Veröffentlicht: Sept. 10, 2007

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REHAU Bau/Tiefbau

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Von Dipl.-Ing. Guido Kania, REHAU AG + Co, Erlangen-Eltersdorf

Moderne Druckrohrsysteme aus polyolefinen Werkstoffen verdrängen aufgrund ihrer nachgewiesenen hohen Betriebssicherheit, der baustellengerechten Verbindungstechnik und geringsten Schadensquoten immer häufiger traditionelle Werkstoffe des Rohrleitungsbaus wie Guß oder Stahl. Ebenso sind Korrosionsschäden an modernen Rohrsystemen aus polymeren Werkstoffen unbekannt. Aus diesem Grund sind moderne polymere Werkstoffe zur Herstellung von erdverlegten Versorgungsleitungen unerlässlich geworden. 

Der anhaltende Kostendruck im Tiefbau führt dazu, dass immer häufiger neue Rohrtrassen nicht in der zeitaufwändigen, aber schonenden offenen Bauweise mit einem schützenden Sandbett rund um das Rohr verlegt werden, sondern immer häufiger grabenlose Verlegetechniken wie Einpflügen, Einfräsen, Berstlining und Horizontal-Spülbohren zum Einsatz kommen. Diese modernen Verlegeverfahren zeichnen sich in erster Linie durch eine hohe Verlegeleistung von zum Teil mehreren tausend Metern pro Tag aus, die einen wirtschaftlichen Baufortschritt sicherstellen. Einhergehend mit dieser hohen Verlegeleistung steigt die Beanspruchung, der das Rohrmaterial während der Verlegung und im verlegten Betriebszustand ausgesetzt ist, überproportional an, da meist auf ein schützendes Sandbett verfahrensbedingt verzichtet werden muss. 

Der planende Ingenieur muss in Abhängigkeit des Verlegeverfahrens, der Trassenführung, der vorliegenden Bodenbedingungen und des zu transportierenden Mediums aus einer Vielzahl von auf dem Markt angebotenen Rohrleitungen mit Schutzeigenschaften das geeignete Rohrleitungssystem auswählen. Erschwert wird diese Materialentscheidung durch das branchenweite Fehlen eines einheitlichen Qualitätsstandards für Rohre mit Schutzeigenschaften und den zur Herstellung erforderlichen hochfesten Werkstoffen. 

Anforderungen an erdverlegte Druckrohrsysteme 

Die Anforderungen an erdverlegte Druckrohrsysteme variieren stark in Abhängigkeit des gewählten Verlegeverfahrens, des umgebenden Erdreichs und der gewählten Verlegetiefe. In jedem Fall muss ein störungsfreier und sicherer Betrieb der Rohrleitung über die wirtschaftliche Lebensdauer sichergestellt sein. Bei heutigen modernen erdverlegten Druckrohrleitungen, üblichen Betriebstemperaturen und -drücken wird üblicherweise eine Nutzungsdauer von mindestens 100 Jahren angesetzt. 

Bei der Abschätzung der auf das Rohr wirkenden Lasten während der Verlegung und im jahrzehntelangen Betrieb kommt erschwerend hinzu, dass viele der Einflussfaktoren entlang einer Rohrtrasse einer stetigen sowohl zeitlichen als auch örtlichen Änderung unterworfen sind. So ist beispielsweise der anstehende Boden entlang der gesamten Druckrohrtrasse selten homogen zusammengesetzt und durchgehend steinfrei, was bei traditionellen Verlegeverfahren im offenen Rohrgraben in der Regel durch ein Sandbett ausgeglichen worden ist. 

Bei der Anwendung einer grabenlosen Verlegetechnik, wie beispielsweise Spülbohren, erschließt sich dem Verlegepersonal häufig nicht die Zusammensetzung des in der späteren Leitungszone befindlichen Bodens, da sich der eigentliche Verlegevorgang viele Meter unter der Erdoberfläche und damit vollständig im Verborgenen stattfindet. 

Ebenso lassen sich für im Berstlining verlegte Rohrsysteme kaum Richtwerte für auftretende Punktlasten, zum Beispiel verursacht durch Rohrscherben des zerstörten Altrohres, abschätzen, da die Lage der Scherbe und deren auf das Rohr wirkende Normalkraft nicht berechnet werden kann. 

