Technisches Handbuch – Werkstoffe für die Rohrextrusion

Deutsch

Technisches Handbuch – Werkstoffe für die RohrextrusionHostalen, Lupolen, Hostalen PPVerarbeitung und Anwendungen

AdvancedPolyolefins

2

Zur Beachtung

Die Angaben in dieser Broschüre

dienen den Kunden der Basell als

Information über die Werkstoffe

Hostalen, Lupolen und Hostalen PP,

die speziell für die Rohrextrusion

entwickelt wurden. Die vorstehenden

Angaben basieren auf unseren derzei-

tigen Kenntnissen und Erfahrungen.

Sie befreien den Verarbeiter wegen

der Fülle möglicher Einflüsse bei Ver-

arbeitung und Anwendung unserer

Produkte nicht von eigenen Prüfungen

und Versuchen.

Es wird darauf hingewiesen, dass

die in der Broschüre erwähnten Eigen-

schaften, die an extrudierten Rohren

gemessen wurden, nur unter Einhal-

tung der richtigen Extrusionstempera-

turen und Extrusionsbedingungen

erreicht werden können.

Bevor Basell-Kunden oder Dritte ein

Basell-Produkt einsetzen, haben sie

eigenverantwortlich sicherzustellen,

dass das Produkt für den konkreten

Verwendungszweck geeignet ist. Sie

haben ferner sicherzustellen, dass

das Basell-Produkt entsprechend den

bestehenden sicherheitsrelevanten

Regelungen sowie sonstigen Rechts-

vorschriften genutzt wird. (Sicher-

heitsdatenblätter können über

www.Basell.com bezogen werden.)

Etwaige Schutzrechte sind in eigener

Verantwortung zu beachten. Eine

Zusicherung bestimmter Vermark-

tungsmöglichkeiten, bestimmter

Eigenschaften oder der Eignung für

einen konkreten Einsatzzweck kann

aus unseren Angaben nicht abgeleitet

werden.

Zusicherungen im Einzelfall sowie

die Begründung von Verbindlichkeiten

für Basell bedürfen in jedem Einzelfall

einer entsprechenden Erklärung in

schriftlicher Form durch entsprechend

autorisierte Basell-Mitarbeiter.

Im Falle von Reklamationen haftet

Basell ausschließlich auf Ersatzliefe-

rung sowie weitergehend – insbeson-

dere auf Ersatz von Folgeschäden –

nur im Rahmen ihrer Allgemeinen

Verkaufsbedingungen.

3

Über Basell

Basell entwickelt, produziert und vermarktet Polypropylen,Polyethylen, Hochleistungs-Polyolefinprodukte sowie Kataly-satoren für die Olefinpolymerisation. Außerdem entwickeltBasell Verfahren zur Olefinpolymerisation, die weltweitlizensiert werden.

Basell ist der weltweit größte Herstellervon Polypropylen und Advanced Poly-olefins, ein führender Anbieter vonPolyethylen und Katalysatoren, sowieein global führendes Unternehmen imBereich der Entwicklung und Lizenzier-ung von Polypropylen- und Polythylen-prozessen.

Zusammen mit seinen Joint Ventures

verfügt Basell über Produktionsstätten

auf der ganzen Welt und verkauft seine

Produkte in über 120 Ländern. Mit

Forschungs- und Entwicklungsaktivi-

täten in Europa, Nord Amerika und im

Asien-Pazifikraum, setzt Basell eine

Tradition fort, die bis zu den Anfängen

der Polyolefin-Industrie reicht. Basell

fühlt sich der Innovation verpflichtet,

sowohl durch die ständige Verbesse-

rung der Produktionsprozesse als

auch durch den kontinuierlichen Aus-

bau der Polyolefin-Produktpalette.

Die Firma ist in drei Bereiche unterteilt

• Technology Business

dieser Bereich beinhaltet das Lizenz-

geschäft, die Entwicklung und den

Verkauf von Katalysatoren, die

Forschung und Entwicklung und

neue Projekte

• Advanced Polyolefins

dieser Bereich beinhaltet die Poly-

propylen-Compounds und das

Spezialitätengeschäft

• Polyolefin Business

dieser Bereich umfaßt das Polypro-

pylen- und Polyethylen-Geschäft

Basell hat seine Zentrale in den

Niederlanden und regionale Nieder-

lassungen in Brüssel, Deutschland,

den USA, Brasilien und Hong Kong,

sowie Verkaufsniederlassungen in

allen wichtigen Märkten der Welt.

Weitere Informationen über Basell

finden Sie auf der Website unter

www.basell.com

4

Polyethylen (PE), Polypropylen (PP)

und Polybuten-1 (PB-1) werden alle

für die Herstellung von Rohren ein-

gesetzt. Diese Broschüre beschäftigt

sich ausschließlich mit Rohren

aus Polyethylen und Polypropylen.

Für weitere Informationen über

Polybutene-1 steht eine gesonderte

Broschüre zur Verfügung.

Bereits heute können Rohrleitungen

aus Polyethylen eine Erfolgsgeschichte

vorweisen. Wegen ihrer einzigartigen

Kombination von kostengünstiger

Produktion, problemloser Verlegung

und hervorragenden Dauergebrauchs-

eigenschaften weisen sie seit der

Markteinführung ein überdurchschnitt-

liches Wachstum auf.

Im Jahr 2003 wird der gesamteuro-

päische Verbrauch von PE zur Rohr-

herstellung eine Größenordnung von

ca. 1.100.000 t erreicht haben.

Das mengenmäßig wichtigste Anwen-

dungsgebiet von HDPE-Rohren in

Europa ist weiterhin die Trinkwasser-

versorgung mit einem geschätzten

Verbrauch von 330.000 t, was einem

Anteil von 30 % entspricht, dicht

gefolgt vom Bereich Abwasser mit

ca. 255.000 t ( ~ 23 %). Der Markt-

anteil der vernetzten PE-Rohre im

Bereich der Hausinstallation (Heizung-

& Sanitärrohre) dürfte in 2003 ca.

30 % (entspricht 500 Mio. m) erreicht

haben. Im Falle von Polypropylen ist

der Gesamtverbrauch 2003 in Europa

auf 260.000 t gewachsen. Haupt-

anwendungsgebiete für PP-Rohre sind

der Abwassersektor und die Heiß-

wasserversorgung.

Für die nächsten Jahre ist von einem

weiteren Wachstum des PE- und

PP-Bedarfs für Rohranwendungen

auszugehen.

Angesichts der wirtschaftlichen

Bedeutung der Polyolefinrohre

beschreibt dieses Handbuch die

wichtigsten Verfahren, mit denen

sich die unterschiedlichen Polyethy-

len- und Polypropylen-Typen der

Basell zu Rohren verarbeiten lassen.

In den einzelnen Kapiteln werden

darüber hinaus die Eigenschaften,

die sichere Auslegung der Rohre und

die Verbindungstechniken behandelt.

In einem Kapitel wird insbesondere

auf das vernetzte Polyethylen (PEX)

eingegangen.

5

Einleitung

Polyolefine gehören zu den wichtigsten Kunststoffenzur Herstellung von Rohren. Die Prognosen lassen einenfür die nächsten Jahre ansteigenden Verbrauch erwarten. Dieser wird im prozentualen Vergleich über dem desKunststoffgesamtwachstums liegen.

In diesem Handbuch werden viele An-

wendungsgebiete für Polyolefinrohre

beschrieben und mit zahlreichen

Bildern illustriert. Zuletzt erleichtert

eine Übersicht über Druckschriften,

Normen und Literatur das Auffinden

weiterführender Informationen.

6

Allgemeine Stoffbeschrei-bung, Herstellverfahren,Typenprogramm 11

1.1 Polyethylen 11

1.1.1 Molekulare Struktur 11

1.1.2 Herstellverfahren

für HDPE 12

1.1.3 Vernetzen der Rohre 12

1.1.4 Typenprogramm 13

1.1.5 Lieferform 13

1.2 Polypropylen 15

1.2.1 Molekulare Struktur 15

Homopolymer 16

Blockcopolymer 16

Randomcopolymer 16

1.2.2 Herstellverfahren

für PP 17

1.2.3 Typenprogramm 17

1.2.4 Lieferform 17

Inhalt Eigenschaften der Rohre 19

2.1 Zeitstandverhalten 19

2.1.1 Unvernetzte Rohre 19

2.1.1.1 Zeitstandverhalten bei

einachsigem Spannungs-

zustand 19

Retardation (Kriechen) 19

Relaxation 22


mehrachsigem

Spannungszustand 22

2.1.2 Vernetzte PE-Rohre 28

2.2 Verhalten bei niedrigen

Prüfgeschwindigkeiten 28


2.2.1.1 Kurzzeitverhalten bei

geringer Verformungs-

geschwindigkeit 28

2.2.1.2 Widerstand gegen

langsames Risswachstum 30

Notch-Test 32

FNCT (Full Notch

Creep Test) 32

2.2.2 Vernetzte Rohre 33

2.3 Verhalten bei schlagartiger

Beanspruchung 34


2.3.1.1 Hohe Verformungs-

geschwindigkeit 34

2.3.1.2 Widerstand gegen schnelle

Rissfortpflanzung 35

Full Scale Test 35

S4-Test 35

2.3.2 Vernetzte Rohre 36

7

2.4 Wärmeausdehnung und

Wärmeleitfähigkeit 37

2.4.1 Linearer Wärmeaus-

dehnungskoeffizient 37

2.4.2 Wärmeleitfähigkeit 37

2.5 Chemikalienbeständigkeit 37

Zeitstand-Innendruck-

versuche zur Ermittlung

von Resistenzfaktoren 38

2.6 Lebensmittelrechtliche

Beurteilung/Ausschluß

von medizinischen

und pharmazeutischen

Anwendungen 38

2.7 Gasdurchlässigkeit 39

2.8 Licht- und Witterungs-

stabilität 40

2.9 Strahlenbeständigkeit 40

2.10 Verhalten gegenüber

Mikroorganismen,

Nagetiere und Termiten 41

2.11 Verhalten bei Flammen-

einwirkung 41

Herstellung unvernetzter Rohre 42

3.1 Verarbeitungs-

eigenschaften 42

3.1.1 Fließverhalten 42

3.1.2 Wärmekapazität, Enthalpie

und Energiebedarf beim

Plastifizieren 44

3.1.2.1 Spezifische

Wärmekapazität 44

3.1.2.2 Spezifische Enthalpie,

Energiebedarf beim

Plastifizieren 45

3.1.3 Spezifisches Volumen 45

3.2 Extrusion 45

3.2.1 Brandsicherheitstechni-

scher Hinweis für den

Verarbeiter 45

3.2.2 Lagerung und

Granulatvorbehandlung 46

3.2.3 Extrusion auf Hochleistungs-

Einschneckenextrudern 47

3.2.4 Verarbeitung von

bimodalem HDPE 50

3.2.5 Sanfte Verarbeitbarkeit 51

3.2.6 Gesamtschwindung der

Rohre 52

3.2.7 Nachfolgeeinrichtungen 52

3.2.8 Prozessrechnersteuerung 52

3.2.9 Wellrohre 53

3.2.10 Wickelrohre 54

Herstellung vernetzter Rohre 55

4.1 Vernetzungsgrad

und Quellung 56

4.2 Eigenschaften vernetzter

Rohre 57

4.3 Vernetzungsverfahren 59

4.3.1 Peroxidvernetzung (PEXa) 59

4.3.1.1 Mechanismus der

Peroxidvernetzung 60

4.3.1.2 Verfahren zur Herstellung

peroxidisch vernetzter

Rohre 60

Das Engel-Verfahren 60

Extrusionsverfahren 61

4.3.2 Silanvernetzung (PEXb) 61


Silanvernetzung 61


silanvernetzter Rohre 62

Das Einstufen-Verfahren 62

Das Zweistufen-Verfahren 62

4.3.3 Strahlenvernetzung (PEXc) 63


Strahlenvernetzung 63


strahlenvernetzter Rohre 64

Spritzgießen der Formstücke 66

5.1 Granulatvorbehandlung 66

5.2 Maschinenseitige

Voraussetzungen für

das Spritzgießen 67

5.3 Werkzeuge 67

5.4 Verarbeitung 68

5.4.1 Zylindertemperaturen,

Massetemperatur 69

5.4.2 Werkzeugwand-

temperaturen 69

5.4.3 Plastifizierbedingungen 70

5.4.4 Einspritzdruck und

Nachdruck 70

5.4.5 Zykluszeit 70

5.5 Fließverhalten und

Fließweglängen 70

5.6 Maßgenauigkeit und

Schwindung 71

Rohrverbindungs-technik 73

6.1 Schweißen von

unvernetzten Rohren 73

6.1.1 Schweißeignung von

Hostalen und Lupolen 74

6.1.2 Erläuterung der beim

Schweißen verwendeten

Begriffe 74

6.1.3 Heizelement-Stumpf-

schweißen von Rohren 75

6.1.4 Heizwendelschweißen 77

6.1.5 Weitere Schweißverfahren 77

6.1.6 Allgemein zu beachtende

Hinweise 77

6.1.7 Prüfen der Schweiß-

verbindungen 78

6.2 Schweißen von

vernetzten PE-Rohren 79


schweißen 79

6.2.2 Heizwendelschweißen

(vorher Elektromuffen-

schweißen) 79

6.2.2.1 Verbindung zwischen

PEX-Rohren mit

unvernetzter Muffe 79

6.2.2.2 Verbindung mit

anvernetzten Formstücken 80

6.3 Klemm- und Steck-

verbindungen 80

6.3.1 Klemm- und Pressform-

stücke aus Metall 80

6.3.1.1 Quick&Easy®-Verbindung

für peroxidisch vernetzte

Rohre 80

6.3.2 Kunststoffformstücke:

Klemm-, Schraub-,

Pressformstücke 80

Anwendungsgebiete 81

7.1 Gasleitungen 81

7.1.1 Unvernetzte Rohre

für Gasleitungen 81

7.1.2 Vernetzte PE-Rohre für

Gasleitungen 83

7.2 Trinkwasserleitungen 83

7.2.1 Unvernetzte PE-Rohre für

erdverlegte Trinkwasser-

leitungen 83


die Hausinstallation 84

7.2.3 PP-Rohre für

die Hausinstallation 85

7.3 Rohre für Fußbodenheizung

und Radiatoranbindung 85

7.4 Mehrschicht- bzw. Metall-

verbundrohre 86

7.5 Rohre und Formstücke für

Hausabflussleitungen 88

7.6 Kanalrohre für drucklose

Abwasserleitungen 88

7.6.1 Polyethylen 88

7.6.2 Polypropylen 90

7.7 Abwasser-Druckrohre 92

7.8 Sanierung von

Rohrleitungen 92

7.9 Spezielle Anwendungs-

beispiele für Druckrohre

und drucklose Rohre 94

8

Berechnungen an Rohren 96

8.1 Rohrdimensionierung

und Normung 96

8.2 Hydraulische Bemessung

der Rohrdurchmesser 98

8.3 Rohrstatik 99

8.4 Stabilitätsnachweis

(Beulen) 99

8.5 Druckstöße 100

8.6 Schadensakkumulation 101

8.7 Rohreigenspannungen 102

Hinweise zu Transport und Verlegung 105

9.1 Lieferung, Transport,

Lagerung 105

9.2 Verlegen von

Rohrleitungen 107

Weiterführende Informationen 110

10.1 Normen und Richtlinien

für Rohre 110

10.1.1 Grundnormen 111

10.1.2 Prüfverfahren 111

10.1.3 Anwendungsnormen 113

10.1.3.1 Allgemeine

Druckleitungen 113

10.1.3.2 Gasrohre 113

10.1.3.3 Trinkwasserrohre 114

10.1.3.4 Hausinstallation,

Druckrohre 114

10.1.3.5 Abwasser-

druckleitungen 114

10.1.3.6 Drucklose

Abwasserleitungen 114

10.1.3.7 Sonstige Rohrleitungs-

baunormen 115

10.1.4 Sonstige Normen und

Richtlinien 115

10.2 Maschinenhersteller

und Prüfinstitute 115

Umwelt 116

11.1 Verwertung 116

11.2 Beseitigung 117

11.3 Ökobilanz, Ökoprofil und

Ökoeffizienzanalyse 117

Literatur 119

Literatur Basell 119

Weitere Literatur 119

9

10

11

Allgemeine Stoffbeschreibung, Herstellverfahren, Typenprogramm

Seit den 50er Jahren stehen die Werkstoffe Hostalen, Lupolen und Hostalen PP für Kompetenz bei der Extrusionvon Rohren.

1.1 Polyethylen

Die Klassifizierung von Polyethylen

(PE) erfolgt nach der Dichte:

• HDPE (high density polyethylene)

für PE hoher Dichte,

• MDPE (medium density polyethy-

lene) für PE mittlerer Dichte,

• LDPE (low density polyethylene)

für PE niedriger Dichte sowie

• PEX für vernetztes PE.

Die Markennamen der PE-Werkstoffe

für die Rohrextrusion sind Hostalen

und Lupolen.

1.1.1 Molekulare Struktur

Polyethylen ist aus langen Molekül-

ketten (Makromolekülen) aufgebaut.

Diese Moleküle enthalten Verzwei-

gungen. Der Grad der Verzweigung

der Molekülketten und die Länge der

Seitenketten beeinflussen die Eigen-

schaften des Polyethylens wesentlich.

Die von der Basell nach dem Nieder-

druckverfahren hergestellten HDPE -

Typen für Rohre sind wenig ver-

zweigt und tragen nur kurze Seiten-

ketten. Man bezeichnet diese

Werkstoffe als lineares Polyethylen.

Dagegen sind die nach dem Hoch-

druckverfahren hergestellten LDPE-

Typen verzweigt und tragen lange

Seitenketten. Man spricht daher von

verzweigtem Polyethylen. Die LDPE-

Typen spielen heute bei der Rohrher-

stellung nur eine untergeordnete

Rolle.

Polyethylen kristallisiert beim Abküh-

len der Schmelze: Teilbereiche der

langen Molekülketten ordnen sich.

Sie falten sich zu sehr kleinen Kristal-

liten, die über amorphe Bereiche ver-

bunden sind, zu Überstrukturen, den

sog. Sphärolithen. Die Kristallisation

ist um so besser möglich, je kürzer

die Ketten sind und je geringer der

Verzweigungsgrad ist. Der kristalline

Anteil weist eine höhere Dichte auf

als der amorphe. Je nach Höhe des

kristallinen Anteils („Kristallinitäts-

grad“) erhält man unterschiedliche

Werte für die Dichte (Tab. 1-1).

Tab. 1-1: Richtwerte zur Einteilung von PE nach Dichte und Kristallinitätsgrad

Dichte Kristallinitätsgrad

HDPE 0,940 bis 0,965 g/cm3 60 bis 80 %

MDPE 0,930 bis 0,940 g/cm3 50 bis 60 %

LDPE 0,915 bis 0,930 g/cm3 35 bis 50 %

Häufigkeit

Molmasse

EthylenWasserstoff

Katalysator

EthylenComonomer

Polyethylen

Zentrifuge

2 Reaktoren

Trockner

1.1.2 Herstellverfahren für HDPE

Alle Herstellverfahren für HDPE

gehen vom Monomer Ethylen aus

und arbeiten bei relativ niedrigem

Druck. Basell wendet das Suspen-

sions- sowie das Gasphasenverfahren

an. Je nach verwendetem Katalysator

spricht man vom Ziegler- oder Phil-

lips-Verfahren. Die mitteldichten

Lupolen-Typen werden überwiegend

nach dem Phillips-Verfahren herge-

stellt, die hochdichten Hostalen-

Typen nach dem Ziegler-Verfahren.

Hostalen-BM-Prozess:

bimodale Massenverteilung

Hostalen GM 5010 T3 und Hostalen

CRP 100, die Werkstoffe der dritten

Generation, sind durch eine bimodale

Molmassenverteilung gekennzeichnet.

Durch die Entwicklung eines speziel-

len Ziegler-Katalysators gelingt es, in

zwei aufeinander folgenden Reakto-

ren ein Polyethylenblend aus kurzen

und langen Molekülketten zu erzeu-

gen (Abb. 1-1).

Auf diese Weise lassen sich die bisher

gegenläufigen Eigenschaften Zähig-

keit und Steifigkeit gleichzeitig opti-

mieren.

Dieses spezielle Polymerdesign

sichert bei hochmolekularen Werk-

stoffen eine hervorragende Eigen-

schaftskombination und eine überle-

gene Verarbeitung auf konventionel-

len und modernen Extrusionsanlagen.

Das neue ACP-Verfahren (Advanced

Cascade Process) der Basell ermög-

licht eine weitere Optimierung des

Verabeitungsverhaltens bei gleichzei-

tiger Verbesserung des Widerstandes

gegen langsames Risswachstum.

1.1.3 Vernetzen der Rohre

Bei einigen Anwendungen von Roh-

ren, wie Rohrleitungen für die Warm-

wasserverteilung oder die Fußboden-

heizung, treten Gebrauchstemperatu-

ren von 70 bis 90 °C auf. Um diesen

hohen Temperaturen standzuhalten,

werden Rohre während oder nach der

Extrusion vernetzt. Folgende Werk-

stoffe werden von der Basell zum Ver-

netzen empfohlen:

• Lupolen 5261 Z Q 456

• Lupolen 5461 B Q 471

• Lupolen 5031 L Q 449

• Lupolen 5031 L Q 449 K

• Lupolen 4261 A Q 416

12

Die Eigenschaften von Polyethylen

werden vorwiegend durch Dichte,

Molmasse und Molmassenverteilung

bestimmt. Mit zunehmender Dichte

(höherer Kristallinität) steigen an:

• Streckspannung (Zugfestigkeit),

• Elastizitätsmodul (Steifheit),

• Härte,

• Beständigkeit gegen Lösemittel,

• Undurchlässigkeit für Gase und

Dämpfe.

Dagegen nehmen Schlagzähigkeit,

Transparenz und Widerstand gegen

Spannungsrissbildung mit zunehmen-

der Dichte ab.

Mit steigender Molmasse nehmen

Schlag- und Kerbschlagzähigkeit,

Reißfestigkeit, Reißdehnung und der

Widerstand gegen Spannungsriss-

bildung zu.

Die Makromoleküle eines thermo-

plastischen Kunststoffs weisen unter-

schiedliche Kettenlängen auf. Daraus

folgt eine mehr oder weniger breite

Molmassenverteilung. Bei gleichen

Bereichen für Schmelzindex und

Viskositätszahl ist eng verteiltes

HDPE mit geringem niedermolekula-

rem Anteil auch bei tiefer Temperatur

schlagzäher als breit verteiltes. Breit

verteilte HDPE-Typen wiederum sind

leichter verarbeitbar.

Abb. 1-1: Hostalen-BM-Prozess zur Herstellung von Polyethylen-Rohrware mit

bimodaler Molmassenverteilung

1.1.4 Typenprogramm

Bereits 1957 brachten die damaligen

Farbwerke Hoechst für die Fertigung

von Rohren den hochmolekularen

unimodalen HDPE-Spezialtyp Hostalen

GM 5010 auf den Markt.

Seit 1999 bietet die heutige Basell die

nach der bimodalen Technologie her-

gestellten PE-Werkstoffe

• Hostalen GM 5010 T3 (in Schwarz;

für Markierungsstreifen in Gelb,

Blau und Braun) als PE 80 und

• Hostalen CRP 100 (in Schwarz,

Orangegelb und Blau; für Markie-

rungsstreifen in Braun, Blau und

Orangegelb) als PE 100 an (Tab. 1-2).

13

Alle diese Werkstoffe zeichnen sich

durch die hervorragende Kombina-

tion von Zähigkeit und Steifigkeit

aus.

Die Basell-Werkstoffe bieten die Vor-

aussetzung, dass bei korrekter Verar-

beitung die Anforderungen der natio-

nalen und internationalen Normen für

diese Klasse von Kunststoffrohren

erfüllt werden können.

Hostalen und Lupolen bieten für

die Herstellung von Rohren folgende

Vorteile:

– hohe Zeitstandfestigkeit,

– hoher Widerstand gegen langsames

Risswachstum und schnelle Riss-

fortpflanzung,

– gute Verschweißbarkeit,

– niedriges Gewicht,

– günstige Transportmöglichkeiten,

– leichte Verlegung,

– Beständigkeit gegen aggressive

Durchflussmedien und Böden,

– geringe Wandreibungsverluste,

– keine Ablagerungen und

Verkrustungen,

– Unempfindlichkeit gegen Frost.

Das Gesamtprogramm der Basell

an Polyethylen-Werkstoffen zur

Rohrherstellung ist in Tabelle 1-2

zusammengefasst.

1.1.5 Lieferform

Alle Hostalen-Typen werden als

Granulat geliefert, die Lupolen-Typen

als Granulat oder als Grieß (Tab. 1-2).

Die Einfärbungen sind cadmiumfrei.

Die Vernetzungsverfahren sind in

Kapitel 4 behandelt.

Vernetzte Rohre erhalten ihre charak-

teristischen Eigenschaften erst durch

den Vernetzungsprozess. Sie hängen

wesentlich von dem Verfahren ab,

das der Rohrhersteller für das Vernet-

zen anwendet, und lassen sich nicht

aus den Eigenschaften des unvernetz-

ten Werkstoffs ableiten. Außerdem

können Zusatzstoffe die Rohreigen-

schaften beeinflussen. Da der Roh-

stoffhersteller keinen Einfluss auf das

Vernetzungsverfahren hat, kann hier

nur von charakteristischen Eigen-

schaften vernetzter Rohre die Rede

sein.

14

Tab. 1-2: PE-Werkstoffe für Rohre und Formstücke: Lieferformen, Einfärbungen, Eigenschaften, Anwendungsgebiete,

* G = Granulat, P = Pulver, Grieß

Typ Liefer- Einfärbungen Charakteristische Hauptanwendung

form* Eigenschaften von Basell-Kunden

Hostalen GM 5010 T3 black G schwarz RAL 9004 HDPE, PE 80, Druckrohre, z.B. Trinkwasser- und Gasrohre, Abfluss-

zäh, steif und Kanalrohre, deren Formstücke sowie Tafeln

Hostalen GM 5010 T3 natur G natur HDPE, zäh, steif Platten, Profile, Werkstoff für Mehrschichtrohre

Hostalen GM 5010 T3 S yellow G gelb RAL 1018 (ähnl.) HDPE, PE 80 Markierungsstreifen für Gasrohre aus

GM 5010 T3 black

Hostalen GM 5010 T3 S blue G blau RAL 5012 (ähnl.) HDPE, PE 80 Markierungsstreifen für Trinkwasserrohre aus

GM 5010 T3 black

Hostalen GM 5010 T3 S brown G braun RAL 8023 (ähnl.) HDPE, PE 80 Markierungsstreifen für Kanalrohre aus

GM 5010 T3 black

Hostalen CRP 100 black G schwarz RAL 9004 HDPE, PE 100, Druckrohre, z.B. Trinkwasser- und Gasrohre, Abfluss-

sehr zäh, steif und Kanalrohre, deren Formstücke sowie Tafeln

Hostalen CRP 101 orange-yellow G orange- RAL 1033 (ähnl.) HDPE, PE 100, Gasrohre und deren Formstücke

gelb sehr zäh, steif

Hostalen CRP 100 blue G königs- RAL 5005 (ähnl.) HDPE, PE 100, Trinkwasserrohre und deren Formstücke

blau sehr zäh, steif

Hostalen CRP 100 S orange-yellow G orange- RAL 1033 (ähnl.) HDPE, PE 100 Markierungsstreifen für Gasrohre aus

gelb CRP 100 black

Hostalen CRP 100 S yellow G Gelb RAL 1018 (ähnl.) HDPE, PE 100, Markierungsstreifen für Gasrohre aus CRP 100 black

Hostalen CRP 100 S blue G königs- RAL 5005 (ähnl.) HDPE, PE 100 Markierungsstreifen für Trinkwasserrohre aus

blau CRP 100 black

Hostalen CRP 100 S brown G braun RAL 8023 (ähnl.) HDPE, PE 100 Markierungsstreifen für Kanalrohre aus

CRP 100 black

Hostalen GM 9310 C black G schwarz RAL 9004 HDPE, Rohre und Formteile für Anwendungen in

elektrisch leitfähig explosionsgeschützten Bereichen.

Spezialtyp mit Oberflächenwiderstand < 104 Ω

Lupolen 5261 Z Q 456 P natur PEXa Vernetzte Rohre

Lupolen 5461 B Q 471 P natur PEXa Vernetzte Rohre

Lupolen 5031 L Q 449 G natur PEXb Vernetzte Rohre

Lupolen 5031 L Q 449 K G natur PEXb Vernetzte Rohre

Lupolen 4261 A Q 416 G natur PEXc Vernetzte Rohre

1.2 Polypropylen

Die Klassifizierung von Polypropylen

(PP) erfogt in drei Klassen:

• PP-H für Polypropylen Homopoly-

mere

• PP-B für Polypropylen Blockcopoly-

mer (auch Impact-Copolymere)

• PP-R für Polypropylen Randomco-

polymere (statistische Copolymere)

Der Markenname der PP-Rohrwerk-

stoffe der Basell ist Hostalen PP.

1.2.1 Molekulare Struktur

Polypropylen wird durch Polymerisa-

tion von Propylen gewonnen. Basie-

rend auf den Erkenntnissen von Karl

Ziegler über die Polymerisation von

Ethylen, polymerisierte Giulio Natta

1953 Propen mit Hilfe eines Kataly-

sators. Er erhielt eine Masse, deren

überwiegender amorpher Teil in

Kohlenwasserstoffen löslich war.

Der andere kristalline Anteil war hin-

gegen unlöslich und besaß eine hohe

Schmelztemperatur. Natta erkannte,

daß sich das Propylen zu verschiede-

nen Polypropylenen polymerisieren

läßt. Er nannte das amorphe PP

ataktisch (a-PP) und das kristalline PP

isotaktisch (i-PP).

Unter der Taktizität versteht man die

räumliche Anordnung der Propylenein-

heiten in der Kette des Polymers.

Durch die Polymerisation von Propylen

entsteht an jedem zweiten Kohlenstoff-

atom eine Methylseitenkette (Länge:

ein Kohlenstoffatom), die im Vergleich

zur benachbarten Seitenkette entwe-

der in die gleiche oder entgegenge-

setzte Richtung schauen kann.

Schauen alle Seitenketten in die glei-

che Richtung so spricht man von isot-

aktisch, ist die Anordnung willkürlich,

so spricht man von ataktisch (Abb.1-2).

15

Abb. 1-2: Struktur von isotaktischem und ataktischem Polypropylen

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

Isotaktisch

Bindung steht aus der Papierebene nach vorne heraus

Bindung steht aus der Papierebene nach hinten heraus

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

CHCH2

CH3

Ataktisch

CH

Unter dem Standardkunststoff Poly-

propylen versteht man das isotak-

tische Polypropylen, das heute an

hochisospezifischen Katalysatoren

in Masse oder in Gasphase hergestellt

wird. Hochisospezifisch bedeutet,

daß die Ausbeute an isotaktischem

PP während der Polymerisation bei

über 95 % liegt. Der Rest besteht aus

ataktischem Polypropylen.

Polypropylen ist ein teilkristalliner

Werkstoff. Der regelmäßige Aufbau

der Molekülketten begünstigt das

Entstehen kristalliner Bereiche. Die

Kettenmoleküle werden beim Abküh-

len aus der Schmelze jedoch selten in

ganzer Länge in einen Kristallit ein-

gebaut. Es entstehen besonders bei

hohem Polymerisationsgrad amorphe

Bereiche durch die Verschlaufungen

der Ketten. Der kristalline Anteil liegt

je nach Verarbeitungsbedingungen

bei 50–70 %. Der teilkristalline Aufbau

bewirkt wegen der hohen Sekundär-

kräfte im Kristallit eine hohe Festig-

keit und Steifigkeit, während die unge-

ordneten Bereiche, mit der höheren

Beweglichkeit ihrer Kettensegmente

oberhalb der Einfriertemperatur, Fle-

xibilität und Zähigkeit ergeben.

Durch Copolymerisation von Propylen

mit Ethylen wird das PP-Eigenschafts-

spektrum erweitert, so daß sich iso-

taktisches PP in drei Klassen einteilen

läßt:

Homopolymer

Homopolymere entstehen durch Poly-

merisation von ausschließlich Propy-

len-Molekülen. Aus der hohen Kristal-

linität und Isotaktizität (Regelmäßig-

keit des Kettenaufbaus) resultieren

eine hohe Härte, Steifheit, Zugfestig-

keit und Wärmeformbeständigkeit bei

ausreichender Zähigkeit. Homopoly-

mere haben ein sehr gutes Zeitstand-

Innendruckverhalten auch bei höhe-

ren Temperaturen. Die Einfriertempe-

ratur der amorphen Bereiche liegt bei

ca. 0° C. Unterhalb dieser Temperatur

ist das Homopolymer relativ spröde.

Blockcopolymer

Blockcopolymere (auch Impact-Copo-

lymere genannt) werden in einem

mehrstufigen Polymerisationsprozess

hergestellt. Neben dem PP-Homopoly-

mer wird in einer weiteren Reaktions-

stufe ein Copolymer mit niederen

-Olefinen (vorzugsweise Ethylen)

polymerisiert. Die Elastomer-Phase,

die in die Homo-PP-Matrix eingebettet

ist, erhöht die Zähigkeit, insbeson-

dere bei tiefen Temperaturen.

Das Zeitstand-Innendruckverhalten

ist schlechter als bei Homo- und Ran-

domcopolymeren.

Randomcopolymer

Bei Randomcopolymeren oder stati-

stischen Copolymeren werden durch

die gleichzeitige Polymerisation von

Propylen mit niedrigen -Olefinen

(vorzugsweise Ethylen oder Buten-1)

die Comonomer-Einheiten statistisch

verteilt und bevorzugt isoliert in die

PP-Kette eingebaut. Die Comonomer-

Einheiten stören den regelmäßigen

Aufbau der Polymerkette und führen

mit zunehmendem Anteil zu einer Ab-

senkung der Kristallinität, des Schmelz-

punktes, der Härte, der Steifheit und

der Glastemperatur. Bei normalen

Gebrauchstemperaturen haben Random-

copolymere eine höhere Zähigkeit als

PP-Homopolymere. Durch die höhere

Duktilität (plastische Verformbarkeit)

haben Randomcopolymere im Ver-

gleich zu Homo- und Blockcopolymeren

besonders bei höheren Temperaturen

ein sehr gutes Zeitstand-Innendruck-

verhalten.

