Neue Druckprüfverfahren nach DVGW-Arbeitsblatt G 469

Einleitung

Tabelle 1 zeigt im Vergleich die alten und neuen Druckprüfverfahren. Ein wesentlicher Unterschied ist, dass für das Prüfmedium Luft nicht mehr zwischen den Verfahrensarten Druckmessverfahren und Druckdifferenzmessverfahren unterschieden wird, sondern in der Verfahrensqualität:

• B 3 einfaches Druckmessverfahren und
• C 3 Präzisionsdruckmessverfahren

Beim Präzisionsdruckmessverfahren wird im Verfahrensablauf zwischen Stahl und Kunststoff unterschieden. Das Druckdifferenzmessverfahren mit Prüfflasche wurde als nicht mehr dem Stand der Technik entsprechend gestrichen.

Tabelle 1: Die alten und neuen Druckprüfverfahren im Überblick

Das einfache Druckmessverfahren B 3

Dieses Verfahren kann bis DP 5 angewendet und vom Sachkundigen abgenommen werden. Hierbei wird der Prüfdruck über die Zeitdauer T = V_geo * 0,5 h/m³ bzw. T = V_geo * 1 h/m³ jedoch mindestens 0,5 h aufgezeichnet. Die Leitung gilt als zulässig, wenn innerhalb der Prüfzeit der Druckverlust kleiner als 100 mbar beträgt. Eine Temperaturmessung und Temperaturbereinigung der Leitung ist nicht vorgesehen.

Als Druckmessgeräte sind mechanische Druckschreiber mit einem Messbereich zwischen 0 und 10 bar und einem Messbereichfenster von 1 bar einzusetzen. Diese können auf 10 mbar bei einem Messfehler von 1% (von 1 bar) = 10 mbar auflösen. Alternativ dazu können elektronische Druckschreiber mit einem Messbereich von 0 bis 10 bar und mindestens 10 mbar Auflösung eingesetzt werden. Diese dürfen keine größeren Messfehler als der oben genannte mechanische Druckschreiber mit Messbereichfenster erzeugen, d. h. um einen Messfehler von 10 mbar bei einem Messbereich von 0 bis 10 bar einzuhalten, darf er höchstens 0,1% betragen.

Wichtig für dieses Verfahren ist eine möglichst vollständige Verfüllung des Rohrgrabens und eine ausreichende Beruhigungszeit nach Aufbringen des Prüfdrucks. Ein Kompressor mit Vorkühlung wird für Kunststoffleitungen jetzt zwingend vorgeschrieben, um den Kunststoff nicht zu zerstören. Für die Beruhigungszeit wird 1 h/bar empfohlen. Wie bekannt, hat Kunststoff ein viskoelastisches Ausdehnungsverhalten, welches bei einem Prüfdruck von maximal 7 bar nach ausreichender Zeit asymptotisch gegen Null abklingt. Dieses Abklingverhalten ist nach 24 h so gut abgeschlossen, dass dann die Leitung wie eine Stahlleitung im weiteren Verlauf geprüft werden kann (Abbildung 1).

Das Präzisionsdruckmessverfahren C 3 mit Luft

Messverfahren

Für Gasleitungen über DP 5 bis DP 16 ist das Präzisionsdruckmessverfahren mit Luft einzusetzen. Als Präzisionsdruckmessverfahren werden 3 Verfahrensarten definiert, wobei grundsätzlich eine Temperaturmessung von mindestens 2, bei Freileitungsabschnitten mindestens 3 Temperaturmessstellen vorzunehmen und über die geometrischen Teilvolumen zu gewichten ist:

• Verfahrensart 1: Direktdruckmessung mit Kolbenmanometer. Der absolute Leitungsdruck ergibt sich aus der Summe aus Plattendruck und Luftdruck. Wichtig hierbei ist die Konstanthaltung der Luft/Ölankopplung über ein Schauglas und die Temperaturkompensation des Kolbenmanometers über Temperaturmessung am Kolben.


