Sanierung alter gusseiserner Großrohrleitungen

von Veri Josef Weber

Vorwort

Dieser im Jahr 1974 veröffentlichte Bericht wird auch in Zukunft noch interessant sein.

Allerdings empfehle ich, bei den heutigen hohen Anforderungen an Prüfgase im Interesse des Umweltschutzes, jeweils akrtuell zu prüfen, welche Gase zulässig sind.

Umbau von zwei Gefällsleitungen DN 900, DN 800 zwischen der Grundwasserfassungsanlage bei Köln-Hochkirchen und dem Druckpumpwerk Severin am Zugweg in Köln für die Verwendung als Druckrohrleitungen PN 10.

 

Veröffentlicht  in Heft 10/74 der Neuen DELIWA-Zeitschrift

 

Bei der Behandlung von Schadensfällen wird von Juristen häufig der Versuch unternommen, bestimmten Rohrmaterialien feste, allgemeinverbindliche Lebensalter zuzuordnen. Hierbei wird übersehen, dass das Lebensalter einer Leitung von vielen Faktoren abhängt. So kennt man heute bewährte Verfahren, das Lebensalter von Leitungen zum gegebenen Zeitpunkt, z.B. durch Innen- oder Außenbehandlung der Verbindungsstellen oder durch aktiven Korrosionsschutz zu verlängern.

 

Der hier behandelte Fall liegt außerhalb der bisher in Veröffentlichungen beschriebenen Verfahren, so dass er für einen breiten Leserkreis (der NDZ) von Interesse sein dürfte. Aus betrieblichen und wirtschaftlichen Gründen ist das Druckpumpwerk  mit Netzeinspeisung „Severin“ am Zugweg im Kölner Süden stillgelegt worden; dafür wurde inzwischen die erweiterte Wasserfassungsanlage bei Hochkirchen zu einem Druckpumpwerk mit direkter Netzeinspeisung umgebaut. Als Voraussetzung war unter anderem die Schaffung einer Druck-wasserrohrleitungsverbindung zwischen der früheren Netzeinspeisung am Zugweg und den Wasserwerksanlagen Hochkirchen auf einer etwa 3500 m langen Strecke erforderlich (siehe Lageplan Bild 1).

 

Auf den Trassen, die für die Neuverlegung einer entsprechenden Wasserrohrleitung in DN 1200 in Frage gekommen wären, ist nach dem heutigen Stande der Planung zu einem noch nicht feststehenden Zeitpunkt mit dem Bau umfangreicher Verkehrsbauwerke für die Stadtautobahn zu rechnen; ferner kann eine U-Bahn- Erweiterung innerhalb der nächsten 20 Jahre im gesamten Trassenbereich nicht ausgeschlossen werden.

Unter diesen Aspekten war zu untersuchen, ob die zwei von der Wasserfassungsanlage Hochkirchen zum Zugweg parallel verlaufenden Wassertransportleitungen DN 900, DN 800, die bisher als Niederdruckwasserleitungen mit einer Gefällstrecke im letzten Teilstück zum Wassertransport vom „Schöpfwerk“ in Hochkirchen zum Druckpumpwerk in Köln benutzt worden sind, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand auf Betriebsdruck umgebaut werden konnten.

 

Wesentliches Kriterium für eine Verwendbarkeit der zwischen 1898 und 1905 verlegten Leitungen als Druckrohrleitungen war der Zustand des Gussrohrmaterials. Es handelt sich um Sandgussrohre mit Stemmmuffenverbindungen, mit Abmessungen entsprechend den Normalien vom Jahre 1882. Eine Untersuchung von Materialproben mit schriftlichem Gutachten durch das Labor der Firma Rheinstahl, Schalker Verein in Gelsenkirchen, ergab: „Die Rohraußenoberfläche ist leicht überkrustet, Werkstoffzersetzungen sind nicht festzustellen. Das gesunde Werkstoffgefüge ist mittelkörnig und grau.

 

Zusammensetzung:

C              Si                Mn                   P                  S                    

3,24          1,59             0,34                 1,78             0,104            (%)

Zugfestigkeit:   14,5/15,0 kp/mm2 

Gefüge: siehe Bild 2,3,4



Beurteilung:

In der Zusammensetzung liegt der Si-Gehalt niedriger und P-Gehalt höher als heute für Sandguss gebräuchlich.

Die Festigkeit entspricht den bis zum Jahre 1961 für Sandgussrohre gültigen technischen Lieferbedingungen DIN 2420.

