Genaue Druckstoß-Berechnungen können massive Schäden vermeiden

Wenn Wasserleitungen der Schlag trifft: Was ist ein Druckstoß?

Druckstöße sind bereits seit der Antike bekannt: Schon die Römer wussten von Wasserschlägen in ihren Blei- und Steinleitungen zu berichten. Doch erst im späten 19. Jahrhundert führte der russische Mathematiker Nikolai Joukowsky ausführliche Experimente und Berechnungen durch – und prägte damit auch den Begriff Joukowsky-Stoß für dieses physikalische Phänomen.

Heute kennt jeder, der sich mit Flüssigkeitsleitungen beschäftigt, diesen Begriff und weiß, was es damit auf sich hat. Insbesondere Planer von Rohrleitungssystemen und hydraulischen Anlagen müssen sich täglich mit der Frage auseinandersetzen, ob eine Druckstoßuntersuchung nötig ist oder nicht. Im Grunde sind nur im häuslichen Umfeld, also in Heizungs-, Wasser- und Abwasserleitungen mit geringen Längen und kleinen Querschnitten, Druckstöße kaum ein Problem. Aber schon eine Rohrlänge von etwa 100 Metern und ein Durchfluss von wenigen Litern pro Sekunde reichen, um im ungünstigen Fall massive Schäden in der Leitung zu verursachen! Und die Gefahr, dass durch Druckstöße verursachte Schäden die Kosten für präventive Berechnungs- und Sicherungsmaßnahmen übersteigen, ist schnell gegeben!

Wie können Druckstöße entstehen?

Grundsätzlich kann ein Wasserschlag in allen Leitungen auftreten, die mit Flüssigkeit gefüllt sind. Denn Flüssigkeiten sind im Gegensatz zu Gasen nur minimal kompressibel – lassen sich also nur kaum zusammendrücken. Ein Druckstoß entsteht immer dann, wenn sich die Fließgeschwindigkeit einer solchen Flüssigkeit in einem Rohr ändert, also bei Beschleunigung oder bei Verzögerung. Generell erzeugen alle Arten von Betriebsänderungen und Betriebsstörungen Druck- und Volumenstromschwankungen, also sich zeitlich ändernde Strömungszustände.

Wird also beispielsweise eine Absperrarmatur schnell geschlossen, staut sich das Wasser vor der Armatur auf – es entsteht ein Druckanstieg und die sogenannte Druckwellenfront breitet sich entgegen der ursprünglichen Strömungsrichtung aus – in einem Stahlrohr mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.100 m/s! Gleichzeitig tritt ausgangsseitig des schnell geschlossenen Ventils eine Druckreduzierung auf, welche sich ebenso ausbreitet, jedoch in Richtung der Strömung. Die entstehende Druckwelle in der Leitung läuft nun entgegen der ursprünglichen Strömungsrichtung, bis sie wieder auf eine Reflexionsstelle, z. B. eine plötzliche Querschnittsänderung, ein T-Stück oder ein Rückschlagventil stößt. Dort wird der Stoß erneut reflektiert und läuft so lange im System hin und her, bis die Druckwelle sich vollständig durch Reibung abgebaut hat.

Die wichtigsten Ursachen solcher instationärer Strömungszustände können sein:

• Plötzlicher Pumpenausfall infolge Abschaltens oder Unterbrechens der Stromversorgung
• Ab- und Zuschalten von Pumpen zu bereits in Betrieb befindlichen Pumpen
• Schnelles Schließen oder Öffnen von Absperrorganen in der Rohrleitung
• Änderungen des Zulaufwasserspiegels
• Drehzahlverstellung der Pumpen
• schlagende Rückschlagventile

Ein Zahlenbeispiel veranschaulicht, welch immense Kräfte bei einem Druckstoß in Rohren wirken können:

Wir betrachten ein DN 200 Rohr (Innendurchmesser also ca. 190 mm) in einer Länge von 900 Metern und einer Fließgeschwindigkeit des Wassers von 3 m/s (entspricht 11 km/h). Die im Rohr enthaltene Wassermasse beträgt dann mWasser = ((0,192 × π) / 4) × 900 × 1000 = 25.500 kg. Das entspricht in etwa der Masse eines großen LKWs. Somit fährt beim plötzlichen Absperren der Strömung – um im Bild zu bleiben – ein mit 11 km/h rollender LKW auf eine Mauer (das geschlossene Ventil) auf. Welch riesiger Druck hier entsteht, ist leicht vorstellbar!

