Druckstöße und Kavitationsschläge ziehen häufig Schäden an Rohrleitungssystemen nach sich. Daher ist es für Planung und Betrieb solcher Anlagen unerlässlich zu wissen, welche Situationen und baulichen Merkmale dazu führen können, dass Druckstöße und Kavitationsschläge in einer Leitung auftreten sowie welche Auswirkungen diese auf die Anlage haben können. Druckstöße und Kavitationsschläge in Rohrleitungen treten beispielsweise bei der In- oder Außerbetriebnahme von Anlagen oder dem Ausfall einer Pumpe auf. Auch schlagartiges Schließen oder Öffnen einer Absperrarmatur oder ein Defekt an bestehenden Sicherheitseinrichtungen kann Ursache eines Druckstoßes/Kavitationsschlages sein. Kavitationsschläge und Druckstöße in Rohrleitungen führen in der Regel zu erheblichen Belastungen der Rohrleitung und eingebauter Komponenten, da bei ihrem Auftreten Über- beziehungsweise Unterdruck entsteht, der weit außerhalb der Grenzen, für die die Anlage ausgelegt ist, liegen kann. Äußerlich bemerkbar machen sie sich in Form von Schlägen und der ruckartigen Bewegung von Leitungsabschnitten, was über einen gewissen Zeitraum zu Schäden an Leitungen, Armaturen und Halterungen führen kann. In Extremfällen kann ein einzelner, besonders starker Druckstoß oder Kavitationsschlag die Leitung mitsamt allen dazugehörenden Komponenten völlig zerstören.
Faustformeln, Anwendung und Grenzen
Unter einfachen Bedingungen lassen sich die bei Druckstößen und Kavitationsschlägen auftretenden Kräfte mit Hilfe von Faustformeln abschätzen. Bei Druckstößen kommt Joukowski zuzüglich des sogenannten Line-Packing zur Anwendung. Als Line-Packing bezeichnet man den Effekt, dass zum Druckstoß der beim stationären Transport auftretende Reibungsdruckverlust zusätzlich aufaddiert werden muss. Dies ist besonders bei Leitungen mit großem stationärem Druckverlust erforderlich. Der tatsächliche Druckanstieg im System aufgrund von Line-Packing beträgt: Die Lasten auf Halterungen beziehungsweise Festpunkte unter Vernachlässigung der Impulsänderung betragen: Diese Faustformel ist anwendbar bei flüssigkeitsfördernden, „steif“ verlegten Rohrleitungen mit kalten Flüssigkeiten (also mit Abstand zur Siedelinie) und schnell schließenden Armaturen. Bei Kavitationsschlägen hingegen kommt Joukowski ohne Line-Packing zur Anwendung. Der tatsächliche Druckanstieg im System beim Kavitationsschlag beträgt dann: Lasten auf Halterungen/Festpunkte unter Vernachlässigung der Impulsänderung: Die Druckwellengeschwindigkeit beträgt in Stahlrohren mit Wasser circa 1.000m/s, ansonsten gilt: Bei der Bestimmung der Art der Belastung ist die Position der schließenden Armatur ausschlaggebend. Befindet sich diese am Anfang der Leitung, besteht die Gefahr eines Kavitationsschlages, relevante Länge ist hier die Abstromseite. Sitzt sie dagegen am Ende der Rohrleitung, kann es zu Druckstößen kommen, hier ist die Zustromseite die relevante Länge. Wenn die schließende Armatur hingegen in der Mitte der Leitung montiert ist, können sowohl Druckstöße als auch Kavitationsschläge auftreten, hierbei stellen sowohl die Ab- als auch die Zustromseiten relevante Längen dar. In anderen Fällen sind diese Formeln jedoch höchstens stark eingeschränkt anwendbar, zum Beispiel bei verzweigten beziehungsweise vermaschten Leitungen oder wenn die Schließzeiten der Armaturen optimiert werden sollen. In beiden Fällen sind computergestützte Simulationen und Vor-Ort-Messungen erforderlich. Ebenso ungeeignet sind die Formeln bei Dampf- oder Gasleitungen, bei echten Zweiphasenströmungen oder Schwall-, Kolben- und Ringströmungen.