Folglich ist der verantwortliche Planer gut beraten, wenn er für derartig anspruchsvolle Verlegeverfahren nicht das kostengünstigste, für die Verlegung im Sandbett entwickelte Rohrsystem projektiert und darauf vertraut, dass keine außergewöhnlichen Lasten (Punktlasten, Riefen, usw.) während der Nutzungsdauer auftreten werden. Sondern er sollte hauptsächlich ein verlegefreundliches, sicheres Rohrsystem verwenden, bei dem die Eignung für solche Verlegebedingungen im Prüflabor und in der Praxis nachgewiesen worden ist. Denn ein einziger Schaden würde aufgrund der extremen Folgekosten, die mit dessen Beseitigung im Tiefbau stets einhergehen, den enormen Kostenvorteil des modernen Verlegeverfahrens vollständig aufzehren. 

Eine weitere, wesentliche Anforderung an moderne punktlastbeständige Druckrohrsysteme ist, dass diese auch unter Baustellenbedingungen sicher und problemlos verbunden werden können. Alle zugelassen Verbindungstechniken wie Heizelementstumpfschweißen oder Heizwendelschweißen müssen mit vorhandenen Schweißgeräten sicher und dauerhaft dicht realisiert werden können. 

Letztlich müssen alle Druckrohre selbstverständlich als überwachungspflichtige Baustoffe für die Verwendung mit dem jeweiligen Betriebsmedium und Betriebsdruck von der national maßgeblichen Institution zugelassen sein und einer laufenden externen Güteüberwachung unterliegen. 

Besondere Anforderungen an punktlastbeständige, erdverlegte Druckrohrsysteme und deren Werkstoffe 

Grundsätzlich muss bei allen alternativen Verlegemethoden, die ohne Sandbett in der unmittelbaren Umgebung der Rohrleitung auskommen, mit dem Auftreten von Punktlasten gerechnet werden. Häufig liegen bei der sandbettfreien Verlegung Steine, Scherben des Altrohres oder andere Hindernisse im Bereich der neuen Leitungszone. Diese Hindernisse wirken durch ihr Eigengewicht und zusätzlich durch die Auflast des umgebenden Erdreichs von außen, als Punktlast ständig auf das neu verlegte Rohr ein. 

Eine FEM-Berechnung zeigt, dass bei einem im Betrieb befindlichen Druckrohr in diesem Einbauzustand die maximale Spannung an der Rohrinnenseite auftritt. Folglich wird ein derart belastetes Rohr, wenn es nicht durch besondere Maßnahmen geschützt wird, von diesem Punkt der höchsten Spannung in Folge langsamen Risswachstums (slow crack growth, SCG) versagen. 

Aus diesem Grund erweisen sich funktionale Innenschichten für Druckrohre als besonders vorteilhaft, wenn sie an der medienberührten Innenfläche eines Rohres durch Coextrusion aufgebracht werden. Werden diese nach Maß in das Grundrohr integriert, bleibt auch der hydraulische Querschnitt des Rohrsystems gegenüber einem Standard-Rohr unverändert. Eine derartige funktionale Innenschicht dient in erster Linie dazu, den Widerstand gegen Punktlasten im verlegten Zustand zu erhöhen. 

Eine wirkungsvolle funktionale Innenschicht zum Schutz eines erdverlegten Rohres vor einem Versagen bei Punktlast von außen muss demzufolge aus einem speziellen Werkstoff gefertigt werden, der eine hohe Beständigkeit gegen Rissinitiierung und langsames Risswachstum aufweist. 

Neues Druckrohrsystem RAUPROTECT II zur sandbettfreien Verlegung mit coextrudierter, funktioneller Innenschicht aus RAUSISTO 

Für erdverlegte Druckrohranwendungen wurde basierend auf den oben genannten Überlegungen eine neue Rohrkonstruktion entwickelt, die aus einem maßhaltigem PE 100-Normrohr besteht, in das per Coextrusion eine funktionelle Innenschicht aus hochrissbeständigem Polymer ("RAUSISTO") als zusätzliche Schutzmaßnahme während der Produktion unlösbar eingebracht wird. Dabei wird das Normrohr gemäß DIN 8074/75 beziehungsweise EN 12201 / EN 1555 / EN 13244 gefertigt. Durch die nach Maß integrierte, zusätzliche funktionelle Innenschicht werden die technischen Mindestanforderungen gemäß DVGW GW 335-A2 nicht negativ beeinflusst und können weiterhin zugesichert werden. Das Rohr weist eine hydrostatische Innendruckfestigkeit von MRS 10 auf und kann somit für die Gasversorgung bis zu einem zulässigen Betriebsdruck von 10 bar beziehungsweise für die Trinkwasserversorgung bis zu einem zulässigen Betriebsdruck von 16 bar eingesetzt werden. 