• Verfahrensart 2: Druckdifferenzmessung mit Kolbenmanometer. Die Öl/Luftankopplung wird hier über die Differenzdruckmesszelle sauber getrennt. Über ein direkt auswertbares Messsignal der Differenzdruckmesszelle kann der Druckverlauf online am PC dargestellt werden. Der absolute Leitungsdruck ergibt sich aus der Summe aus Plattendruck, Differenzdruck und Luftdruck. Auch hier ist die Temperaturkompensation des Kolbenmanometers über eine Temperaturmessung am Kolben notwendig.


• Verfahrensart 3: Elektronischer Absolutdruck- und Temperaturaufnehmer mit Messumformer und Datenspeicher. Der absolute Leitungsdruck wird hier direkt gemessen. Diese Technik erlaubt es, den Leitungsdruck und bis zu 3 Temperaturen mit einem System automatisch zu registrieren.

Für das Präzisionsdruckmessverfahren ist jetzt zu Beginn der Dichtheitsprüfung ein Ablasstest vorzusehen. Hier wird über ein Ventil der Leitungsdruck entspannt und drucklos über einen Balgengaszähler abgeblasen. Bei Entnahme von 1 ‰ des geometrischen Leitungsvolumens muss exakt ein Druckabfall von 1 mbar registriert werden. Dieser Ablasstest dient dazu, die Empfindlichkeit der Messeinrichtung und die komplette Ankopplung der Leitung zu prüfen. Wird beispielsweise ein Druckabfall von 2 mbar registriert, dann könnte z. B. ein Streckenschieber in der Mitte der Leitung geschlossen sein und die zweite Hälfte der Leitung gar nicht in die Prüfung mit einbezogen sein (Abbildung 2).

Qualitätssicherung

Für den Einsatz der mechanischen Messgeräte, aber insbesondere der elektronischen Messgeräte, die erstmals zum Einsatz gebracht werden können, sind die Einsatzbedingungen hierfür präzisiert worden: Alle verwendeten Messgeräte müssen eine Erstbescheinigung des Eichamtes oder des Deutschen Kalibrierdienstes aufweisen und einer jährlichen Werksprüfung unterzogen werden. Die Sachverständigen sollten sich dem Vorhandensein dieser Bescheinigungen mit Nachweis der Toleranzen unbedingt vergewissern.

Temperaturmessgeräte müssen eine Auflösung von mindestens 0,05 K besitzen und bei einem Temperaturgang von 0 bis 40°C einen Messfehler von ≤ 0,1 K aufweisen. Druckmessgeräte müssen eine Auflösung von ≤ 1 mbar besitzen und bei einem Temperaturgang von 0 bis 40°C einen Messfehler von ≤ 5 mbar aufweisen. Die Langzeitstabilität muss unter 0,1% Abweichung vom Messbereich pro Jahr liegen. Dies ist in den Bescheinigungen in geeigneter Weise nachzuweisen.

Weil ein Leck bei immer größeren Leitungsvolumen einen immer kleineren messbaren Druckverlust erzeugt, werden die Prüfvolumen bei Stahl auf 500 m³ geometrisches Leitungsvolumen begrenzt. Um bei Kunststoffleitungen noch mehr Sicherheit zu bekommen, wird hier das Prüfleitungsvolumen V_p auf 500 m³ begrenzt. D. h., bei einem Prüfdruck von 10 bar darf das geometrische Leitungsvolumen V_geo = P_n / P’ * V_p = 1,013/10 * 500 = 50 m³ nicht übersteigen.

Die Prüfzeit beträgt 0,5 Stunden/m³ geometrisches Leitungsvolumen, jedoch mindestens 2 Stunden und höchstens 72 Stunden. Liegt die Prüfzeit rechnerisch über 72 Stunden, so ist der zu prüfende Leitungsabschnitt zu unterteilen. Die lineare Abhängigkeit der Prüfzeit vom geometrischen Leitungsvolumen stellt sicher, dass bei einem gleich großen Leck unabhängig vom geometrischen Leitungsvolumen immer ein gleich großer messbarer Druckverlust erzeugt wird.