Die Abfolge der Monomersequenzen

ist in Abbildung 1-3 illustriert.

Wie bei Polyethylen werden auch bei

Polypropylen die Eigenschaften durch

die Molmasse und die Molmassenver-

teilung bestimmt. Prinzipiell beob-

achtet man hier die gleichen Tenden-

zen wie bei Polyethylen.

16

Abb. 1-3: Monomersequenz bei isotaktischem Polypropylen

Homopolymere

-P-P-P-P-P-P-P- .... -P-P-P-P-P-P-P-P-P-

Blockcoploymere

(P-P-P-...P) + (P-P-E-E-E-E-P-P-E-E-E-P-P-)

Randomcopolymere

-P-P-P-E-P-P-P-E-P .... -P-P-E-P-P-P-

P= Propylen E = Ethylen (Copolymer)

1.2.2 Herstellverfahren für PP

Alle Herstellverfahren für PP gehen

vom Monomer Propylen aus. Unab-

hängig von der Art des Verfahrens

ist die Polymerisation von Propylen

eine exotherme Reaktion, die durch

den Katalysator angestoßen wird und

dann unter starker Wärmeentwicklung

abläuft. Die Hostalen PP Rohrwerk-

stoffe werden bevorzugt nach dem

Spheripol-Verfahren hergestellt. Das

Spheripol-Verfahren zählt zu den effi-

zientesten und kosteneffektivsten

Verfahren der Welt. Fast die Hälfte

der weltweiten PP-Kapazität wird

heute nach dem Spheripol-Verfahren

hergestellt.

Das Spheripol-Verfahren besteht im

Wesentlichen aus einem Schlaufen-

reaktor und einem Gasphasenreaktor

(Abb. 1-4). Im Schlaufenreaktor wer-

den in flüssigem Propylen Homopoly-

mere und Randomcopolymere her-

gestellt. Man spricht hier von einer

Polymerisation in Masse. Bei der Her-

stellung eines Blockcopolymers wird

ein zweiter Polymerisationsschritt in

der Gasphase nachgeschaltet.

1.2.3 Typenprogramm

Die Hoechst AG brachte bereits im

Jahre 1957 als erstes Unternehmen

der Welt großtechnisch erzeugtes Poly-

propylen auf den Markt. Hostalen PP

ist ein mit Hilfe stereospezifisch wir-

kender Katalysatoren hergestelltes

isotaktisches Polypropylen von

hohem Kristallinitätsgrad.

Hostalen PP bietet – korrekte Ver-

arbeitung zum Rohr vorausgesetzt –

folgende wesentlichen Vorzüge:

• gutes Zeitstandverhalten

• gute Verschweißbarkeit

• niedriges Gewicht

(Dichte ca. 0,90 g/cm3)

• leichte Verlegung

• keine Ablagerungen und

Verkrustungen

• geringe Wandreibungsverluste

• ausgewogenes Steifheit/Zähigkeits-

Verhältnis

• sehr gute Ver- und Bearbeitbarkeit

• sehr gute Chemikalienbeständigkeit

• Dauereinsatztemperaturen

bis 70 °C

• geringe Neigung zur Spannungs-

rissbildung

• „Kontakttransparenz“

Das Gesamtprogramm der Basell an

Polypropylen-Werkstoffen zur

Rohrherstellung ist in Tabelle 1-3

zusammengefasst.

1.2.4 Lieferform

Alle Hostalen PP-Rohrwerkstoffe wer-

den als Granulat geliefert (Tab. 1-3).

17

Katalysator

Wasserstoff

Propylen

Dampf

Stickstoff

Schlaufenreaktor PolypropylenGasphasenreaktor+ Ethylen

Abb. 1-4: Spheripol-Verfahren zur Herstellung von Polypropylen

18

Tab. 1-3: PP-Werkstoffe für Rohre, Formstücke und Platten: Lieferformen, Einfärbungen, Eigenschaften,

Anwendungsgebiete.

Produkt Lieferformen, Charakteristische Hauptanwendungen

Einfärbung Eigenschaften von Basell-Kunden

Hostalen PP H2150 PP-H Granulat, nukleiert, hochwärme- Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile, Stanz-

natur alterungsbeständig und Filterplatten, blasgeformte Teile

und extraktionsstabil

Hostalen PP H2450 PP-H Granulat, nicht nukleiert Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile, Stanz-

natur hochwärmealterungsbeständig und Filterplatten, blasgeformte Teile

und extraktionsstabil

Hostalen PP H2150 304850 PP-H Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile, Stanz-

kieselgrau und extraktionsstabil und Filterplatten, blasgeformte Teile

Hostalen PP H2250 36 PP-H Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Druckrohre nach DIN 8078 (PP-H 100),

kieselgrau und besonders extraktionsstabil Tafeln, Vollstäbe, Filterplatten, Profile,

Fittings, Gehäuse

Hostalen PP H7350FLS 303064 PP-H Granulat, RAL 7037 (ähnl.) schwerentflammbar, Hausabflußrohre nach DIN 19560,

FLS staubgrau Brandklasse B1 nach DIN 4102, Halbzeuge für den Apparatebau,

Einstufung nach UL94V-2

nicht für Lebensmittelkontakt

Hostalen PP H1022 PP-B Granulat, höhere Wärmealterungsbe- Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile,

natur ständigkeit Formteile, blasgeformte Teile

Hostalen PP H2222 36 PP-B Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Druckrohre nach DIN 8078 (PP-B 80),

kieselgrau und besonders extraktionsstabil Tafeln, Profile, Filterplatten

Hostalen PP H1022 12 PP-B Granulat, RAL 9004 schwarz, Grundstabilisierung, Rohre, Tafeln, Wellrohre, Fittings,

schwarz witterungsbeständig blasgeformte Teile

Hostalen PP H4122 103220 PP-B Granulat, RAL 9004 hochwärmealterungsbeständig Druckrohre, Solarabsorber, Wellrohre,

schwarz und besonders extraktionsstabil, Klemmverbinder nach DIN 8076-3/

witterungsbeständig ISO 14236

Hostalen PP H2464 PP-B Granulat, hohe Steifigkeit, excellente Kälte- Rohre, insbesondere „strukturierte“

natur schlagzähigkeit, besonders Abwasserrohre, Profile, Blasformteile

wärmealterungsbeständig und

extraktionsstabil

Hostalen PP EPD60R PP-B Granulat, gute Waschlaugenbeständigkeit, Industrierohre, Profile, Wellrohre,

natur ausgezeichnete Schlagzähigkeit Abflußschläuche

Hostalen PP H5216 34 PP-R Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Druckrohre nach DIN 8078 (PP-R 80),

kieselgrau und besonders extraktionsstabil Trinkwasser- und Sanitärrohr-Systeme,

Halbzeuge und Anwendungen im

chemischen Apparatebau, Fußboden-

heizungsrohre

Hostalen PP H5416 farbig PP-R Granulat, spezielle Farb- hochwärmealterungsbeständig Halbzeuge und Anwendungen im

farbig einstellungen und besonders extraktionsstabil chemischen Apparatebau, Druckrohre

auf Anfrage nach DIN 8078 (PP-R 80), Trinkwasser

und Sanitärrohre

Hostalen PP H5416 PP-R Granulat, hochwärmealterungsbeständig Halbzeuge und Anwendungen im

natur und besonders extraktionsstabil chemischen Apparatebau, Druckrohre

nach DIN 8078 (PP-R 80)

Eigenschaften der Rohre

Polyethylen und Polypropylen sind viskoselastische Werkstoffe.

2.1 Zeitstandverhalten


Polyethylen und Polypropylen sind

viskoselastische Werkstoffe. Wie alle

thermoplastischen Kunststoffe zeigen

sie die als Kriechen bekannte Eigen-

schaft, sich im Laufe der Zeit bereits

bei Raumtemperatur und unter ver-

hältnismäßig geringer Belastung zu

verformen. Nach Entlastung nimmt

ein Formteil je nach Höhe und Dauer

der Beanspruchung seine ursprüngli-

che Gestalt mehr oder weniger wieder

an. Die rückstellbare Verformung ent-

spricht dem elastischen, die bleibende

dem viskosen Anteil.

Daher ist zu beachten, dass die

mechanischen Eigenschaften eines

Kunststoffs abhängig sind von den

drei wichtigen Grundparametern:

Zeit, Temperatur und Beanspruchung.

Für die Berechnung von Konstruktions-

teilen müssen die vorwiegend in

mechanischen Langzeitprüfungen

ermittelten Werkstoffkennwerte durch

einen Sicherheitsbeiwert dividiert wer-

den.

19


einachsigem Spannungs-

zustand

Bei der Ermittlung des Zeitstand-

verhaltens unterscheidet man

zwischen dem Retardationsversuch

bei konstanter Spannung und dem

Relaxationsversuch bei konstanter

Dehnung.

Retardation (Kriechen)

Beim Retardationsversuch wird bei

konstanter, vorgegebener Spannung

( = const.) die mit der Zeit zuneh-

mende Verformung (t) gemessen –

die Zeit-Dehn-Kurve – und hieraus der

errechnet. Die Messung kann in

einem Biegekriechversuch („Zeit-

stand-Biegeversuch“ nach ISO 6602)

oder im Zugkriechversuch („Zeit-

stand-Zugversuch“ nach ISO 899)

vorgenommen werden. Der letztere

ist zwar aufwendiger, liefert aber

die präziseren Ergebnisse, da der

gesamte Querschnitt gleichmäßig

zum Ergebnis beiträgt und Störungen

in der Randfaser, d. h. an der Ober-

fläche, nicht so stark ins Gewicht

fallen wie beim Biegekriechversuch.

2-1

In Abbildung 2-1 sind die Zug-Kriech-

modulkurven für Hostalen GM 5010 T3

und Hostalen CRP 100 bei 23 und

40 °C wiedergegeben.

Es ist darauf hinzuweisen, dass der

Wert des Kriechmoduls außer von

Temperatur und Zeit auch von der

jeweiligen vorgegebenen Spannung

abhängt.

Trägt man die in den Zug-Kriechver-

suchen angelegten Spannungen über

der Dehnung zu gleichen Zeiten auf

und verbindet diese Punkte, so erhält

man die isochronen Spannungs-Deh-

nungsdiagramme. In Abbildung 2-2

sind diese für Hostalen PP H2150

(Homopolymer) und in Abb 2-3 für

Hostalen PP H1022 (Blockcopolymer)

bei 23, 40, 60 und 80 °C dargestellt.

20

Zug-Kriechmodul [N/mm2]

Beanspruchungsdauer [h]10-1

101

106

102

103

104

10-2 100 101 102 103 104 105

2 [N/mm2]

5 [N/mm2]



101

106

102

103

104

10-2 100 101 102 103 104 105

5 [N/mm2]

2 [N/mm2]



101

106

102

103

104

10-2 100 101 102 103 104 105

2 [N/mm2]

5 [N/mm2]



101

106

102

103

104

10-2 100 101 102 103 104 105

2 [N/mm2]

5 [N/mm2]

Hostalen GM 5010 T3, 40 °C Hostalen CRP 100, 40 °C

Abb. 2-1: Zug-Kriechmodulkurven von Hostalen GM 5010 T3 und

Hostalen CRP 100, ermittelt bei 23 und 40 °C

Hostalen GM 5010 T3, 23 °C Hostalen CRP 100, 23 °C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 10,5 1,5 2

1021 h 10 103 h

104

105

23°C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 0,5 1 1,5 2

102 1041 h

10 103 105

23°C

Abb. 2-3:

Abb. 2-2:

In gleicher Weise werden Versuche

zur Ermittlung des Kriechmoduls bei

Druckbeanspruchung durchgeführt.

Dabei ergeben sich unter Berücksich-

tigung der Streuung etwa dieselben

Werte wie bei Zugbeanspruchung. Ein

ausführlicher Bericht des Süddeut-

schen Kunststoffinstituts, Würzburg,

zu Langzeitdruckversuchen an Prüf-

körpern aus Hostalen GM 5010 T3

black kann angefordert werden.

Der Kriechmodul kann zur Berech-

nung von Formteilen herangezogen

werden, die über lange Zeiten einer

konstanten Spannung unterliegen.

21

Isochrone Spannungs-Dehnungsdiagramme von Hostalen PP H2150 und Hostalen PP H2250 36 bei 23, 40, 60 und 80 °C

(Zeitstandzugversuch nach ISO 899)

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 0,5 1 1,5 2,5

1021 h

10 103

2

104

105

40°C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 0,5 1 1,5 2,52 3 43,5

102 1041 h

10 103 105

60°C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 1 2 3 54

104

10

1021 h

103

80°C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 10,5 1,5 2,52

1021 h 10

103 h

104

105

40°C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 10,5 1,5 42 2,5 3 3,5

1021 h 10

105

103 h

104

60°C

Spannung [MPa]

Dehnung [%]

6

5

4

3

2

1

00 10,5 1,5 42 2,5 3 3,5

102

1 h

10

104

103 h

80°C

Isochrone Spannungs-Dehnungsdiagramme von Hostalen PP H1022 und Hostalen PP H2222 36 bei 23, 40, 60 und 80 °C

(Zeitstandzugversuch nach ISO 899)

22


mehrachsigem

Spannungszustand

Die wohl wichtigste Eigenschaft von

Kunststoffrohren ist das Zeitstand-

verhalten unter Innendruck, kurz

auch Zeitstand genannt. Es handelt

sich um die Lebenserwartung eines

Rohrs, das unter Innendruck steht.

Dieser erzeugt in der Rohrwandung

einen mehrachsigen Spannungszu-

stand. Die zugehörige Vergleichs-

spannung v ergibt sich aus dem

Innendruck p, dem mittleren Rohr-

durchmesser dm und der Wanddicke

e nach der sog. Rohr- oder Kessel-

formel zu

Die entsprechende Einheiten-

gleichung lautet:

(1 N/mm2 = 1 MPa = 10 bar)

Die Vergleichsspannung entspricht

näherungsweise der Spannung in

Umfangsrichtung an der Rohrinnen-

fläche. Die Spannung in Axialrichtung

ist nur halb so groß wie die in Um-

fangsrichtung. Die Kenntnis der für

den betreffenden Werkstoff zulässi-

gen Spannung bildet unter Verwen-

dung obiger Formel die Grundlage für

die Dimensionierung eines Rohrs

bei gegebenem Innendruck. Die zum

Bruch führende Spannung hängt bei

Kunststoffen von der Beanspruchungs-

Abb. 2-4: Prüffeld für Zeitstandunter-

suchungen an Rohren aus Hostalen.

Die Rohrproben befinden sich in den

Wasserbädern2-3

2-4

Relaxation

Bei der Relaxation wird bei konstan-

ter vorgegebener Verformung ( =

const.) die mit der Zeit abnehmende

Spannung (t) gemessen und hieraus

der

errechnet. Die Messung wird mit ein-

achsiger Zugspannung im Spannungs-

relaxationsversuch, zum Beispiel nach

DIN 53 441, durchgeführt. Es ist dar-

auf hinzuweisen, dass der Wert des

Relaxationsmoduls außer von Tempe-

ratur und Zeit auch von der jeweili-

gen vorgegebenen Dehnung abhängt.

Der Relaxationsmodul kann zur

Berechnung von Formteilen heran-

gezogen werden, die über lange

Zeiten einer konstanten Dehnung

oder Stauchung unterliegen.

2-2

dauer und der Temperatur ab.

Dieses Verhalten wurde in langjähri-

gen Prüfungen untersucht. Die Prü-

fungen wurden an unter Innendruck

stehenden Rohrabschnitten durchge-

führt, um praxisgerecht den Einfluss

der mehrachsigen Dehnung mit zu

erfassen. Die Rohre sind dabei mit

Wasser gefüllt und hängen in einem

Wasserbad (Abb. 2-4) bzw. bei

Prüftemperaturen oberhalb 100 °C

in einem Umluft-Wärmeschrank.

Die Ergebnisse aus diesen Versuchen

werden im doppelt logarithmischen

Maßstab – Prüfspannung über Stand-

zeit – aufgetragen. Die Basell als

Pionier (zuvor die Hoechst AG) auf

diesem Arbeitsgebiet mißt seit 1956

die Zeitstandinnendruckfestigkeit an

ausgewählten Rohren (Abb. 2-5).

23

Abb. 2-5: 1956 eingebaute Rohre in

der Zeitstandmessung

Bei hinreichend langen Prüfzeiten

zeigt die typische Rohrkurve in dieser

Auftragung drei verschiedene Berei-

che oder Stufen (Abb. 2-6). Begin-

nend bei kurzen Standzeiten beob-

achtet man einen flachen, geraden

Ast, an den sich ein gerader, steiler

Ast anschließt. Bei den bimodalen

Hostalen-Werkstoffen wurde dieser

steile Ast auch bei 80 °C und über

20.000 h Prüfdauer nicht gefunden.

Nach sehr langen Standzeiten schließt

sich ein senkrechter, spannungsunab-

hängiger Kurvenast an.

Den drei Kurvenbereichen liegen

unterschiedliche Versagensmecha-

nismen zugrunde (Abb. 2-7).

Im flachen Ast beobachtet man Zäh-

brüche. Dieser Ast markiert also die

Grenzspannung des duktilen Versa-

gens. Die Streckspannung, im Kurz-

zeitzugversuch gemessen, charakteri-

siert die gleiche Materialeigenschaft.

Beide werden beim HDPE durch die

Dichte des Werkstoffs bestimmt.

Abb. 2-6: Einteilung der Rohrkurve nach dem 3-Stufen-Modell. (Abbildung mit

freundlicher Genehmigung der Studsvik Polymer AB)

Abb. 2-7: Qualitative Interpretation der Rohrkurve

Umfangsspannung []

Standzeit [lg t]

duktiler Versagens-mechanismus

spröder Versagens-mechanismus

y

z

x80 °C

20 °C

Prüfspannung

Zeitstandverhalten

I

II

III

Für die Langzeiteigenschaften eines

Rohrmaterials ist die Lage des steilen

Asts entscheidend. Sie wird bestimmt

durch den Widerstand, den das Mate-

rial einer langsamen Rissfortpflanzung

entgegensetzt (zum Mechanismus

siehe Abschnitt 2.2.1.2). Diese auch als

Spannungsrisswiderstand bezeichnete

Materialeigenschaft bestimmt die

Lebens- bzw. Gebrauchsdauer der

Rohrleitung. Der Knickpunkt, der

Übergang zwischen flachem und

steilem Ast, kann, wenn überhaupt,

nur bei hohen Temperaturen und

sehr langen Standzeiten beobachtet

werden. Die praktikable Prüfung des

Zeitstandverhaltens erfolgt aufgrund

von drei exemplarischen, in ISO

1167, Annex, definierten Kontroll-

punkten (Tab. 2-1).

Im dritten, senkrechten Kurvenast

beobachtet man ebenfalls spröde

Brüche. Sie treten auf als Folge des

thermooxidativen Abbaus des Poly-

ethylens, oder anders ausgedrückt

infolge Alterung. Die Mindestwerte

hierfür sind z.B. in DIN 8075 durch

den Endpunkt der steilen Äste (bei

40, 60 und 80 °C) gekennzeichnet.

Da diese Wärmealterung praktisch

spannungsunabhängig ist, lässt sich

in Zeitstanddiagrammen die Grenze

hierfür auch als senkrechte Gerade

darstellen.

Für die bimodalen Werkstoffe Hostalen

CRP 100 und Hostalen GM 5010 T3

wurde bisher nur bei hohen Tempera-

turen und sehr langen Prüfzeiten

sofort der Übergang vom duktilen

Bruch zum Sprödbruch auf Grund

von Alterung beobachtet. Dieses

Verhalten ist durch den sehr hohen

Widerstand der Werkstoffe gegen

langsames Risswachstum begründet.

24

Tab. 2-1: Kontrollpunkte nach ISO 1167.

Anmerkung: Diese Werte finden sich auch in den Mindestkurven

der entsprechenden DIN.

Die ermittelten Prüfzeiten überschrei-

ten die Mindestprüfzeiten nach DIN

8075 deutlich.

Zwischen der Spannung und der

Standzeit ergibt sich also ein gesetz-

mäßiger Zusammenhang, der im

doppelt logarithmischen Maßstab

durch die Geraden der drei Äste ge-

kennzeichnet ist (Abb. 2-8 A). Eben-

falls ein gesetzmäßiger Zusammen-

hang besteht zwischen der Standzeit

und der Temperatur:

In einem so genannten Arrhenius-

Diagramm werden die Kehrwerte der

Messtemperatur (in Kelvin) gegen den

Logarithmus der Standzeit für jeweils

eine bestimmte Vergleichsspannung

aufgetragen (Abb. 2-8 B). Man erhält

gleichfalls Geraden und kann dann

unter Nutzung dieses Zusammen-

hangs auf Grund von Messungen bei

erhöhten Temperaturen (40, 60, 80 °C)

eine Extrapolation der Zeitstand-

festigkeit auf längere Zeiten bei 20 °C

durchführen.

Für kommunale Ver- und Entsorgungs-

leitungen wird von Gemeinden und

Städten üblicherweise eine Betriebs-

zeit von mindestens 50 Jahren ver-

langt, da die jährliche Amortisation

solcher Anlagen 2 % beträgt. Natur-

gemäß liegen aber noch keine Prüf-

resultate über 50 Jahre vor, da es

HDPE bzw. MDPE noch nicht so lange

gibt. Um eine Voraussage über die zu

erwartende Lebensdauer der Rohre

unter Innendruck machen zu können,

nutzt man den zeitraffenden Effekt

von erhöhten Temperaturen. Aus den

Zeitstandprüfungen bei verschiede-

nen Temperaturen und Spannungen

bis zu einem Zeitraum von ca. 10000

h kann dann auf das Langzeitverhal-

ten bei Einsatztemperatur (z.B. 20°C)

geschlossen werden. Die Extrapola-

tionsmethode ist in EN ISO 9080

genormt.

Material/Klasse Temperatur Umfangsspannung Mindeststandzeit

PE 80 20 °C 10,0 MPa 100 h80 °C 4,6 MPa 165 h80 °C 4,0 MPa 1000 h

PE 100 20 °C 12,4 MPa 100 h80 °C 5,5 MPa 165 h80 °C 5,0 MPa 1000 h

PEX 20 °C 12,0 MPa 1 h95 °C 4,8 MPa 1 h95 °C 4,6 MPa 170 h95 °C 4,4 MPa 1000 h

110 °C 2,8 MPa 8000 h

PP-H 100 20 °C 21,0 MPa 1 h95 °C 3,5 MPa 1000 h

110 °C 1,9 MPa 8760 h

PP-B 80 20 °C 16,0 MPa 1 h95 °C 2,6 MPa 1000 h

110 °C 1,4 MPa 8760 h

PP-R 80 20 °C 16,0 MPa 1 h95 °C 3,5 MPa 1000 h

110 °C 1,9 MPa 8760 h

25

Abb. 2-8 A und B: Schematische Zeitstandkurven von HDPE-Rohren (A) und entsprechendes Arrhenius-Diagramm (B)

: v = 4 N/mm2

: v = 7 N/mm2

: v = 1,5 N/mm21,5100

2

3

4

5

6

789

10

15

101 102 103 104 105 106

5010510,5Jahre

40°100

50°

60°

70°

80°

101 102 103 104 105 106

Temperatur

32

31

30

29

28

K-110-4

1

10 °C

20 °C

30 °C

50 °C60 °C70 °C80 °C 40 °C

AVergleichsspannung [N/mm2]

Standzeit [h]

BArrhenius-Diagramm

Standzeit [h]

Um dem unterschiedlichen Leis-

tungsvermögen der verschiedenen

Werkstoffe im Zeitstand Rechnung

zu tragen, wurde das Klassifizie-

rungssystem nach ISO 12 162 ge-

schaffen. Anlass waren die unter-

schiedlichen Eigenschaften der

PE-Typen von LDPE bis HDPE. Das

System ist grundsätzlich für alle

thermoplastischen Werkstoffe für

die Rohrextrusion vorgesehen.

Ausgangspunkt für die Klassifizie-

rung bildet die Messung von Zeit-

standkurven und ihre Auswertung

nach der Standard-Extrapolations-

Methode (SEM) gemäß EN ISO 9080

(Abb. 2-9).

Abb. 2-9: Prinzip der SEM-Extrapolation

ZIVExperimentelle Daten

SEM-ExtrapolationComputer-Modellierung

Parameter für die Gleichunglog (t) = - A - B/T log () + C/T + D log ()

MRS-KlassifikationMaterialkenndaten

Vergleichsspannung [N/mm2]

Standzeit [h]10 1000000

20

1 100 1000 10000 100000

1098765

4

3

2

1

20 °C

40 °C

60 °C80 °C

1 2 5 10 25 50 100Jahre

Vergleichsspannung [N/mm2]

Standzeit [h]10 1000000

20

1 100 1000 10000 100000

1098765

4

3

2

1

20 °C

40 °C

60 °C80 °C

1 2 5 10 25 50 100Jahre

Abb. 2-10: Zeitstand-Mindestkurven für Hostalen GM 5010 T3 black

und Hostalen CRP 100 black

26

Tab. 2-2: Festigkeitsklassen der PE-

Werkstoffe für die Rohrextrusion.

Anmerkung: Der MRS-Wert entspricht

praktisch der Vergleichsspannung (für

20 °C und 50 Jahre) in der Minimum-

Zeitstandkurve der DIN 8075. Für PE 80

ist MRS = v = 8 MPa, für PE 100 ist MRS

= v = 10 MPa.

Hostalen CRP 100 gehört der Klasse

PE 100 an, alle anderen klassifizier-

ten thermoplastischen PE-Typen für

die Rohrextrusion sind in die Klasse

PE 80 eingestuft.

In Abbildung 2-10 sind die aus Mes-

sungen ermittelten Zeitstandkurven

(untere Voraussagegrenze, LPL) für

Hostalen GM 5010 T3 black und

Hostalen CRP 100 black wiedergege-

ben (LPL-Kurven für diese und weitere

PE-Typen auf Anforderung). Durch

Extrapolation lassen sich für 20 °C

und 50 Jahre folgende Vergleichs-

spannungen finden:

Basell bietet die PE-Werkstoffe für die

Rohrextrusion in zwei Festigkeits-

klassen an (Tab. 2-2).

MRS Klasse

10 MPa PE 100

8 MPa PE 80

Die Auswertung ergibt für die Um-

fangsspannung bei 20 °C Betriebs-

temperatur und 50 Jahren Beanspru-

chungsdauer

• den Erwartungswert LTHS (Long

Term Hydrostatic Strength) und

• die 97,5 % untere Voraussage-

grenze LPL (Lower Prediction

Limit).

Dieser LPL-Wert wird nach der Renard-

10-Zahlenreihe (R 10) für Werte < 10

MPa bzw. R 20 für Werte > 10 MPa

kategorisiert. Diese Normzahlenreihe

(ISO 3) ist eine Unterteilung einer

Dekade in 10 bzw. 20 gleiche Teile

in einem logarithmischen Maßstab.

Dabei ergibt sich die (gerundete) Zah-

lenreihe

1 – 1,25 – 1,6 – 2 – 3,2 – 4 – 5 – 6,3 –

8 – 10 – 11,2 – 12,5 – 14 – 16 – usw.

Der errechnete LPL-Wert, z.B. 11,0

MPa bei Hostalen CRP 100 black,

wird dann auf die nächst niedrigere

Renard-Zahl abgestuft. Das Ergebnis

ist die erforderliche Mindestfestigkeit

MRS (Minimum Required Strength),

in unserem Beispiel MRS = 10 MPa.

27

Hostalen GM 5010 T3 black liegt mit

10,7 MPa weit über den Zeitstandan-

forderungen für ein PE 80 (> 8 MPa).

Bei Hostalen CRP 100 black werden

die für ein PE 100 geforderten 10

MPa nach ISO 12 162 deutlich über-

schritten.

An Rohren aus Hostalen GM 5010 T3

black, Hostalen CRP 100 blue und

Hostalen CRP 100 black wurden von

Bodycote Polymer AB umfangreiche

Zeitstandprüfungen durchgeführt.

Auch bei 80 °C traten nach mehr als

2,5 Jahren Prüfzeit noch keine Spröd-

brüche auf. Bodycote Polymer AB

Vergleichsspannung [MPa]

0,1 1 10 102 103 104 105 106

Prüfung nach DIN 16887

3,5

40 °C

10 °C

20 °C30 °C

50 °C

60 °C

70 °C

80 °C

90 °C95 °C

110 °C120 °C

252220181614

12

10987

6

4

3

2,5

2

1,5

1

5

1 5 10 2550 100Standzeit [ Jahre]

Standzeit [h]

10 °C

20 °C

30 °C

40 °C

50 °C

60 °C

70 °C

80 °C

90 °C95 °C

110 °C120 °C


3,5

252220181614

12

10987

6

4

3

2,5

2

1,5

1

5

0,1 1 10 102 103 104 105 106

Standzeit [h]


10 °C

20 °C

30 °C

40 °C

50 °C

60 °C

70 °C

80 °C

90 °C95 °C

110 °C

120 °C


0,1 1 10 102 103 104 105 106

3,5

252220181614

12

10987

6

4

3

2,5

2

1,5

1

5


Standzeit [h]

Abb. 2-11: Zeitstand-Innendruck-

verhalten von Rohren aus

Hostalen PP H2250 36 (PP-H 100),

Kurven entsprechend DIN 8078



Hostalen PP H2222 36 (PP-B 80),




Hostalen PP H5216 34 und

Hostalen PP H5416 (PP-R 80),


MRS Klasse

10 MPa PP-H 100 Hostalen PP H2250 36

8 MPa PP-B 80 Hostalen PP H2222 36

8 MPa PP-R 80 Hostalen PP H5416

Hostalen PP H5216 34

Tab. 2-3: Klassifizierte PP-Werkstoffe für die Rohrextrusion

ermittelte mit Hilfe der Extrapola-

tionsmethode der ISO/TR 9080 für

alle drei Werkstoffe bei einer Betrieb-

stemperatur von 20 °C bis 40 °C eine

Mindestlebensdauer (Extrapolations-

zeitgrenze) von über 100 Jahren. Für

eine Betriebszeit von 50 Jahren ergab

sich eine zulässige Gebrauchstempe

ratur deutlich über 40 °C (Extrapola-

tionsgrenzen und LPL-Werte auf

Anfrage).

Basell bietet klassifizierte PP-Werk-

stoffe für die Rohrextrusion an

(Tab. 2-3). Die Werkstoffe erfüllen

die Mindestzeitstandkurven der DIN

8078 (Abb. 2-11, 2-12 und 2-13).

10 °C20 °C30 °C40 °C50 °C60 °C70 °C80 °C90 °C95 °C

Vergleichsspannung [MPa]50

40

3025

20

15

1098765

4

32,5

2

1,5

10,90,80,70,60,5

110 °C

1060,1 1 10 102 103 104 105

Standzeit [h]


Abb. 2-14: Mindestkurven für die

Innendruck-Zeitstandfestigkeit für

PEX-Rohre nach DIN 16892

2.2 Verhalten bei niedrigen

Prüfgeschwindigkeiten


2.2.1.1 Kurzzeitverhalten bei

geringer Verformungs-

geschwindigkeit

Der Zugversuch zeigt das charakteri-

stische Spannungs-Dehnungs-Dia-

gramm für die sog. Kaltstreckung

eines unverstärkten, teilkristallinen

Kunststoffs: Zunächst steigt die Zug-

spannung bis zur Streckgrenze (yield

point) an. Dann entsteht am Probe-

körper spontan eine Einschnürung

(neck), aus der die Probe flaschen-

halsförmig gestreckt wird. Da die

Spannung beim Zugversuch auf den

Ausgangsquerschnitt bezogen wird

28

2.1.2 Vernetzte PE-Rohre

Die Ermittlung des Zeitstandverhal-

tens von Rohren aus vernetztem

Polyethylen beruht auf den gleichen

Methoden (Retardationsversuch, Re-

laxation, Verhalten unter Innendruck)

wie bei den unvernetzten Rohren

beschrieben. Das Verhalten der ver-

netzten Rohre hängt jedoch wesent-

lich von dem Herstell- und Vernet-

zungsverfahren ab, das der jeweilige

Verarbeiter anwendet.

Nach den gebräuchlichen Verfahren

vernetzte Rohre haben eine hohe

Zeitstandfestigkeit (Abb. 2-14). Sie

zeigen bei üblichen Prüfzeiten beim

Zeitstandverhalten weder einen

steilen Ast (Stufe II) noch einen senk-

rechten, spannungsunabhängigen

Ast (Stufe III). Das bedeutet, dass das

vernetzte Polyethylen einen erhöhten

Widerstand gegen langsame Riss-

fortpflanzung aufweist.

Basell (zuvor die BASF AG) kann als

Pionier auf dem Gebiet der Werkstoffe

für PEX-Rohre auf über 25 Jahre Prüf-

erfahrung zurückgreifen. So befinden

sich noch heute beispielhaft folgende

Rohre in der Zeitstandprüfung:

PEXa-Rohr (Lupolen 5261 Z,

Fa. WIRSBO) mit = 4,0 MPa · 95 °C:

Prüfzeit > 236.000 h

PEXb-Rohr (Lupolen 5031 L Q 449,

Fa. Watts) mit = 4,8 MPa · 95 °C:

Prüfzeit > 112.000 h

Spannung [N/mm2]30

200

100

10

20

0 40

A

60 80

200

100

10

20

30

0 40

B

60 80Dehnung [%]

Abb. 2-15: Spannungs-Dehnungs-Dia-

gramm von Hostalen GM 5010 T3 (A)

und Hostalen CRP 100 (B)

(Gemessen im Zugversuch an Probe-

körper 3, hergestellt aus gepressten

Platten; Prüftemperatur 23 °C, Prüfge-

schwindigkeit 50 mm/min).