Ergebnis ist ein coextrudiertes Vollwandrohr mit einer integrierten Protector-Schicht aus dem hochwertigen Werkstoff "RAUSISTO". Da dieses moderne Rohrsystem bezüglich der Geometrie maßlich und technisch mit einem PE100-Rohrsystem identisch ist, kann dieses mit herkömmlichen Elektroverschweißmuffen und -geräten verbunden oder auch stumpfgeschweißt werden. Das Material des Grundrohres wird aus der DVGW-Werkstoffliste ausgewählt. Die für PE 100 übliche Witterungsbeständigkeit / UV-Beständigkeit ist sichergestellt. Analog zu PE 100-Standardrohren sind Ringbunde und Stangen verfügbar. 

Bei der zur Herstellung der Rohre verwendeten Werkstoffgeneration RAUSISTO handelt es sich um einen speziellen PE 100 VRC-Werkstoff, der dem letzten Stand der Werkstoffentwicklung für unvernetzte PE-Druckrohre entspricht. Der in der Regel mehrstufige, bimodale Polymerisationsprozess unter Verwendung von Hexen-Copolymer und die Verwendung von unterschiedlichen Katalysatoren ermöglicht es den Rohstoffherstellern, ausgewogene und genau auf die spätere Anwendung zugeschnittene Polymere zu entwickeln, die in Leistungsspektren bei erdverlegten Kaltwasseranwendungen vorstoßen, die vorher nur PEX-Rohrsystemen vorbehalten waren. Einhergehend mit der Entwicklung derartiger Werkstoffe wurde aufgrund der außergewöhnlich guten Langzeiteigenschaften die Entwicklung aggressiverer, schnellerer Zeitraffer-Werkstoffprüfungen erforderlich. Dies deshalb, weil die hochwertigen PE 100 VRC-Werkstoffe der letzten Generation in vertretbaren Zeitspannen wegen ihrer hohen Qualität kein Versagen im Zeitraffer-Test aufwiesen und damit keine Unterscheidung mehr zuließen. 

Durch die funktionelle RAUSISTO-Innenschutzschicht wurde die langsame Rissfortpflanzung weitgehend unterbunden. Das Rohr ist dadurch höchst punktlastbeständig und nachweislich für die sandbettfreie Verlegung geeignet. Der enorme Widerstand gegen die Rissfortpflanzung erlaubt den sicheren Einsatz des Rohres bei der grabenlosen Verlegung beziehungsweise bei Relingmaßnahmen. 

Diese überragende Punktlastbeständigkeit wurde durch den Punktbelastungstest nach Dr. Hessel im anerkannten Prüflabor Hessel Ingenieurtechnik GmbH nachgewiesen. 

Es zeigte sich, dass die Kombination eines PE 100-Grundrohrs mit funktioneller, maßlich integrierter RAUSISTO-Schutzschicht an der Rohrinnenfläche einen außergewöhnlich großen Widerstand gegen Punktlasten aufweist. Rohrsysteme dieser Art zeigen bei derartiger, extremer Belastung signifikant längere Standzeiten als gewöhnliche PE 100-Rohre. Damit sind derartige Rohrsysteme nachweislich für die sichere sandbettfreie Verlegung auch in schwierigen Untergründen hervorragend geeignet. 

Rückverfolgbarkeit auf höchstem Niveau: Umsetzung der Traceability-Forderungen nach G 472 und ISO 12176-4 
Neben den beschriebenen Anforderungen an die Sicherheit und Langlebigkeit erdverlegter Druckrohrsysteme auch unter widrigen Verlegebedingungen bestehen speziell aus Sicht der Gasversorgungsunternehmen zusätzliche Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit (Traceability) der Rohrleitungen. 

Nach DVGW-Arbeitsblatt G 472 wird gefordert, jede Schweißverbindung bei einem zulässigen Betriebsdruck größer 4 bar zu protokollieren und ein Rohrbuch zu führen. Die konventionelle Führung eines solchen Buches erwies sich in der Praxis leider oftmals als fehlerbehaftet, da eine Vielzahl an Daten manuell zu erfassen und zu übertragen war. 

Eine deutliche Verbesserung der Aufzeichnungsqualität brachten neue Schweißgeräte mit zusätzlicher Datenerfassung, die in Verbindung mit einer maschinenlesbaren Barcode-Kennzeichnung auf den Schweißmuffen eine Reduzierung der manuell einzugebenden Daten ermöglichten. 

Die Versuche einiger Hersteller, auch die zu verschweißenden Rohre mittels selbstklebender Barcode-Etiketten auszurüsten und damit die für das elektronische Rohrbuch benötigten Daten maschinenlesbar bereitzustellen, scheiterten oftmals daran, dass das verwendete Etiketten-Material entweder nicht witterungsbeständig war oder nach erfolgter grabenloser Verlegetechnik (Spülbohren, Berstlining etc.) mechanisch von der Rohroberfläche abgetrennt oder beschädigt wurde und damit nicht mehr als Datenquelle verfügbar war. 