Der Sachverständige kann in Anhängigkeit von den Umgebungsbedingungen und freier Leitungsabschnitte die Prüfzeit abweichend vom rechnerisch ermittelten Wert erhöhen. Damit wird auch die Messgenauigkeit erhöht.

Mit den automatisch aufzeichnenden elektronischen Messgeräten ist es möglich, z. B. bei großen Leitungsvolumen über 72 h ohne zusätzliche Kosten und Baustillstandszeiten zu messen, wenn man die Druckprüfung übers Wochenende ansetzt. Von hoher Bedeutung ist die Temperaturmes-sung. Gerade die richtige Auswahl der Standorte und Temperaturgewichtung macht den erfahrenen Messtechniker und Sachverständigen aus.

Beim Einsatz von Kolbenmanometer ist eine Temperaturmessung und -kompensation über den vom Hersteller angegebenen Ausgleichskoeffizienten vorzusehen. Bei höheren Temperaturen dehnt sich der Kolbenzylinder aus, so dass bei gleichem Gewicht der erzeugte Druck absinkt. Dieser Messfehler ist jedoch hoch linear, so dass er exakt kompensiert werden kann. Abbildung 3 zeigt die Prüfdruckstufen.

Das Präzisionsdruckmessverfahren C 3 mit Luft für Stahlleitungen

Die Leitung wird auf Prüfdruck gebracht und sollte möglichst vollständig verfüllt sein. Als Temperaturanpassungszeit gilt mindestens 1 h/bar. Dann erfolgt der Ablasstest mit anschließender Dichtheitsprüfung. Es wird empfohlen, die Präzisionsdruckmessverfahren mit elektronischem Druck- und Temperaturaufnehmer für die Dauermessung und eine jeweils 1-stündige Druckdifferenzmessung oder Direktdruckmessung mit Kolbenmanometer am Beginn und am Ende der Prüfung zu kombinieren. Dadurch erreicht man eine gegenseitige Kontrolle der beiden Messtechniken. Man behält einerseits die Messgenauigkeit durch das Kolbenmanometer bei, generiert jedoch anderer-seits die Zeiteinsparung durch die automatisierte Daueraufzeichnung von Druck und Temperaturen mit der elektronischen Messtechnik.

Der effektive Druckverlust errechnet sich aus der Differenz des absoluten Leitungsdrucks zu Beginn und am Ende der Messung, korrigiert durch den Temperatureinfluss. Der zulässige Druckverlust beträgt konstant 30 mbar. Damit wird der DKD-Richtlinie 6-1 (Kalibrierung von Druckmessgeräten) Rechnung getragen. Hierbei darf die Messunsicherheit der verwendeten Druckmessgeräte, die typisch mit ≤ 10 mbar empirisch ermittelt wurden, maximal 1/3 des nach den einschlägigen Bestimmungen der Technischen Regeln des DVGW zulässigen Druckabfalls betragen. Abbildung 4 zeigt den Ablauf des Präzisionsdruckmessverfahrens für Stahlleitungen.

Das Präzisionsdruckmessverfahren  C 3 mit Luft für Kunststoffleitungen

Bei Kunststoffleitungen zeigt sich bei einem Prüfdruck über 10 bar ein nicht mehr in 24 h vollständig abklingendes viskoelastisches Ausdehnungsverhalten, das die Druckprüfung störend beeinflusst. Es wurde deshalb festgelegt, für Hochdruckleitungen aus Kunststoff über DP 5 die Festigkeits- von der  Dichtheitsprüfung zu trennen. Die Leitung ist unbedingt mit einem Kompressor mit Vorkühlung aufzupumpen, ansonsten könnte der Werkstoff in den ersten Metern Schaden erleiden. Die Festigkeitsprüfung wird über ein einmaliges Aufbringen des Prüfdrucks über 2 h durchgeführt. Nach dem Absenken des Prüfdrucks ist ein 6-stündiges Abklingen der Kontraktion abzuwarten, um dann die Dichtheitsprüfung mit einem Überdruck von ca. 2 bar durchzuführen (Abbildung 5).