29

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Zugspannung [MPa]

10 500 20 30 40Dehnung [%]

80 °C

60 °C

40 °C

23 °C

0 °C

Hostalen PPH2250 36 u. H2150

Prüftemperatur

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Zugspannung [MPa]

10 500 20 30 40Dehnung [%]

Prüftemperatur

80 °C

60 °C

40 °C

23 °C

0 °C

Hostalen PPH1022 u. H2222

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Zugspannung [MPa]

10 500 20 30 40Dehnung [%]

Prüftemperatur

80 °C

60 °C

40 °C

23 °C

0 °C

Hostalen PPH5216 34 u. H5416

Abb. 2-16: Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Hostalen PP H2250 36 und H2150, Hostalen PP H1022 und H2222 36,

Hostalen PP H5216 34 und H5416 (Gemessen im Zugversuch nach ISO 527, Zugstab Typ 1A, spritzgegossen)

(und nicht auf den eingeschnürten

Querschnitt), tritt ein scheinbarer

Abfall der Zugspannung auf. Wenn

die Einschnürung bis an die Klemm-

backen der Einspannung gewandert

ist, steigt die Zugspannung durch

weitere Verfestigung bis zum Bruch-

punkt (Reißfestigkeit/Reißdehnung)

wieder an.

Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm

für Hostalen GM 5010 T3 und

Hostalen CRP 100 ist in Abbildung

2-15 dargestellt.

PP-H und PP-B weisen eine höhere

Steifigkeit und Festigkeit auf. Das

PP-Randomcopolymer Hostalen PP

H5216 34 besitzt aufgrund seiner

niedrigeren Kristallinität eine gerin-

gere Steifigkeit und Festigkeit. Die

Abbildung 2-16 zeigt die Spannungs-

Dehnungs-Kurven für verschiedene

Hostalen PP-Typen bei verschiedenen

Temperaturen.

30

Wegen der speziellen Verformungs-

charakteristik eines Polyolefins ist es

empfehlenswert, für die Ermittlung

der Reißdehnung ein Extensiometer

zu benutzen. Eine Auswertung ist

nur möglich, wenn die Einschnürung

beidseitig aus dem Messbereich aus-

gewandert ist. Anwendungstechnisch

nutzbar ist ein Polyolefin nur bis zur

Streckgrenze. Daher sollte auf die

Messung von Reißfestigkeit und

Reißdehnung besser ganz verzichtet

werden.

Das Zug-Dehnungs-Verhalten macht

man sich u. a. beim biaxialen Orien-

tieren von Rohren zunutze, um

höhere Umfangs- und Längsfestig-

keiten zu erreichen.

Die Temperaturabhängigkeit von

Streckspannung, Reißfestigkeit und

Reißdehnung geht für Hostalen GM

5010 T3 aus Abbildung 2-17 hervor.

Das unterschiedliche Steifigkeits-

niveau der verschiedenen PP-Typen

zeigt Abbildung 2-18 anhand des

Zug-E-Moduls über der Temperatur.

Stre

cksp

annung

Temperatur [°C]

100

100

2

4

40

60 80

Rei

ßfe

stig

keit

Rei

ßd

ehnung

200-20

68

101

4

102

68

2

4

103

68

2

R

S

S,

R,

2

Abb. 2-17: Streckspannung, Reißfestig-

keit und Reißdehnung von Hostalen

GM 5010 T3 in Abhängigkeit von der

Temperatur

2.2.1.2 Widerstand gegen

langsames Risswachstum

Den Phänomenen der Zeitstandfestig-

keit und der Kerbunempfindlichkeit

liegt der Prozess des langsamen

Risswachstums zugrunde. Das dabei

beobachtete spröde Versagen wird

durch kleine Fehlstellen oder Kerben

ausgelöst. Eine Temperaturerhöhung

beschleunigt diesen Vorgang. Das

Bruchbild zeigt einen kleinen, in

Rohrlängsrichtung verlaufenden Riss.

Dieser Versagensmechanismus ist

hauptsächlich von den molekularen

Parametern des PE-Typs abhängig,

also von mittlerer Molmasse, Molmas-

senverteilung, Copolymeranteil und

Copolymerverteilung. Als teilkristalli-

ner Kunststoff reagiert Polyethylen

auf die Spannungskonzentration an

der Rissspitze (am Kerbgrund) mit

der Ausbildung einer Crazing-Zone

(Abb. 2-19). Deren Beginn wird als

Nukleierungszone bezeichnet. Die

Crazing-Zone besteht aus hoch orien-

tierten Craze-Fibrillen. Diese Fibrillen

nehmen die Spannung auf und

werden dadurch immer weiter, bis

zum Versagen, verstreckt. Unter

dem Einfluss der erhöhten Spannung

im Kerbgrund bilden sich aus der

Nukleierungszone heraus neue

Craze-Fibrillen, die die Spannung

aufnehmen. Auf diese Weise wandert

der Riss langsam durch das Material.

3.500

3.000

2.500

2.000

1.500

1.000

500

0

Zug-E-Modul [MPa]

Temperatur [°C]10040 60 80200

Hostalen PPH2150 (PP-H)H2250 36 (PP-H 100)

Hostalen PPH1022 (PP-B)H2222 36 (PP-B 80)

Hostalen PPH5416 (PP-R 80)H5216 34 (PP-R 80)

Abb. 2-18: Zug-E-Modul in Abhängig-

keit der Temperatur für verschiedene

PP-Typen (Gemessen im Zugversuch

nach ISO 527, Zugstab Typ 1A,

spritzgegossen)

31

RissCrazing-Zone

Nukleierungs-

zone

Fibrillen

Verstreckung Versagen der

Craze-Fibrillen

schematischer Schadensverlauf

mikroskopisch

Entschlaufung

der Tie-Moleküle

Tie-Molekül

Tie-Molekül

Abb. 2-19: Prozess des langsamen Risswachstums

Auf mikroskopischer Ebene spielen

die so genannten Tie-Moleküle („Ver-

schlaufungsmoleküle“) eine wesentli-

che Rolle, weil sie die kristallinen

Bereiche verknüpfen. Unter der Zug-

beanspruchung entschlaufen sich die

Tie-Moleküle langsam, so dass sich

die kristallinen Bereiche trennen

können.

An Rohren der ersten Werkstoffgene-

ration sind in seltenen Fällen Ausfälle

durch langsam gewachsene Risse als

Folge von Punktbelastungen (z.B.

durch scharfkantige Steine oder

durch Kerben, entstanden beispiels-

weise durch stärkere äußere Beschä-

digungen) bekannt geworden.

In vielen Anwendungsnormen wird

eine Prüfung des Widerstands der

PE-Werkstoffe und PE-Rohre gegen

langsames Risswachstum gefordert

werden.

Notch-Test

Der Notch-Test nach ISO 13479 kann

als eine Variante der Zeitstandprü-

fung betrachtet werden. Im Unter-

schied zum Zeitstand-Innendruckver-

such ist die Fehlstelle durch Kerbung

vorgegeben. Daher lässt sich mit dem

Notch-Test insbesondere die Weiter-

reißfestigkeit beurteilen.

Das Prüfrohr wird an der Außen-

oberfläche in Längsrichtung mit

vier jeweils um 90° am Rohrumfang

versetzten Kerben mit bestimmter

Geometrie (Öffnungswinkel 60°, Kerb-

tiefe = 20 % der Wanddicke) versehen.

Dieses Rohr wird dann im Zeitstand

bei erhöhter Temperatur geprüft. Die

geforderten 165 Stunden Standzeit

im Notch-Test werden von Rohren

aus Hostalen und Lupolen um ein

Vielfaches übertroffen (Tab. 2-4).

Für kleinere Rohrabmessungen wird

häufig der Nachweis nach dem „Cone

Test“, ISO 13380 gefordert.

32

FNCT (Full Notch Creep Test)

Eine elegante Alternative zum Notch-

Test stellen Zugversuche mit gekerb-

ten Probestäben dar. Beispielhaft sei

hier der FNCT (Full Notch Creep Test)

nach ISO/CD 16770 vorgestellt.

Die Prüfanordnung ist die gleiche wie

sie auch für andere Zeitstand-Zugver-

suche, zum Beispiel gemäß der Richt-

linie DVS 2203, Teil 4, herangezogen

wird (Abb. 2-20).

Der Material- und Vorbereitungsauf-

wand ist geringer, da nicht Rohre,

sondern Prüfstäbe aus Pressplatten

benötigt werden (Abb. 2-21). Wenn

der Verarbeitungseinfluss mit erfasst

werden soll, können jedoch auch aus

Rohren gearbeitete Stäbe geprüft

werden. Die Wahl der Prüfbedingun-

gen – erhöhte Temperatur und Netz-

mittellösung – verringert die Prüfzeit

auch bei sehr zähen Werkstoffen

erheblich. Sie beträgt selbst bei den

zähen bimodalen Hostalen Typen nur

noch einige Tage.

Eine bisher kaum beachtete Ursache

für Kerben sind Schweißverbindun-

gen. Beim Verbinden von Rohren

durch Heizelementschweißen treten

auch bei fachgerecht ausgeführter

Schweißnaht an den umgelegten

Schweißwülsten scharfe Kerben und

im Bereich der Schweißnähte zusätz-

liche Spannungen auf.

Neuere Untersuchungen haben ge-

zeigt, dass unterschiedliche HDPE-

Typen gut miteinander verschweißt

werden können, wenn beide Werk-

stoffe eine hohe Weiterreißfestigkeit

aufweisen. Den Nachweis dafür

liefert ein hoher Wert bei der FNCT-

Messung.

Eine Projektgruppe des Deutschen

Instituts für Bautechnik (DIBt) in

Berlin hat FNCT-Mindestanforderun-

gen vorgeschlagen (Tab. 2-5), die in

die Bau- und Prüfgrundsätze von

Behälterwerkstoffen aufgenommen

wurden.

Tab. 2-4: Standzeiten im Notch-Test, Vergleich Normung mit Rohren aus Hostalen

Standzeit

Anforderung nach Hostalen Hostalen

EN 12201-1 GM 5010 T3 CRP 100

PE 80 = 4,0 MPa bei 80 °C > 165 h > 3000 h

PE 100 = 4,6 MPa bei 80 °C > 165 h 1000 h

33

Messuhr

Probekörper

Lasthebel mit Schneidenlagern

Prüfmedien

Medienbehälter Prüf-gewicht

Abb. 2-20: Prüfanordnung für den

FNCT nach ISO 16770

Abb. 2-21: Prüfkörpergeometrie und Prüfbedingungen für den FNCT

Tab. 2-5: FNCT-Mindestanforderungen gemäß DIBt;

Prüfung an Probekörpern, entnommen aus gepreßten Platten

2.2.2 Vernetzte Rohre

Die Ermittlung des Verhaltens ver-

netzter Rohre bei geringen Prüf-

geschwindigkeiten beruht auf den

gleichen Methoden (Zugversuch,

Notch-Test, FNCT) wie bei den unver-

netzten Rohren beschrieben. Durch

das Vernetzen ändern sich jedoch die

mechanischen Eigenschaften: Die

Reißdehnung sinkt. Der Einfluss der

Vernetzung auf den E-Modul sowie

Streckgrenze und Reißfestigkeit sind

abhänging vom Vernetzungsverfah-

ren und von der Prüftemperatur. Fällt

die Dichte auf Grund des Vernetzungs-

prozesses ab (PEXa), sinkt der Wert

für E-Modul und Festigkeit (gemessen

bei RT). Bei unveränderter Dichte,

z.B. bei der Strahlenvernetzung,

ändern sich die Werte für E-Modul

und Festigkeit kaum. Mit steigender

Prüftemperatur verschieben sich die

Relationen zwischen unvernetzten

und vernetzten Prüflingen. Der Abfall

der Werte mit der Temperatur ist im

unvernetzten Zustand höher.

Die Kerb- bzw. Spannungsriss-Un-

empfindlichkeit des vernetzten

PE spiegelt sich auch in den FNCT-

Ergebnissen wider. An gekerbten

Probekörpern, ausgearbeitet aus

PEXa-Rohren basierend auf Lupolen

5261 Z Q 456, werden Standzeiten

bei 95 °C und einer Prüfspannung

von 4,0 MPa von mehr als 6.000

Stunden ermittelt.

FNCT

Full Notch Creep Test

Zeitstandzugversuch Prüfbedingungen:

Probekörper: 110 · 10 · 10 mm

Kerbe: 1,6 mm; umlaufend

= 4,5 MPa

T = 95 °C

2 % Arkopal N 100

M. Fleißner: „Langsames Rißwachstum und Zeitstandfestigkeit von Rohren aus Polyethylen“, Kunststoffe 77 (1987) 45.

HDPE 4 MPa 120 h 30 hPE 80 4 MPa 600 h 100 hPE 100 4 MPa 1900 h 300 h

PP-H 4 MPa 250 hPP-B 3 MPa 250 hPP-R 4 MPa 500 h

Werkstoff Prüfspannung Standzeit bei 80 °C in Wasser

ohne Netzmittel mit Netzmittel2 % Arkopal 100

2.3 Verhalten bei schlagartiger

Beanspruchung


2.3.1.1 Hohe Verformungs-

geschwindigkeit

Über das Zähigkeitsverhalten der

Kunststoffe bei hoher Verformungs-

geschwindigkeit geben zum Beispiel

der Schlag- und der Schlagbiegever-

such Auskunft. Auf die Ergebnisse

dieser Versuche – die Schlag-, Kerb-

schlag und Schlagzugzähigkeit –

haben die Herstellungsbedingungen

der Probekörper wesentlichen Ein-

fluss. Spritzgegossene Probekörper

sind infolge der hohen Abkühlge-

schwindigkeit beim Erstarren weniger

kristallin und daher schlagzäher als

Probekörper aus gepressten Platten.

Die beim Spritzgießen auftretende

Orientierung wirkt sich, je nach Aus-

richtung, ebenfalls aus.

Hostalen und Lupolen besitzen

eine sehr niedrige Glastemperatur,

sie liegt bei -110 bis -120 °C. Daher

weisen beide Werkstoffe auch bei

tiefen Temperaturen eine gute Schlag-

zähigkeit auf. Die Schlagzähigkeit

von Hostalen PP ist niedriger als von

Polyethylen. Die Glastemperatur von

PP-Homopolymer liegt bei ca. 0 °C.

Daraus erklärt sich das starke Absin-

ken der Schlagzähigkeit bei Tempera-

turen um 0 °C für das Homopolymer.

Die Zähigkeit der Hostalen- und

Lupolen- und Hostalen-PP Typen bei

Stoß- und Schlagbeanspruchung

bestimmen mehrere Einflussgrößen

wie Kristallinität (Dichte), Molmasse

und Molmassenverteilung, aber z.B.

auch Art und Anteil von Comonome-

ren oder von Beimischungen. Mit stei-

gender Molmasse und enger werden-

der Molmassenverteilung nimmt die

34

Zähigkeit zu, mit steigender Dichte

nimmt sie ab. Beim PP-Blockcopoly-

meren führt die Elastomer-Phase zu

einer deutlichen Erhöhung der Kälte-

schlagzähigkeit. Mit zunehmendem

Elastomerphasen-Anteil verbessert

sich die Kälteschlagzähigkeit. Gleich-

zeitig verringert sich die Steifigkeit

des Materials. Hostalen PP H2464 und

H2483 verbinden sehr gute Kälte-

schlagzähigkeit mit hoher Steifigkeit.

Abbildung 2-22 zeigt die Temperatur-

abhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit

nach ISO 179 (Charpy) der bimodalen

Hostalen-Typen. Die Schlagzähigkeit

und Kerbschlagzähigkeit verschiede-

ner Hostalen PP-Typen sind in Abbil-

dungen 2-23 und 2-24 dargestellt.

Kerbschlagzähigkeit [kJ/m2]

Temperatur [°C]

040

20

30

-40 -20 0 20

CRP 100

10

GM 5010 T3

240

200

160

120

80

40

0

Schlagzähigkeit nach Charpy in [kJ/m2]

Temperatur [°C]-10 0-20-30

Hostalen PPH1022 (PP-B)H2222 36 (PP-B 80)

Hostalen PPH5416 (PP-R 80)H5216 34 (PP-R 80)

Hostalen PPH2150 (PP-H)H2250 36(PP-H 100)

Abb. 2-22: Kerbschlagzähigkeit ACN

von Hostalen GM 5010 T3 und

Hostalen CRP 100 in Abhängigkeit von

der Temperatur (Schlagbiegeversuch

nach Charpy, ISO 179)

Abb. 2-23: Schlagzähigkeit von

verschiedenen Hostalen PP-Typen in

Abhängigkeit von der Temperatur

(Schlagbiegeversuch nach Charpy, ISO

179/1eU, spritzgegossene Probekörper)

80

60

40

20

0

Kerbschlagzähigkeit nach Charpy in [kJ/m2]

Temperatur [°C]-10 0-20-30 10 20 30 40

Hostalen PPH1022 (PP-B)H2222 36 (PP-B)

Hostalen PPH5416 (PP-R)H5216 34 (PP-R)

Hostalen PPH2150 (PP-H)H2250 36 (PP-H)

Abb. 2-24: Kerbschlagzähigkeit von ver-

schiedenen Hostalen PP-Typen in Abhän-

gigkeit von der Temperatur

(Schlagbiegeversuch nach Charpy, ISO

179/1eA, spritzgegossene Probekörper)

35

Full Scale Test

Der Full Scale Test prüft in praxis-

naher, aber sehr aufwendiger Weise

den Widerstand eines Rohrs gegen

schnelle Rissfortpflanzung. Die aus

ISO 13478 entnommene Abbildung

2-25 zeigt die Dimensionen des Prüf-

stands. In einem 14 m langen Test-

rohr wird ein schneller Riss initiiert.

Mit dem Testrohr ist ein in der Regel

50 m langes Stahlrohr als Gasreser-

voir verbunden, das die Verhältnisse

in einem deutlich längeren Rohr

simuliert. Der Riss wird durch eine

scharfe Klinge in dem auf -60 °C

abgekühlten Teil des Prüflings aus-

gelöst und setzt sich in die auf 0 °C

temperierte Kühlstrecke fort. Unter-

halb eines kritischen Drucks endet

die Rissausbreitung innerhalb einer

kurzen Strecke, oberhalb platzt das

Kunststoffrohr auf der gesamten

Länge auf.

S4-Test

Inzwischen wurde ein praktikableres

Prüfverfahren entwickelt, der so

genannte S4-Test (Smale Scale Steady

State Test). Dieser Test ist in den

internationalen Anwendungsnormen

verankert.

Der S4-Test wird gemäß ISO 13 477

folgendermaßen durchgeführt (Abb.

2-26): Ein Rohr von genormter Länge

wird mit konstantem Gasinnendruck

beaufschlagt. In der Nähe eines der

Enden durchschlägt ein Fallbolzen

mit einer Schneide das Rohr, so dass

ein schnell laufender axialer Riss

entsteht. Der Rissauslösungsprozess

soll das Rohr so wenig wie möglich

beschädigen.

Stahltank Splittschüttung

≥ 28 m ≥ 14 m

≥ 2 m

Splitt-schüttung

EndkappeSchneide

pneumatischerFallbolzen

Kühlbecken100 m

Fallbolzen mitSchneide

Spiegel-schweißung(wenn not-wendig)

Abb. 2-25: Prüfanordnung für den Full Scale Test (entnommen aus ISO 13478)

Rissauslösungszone

FallbolzenmitSchneide

Probekörper

Widerlager Dekompressions-PrallscheibenBegrenzungskäfigringe

> dn >

Prüfzone > 5 · dn

dn

Durchmesser

dn

23

Abb. 2-26: Prüfanordnung für den S4-Test

2.3.1.2 Widerstand gegen schnelle

Rissfortpflanzung

Unter schneller Rissfortpflanzung

versteht man folgendes Phänomen:

Ein unter hohem Betriebsdruck befind-

liches Gasrohr wird durch äußere

Gewalteinwirkung beschädigt (z.B.

durch Baumaschinen) oder es liegt

ein spannungsinduzierter Riss vor

(z.B. an einer mangelhaft ausgeführ-

ten Schweißnaht). Dieser Riss kann

sich unter der Wirkung des Innen-

drucks und damit der im Gas gespei-

cherten potentiellen Energie über

längere Strecken mit nahezu Schall-

geschwindigkeit ausbreiten. Dieses

auch unter dem Kürzel RCP (Rapid

Crack Propagation) bekannte Phäno-

men wurde bisher überwiegend bei

Rohrleitungen aus Stahl beobachtet.

Für Gasleitungen aus PE sind in

EN 1555 die maximal zulässigen

Betriebsdrücke so festgelegt, dass

sie unterhalb der kritische Drücke

liegen, die für eine schnelle Riss-

fortpflanzung erforderlich wären.

00 5

Hostalen CRP 100 p[crit] > 25 bar

Hostalen GM 5010 T3 p[crit] = 5,1 bar

20

40

60

80

100

120

10 15 20 25 30

Risslänge [%]

Prüfdruck [bar]

Abb. 2-27: S4-Test, Bestimmung des kritischen Drucks pc

Es wird darauf hingewiesen, dass die

im S4-Test ermittelten Werte für den

kritischen Druck pc von den Abmes-

sungen der Prüfrohre als auch von

Verarbeitungsbedingungen abhängen

und damit keine werkstoffspezifische

Konstante darstellen.

Die modernen bimodalen Hochlei-

stungs-Werkstoffe für die Rohrextru-

sion bieten schon heute beste Vor-

aussetzungen für die Anwendung

in der Gasverteilung, u. a. auch bei

höheren Betriebsdrücken (zum Bei-

spiel 10 bar).

2.3.2 Vernetzte Rohre

Die S4-Prüfung spielt für kleine Rohre

(<250 mm Durchmesser) für die Haus-

installation keine Rolle. Für vernetzte

Rohre mit größerem Durchmesser

liegen wenige veröffentlichte Prüf-

ergebnisse vor. Beispielsweise wird

an PEXa-Rohren ( 110 mm SDR 11,

Hersteller Fa. Wirsbo PEX) selbst bei

-34 °C und 9 bar Innendruck keine

schnelle Rissfortplanzung im S4-Test

beobachtet.

36

Führt man eine Serie von Versuchen

bei unterschiedlichen Drücken zur

Bestimmung des kritischen Drucks

durch, zeigt sich ein scharfer Über-

gang zwischen einem Bereich, in

dem sich der Initialriss nicht oder

wenig ausbreitet (Rissarrest), und

einer ausgedehnten Rissfortpflan-

zung. Von Rissfortpflanzung spricht

man, wenn die Risslänge a ≥ 4,7 · dn

(dn = Nenn-Außendurchmesser) ist.

Der kritische Druck pc,S4 markiert die

Grenze

zwischen dem höchsten Druck

für Rissarrest und dem niedrigsten

Druck für Rissfortpflanzung.

Versuchstechnisch wird ein plötz-

liches Abfallen des Drucks infolge

Rissfortpflanzung verzögert durch

innere Prallscheiben und durch einen

äußeren Käfig, der die Aufweitung

des Rohrs an den Bruchufern be-

grenzt. Diese Anordnung behindert

die normalerweise mit einer schnel-

len Rissfortpflanzung einhergehende

Dekompression. Daher eignet sich

der S4-Test für kleine Probekörper

und ergibt einen niedrigeren kriti-

schen Druck als der Full Scale Test

am gleichen Rohr.

Bei Vergleichsversuchen zwischen

dem praxiskonformen, aber sehr

aufwendigen Full Scale Test und

dem S4-Test hat man für die kriti-

schen Drücke pc empirisch folgenden

Umrechnungsfaktor festgestellt:

Beim Auslegen einer Rohrleitung

muss ein Sicherheitsfaktor berück-

sichtigt werden, der bei Gasleitungen

mindestens 2,4 betragen muss. Der

vorgesehene maximale Betriebsdruck

MOP (Maximum Operating Pressure)

ergibt sich für Gasanwendungen

deshalb zu

Bei der Prüfung von Rohren aus

Hostalen und Lupolen arbeitet die

Basell u. a. mit der Gastec NV, Apel-

doorn/Niederlande, als neutralem

Prüfinstitut zusammen. Die Ergeb-

nisse der bei Gastec durchgeführten

S4-Tests sind in Abbildung 2-27

wiedergegeben.

Die bimodalen Werkstoffe von Basell

erreichen im S4-Test hohe Werte für

den kritischen Druck pc. Er beträgt für

• Hostalen GM 5010 T3 pc ≥ 5 bar,

• Hostalen CRP 100 pc ≥ 25 bar.2-5

2-6

2.4 Wärmeausdehnung und

Wärmeleitfähigkeit

2.4.1 Linearer Wärmeaus-

dehnungskoeffizient

Der lineare Wärmeausdehnungskoef-

fizient von HDPE und PP ist in Abbil-

dung 2-28 wiedergegeben. Bei PEX-

Rohren geht man üblicherweise von

einem mittleren thermischen Längen-

ausdehnungskoeffizienten von 1,5

10-4 K-1 aus, wobei der genaue Wert

sowohl von dem zu betrachtenden

Temperatur-intervall als auch in

gewissem Umfang vom Vernetzungs-

verfahren abhängt.

2.4.2 Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit ist in Abbil-

dung 2-29 wiedergegeben. Oberhalb

des Kristallitschmelzpunkts, d. h.

in der Schmelze, ist sie nahezu un-

abhängig von der Temperatur. Die

Wärmeleitfähigkeit von Polypropylen

beträgt bei Raumtemperatur nur die

Hälfte von Polyethylen. Auch bei

höheren Temperaturen ist sie deut-

lich niedriger.

2.5 Chemikalienbeständigkeit

Die zur Familie der Polyolefine ge-

hörenden Werkstoffe weisen auf-

grund ihrer unpolaren Struktur eine

ausgezeichnete Beständigkeit gegen-

über Chemikalien und anderen Medien

verschiedenster Art und Zusammen-

setzung auf. So widerstehen Hostalen,

Lupolen und Hostalen PP wässrigen

Lösungen von Salzen, verdünnten

Säuren und Laugen. Elektrochemische

Vorgänge, die bei Metallen zu Korro-

sion führen können, finden nicht statt.

Lediglich starke Oxidationsmittel

wie Peroxide und Säuren in hoher

Konzentration sowie Halogene, zum

Beispiel Chlor, greifen PE bei Dauer-

einwirkung im Laufe der Zeit an.

Die gute chemische Beständigkeit

schließt nicht aus, dass unter

bestimmten Voraussetzungen die

mechanischen Eigenschaften von

Polyethylen und Polypropylen durch

Chemikalien beeinflusst werden

können. Dabei muss zwischen chemi-

schen Reaktionen und physikalischen

Wechselwirkungen unterschieden

werden. Chemische Reaktionen ver-

ändern die Struktur und vermindern

mechanische Eigenschaften wie Festig-

keit und Zähigkeit. Physikalische

Wechselwirkungen sind im Wesentlichen

Quellungs- und Permeationsvorgänge

sowie durch Netzmitteleinfluss

ausgelöste Spannungsrissbildung.

37

Bei der Beurteilung der Haltbarkeit

und Lebensdauer von Rohrleitungen

und anderen Bauteilen ist die Frage

wichtig, ob und in welchem Umfang

chemische und mechanische Bela-

stungen gemeinsam auftreten und

erst im Zusammenwirken Schäden

verursachen.

Herstellungsbedingte Eigenspannun-

gen und beanspruchungsabhängige

Spannungen können ebenso wie

höhere Temperaturen die Beständig-

keit wesentlich beeinträchtigen.

So kann das Zusammenwirken von

mechanischer Spannung und Wasch-

lauge oder anderer Netzmittel zu

Spannnungsrissbildung führen.

Der Immersionsversuch gemäß ISO

4433 ermittelt die chemische Wider-

standsfähigkeit von Polyolefin-Rohren

gegen chemische Durchflussstoffe.

Ergebnisse von Immersionsversuchen

sind in folgenden Basell-Broschüren

zusammengestellt:

„Polyethylene –

Resistance to chemicals and other

media“

„Polypropylene –

Chemical Resistance“.

(Diese Broschüren sind

nur in Englisch erhältlich)

Linearer Ausdehnungskoeffizient [10-4 K-1]

Temperatur [°C]

2,4

2,2

2,0

1,8

1,6

1,4

1,2

1,0800 20 30 40 50 60 70

Hostalen HDPE

Hostalen PP

Abb. 2-28: Linearer Ausdehnungs-

koeffizient von Hostalen und Hostalen PP

in Abhängigkeit von der Temperatur

Wärmeleitfähigkeit [ Wm. K

]

Temperatur [°C]

0,5

0,4

0,3

0,2

0,12500 50 100 150 200

Hostalen HDPE

Hostalen PPHomopolymer

Abb. 2-29: Wärmeleitfähigkeit von

Hostalen HDPE und Hostalen PP in

Abhängigkeit von der Temperatur

Zeitstand-Innendruckversuche zur

Ermittlung von Resistenzfaktoren

Für den Konstrukteur sind die Anga-

ben zur Beständigkeit von Polyethy-

len in Immersionsversuchen meist

nicht ausreichend. Er benötigt eine

Dimensionierungsgröße, die den

Einfluss des Mediums quantifiziert.

Diese Forderung erfüllt der sog.

chemische Resistenzfaktor fCR, den

man aus Zeitstand-Innendruckver-

suchen an Rohrproben mit Medium-

füllung erhält. Grundlage für die

Bestimmung des Resistenzfaktors

sind die Zeitstandkurven für Rohre

bei Beanspruchung mit Wasser

(siehe Abschnitt 2.1.1.2).

Wie in Abschnitt 2.1.1.2 detailliert

erläutert, bestehen bei HDPE die

Zeitstandkurven aus einem flachen

und einem steileren Kurvenast. Für

die chemische Beständigkeit ist nur

der steile Ast der Zeitstandkurve

von Bedeutung, da nur dieser durch

Chemikalien beeinflusst wird.

Die Prüfung mit Medium erfolgt –

analog zum Zeitstand-Innendruck-

versuch mit Wasser – bei erhöhter

Prüftemperatur (z.B. 80 °C) und bei

mindestens zwei Spannungen. Eine

ausführliche Beschreibung der Prüf-

methode enthält DIN 16 889 Teil 1.

Durch Vergleich der bei diesen Ver-

suchen erhaltenen Zeitstandkurven

für das betreffende Medium mit den

in Wasser gemessenen Kurven des

gleichen Rohrs ergeben sich zeit- bzw.

spannungsbezogene Resistenzfakto-

ren, wie die schematische Darstellung

in Abbildung 2-30 zeigt. Im doppelt

logarithmischen Maßstab ist die

Spannung über der Zeit t aufgetra-

gen.

Der zeitbezogene Resistenzfaktor fCRt

ist das Verhältnis zweier Standzeiten

bei gleicher Spannung

Der für Festigkeitsrechnung benö-

tigte spannungsbezogene Resistenz-

faktor fCR ist das Verhältnis der

beiden Spannungswerte bei gleicher

Standzeit

In den Gleichungen bedeuten

tM Standzeit bei

Mediumeinwirkung,

tW Standzeit in Wasser,

M Spannung bei

Mediumeinwirkung

W Spannung in Wasser.

Für Medien, bei denen die Zeitstand-

kurven flacher oder steiler als in

Wasser verlaufen, sind die Resistenz-

faktoren spannungsabhängig.

In der Vergangenheit wurde ange-

nommen, dass der Resistenzfaktor

eines bestimmten Mediums für alle

Temperaturen gleich ist. Versuchs-

ergebnisse bei 60, 40 und 20 °C

bestätigen für die meisten Medien

diese Annahme. Einige oxidierende

Medien ergaben jedoch mit abneh-

mender Prüftemperatur kleinere Re-

sistenzfaktoren. Die größte Änderung

der Resistenzfaktoren zwischen

80 und 20 °C wurden bei 20 %iger

Chromsäure und 98 %iger Essigsäure

festgestellt. Hierbei betragen die

Resistenzfaktoren für 20 °C etwa 1/3

des 80 °C-Werts.

Die Berechnung der Wanddicke von

runden Behältern unter Berücksichti-

gung der für die jeweiligen Lager-

bzw. Transportmedien vorliegenden

Resistenzfaktoren kann dem Merkblatt

des Deutschen Vereins für Schweiß-

technik e. V. DVS 2205 entnommen

werden. Sie ist in gleicher Weise auch

für Rohrleitungen anwendbar.

2.6 Lebensmittelrechtliche

Beurteilung/Ausschluß von

medizinischen und pharma-

zeutischen Anwendungen

Die Kommission der Europäischen

Union arbeitet seit einigen Jahren an

Richtlinien zur Harmonisierung der

vielfältigen gesetzlichen Regelungen

der Mitgliedsstaaten für den Kontakt

von Kunststoffen mit Lebensmitteln.

Diese Richtlinien sind von den

Mitgliedsstaaten verbindlich zu

übernehmen. Sie ersetzen die einzel-

staatlichen Regelungen.

Für Rohrwerkstoffe im Kontakt mit

Trinkwasser wird zur Zeit auf euro-

päischer Ebene ein einheitliches

Zulassungssystem erarbeitet, das

„European Acceptance Scheme“ (EAS).

Das EAS soll die bisherigen nationalen

Zulassungssysteme ersetzen.

In den meisten Fällen eignen sich

Rohre und Behälter aus Basell-Werk-

stoffen für Lebensmittel. Ausnahmen

sind z.B. Gasrohre, Rohre mit erhöhter

elektrischer Leitfähigkeit und schwer-

38

log

log t

tM

Wasser

Medium

tW

M

W

Spannungsfaktor fCR=

Zeitfaktor fCRt=tM

tW

W

M

Abb. 2-30: Schematische Darstellung

zur Ermittlung von Resistenzfaktoren

2-7

2-8

39

Den errechneten Verlust haben praxis-

nahe Messungen des ehemaligen

Engler-Bunte-Instituts der Universität

Karlsruhe an PE-Gasrohren bestätigt.

Er ist ökonomisch, sicherheitstechnisch

und ökologisch völlig unbedenklich.