Womit Sie rechnen sollten: Eine kurze Einführung in die Druckstoßberechnung

Grundsätzlich ist für jede gefährdete hydraulische Rohranlage eine Druckstoßuntersuchung nach heutigem Stand durch den Planer durchzuführen. Dabei sind viele Werte mit einzubeziehen. Das können – in Auszügen – sein:

• Höhenprofil der Leitung,
• Längen und Durchmesser,
• Wanddicke,
• Werkstoff,
• Auskleidung,
• Rohrverbindungen,
• Rauhigkeitsbeiwert,
• Be- und Entlüftung von Hochpunkten,
• Abzweige,
• Zeta- oder KV-Kurven sowie Stellgesetze der Armaturen,
• Kennlinien bzw. Kennfelder und Kenndaten der hydraulischen Maschinen,
• Massenträgheitsmomente der Maschinensätze,
• Reglereinstellungen,
• Wasserspiegelhöhen der Behälter,
• Durchflüsse in allen Leitungsabschnitten,
• Öffnungsgrade von Absperr- und Drosselorganen und
• Betriebsdrücke.

Das sind eine ganze Menge verschiedener Größen, die alle mehr oder weniger gewichtig in die Druckstoßberechnung mit einfließen. Zur genauen Berechnung stehen heute spezielle Computerprogramme zur Verfügung, deren Anwendung von den einschlägigen Experten vorgenommen wird. Niemand wird noch eine präzise Druckstoßberechnung per Hand vornehmen. Trotzdem sollte man sich im Klaren darüber sein, dass bereits die Änderung einer Größe drastische Auswirkungen auf die ganze Berechnung haben kann.

Kraft aus der Leitung nehmen: Wie lassen sich Druckstöße verhindern?

Es lassen sich eine Reihe von Maßnahmen ergreifen, um Rohrleitungen vor der Kraft eines Druckstoßes zu schützen. Je langsamer eine Druckveränderung in der Leitung vorstatten geht, desto geringer der Druckstoß. Frequenzumrichter und Softstart-Einrichtungen für Pumpen sowie hydraulisch unterstützte Absperrklappen verhindern im Regelbetrieb plötzliche Veränderungen der Durchflussgeschwindigkeit. Zusätzlich können sog. „Windkessel“ und Ventile die Leitung schützen.

• Windkessel oder Druckschlagdämpfer sind Behälter, in denen sich „Luftpolster“ befinden, die komprimiert werden können. Ähnlich wie bei einem Luftballon nimmt das Luftpolster bei einem Druckanstieg die entstehende Energie auf. Das überschüssige Wasser presst einfach die im Windkessel befindliche Luft zusammen.
• Be- und Entlüftungsventile, wie das KSB BOAVENT-AVF schützen vor Lufteinschlüssen, Unterdruck und Druckstößen im System. Sie erlauben die Be- und Entlüftung großer Luftmengen (z. B. bei der Füllung der Leitung) und der Entlüftung kleinerer Luftmengen während des Betriebs. Vakuumsicherheitsventile, Vakuumbrecherventile, die z. B. auf der Druckseite von Pumpen installiert werden, erlauben es, dass bei Bedarf Luft in das System eindringen kann, um einem Vakuum vorzubeugen.

Praxisbeispiel 1

Als gängiges Kriterium, ob eine Druckstoßberechnung nötig ist, dient häufig die folgende Faustformel:

K = (l × v) / √H

Hierbei bedeuten:

l = Rohrleitungslänge zwischen Pumpe oder Armatur und der nächstgelegenen Reflexionsstelle in Metern

v = Strömungsgeschwindigkeit in m/s

H = Förderhöhe in Metern

Für einen ermittelten K-Wert größer als 70 wird eine Druckstoßberechnung empfohlen. (Quelle: Lehr- und Handbuch der Abwassertechnik 3, 3.Aufl. Verlag von Wilhelm Ernst & Sohn

Das Beispiel: Es soll eine KSB Hebeanlage Compacta montiert werden. Die Eckdaten:

Q = 47 m³/h

Hges. = 19,6m (hgeo 13,3m enthalten)

Druckleitung:

DN100 / d i = 102,2mm

Länge: 127,3m

Fließgeschwindigkeit: 1,6m/s

PE-Leitung

Trägt man die Werte in die obige Formel ein, ergibt sich ein K-Wert von ca. 46. Bei einer Grenze von K = 70 scheint also alles unkritisch zu sein. Oder? Das dynamische Verhalten der Rückschlagklappe hat dramatische Auswirkungen auf die Druckstoßproblematik: Rechnet man mit einer idealen Klappe ist alles in Ordnung. Mit einer eigentlich geplanten Standardklappe werden aber „dramatisch schlechte“ Ergebnisse berechnet, siehe Bild 1 unten. Ergo: Es muss eine spezielle schnellschließende Klappe eingebaut werden

Fazit: Auf gängige Faustformeln zur Abschätzung der Notwendigkeit einer Druckstoßberechnung ist nicht immer Verlass. In der oben genannten Formel wird beispielsweise der sekundäre Druckstoßeffekt durch Klappenschläge nicht berücksichtigt.