Aus diesem Grund wurde das RAUPROTECT II RAUSISTO Rohrsystem neben der funktionellen, coextrudierten Innenschicht mit einer weiteren, durch Coextrusion unlösbar mit dem Grundrohr verbundenen PE-Schicht in Form eines Farbstreifens versehen, der mittels eines hochauflösenden Lasers dauerhaft und abriebfest das Rohrsystem sowohl mit den nach den gültigen Normen erforderlichen Klartext-Angaben als auch mit dem maschinenlesbaren Barcode nach ISO 12176-4 beziehungsweise ISO 13950 signiert. 

Dieser zum Zeitpunkt der Rohrherstellung aufgebrachte Barcode ermöglicht eine dauerhafte Rückverfolgbarkeit jedes einzelnen produzierten und verlegten RAUPROTECT II Rohrmeters. In Verbindung mit einer automatischen Prozessdatenerfassung an der Extrusionslinie ermöglicht dieses revolutionäre Verfahren eine lückenlose Erfassung aller qualitätsrelevanten Daten jedes produzierten und verlegten Rohrmeters von der Anlieferung des Rohstoffes bis zum Einbau und der Druckprobe. Aus diesem Grund wird dieses innovative Sicherheitskomplettsystem als REHAU Total-Quality-System (TQS) bezeichnet. 

Somit ist in Verbindung mit diesem modernen Laser-Kennzeichnungssystem ein punktlastbeständiges Rohrsystem erhältlich, das dem Anwender eine lückenloses Qualitätsaufzeichnung und Traceability bis hin zum vollständigen elektronischen Rohrbuch ermöglicht. Das RAUPROTECT II RAUSISTO Rohrsystem mit TQS bietet damit das notwendige Mehr an Sicherheit für alle modernen Verlegeverfahren und anspruchsvolle Bodenverhältnisse. 

Erfahrungen aus der Praxis 

Das RAUPROTECT RAUSISTO Rohrsystem wurde im Sommer 2005 bei der E.ON Thüringer Energie AG im Rahmen der Anbindung der Gemeinde Holzthaleben an das Gasversorgungsnetz verlegt. Dabei wurden insgesamt 2,4 Kilometer d63-Rohre SDR 11 und 2.252 Meter d110-Rohre SDR11 eingesetzt. Die Verlegung erfolgte im offenen Graben mit einem Verlegepflug und mittels gesteuerter Felsbohrung. Dabei wurde teilweise Aushubmaterial wieder verwendet beziehungsweise mit gebrochenem Schotter verfüllt. 

Die Leitung wurde nach erfolgter Verlegung mit einem Prüfdruck von 6 bar abgedrückt und vom Betreiber abgenommen. 

Am Ende 2006, circa 15 Monate nach der Erstverlegung, wurde, wie im Rahmen des Objektbegleitprogramms mit dem Betreiber im Vorfeld vereinbart, die Rohrleitung an zwei Stellen im Bereich der Zuführung und des Ortsnetzes aufgegraben und einer Kamerabefahrung beziehungsweise Endoskopie unterzogen. 

Bei der Inspektion konnte bestätigt werden, dass keines der untersuchten Rohre auffällige Verformungen oder Beschädigungen aufwies. Damit wurde in der Praxis bestätigt, dass das REHAU RAUPROTECT RAUSISTO Rohrsystem punktlastbeständig ist und auch unter schwierigen Verlegebedingungen erfolgreich eingesetzt werden kann. 

Fazit 

Mit modernen, speziell für die jeweilige Anwendung konzipierten, coextrudierten Vollwand- Druckrohrsystemen, die aus Kombination von hochwertigem PE100 mit hochrissbeständigen PE-VRC bestehen, eröffnet sich eine Vielzahl von kostensparenden Verlegemethoden. So kann beispielsweise bei der Neuverlegung im offenen Graben auf das oft teure Sandbett verzichtet werden. Beim Relining führen auch Beschädigungen und Punktlasten beim Rohreinzug im Vergleich zu PE 100-Rohren nicht zum Versagen dieser modernen Rohrsysteme und grabenlose Verlegetechniken ermöglichen hohe wirtschaftliche Verlegeleistungen. Moderne, dauerhafte Lösungen zur Inline-Barcode-Signierung ermöglichen eine lückenlose Qualitätsdokumentation, um auch höchste Sicherheits- und Qualitätsstandards für moderne, betriebssichere Rohrleitungsnetze auf Dauer sicherzustellen. 

Sandbettfrei verlegte punktlastbeständige Rohrleitung

Sandbettlose Verlegung im offenen Graben

Untersuchung der Rohrinnenflächen mit Schiebekamera / Endoskop