Da Erdgas zu 80 bis 90 % aus Methan

besteht und auch die übrigen Bestand-

teile einen ähnlichen Permeations-

koeffizienten haben, kann man sich

bei einer überschlägigen Permeations-

rechnung für Gasrohre auf Methan

beschränken. Nach obiger Formel ist

für alle Rohre der gleichen Druckklasse

die Permeation pro Längeneinheit

gleich, da die Rohre ein konstantes

Durchmesser-Wanddicken-Verhältnis

haben.

Der Permeationskoeffizient P hängt

von der Art des Gases und des Kunst-

stoffs sowie von der Temperatur ab.

Bei Polyethylen geht auch die Dichte

ein. In den Tabellen 2-6 und 2-7 sind

für HDPE- und PP-Werkstoffe einsetz-

bare Mittelwerte angegeben.

Am Beispiel von Methan ergibt sich

folgender Gasverlust:

Ein PE-Rohr der Reihe SDR 11 hat

bei einem Betriebsdruck von 4 bar

Überdruck (d. h. 5 bar Partialdruck)

demnach einen jährlichen Permea-

tionsverlust pro km Länge von

entflammbar ausgerüstete Materialien.

Zu jedem Hostalen-, Lupolen- und

Hostalen PP-Produkt gibt es lebens-

mittelrechtliche Bestätigungen, die

auf Anfrage erhältlich sind.

Rohre aus Hostalen GM 5010 T3 black

und Hostalen CRP 100 black eignen

sich zum Transport von Mineralwas-

ser. Eine geschmackliche Beeinflus-

sung findet nicht statt („Erweiterte

Qualitätsprüfung auf Mineralwasser-

verträglichkeit“ Institut Fresenius,

Taunusstein).

Die Basell-Rohrwerkstoffe sind nicht

für den Einsatz im medizinischen und

pharmazeutischen Bereich vorgese-

hen, bei dem sie z.B. in direkten Kon-

takt mit Medikamenten oder Körper-

flüssigkeiten kommen.

Bestätigungen nach Europäischer

Pharmacopeia (EP) und US Pharmaco-

peia (USP) werden nicht ausgestellt.

2.7 Gasdurchlässigkeit

Die Permeation von Gasen durch

Wände aus Kunststoff folgt dem

1. Fickschen Gesetz, das auf Rohre

bezogen lautet:

Darin bedeuten

V permeiertes Gasvolumen

[cm3 (NTP*)],

P Permeationskoeffizient

[cm3 (NTP*)/m · bar · Tag],

de Außendurchmesser des

Rohrs [mm],

L Länge des Rohrs [m],

p Partialdruck des Gases im

Rohr [bar],

t Zeit [Tage],

e Wanddicke des Rohrs [mm].

*NTP: Volumen bezogen auf Normaltemperatur (= 23 °C) und Normaldruck (= 1 bar)

Tab. 2-6: Permeationskoeffizienten für

HDPE-Rohre bei 20 °C

Medium

Stickstoff 0,018

Luft 0,029

Kohlenmonoxid 0,036

Erdgas 0,056

Methan 0,056

Argon 0,066

Sauerstoff 0,072

Ethan 0,089

Helium 0,15

Wasserstoff 0,22

Kohlendioxid 0,28

Schwefeldioxid 0,43

Temperatur

Medium 25 °C 30 °C 40 °C 50 °C

Luft 0,028 0,038 0,072 0,144

Stickstoff 0,017 0,024 0,052 0,104

Sauerstoff 0,76 0,1 0,204 0,368

Kohlendioxid 0,244 0,336 0,6 1,08

Wasserstoff 0,64 0,72 1,12 1,88

Helium 0,7 0,88 1,2 1,76

Argon 0,66 0,84 0,164 0,32

2-9

2-10

Tab. 2-7: Permeationskoeffizienten für Polypropylen bei

verschiedenen Temperaturen

cm3

m · bar · TagP

cm3

m · bar · TagP

103220. Der hohe Rußgehalt dieser

Typen bewirkt einen guten Witterungs-

schutz und hat sich in vielen Anwen-

dungen im Außeneinsatz wie z.B.

für Solarabsorberrohre und Fittings

für die Bewässerung seit mehr als

25 Jahren bewährt.

Freibewitterungsversuche wurden in

Frankfurt und Barcelona durchgeführt

und nach 5 Jahren abgebrochen. An

beiden Standorten war die Schlagzug-

zähigkeit von Hostalen PP H4122

103220 nach 5 Jahren noch nicht auf

die Hälfte abgefallen. Das gleiche

Ergebnis wurde im Bewitterungstest

(Xenontest X1200) nach 8000 h

künstlicher Bewitterung erzielt. In

Australien wurden Bewitterungstests

bis 7 Jahre positiv durchgeführt.

Rohre aus Hostalen PP-Typen ohne

Lichtstabilisierung sollten bei

längerer Lagerung im Freien gegen

UV-Strahlung geschützt werden.

2.9 Strahlenbeständigkeit

Aus Hostalen und Lupolen können

Rohre hergestellt werden, die ener-

giereicher Strahlung ausgesetzt sind.

Kunden berichten, dass sich die

Rohre seit vielen Jahren zur Ableitung

radioaktiver Abwässer aus „heißen“

Laboratorien und als Kühlwasserlei-

tungen in der Kernenergietechnik

bewährt haben. Die üblichen schwach

radioaktiven Abwässer enthalten

Beta- und Gammastrahler. Polyethylen

wird selbst bei jahrelangem Einsatz

nicht radioaktiv. Auch von höheren

Aktivitäten wird Polyethylen nicht

geschädigt, wenn es während der

gesamten Betriebszeit keine größere,

gleichmäßig verteilte Strahlendosis

als 10 kGy erhält.

2.8 Licht- und

Witterungsstabilität

Bei längerer Lagerung im Freien

können Polyolefine wie die meisten

Natur- und Kunststoffe unter der Ein-

wirkung von Witterungseinflüssen,

insbesondere durch kurzwellige UV-

Anteile des Sonnenlichts unter Beteili-

gung des Luftsauerstoffs, geschädigt

werden.

Gegen diese Einflüsse sind Hostalen

GM 9310 C black und Hostalen CRP

100 black durch Zusatz von Ruß

geschützt. Außerdem sind den Mate-

rialien Stabilisatoren beigegeben,

die einer etwaigen Wärmealterung

entgegenwirken.

Wegen des Rußgehalts (≥2,0 %) als

wirksamstem Schutz gegen UV-Licht

sind die genannten Werkstoffe der

Basell schwarz. Es kann deshalb

davon ausgegangen werden, dass

Rohre aus diesen Werkstoffen für

längere Zeit im Freien gelagert

werden können.

Abbildung 2-31 zeigt die Ergebnisse

von Zeitstandmessungen an Rohren

aus schwarzen Hostalen-Typen, nach-

dem sie bis zu 18 Jahren im Freien

lagerten und dem direkten Sonnen-

licht ausgesetzt waren (mittlere UV-

Einstrahlung und mittlere Jahrestempe-

ratur im Raum Frankfurt). Bei den

Zeitstandprüfungen gemäß ISO 1167

konnte im Vergleich zu den unbewit-

terten Rohren keine nennswerte

Abweichung bei der Zeitstandinnen-

druckfestigkeit festgestellt werden.

Für Gasrohre wird teilweise auch

die gelbe Type Hostalen CRP 101

orange-yellow und für Trinkwasser-

rohre die blaue Type Hostalen CRP

100 blue eingesetzt. Beide Typen

sind mit einer Lichtstabilisierung

ausgerüstet. Das gleiche gilt für

die speziellen Hostalen- und Lupolen-

Werkstoffe für Markierungsstreifen.

Die CEN- und ISO-Rohrnormung fordert

eine Bestrahlung von 3,5 GJ/m2 – dies

entspricht einer durchschnittlichen

einjährigen Bewitterung in mittel-

europäischem Klima – mit definierter

Prüfung (Reißdehnung, OIT, Zeitstand).

Diese Forderungen werden von

Rohren aus Hostalen- und Lupolen-

Werkstoffen, die für die Rohrextrusion

entwickelt wurden, erfüllt.

Die Hostalen PP-Typen besitzen keine

Lichtstabilisierung mit Ausnahme der

schwarz eingefärbten Typen Hostalen

PP H1022 12 und Hostalen PP H4122

40

Standzeit [%] des Ausgangswertes

Lagerungsdauer [Jahre] in mitteleuropäischem Klima

1.000

180 5 10 15

Regressionsgerade

10

100

Abb. 2-31: Zeitstandverhalten von Rohren aus schwarzen Hostalen-Typen nach

Lagerung im Freien (mittlere UV-Einstrahlung und mittlere Jahrestemperatur im

Raum Frankfurt)

41

Hostalen PP kann bei großer Wand-

dicke und geringer Beanspruchung

ebenfalls einer gleichmäßig verteilten

Bestrahlungsdosis bis zu 10 kGy aus-

gesetzt werden.

Bei kleinen Wanddicken bzw. größerer

Beanspruchung wie z.B. bei Druck-

rohren reduziert sich dieser Wert auf

ca. 1kGy.

2.10 Verhalten gegenüber

Mikroorganismen,

Nagetiere und Termiten

Aus Untersuchungen der Verhaltens-

forschung geht hervor, dass Nagetiere,

aber auch nagende Insekten wie

Termiten die Gebissfunktion durch

Benagen von Gegenständen erhalten.

Dies gilt auch für Stoffe, die nicht als

Nahrung verwertet werden können,

wie Holz, weiche Metalle und Kunst-

stoffe. Die eventuell an Kunststofftei-

len festgestellten Nagespuren müssen

in diesem Sinne gedeutet werden.

Bei Rohren aus Kunststoff bietet die

glatte Oberfläche den Zähnen norma-

lerweise nicht genügend Widerstand,

um Beschädigungen zu bewirken. Aus

termitenreichen Gegenden Australiens

wurden einzelne Insektenangriffe

auf HDPE-Rohre berichtet. Wegen der

Seltenheit der involvierten Insekten

konnte jedoch von einer akuten

Gefährdung dort nicht ausgegangen

werden. In termitengefährdeten Län-

dern Afrikas sind bisher keinerlei

Schäden durch Termiten an Rohrlei-

tungen aus PE bekannt geworden.

Generell weisen Rohre aus HDPE und

MDPE einen hohen Widerstand gegen

den Angriff von nagenden Insekten

auf.

Materialzusätze, die das Annagen

reduzieren oder ganz verhindern

können, sind nicht bekannt.

PE und PP dienen Mikroorganismen

wie z.B. Bakterien, Pilzen und Sporen

nicht als Nährboden und werden

von diesen auch nicht angegriffen.

Bei Temperaturen über 300 °C kommt

es zur allmählichen thermischen Zer-

setzung der Polypropylenschmelze,

aus der sich brennbare Gase ent-

wickeln. Polypropylen entzündet

sich bei Flammeneinwirkung, brennt

mit schwach leuchtender Flamme

ohne nennenswerte Rauchentwik-

klung auch nach Wegnahme der

Zündquelle weiter. Dabei kann Poly-

merschmelze brennend abtropfen.

Nach ASTM D 1929-77 beträgt

die Selbstentzündungstemperatur

360 °C und die Fremdentzündungs-

temperatur 330 °C.

Polypropylen verbrennt bei aus-

reichender Luftzufuhr hauptsächlich

zu Kohlendioxid und Wasser, den

natürlichen Bestandteilen der Luft.

Bei nicht ausreichender Luftzufuhr

entstehen Kohlenmonoxid (CO) und

in geringen Spuren eine Vielzahl von

organischen Verbindungen. Es sind

aber keine Stoffe darunter, die die

Toxizität üblicher Brandgase erhöhen

würden. Die thermischen Zersetzungs-

produkte sind auch bei unvollständi-

ger Verbrennung weniger toxisch

zu beurteilen, als die unter gleichen

Bedingungen aus Holz gebildeten.

Die Brandgase haben keine beson-

dere Korrosivität.

Der Sauerstoff-Index von Polypropylen

ohne flammhemmende Ausrüstung

liegt bei ca. 18 % (Prüfung nach

ASTM D 2863 / ISO 4589).

Der Heizwert von Polyethylen und

Polypropylen beträgt 46 MJ/kg bzw.

12,8 kWh/kg. Sein Energieinhalt ent-

spricht also circa dem von Heizöl.

Sie sind für Mikroorganismen undurch-

dringlich.

Werkstoffe, die mit Trinkwasser in

Berührung sind, dürfen nicht zu einer

verstärkten Vermehrung von Mikro-

organismen führen. Die Prüfung er-

folgt in Deutschland nach dem DVGW-

Arbeitsblatt W270: „Vermehrung von

Mikroorganismen auf Werkstoffen für

den Trinkwasserbereich-Prüfung und

Bewertung“.

Bei Prüfungen von Hostalen-, Hostalen

PP- und Lupolen-Typen nach W270

wurde kein vermehrter Oberflächen-

bewuchs auf den Probeplatten fest-

gestellt.

Sulfatreduzierende Bakterien im Erd-

boden bleiben auf Rohre aus Hostalen,

Hostalen PP und Lupolen ohne Einfluss,

da die Werkstoffe gegen schwefelige

Säure und Sulfate beständig sind.

2.11 Verhalten bei

Flammeneinwirkung

Polyethylen ist normal entflammbar

(Baustoffklasse B2 nach DIN 4102).

Nach UL 94 wird es nach HB einge-

stuft (horizontal burning). Es ent-

zündet sich bei Flammeneinwirkung,

brennt mit schwach leuchtender

Flamme auch außerhalb der Zünd-

quelle weiter und tropft brennend ab.

Dabei entstehen die bei Kohlenwasser-

stoffen üblichen Verbrennungspro-

dukte CO, CO2 und Wasser. Korrosive

oder die Umwelt schädigende

Zwischenprodukte oder Rückstände

treten nicht auf. Nach ASTM D 1929

beträgt die Selbstentzündungstem-

peratur 348 °C, die Fremdentzünd-

ungstemperatur 340 °C.

Polypropylen ohne flammhemmende

Ausrüstung ist nach DIN 4102 Teil 1

(Brandverhalten von Baustoffen und

Bauteilen) in die Klasse B2 als normal-

entflammbarer Baustoff eingestuft.

Nach UL 94 wird die Brandklasse UL

94 HB erreicht.

3.1 Verarbeitungseigenschaften

3.1.1 Fließverhalten

Für die Verarbeitbarkeit von Kunst-

stoffschmelzen ist das Fließverhalten

von entscheidender Bedeutung. Bei

der Rohrextrusion wird die Schmelze

der hochmolekularen Polyolefine vor-

wiegend auf Scherung beansprucht.

Für die Auslegung von Extruder und

Werkzeug wird die Viskositätsfunk-

tion benötigt. Sie beschreibt den Ver-

lauf der Viskosität bei Scherung mit

zunehmender Schergeschwindigkeit .

Scherung bedeutet, dass ein würfel-

förmiges Volumenelement der

Schmelze durch eine Kraft deformiert

wird, die in der oberen Würfelfläche

angreift (Abb. 3-1).

Die Kraft ruft in der Fläche eine Schub-

spannung hervor.

Herstellung unvernetzter Rohre

Polyethylen und Polypropylen sind viskoelastische Werkstoffe.

42

Die Schergeschwindigkeit ist der Quo-

tient aus der Geschwindigkeit dv, mit

der eine innere Schicht gegenüber

einer äußeren fließt, und dem Abstand

dx der beiden Schichten. Eine Scher-

geschwindigkeit von 1 s-1 bedeutet,

dass z.B. eine Schicht, die 1 cm

von der Wand entfernt ist, mit einer

Geschwindigkeit von 1 cm/s fließt.

Die Deformation ist dadurch gekenn-

zeichnet, dass sich z.B. die Ecke A

des Würfels um die Wegstrecke ds

nach A' verschiebt. Die Scherung

ist der Quotient aus Verschiebung ds

und dem Abstand dx der beiden

Schichten:

Um einen Fließvorgang aufrecht zu

erhalten, muss ständig eine Kraft

angreifen, die die Scherung vergrö-

ßert. Die zeitliche Änderung der

Scherung wird als Schergeschwindig-

keit bezeichnet:

Abb. 3-1: Theorie der Scherung

ds

B

dx

sA

A’

F q

3-1

3-2

3-3

Grundsätzliche Informationen zum

Fließverhalten von Polyethylen

enthält zusätzlich die allgemeine

Produktbroschüre „Polyethylen“

der Basell.

Bei vorgegebener Geometrie einer

Extrusionsdüse kann mit Hilfe des

sich einstellenden Drucks die Schub-

spannung und aus dem Volumen-

durchsatz die Schergeschwindigkeit

berechnet werden.

Die Viskositätsfunktion wird mit

Kapillar-Rheometern ermittelt. Dabei

unterscheidet man zwei Messmetho-

den. Bei der diskontinuierlichen

Methode wird der Druck mit Hilfe

eines Kolbens aufgebracht (Hoch-

druckkapillar-Rheometer). Bei der

kontinuierlichen Methode wird die

Schmelze in einem Extruder aufbe-

reitet und der Messdüse stetig zu-

geführt (Konti-Rheometer). Sie bietet

den Vorteil, dass sie auch den Ein-

fluss der Verarbeitungsbedingungen

auf das Fließverhalten erfasst.

Die Messgrößen sind der Volumen-

durchsatz Q und der Druck p bzw.

der Druckgradient p, aus denen

die Schubspannung und die Scher-

geschwindigkeit abgeleitet werden.

Berücksichtigt man durch entspre-

chende Korrekturen (Bagley, Rabino-

witsch) die Einlaufdruckverluste

sowie die Tatsache, dass Kunststoff-

schmelzen keine Newtonschen Flüs-

sigkeiten sind, so erhält man anstelle

der scheinbaren Größen ap und ap

(ap von engl. apparent = scheinbar)

direkt die wahren Größen und .

Die graphische Darstellung der bei-

den Größen im halben oder doppelt

logarithmischen Maßstab wird als

Fließkurve bezeichnet.

Die Viskosität ist als Quotient

aus der Schubspannung und der

Schergeschwindigkeit definiert:

Die graphische Darstellung der

Viskosität in Abhängigkeit von der

Schergeschwindigkeit oder Schub-

spannung ergibt die Viskositätskurve.

Die Abbildung 3-2 enthält die mit

einem Hochdruckkapillar-Rheometer

ermittelten Fließkurven für Hostalen

GM 5010 T3 black und Hostalen CRP

100 black. Zu erwähnen ist dabei

noch, dass die mit dem Konti-Rheo-

meter gemessenen Fließkurven oft

die für hochmolekulare HDPE-Typen

charakteristischen drei Bereiche auf-

weisen: Ein erster stetiger Verlauf für

niedrige /-Wertepaare, gefolgt von

einem instabilen Bereich mit Fließ-

störungen, in dem keine feste /-

Zuordnung möglich ist. Bei noch

höheren Wertepaaren wird die Fließ-

kurve dann wieder stetig.

43

Abb. 3-2: Fließkurven von Hostalen GM 5010 T3 black und Hostalen CRP 100 black,

ermittelt im Hochdruckkapillar-Rheometer bei 200, 230 und 260 °C

Wahre Schubspannung [MPa]

104

0,40,3

Wahre Schergeschwindigkeit [s-1]

0,20,10

200 °C

230 °C

260 °C

103

102

101

100

Wahre Schubspannung [MPa]

104

0,40,3

Wahre Schergeschwindigkeit [s-1]

0,20,10

103

102

101

100

200 °C

230 °C

260 °C

3-4

Ursache dafür ist, dass das Fließver-

halten im unteren stabilen Bereich

vorwiegend durch Wandhaftung be-

stimmt wird, während in dem oberen

stabilen Bereich Gleitvorgänge als

Folge einer orientierten Randzone

überwiegen und im Übergangsbe-

reich durch einen ständigen Wechsel

von Wandhaftung und Gleiten ein

instabiler Zustand vorliegt.

Die Hostalen PP-Typen haben im

allgemeinen eine etwas niedrigere

Viskosität als die Hostalen-Typen.

Die Abbildung 3-3 zeigt beispielhaft

die Viskositätskurven von Hostalen PP

H2150.

Die häufigste Methode zur Charakteri-

sierung des Fließverhaltens von Kunst-

stoffschmelzen ist, den Schmelzindex

MFR (melt flow ratio) nach ISO 1133

zu messen. Hierbei befindet sich die

– bei HDPE auf 190 °C – aufgeheizte

Schmelze in einem Zylinder mit dem

Durchmesser DZ = 9,5 mm. Sie wird

mittels des Kolbens, der mit einem

Gewicht G (2,16 oder 5 oder 21,6 kg)

belastet ist, durch eine Runddüse mit

dem Durchmesser D = 2,095 mm

und der Länge L = 8 mm ausgetrieben.

Die dabei auftretende Schubspannung

lässt sich gemäß

mit dem Druck

berechnen.

44

über die Steigung der Fließkurve und

damit über die Molmassenverteilung

aus. Je höher der Quotient, desto

breiter die Molmassenverteilung.

3.1.2 Wärmekapazität, Enthalpie

und Energiebedarf

beim Plastifizieren

3.1.2.1 Spezifische Wärmekapazität

Abbildung 3-4 zeigt die Temperaturab-

hängigkeit der spezifischen Wärmeka-

pazität für HDPE und PP. Der Schmelz-

bereich ist – wie bei allen teilkristalli-

nen Kunststoffen – durch ein ausge-

prägtes Maximum der spezifischen

Wärmekapazität gekennzeichnet. Die-

ses Maximum liegt bei um so höherer

Temperatur und ist um so schärfer

ausgeprägt, je höher der Kristallini-

tätsgrad und damit die Dichte ist.

Die spezifische Wärmekapazität der

Schmelze ist nahezu unabhängig

von der Temperatur und für alle

Polyolefin-Typen weitgehend gleich.

Hieraus ergeben sich die folgenden

Schubspannungen:

• MFR bei 2,16 kg:

= 0,20 · 105 Pa = 0,020 N/mm2

• MFR bei 5 kg:

= 0,46 · 105 Pa = 0,046 N/mm2

• MFR bei 21,6 kg:

= 2,00 · 105 Pa = 0,200 N/mm2

Aus dem gemessenen Schmelzindex

MFR oder aus dem Volumen-Fließindex

MVR und der Dichte der Schmelze*

( = 0,76 g/cm3 für HDPE bei 190 °C)

kann man die Schergeschwindigkeit

berechnen gemäß:

Demnach entspricht einem MFR = 1

g/10 min eine Schergeschwindigkeit

= 2,4 s-1.

Misst man zwei Schmelzindizes, bei-

spielsweise MFR 190/21,6 und MFR

190/5, so sagt deren Quotient etwas

Spezifische Wärmekapazität [ ]

Temperatur [°C]

8

7

6

5

4

3

2

1

0250-50 0 50 100 150 200

kJkg . K

HDPE PP

Abb. 3-4: Temperaturabhängigkeit der

spezifischen Wärmekapazität von HDPE

3-5

3-6

*Die Schmelzedichte der schwarz eingefärbten Rohrwerkstoffe beträgt = 0,77 g/cm3.

Wahre Viskosität [Pa·s]

Wahre Schergeschwindigkeit [1/s]100 101 102

105

104

103

102

101

100

103 104 105

210 °C230 °C250 °C

Abb. 3-3: Viskositätskurve von

Hostalen PP H2150, ermittelt im Hoch-

druckkapillar-Rheometer bei 210, 230

und 250 °C

3-7

Spezifische Enthalpie [kJ/kg]

Temperatur [°C]

800

600

400

200

00 50 100 150 200 250 300

HDPE PP

3.1.3 Spezifisches Volumen

In Abbildung 3-6 und 3-7 ist das spe-

zifische Volumen v als Funktion von

Temperatur T und Druck p dargestellt

(„p-v-T-Diagramm“). Der Kehrwert des

spezifischen Volumens ist die Dichte.

45

3.1.2.2 Spezifische Enthalpie,

Energiebedarf

beim Plastifizieren

Die spezifische Enthalpie H ergibt

sich durch Integration der spezifi-

schen Wärmekapazität

Die spezifische Enthalpie von HDPE

und PP in Abbildung 3-4 abgelesen

kann in Abbildung 3-5 an der linken

Achse in kJ/kg, rechts in kWh/kg

abgelesen werden. Aus praktischen

Gründen ist die spezifische Enthalpie

bei der Bezugstemperatur T0 = 20 °C

willkürlich gleich null gesetzt.

Die spezifische Wärmemenge, die

beim Abkühlen der Schmelze z.B. von

230 °C auf 40 °C abgeführt werden

muss, ergibt sich nach Abbildung 3-5

aus der Differenz folgender Enthalpie-

werte:

3.2 Extrusion

3.2.1 Brandsicherheitstechnischer

Hinweis für den Verarbeiter

Kunststoffe sind, wie alle organi-

schen Produkte, brennbar. Es liegt im

Interesse des Verarbeiters, bei ihrer

Lagerung, Verarbeitung und Konfek-

tionierung Maßnahmen des vorbeu-

genden Brandschutzes zu treffen.

Maßgeblich sind die in den einzelnen

Ländern geltenden sowie die örtlichen

Vorschriften.

Für bestimmte Endprodukte und

Anwendungsbereiche können beson-

dere brandsicherheitstechnische

Anforderungen bestehen. Es obliegt

der Verantwortung des Verarbeiters

des Rohstoffs, diese festzustellen

und einzuhalten.

Abb. 3-5: Enthalpiekurve von HDPE und

PP (bezogen auf 20 °C)

Spezifisches Volumen v [cm3/g]

Temperatur [°C]

1,4

1,3

1,2

1,1

1,00 50 100 150 200 250 300

1 bar

400 bar

600 bar

1.000 bar

1.600 bar

200 bar

Abb. 3-6: Spezifisches Volumen v von

HDPE in Abhängigkeit von Temperatur T

und Druck p (p-v-T-Diagramm), gemes-

sen bei einer Abkühlgeschwindigkeit

von 0,03 K/s

Tab. 3-1: Beispiel für die Bestimmung

der abzuführenden Wärmemenge

3-8

Spezifische Enthalpie

HDPE PP

bei 230 °C 700 kJ/kg 620 kJ/kg

bei 40 °C 40 kJ/kg 40 kJ/kg

abzuführende Wärmemenge:

660 kJ/kg 580kJ/kg

Spezifisches Volumen v [cm3/g]

Temperatur [°C]

1,4

1,3

1,2

1,1

1,00 50 100 150 200 250 300

1 bar

400 bar

600 bar

1.000 bar

1.600 bar

200 bar

Abb. 3-7: Spezifisches Volumen von

PP-Homopolymer in Abhängigkeit von

Temperatur T und Druck (p-v-T-Dia-

gramm), gemessen beim Erwärmen

3.2.2 Lagerung und

Granulatvorbehandlung

Das Material ist in 25 kg Säcken oder

Schüttgutbehältern vor Verschmut-

zung geschützt. Die Polyethylen- und

Polypropylen-Typen sind generell

wasserabweisend. Bei Lagerung unter

ungünstigen klimatischen Bedingun-

gen – großen Temperaturdifferenzen,

hoher Luftfeuchtigkeit – kann Wasser

im Gebinde kondensieren. Dann ist

eine Vortrocknung des Materials zu

empfehlen. Ferner kann sich der ge-

ringe Eigengeruch des Materials ver-

stärken. UV-Strahlung und Lagerung

bei hohen Temperaturen schädigen

das Produkt. Es muß daher vor direk-

ter Sonnenbestrahlung, Temperaturen

oberhalb 40 °C und hoher Feuchte

während der Lagerung geschützt

werden.

Das Produkt kann bei sachgerechter

Lagerung über einen Zeitraum von

mindestens 3 Monaten aufbewahrt

werden. Höhere Lagertemperaturen

verkürzen die Lagerzeit. Eine Lager-

zeit von länger als 6 Monaten kann

die Helligkeit von naturfarbenem

Material beeinflussen. Es wird deshalb

empfohlen das Material innerhalb von

6 Monaten zu verarbeiten.

Die Vortrocknung kann mit Hilfe

eines Trichtertrockners unmittelbar

vor dem Beschicken des Extruders

bei 105–110 °C erfolgen. Daneben

besteht die Möglichkeit einer Trock-

nung über einige Stunden in für Poly-

olefine üblichen Granulattrocknern.

Die Trocknungsdauer sollte so be-

messen sein, dass der Feuchtigkeits-

gehalt weniger als 0,02 % beträgt.

Tocknungstemperaturen liegen im

Bereich von 80–110 °C.

46

Bei einigen Hochleistungsextrudern

mit förderwirksamem Einzug kann

ein vom Trocknen noch sehr warmes

Granulat zu einer Durchsatzminde-

rung führen. In diesem Fall sollte das

Granulat solange zwischengelagert

werden, bis es ausreichend abgekühlt

ist.

Aufgrund der hygroskopischen

Eigenschaft von Russpigmenten, die

in schwarz eingefärbten Produkten

verwendet werden, wird empfohlen

schwarz eingefärbte Typen innerhalb

von 3 Monaten zu verarbeiten, auch

wenn Sie unter sachgerechten Bedin-

gungen aufbewahrt werden. Nach

einer Lagerzeit von mehr als drei

Monaten wird empfohlen das schwarz

eingefärbte Material vorzutrocknen.

Der Feuchtigkeitsgehalt sollte unter

0,03 % liegen. Bei höheren Werten

können Bläschen in der Schmelze auf-

treten und rauhe Rohroberflächen

entstehen.

In seltenen Fällen kann es passieren,

dass sich bei der Anlieferung von

kaltem Material beim Verarbeiter

Kondenswasser bildet. Dies geschieht

dann, wenn das kalte Material in

eine wärmere und unter Umständen

feuchtere Umgebung gebracht wird.

Es sollte stets darauf geachtet werden,

daß keine zu großen Temperatur-

unterschiede entstehen. Zum Beispiel

sollte eine Palette mit Material, die

über Nacht bei 0 °C draußen im Freien

stand und in eine warme und feuchte

Extrusionshalle gebracht wird, nicht

direkt verarbeitet werden, da in die-

sem Fall die Wahrscheinlichkeit sehr

groß ist, dass sich Schwitzwasser auf

dem Material bildet. Die Paletten soll-

ten vor dem Öffnen der Säcke in die

warme Halle transportiert und nach

Entfernen der Schrumpfhauben min-

destens 24 h gelagert werden.

Abb. 3-8: Taupunktdiagramm für feuchte Luft

30

25

20

15

10

5

0

Absolute Feuchte [g/m3]

0 20-5 5 10 15Temperatur [°C]

30 %

25 30 35

40 %

50 %

60 %

RelativeFeuchte

Sättigungsfeuchte

(2)(3)

(4)

(1)

47

Im folgenden Beispiel wird die Proble-

matik der Kondenswasserbildung

mit Hilfe eines Taupunktdiagrammes

erläutert:

Abbildung 3-8 zeigt ein Taupunktdia-

gramm, in dem die Sättigungskurve

(Taupunktkurve) rot eingezeichnet

ist. Oberhalb der Kurve kondensiert

Wasser aus. Unterhalb der Kurve be-

findet sich das gesamte in der Luft

vorhandene Wasser in der Gasphase.

Dies bedeutet: Wenn man die Sätti-

gungskurve von unten nach oben

überschreitet, tritt Kondensation ein.

Angenommen es herrscht in einer

Produktionshalle eine Temperatur

von 25 °C und eine relative Luftfeuch-

tigkeit von 50 %, so erhält man den

Wert (2) für die absolute Feuchte

indem man den Wert (1) auf der

Taupunktkurve mit 0,5 multipliziert.

Dieser absoluten Feuchte entspricht

ein Wert auf der Taupunktkurve (3)

bei einer tieferen Temperatur.

In diesem Falle läßt sich auf der Tem-

peratur-Achse (4) ein Wert von 13 °C

ablesen. Dies bedeutet, dass sich auf

Material, das kälter als 13 °C ist,

Kondenswasser bilden kann. Hätte in

diesem Beispiel die Luft in der Halle

eine

relative Feuchtigkeit von 40 % bzw.

30 %, so würden sich die Taupunkte

zu tieferen Temperaturen (10 °C bzw.

5 °C) verschieben. Daraus ergibt sich

folgende Regel:

Je trockener die Luft in der Halle und

je kleiner der Temperaturunterschied

ist, desto geringer wird die Gefahr der

Schwitzwasserbildung. Es sei ange-

merkt, dass es sich hierbei um eine

rein thermodynamische Betrachtung

handelt, und dass die Kondensation

sehr stark von der Oberflächenstruk-

tur abhängig ist, auf der sie stattfin-

det. Eine schlagartige Bildung von

Schwitzwasser ist nur bei sehr großen

Temperaturunterschieden und hoher

Luftfeuchtigkeit zu erwarten.

Bei Nutbuchsenextrudern ist die

Einzugszone des Extruders durch-

satzbestimmend. Im Einzug müssen

die Geometrie von Nutbuchse und

Schnecke sorgfältig aufeinander

abgestimmt sein, da die nachfolgen-

den Schneckenzonen Druckverbrau-

cher sind. Diese Zonen sollten hin-

sichtlich Druck- und Aufschmelzver-

lauf optimal ausgelegt sein, damit sie

auch bei hoher Schneckendrehzahl

hohe Förder- und Plastifizierleistun-

gen aufweisen.

Abb. 3-9: Förderwirksame Einzugszone mit Nuten und Wärmetrennung

Ø D Anzahl der Nuten Nuttiefe (mm) Nutbreite(mm) (D/10) am Trichteranfang (mm)60 6 4 890 8 – 10 4 10120 12 4 12150 14 – 16 4 12

Wärmetrennung

D D+4

3 . D bis 3,5 . D 1 . Dx1,5 . D

Thermofühler eingeschrumpft auslaufende Rechtecknuten

7°

3.2.3 Extrusion auf Hochleistungs-

Einschneckenextrudern

Für die Verarbeitung von Hostalen-,

Hostalen PP- und Lupolen-Werkstoffen

werden heute vorwiegend Einschnek-

kenextruder mit genuteter Einzugs-

zone (Abb. 3-9) eingesetzt. Die Ver-

fahrenslänge moderner Hochleistungs-

extruder beträgt je nach Maschinen-

hersteller 30 bis 33 D. Die Nutbuchse

ist vom Extruderzylinder wärme-

getrennt und gekühlt, um ein An-

schmelzen des Materials zu verhin-

dern. Am Ende der Einzugszone bildet

sich ein Druckmaximum aus. Nach-

folgend sind Schlepp- und Druck-

strömung gleichgerichtet. Um eine

gute Schmelzehomogenität zu erzie-

len, muss daher beim Nutbuchsen-

extruder die Schnecke ein Scher- oder

Mischteil besitzen. Da bereits das

Granulat nach dem Compoundieren

eine sehr hohe Mischgüte aufweist,

ist ein Mischteil in der Austragszone

oft ausreichend.

