Druckstoß und instationärer Betrieb bei PE-Druckleitungen

Kurzbeschreibung

Druckstöße entstehen, wenn sich die Strömungsgeschwindigkeit in einer Druckleitung rasch ändert. Die dadurch ausgelöste Druckwelle breitet sich im Rohrsystem aus und wird an Behältern, Armaturen, Pumpen, Verzweigungen und Leitungsenden reflektiert. Entscheidend sind deshalb nicht nur einzelne Rohrabschnitte, sondern das zeitabhängige Verhalten des gesamten Systems.

Typische Ursachen

Instationäre Betriebszustände entstehen unter anderem durch:

• schnelles Öffnen oder Schließen von Armaturen,
• Anfahren, Regeln oder Ausfall von Pumpen,
• Schließen von Rückschlagarmaturen,
• Füllen, Entleeren oder Entlüften einer Leitung,
• Rohrbruch oder plötzliche Verbrauchsänderungen,
• Bewegung eingeschlossener Luftpolster.

Auch eine betrieblich übliche Schalthandlung kann kritisch werden, wenn Stellzeit, Leitungsvolumen und Wellenausbreitung nicht aufeinander abgestimmt sind.

Grundlegender Zusammenhang

Für eine idealisierte, sehr schnelle Geschwindigkeitsänderung beschreibt die Joukowsky-Beziehung die Größenordnung der Druckänderung:

$$\Delta p = \rho \cdot a \cdot \Delta v$$

Dabei sind:

• $\Delta p$ die Druckänderung,
• $\rho$ die Dichte des Mediums,
• $a$ die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im Rohrsystem,
• $\Delta v$ die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit.

Die Beziehung ist keine vollständige Netzberechnung. Reale Schaltvorgänge dauern eine endliche Zeit; Reibung, Verzweigungen, Höhenprofil, Armaturenkennlinien und Reflexionen verändern den Verlauf.

Besonderheiten von PE-Rohren

Die elastische Rohrwand von PE senkt die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit gegenüber steiferen Rohrwerkstoffen häufig ab. Dadurch kann die unmittelbare Druckänderung geringer ausfallen. Das macht einen Druckstoßnachweis jedoch nicht entbehrlich:

• Wellengeschwindigkeit und Dämpfung hängen von SDR, Durchmesser, Werkstoff, Temperatur, Einspannung und Medium ab.
• Positive Druckspitzen können den zulässigen Systemdruck überschreiten.
• Negative Druckwellen können Unterdruck, Kavitation, Eindrücken oder das Ansaugen von Verunreinigungen an Undichtheiten begünstigen.
• Wiederkehrende Lastwechsel beanspruchen Rohre, Verbindungen, Armaturen und Halterungen gemeinsam.

Maßgeblich ist der zulässige Druckbereich des vollständigen Rohrleitungssystems, nicht allein die nominelle Druckstufe des Rohres.

Bewertung des Gesamtsystems

Eine belastbare instationäre Berechnung benötigt mindestens:

• Leitungsverlauf, Höhenprofil, Längen und Innendurchmesser,
• stationäre Ausgangszustände und mögliche Betriebsfälle,
• zeitabhängige Pumpen- und Armaturenkennlinien,
• Mediumeigenschaften und Rohrwandtemperatur,
• Material-, SDR- und Einspannungsdaten,
• Behälter, Rückschlagorgane, Be- und Entlüfter sowie Schutzarmaturen,
• zulässige Höchst- und Mindestdrücke aller Systemkomponenten.

Für Wasserversorgungsanlagen behandelt das DVGW-Arbeitsblatt W 303 dynamische Druckänderungen. Die allgemeine Planung und der Betrieb von Wasserverteilungsanlagen sind zusätzlich im passenden Teil der DVGW-W-400-Reihe einzuordnen.

Mögliche Schutzmaßnahmen

Je nach Ursache und Netzverhalten kommen beispielsweise angepasste Schließzeiten, geregelte Pumpenfahrweisen, Schwungmassen, Druckbehälter, Be- und Entlüftungseinrichtungen oder Druckstoßdämpfer in Betracht. Eine Maßnahme darf nicht isoliert ausgewählt werden: Sie kann an anderer Stelle neue Druckspitzen, Unterdrücke oder unzulässige Betriebszustände erzeugen.

Norm- und Regelwerkhinweise

Für Wasserversorgungsanlagen behandelt DVGW W 303 dynamische Druckänderungen und deren Bewertung. DIN EN 805 und die DVGW-W-400-Reihe ordnen Planung und Betrieb des Wasserverteilungssystems ein. Die zulässigen Druckbereiche des konkreten PE-Rohrsystems sind der DIN-EN-12201-Reihe, der Produktkennzeichnung und den Herstellerunterlagen zu entnehmen.

Die Joukowsky-Beziehung ist eine physikalische Näherung und kein vollständiger Regelwerksnachweis für ein verzweigtes Netz.

Hinweis zur projektspezifischen Prüfung

Eine stationäre Druckverlustrechnung kann Druckstöße nicht nachweisen. Bei schnellen Schaltvorgängen, langen Leitungen, ausgeprägten Höhenprofilen, Pumpenausfall oder möglichem Unterdruck ist eine instationäre Netzberechnung mit den tatsächlichen Komponenten- und Betriebsdaten erforderlich.