Rückführung von Prüfmittel auf nationale Normale

Alle Messgeräte, die für die Präzisionsdruckmessung eingesetzt werden, müssen auf das nationale Normal rückführbar zertifiziert sein. Dies gilt insbesondere für elektronische Messgeräte (Abbildung 6). Hierzu sind die elektronischen Messgeräte beim Eichamt oder gleichwertig beim Deutschen Kalibrierdienst (DKD) einer Erstzertifizierung zu unterziehen. Die Eichämter und DKD-Laboratorien werden ihrerseits durch die Physikalisch Technische Bundesanstalt akkreditiert und zertifiziert. Bei elektronischen Messgeräten kommt eine jährliche Werkszertifizierung dazu, die den Nachweis auf eine ausreichende Langzeitstabilität erbringt. Die Werkslabors können in Eigenregie ohne Akkreditierung betrieben werden, müssen jedoch z. B. für die Druckmessung ein vom Eichamt oder DKD turnusmäßig kalibriertes Prüfmittel, in der Regel ein Kolbenmanometer, vorhalten. Dem Sachverständigen wird empfohlen, sich diese Zertifikate vorzeigen zu lassen. Das Akzeptieren von nicht zertifizierten Messgeräten, insbesondere von Billiganbietern, sollte unterbunden werden.

Werkkalibrierung von elektronischen Druckmessgeräten

Ein Werklabor zur Zertifizierung von elektronischen Präzisionsdruckmessgeräten könnte wie folgt aufgebaut sein: Als Vergleichsnormal wird ein Kolbenmanometer eingesetzt, mit dem der jeweilige Prüfdruck hergestellt wird. Der Druckaufnehmer plus Datalogger, also die komplette Messeinheit, wird in einen Klimaschrank gestellt und, wenn möglich, 3 Temperaturmesszustände, die in der Praxis wahrscheinlich sind, eingestellt (Abbildung 7). Nach einstündiger Temperaturanpassungszeit erfolgt dann jeweils eine Doppelmessreihe von 0 auf 20 bar z. B. mit 4 bar Messschritten auf- und abwärts.

Die Messdaten werden sinnvoller weise direkt über einen PC aufgenommen, so dass die Ergebnisse sofort maschinell ausgewertet werden können. Welche Kenngrößen von Bedeutung sind, erläutert das nachfolgende Beispiel in Tabelle 2.

Tabelle 2: Beispiel für die Messreihen

Kalibrierschein eines elektronischen Druckaufnehmers mit Loggereinheit

In dem Kalibrierschein ist der Kalibriergegenstand, das Kalibrierverfahren und das von der PTB zertifizierte Vergleichsnormal zu beschreiben (Tabelle 3). Bei der Kalibrierung werden mindestens in 2 meistens 3 Messreihen von z. B. 0 bis 22 bar auf- und absteigend gemessen. Man unterscheidet 3 Fehlergrößen:

• Abweichung von der Linearität: Diese spielt praktisch für Druckprüfungen keine Rolle, weil für die Dichtheitsprüfung der Messbereich nicht zwischen 0 und 20 bar schwankt, sondern sich in der Regel nur innerhalb von einem 100 mbar Band befindet. Beispiel: Bei 20 bar hat die Messeinheit eine Abweichung von 2 mbar bei 22 bar von 10 mbar. Die größte Linearitätsabweichung in der ganzen Messreihe beträgt somit 8 mbar in einem 2 bar Band. Unterstellt man einen nicht sprunghaften Fehlerverlauf, was in der Regel zutrifft, so beträgt die Fehlerabweichung bei einem 100 mbar Messband gerade mal 0,4 mbar und ist damit völlig vernachlässigbar.