48

Abb. 3-10: Barriereschnecke für die Verarbeitung von Hostalen- und Lupolen-

Werkstoffen

Hauptsteg Feststoffkanal Barrieresteg

Schmelzekanal

Austragszone Barrierezone

AktiveFlanke

Schmelze-becken

Barriere-steg

Feststoff-bett

PassiveFlanke

Zylinder

Einzugzone

Abb. 3-11: Siebkorbverteiler (Skizze Fa. Battenfeld)

Abb. 3-12: Wendelverteiler, schematische Darstellung

(Fa. Reifenhäuser)

Die Maschinenhersteller verfolgen

bei der Schneckenauslegung für Hoch-

leistungsextruder unterschiedliche

Konzepte. So werden für die Extrusion

von Polyolefinen zum Beispiel Bar-

riere- oder Dekompressionsschnek-

ken (Abb. 3-10) sowie bereichsweise

mehrgängige Schnecken ohne Kom-

pression eingesetzt.

Bei den Rohrwerkzeugen zum Her-

stellen der Rohre gibt es unterschied-

liche Konzepte. Geeignet sind:

• Siebkorbwerkzeuge (Abb. 3-11),

• Spinnenverteilerwerkzeuge und

• Wendelverteilerwerkzeuge

(Abb. 3-12).

Prinzipell können alle drei Arten von

Werkzeugen für die Verarbeitung der

Hostalen-, Hostalen PP und Lupolen-

Werkstoffe verwendet werden. Die

Rohrwerkzeuge sind in der Regel

modular aufgebaut, so dass mit

einem Grundwerkzeug und austausch-

baren Düsensätzen verschiedene

Rohrdimensionen gefahren werden

können.

49

kann die Gesamtlänge der Kühlstrecke

Lges. mit den in Tabelle 3-2 angegebe-

nen spezifischen Kühlstreckenlängen

Lspez. berechnet werden. Es gilt

Aufgrund der geringeren Wärmeleit-

fähigkeit (siehe Abbildung 2-29) sind

bei gleichem Massedurchsatz für PP

längere Kühlstrecken erforderlich.

Abb. 3-13: Vakuumtank für die Kalibrierung

Abb. 3-14: Kalibrierhülse einer Vakuumtank-Kalibrierung

Tab. 3-2: Spezifische Kühllänge für

Rohre aus Hostalen PE in Abhängigkeit

der Standard Dimension Ratio SDR

SDR spez. Kühllänge

[m · h/kg]

41 0,016

33 0,02

26 0,024

17,6 0,036

11 0,06

7,4 0,08

3-9

Lges. = Lspez. · Durchsatz

Zur Formgebung wird heute für

Rohre nahezu ausschließlich die

Vakuumtank-Kalibrierung (Abb. 3-13)

mit einer geschlitzten Kalibrierhülse

aus Messing (Abb. 3-14) eingesetzt.

Der Einlaufbereich der Hülse ist inten-

siv gekühlt. Im Einlauf hat sich ein

Wasserring mit verstellbarer Breite als

vorteilhaft erwiesen. Damit kann die

Rohroberfläche mehr oder weniger

stark mit Wasser benetzt werden.

Über diesen Wasserring lässt sich

die Oberflächenqualität des Rohrs

beeinflussen. Bei hohen Abzugs-

geschwindigkeiten kommen häufig

auch Scheibenkalibrierungen zum

Einsatz. Mit diesen ist eine intensi-

vere Kühlung des Rohres im Bereich

der Kalibrierung möglich. Polypropylen

neigt bei hohen Abzugsgeschwindig-

keiten leichter zum Kleben in der

Kalibrierung als Polyethylen. Das

Kleben kann durch einen Wasserring

und eine intensive Kühlung im Ein-

laufbereich vermieden werden. Der

Vakuumtank ist oft in mehrere Unter-

druckkammern unterteilt, so dass das

Vakuum unterschiedlich stark einge-

stellt werden kann (Bereich: -0,3 bis

-0,5 bar). Das angelegte Vakuum

hat ebenfalls Einfluss auf die Ober-

flächenqualität und zudem auf

den Außendurchmesser des Rohres.

Die Gesamtlänge der erforderlichen

Kühlstrecke ist abhängig vom Masse-

durchsatz und von der Wanddicke

des Rohrs. Unter den Annahmen:

• Temperatur der Schmelze 220 °C

beim Eintritt in die Kalibriereinheit,

• Endtemperatur an der Rohrinnen-

wand maximal 80 °C,

• Kühlwassertemperatur zwischen

10 und 30 °C,

• Außenkühlung

Abb. 3-15: Rohr-Extrusionsanlage für Verarbeitungsversuche

im Technikum von Basell

Abb. 3-16: Durchsatz und Massedruck von Hostalen-

Werkstoffen in Abhängigkeit der Schneckendrehzahl

(60-mm-Nutbuchsenextruder mit L/D = 30, Rohrabmessungen

110 mm x 10 mm)

Antriebsleistung [kW]

Drehzahl [1/min]

80

70

60

50

40

30

20

10

02500 200

GM 5010 T3

CRP 100

15010050

Abb. 3-17: Antriebsleistung für Hostalen-Werkstoffe in

Abhängigkeit der Schneckendrehzahl (60-mm-Nutbuchsen-

extruder mit L/D = 30, Rohrabmessungen 110 mm x 10 mm)

50

3.2.4 Verarbeitung von

bimodalem HDPE

Umfangreiche Untersuchungen haben

gezeigt, dass sich die bimodalen

Hostalen-Werkstoffe problemlos

auf den gebräuchlichen modernen

Hochleistungs-Extrusionsanlagen

(Abb. 3-15) verarbeiten lassen.

Die Verarbeitungstemperaturen

von Extruder und Werkzeug sollten

im Bereich von 200 bis 220 °C ein-

gestellt werden.

Der Durchsatz von Hostalen CRP 100

und Hostalen GM 5010 T3 liegt im ge-

samten Drehzahlbereich um ca. 10%

höher als der von unimodalen HDPE-

Typen. Bei Hostalen GM 5010 T3 und

insbesondere bei Hostalen CRP 100

ist der Druckverbrauch im Werkzeug

höher als bei unimodalen Typen

(Abb. 3-16). Ursache dafür sind der

höhere Massedurchsatz und die bei

bimodalen Typen höhere Schmelze-

viskosität, die zudem bei der Extru-

sion eine höhere Energiedissipation

bewirkt. Als Folge ist die Massetempe-

ratur der Schmelze bei den bimodalen

Typen etwas höher. Tatsächlich

wurden bei Versuchen im oberen

Drehzahlbereich um ca. 5 K erhöhte

Schmelztemperaturen gemessen.

Der höhere Durchsatz und die höhere

Schmelzeviskosität erfordern beim

bimodalen Hostalen GM 5010 T3 und

Hostalen CRP 100 eine um ca. 10

bis 15 % höhere Antriebsleistung

des Extruders (Abb. 3-17). Moderne

Hochleistungsextruder verfügen hier

über genügend Reserven, so dass Pro-

duktivitätssteigerungen gegenüber

den unimodalen Typen möglich sind.

Bei älteren Anlagen ohne Reserven

im Drehmoment kann sich wegen

der höheren Schmelzeviskosität der

bimodalen Materialien der Masse-

durchsatz erniedrigen, da dann mit

verringerter Schneckendrehzahl

gefahren werden muss.

Druck [bar], Durchsatz [kg/h]

Drehzahl [1/min]

400

350

300

250

200

150

100

50

02500 200

GM 5010 T3

GM 5010 T3

CRP 100

CRP 100Massedurchsatz

Massedruck

15010050

51

Diese Ergebnisse haben Verarbeitungs-

versuche auf Hochleistungsextrudern

neuester Generation bei verschiede-

nen namhaften Maschinenherstellern

bestätigt. Gegenüber unimodalem

HDPE sind bei Verwendung der bimo-

dalen Hostalen-Werkstoffe gleiche bis

höhere Massedurchsätze sowie ein

Anstieg von Druck, Motorlast und

Temperatur zu verzeichnen. Wegen

der unterschiedlichen Drehzahlberei-

che der Extruder sind zum besseren

Vergleich in Abbildung 3-19 der Durch-

satz pro Stunde und in Abbildung

3-18 die spezifische Antriebsleistung

(Antriebsleistung bezogen auf den

Durchsatz) jeweils bei Maximaldreh-

zahl aufgetragen.

3.2.5 Sanfte Verarbeitbarkeit

Die Materialbeanspruchung durch das

Extrudieren lässt sich am einfachsten

und schnellsten mit Hilfe der durch

das Stabilisatorsystem festgelegten

Oxidations-Induktionszeit (OIT,

EN 728) bestimmen. Dazu entnimmt

man Proben aus der Rohrinnenwand

und vergleicht den daran bei 200 °C

oder 210 °C gemessenen OIT-Wert

mit dem OIT-Wert von nicht verarbei-

tetem Material. Die Ergebnisse solcher

Messungen in Tabelle 3-3 zeigen, dass

das Extrudieren den OIT-Wert kaum

erniedrigt, das Stabilisatorsystem also

nicht beeinträchtigt.

Beim Verarbeiten der Hostalen-Typen

lagen die Massetemperaturen zwi-

schen 210 und 219 °C. Weitere OIT-

Ergebnisse zeigen, dass die bimoda-

len PE-Typen Hostalen GM 5010 T3

black und Hostalen CRP 100 kurz-

fristig auch bis 260 °C thermisch be-

lastet werden können, ohne dass sich

dies bemerkenswert auf das Stabilisa-

torsystem auswirkt.

Tab. 3-3: Oxidations-Induktionszeit (OIT) von Hostalen Werkstoffen bei 210 °C

Spez. Leistung [kWh/kg] bei nmax

Extruder 1D = 60 mm

0,26

0,24

0,25

0,20

0,18

0,16

0Extruder 2D = 75 mm

Extruder 3D = 90 mm

Extruder 4D = 120 mm

GM 5010 T3

CRP 100

Abb. 3-18: Spezifische Antriebsleistung für Extruder unterschiedlicher Baugröße

beim Verarbeiten von Hostalen GM 5010 T3 und Hostalen CRP 100

Durchsatz [kg/h]

Extruder 1D = 60 mm

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0Extruder 2D = 75 mm

Extruder 3D = 90 mm

Extruder 4D = 120 mm

GM 5010 T3

CRP 100

Abb. 3-19: Durchsatz bei unterschiedlichen Baugrößen von Hochleistungs-Nut-

buchsenextrudern neuester Generation beim Verarbeiten von Hostalen GM 5010 T3

und Hostalen CRP 100

Material Einheit OIT am Rohr OIT am

innen Granulat

Hostalen GM 5010 T3 black min 63 65

Hostalen CRP 100 min 58 59

52

3.2.6 Gesamtschwindung

der Rohre

Die Gesamtschwindung ist abhängig

von der Rohrdimension, der Maschi-

nentechnik und den Verarbeitungs-

bedingungen. An den Werkstoffen der

Basell für die Rohrextrusion wurden

Werte zwischen 2,5 und 5% gemessen.

Der exakten Auslegung von Kalibrier-

werkzeugen müssen Praxisversuche

vorhergehen, die den individuellen

Produktionsbedingungen Rechnung

tragen.

3.2.7 Nachfolgeeinrichtungen

Als Nachfolgeeinrichtungen bezeich-

net man alle Anlagenteile außer

Extruder, Werkzeug, Kalibrierung

und Kühlung.

Das geformte und abgekühlte Rohr

wird mit einem Signiergerät normge-

recht geprägt; ein Ultraschall-Dicken-

messgerät misst kontinuierlich die

Rohrwanddicke über den Umfang.

Das Rohr wird von einem Raupen-

abzug abgezogen. Die konzentrisch

angeordneten, pneumatisch ange-

pressten Raupen übertragen die Ab-

zugskraft auf das Rohr. Für das An-

fahren besteht die Möglichkeit, auf

Schub umzuschalten. Dabei wird ein

fertiges Rohrstück, das Anfahrrohr,

rückwärts durch die Kühleinrich-

tungen und den Kalibrator vor das

Rohrwerkzeug eingefahren und dort

mit der austretenden Schmelze

verschweißt.

Eine automatisch einstellbare Säge,

verbunden mit einem Ablagetisch,

längt das extrudierte Rohr auf die

gewünschte Länge ab. Rohre mit

kleinerem Durchmesser können auf

Trommeln aufgewickelt bzw. mit

einem Wickler zu Rohrbunden kon-

fektioniert werden. Dies ist bei PE

bis zu der Größe eines Rohrs Ø160

SDR 11 möglich (Kapitel 9, S. 105).

Mit mobilen Extrusionsanlagen kann

vor Ort ein Rohr mit einigen Kilo-

metern Länge extrudiert werden,

beispielsweise zur Fertigung einer

Seeleitung.

3.2.8 Prozessrechnersteuerung

Bei neuen Anlagen zur Rohrher-

stellung automatisiert ein Prozess-

rechner die Fertigung. Das Schema

einer solchen Regelung zeigt Abbil-

dung 3-20. Zur Produktion einer ge-

wünschten Rohrabmessung werden

die üblichen Betriebsdaten eingege-

ben, beispielsweise

• Temperaturen zum Heizen

und Kühlen,

• Drehzahlen,

• Geschwindigkeiten,

• Wasserdurchflussmengen.

Die Regelung hält die Sollwerte inner-

halb der zulässigen Toleranzen und

liefert als Beleg eine Prozessdaten-

überwachung. Etwaige Störfälle

werden sofort angezeigt.

Die Regelung überwacht mit Hilfe ent-

sprechender Heizprogramme auch das

Anfahren und Abstellen einer Extru-

sionsanlage. Die für eine bestimmte

Rohrgröße ermittelten Prozessdaten

lassen sich speichern und für spätere

Produktionen wieder verwenden.

Die Materialkosten eines Rohrs bilden

den größten Anteil der Herstellkosten.

Eine rechnergestützte Prozessregelung

eröffnet die Möglichkeit, DIN-gerechte

Rohre mit möglichst geringem Mate-

rialeinsatz bei guter Gleichmäßigkeit

der Rohrwanddicke über den Umfang

optimal herzustellen. Die zulässigen

Dickentoleranzen gemäß DIN 8074

entsprechen bis zu etwa +10 % Mate-

rialeinsatz, hiervon kann ein beträcht-

licher Anteil eingespart werden.

Waage

Prozessrechner

RohrabmessungenAusstoß

Betriebsdaten

GeschwindigkeitRohrabzug

Ultraschall-Wanddickenmessung

Werkzeug mitDüsenzentrierung

Abb. 3-20: Regelung einer Rohranlage mit Hilfe eines Prozessrechners

53

Die Regelung umfasst im Wesentlichen

Regelkreise für folgende Elemente:

Die Extrusionsanlage wird mit einer

gravimetrischen Dosierung für die

Granulatkomponenten ausgestattet.

Somit wird der Massestrom des Gra-

nulats dem mit der Drehzahl n lau-

fenden Extruder zugeführt. Eine bei

der Wägung sich ergebende Abwei-

chung vom Soll-Ausstoß Q wird durch

Steuerung der Drehzahl ausgeglichen.

Die Regelung stellt die Geschwindig-

keit des Rohrabzugs so ein, dass sich

aus dem Ausstoß das gewünschte

Metergewicht des produzierten Rohrs

ergibt. Ein Ultraschall-Wanddicken-

messgerät ermittelt die Rohrwand-

dicke über den Umfang.

Bei Ungleichmäßigkeiten wird die

Düse des Rohrkopfes mechanisch

oder thermisch zentriert, damit die

nach der Rohrnorm erforderliche

Mindestwanddicke gleichmäßig ein-

gehalten wird.

Anstelle einer gravimetrischen Dosie-

rung kann auch eine Überdruck und

Drehzahl geregelte Schmelzepumpe

zur Prozess-Steuerung eingesetzt

werden, nachdem sich die hohen

Drehmomente bei der Verarbeitung

hoch viskoser Polyethylenschmelzen

maschinentechnisch beherrschen

lassen.

3.2.9 Wellrohre

Einfache oder coextrudierte Wellrohre

mit profilierter Außenwand und glatter

Innenwand werden als Kabelschutz-

rohre und Entwässerungsrohre mit

bis zu 1600 mm Außendurchmesser

eingesetzt. Vorteilhaft ist der im Ver-

gleich zu Vollwandrohren geringere

Materialeinsatz bei ähnlich hoher

Steifigkeit.

Wesentlich am Werkzeug für Wellrohre

ist das weit in die Kalibrierung hinein-

ragende Mundstück; eine Besonder-

heit ist die gleichzeitig als Abzug

wirkende Kalibrierung (Abb. 3-21).

Der plastische Schlauch wird sofort

nach Verlassen der verlängerten Düse

in das Wellrohrwerkzeug gepresst.

Ein umlaufendes Kettenpaar trägt mit

halbringförmigen Nuten versehene

Werkzeug-Halbschalen, die sich am

Schlaucheinlauf aufeinander- und

aneinanderlegen und so die mitlaufen-

de Kalibrierung bilden.

Überdruck oder Vakuum zwingen den

plastischen Schlauch in die Nuten

der Kalibrierung. Gekühlt wird durch

Wärmeabfuhr in den Segmenten.

Für Dränagerohre können Löcher

z.B. durch am Abzug angeschlossene

Stanzen eingearbeitet werden.

Dichtstopfen

Mundstück Rohrkopf

Druckluftaustritt

Drucklufteintritt

Formkette

Abb. 3-21: Prinzip der Herstellung eines einfachen Wellrohrs nach dem

Überdruck-Verfahren (Werkskizze Fa. Reifenhäuser)

54

3.2.10 Wickelrohre

Zur Herstellung dieses Rohrtyps wird

ein extrudiertes Band aus PE in noch

plastischem Zustand wendelförmig

überlappend auf eine beheizte Dreh-

trommel aufgewickelt (Abb. 3-22).

Die Überlappungsbereiche ver-

schmelzen homogen miteinander.

Je nach Durchmesser und Wanddicke

des Rohrs werden eine oder mehrere

Lagen gewickelt, so dass ein Voll-

wandquerschnitt entsteht. Der Durch-

messer von Wickelrohren kann bis

zu 3.500 mm betragen, sie werden je

nach Durchmesser in Längen von

2 bis 6 m hergestellt.

Um bei gleichem Materialaufwand eine

größere Steifigkeit des Rohres zu er-

zielen, können nach abgewandelten

Wickelverfahren auch Profilwickel-

rohre hergestellt werden. Statt Bänder

extrudiert man Hohlprofile, die unter

Anpressdruck wendelförmig neben-

einander oder in mehreren Lagen

übereinander gewickelt werden

(Abb. 3-24). Je nach Erfordernis ist

es möglich, Rohre mit glatter Innen-

und Außenwand zu fertigen oder

aber – bei glatter Innenwand – Ver-

stärkungsrippen äußerlich sichtbar

zu belassen.

Es ist zu beachten, dass die in Her-

stellerkatalogen angegebenen Wickel-

rohrdurchmesser stets Innendurch-

messer sind, unabhängig von der

jeweiligen Wanddicke. Bei Profilwi-

ckelrohren sind üblicherweise Muffen

angeformt, die auf der Baustelle im

Heizkeil- oder Extrusionsschweißver-

fahren mit dem Einsteckende des

nächsten Rohrs verbunden werden.

Abb. 3-22: Schematischer Aufbau einer

Wickelrohranlage

(Abb.: Fa. Frank GmbH)

Abb. 3-23: Herstellung eines glattwandigen

Wickelrohres (Foto: Fa. Frank GmbH)

Abb. 3-24: Verschiedene Hohlprofile für Wickelrohre (Abb.: Fa. Frank GmbH)

ExtruderRohrwerkzeug/Düsenkopf

Kalibrierung/Kühlung/Abzug

Profile der Reihe PR Profile der Reihe SQ1 Profile der Reihe SQ2 Profile der Reihe SQ3Vollwand (VW)

55

Das Vernetzen von PE erfolgt während

oder nach der Rohrextrusion. Allen

Vernetzungsverfahren ist gemeinsam,

dass chemische Bindungen die Poly-

merketten untereinander verknüpfen

(crosslinking). Dadurch verbessern

sich die Zeitstandfestigkeit, die

Spannungsrissbeständigkeit sowie

die Wärmeformbeständigkeit und

die Abriebfestigkeit der Rohre. Zur

Kennzeichnung von vernetztem Poly-

ethylen werden die Abkürzungen PEX

bzw. PE-X verwendet (früher VPE).

PE-Basisrohstoff und die Stabilisierung

(Verarbeitungs- und Anwendungssta-

bilisierung) müssen sorgfältig auf das

Vernetzungsverfahren abgestimmt

werden, um eine optimale Kombina-

tion der Eigenschaften zu erhalten.

In Tabelle 4-1 sind die zum Herstellen

vernetzter Rohre geeigneten Lupolen-

Typen und die bevorzugten bzw.

besonders geeigneten Vernetzungs-

verfahren zusammengefasst. Die

überwiegende Anzahl dieser Typen

ist speziell für das jeweilige Vernet-

zungsverfahren entwickelt worden.

Zu ihnen liegen reichhaltige, langjäh-

rige Erfahrungen vor. Die Anwendung

anderer Lupolen- oder Hostalen-Typen

zum Herstellen vernetzter Rohre wird

von der Basell nicht empfohlen.

Tab. 4-1: Lupolen-Typen, Vernetzungsverfahren und Vernetzungsarten zum

Herstellen vernetzter Rohre

Herstellung vernetzter Rohre

Das Vernetzen von PE erfolgt während oder nach der Rohr-extrusion. Allen Vernetzungsverfahren ist gemeinsam, dasschemische Bindungen die Polymerketten untereinanderverknüpfen (crosslinking).

Flughafen Stuttgart, Fußbodenheizung

(Foto: Fa. Hewing)

Werkstoff Verfahren Vernetzungsart

Lupolen 5261 Z Q 456 Engel-Verfahren Peroxidvernetzung (PEXa)

Lupolen 5461 B Q 471 Extrusionsverfahren Peroxidvernetzung (PEXa)

Lupolen 5031 L Q 449 Einstufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)

(Monosil®)

Lupolen 5031 L Q 449 K Einstufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)

(Monosil®)

Lupolen 5031 L Q 449 Zweistufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)

(Sioplas®)

Lupolen 5031 L Q 449 K Zweistufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)

(Sioplas®)

Lupolen 4261 A Q 416 Extrusionsverfahren Strahlenvernetzung (PEXc)

Die Vernetzungsdichte kann auch

über die Wärmedehnung (Hotset, DIN

VDE 0472 T 615) bestimmt werden.

Dabei belastet ein Gewicht 15 Minuten

lang einen PEX-Probestab mit 20 N/cm2

bei 200 °C. Die Längenänderung des

Probestabs ist ein Maß für die Ver-

netzungsdichte: Je länger der Stab

nach der Belastung wird, desto weni-

ger dicht vernetzt ist das Material

(Abb. 4-1).

56

4.1 Vernetzungsgrad und

Quellung

Das entscheidende Qualitätskriterium

für vernetzte Rohre ist der Vernet-

zungsgrad. Er dient als Maß für den

Anteil an vernetzten PE-Ketten im

PEX. In Tabelle 4-2 sind die nach DIN

16892 geforderten Mindestwerte für

die verschiedenen Vernetzungsver-

fahren wiedergegeben. Diese Min-

destwerte sind notwendig um sicher-

zustellen, dass die von PEX-Rohren

geforderten Eigenschaften erfüllt

werden. Zu hohe Vernetzungsgrade

sind nicht nur aus ökonomischer

Sicht, sondern auch aus anwendungs-

technischer Sicht nicht sinnvoll. Eine

zu starke Vernetzung führt zur Ver-

sprödung des Werkstoffes, wodurch

letztlich die Gebrauchstauglichkeit

des Rohres in Frage gestellt wird.

Zur Bestimmung des Vernetzungs-

grads von PEX-Rohren werden nach

DIN 16892 die in siedendem Xylol

unlöslichen Massenanteile des PEX

bestimmt. Als Probe dient ein Span,

der von der Stirnfläche eines Rohr-

abschnitts entnommen wird und

dessen Dicke 0,2 ± 0,02 mm beträgt.

Sie lagert acht Stunden in siedendem

Xylol, d. h. unter Bedingungen, unter

denen sich unvernetztes PE vollstän-

dig auflösen würde. Danach trocknet

die Probe drei Stunden bei 140 °C.

Aus der Masse m1 des ursprünglichen

Spans und der Masse m2 des behan-

delten und getrockneten Spans er-

rechnet sich der Vernetzungsgrad G

nach Gleichung 4-1.

Eine weitere die Vernetzung charak-

terisierende Größe ist die Vernet-

zungsdichte. Je kleiner der Abstand

zwischen zwei Vernetzungsstellen

ist, d.h. je kleiner die „Maschen“ des

Netzes sind, desto größer ist die

Vernetzungsdichte.

Ein Maß für die Vernetzungsdichte ist

der Quellwert. Er ist umso größer, je

kleiner die Vernetzungsdichte ist. Zur

Bestimmung des Quellwerts lagert

ein Probespan ebenfalls in siedendem

Xylol, wird danach aber ohne zu

trocknen gewogen. Das Verhältnis

aus der Masse m3 der behandelten

Probe und der Masse m1 der ursprüng-

lichen Probe gibt den Quellwert an

(Gleichung 4-2).

Tab. 4-2: Mindestvernetzungsgrad nach DIN 16892 – 2000 für die verschiedenen

Vernetzungsverfahren, Art der Bindung

Vernetzungsart Mindestvernetzungsgrad Art der Bindung

[%]

Peroxidvernetzung (PEXa) 70 C–C

Silanvernetzung (PEXb) 65 C–Si–O–Si–C

Strahlenvernetzung (PEXc) 60 C–C

4-1

4-2

Abb. 4-1: Schematische Darstellung

des Hotset Tests an vernetzten Proben-

körpern

G = 100 · m2/m1

Q = m3/m1

OhneSpannung

UnterSpannung

HoheVernetzungsdichte= Niedriger Quellwert

NierigeVernetzungsdichte= Hoher Quellwert

57

Die Vernetzungsdichte der unter-

schiedlichen Vernetzungsarten nimmt

in folgender Reihenfolge zu: PEXa <

PEXc < PEXb. Dieses Verhalten ist

in Abbildung 4-2 dargestellt. Man

erkennt, dass für PEXb bereits bei

Vernetzungsgraden von 55 % eine

hohe Vernetzungsdichte gefunden

wird. Dies bedeutet, dass sich ein

Span aus PEXb im Vergleich zu einem

Span – mit gleichem Vernetzungsgrad

– aus PEXa oder PEXc in siedendem

Xylol nicht mehr auflöst.

4.2 Eigenschaften

vernetzter Rohre

Vergleicht man unvernetztes PE mit

PEX (beide aus dem gleichen Ausgangs-

material) so ist bei PEX

• die Zeitstandfestigkeit bei höheren

Temperaturen um Größenordnungen

verbessert,

• die Kerbempfindlichkeit wesentlich

geringer,

• die Empfindlichkeit gegen

Spannungsrissbildung praktisch

beseitigt,

• die Kriechneigung reduziert,

• die Verschleißfestigkeit höher,

• die Permeabilität gegenüber Gasen

geringer,

• das Kristallitschmelzmaximum zu

tieferen Temperaturen verschoben

und

• die Härte und Steifigkeit geringer.

In Tabelle 4-3 A und B sind exempla-

risch einige ausgewählte Eigenschaften

eines strahlenvernetzten PE (PEXc)

sowie eines peroxidisch vernetzten

PE (PEXa) wiedergegeben.

Mechanische undphysikalische Eigenschaften

Wert Einheit Prüfnorm

Dichte 0,94 g/cm3 DIN 53 479

Zugfestigkeit B -20 °C 33 – 35 N/mm2 DIN 53 45523 °C 24 – 26 N/mm2 DIN 53 45580 °C 16 – 17 N/mm2 DIN 53 455

100 °C 10 – 11 N/mm2 DIN 53 455

Reißfestigkeit R -20 °C 31 – 33 N/mm2 DIN 53 45523 °C 24 – 26 N/mm2 DIN 53 45580 °C 16 – 17 N/mm2 DIN 53 455

100 °C 10 – 11 N/mm2 DIN 53 455

Reißdehnung R -20 °C ca. 300 % DIN 53 45523 °C ca. 480 % DIN 53 45580 °C ca. 550 % DIN 53 455

100 °C ca. 460 % DIN 53 455

Elastizitätsmodul E -20 °C 1.600 – 1.700 N/mm2 DIN 53 457(Zug, 0,5 % Dehnung) 0 °C 1.200 – 1.400 N/mm2 DIN 53 457

23 °C 600 – 700 N/mm2 DIN 53 45780 °C 130 – 140 N/mm2 DIN 53 457

Kerbschlagzähigkeit -20 °C ohne Bruch kJ/m2 DIN 53 453-100 °C ohne Bruch kJ/m2 DIN 53 453

Spannungsrissbeständigkeit kein Riss ASTM-D 1693

Wasseraufnahme < 0,01 mg/4d DIN 53 472

Vernetzungsgrad > 60 % DIN 16 892

Thermische Eigenschaften

Anwendungstemperatur gemäß Zeitstanddiagramm

Linearer Ausdehnungs- 20 °C 1,4 · 10-4 1/Kkoeffizient 100 °C 2,0 · 10-4 1/K

Kristallitschmelzbereich DSC 130 – 133 °C DIN 51 004

Wärmeleitfähigkeit 0,35 W/mK DIN 52 612

Wärmealterung bei 160 °Cim Umluft. Wärmeschrank > 100 h DVGW W544für Erreichen Phase I

Elektrische Eigenschaften

Dielektrischer Verlustfaktor 106 Hz 2 · 10-2 DIN 53 483, VDE 0303

Dielektrizitätszahl 106 Hz 2,6 DIN 53 483, VDE 0303

Spezifischer Durchgangswiderstand 1017 Ω · cm DIN 53 482, VDE 0303

Oberflächenwiderstand 1014 Ω DIN 53 482, VDE 0303

Durchschlagfestigkeit ~80 kV/mm DIN 53 481, VDE 0303

Kriechstromfestigkeit KA3C DIN 53 481, VDE 0303

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Dehnung [%]

10 500 20 30 40Vernetzungsgrad [%]

PEXa

60 70 80 90 100

PEXb PEXc

Abb. 4-2: Dehnung von PEXa, PEXb und PEXc im Hotset bei 200 °C

in Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad

Tab. 4-3 A: Ausgewählte Eigenschaften eines strahlenvernetzten PE (PEXc, Daten

der Fa. Hewing [70])

58

Abbildung 4-3 zeigt die Abhängigkeit

der Reißfestigkeit und Reißdehnung

vom Quellwert Q bei 20 °C. Mit abneh-

mendem Quellwert, also zunehmender

Vernetzungsdichte, sinken sowohl

die Reißfestigkeit als auch die Reiß-

dehnung. Im Gegensatz zu unver-

netztem PE verfügen PEX-Werkstoffe

selbst oberhalb von 150 °C, d.h.

oberhalb der üblichen PE-Schmelz-

temperatur, über eine gewisse

mechanische Restfestigkeit, wie

die Schubmodulkurven in Abbildung

4-4 zeigen.

Quellwert

Bruchdehnung [%]

20 °C / PEXc

Vernetzungsgrad

800 40

0> 95 %

0

Bruchspannung [MPa]

0 %

Abb. 4-3: Abhängigkeit der Bruch-

spannung und der Bruchdehnung vom

Vernetzungsgrad bzw. Quellwert Q

bei 20 °C (Prinzipdarstellung für PEXc)

Schubmodul [MPa]

Temperatur [°C]

Schubmodul ~Vernetzungspunkte/1000 C Atome

103

102

101

100

10-1

0 50 100 150 200

PEXa

PE

PEXb

Abb. 4-4: Schubmodul in Abhängigkeit von der Temperatur:

PEXa und PEXb im Vergleich zu PE

Tab. 4-3 B: Ausgewählte Eigenschaften eines peroxidisch vernetzten PE (PEXa,

Daten der Fa. Wirsbo [78])

Mechanische Eigenschaften

Wert Einheit

Dichte 0,938 g/cm3

Zugfestigkeit (nach DIN 53 455) 20 °C 19 – 26 N/mm2

100 °C 9 – 13 N/mm2

Elastizitätsmodul (nach DIN 53 457) 20 °C 600 – 900 N/mm2

80 °C 300 – 350 N/mm2

Bruchdehnung (nach DIN 53 455) 20 °C 350 – 550 %100 °C 500 – 700 %

Schlagzähigkeit (nach DIN 53 453) -140 °C kein Bruch20 °C kein Bruch

100 °C kein Bruch

Feuchtigkeitsabsorbtion (nach DIN 53 472) 22 °C 0,01 mg/4d

Reibungskoeffizient mit Stahl 0,08 – 0,1

Oberflächenenergie 34 · 10-3 N/m

Sauerstoffpermeabilität 20 °C 0,8 · 10-13 g/m s bar55 °C 3,0 · 10-13 g/m s bar

Thermische Eigenschaften

Anwendungstemperatur -100 bis + 110 °C

Linearer Ausdehnungskoeffizient 20 °C 1,4 · 10-4 1/K100 °C 2,05 · 10-4 1/K

Erweichungstemperatur 133 °C

Spezifische Wärme 2,3 kJ/kgK

Elektrische Eigenschaften

Spezifischer Durchgangswiderstand 20 °C 1015 Ω · m

Dielektrizitätskonstante 20 °C 2,3

Dielektrischer Verlustfaktor 20 °C/50 Hz 1 · 10-3

Durchschlagfestigkeit 20 °C 60 – 90 kV/mm

59

4.3 Vernetzungsverfahren

Man unterscheidet vernetztes Poly-

ethylen in chemisch und physikalisch

vernetztes PE. Bei den Verfahren für

die chemische Vernetzung unterschei-

det man wiederum in peroxidisch

vernetztes PE, sogenanntes PEXa,

und in silanvernetztes PE, sogenann-

tes PEXb. Bei der physikalischen

Vernetzung durch Strahlung spricht

man von PEXc. Im folgenden Abschnitt

werden die einzelnen Vernetzungs-

verfahren kurz beschrieben.