Praxisbeispiel 2: Wie KSB das Druckstoßverhalten einer Stahlrohrbrücke in den Griff bekam

Durch einen Kunden wurde eine neue, ca. fünf Kilometer lange Abwasserleitung geplant. Der Aufbau sah wie folgt aus: Etwa 180 Meter hinter der Pumpstation war eine 170 Meter lange Rohrbrücke vorgesehen. Die Abwasserleitung besteht aus unterirdisch verlegtem PE-Rohr. Die Brücke dagegen wurde oberirdisch auf Stelzen verlegt und besteht aus Stahlrohr – eine recht häufig vorkommende Konstruktion und daher sehr relevant für Planer. Für erste Abschätzungen erforderlicher BEV-Positionen wurde die Rohrleitung als durchgängige PE-Leitung betrachtet.

Die rote Linie stellt den minimalen Druck, welcher sich im Laufe der Simulation einstellt, grafisch dar (minimale Hüllkurve). Man erkennt: Mit den beiden dargestellten BEV A und B bleibt der Druck im zulässigen Bereich, zusätzliche Sicherungsmaßnahmen erschienen zunächst nicht notwendig.

Die Projektmanager konsultierten KSB, um die Druckstoßverhältnisse des Projekts genau zu untersuchen und um geeignete Maßnahmen zur Sicherung der Leitung zu empfehlen. Selbstverständlich wurde das Rohrleitungssystem auf der Brücke für die finalen Kontrollrechnungen mit dem korrekten Rohrleitungsmaterial Stahl modelliert. Den KSB-Experten fiel schnell auf, dass das Rohrleitungssystem aufgrund seiner Konstruktion sehr auffällig auf Betriebspunktänderungen wie z. B. Pumpenausfall reagierte

Bild 3 zeigt die Hüllkurve für den minimalen Druck während der Simulation eines Stromausfalls. Ohne zusätzliche Sicherungsmaßnahmen zeigt sich, dass der Druck in der untersuchten Rohrstrecke zeitweise bis zum Verdampfungsdruck des Wassers (Kavitation) absinkt (grüne Linie). Auch mit einem BEV an der Kopplungsstelle beider Rohre (BEV C) allein, weist die zugehörige Hüllkurve (pink) noch unzulässige Druckabsenkungen aus. Erst mit einem weiteren BEV (BEV D) in der Nähe der Kopplungsstelle lässt sich der Druck im zulässigen Bereich halten (braune Linie)

Aber warum ist das so?

Die Wellenfortpflanzungsgeschwindigkeit a beträgt im PE-Rohr 270 m/s und im Stahlrohr der Brücke 1100 m/s. Durch die schlagartige Änderung von a bildet sich an der Kopplungsstelle beider Rohre eine Teil-Reflexionsstelle für die Druckwellen aus. Dadurch ergibt sich ein komplexer Verlauf der Druckwellen. Die räumliche und zeitliche Verteilung des Leitungsdruckes macht letztendlich ein weiteres BEV D in unmittelbarer Nähe (37m) zum BEV C an der Kopplungsstelle nötig

Möchten Sie mehr über Druckstöße, ihre Berechnung und Schutzmaßnahmen erfahren? Laden Sie sich einfach unsere umfassende Know-how-Broschüre zum Thema herunter.

Fazit: In welchen Fällen lohnt eine genaue Druckstoßberechnung ganz besonders?

Der Deutsche Verein des Gas- und Wasserfaches e.V. (DVGW) ist der anerkannte Regelsetzer für die Gas- und Wasserwirtschaft und hat hier eine klare Meinung: Im DVGW-Merkblatt W 303 „Dynamische Druckänderungen in Wasserversorgungsanlagen“ steht unmissverständlich, dass dynamische Druckänderungen bei der Planung und dem Betrieb von Anlagen beachtet werden müssen, da sie Ursache erheblicher Schäden sein können!

Und das obige Beispiel zeigt eindrucksvoll, wie der Übergang von einem Rohrmaterial zu einem anderen bei einer Stahlrohrbrücke zu auffälligen Systemreaktionen führen kann. Und solche Szenarien sind nicht ungewöhnlich: Insbesondere bei Straßensanierungen, der Neuerschließung von Grundstücken, beim Bau von U-, S- oder Straßenbahnen, bei der Neuverlegung von Kommunikationskabeln etc. kommt es häufig vor, dass Druckrohre temporär oder dauerhaft verlegt oder umgebaut werden müssen. Stahlrohrabschnitte in Kunststoffrohrleitungen sind hier nichts Ungewöhnliches. Auch Querschnittsänderungen von Rohrleitungen stellen Teilreflexionsstellen im Rohrleitungssystem dar und können zu ähnlichen Problemstellungen führen. Gerade in solchen Fällen sollten Planer ihre Druckstoßberechnungen präzise durchführen und bei Bedarf die entsprechenden Maßnahmen ergreifen – um weitreichende und teure Schäden schon im Vorwege zu verhindern! Die Spezialisten von KSB unterstützen Sie gern bei Ihren Berechnungen und beraten Sie zu Ihrem Projekt. Nehmen Sie einfach Kontakt zu uns auf!