• Reproduzierbarkeit: Diese Fehlergröße ist für Druckprüfungen entscheidend. Der Sensor hat zwar eine Abweichung in der Linearität, muss beim Anfahren des Drucks auf- und abwärts jedoch immer den gleichen Wert liefern. In diesem Beispiel ergibt sich bei Pe = 1 bar zwischen M5 auf und M6 ab und bei Pe = 7 bar zwischen M1 auf und M2 ab ein Reproduzierbarkeitsfehler von 1 mbar. Der Messfehler beträgt somit 1 mbar bezogen auf 22 bar, das sind 0,004%.


• Temperaturabweichung: Diese wird bei einem Drucksensor weder beim Eichamt noch beim DKD zertifiziert. Sie ist für Druckprüfungen extrem wichtig und muss deshalb über eine Werkszertifizierung ermittelt werden.

Tabelle 3: Beispiel eines Kalibrierscheins

Elektronische Druckaufnehmer für Druckprüfungen C 3

Abbildung 8 zeigt deutlich, wie der Messfehler bei niedrigen Temperaturen exorbitant ansteigt, was für eine Druckprüfung schwer wiegt. Wie erreicht man hier die notwendige Präzision als Voraussetzung für die Tauglichkeit beim Präzisionsdruckmessverfahren?

• Qualitätsgesicherte Produktion und anschließende Selektion: Von 100 hergestellten Sensoren werden alle einer Kalibrierung unterzogen und die 5 besten selektiert. Diese haben dann schon von Natur aus einen sehr geringen Messfehler in Bezug auf die Temperaturempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit.


• Fehlerkompensation: Manche Drucksensorenhersteller haben sich eine besonders aufwändige Technik einfallen lassen, mit der eine bemerkenswerte Präzision erreicht werden kann. Hierbei werden in einer zweidimensionalen Matrix Referenzmessungen im Klimaschrank von Druck und Temperatur durchgeführt und die linearen Messfehler in Abhängigkeit von Druck und Temperatur über n · m Stützpunkte registriert. Aus diesen Stützpunkten wird ein Interpolationspolynom, d. h. ein so genannter Korrekturalgorithmus mathematisch abgeleitet und in ein „Eprom“ im Drucksensor eingegeben. Der Drucksensor selbst ist zusätzlich mit einem Temperaturaufnehmer und einem integrierten Mikroprozessor ausgestattet, mit dem die linearen Messfehler im Sensor integriert geglättet werden. Damit kann der Hersteller bei einem Druckmessbereich von 0 bis 10 bar bzw. bei einer Offsetschaltung von 12 bis 22 bar und einem Temperaturgang von ±0°C bis +30 °C einen Messfehler von < 0,05% garantieren. Damit erreichen diese Sensoren die volle Tauglichkeit für Präzisionsdruckmessungen. Die Langzeitstabilität gibt der Hersteller mit 0,02%/a an, so dass eine Nachkalibrierung gemäß G 469 E alle 5 Jahre erforderlich wird.

Messbeispiel: Präzisionsdruckmessverfahren

Leitungsdaten:

Beispiel einer Stahlleitung DN200; DP16; Länge = 1528 m; das geometrische Leitungsvolumen beträgt 48 m³ der Prüfdruck wird auf 19 bar Absolutdruck eingestellt; die mittlere Leitungstemperatur beträgt 20,0°C. Die Prüfdauer beträgt 0,5 h/m³ · 48 m³ = 24 h. Der zulässige Druckverlust innerhalb der Prüfdauer beträgt 30 mbar.