Risiko einschätzen und vermeiden
Im Folgenden soll anhand dreier Beispiele dargelegt werden, welche Maßnahmen bei Druckstößen und Kavitationsschlägen in Rohrleitungen ergriffen werden können, und zwar unter den Aspekten der Verhinderung sicherheitstechnisch relevanter Druckstöße in der Leitung und der Verhinderung sicherheitstechnisch relevanter Auswirkungen auf die Rohrleitung. Im ersten Fall handelt es sich um eine lange flüssigkeitsführende Rohrleitung; die Druckstöße/Kavitationsschläge entstehen durch schnelles Öffnen und Schließen von Armaturen. Soweit möglich, sollten sicherheitstechnisch relevante Druckstöße verhindert werden. Dies kann z.B. durch eine geeignete Dimensionierung der Rohrleitung für den maximalen Druck erreicht werden. Andererseits kann die Öffnungs-/Schließzeit der Armaturen verlängert oder das gleichzeitige Öffnen bzw. Schließen mehrerer Armaturen vermieden werden. Ist dies nicht möglich oder sollen lediglich die schädlichen Auswirkungen auf das Rohrleitungssystem vermieden werden, können Sicherheitseinrichtungen wie Windkessel, Wasserschloss oder Blasenspeicher installiert werden, und zusätzlich gegebenenfalls eine Rückschlagarmatur in der Zuleitung zwecks Verminderung der Druckwellenreflexion. Im zweiten Fall geht es ebenfalls um eine lange flüssigkeitsführende Rohrleitung, die Druckstöße beziehungsweise Kavitationsschläge werden hier jedoch durch das An- und Abfahren von Pumpen mit hoher Leistung beziehungsweise eine schnelle Änderung der Strömungsgeschwindigkeit verursacht. Sicherheitstechnisch relevante Druckstöße lassen sich hier mit einer Verminderung der Pumpenleistung oder einer Durchflussbegrenzung verhindern. Grundsätzlich führt jede Maßnahme zur Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit. Sollen sicherheitstechnisch relevante Auswirkungen vermieden werden, hilft auch hier die Installation von Sicherheitseinrichtungen und gegebenenfalls einer Rückschlagarmatur.
Sicherheitssystem verhindert Schäden
Das letzte Beispiel ist eine lange flüssigkeitsführende Rohrleitung mit großer Höhendifferenz, die in der Nähe des Siedepunktes betrieben wird. Zum Druckstoß/Kavitationsschlag soll in diesem Fall das Schließen einer Absperrarmatur oder der Ausfall einer Pumpe führen, was am Hochpunkt der Leitung zu starkem Unterdruck und nachfolgend zu lokaler, schneller Verdampfung führt. Die Vermeidung sicherheitstechnisch relevanter Druckstöße erfolgt hier über die Sicherstellung eines ausreichenden minimalen Betriebsdruckes; die Verhinderung sicherheitstechnisch relevanter Auswirkungen wird zum Beispiel durch eine Be-/Entlüftung am Hochpunkt der Rohrleitung ermöglicht. Weitere Ursachen und entsprechende Gegenmaßnahmen lassen sich wie folgt zusammenfassen: Ist die Ursache für den Druckstoß und/oder Kavitationsschlag das Schließen eines Ventils, lassen sie sich durch eine Verlängerung der Schließzeit oder das kontrollierte Schließen dieses Ventils vermeiden. Ist der Start einer Pumpe verantwortlich, kann die Drehzahl der Pumpe entsprechend geregelt werden oder gegen ein geschlossenes Ventil gestartet werden. Treten Vakuum/Ausdampfungen auf, helfen Vakuumbrecher oder Belüftungsventile. Gegen Überdruck oder Pulsationen schließlich helfen Blasenspeicher, Pulsationsdämpfer oder innovative Verfahren wie beispielsweise das PCD-System. Dieses System (Pressure Control Device) hat das Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen in Kooperation mit der Firma Ebro Armaturen, Hagen, entwickelt und patentiert. Hierbei handelt es sich um ein zuverlässiges, leicht einsetzbares und passives Sicherheitssystem (keine zusätzliche Hilfsenergie). Das auf einen Standardantrieb einer Schließ- oder Regelarmatur formschlüssig aufgesetzte PCD enthält einen inneren hydraulischen Kreislauf, der beim Stellvorgang der Armatur in Bewegung gesetzt wird. Gleichzeitig ist das PCD über eine Impulsleitung mit der Hauptleitung hydraulisch wirksam verbunden. Erreicht nun – aufgrund des Drosselvorgangs – der Druck in der Rohrleitung einen unzulässig hohen Wert, so wird der hydraulische Umlauf im PCD gestoppt und damit das weitere Schließen der Armatur solange behindert, bis der Druck in der Hauptleitung wieder abfällt. Die Armatur schließt aber in jedem Fall – failsafe – durch einen inneren Bypass im PCD mit voreingestellter Zeitkonstante.
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