de
• die Überflutung der Schutzrohre
durch Rheinwasser,
• die nicht mögliche Verlegung in einer
neuen Trasse.
Unter Berücksichtigung dieser Rahmenbedingungen
wurden die Schutzrohre
im Erdreich belassen, durch eine
GFK-Auskleidung statisch stabilisiert
und gegen eindringendes Wasser abgedichtet.
Die Reparaturzeit dauerte ca.
neun Wochen. Die Kosten betrugen ca.
420.000 Euro. Auch zukünftig wird es
immer wieder Schäden geben, die
durch Nachlässigkeiten oder fehlendes
Fachwissen der Beteiligten auftreten.
Um solche oder ähnliche Schäden
zukünftig auszuschließen, haben Unternehmen
die Pflicht, das Know-how
ihrer Mitarbeiter durch entsprechende
Schulungen zu motivieren, um somit
die Ausführungsqualität von Bau- und
Reparaturmaßnahmen sicherzustellen.
Alle Abbildungen: GEW RheinEnergie AG
Dipl.-Ing. Reinhold Fastabend
GEW RheinEnergie AG
Rohrnetz-Betrieb Fernwärme
Parkgürtel 24
50823 Köln
Tel.: 0221 178 3717
Fax: 0221 178 2325
E-Mail: r.fastabend@rheinenergie.com
Internet: www.rheinenergie.com
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