In Abbildung 4-5 sind die unteschied-

lichen Verfahren in einem Diagramm

dargestellt.

4.3.1 Peroxidvernetzung (PEXa)

Die Vernetzung mit Peroxiden ist bisher

das einzige Verfahren, mit dem sich

vernetzte Rohre in größeren Abmes-

sungen (Durchmesser von 90 mm bis

500 mm) wirtschaftlich herstellen

lassen. Da die Vernetzungsreaktion

bereits ganz bzw. teilweise in der

Schmelze erfolgt, ist das Kristallisa-

tionsvermögen der Schmelze behindert.

Im Vergleich zu anderen Vernetzungs-

verfahren ist dadurch der Kristallini-

tätsgrad und damit die Dichte des

vernetzten Rohres deutlich geringer

als die des PE-Basiswerkstoffes (Bei-

spiel: Dichte des PE-Basiswerkstoffes:

PEXVernetztes Polyethylen

PEXbSilanvernetzung

PEXcStrahlenvernetzung

PEXaPeroxidvernetzung

EngelverfahrenRammextrusion

Vernetzung während der Rohrextrusion

ElektronenstrahlenEinschneckenextruder

Vernetzung nach der Rohrextrusion

GammastrahlenEinschneckenextruder

Vernetzung nach der Rohrextrusion(wird selten angewendet)

ExtrusionsverfahrenEinschnecken- oder

gegenläufiger Doppelschneckenextruder

Vernetzung im SalzbadPont a Mousson Verfahren

Vernetzung während der Rohrextrusion

Vernetzung mit InfrarotstrahlungVernetzung während der Rohrextrusion

Daoplas-VerfahrenVernetzung nach der Rohrextrusion

(heute bedeutungslos)

Klassisches SilanverfahrenDirekte Silanzugabe (flüssig)


Trockenes SilanverfahrenZugabe eines Dry-Blend


ZweistufenverfahrenSioplas (Dow Corning)

1. Stufe: Compoundherstellung Radikal.Propfung des Silans auf das PE im Buss-kneter oder Doppelschneckenextruder

2. Stufe: RohrherstellungZugabe des Vernetzungsbeschleunigers

EinschneckenextruderVernetzung nach der Rohrextrusion

EinstufenverfahrenMonosil (Maillefer)

Einschneckenextruder

Chemisches Vernetzen Physikalisches Vernetzen

Abb. 4-5: Vernetzungsmethoden für Polyethylen

0,955 g/cm3 Dichte des PEXa-Rohres:

ca. 0,933 bis 0,946 g/cm3). Dieser

sog. „density drop“ ist typisch für

PEXa-Rohre. Die geringere Dichte hat

zur Folge, dass die so hergestellten

PEXa-Rohre vergleichsweise flexibler

sind.

60


Peroxidvernetzung

Der erste Schritt bei der Peroxidver-

netzung (Abbildung 4-6) ist der ther-

misch initiierte Zerfall von Peroxiden.

Die dabei entstehenden Radikale RO !

erzeugen in einer weiteren Reaktion

Radikalstellen in der Polymerkette.

Diese Radikalstellen rekombinieren

und führen zur Quervernetzung der

Ketten über C–C-Bindungen.

Für die Peroxidvernetzung eignen

sich die hochmolekularen Grießtypen:

Lupolen 5261 Z Q 456 (Engel-Verfah-

ren) sowie Lupolen 5461 B Q 471

(Extrusionsverfahren). Das Peroxid

sowie die Stabilisatoren müssen dem

Lupolen-Grieß in einem vorgeschalte-

ten Mischprozess zugegeben wer-

den. Art und Menge des benötigten

Peroxids und der weiteren Additive

hängen vom Herstellprozess, vom

PE-Basisrohstoff und der angestreb-

ten Anwendung ab.

1. Peroxidzerfall

2. Makroradikalbildung

3. Vernetzung

(während der Extrusion,in der Schmelze)



PE-Kette

Peroxid R∆T

(Radikale)Wärme

Makroradikal

+ RH

Verbundene PE-Ketten(Wasserstoffatome versteckt zugunsten einer klareren Struktur)

R

Radikale

Abb. 4-6: Mechanismus der Peroxidvernetzung

Behältern über eine gewisse Zeit

zwischengelagert (8 bis 12 h). In

dieser Zeit diffundiert das Peroxid

in das PE hinein und kann sich so

gleichmäßig verteilen. Beim Engel-

Verfahren erfolgt die Vernetzung

während des Formgebungsvorgan-

ges, d.h. im Werkzeug! Aus dem

Werkzeug tritt eine vernetzte und

dadurch hoch transparente Schmelze

aus. Ein nachgeschalteter Vernet-

zungsprozess ist nicht notwendig.

Zu beachten ist ferner, dass die bei

der Vernetzung entstehenden Per-

oxid-Zerfallsprodukte Auswirkungen

sowohl auf die mechanischen als

auch auf die organoleptischen Eigen-

schaften der Rohre haben können.

Der Mindestvernetzungsgrad (DIN

16892) für PEXa-Rohre beträgt 70 %.


peroxidisch vernetzter Rohre

Das Engel-Verfahren

Bereits seit mehr als 25 Jahren werden

nach diesem speziellen Vernetzungs-

verfahren, benannt nach seinem Erfin-

der Thomas Engel, vernetzte Rohre

hergestellt. Beim Engel-Verfahren

werden PE, hier Lupolen 5261 Z Q

456, Peroxid und Stabilisatoren warm

vorgemischt (Abb. 4-7). Bei der Verar-

beitung wird der Grieß unter hohem

Druck (bis zu 3000 bar) verdichtet

und dadurch gesintert. Eine Homoge-

nisierung in der Schmelze, wie z.B.

bei Einschneckenextrudern, findet

beim Engel-Verfahren nicht statt. Um

das Peroxid gleichmäßig im PE zu

verteilen, wird die Vormischung in

Abb. 4-7: Prinzip der Rohrextrusion

nach dem Engel-Verfahren

Mischung PE + Peroxid + Stabilisatoren

Verdichtungs-kolben

Werkzeug

Rohr

61

Extrusionsverfahren

Für das Extrusionsverfahren eignet sich

die Grieß-Type Lupolen 5461 B Q 471.

Der Grieß wird mit Stabilisatoren und

dem Peroxid vorgemischt (warm oder

kalt) und üblicherweise eine Zeit lang

(4 bis 12 h) in Zwischenbehältern ge-

lagert. In dieser Zeit kann das Peroxid

in das PE eindiffundieren. Anschließend

erfolgt die Extrusion der Rohre auf

Ein- oder Doppelschneckenextrudern.

Idealerweise sollte die Vernetzung im

Gegensatz zum Engel-Verfahren nicht

schon im Extruder bzw. im Werkzeug

stattfinden. Daher werden beim Ex-

trusionsverfahren Peroxide mit hoher

HDPE-Ketten aufgepfropft werden.

Damit unterscheidet sich die Silan-

vernetzung erheblich von der Pero-

xidvernetzung (Abschnitt 4.3.1) und

der Strahlenvernetzung (Abschnitt

4.3.3). Zum Aufpfropfen der aktiven

Stellen erzeugen Radikalinitiatoren

(Peroxide) primäre Radikalstellen in

der Polymerkette (Abb. 4-8). An diese

lagern sich in einem zweiten Schritt

die Silanmoleküle (Vinyltrialkoxy-

silane, z.B. VTMO = Vinyltrimethoxy-

silan) an. Die eigentliche Vernetzung

erfolgt dann in einem nachgeschalte-

ten Prozess unter Anwesenheit von

H2O über die Reaktion der Silane zu

Si–O–Si-Brücken.

thermischer Stabilität (Halbwertzeit)

bevorzugt. Erst in einem nachgeschal-

teten Prozess werden die extrudierten

Rohre vernetzt (z.B. in einer Wärme-

kammer bzw. in einem temperierten

Salzbad oder mittels IR-Strahlung)

und anschließend kalibriert.

4.3.2 Silanvernetzung (PEXb)


Silanvernetzung

Bei der Silanvernetzung müssen in

einem ersten Schritt die Silanmole-

küle, über die letztendlich die Ketten-

verknüpfung erfolgen soll, auf die

1. Peroxidzerfall


3. Pfropfung des Silans




PE-Kette

Peroxide R∆T

(Radikale)Wärme

Makroradikal

+ RH

Silan-gepfropftes PE

R

Radikale

Makroradikal Trimethoxyvinylsilan

+

Abb. 4-8: Mechanismus der Silanvernetzung

4. Vernetzung (nach der Extrusion,im festen Zustand)

Verbundene PE-Ketten via Si-O-Si-Bindung

Silan gepfropftes PE

+ 3Wasser

Katalysator

(Dibutylzinndilaurat)

+ 3Methanol

Wasser

+

62

Damit diese Polykondensationsreak-

tion in vertretbaren Zeiten stattfin-

det, sind Temperaturen > 80 °C sowie

die Anwesenheit eines Vernetzungs-

katalysators notwendig (z.B. DOTL =

Dioctylzinndilaurat). In der Praxis

erfolgt die

Vernetzung der Rohre in heißem

Wasser oder Dampf bei 80 bis 95 °C.

Z .B. bei einem Rohr mit 2 bis 3 mm

Wanddicke ist die Vernetzung nach

ca. vier bis acht Stunden abgeschlos-

sen. Da die Vernetzung nicht in der

Schmelze erfolgt, bleibt die Dichte

im Vergleich zum PE-Basiswerkstoff

nahezu unverändert.


16892) für PEXb-Rohre beträgt 65 %.

Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt

darin, dass man weitgehend auf kon-

ventionelle Maschinentechnik zurück-

greifen kann. Außerdem ist – anders

als bei der Peroxidvernetzung – das

für den Verarbeitungsprozess zu-

lässige Temperaturintervall größer.

Ein Problem bei der Silanvernetzung

ist, neben dem Umgang mit den

nicht unkritischen Substanzen Silan

und Peroxid, die bei der Vernetzungs-

reaktion entstehenden Neben- und

Zerfallsprodukte, die sich negativ auf

die organoleptischen Eigenschaften

der Rohre auswirken können.

Wie auch bei der Peroxidvernetzung

hängt die Rezeptur, d.h. der Silantyp,

das Peroxid, der Katalysator und die

Stabilisatoren vom PE-Basisrohstoff

und der angestrebten Anwendung ab.


silanvernetzter Rohre

Das Einstufen-Verfahren

Beim so genannten Einstufen-Ver-

fahren (z.B. Monosil®-Verfahren von

Maillefer) erfolgt das Pfropfen des

Silans und die Extrusion des Rohrs

in einem einzigen Verfahrensschritt.

Der für dieses Verfahren optimierte

Spezial-typ ist Lupolen 5031 L Q 449.

Voraussetzungen für eine gute Rohr-

qualität sind eine gleichmäßige

Dosierung und eine homogene Vertei-

lung der Additive vor bzw. während

der Extrusion. Speziell für diesen

Prozess konzipierte Extrusionsanlagen

inklusive der notwendigen Dosier-

und Mischaggregate werden von

verschiedenen aschinenherstellern

angeboten (Abb. 4-9).

Das Zweistufen-Verfahren

Bei dieser Methode ( auch als „Sio-

plas®-Verfahren“ nach Dow Corning

bezeichnet) läuft der Herstellprozess

in zwei voneinander unabhängigen

Verfahrensschritten ab. Im ersten

Schritt wird der PE-Basisrohstoff, hier

das Lupolen 5031 L Q 449, zusam-

men mit dem Silan, dem Antioxidans

und dem Radikalinitiator (Peroxid)

compoundiert und granuliert. Es ent-

steht das vernetzbare, Si-gepfropfte

Copolymer-Granulat. Parallel dazu

wird aus dem gleichen PE-Basisroh-

stoff unter Zugabe des Katalysators,

der Stabilisatoren und der übrigen

Additive ein Katalysator-Masterbatch

hergestellt. Die eigentliche Rohrex-

trusion erfolgt in einem separaten

zweiten Schritt. Dazu werden die

beiden Komponenten, gepfropftes

Silancompound bzw. Katalysator-

Masterbatch – i.d.R. im Verhältnis

95 % : 5 % – auf der Rohranlage un-

mittelbar vor der Verarbeitung ge-

mischt und zu einem Rohr extrudiert.

Die eigentliche Vernetzung erfolgt

wie oben beschrieben im Wasser-

oder Dampfbad.

Der wesentliche Vorteil des Zweistufen-

Verfahrens ist, dass die Rohrherstel-

lung auf konventionellen Einschne-

ckenextrudern erfolgen kann und

vom Rohrhersteller kein spezielles

Know-how erfordert, wie dies z.B.

bei der Peroxidvernetzung oder beim

Einstufen-Verfahren der Fall ist. Silan-

compounds und Katalysator-Master-

batche werden von verschiedenen

Compoundherstellern angeboten

(Adressen auf Anfrage erhältlich).

Abb. 4-9: PEXb-Extrusionsanlage (Bild: Fa. Maillefer SA)

63

4.3.3 Strahlenvernetzung (PEXc)


Strahlenvernetzung

Die seit den 60er Jahren angewandte

Strahlenvernetzung ist eine physika-

lische Vernetzungsmethode. Chemi-

sche Zusatzstoffe wie bei der Silan-

oder Peroxidvernetzung sind nicht

erforderlich. Energiereiche Strahlung

(Elektronen()-Strahlung) spaltet die

Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen,

und es entstehen Radikalstellen in der

Polymerkette (Abb. 4-10, Abb. 4-11).

Die Rekombination von Radikalstellen

aus unterschiedlichen Ketten führt

zur gewünschten Kettenverknüpfung

(C–C-Bindungen).

Für die Strahlenvernetzung eignet

sich das Compound Lupolen 4261 A

Q 416. Es enthält bereits Verarbei-

tungs- und Anwendungsstabilisato-

ren sowie geringe Mengen Polyethyl-

vinylacetat (EVA). Das Produkt ist

sowohl hinsichtlich Herstellprozess

als auch Heisswasseranwendung

optimiert.

Das enthaltene Polyethylvinylacetat

vermeidet Durchschläge bei der

Vernetzung auf kleineren, leistungs-

schwächeren Bestrahlungsanlagen

(< 2,5 MeV).


16892) für PEXc-Rohre beträgt 60 %.


2. Vernetzung

(nach der Extrusion,im festen Zustand)

(nach der Extrusion,im festen Zustand)

PE-Kette Radikale(1 Makroradikal + 1 Wasserstoffradikal)

Verbundene PE-Ketten(Wasserstoffatome verstecktzugunsten einer klareren Struktur)

Elektronen

+Wasser-stoff(Gas)

Abb. 4-10: Mechanismus der Strahlenvernetzung

Elektronenstrahlen

Eindringen von Elektronen in Materie,dabei erfolgt eine Anregungund Ionisierung von Molekülenim bestrahlten Material

Eindringtiefe der Elektronen

Primärelektronen

Sekundärelektronen

bestrahlte Materie

1

4

3

2

2

3

4

1

Abb. 4-11: Schematische Darstellung der Vernetzung im Material

(Bild: Fa. Beta Gamma Service)

64

Abb. 4-12: Schematische Darstellung der Radikalbildung

durch Spaltung von kovalenten Bindungen


Abb. 4-13: Elektronenbeschleuniger (Bild: Fa. Golan Plastics)

Abbildung 4-13 zeigt eine Beschleuni-

gereinheit einer kontinuierlich arbei-

tenden Strahlungsvernetzungsanlage

und in Abb. 4-15 ist der schematische

Aufbau einer solchen Einheit illustriert.


strahlenvernetzter Rohre

Extrusion und Vernetzung finden in

zwei räumlich und zeitlich getrennten

Schritten statt. Aus diesem Grund

kann die Extrusion auf konventionel-

len Extrusionsanlagen erfolgen. Das

Rohr aus Lupolen 4261 A Q 416 wird

extrudiert und auf großen Trommeln

(Länge bis 10. 000 m) aufgewickelt.

Zum Vernetzen wird das Rohr abge-

wickelt und durchläuft mehrfach mit

hoher Geschwindigkeit das Bestrah-

lungsfenster des Elektronenbeschleu-

nigers (Abb. 4-14). Als Folge der

Bestrahlung werden H-Atome aus

den PE-Ketten herausgelöst und H2

freigesetzt. Gleichzeitig erwärmt sich

das Rohr auf Temperaturen bis 90 °C.

Da die Vernetzung im Gegensatz zur

peroxidischen Vernetzung im festen

Zustand erfolgt, findet die Vernet-

zung im Wesentlichen in den amor-

phen Bereichen statt. Dementspre-

chend bleibt der Kristallisationsgrad

und damit die Dichte nahezu unver-

ändert. Zur Erzielung des geforderten

Vernetzungsgrades von > 60 % ist

i.d.R. eine Strahlendosis von 100 – 150

kGy erforderlich (Gray: 1 kGy = 1 kJ/kg

= 0,1 Mrad (alte Einheit)). Für Haus-

installationsrohre (Durchmesser:

10 bis 35 mm, Wanddicke: 1,2 bis 3)

übliche Beschleunigerspannungen

liegen zwischen 1,5 und 5 (10) MeV.

65

Abb. 4-15: 10 MeV-Elektronenbeschleuniger


Abb. 4-14: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Vernetzungsanlage


5. Ablenkmagnete für den Elektronenstrahl

6. Vakuumpumpe

7. Elektronenkanone

8. Ausgang für 10 MeV-Elektronen

1. Kupferbeschichteter Hohlraum

2. RF-Verstärker

3. Kühlsystem

4. Haltering für die Magnete

7

8

4

132

5

6

66

Zur Herstellung von Formstücken,

die in Rohrsystemen in großen Stück-

zahlen erforderlich sind, ist das

Spritzgießen das gebräuchlichste Ver-

fahren. Beispiele für Formstücke sind

Schweißfittings (Abb. 5-1), Winkel-

stücke für 90°-T-Stücke oder 45°-T-

Stücke, Muffen, Reduzierstücke für

den Übergang auf andere Rohrdurch-

messer, Bundbuchsen oder Vorschweiß-

bunde.

5.1 Granulatvorbehandlung

Zur Trocknung des Granulats gelten

die gleichen Hinweise wie beim

Extrudieren (siehe 3.2.2 Granulat-

vorbereitung, S. 45).

Spritzgießen der Formstücke

Zur Herstellung von Formstücken, die in Rohrsystemen ingroßen Stückzahlen erforderlich sind, ist das Spritzgießendas gebräuchlichste Verfahren.

Abb. 5-1: Elektroschweißfittings aus Hostalen CRP 100

(Foto: Fa. Streng)

(Foto: Fa. Streng)

67

5.2 Maschinenseitige

Voraussetzungen für

das Spritzgießen

Die Fertigung von Formstücken erfolgt

größtenteils auf Spritzgießmaschinen

herkömmlicher Bauart.

In der Plastifiziereinheit werden vor-

zugsweise Schnecken mit Rückström-

sperre eingesetzt. Gebräuchlich sind

Dreizonenschnecken mit 15 bis 25 · D

Länge. Für eine ausreichende ther-

mische Homogenität sind längere

Schnecken (über 18 bis etwa 25 · D)

günstig. Zusätzliche Mischelemente

ebenso wie statische Mischer zeigen

im Allgemeinen keine signifikanten

Vorteile. Sonderausrüstungen, zum

Beispiel zur Entgasung, sind nicht

erforderlich.

5.3 Werkzeuge

Für den Bau von Werkzeugen für

Formstücke gelten die für Spritzgieß-

werkzeuge allgemein anzuwendenden

Erkenntnisse.

Für die Entscheidung, ob ein Einfach-

oder ein Mehrfachwerkzeug gebaut

werden soll, sind die Formteilgröße

und Formteilgestalt, die Daten der

für die Fertigung vorgesehenen

Spritzgießmaschine und die Stückzahl

maßgebend. Die Wahl zwischen Heiß-

und Kaltkanalwerkzeugen richtet

sich primär nach wirtschaftlichen

Gesichtspunkten.

Die Verarbeitung von den Hostalen-

und Lupolen-Werkstoffen auf Heiß-

kanalwerkzeugen ist Stand der Tech-

nik. Es ist jedoch zu beachten, dass

nicht alle am Markt befindlichen

Systeme gleichermaßen geeignet

sind. Insbesondere ein genügend

großer Querschnitt im Verteiler und

in den Düsen ist ein entscheidendes

Kriterium für die Verarbeitbarkeit

dieser hochmolekularen PE-Typen.

Besondere Aufmerksamkeit kommt

bei Formstücken einer ausreichenden

Kernfixierung, mitunter komplizier-

ten Entformungsmechanismen und,

zur Erzeugung eines optimalen Füll-

bilds, speziellen Angusssystemen zu.

Als Beispiele seien hier Zwangsent-

formungen (wie etwa O-Ring-Nuten)

oder Kernteilungen zur Entformung

innerer Hinterschnitte genannt.

Zur Erzeugung eines gleichmäßigen

Schmelzeflusses eignen sich Ringan-

gusssysteme mit exzentrischer Wand-

dickenverteilung. Viele dieser techni-

schen Lösungen sind patentrechtlich

geschützt.

Zur wirksamen Kühlung langer Werk-

zeugkerne haben sich unter der

Oberfläche liegende Kühlwendeln

bewährt.

Bereits in der Planungsphase des Werk-

zeugs können mit Hilfe computerge-

stützter Methoden der Füllvorgang

(z.B. mit der Software MOLDFLOW

oder CADMOULD) sowie die mechani-

schen und thermischen Verhältnisse

im Werkzeug simuliert werden. Soweit

verfügbar stellt Basell die rheologi-

schen Datensätze für MOLDFLOW auf

Anfrage zur Verfügung. Nachträgliche

Korrekturen bei der Herstellung des

Werkzeuges lassen sich dadurch auf

ein Mindestmaß beschränken.

68

5.4 Verarbeitung

Die Produktion von Formstücken für

Druckrohre ist ein Sondergebiet des

Spritzgießens von HDPE und PP.

Formstücke müssen als Teil des Rohr-

systems die gleichen hohen Anforde-

rungen hinsichtlich mechanischer

Festigkeit und Zeitstandverhalten er-

füllen wie das Rohr selbst. Sie müssen

daher aus den hochmolekularen, zähen

und damit auch schwerfließenden

Werkstoffen für die Rohrextrusion

hergestellt werden, die im Spritz-

gießen schwer zu verarbeiten sind.

Die Hostalen-, Hostalen PP- und

Lupolen-Werkstoffe lassen sich ohne

weiteres zu dickwandigen Formstük-

ken verarbeiten. Der Konstrukteur

des Werkzeugs und der Bediener der

Spritzgießmaschine müssen jedoch

große Erfahrungen bei Anwendung

und Verarbeitung von hochmolekula-

rem HDPE haben.

Das Material verhält sich in der

Schmelze anders als niedermoleku-

lare Spritzgießtypen. Der aus der

Düse austretende Schmelzestrang hat

eine hohe Molekülorientierung. Auf

Grund der hohen Molekülorientierung

sind am Fertigteil häufig Schlieren

sichtbar, die von Stick-Slip-Effekten

bei der Formfüllung herrühren. Die

Orientierung der Schmelze führt bei

runden Teilen durch die hohe Schwin-

dungsdifferenz zwischen Fließrichtung

und quer dazu leicht zu ovalisieren-

dem Verzug.

Die Bindenähte haben großen Einfluss

auf die Zeitstandfestigkeit eines Form-

stücks. Ihre Lage ist durch die Anguss-

lage vorbestimmt. Es ist anzustreben,

die Bindenähte außerhalb der Bereiche

zu legen, in denen unter Belastung

des Formstücks geometriebedingt

höhere Spannungen auftreten.

Abbildung 5-2 zeigt den Einfluss des

Angusssystems und seiner Platzierung

auf die im Innendruckversuch ermit-

telte Standzeit von T-Formstücken

mit einem Durchmesser von 63 mm.

Durch den Schmelzezusammenfluss

entstehen Bindenähte, die zu einer

Schwächung des Formstücks führen

können. Je mehr solche Schwachstel-

len auf Grund der Angussart und

Angusslage entstehen, umso kürzer

ist die Standzeit. Vergleichende

Versuche mit T-Formstücken haben

gezeigt, dass die Verwendung von

Y-förmigen Innenschirmangüssen die

besten Zeitstandergebnisse liefert.

Durch die gleichmäßige Formfüllung

ohne Bindenähte weisen diese Form-

stücke auch die geringste Ovalität

auf. Mit Abstand die schlechtesten

Zeitstandwerte zeigten T-Formstücke

mit Rückenanguss. Formstücke

mit Seiten- bzw. Ringanguss liegen

dazwischen.

Die gegenüber konventionellen

Spritzgusstypen vergleichsweise hohe

Schmelzeviskosität von Werkstoffen

für die Rohrextrusion erfordert beim

Spritzgießen von Formstücken mit

zumeist geringen Wanddicken und

langen Fließwegen, wie sie z.B.

bei Hausabflussrohren verwendet

werden, eine Verarbeitung bei relativ

hohen Massetemperaturen.

relative Vergleichsspannung [%]

Belastungsdauer [h]log t

log

Rückenanguss Seitenanguss Ringanguss

Y-Anguss

Fließnähte

100

80

60

Abb. 5-2: Einfluss des Angusssystems auf die Standzeit von T-Stücken aus

Hostalen, Durchmesser 63 mm, Zeitstandtest bei 80 °C

69

5.4.1 Zylindertemperaturen,

Massetemperatur

Die Massetemperatur sollte zwischen

230 und 280 °C liegen. Die dazu not-

wendigen Zylinder- und Düsentempe-

raturen sind in Abbildung 5-3 zusam-

mengestellt. Die Temperatur der

Schmelze im Schneckenvorraum kann

manuell durch Einstechmessgeräte

ermittelt werden. Bei Abweichungen

müssen die Einstellungen der Zylinder-

und Düsenheizung korrigiert werden.

Die Massetemperatur sollte grundsätz-

lich überprüft werden; die in der Spritz-

gießmaschine integrierten Masse-

temperaturfühler zeigen meist nicht

die Ist-Temperatur der Schmelze an.

Die erforderliche Massetemperatur

wird einerseits durch die Zylinderhei-

zung (Wärmezufuhr von außen), an-

dererseits durch Friktion (Wärmezufuhr

durch innere und äußere Reibung, be-

dingt durch die Drehung der Schnecke

und den Staudruck) erreicht.

5.4.2 Werkzeugwandtemperaturen

Die Abkühlgeschwindigkeit – und

damit die Kühlzeit und die Zyklus-

zeit – wird von der Werkzeugwand-

temperatur und der Formteildicke

bestimmt. Eine zu schnelle Abküh-

lung der Schmelze mit dem Ziel,

kürzere Kühl- bzw. Zykluszeiten zu

erreichen, ist zugunsten der Form-

teilqualität zu vermeiden.

Die Temperaturführung im Werkzeug

ist für die Höhe der Nachschwindung,

die Differenz der Schwindung in Fließ-

richtung und quer dazu sowie für

das Verzugsverhalten verantwortlich.

eine Werkzeugwandtemperatur von

20 °C wählen, muss mit einer nicht

optimalen Bauteiloberfläche (starke

Schlieren) und einer Schwächung

der Bindenähte gerechnet werden.

2

3

4

TM

pSt pN pSP

TW2TW1

T1 = 190°CT2 = 210°CT3 = 220°CT4 = 240°CTD = 250°CTM = 200 bis 280°C(Hostalen PP H7350FLS 303064TM = 200 bis 230°C)

TD T4 T3 T2 T1

Einspritzdruck pSp = 600 bis max. DruckNachdruck pN = 50-100% des EinspritzdrucksStaudruck pSt = 50 bis 200 barEinspritzgeschwindigkeit: möglichst hoch,abhängig vom FormteilDüsenbauart: vorzugsweise geschlossen

Hostalen PP

T1 = 190°CT2 = 210°CT3 = 220°CT4 = 240°CTD = 260°CTM = 230 bis 280°C

Einspritzdruck pSp = 500 bis 1.000 barNachdruck pN = 400 bis 500 barStaudruck pSt = 30 bis 200 barEinspritzgeschwindigkeit: niedrig, gestuftTW1, TW2 = 30 bis 70°CDüsenbauart: vorzugsweise geschlossen

Hostalen HDPE

Abb. 5-3: Typische Verarbeitungsbedingungen beim Spritzgießen

hochmolekularer Hostalen- und Hostalen PP-Typen

Tab. 5-1: Veränderungen am Formstück bei steigender Werkzeugwandtemperatur

Die Werkzeugwandtemperatur sollte

70 °C (Einstellwert am Temperiergerät

mindestens 50 °C) betragen. Ihren

Einfluss auf Formteileigenschaften

und Verarbeitungsparameter zeigt

Tabelle 5-1. Sollte der Verarbeiter

aus Gründen kurzer Zykluszeiten

Steigende Werkzeugtemperatur ergibt

Abnahme von Zunahme von

Verzugsneigung Kühlzeit

Nachschwindung Siegelzeit

Schwindungsdifferenz im Formnest wirksame Nachdruckzeit

Eigenspannungen Rekristallisation

Orientierungsgrad Dichte

Spannungsrissanfälligkeit Härte

Formfüllwiderstand Steifigkeit, Maßbeständigkeit

70

5.4.3 Plastifizierbedingungen

Die Schneckendrehzahl sollte so hoch

gewählt werden, dass die Masse 2

bis 5 s vor dem Öffnen des Werkzeugs

vollständig plastifiziert ist.

Der spezifische Staudruck pst beim

Plastifizieren sollte zwischen 30 und

100 bar liegen. Ein hoher Staudruck

verbessert die Homogenität der hoch-

molekularen Schmelze entscheidend.

5.4.4 Einspritzdruck und

Nachdruck

Der Einspritzdruck ist erforderlich, um

die Schmelze in den Werkzeughohl-

raum zu befördern. Der Nachdruck

muss die beim Erstarren einsetzende

Volumenkontraktion wenigstens teil-

weise ausgleichen. Der erforderliche

Einspritzdruck hängt von der Visko-

sität der Schmelze, dem Verhältnis

von Fließweg zu Wanddicke und

der Angussart ab. Er liegt bei dick-

wandigen Formstücken in der Regel

zwischen 500 und 1.000 bar.

Bei der Herstellung dickwandiger

Formstücke aus Werkstoffen für die

Rohrextrusion hat sich gezeigt, dass

Einspritzdruck und Nachdruck im

Verhältnis 1 : 0,5 zu wählen sind.

Für den Volumenausgleich und zum

Aufrechterhalten des Drucks ist ein

Massepolster erforderlich, das etwa

1/10 des Schussvolumens beträgt.

Von gleicher Bedeutung wie die Höhe

des Nachdrucks ist die Zeit, während

der der Druck wirksam ist. Die Nach-

druckzeit muss so bemessen sein,

dass durch einen plastischen Kern im

Anschnitt genügend Schmelze nach-

geschoben werden kann, um die mit

dem Abkühlen der Schmelze von Ver-

arbeitungs- auf Erstarrungstempera-

tur verbundene Volumenkontraktion

auszugleichen. Die Nachdruckzeit be-

trägt meist mehr als 40 % der Gesamt-

zykluszeit.

Die Schnecken-Vorlaufgeschwindig-

keit bestimmt die Einspritzgeschwin-

digkeit. Sie soll bei dickwandigen

Formstücken nur so hoch eingestellt

werden, dass die Werkzeughöhlung

ohne Einfallstellen gefüllt wird. Es

soll mit möglichst niedriger Einspritz-

geschwindigkeit gearbeitet werden.

Damit ist ein deutlicher Anstieg der

Formteilzähigkeit zu verzeichnen.

Die Entformungstemperatur beträgt

in der Regel 80 °C.

5.4.5 Zykluszeit

Da aus den hochmolekularen Werk-

stoffen überwiegend dickwandige

Formstücke hergestellt werden,

ist mit sehr langen Zykluszeiten zu

rechnen.

5.5 Fließverhalten und

Fließweglängen

Thermoplaste zeigen in der Schmelze

ein viskoses Fließen, wie in Abschnitt

3.1.1 (S. 42) ausführlich beschrieben

ist. Die Viskosität der Schmelze ist

von der Temperatur und der Scherge-

schwindigkeit abhängig. Mit zuneh-

mender Schergeschwindigkeit nimmt

die Viskosität ab, die Masse fließt

leichter.

Die beim Spritzgießprozess auftreten-

den Schergeschwindigkeiten liegen im

Bereich von 103 bis 104 s-1. Die Scher-

geschwindigkeit nimmt im Formhohl-

raum ab und ist in der Nachdruckphase

sehr gering.

Für rheologische Berechnungen von

Spritzgießwerkzeugen stehen die

Viskositätskurven (Viskosität über

der Schubspannug bei gegebener

Schmelzetemperatur) der einzelnen

Hostalen-, Hostalen PP und Lupolen-

Typen zur Verfügung. Diese zeigen,

dass mit wachsender Schergeschwin-

digkeit die Viskosität ab- und die

Schubspannung zunimmt. Die indi-

viduellen Daten zu den unterschied-

lichen Basell-Werkstoffen können bei

Bedarf angefordert werden.