 

Das Werkstoffgefüge ist gut. Das ausgeprägte Steaditnetz, das auf die Haltbarkeit der Rohre ohne Einfluss ist, ist bedingt durch den hohen P-Gehalt. (Anmerkung d. Verf. Steadit ist ein Eutektikum (Eutektischer Punkt = niedr. Schmelzpunkt) aus Eisenphosphid, Zementit und Perlit im Gusseisen und im Schliffbild deutlich an seinen konkaven Begrenzungen zu erkennen.)

 

Während der Betriebszeit hat der Werkstoff nicht gelitten; Rohre in der vorliegenden Beschaffenheit, Ausführung und Werkstoffqualität müssten unter normalen Betriebs-verhänissen noch jahrzehntelang  ihren Zweck erfüllen.(1)  Als nicht normale Betriebs-verhältnisse in diesem Sinne gelten Kriegseinwirkungen, denen die zu sanierenden Leitungen stark ausgesetzt waren.

 

Der frühere Betriebszustand der Leitungen ließ jedoch noch folgende Mängel vermuten, die vor einer Einbeziehung in das Druckrohrnetz  geortet werden mussten:

a)      Unbekannte (Kriegs)rohrschäden, die bei höherem Druck zur Auswirkung kommen

Können,

b)      undichte Muffen, insbesondere auf den Gefällstrecken, oberhalb des beim früheren

      Betrieb vorhandenen freien Wasserspiegels, also im Rohrscheitel. 

 

Die Problematik der Prüf- und Umbauarbeiten ist im Prüf- und Arbeitsschema (Bild 5) dargestellt, wobei jedoch bemerkt werden muss, dass derartige Aktionen, die sehr diffizil sind und unprogrammgemäß verlaufen können, von einer gut eingespielten Arbeitsgruppe unter fortlaufender Auswertung der Prüf- Arbeitsergebnisse durchgeführt werden müssen.



Aus betrieblichen Gründen mussten die beiden parallel verlaufenden Leitungen einzeln umgebaut werden, damit jeweils eine Leitung während des Umbaues der anderen als Gefällsleitung bzw. Druckleitung in Betrieb bleiben konnte.

Die Prüf- und Umbaufähigkeit der Leitungen wurde zunächst durch den Einbau der an den Richtungsänderungen fehlenden Beton-Widerlager hergestellt.

Weitere konstruktive Maßnahmen  sind im Prüf- und Arbeitsschema (Bild 5) zu ersehen.

 

Ortung von Materialschäden und undichten Muffen

(Leckprüfmethode)

 

Mit umfangreichen und sehr intensiven nächtlichen Abhorchaktionen auf der Trasse (Bonner Straße = Belebte Ausfallstraße zum Autobahnkreuz Köln – Süd) hatten wir keinen Erfolg.

Um also Leckagen geringerer Größe, die weder durch Oberflächenbeobachtung  noch durch Abhorchen festzustellen waren, zu erkennen und ihre Wirkung beurteilen zu können, waren zunächst intensive Messungen erforderlich. Erstrebenswert waren hierbei Methoden, die sowohl die Feststellung des Vorhandenseins von Undichtheiten als auch eine Ortung des Lecks und wenn möglich auch eine Bestimmung der Leckgrößen ermöglichten. Die Größe des Lecks wird im Allgemeinen durch die Leckrate angezeigt.

 

Bei der im vorliegenden Falle bestehenden unverhältnismäßig großen Wassermenge in der Leitung (DN 900 bzw. DN 800) zur geringen Leckwassermenge pro Austrittsstelle schied das Differenzdruckverfahren von vorneherein aus. Von weiteren bekannten, wirtschaftlich vertretbaren Messverfahren, wie Gasblasentest, Halogenmethode Massenspektrometrie und radioaktiver Kryptonmethode (85Kr-Test) ist das erste nur bei freiliegenden Leitungen verwendbar.

 

Um von den verbleibenden Methoden die wirtschaftlichste und erfolgversprechendste auszusuchen, war u.a. die Kenntnis der Empfindlichkeitsbereiche bedeutsam, wobei die Empfindlichkeit vom System Prüfgas-Detektor abhängt.

 



Bei den jeweiligen Leckprüfmethoden gelten folgende Messbereiche (2):



Da in unserem Falle die Prüfbedingungen von den im Apparatebau herrschenden Standard-Bedingungen (1 at gegen Vakuum, kleiner 1 Torr) abweichen, gelten die vorstehenden Werte nicht absolut, sind aber zum Vergleich der Methoden geeignet.