Fehlerbetrachtung:

Es wird ein Präzisionsdrucksensor von 12 bis 22 bar Messbereich verwendet. Bei 0,04% Messfehler ergibt das 4 mbar Fehler. Für die Temperaturmessung werden PT 100 Temperatursonden eingesetzt mit 0,05 K maximalem Fehler. Rechnet man das auf einen zu kompensierenden Druckmessfehler um, so ergibt sich 3 mbar. Durch die indirekte Temperaturmessung des umgebenden Erdreichs und nicht der direkten Leitungstemperatur muss selbst bei sorgfältigster Auswahl und Gewichtung ebenfalls ein Messfehler angesetzt werden, hier im Beispiel mit 0,05 K liegt dieser bei umgerechnet 3 mbar. Die Summe der Messfehler beträgt bei Kumulation 10 mbar. Das bedeutet, für eine sichere Dichtheitsaussage muss die Toleranz, also der zulässige Druckverlust mindestens 30 mbar betragen.

Messbeispiel:

Die Leitung sinkt um 17 mbar nach 24 h ab. Die Temperatur sinkt um 0,2 K. Temperaturbereinigt ergibt das einen resultierenden  Druckverlust von 4 mbar. Der zulässige Druckverlust beträgt 30 mbar. Da der resultierende Druckverlust auch deutlich innerhalb der Summe aller Messfehler liegt, kann ein präzise Dichtheitsaussage getroffen werden.

Druckmessverfahren B 2

Aus Gründen des Gefahrenpotentials der hoch komprimierten Luft sollte bei Leitungen mit DP > 16 bar das Druckmessverfahren B 2 mit dem Prüfmedium Wasser zur Anwendung kommen. Hier hat sich beim Verfahrensablauf und bei den Gleichungen prinzipiell nichts geändert, so dass auf weitere Ausführungen hierzu verzichtet wird.


Zusammenfassung

Mit der Überarbeitung des Arbeitsblatts G 469 werden die Prüfverfahren und Messanordnungen auf den aktuellen Stand der Technik gebracht. Insbesondere für den Einsatz von elektronischen Druck- und Temperaturmessgeräten sind die Mindestanforderungen präzisiert worden, die über Kalibrierscheine zwingend nachgewiesen und von den Sachverständigen eingefordert werden sollten. Den Einsatz elektronischer Messtechnik, ggf. in Kombination mit der klassischen Messtechnik vermindert die Qualität von Druckprüfungen nicht, solange die genannten Bedingungen erfüllt werden. Durch deren Einsatz wird das Druckprüfungsverfahren optimiert, in dem durch eine vollautomatische Messwertaufzeichnung rund um die Uhr der komplette Verfahrensablauf lückenlos dokumentiert wird, so dass auf eine ständige personelle Anwesenheit während der Prüfzeit verzichtet werden kann.

Gefordert bleibt der erfahrene Messtechniker und der Sachverständige. Es kommt darauf an, die Temperaturmessstellen richtig auszuwählen, eine logische Temperaturgewichtung vorzunehmen und auf Grund von detaillierten Kenntnissen über die Zusammenhänge von Messfehler und Toleranzen eine belastbare Dichtheitsaussage treffen zu können. Dem Einzug der Kunststoffwerkstoffe in den Hochdruckbereich wird über ein geeignetes Verfahren mit erhöhter Sicherheit Rechnung getragen. Die Ermittlung der Prüfdauer in Abhängigkeit vom geometrischen Leitungsvolumen bei konstanten zulässigen Druckverlust schafft gleiche Bedingungen für die Dichtheitsaussage unabhängig von der Größe der Leitung.

Abkürzungen

DP = Design Pressure = Nenndruck, bzw. Auslegungsdruck in bar
STP = System Test Pressure = Systemprüfdruck in bar (STP = DP + 2 bar für Prüfmedium Luft; STP = DP · 1,3 für Wasser)
PTB = Physikalisch Technische Bundesanstalt
DKD = Deutscher Kalibrierdienst
V_geo = geometrisches Leitungsvolumen = π · di² / 4 · l
V_p = Prüfvolumen = V_geo · P' / P_n (komprimiertes Volumen unter Prüfdruck)
P' = Prüf(über)druck in bar
P_n = Normdruck in bar = 1,01325 bar
T_L = Absolute Leitungstemperatur in °C = t_L + 273,15

Kontakt:
Dipl.-Ing. (FH) Karlheinz Raab
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