Weiterhin dienen zur Charakterisie-

rung der Fließfähigkeit der Schmelz-

index MFR 190/5 nach ISO 1133

sowie die Länge einer unter definier-

ten Bedingungen spritzgegossenen

Spirale. Dieser Spiraltest ermöglicht

eine praxisgerechte Beurteilung der

in einem Spritzgießwerkzeug erreich-

baren Fließweglänge. Beim Spiraltest

wird die plastifizierte Formmasse in

ein Werkzeug mit einem langen Fließ-

kanal gespritzt, der aus Platzgründen

spiralförmig angeordnet ist.

71

Dabei erstarrt die Schmelze nach

einer bestimmten Fließweglänge ent-

sprechend ihrer Viskosität und ihrer

Kristallisationsgeschwindigkeit.

Die Fließfähigkeit ist vom PE-Typ,

von den Verarbeitungsbedingungen

(Schmelzetemperatur, Einspritzge-

schwindigkeit, Einspritzdruck, Werk-

zeugtemperatur) sowie von Dicke

und Breite des Fließkanals der Spirale

abhängig.

Bei Spritzgießwerkzeugen für Form-

stücke wird die erreichbare Fließweg-

länge durch Art und Größe des An-

gusskanals und des Anschnitts sowie

durch Fließhindernisse wie Umlenkun-

gen des Schmelzestroms beeinflusst.

Der Spiraltest stellt deshalb eine Ver-

einfachung dar, dessen Ergebnisse

jedoch als Richtwerte gute Dienste

leisten.

Die Fließweglänge über der Wand-

dicke (1 bis 5 mm) für Hostalen CRP

100 black, Hostalen GM 5010 T3

black und Hostalen GM 9310 C sen-

den wir Ihnen auf Anfrage gerne zu.

5.6 Maßgenauigkeit

und Schwindung

Die Maßgenauigkeit von Spritzguss-

teilen wird bestimmt durch die Form-

masse (Längenausdehnungskoeffi-

zient, Verarbeitungsschwindung,

Nachschwindung, Einfärbung) sowie

durch Formteilgeometrie, Werkzeug-

bauart, Spritzgießmaschine, Herstell-

und Einsatzbedingungen.

Bei der Schwindung unterscheidet

man zwischen der Verarbeitungs-

schwindung VS und der Nachschwin-

dung NS. Die Summe daraus wird als

Gesamtschwindung GS bezeichnet.

Die Verarbeitungsschwindung ergibt

sich als Differenz aus den Maßen des

kalten Werkzeugs und des kalten

Formteils:

VS = Verarbeitungsschwindung

MW = Maß des kalten Werkzeugs

Mf = Maß des kalten Formteils

Die Schwindung ist abhängig von den

Verarbeitungsbedingungen sowie von

der Auslegung des Formteils und des

Werkzeugs (Tab. 5-2). Der Innendruck

im Formnest nimmt mit der Entfernung

vom Anschnitt ab; Lage, Form und

Anzahl der Angüsse beeinflussen die

Orientierung. Dies erklärt die oft unter-

schiedliche Schwindung an verschie-

denen Stellen komplizierter Formteile.

Die Verarbeitungsschwindung sollte

24 h nach dem Spritzgießen ermittelt

werden, da bis zu dieser Zeit Nachkri-

stallisation und Relaxation von

Eigenspannungen noch deutliche

Maßänderungen bewirken können.

An einer Schweißmuffe (Durchmesser

32 mm, Wanddicke 6 mm) aus den

hochmolekularen Hostalen-Typen CRP

100 und GM 5010 T3 wurde beispiel-

haft eine Verarbeitungsschwindung

von 4,8 % bis 6,1 % für den Durchmes-

ser gemessen. Parallel zur Spritzrich-

tung lag die Verarbeitungsschwindung

zwischen 2,7 und 3,3 %.

Tab. 5-2: Einflussgrößen auf das Schwindungsverhalten

Zunehmend Schwindung Schwindung

nimmt zu nimmt ab

Massetemperatur teilweise

Entformungstemperatur deutlich

Einspritzzeit teilweise

Entfernung vom Anguss deutlich

Nachdruck deutlich

Nachdruckzeit deutlich

Zykluszeit teilweise

Spritzdruck deutlich

Wanddicke deutlich

Angussquerschnitt deutlich

Werkzeugtemperatur deutlich

Staudruck nur gering

Einspritzgeschwindigkeit nur gering

5-1

VS = (MW - Mf)/MW · 100 %

72

Beim Spritzgießen von sehr dickwan-

digen Formstücken ist die Schwindung

nicht unbedingt größer als bei dünn-

wandigen Teilen: Bei großer Wand-

dicke und entsprechendem Anschnitt

kann genügend lange Schmelze nach-

gedrückt werden. Dies kompensiert

die Schwindung zum Teil (Abb. 5-4).

Hinweis: Die Messung der Schwindung

erfolgte an so genannten Campus-

Platten 60 mm · 60 mm · 4 mm Wand-

dicke, längs und quer zur Fließrich-

tung. Es handelt sich folglich um eine

so genannte Flächenschwindung.

Die Schwindung ist längs und quer

zur Fließrichtung unterschiedlich

(Abb. 5-5). Diese Schwindungsdiffe-

renz ist nur teilweise über die Verar-

beitung beeinflussbar. Die Einfluss-

nahme auf das Schwindungsverhalten

ist über Verarbeitungsparameter

begrenzt möglich (bis 0,2 %).

Der Unterschied zwischen Verarbei-

tungsschwindung VS und Gesamt-

schwindung GS von hochmolekularen

Hostalen- und Lupolen-Typen ist gering,

d.h. die Nachschwindung liegt im

Bereich von 0,1 bis 0,2 %, ist aber

abhängig von den Verarbeitungsbe-

dingungen an der Spritzgießmaschine.

Schwindung in Fließrichtung [%]

Wanddicke [mm]1

5

4

3

2

1

00 2 3 4 5 6

Abb. 5-4: Abhängigkeit der Gesamtschwindung von der Wanddicke bei

Hostalen GM 5010 T3 black und Hostalen CRP 100 black, Platte 120 mm x 80 mm.

Verarbeitungsparameter:

Massetemperatur: 270 °C

Werkzeugwandtemperatur: 60 °C

Einspritzdruck: 1.000 bar

Nachdruck: 500 bar

Staudruck: 30 bar

Gesamtschwindung in % senkrecht zur FließrichtungGesamtschwindung in % parallel zur Fließrichtung

GM 5010 T3black

0

2

3

4

CRP 100black

GM 9310 Cblack

1

GM 5010 T3black

0

2

3

4

CRP 100black

GM 9310 Cblack

1

Abb. 5-5: Gesamtschwindung der Hostalen-Typen CRP 100 black, GM 5010 T3

black und GM 9310 C black parallel und senkrecht zur Fließrichtung.

Verarbeitungsparameter:

Massetemperatur: 260 °C

Werkzeugwandtemperatur: 40 °C

Einspritzdruck: 1.500 bar

Nachdruck: 900 bar

Staudruck: 10 bar

73

Rohre und Rohrleitungsteile aus

Polyolefinen lassen sich auf thermi-

schem oder mechanischem Weg mit-

einander verbinden. Gleiche Werkstoffe

können miteinander verschweißt

werden. Polyethylen läßt sich nicht

mit Polypropylen verschweißen. Die

wichtigsten thermischen Verfahren

sind das Heizelement-Stumpfschwei-

ßen und das Heizwendelschweißen.

Die Steck- und die Klemmverbin-

dungstechnik ergeben mechanische

Verbindungen. Die üblichen Anwen-

dungsgebiete sind in Tabelle 6-1 über-

sichtlich aufgeführt.

6.1 Schweißen von

unvernetzten Rohren

Beim Schweißen werden die Verbin-

dungsflächen der zu schweißenden

Materialien unter Anwendung von

Wärme und Druck plastifiziert und

mit oder ohne Schweißzusatz zusam-

mengefügt. Nach wissenschaftlichen

Erkenntnissen geht man heute von

der Vorstellung aus, dass die aufge-

schmolzenen Grenzbereiche der Füge-

flächen ineinander fließen und sich

die Makromoleküle in der viskoelasti-

schen Schmelze durchdringen und

verknäulen.

Die Güte einer Schweißverbindung ist

auch abhängig von der Qualifikation

des Schweißers, der Eignung der ver-

wendeten Maschinen und Vorrichtungen

sowie der Einhaltung der Schweißricht-

linien. Die Qualität von Schweißver-

bindungen kann durch zerstörungs-

freie und zerstörende Prüfungen

überprüft werden.

Rohrverbindungstechnik

Rohre und Rohrleitungsteile aus Polyolefinen lassen sichauf thermischem oder mechanischem Weg miteinanderverbinden. Die wichtigsten thermischen Verfahren sinddas Heizelement-Stumpfschweißen und das Heizwendel-schweißen.

Tab. 6-1: Anwendungsgebiete der mechanischen und thermischen Verbindungstechnik für Rohre aus HDPE und PP

Durchmesser Anwendungsgebiet Haupteinsatzgebiet

Klemmverbinder bis 250 mm Gas und flüssige Medien, niedere Drücke Hausanschlüsse

Steckverbinder bis 160 mm Gas und flüssige Medien, niedere Drücke Hausanschlüsse

Heizelement-Stumpf- bis 1.600 mm Gas und flüssige Medien, Gas-/Wasserleitungen

schweißen alle Druckstufen großen Durchmessers

Heizwendel- bis 500 mm Gas und flüssige Medien, Gas-/Wasserleitungen bis

schweißen alle Druckstufen d 500 mm, Mischwerkstoffe

(PE 63/80/100), Reparaturen

Heizelement- bis 160 mm bevorzugt Polypropylen, Hausinstallation, bis 10 bar

Muffenschweißen Heiß- und Kaltwasser

74

Für die Anforderungen an das

Schweißen und Prüfen von Rohr-

leitungssystemen, die nach deut-

scher Norm verlegt werden, gelten

die Richtlinien des DVS (Deutscher

Verband für das Schweißen und

verwandte Verfahren e.V.): DVS 2207

Teil 1, „Schweißen von thermoplasti-

schen Kunststoffen-Heizelement-

schweißen von Rohren, Rohrlei-

tungsteilen und Tafeln aus PE-HD“,

DVS 2207 Teil 11, „Schweißen von

thermoplastischen Kunststoffen –

Heizelementschweißen von Rohren,

Rohrleitungsteilen und Tafeln aus

PP“. Für den Praktiker werden Kurz-

fassungen dieser Merkblätter heraus-

gegeben. Weiterhin gelten die DVGW

Regelwerke.

6.1.1 Schweißeignung von

Hostalen und Lupolen

In der Richtlinie DVS 2207 Teil 1,

Fassung vom August 1995, ist die

Schweißeignung definiert. In dieser

Richtlinie ist im Hinblick auf die

Schweißeignung festgelegt:

Unter Beachtung der folgenden

Anweisungen kann von einer

Eignung innerhalb der Schmelz-

indexwerte MFR 190/5 von 0,3 bis

1,7 g/10 min ausgegangen werden.

Außerhalb des Schmelzindexberei-

ches ist der Eignungsversuch im

Zeitstand-Zugversuch nach DVS 2203

Teil 4 zu führen.

Alle PE 80-Werkstoffe der Basell

liegen innerhalb der Eignungsgrenzen.

Die Schweißeignung ist ohne geson-

derte Prüfung gegeben.

Für Hostalen CRP 100 mit einem MFR

190/5 von 0,22 g/10 min ist die

Schweißeignung gemäß DVS 2203

Teil 4 mit dem erforderlichen Schweiß-

faktor von > 0,8 nachgewiesen

(Bericht Nr. R 96 01 012 der Hessel

Ingenieurtechnik GmbH, Roetgen).

Der Nachweis ist erbracht für die Far-

ben black, blue und orange-yellow

sowie für die Verschweißbarkeit von

Hostalen CRP 100 mit Hostalen GM

5010 T3. Weitere Prüfungen über Ver-

schweißbarkeit mit PE-Werkstoffen

anderer Hersteller wurden ebenfalls

durchgeführt und können auf Anfra-

ge mitgeteilt werden.

6.1.2 Erläuterung der beim

Schweißen verwendeten

Begriffe

Angleichen

Beim Angleichen werden die zu schwei-

ßenden Fügeflächen so lange an das

Heizelement gedrückt, bis sie flächig

und planparallel am Heizelement an-

liegen. Dies ist an der Ausbildung

zweier umlaufender Wülste zu erken-

nen. Das Angleichen ist abgeschlos-

sen, wenn die Wulsthöhen am gesam-

ten Rohrumfang die spezifizierten

Werte erreicht haben. Die Wulsthöhen

gelten als Indiz dafür, dass die Füge-

flächen vollständig am Heizelement

anliegen.

Anwärmen

Zum Anwärmen müssen die Flächen

mit geringem Druck am Heizelement

anliegen. Beim Anwärmen dringt

die Wärme in die zu schweißenden

Flächen ein und bringt diese auf

Schweißtemperatur.

Umstellen

Nach dem Anwärmen sind die Füge-

flächen vom Heizelement zu lösen.

Das Heizelement ist ohne Beschädi-

gung und Verschmutzung der erwärm-

ten Fügeflächen herauszunehmen.

Die Fügeflächen sind sofort miteinan-

der in Berührung zu bringen. Die

Umstellzeit ist so klein wie möglich

zu halten, da sonst die Oberfläche

der plastifizierten, auf Schweißtem-

peratur gebrachten Fügeflächen

abkühlt. Dies ergibt eine schlechte

Schweißverbindung.

75

Fügen

Die plastifizierten Flächen werden zu-

sammengefügt. Die zu schweißenden

Flächen sollen bei Berührung mit einer

Geschwindigkeit nahe null zusammen-

treffen. Danach ist der Fügedruck zü-

gig auf den Endwert von 0,15 N/mm2

zu steigern. Der Fügedruck ist gemäß

DVS 2207 während der Abkühlzeit

aufrechtzuerhalten. Während dieser

Zeit darf die Verbindung nicht belastet

werden. Eine nennenswerte Belastung

ist erst nach einer verlängerten

Abkühlzeit zulässig, wenn die Werk-

stofftemperatur im Innern der Naht-

verbindung nahezu auf die Rohrwand-

temperatur abgesunken ist.

Nach dem Fügen soll auf dem ganzen

Umfang ein Doppelwulst vorhanden

sein. Die Wulstausbildung gibt erste

Hinweise auf die Gleichmäßigkeit

der Schweißung. Unterschiedliche

Wulstausbildungen können durch

verschiedenartiges Fließverhalten

(unterschiedliche Schmelzindizes) der

verbundenen Materialien begründet

sein.


schweißen von Rohren

Das wichtigste Verfahren zum Verbin-

den von Rohren aus HDPE ist das Heiz-

element-Stumpfschweißen. Dieses

kostengünstige und einfache Verfah-

ren ist bei Großrohren mit mehr als

500 mm Durchmesser praktisch die

einzige Verbindungsmöglichkeit.

Beim Heizelement-Stumpfschweißen

(Abb. 6-1) werden die Fügeflächen

mit einem Heizelement auf Schweiß-

temperatur gebracht und die so pla-

stifizierten Rohrenden – nach Entfer-

nen des Heizelements – unter Druck

zusammengefügt. Die Heizelement-

temperatur beträgt 210 ± 10 °C.

Das Schweißen läuft in festgelegten

Verfahrensschritten ab. Sie sind in

Deutschland durch den DVS, in den

Niederlanden durch den NIL sowie

in Großbritannien durch den BGC

einheitlich beschrieben. Der Ablauf

eines Schweißzyklus ist in Abbildung

6-2 dargestellt.

Vorbereiten

Anwärmen

Fertige Verbindung

HeizelementRohr Rohr

Abb. 6-1: Prinzip des Heizelement-

Stumpfschweißens

Druck

Angleich undFügedruck

Anwärmdruck

Angleich-zeit Anwärmzeit

Umstellzeit

Füge- und Abkühlzeit

Zeit

Schweißzeit

HeizelementRohr Rohr

Abb. 6-2: Schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Heizelement-

Stumpfschweißens mit den entsprechenden Druckstufen nach DVS 2207 Teil 1

76

Abweichend von dem in den Normen

festgelegten Schweißzyklus hat WRC

(Großbritannien) in Zusammenarbeit

mit Pipeline Developments Ltd. in

einer Studie für Rohrleitungen mit

einer Wanddicke über 20 mm den in

Abbildung 6-3 dargestellten Schweiß-

zyklus ermittelt:

Das belgische Prüfinstitut Becetel

führte in Zusammenarbeit mit dem

Rohrhersteller Electrabel eine Unter-

suchung über neue Parameter für

das Heizelement-Stumpfschweißen

durch. Es ergab sich für Rohre mit

kleinem Durchmesser ein von Roh-

ren mit größerem Durchmesser

unterschiedlicher Schweißzyklus

(Abb. 6-4 und 6-5). Die empfohlenen

Drücke (D) und Zeiten (t) sind bei

den genannten Instituten zu erfragen.

Druck

Zeit

D1

D2

D52

D51

t1 t2 t3 t4 t51 t52

Abb. 6-3: Schweißzyklus WRC/Pipeline Developments,

prinzipielle Darstellung

Druck

Zeitt51t4t3t2

D51

D2

Abb. 6-4: Schweißzyklus Becetel/Electrabel für Rohre

110 mm < 0 < 250 mm, prinzipielle Darstellung

Zeitt52t51t3t2

Druck

D2

t4

D51

D52

Abb. 6-5: Schweißzyklus Becetel/Electrabel für Rohre

250 mm < 0 < 315 mm, prinzipielle Darstellung

77

enden mittels eines elektrischen

Schweißgeräts eine Spannung ange-

legt.

Der dadurch fließende Strom erwärmt

den Draht, der wiederum den ihn

umgebenden Kunststoff aufschmilzt.

Durch die Erwärmung schrumpft die

Muffe und bringt so den zum Schwei-

ßen erforderlichen Fügedruck auf.

Der für das Schweißen notwendige

Stromfluss ist am Schweißgerät in

Abhängigkeit von der Größe des

Formstücks einzustellen bzw. wird

vom Schweißgerät automatisch über-

nommen. Das Schweißen selbst läuft

automatisch ab. Eine nennenswerte

Belastung ist erst nach einer verlän-

gerten Abkühlzeit zulässig, wenn die

Werkstofftemperatur im Innern der

Nahtverbindung nahezu auf die Rohr-

wandtemperatur abgesunken ist.

Universell anwendbare Schweißgeräte,

die eine Schweißung von Formstücken

verschiedener Fabrikate ermöglichen,

sind inzwischen Stand der Technik.

6.1.5 Weitere Schweißverfahren

In der DVS-Richtlinie 2207 Teil 1 sind

folgende Schweißverfahren neben den

bereits erwähnten beschrieben:

• Heizelement-Stumpfschweißen

von Anbohrarmaturen,

• Heizwendelschweißen

von Anbohrarmaturen,

• Heizwendelschweißen

von Formstücken,

• Heizelement-Muffenschweißen.

Nicht als Standardverfahren ist das In-

frarotschweißen anzusehen. Experi-

mente zur Anwendung bei Gasrohren

sind u. a. vom Edison Welding Institute

Columbus, Ohio/USA, durchgeführt

worden.

6.1.6 Allgemein zu beachtende

Hinweise

Für die beschriebenen Schweißver-

fahren sind folgende allgemeine

Hinweise zu beachten:

• Mit Schweißarbeiten dürfen in

Deutschland nur solche Rohrlei-

tungsbaufirmen betraut werden,

die eine entsprechende Zulassung

besitzen (z.B. DVGW-Arbeitsblatt

GW 301) und über ausgebildete

und geprüfte Rohrschweißer ver-

fügen (z.B. DVGW-Arbeitsblatt GW

326 und GW 330). In anderen Län-

dern gelten ähnliche Richtlinien.

• Es muss sichergestellt sein, dass die

Werkstoffe untereinander schweiß-

bar sind. Dies ist innerhalb der ein-

zelnen Schmelzindexgruppen gemäß

der deutschen DVS-Richtlinie 2207,

Teil 1 gegeben (s. Abschnitt 6.1.1).

Die Werkstoffe von verschiedenen

Schmelzindexgruppen nach DIN

16776 Teil 1 sind auch untereinan-

der schweißbar. Hierbei kann es

vorkommen, dass durch das unter-

schiedliche Fließverhalten der mit-

einander schweißbaren Materialien

sich unterschiedlich große Schweiß-

wülste bilden.

• PE-Rohre vom Ringbund sind un-

mittelbar nach dem Abrollen meist

etwas oval. Die zu schweißenden

Rohrenden sind daher vor dem

Schweißen zu richten, beispielsweise

durch vorsichtiges Anwärmen auf

etwa 100 °C mit Hilfe eines Warm-

luftgeräts oder durch Einspannen in

passende Runddrückklemmen.

• Der Schweißbereich ist vor ungüns-

tigen Witterungseinflüssen (z.B.

Feuchtigkeitseinwirkung, Wind,

Temperatur unter 0 °C) zu schüt-

zen. Wenn durch geeignete Maß-

nahmen, wie Vorwärmen, Aufstel-


Beim Heizwendelschweißen (Abb. 6-6)

verwendet man zum Verbinden der

Rohre Formstücke, deren Muffen Wider-

standsdrähte enthalten. Diese werden

bereits beim Fertigen der Formstücke in

das Werkzeug eingelegt und umspritzt.

Die Heizwendel-Muffenverschweißung

ist eine Verbindungsart für alle Kom-

binationen von PE 80 und PE 100. Sie

ergibt sehr stabile Verbunde, die, bei

korrekter Ausführung, keine Schwach-

stelle für das Rohrnetz bilden.

Für die Herstellung einwandfreier

Schweißverbindungen sind saubere

Oberflächen von entscheidender Be-

deutung. Die Rohroberfläche ist ent-

weder spanend oder mit einem Ent-

fettungsmittel zu reinigen. Damit keine

Undichtigkeit auftritt, darf die Rohr-

oberfläche keine Riefen aufweisen.

Nachdem das bearbeitete Rohr in die

Muffe eingeschoben wurde, sind die

zu schweißenden Teile durch geeig-

nete Maßnahmen bzw. Vorrichtungen

gegen Lageverschiebung zu sichern.

Beim Schweißen wird an die Draht-

Vorbereiten

Fertige Verbindung

Muffe Rohr

Abb. 6-6: Prinzip des Heizwendel-

schweißens

78

len eines Schutzzelts, Beheizen und

dergleichen, sichergestellt ist, dass

eine zum Schweißen ausreichende

und über den Rohrumfang gleich-

mäßige Rohrwandtemperatur im

Arbeitsbereich eingehalten wird,

kann auch bei niedriger Außentem-

peratur gearbeitet werden. Gege-

benenfalls ist durch Herstellen von

Probenähten unter den genannten

Bedingungen ein zusätzlicher Nach-

weis zu führen (s. u.).

• Falls die Gefahr besteht, dass sich

das Rohr infolge Sonneneinstrah-

lung ungleichmäßig oder zu stark

erwärmt, ist durch Sonnenschutz

im Bereich der Schweißstelle ein

Temperaturausgleich zu schaffen.

• Rohre und Rohrleitungsteile müssen

an ihren Fügeflächen zusammenpas-

sen. Rohre müssen an den Stirnseiten

eben und rechtwinklig zur Rohrachse

geschnitten sein. Die Rohrenden

sollten vor dem Schweißen axial-

symmetrisch zentriert werden. Zu

stark eingefallene Rohrenden sind

abzutrennen.

• Um ein Abkühlen durch Luftzug im

Rohr zu vermeiden, sind die den

Schweißstellen entgegengesetzten

Rohrenden zu verschließen.

• Die Fügeflächen der Rohre sind vor

dem Schweißen spanend zu bearbei-

ten. Die Verbindungsflächen der zu

schweißenden Teile dürfen nicht be-

schädigt und müssen frei von Verun-

reinigungen (Schmutz, Fett, Späne

usw.) sein. Sie dürfen daher auch

nicht mit den Händen berührt wer-

den. Die mechanische Bearbeitung

und Reinigung der Verbindungs-

flächen muss unmittelbar vor dem

Schweißen erfolgen. Heizelemente

sind vor und nach dem Schweißen

mit sauberem, nicht faserndem Pa-

pier und z.B. mit Spiritus zu reinigen.

• Heizelemente dürfen erst dann ein-

gesetzt werden, wenn sich in ihnen

ein thermisches Gleichgewicht einge-

stellt hat. Dies ist in der Regel erst

fünf Minuten nach Erreichen der vor-

geschriebenen Heizelement-Tempe-

ratur gegeben. Die Heizelement-Tem-

peratur ist im Arbeitsbereich des

Heizelements zu kontrollieren. Ein-

gebaute Thermometer dienen nur der

Orientierung. Der Schweißbereich

ist während des Schweißens und bis

zur völligen Abkühlung von äußeren

Spannungen freizuhalten. Schroffes

Abkühlen des Schweißnahtbereichs

oder die Anwendung von Kühlmitteln

ist unzulässig.

6.1.7 Prüfen der

Schweißverbindungen

Zum Prüfen von Schweißverbindungen

gibt es zerstörungsfreie und zerstö-

rende Prüfungen.

Zerstörungsfreie Prüfungen sind

visuelle Prüfung, Ultraschall- und

Röntgenprüfung.

Bei der visuellen Prüfung werden

die Schweißungen nach folgenden

Gesichtspunkten untersucht:

• Die Schweißwülste sollen gleichmä-

ßig, rund und überall sichtbar sein.

• Alle Wülste sollen annähernd gleich

groß sein.

• Die Wulstoberflächen sollen glatt

sein.

• Die Wülste sollen möglichst kerb-

frei sein.

• Der Rohrversatz darf 10 % der Rohr-

wanddicke nicht überschreiten.

Die Ultraschallprüfung arbeitet nach

dem Prinzip der Reflexion von Schall-

wellen. Durch Reflexionen an den

Grenzflächen können Bindefehler,

Risse und Lunker auf dem Bildschirm

sichtbar gemacht werden.

Bei der Röntgenprüfung macht man

sich die Absorption von Röntgenstrah-

len zunutze. Bindefehler, Risse und Lun-

ker lassen die Strahlung ungeschwächt

passieren und bilden so die Fehler als

Kontrast auf einem Film ab. Näheres

über Ultraschall- und Röntgenprüfung

siehe Merkblatt DVS 2206.

Zerstörende Prüfungen sind der Kurz-

zeitzugversuch, der so genannte

technologische Biegeversuch und der

Zeitstand-Zugversuch.

79

Der sich aus dem Kurzzeitzugversuch

ergebende Kurzzeitschweißfaktor gibt

einen ersten Anhalt für die Qualität der

Schweißnaht. Näheres hierzu s. Richt-

linie DVS 2203 Teil 1 Anforderungen,

Teil 2 Durchführung.

Der technologische Biegeversuch gibt

mit der Größe des erreichten Biege-

winkels und dem Bruchbild eine gute

Qualitätsbeurteilung der Verbindung

sowie Hinweise zur Verformbarkeit

der Naht. Näheres hierzu siehe Richt-

linie DVS 2203 Teil 1 Anforderungen,

Teil 5 Durchführung.

Der Zeitstand-Zugversuch besitzt die

größte Aussagekraft in Bezug auf die

Lebensdauer der Schweißverbindung.

Mit ihm wird der Langzeitschweißfak-

tor bestimmt. Die Langzeitfestigkeit

einer Schweißverbindung wird durch

den in der Richtlinie DVS 2203 Teil 4

beschriebenen Zeitstand-Zugversuch

nachgewiesen. Der Versuchsaufbau

geht aus Abbildung 6-7 hervor.

Die Probenkörper werden bei konstan-

ter Temperatur, gleich bleibender Zug-

kraft und konstanten Umgebungs-

bedingungen beansprucht. Im Zeit-

stand-Zugversuch wird die Zeitdauer

bis zum Bruch des Probekörpers

bestimmt. Der in Richtlinie DVS 2203

Teil 1 für das Heizelementschweißen

von HDPE geforderte Zeitstandzug-

Schweißfaktor von mindestens 0,8

wird nachgewiesen, indem man die

Zeitdauer bis zum Bruch von unge-

schweißten und geschweißten Probe-

körpern bei zwei Spannungen misst,

die im Verhältnis 1 : 0,8 stehen. Ist

die Standzeit der geringer belasteten

geschweißten Probekörper größer

als die der ungeschweißten, liegt ein

Schweißfaktor von über 0,8 vor.

Bei einem Rohr unter Innendruck wird

infolge der Rohrgeometrie (Axialspan-

nung etwa gleich der halben Tangen-

tialspannung) die Schweißnaht nur

mit der halben Tangentialspannung

beansprucht. Dies gibt eine weitere

Sicherheit im Hinblick auf zusätzliche

Spannungen, die auf das Rohrsystem

einwirken. Beim Zeitstand-Innendruck-

versuch darf daher die geschweißte

Rohrprobe nicht in der Schweißnaht

reißen (s. auch Abschnitt 2.2.1.2.

FNCT auf Seite 24).

6.2 Schweißen von

vernetzten PE-Rohren

Das Schweißen von vernetzten Rohren

ist heute im Wesentlichen nur für

erdverlegte Rohre von Interesse. Als

Verfahren eignen sich das Heizwendel-

schweißen und in Abhängigkeit vom

Vernetzungsverfahren auch das Heiz-

element-Stumpfschweißen.

6.2.1 Heizelement-

Stumpfschweißen

Bisher ist es nur bei peroxidisch

vernetzten Rohren (PEXa) gelungen,

gute Schweißverbindungen mit dem

Heizelement-Stumpfschweißen zu er-

reichen. Je ähnlicher der Vernetzungs-

grad der Schweißpartner ist, desto

besser hält die Schweißverbindung.


(vorher Elektromuffen-

schweißen)

6.2.2.1 Verbindung zwischen

PEX-Rohren mit

unvernetzter Muffe

Mit herkömmlichen HDPE-Formstücken,

die zum Verbinden von unvernetzten

Rohren verwendet werden, lassen sich

auch vernetzte Rohre gut und sicher

miteinander verbinden: DVS 2007-1

Beiblatt 1; Schweißen von thermo-

plastischen Kunststoffen-Heizwendel-

schweißen von Rohren aus PE-X mit

Rohrleitungsteilen aus PE-HD.

Innendruck-Zeitstandprüfungen bei

20 bis 95 °C sowie Schäl- und Schlag-

versuche haben gezeigt, dass sich PEX-

Rohre zuverlässig mit unvernetzten

Formstücken verschweißen lassen.

Messuhr

Probekörper

Lasthebel mit Schneidenlagern

Prüfmedien

Medienbehälter Prüf-gewicht

Abb. 6-7: Zeitstand-Zugversuch nach

DVS 2203, Teil 4

80

6.2.2.2 Verbindung mit

anvernetzten Formstücken

Für Rohrleitungen unter extremen

Einsatzbedingungen, z.B. Betriebs-

temperaturen von -50 bis +80 °C und

Innendrücke bis zu 16 bar, wurden

spezielle HDPE-Formstücke (Silan-

vernetzung) entwickelt, die im un-

bzw. anvernetzten Zustand verschweißt

werden. Nach dem Schweißen errei-

chen sie durch 15- bis 30-stündiges

Tempern einen Vernetzungsgrad von

20 bis 30 % und besitzen daher eine

sehr hohe Festigkeit. Solche Form-

stücke lassen sich auch mit größeren

Nennweiten herstellen.

6.3 Klemm- und

Steckverbindungen

Neben Schweißverbindungen werden

für Druckrohre aus Hostalen und

Lupolen insbesondere im Sanitärbe-

reich auch Schraub-, Klemm- und

Steckverbindungen aus Kunststoff

und Metall eingesetzt.

6.3.1 Klemm- und Pressformstücke

aus Metall

In PE-Rohrsystemen für Gas und Trink-

wasser sind gemäß DVGW VP 600 nur

Klemmverbinder aus Metall zugelassen.

Metallformstücke eignen sich sowohl

für Rohre aus unvernetztem als

auch aus vernetztem Polyethylen. Sie

können verwendet werden, wenn

in den Rohrleitungen keine aggressi-

ven Medien zu fördern sind und

auch durch die Art des Erdreichs kein

chemischer Angriff erfolgt. Diese

Formstücke sind leicht montierbar

und im Falle der Verschraubungen

auch lösbar und wiederverwendbar,

da sie sich zerstörungsfrei von den

Rohrenden entfernen lassen.

6.3.1.1 Quick&Easy®-Verbindung für

peroxidisch vernetzte Rohre

Das Quick&Easy®-Verbindungssystem,

bestehend aus Fitting, PEXa-Rohr und

PEXa-Sicherheitsring, nutzt das so ge-

nannte „Memory“-Verhalten von ver-

netztem Polyethylen. Ein Rohrstück,

das – in gewissen Grenzen – auf einen

größeren Durchmesser expandiert wird,

ist bestrebt, auf seine ursprüngliche

Größe zurückzuschrumpfen.

Das Rohr wird bei Umgebungstempe-

ratur, d.h. im kalten Zustand, mittels

eines Konus aufgeweitet und anschlie-

ßend über das Verbindungsstück aus

Metall geschoben. Auf Grund des

Memory-Effektes schrumpft das Rohr

auf das Verbindungsstück auf. Dieses

Verbindungsstück hat denselben In-

nendurchmesser wie das Rohr und

einen größeren Außendurchmesser.

Dank der hohen Rückstellkraft des

vernetzten Polyethylens entsteht eine

dauerhaft dichte und zugfeste Verbin-

dung zwischen dem Rohr und dem

Verbindungsstück. Der freie Strömungs-

querschnitt ist im Verbindungsbereich

nicht reduziert. Zusätzliche Dicht-

elemente sind nicht erforderlich.

Außer im Bereich der Hausinstallation

ist das Quick&Easy®-Verbindungs-

verfahren im erdverlegten Rohrlei-

tungsbau für Gas und Wasser vom

DVGW zugelassen, und es erfüllt die

Prüfungsanforderungen aus der

DVGW VP 600 für Werkstoffüber-

gangsverbinder aus Metall für Rohre

aus HDPE.