 

Bei vorhandenen Stemmmuffenverbindungen sind relativ geringe Undichtheiten nicht auszuschließen (es gibt hierbei keine absolute Dichtheit). Daher waren die Kleinstleckagen uninteressant und nach Möglichkeit von der Anzeige durch den Detektor auszuschließen. Die den höchsten Empfindlichkeitsanforderungen genügende massenspektrometrische Methode, deren Messbereich nach unten mit etwa 10 -12 Torr . l/s begrenzt ist, das sind bei den vorliegenden Voraussetzungen etwa 10 Mikroliter pro Jahr, war hierbei nicht erforderlich und schied deshalb aus. Zudem wäre diese Methode zu kostenaufwendig gewesen.

Es muss nun andererseits erwähnt werden, dass bei den langen Prüfstrecken (2 x 1700 m) und dem enormen Querschnitt der Leitungen ein derart großes Leitungsvolumen vorlag, dass eine starke Akkumulation des Prüfgases aus wirtschaftlichen Gründen nicht erreichbar war. Daher musste ein Detektor zur Verfügung stehen, der empfindlich genug war, auf die im Leckgas-Luftgemisch nur minimal enthaltenen effektiv nachweisbaren Moleküle anzusprechen. Die Entscheidung zwischen der Halogen- und Kryptonmethode ergab sich bei uns dadurch, dass die für die erstgenannte erforderlichen Prüfgase und Detektoren sofort verfügbar waren.

Den bisherigen Veröffentlichungen nach zu urteilen, sind jedoch beide Methoden für die Lecksuche an unterirdischen Leitungen äquivalent. Als Prüfgas verwendeten wir Frigen 12, ein halogeniertes Kohlen-Wasserstoff-Gas (CCl2F2 = Dichlordifluormethan).

 

Die technische Entwicklung auf dem Gebiet der Messtechnik für den Umweltschutz hat dazu geführt, dass inzwischen tragbare Spurenmessgeräte für halogenierte Kohlenwasserstoffe mit Skala und Intensitätsanzeiger zum Preis von weniger als 15 000 DM auf dem Markt sind. (3)Diese Geräte ermöglichen im jeweiligen Einsatzgebiet die der eigentlichen Leckmessung voraufgehende Feststellung der Skalenwerte für den aus den Umwelteinflüssen herrührenden Grundpegel. Konzentration des Prüfgases, Druckdifferenz und Detektoreinstellung müssen dann so abgestimmt werden, dass die Leckanzeige oberhalb dieses Pegels liegt. Der Zeigerausschlag dürfte eine Ortung des Rohrschadens mit der bei Straßenaufbrucharbeiten erforderlichen Genauigkeit ermöglichen.

Im vorliegenden Falle verwendeten wir noch ein Gerät ohne Intensitätsanzeige, das jedoch nach demselben Prinzip arbeitete, d.h. es war mit einem auf elektro-negative Gase sensitiv wirkenden Elektronen-Einfang-Detektor (ECD) ausgestattet, der die Rekombination zwischen elektronegativen und –positiven Ionen anzeigte. Die Ausschaltung der Anzeige von unerwünschten, aus den Umwelteinflüssen herrührenden Halogenen war allerdings gegeben, da eine Regelschraube die Abstellung der Licht- und Summtonanzeige ermöglichte.

Das physiologisch unbedenkliche Frigen wurde unter leichtem Überdruck von etwa 3 bis 5 mbar eingefüllt und unter diesem Druck gehalten. Bei der Gesamtfüllung der beiden je 3450 m langen Leitungen mit etwa 4000 m3 Volumen wurden 80 kg Frigen à 3,45 DM/kg = rd. 280,-DM verbraucht. Dagegen hätte eine Stickstoff-Heliumfüllung bei der massenspektro-metrischen Methode etwa 103 000,- DM für beide Leitungen gekostet. 

 

Im unmittelbaren Anschluss an die Einfüllung des Prüfgases wurde aus bereits vorher über der oder parallel zur Leitungs-Trasse geschlagenen Sondenlöchern mittels Prüfsonde mit Vakuumpumpe Luft bzw. das Luft-Prüfgasgemisch angesaugt und dem Detektor zugeführt. Wurde an mehreren Sondenlöchern hintereinander mit der gleichen Intensität Frigen angezeigt, erfolgte die Ortung dadurch, dass durch Prüfung aus Parallelbohrungen mit zunehmendem Abstand zur Leitungstrasse der Punkt der weitesten Diffusion im Erdreich und durch Projizierung dieses Punktes im rechten Winkel auf die Rohrleitung die Leckstelle selbst ermittelt wurde (siehe Bild 6).

