Untersuchung der Verbundscherfestigkeit von Kunststoffmantelrohren nach erfolgter Knickbelastung

Abstract

In Betrieb genommene Fernwärmeleitungen unterliegen aufgrund des durchgeleiteten Heizwassers einer Temperaturlast ∆𝑇 > 0. Diese führt entweder zu einer Längenänderung der Leitungen oder, bei behinderter Dehnung, zu axialen Spannungen im Rohr. Um die Ausdehnungen zu kompensieren und auftretende Axialkräfte innerhalb der Rohrleitung zu minimieren, werden Fernwärmesysteme im Erdreich entsprechend ausgelegt. Wird jedoch die kritische Längskraft überschritten, kann es bei Freilegung oder unzureichendem Querwiderstand zum Biegeknicken der Rohrleitung kommen. Das am meisten eingesetzte Rohrsystem in der Fernwärme ist das Kunststoffmantelrohr (KMR), das aus einem konzentrisch in einer Polyethylen-Ummantelung (PE) eingebetteten Stahl-Mediumrohr besteht. Der Hohlraum ist mit Polyurethan-Schaum (PUR) gefüllt. Die temperaturbedingte Längendehnung von eingebauten KMR wird teilweise durch Reibungskräfte zwischen Bodenmaterial und PE-Außenmantel, in Kombination mit dem kraftschlüssigen Verbund des PUR-Schaums zwischen Stahl-Mediumrohr und PE-Ummantelung, reduziert. Die Einhaltung der Mindestscherfestigkeit des Verbunds ist gemäß DIN EN 253 erforderlich, um die Kraftübertragung sicherzustellen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Proben aus Kunststoffmantelrohren entnommen, die zuvor Biegeknickbelastungen ausgesetzt wurden. Diese Querschnitte werden hinsichtlich visueller Schäden am PUR-Schaum sowie geometrischer Veränderungen untersucht. Darüber hinaus wird die Verbundscherfestigkeit spezifisch ausgewählter Proben normgerecht überprüft. Die Untersuchungen zeigen, dass keine eindeutigen Schäden wie Risse oder Brüche im PUR-Schaum festgestellt werden konnten. Auch eine unzulässige Degradation der Verbundfestigkeit konnte durch die experimentellen Prüfverfahren nicht nachgewiesen werden. Maßliche Abweichungen belegen jedoch werksseitige Unregelmäßigkeiten und lokale Verformungen einzelner Proben infolge des Biegeknickens.