 

In einem Rohrnetzplan, in dem sämtliche Sondenlöcher eingetragen waren, wurden die Frigen-Anzeigen gekennzeichnet und, da die Messungen stellenweise mehrmals wiederholt wurden, mit Daten versehen. Ferner wurden im Plan u.a. vermerkt: Sichtbare Oberflächenabsenkungen, Flicken in der Straßendecke, frühere Reparaturstellen, frühere Bombentrichter. Details der Leitung, wie Verbindungsarten, Armaturen, Formstücke, Einstiegstutzen mit Blindflanschen, Hochpunkte, waren ebenfalls aus dem Plan zu ersehen. Die Auswertung dieser Informationen ließ in Einzelfällen auf die Art der Undichtheiten schließen.



Geortete undichte Stemmmuffen wurden entweder

 

a)      bei zahlreichen in einem Abschnitt aufeinander folgenden undichten Muffen mit Muffen-Innendichtungen

     oder

b)      bei einzeln auftretenden undichten Muffen mit Stemmmuffendichtringen von außen versehen. 

 

 

 

 

 

Stufenweise Drucksteigerung bei laufender Verlustmessung

 

Nach der Beseitigung der durch die Leckprüfmethode georteten ausgeprägten Schäden wurde die Leitung wieder mit Wasser gefüllt und hierbei besonders intensiv entlüftet. Anschließend begann die Wasserverlustmessung bei den einzelnen Druckstufen, zunächst bis Betriebsdruck = ca. 5 bar Überdruck. Diese kombinierten Drucksteigerungen mit Verlustmessung wurden auf Teilstrecken von maximal 1700 m Länge vorgenommen. Da die Druckanzeigegeräte (Manometer und Druckschreiber) und der Wasserzähler laufend überwacht wurden, war eine sofortige Abstellung der Wasserzufuhr bei eintretendem Schaden gewährleistet. Für die bei einem Schaden austretende Wassermenge war im Wesentlichen die in der Leitung verbleibende Luftmenge bestimmend. Es war somit unsere Aufgabe, die Luftmenge so zu reduzieren, dass bei einem Rohrschaden keine Gefahr für den Straßenverkehr entstehen konnte.

Zählerstände und Wasserverbrauch wurden wie folgt erfasst und gleichzeitig in Schaubildern  als Kurven eingetragen:



Aus den in der Wasserverbrauchstabelle eingetragenen Werten ließen sich bereits nach den ersten Drucksteigerungen die für das Komprimieren der eingeschlossenen Luft eingespeisten Wassermengen ermitteln. Hieraus konnte nach dem Gesetz von Boyle-Mariotte das Volumen der noch in der Leitung vorhandenen Luft relativ genau bestimmt werden. Gemäß der ausschließlich zur weiteren Komprimierung der nun bekannten Luftmenge erforderlichen Füllmenge wurde in einem Schaubild (Füllmenge-Druck) eine theoretische Kurve gebildet, wobei zusätzlich noch die vom Innendruck bewirkte Ausdehnung des Rohrdurchmessers zu berücksichtigen war.

Die durch den Prüfdruck erzeugte Spannung liegt unterhalb der Elastizitätsgrenze, also im Bereich der linearen Ausdehnung nach Hooke. In diesem Bereich ist die Ausdehnung des Gusseisens größer als die des Stahles und daher bei Volumina, wie sie bei Leitungen der vorliegenden Dimensionen bestehen, beim Vergleich der Wassereinspeisemenge zu berücksichtigen. So erweitert sich das Volumen einer 1700 m langen Gussrohrleitung DN 900 bei einem Druckanstieg von 0 auf 10 bar um rund 400 Liter.

Bei dem laufenden Vergleich des sich aus den tatsächlichen Füllmengen ergebenden Kurvenverlaufes mit dieser Idealkurve konnte rechtzeitig auf einen zu erwartenden Rohrschaden geschlossen werden. Durch Beobachtung der Messwerte war zu ersehen, ob die Summe der Austrittsquerschnitte der Ausflussformel entsprechend konstant blieb oder ob eine plötzliche Erweiterung derselben eingeleitet wurde. Nach Erreichen des Betriebs-druckes musste die Prüfeinrichtung um eine Druckpumpe erweitert werden. Bei der Prüfung von Teilstrecken mit zunächst hohem Wasserverlust wurde diese Prüfeinrichtung gemäß Bild 7 angeordnet. Andernfalls, also bei geringen Wasserverlusten, wurde der Betriebspunkt gemäß Bild 8 durch die Regelung einer Rücklauf-Wassermenge bestimmt.



Durch die stufenweise angehobene Druckbelastung der Leitung wurden ohne jegliche Gefährdung der Verkehrssicherheit noch mehrere Schäden (z.B. durch Kriegseinwirkung entstandene Haarrisse), deren Leckraten bei den vorausgegangenen Prüfbedingungen (unwesentliche Innendruckbelastung) unterhalb des Grundpegels der Halogenanzeige gelegen hatten, sichtbar gemacht. Wegen des geringen komprimierten Luftvolumens entstand im allgemeinen erst nach dem leichten Öffnen der Luft-Hochpunkthydranten und nicht schon beim Eintreten des Rohrschadens eine geringfügige optisch feststellbare Veränderung an der Straßenoberfläche im Bereich der Schadensstelle auf der unter Kontrolle gehaltenen Trasse. Da die für die Verkehrs- und Baustellensicherung erforderlichen Materialien, einschließlich großer Hinweistafeln, griffbereit gehalten wurden, war eine reibungslose Einleitung der jeweiligen Reparaturarbeiten gewährleistet.

Nach der Reparatur aller bei den Drucksteigerungen georteten Schäden wurden die jeweiligen Prüfabschnitte der Leitung einer intensiven schwellenden Belastung ausgesetzt. Ferner wurde durch mehrmalige Drucksteigerungen von 1 bis 10 bar Überdruck an Hand der aufgetragenen Füllkurvencharakteristiken (Bild 9) festgestellt, dass keine zum Rohrbruch neigenden Leckagen mehr vorlagen.

Die bei der abschließenden Druckprüfung (10 bar über 24 h) festgestellten Leckwassermengen lagen bei weitem unter der Verlustrate des übrigen Wasserrohrnetzes. Diese restlichen Wasserverluste waren im Wesentlichen auf nicht absolut dicht schließende Absperrschieber zurückzuführen.  

 



Für die Durchführung dieser Maßnahme, einschließlich der erforderlichen umfangreichen Verkehrssicherungsmaßnahmen, entstanden folgende Kosten:

 

a)      Umbau der östlichen Transportleitung im Jahr 1971

(ca. 1700 m DN 900, ca. 1700 m DN 800)                                           782 000,-  DM

b)      Umbau der westlichen Transportleitung in den Jahren 1972/73

(Längen und Dimensionen wie unter a)                                                 372 000,- DM

 

Insgesamt:                                                                                       1 154 000,- DM

 

Der Umbau zu a) erfolgte, da entsprechende Erfahrungen noch nicht vorlagen, nicht exakt nach dem hier vorgezeichneten Arbeitsschema. Unter Auswertung der beim Umbau der östlichen Leitung gesammelten Kenntnisse und Erfahrungen konnte die westliche Leitung bereits bedeutend wirtschaftlicher umgebaut werden, wie die vorstehenden Zahlen zeigen.

 

Die Neuverlegung einer Ersatzleitung DN 1200 hätte in dieser schwierigen Trasse mindestens 4,0 Mio. DM gekostet. Abschließend ist festzuhalten, dass mit den beim Umbau der Leitungen praktizierten Verfahren auch weitere im Wasserrohrnetz vorhandene alte Gussrohrleitungen größerer Dimension mit wirtschaftlichem Effekt saniert werden können.

In Sanierungs- und Planungsgebieten mit nicht ausgereifter Detailplanung ist eine zeitlich vorweggenommene Erneuerung großer Leitungen problematisch, weil die Berücksichtigung der Leitungslage als Planungsfestpunkte bei der späteren Ausarbeitung der Verkehrsanlagen und Stadtsanierungsmaßnahmen nicht immer möglich ist. Hier ist von Fall zu Fall eine Sanierung der vorhandenen Leitungen nach dem vorgezeichneten oder ähnlichen Verfahren als interimistische Maßnahme angezeigt.

 

Literatur

(1)     Firma Rheinstahl, Schalker Verein GmbH: „Gutachten“

(2)     Dr. H. Schäfer, Berlin-Ost: Die Leckmessung mit radioaktivem 85 Kr

(3)     Messtechnik für Umweltschutz, München: Geräteübersicht

(4)      

An dieser Stelle möchte ich den tatkräftigen Einsatz unserer Mitarbeiter, vor allem der Herren Willi Pütz (Bauleitung) und Helmut Daab (Oberleitung der Baumaßnahme)  bei der Bewältigung der aus dem Bericht zu ersehenden Aufgaben hervorheben.