6.3.2 Kunststoffformstücke:

Klemm-, Schraub-,

Pressformstücke

Vollkunststoffsysteme, die ohne Me-

tallverbinder auskommen, bieten eine

Reihe von Vorteilen, wie z.B. Korro-

sionssicherheit oder gute chemische

Widerstandsfähigkeit.

Klemm- und Steckverbindungen aus

Polypropylen sind z.B. in Deutschland

für den Anwendungsbereich Wasser

(DIN 8076-3 ; DVGW VP609) zugelas-

sen. Die entsprechende internationale

Norm ist ISO 14236. Abb. 6.8 zeigt

typische Kunststoff-Klemmfittings

für die Verbindung von PE oder PEX-

Rohren.

Für den Bereich der Heißwasser-Haus-

installation sind in den letzten Jahren

eine Reihe von Kunststoff-Fitting-

systemen entwickelt worden. Die

Werkstoffe, die hierbei in erster Linie

zum Einsatz kommen, sind Polyphenyl-

sulfon (PPSU) und Polyvinylidenfluorid

(PVDF).

Abb. 6.8: Kunststoff-Klemmfittings für die Verbindung von PE- und PEX-Rohren;

Fa. PLASSON

81

7.1 Gasleitungen

7.1.1 Unvernetzte Rohre für

Gasleitungen

In der Gasversorgung haben sich die

für Rohre und Fittings verwendeten

HDPE- und MDPE-Typen seit mehr

als 30 Jahren bewährt. Hauptanwen-

dungsgebiet ist die örtliche Gasver-

teilung, die mit Betriebsdrücken bis

1 bar bzw. bis 4 bar, z.T. auch bis

5 bar, arbeitet. Fernleitungen mit einem

Betriebsdruck bis 10 bar können aus

Hostalen CRP 100 hergestellt werden.

Gasrohre aus PE haben auf Grund

der Wirtschaftlichkeit und der tech-

nischen Vorteile gegenüber Rohren

aus herkömmlichen Werkstoffen

in den letzten Jahren zunehmend

an Bedeutung gewonnen.

Die Herstellung, Gütesicherung und

Prüfung der PE-Gasrohre einschließ-

lich der Verbindungen erfolgt z.B.

nach internationaler Normung durch

EN 1555 und ISO 4437. Speziell für

Deutschland gelten die DVGW-Arbeits-

blätter G 477, G 472, VP 608 und die

GKR-Richtlinie 14.3.1.G. Danach gelten

die in Tabelle 7-1 aufgeführten zu-

lässigen Betriebsdrücke für Bauteile:

Die Rohr-Außendurchmesser liegen

zwischen 20 und 400 mm. Sie sind

der in der Norm enthaltenen Maßta-

belle entnommen. Die Dimensionie-

rung der Rohrleitungen erfolgt nach

ISO 161-1 bzw. DIN 8074 (vgl. Ab-

schnitt 8.1 Rohrdimensionierung).

Hinsichtlich der Güteanforderungen

müssen die in Deutschland verwen-

deten PE-Gasrohre, wie andere HDPE-

Druckrohre ebenfalls, der DIN 8075

entsprechen.

Um eine deutliche Kennzeichnung als

Gasleitung sicherzustellen, wurden da-

für in den letzten Jahren überwiegend

gelbe PE-Rohre verwendet. Bei höhe-

ren Betriebsdrücken kommen PE-100-

Rohre mit orange-gelber Färbung

(Hostalen CRP 101 orange-yellow) zum

Einsatz. Die DVGW-Richtlinie G 472

(Stand 8/00) sieht 10 bar als höchsten

zulässigen Betriebsdruck für PE-100-

Rohrleitungen vor.

Anwendungsgebiete

In der Gasversorgung haben sich die für Rohre und Fittings verwendeten HDPE- und MDPE-Typen seit mehr als 30 Jahren sehr gut bewährt.

Tab. 7-1: Zulässige Betriebsdrücke für

Bauteile aus PE 80 und PE 100

Gas- und Wasserrohre aus Hostalen CRP

100; Hausanbindung

PE 80 PE 100

SDR 11 4 bar 10 bar

SDR 17 1 bar 4 bar

SDR 17,6 1 bar

82

Bei gelb oder orange-gelb durchgefärb-

ten Rohren ist bei einer Lagerung im

Freien die Beständigkeit gegenüber UV-

Einwirkung zu beachten. Innerhalb

eines Jahres ist in Mitteleuropa nicht

mit einer Schädigung zu rechnen. Das

entspricht einer Globalstrahlung von

3,5 GJ/m2.

Bei schwarzen Rohren, z.B. aus

Hostalen GM 5010 T3 black und

Hostalen CRP 100 black, besteht

dieses Problem nicht, da der dem

Material zugesetzte Ruß eine langjäh-

rige UV-Beständigkeit sicherstellt

(Abb. 2-31 in Abschnitt 2.8, S. 40).

Schwarze Gasrohre sind durch ein-

extrudierte gelbe Längsstreifen

gekennzeichnet.

Die früher geäußerte Befürchtung einer

mangelnden Beständigkeit von HDPE

gegenüber den im Erdgas enthaltenen

Aromaten (beispielsweise Tetrahydro-

thiophen (THT), Gasbegleitstoffe und

Kondensate) erwies sich nach Labor-

untersuchungen und Praxiserfahrungen

als unbegründet: Der Resistenzfaktor

fCRt für Erdgase der üblichen Zu-

sammensetzung mit einem THT-Gehalt

von 20 mg/m3 beträgt etwa 5. Dies

bedeutet, dass im Zeitstand-Innen-

druckversuch gegenüber Trinkwasser

mit keiner Verschlechterung des Verhal-

tens zu rechnen ist.

Die Extrapolationsmethode der ISO/TR

9080 errechnet für die von Basell für

Gasrohre empfohlenen PE-Typen eine

theoretische Lebensdauer / Extrapola-

tionszeitgrenze von über 100 Jahren

bei einer Dauertemperatur von 20 °C .

Erfahrungen aus der Praxis für diesen

langen Zeitraum liegen naturgemäß

nicht vor.

In ISO 1167, ISO 4437 und EN 921 ist

eine Zeitstandprüfung in Gegenwart

von Gasbegleitstoffen in Form einer

Mischung aus 50 % n-Dekan und 50 %

1,3,5-Trimethylbenzol vorgeschrieben

mit den Bedingungen

Diese Anforderungen erfüllen alle

von Basell für Gasrohre empfohlenen

Hostalen- und Lupolen-Typen.

Hostalen CRP 100 erreicht Werte über

100 h.

Gasverluste durch Permeation sind bei

Rohren aus HDPE ohne Bedeutung.

Nach den an HDPE-Rohren vorgenom-

menen Messungen betragen die durch

Permeation entstehenden Gasverluste

nur Bruchteile der in älteren Gasver-

sorgungsnetzen aus herkömmlichen

Werkstoffen auftretenden Verluste.

Auch die bei Prüfinstituten gemesse-

nen Gasdurchlässigkeiten bestätigen,

dass die bei PE-Rohren auftretenden

Verluste so gering sind, dass sie wirt-

schaftlich und sicherheitstechnisch

sowie hinsichtlich des Umwelt-

schutzes unbedenklich sind (vgl.

Abschnitt 2.7, S. 39).

Bei PE-Gasrohren mit einem Durch-

messer bis 250 mm wird die sog.

Abquetschtechnik (Squeeze off) be-

nutzt, um während der Dauer von

Wartungsarbeiten und Reparaturen

den Gasfluss zu unterbrechen, ohne

einen größeren Bereich des Netzes

außer Betrieb nehmen zu müssen

(DVGW GW 332). Die Abquetschstelle

muss von Verbindungsstellen mindes-

tens einen Abstand vom fünffachen

Nenndurchmesser des Rohrs haben

und gekennzeichnet werden. Selbst-

verständlich darf dieses Abquetschen

und Wiederrundmachen die Zeit-

standfestigkeit nicht beeinträchtigen

(EN 12106). Zeitstandversuche haben

gezeigt, dass dies bei den für Druck-

rohre verwendbaren Hostalen-Typen

erreicht wird und diese die einschlä-

gigen Anforderungen von ISO 1167

und ISO 4437 Annex A erfüllen. Beim

Abquetschen ist es unzulässig, die

Abquetschstelle thermisch nachzu-

behandeln, auch nicht mit den dafür

unzulässigerweise angebotenen

Schweißmuffen.

Rohre und Formstücke werden auch

bei PE-Gasleitungen mit den üblichen

Schweißverfahren, wie Heizelement-

Stumpfschweißen, Heizwendelschwei-

ßen und Muffenschweißen, verbunden.

Für Hausanschlüsse wurden spezielle

Anbohrschellen sowie die so ge-

nannte Sattelschweißung entwickelt.

Beides stellt eine Abwandlung der

genannten Schweißmethoden dar. Die

hierfür verwendeten Formstücke sind

so konstruiert, dass ein Anbohren

bei bereits in Betrieb befindlichen

Leitungen unter Druck möglich ist.

80 °C, 2 MPa, ≥ 20 h

83


Gasleitungen

Der Einsatz von vernetzten Rohren

für Gasleitungen bei der lokalen Ver-

sorgung sowie als Metallverbund-

rohre für Hausinstallationen nimmt

zu. Rohre aus PEX besitzen einen

sehr hohen Widerstand gegen lang-

sames und schnelles Risswachstum

und ein hervorragendes Zeitstand-

verhalten. Veröffentlichte Ergebnisse

von FNCT-Ergebnissen sowie von S4-

Tests nach ISO 13477 an PEXa-Rohren

(Ø 110 – SDR 11) belegen dies. Selbst

bei -34 °C und einem Innendruck von

9 bar konnte im S4-Test bei diesen

Rohren keine schnelle Rissfortpflan-

zung festgestellt werden. PEX-Rohre

sind zudem besonders unempfindlich

gegen lokale Spannungsüberhöhun-

gen. Sie lassen sich einpflügen sowie

grabenlos durch Einspülen oder Ein-

ziehen verlegen. Eine Sandbettung

ist nicht erforderlich. Vernetzte Rohre

eignen sich für Druckleitungen mit

Betriebstemperaturen von -50 bis

+60 °C und Betriebsdrücken bis 16 bar.

Die Rohre werden mit den üblichen

Verfahren miteinander verbunden

(Kapitel 6). Eine Norm für Gasrohre

aus PEX liegt als ISO 14531 vor.

7.2 Trinkwasserleitungen

Rohre aus Hostalen und auch PEX-

Rohre aus Lupolen haben sich in der

Trinkwasserversorgung für Hausan-

schlußleitungen, Hauptleitungen und

Düker bewährt. In Deutschland wur-

den bisher überwiegend PE-80-Rohre

mit dem Durchmesser-Wanddicken-

Verhältnis SDR 11 eingesetzt. Der

Nenndruck reicht bis 10 bar.

7.2.1 Unvernetzte PE-Rohre

für erdverlegte

Trinkwasserleitungen

Rohrleitungen aus HDPE und MDPE für

die Trinkwasserversorgung sind in

ISO 4427 (Ausgabe 12/96) international

genormt. Im Rahmen der europäischen

Normung wurde ein Systemstandard

für Trinkwasserleitungen aus Poly-

ethylen geschaffen, der nun als

EN12201 Teil 1-5 vorliegt. Diese

Norm ist in allen Ländern, die dem

Europäischen Komitee für Normung

(Comité Européen de Normalisation,

CEN) angehören, verbindlich und löst

die einschlägigen nationalen Nor-

menwerke ab. Grundsätzlich finden

sich in der EN 12 201 die gleichen

Anforderungen an Rohstoff und Fertig-

teile wie in der ISO 4427.

Während der Übergangszeit gelten in

den einzelnen Ländern die entsprechen-

den nationalen Vorschriften, die sich

in vielen Details aber bereits an den

europäischen Normenentwürfen orien-

tieren. Beispielhaft seien für Deutsch-

land die Richtlinien des DVGW (z.B.

VP 607 und VP 608) und des DIN

CERTCO (z.B. R 14.3.1 TW) genannt.

Trinkwasserleitungen aus Hostalen un-

terliegen ebenso wie das zu ihrer Her-

stellung verwendete Granulat einer

laufenden Prüfung auf Geschmacks-

neutralität, die das Technologiezen-

trum Wasser TZW als DVGW-Prüfstelle

durchführt.

Für Trinkwasserleitungen wird von Ge-

meinden und Städten üblicherweise

eine Betriebszeit von mindestens 50

Jahren verlangt, da die jährliche Ab-

schreibung solcher Anlagen 2 % be-

trägt. Bei Kunststoffrohren, die einem

bestimmten Innendruck ausgesetzt

sind, muss berücksichtigt werden,

dass die Zeitstandfestigkeit des Rohrs

von Temperatur und Zeit abhängt

(siehe Abschnitt 2.1.1.1, S. 19).

Für die Festigkeit von Werkstoffen für

Trinkwasserrohre gilt heute in Europa

eine Bezugstemperatur von 20 °C. Da-

bei handelt es sich um eine willkürliche

Festsetzung. In Deutschland liegen die

Brunnenwassertemperaturen erheblich

unter 20 °C, im Durchschnitt bei 10

bis 12 °C. Es wäre daher naheliegend,

die Bezugstemperatur für die Festig-

keit der Werkstoffe tiefer zu wählen.

Das ist jedoch nicht möglich, weil der

Trinkwassermangel dazu zwingt,

neben Brunnenwasser auch Ober-

flächenwasser zu verwenden, dessen

Jahresdurchschnittstemperatur höher

liegt.

Die Extrapolation der Zeitstander-

gebnisse gemäß ISO/TR 9080 ergibt

für die von Basell für Trinkwasser-

rohre empfohlenen PE-Typen eine

zu erwartende Lebensdauer von über

100 Jahren. Erfahrungen aus der

Praxis für diesen langen Zeitraum

liegen naturgemäß nicht vor.

84


die Hausinstallation

PEX-Rohre sind für die Kaltwasser- und

für die Warmwasserversorgung zuge-

lassen. Sie müssen üblicherweise

Drücken bis 10 bar über 50 Jahre bei

70 °C standhalten. In den letzten

Jahren wurde auf europäischer Nor-

mungsebene eine System-Norm für

PEX-Rohre in der Warm- und Kaltwas-

serinstallation erarbeitet. Diese liegt

nun als EN ISO 15875, Teil 1-5 vor.

Die Rohre werden meist in einem

Schutzrohr verlegt, damit die Längen-

änderung bei wechselnden Betriebs-

temperaturen nicht zu Reibung und

Beschädigung führt. Das Schutzrohr

hat außerdem den Vorteil, dass sich

die Rohre leichter austauschen lassen.

Wegen ihrer Oberflächeneigenschaf-

ten bilden sich in PEX-Rohren keine

Ablagerungen. Bei Hausinstallationen

ist es besonders wichtig, dass mög-

lichst keine Fließgeräusche auftreten.

Auch diese Anforderung erfüllen PEX-

Rohre, da sie kaum Schall übertragen.

Die wesentlichen Merkmale und Vor-

teile der PEX-Rohre sind in Tabelle 7-2

zusammengefasst.

Tab. 7-2: Hausinstallation-Merkmale und Vorteile von PEX-Rohren

Tab. 7-3: Fußbodenheizung und Radiatoranbindung-Merkmale und Vorteile von

PEX-Rohren

Zugelassen für Kalt- und Warmwasserversorgung

Hervorragende Zeitstandfestigkeit

Sehr gute Wärmealterungsbeständigkeit

Lange Lebensdauer und hohe Betriebsbelastbarkeit

(bis 10 bar bei 70 °C nach EN ISO 15875)

Ausgezeichnete Spannungsrissbeständigkeit

Keine Korrosion und Inkrustation der Rohre

Kaum Schallübertragung sowie geringe Fließgeräusche

Geringe Druckverluste auf Grund glatter Innenoberflächen

Hygienisch unbedenklich

Einfache Wärmedämmung

Einfache Montage (kein Löten)

Problemlose Auswechselung durch „Rohr-im-Rohr-System“

(Verlegung im Schutzrohr)

Hervorragende Zeitstandfestigkeit

Sehr gute Wärmealterungsbeständigkeit

Lange Lebensdauer und hohe Betriebsbelastbarkeit

(7 bar bei 70 °C / 50 Jahre nach DIN 16893)

Ausgezeichnete Spannungsrissbeständigkeit

Hohe Schlagzähigkeit auch bei tiefen Temperaturen

Keine Korrosion der Rohre

Geringe Druckverluste auf Grund glatter Innenoberflächen

Hohe Abriebfestigkeit

Einfache Verlegung und Montage (endlos vom Ringbund)

Alternativ können auch Rohre aus

PP-B oder PP-R als Fußbodenheizungs-

rohre oder zur Radiatoranbindung

eingesetzt werden.

Die EN ISO 15875 (für PEX) und EN

ISO 15874 (für PP) erfassen auch

diesen Anwendungsbereich.

Beim Verlegen von Fußbodenheizun-

gen müssen die Verlegerichtlinien der

jeweiligen Systemhersteller sowie die

geltenden Normen beachtet werden.

85

7.2.3 PP-Rohre für die

Hausinstallation

Für die Kaltwasser- und Warmwasser-

versorgung können Systeme aus

Polypropylen eingesetzt werden. Der

Systemstandard EN ISO 15874, Teil 1-5

beschreibt die Anforderungen und

Prüfungen. Für dieses Anwendungs-

gebiet hat sich der Einsatz von PP-R

durchgesetzt. PP-R verbindet her-

vorragende Zeitstandfestigkeit mit

guter Schlagzähigkeit. Die Systeme

bestehen aus Rohren von Ø 16 bis

max. Ø 160 und dazu passenden

Formstücken. Mittels Heizelement-

Muffenschweißen lassen sich homo-

gene dauerhaft dichte Verbindungen

aus einem Werkstoff herstellen.

Zum Übergang auf Armaturen und

Apparate stehen Formstücke mit

Metalleinlegeteilen zur Verfügung.

Abbildung 7-1 zeigt ein typisches

Installationssystem.

Abb. 7-1: Installationssystem aus Hostalen PP für Kalt- und Warmwasser

(Foto: Fa. Ekoplastik)

7.3 Rohre für Fußbodenheizung

und Radiatoranbindung

Rohre aus PEX werden seit mehr als

30 Jahren mit gutem Erfolg für Warm-

wasser-Fußbodenheizungen eingesetzt.

Sie besitzen eine hervorragende Zeit-

standfestigkeit und eine sehr gute Wär-

mealterungsbeständigkeit. Gegenüber

Metallrohrleitungen haben PEX-Rohre

zudem den Vorteil, dass sie flexibel

sind und daher einfach endlos vom

Ring verlegt und montiert werden kön-

nen. Außerdem korrodieren sie nicht.

Auf Grund der glatten Innenoberflächen

treten nur sehr geringe Druckverluste

und keine Ablagerungen auf. Da PEX-

Rohre nicht diffusionsdicht gegenüber

Sauerstoff sind, müssen Heizungs-

rohre i.d.R. mit einer zusätzlichen

Sauerstoffbarriere ausgerüstet werden.

Üblicherweise geschieht dies durch

die Aufbringung einer Polyvinyl-

alkohol-(EVOH)-Außenschicht. Die

Barriereschicht kann aber auch mittig

ins Rohr eingebunden sein. Zur Ver-

bindung von PEX und EVOH ist ein

Haftvermittler notwendig.

86

7.4 Mehrschicht- bzw.

Metallverbundrohre

Metallverbundrohre erfreuen sich seit

einigen Jahren zunehmender Beliebt-

heit mit stark wachsenden Marktantei-

len. Den typischen Aufbau eines sol-

chen 5-Schichtrohres zeigt Abbildung

7-2. Als Sauerstoff-Diffusionssperre

dient bei den Metallverbundrohren

eine im Rohr eingekapselte Aluminium-

schicht. Man unterscheidet zwischen

Rohren bei denen die Kunststoff-

schicht dominiert und solchen bei

denen die Aluminiumschicht dominiert

(Abb. 7-3).

Je nach Hersteller, Rohrdimension und

Auslegungskonzept ist diese Alumini-

umschicht zwischen 0,2 und 2,0 mm

dick. Als Material für die Außenschicht

wird sowohl unvernetztes PE als auch

PEX verwendet. Die Rohre sind form-

stabil und die Wärmeausdehnung

ist deutlich geringer als bei reinen

PEX-Rohren.

Das Aluminium wird auf großen Rol-

len angeliefert (Abb. 7-4) und durch-

läuft einen sogenannten Speicher

(Abb. 7-5), der es ermöglicht, dass

fliegend zwischen zwei Aluminium-

rollen gewechselt werden kann ohne

Tab. 7-4: Schweißarten für Alu (Bild: Fa. Maillefer SA)

Schichtdicke Produktions-(mm) geschwindigkeit

Ultraschall Schweißen 0,05 – 0,50 ~ 20 m/min.(überlappend)

Laser Schweißen 0,15 – 0,60 < 36 m/min.(stumpfgeschweißt)

TIG-AC Schweißen 0,15 – 0,50 20 – 45 m/min.(stumpfgeschweißt)

TIG-DC Schweißen 0,30 – 1,50 3 – 40 m/min.(stumpfgeschweißt)

2 W0

ZR

2rf

∆Z

PE-dominiert Al-dominiert

Metall-Schicht

PEX-Rohr

Abb. 7-3: Querschnitt durch ein Verbundrohr (Bild: Fa. Maillefer SA)

das Rohr neu einzufädeln. Bevor das

Aluminium um das Rohr gebogen

wird (Abb. 7-7), wird der Aluminium-

streifen nochmals geglättet und die

Ränder abgeschnitten (Abb. 7-6).

Somit wird gewährleistet, dass nach

dem Biegeprozess die beiden Kanten

sauber aufeinander stoßen. Anschlie-

ßend erfolgt das Verschweißen des

Aluminiummantels. Dies erfolgt bei

Foliendicken größer als 0,15 mm in

der Regel durch ein Stumpfschweiß-

verfahren. Hierzu zählen zum einen

das Laserschweißen und zum anderen

das TIG-Schweißen mit Wolframelek-

troden. Bei sehr dünnen Aluminium-

schichten wird mit Hilfe von Ultra-

schall überlappend geschweißt, wobei

dieses Verfahren seltener zum Einsatz

kommt. Die verschiedenen Schweiß-

verfahren sind in Tabelle 7-4 einander

gegenübergestellt.

PEX-Rohre werden heute nicht allein

in der Hausinstallation und für Gas-

bzw. Trinkwasserleitungen einge-

setzt, sondern auch für spezielle

Industrierohreoder als Bestandteil von

Fernwärmeleitungen (z.B. Fa. Brugg

Rohrsysteme, Fa. Uponor u.a.). Solche

Fernwärmeleitungen bestehen aus

Abb. 7-2: Metallverbundrohr für die

Hausinstallation (Bild: Fa. Maillefer SA)

PE oder PEX

Haftvermittler

Aluminium

Haftvermittler

PEX

87

Abb. 7-6: Glätten des Alustreifens (Bild: Fa. Maillefer SA) Abb. 7-7: Profiliereinheit (Bild: Fa. Maillefer SA/Dreistern)

Abb. 7-4: Rolle mit Aluminium (Bild: Fa. Maillefer SA) Abb. 7-5: Speichereinheit (Bild: Fa. Maillefer SA)

einem EVOH beschichteten PEX-Medi-

umrohr, welches zur Vermeidung von

Wärmeverlusten mit PU-Hartschaum

ummantelt ist, und einem HDPE-Rohr

als äußere Schutzhülle. Solche Fern-

wärmeleitungen werden bis 95 °C

und Drücken von 10 bar eingesetzt,

wobei PEX-Mediumrohre mit bis

zu 250 mm Außendurchmesser zum

Einsatz kommen.

88

7.5 Rohre und Formstücke für

Hausabflussleitungen

Gemäß EN 1451 hergestellte Abfluss-

rohre und Formstücke aus Poly-

propylen können zum Ableiten von

Abwässern niedriger und hoher Tem-

peratur innerhalb von Gebäuden ein-

gesetzt werden. Es sind Temperaturen

bis zu 70 °C zugelassen, kurzzeitig

auch bis zu 95 °C. Länderspezifisch

können zusätzliche Anforderungen

an den Brandschutz gestellt werden,

so dass dann die Rohre und Form-

stücke mit Hilfe von Flammschutz-

mitteln schwerentflammbar ausgerü-

stet werden müssen.

Geringes Gewicht der Rohre sowie

funktionssichere Steckverbindungen

mit eingelegtem Gummidichtring

ermöglichen einfache und schnelle

Montage auf der Baustelle. Die glatte

Wandung verhindert Ablagerungen.

Im Wohnungsbau ist außerdem ein

wesentlicher Gesichtspunkt, dass

aufgrund der guten Dämpfung von

Hostalen PP Körperschall nur in ge-

ringem Maß am Rohr entstehen und

sich ausbreiten kann. Um die Schall-

ausbreitung noch weiter zu reduzieren,

werden auch Rohre aus Polypropylen

mit Bariumsulfat als Füllstoff an-

geboten. Die höhere Dichte bewirkt

dabei eine bessere Dämmung des

Luftschalls.

7.6 Kanalrohre für drucklose

Abwasserleitungen

Kanäle sind Rohrleitungssysteme,

die aus Rohren mit Formstücken,

Schächten und Schachtauskleidun-

gen bestehen und Abwasser im

Freigefälle ableiten.

7.6.1 Polyethylen

Gegenwärtig stehen für erdverlegte

Abwasserleitungen extrudierte Rohre

aus Hostalen bis zu 1.600 mm Durch-

messer zur Verfügung. Bei den im

Wickelverfahren hergestellten Rohren

reicht der Durchmesser bis 3.000 mm.

Coextrudierte Doppelwand-Profil-

rohre gibt es mit Durchmessern bis

zu 400 mm, für spezielle Anwendun-

gen auchgrößer. Für alle Rohrarten

sind Systemstandards auf europäi-

scher Ebene in Arbeit (TC 155; Norm-

Entwürfe EN 12666 und EN 13476).

In Deutschland gilt DIN 19 537 für

extrudierte Kanalrohre aus Hostalen,

für Profilrohre gilt DIN 16 961.

Wegen der hohen chemischen Bestän-

digkeit, der hohen Steifigkeit sowie der

Kerbunempfindlichkeit von Hostalen

bietet es sich an, Rohre für Abwasser-

leitungen daraus herzustellen. Deshalb

werden Großrohre aus HDPE in zuneh-

mendem Maße selbst bei aggressiven

Abwässern bzw. Dämpfen in den hoch

beanspruchten Abwassersystemen der

chemischen Industrie sowie in aggres-

siven Böden als erdverlegte Kanalrohre

und als korrosionssichere Schächte

eingesetzt.

Da sich Rohre aus Hostalen sehr

gut verschweißen lassen, sind keine

separaten Dichtelemente erforderlich.

Diese Rohrleitungen sind dauerhaft

dicht und lassen kein Abwasser aus-

treten oder Fremdwasser eindringen.

Diesem Gesichtspunkt kommt wegen

der Reinhaltung von Boden und

Grundwasser sowie der Belastung der

Kläranlagen durch Fremdwasser eine

immer größere Bedeutung zu. Auch

für Kanalrohre wird das bewährte

Heizelement-Stumpfschweißen ange-

wandt (Abb. 6-2, S. 73). Für Rohre bis

zurzeit 700 mm Durchmesser gibt

es Heizwendel-Schweißmuffen mit

geringerer Wanddicke. Wegen des

Abb. 7-8: Nahtlos gezogener Rohr-

bogen aus Hostalen

Abb. 7-9: Segmentbogen

89

geringeren Platzbedarfs im Vergleich

zum Stumpfschweißen genügen

engere Gräben für das Verlegen

der Rohre. Als lösbare Verbindung

sind Losflanschverbindungen mit

Vorschweißbund gebräuchlich.

Die Herstellung von reduzierten Ab-

zweigen beruht auf dem Aushalsen

von Rohren unter Erwärmung. Gleich-

seitige Abgänge erfordern segment-

geschweißte Abzweige. Bögen bis

450 mm Rohrdurchmesser formt man

aus Rohren unter Wärmeeinwirkung

(Abb. 7-8). Darüber hinaus stehen

segmentgeschweißte Krümmer zur

Verfügung (Abb. 7-9).

Bei Wickel- und Profilwickelrohren

werden die Abzweigstutzen durch

Extruder- oder Heizkeilschweißung

am Hauptrohr angebracht. Auf diese

Weise sind auch nachträgliche An-

schlüsse von Entwässerungsleitungen

aus Hostalen an Sammelkanäle aus

HDPE jederzeit möglich. Bei Schächten

werden im Extrusions- oder Wickel-

verfahren gefertigte Rohre mit

angeschweißten Schachtböden und

Rohrstutzen verwendet (Abb. 7-10).

Da HDPE mit Beton keine feste Verbin-

dung eingeht, erfolgt die Anbindung

der Rohre aus Hostalen an Beton-

schächte über einen auf das Rohr

geschweißten PE-Mauerring, der mit

Rippen versteift ist und einbetoniert

wird. Dafür sind spezielle Schacht-

muffen im Handel erhältlich. Bei

Forderung nach Wasserdichtheit

wird eine Bandage aus geschlossen-

zelligem Moosgummi angeordnet,

die entweder separat oder zwischen

zwei Mauerringen zur Anwendung

kommt.

Abb. 7-10: Regenwasserrückhaltetank aus Hostalen GM

5010 T3 black, Durchmesser 3000 mm, Länge 320 m

(Foto: Fa. Henze GmbH)

Abb. 7-11: Erdverlegte Tanks (800 m3 Volumen) für konzen-

triete Salzsäure aus Hostalen GM 5010 T3 black,

Durchmesser 3000 mm, Länge 60 m (Foto: Fa. Henze GmbH)

Ein Gleit- oder Loslager besteht aus

einem Schachtfutter mit Rollgummi-

ring. Wegen der zu erwartenden

Bodensetzungen im Schachtbereich

sind Gleitlager vorzusehen.

Abbildung 7-11 zeigt einen erdver-

legten Salzsäuretank. Die beiden

60 m langen Behälter liegen unter

dem Grundwasserspiegel und verfü-

gen über ein Doppelwandprofil mit

integrierter Leckkontrolle mittels

Vakuum.

7.6.2 Polypropylen

Erdverlegte Abwasserleitungen

werden in zunehmenden Umfang

auch aus Polypropylen hergestellt.

Aufgrund der höheren Steifigkeit

gegenüber HDPE wird eine höhere

Nenn-Ringsteifigkeit (SN) bei gleicher

Rohrdimension erzielt. Es kommen

Propylen-Blockcopolymere zum

Einsatz, um die Anforderungen an

die Kälteschlagzähigkeit zu erfüllen.

Neuentwickelte Werkstoffe für dieses

Anwendungsgebiet verbinden hohe

Steifigkeit mit guter Kälteschlag-

zähigkeit. Es kann ein Biege-E-Modul

von über 1800 MPa erreicht werden.

Abhängig von der Steifigkeit des

Werkstoffes lassen sich verschiedene

Ringsteifigkeiten erzielen. Die Tabelle

7-5 stellt die mit verschiedenen Mate-

rialien erreichbaren Ringsteifigkeiten

von Rohren dar.

Die Ringsteifigkeit nimmt linear mit

der Steifigkeit des Materials zu.

Abbildung 7-12 zeigt die Ringsteifig-

keiten von vollwandigen Rohren in

Abhängigkeit der Rohrserie und des

E-Moduls. Vollwand-Abwasserrohre

aus Polypropylen sind in EN 1852-1

und der Änderung A1 genormt. Dort

wird zwischen „herkömmlichem PP“

und „PP mit höherem E-Modul (PP-HM)“

unterschieden.

90

Tab. 7-5: Rohrserien und Ringsteifigkeiten von vollwandigen Abwasserrohren aus

PE und PP

SDR Rohrreihe S Werkstoff Ringsteifigkeit Norm

SN [kN/m2]

41 20 PP-B 2 DIN EN 1852-1

33 16 HDPE 2 DIN EN 12666-1

33 16 PP-B 4 DIN EN 1852-1

26 12,5 HDPE 4 DIN EN 12666-1

27,6 13,3 PP-HM 8 DIN EN 1852-1A

23,4 11,2 PP-B 8 DIN EN 1852-1

21 10 HDPE 8 DIN EN 12666-1

17,6 8,3 HDPE 8 DIN 19537

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Ringsteifigkeit SN [kN/m2]

1000 1800800 1200 1400 1600E-Modul [MPa]

2000 2200

S=8 / SDR=17

S=8,3 / SDR=17,6

RohrserieS=10 / SDR=21

S=11,2 / SDR=23,4

S=12,5 / SDR=26

S=13,3 / SDR=27,6

S=16 / SDR=33

S=20 / SDR=41

HDPE Standard PP-B PP–HM

Abb. 7-12: Ringsteifigkeit von Vollwand-Rohren in Abhängigkeit von Rohrserie S

und E-Modul des Werkstoffes (Berechnungsformel: siehe Kap. 8.3)

Abb. 7-14: Typische Rohrwandprofile von Abwasserleitungen (prEN 13476)

91

Mit diesen hochsteifen PP-Typen kann

die Wanddicke reduziert werden

bei gleichbleibender Ringsteifigkeit

(Abb. 7-13).

Um die Ringsteifigkeit weiter zu er-

höhen, werden die Rohrwandungen

profiliert in Form von umlaufenden

Rippen oder Wellkonturen (Abb. 7-14).

Dadurch wird das Flächenträgheits-

moment der Rohrwandung und die

Materialausnutzung verbessert. Die

Ringsteifigkeiten von profilierten

Rohren sind nicht mehr einfach rech-

nerisch zugänglich. Die Ringsteifig-

keiten müssen an jeder einzelnen

Rohrdimension nach ISO 9969/EN

29969 gemessen werden. Die prEN

13476-1 sieht die Ringsteifigkeits-

klassen SN 2, SN 4, SN 8 und SN 16

vor. Je nach Gestaltung der profilier-

ten Rohrwandung können sehr hohe

Ringsteifigkeiten bei geringem Meter-

gewicht der Rohre erreicht werden

(Abb. 7-15).

Übliche kommunale Abwässer sind

in der Temperatur auf maximal 40 °C

begrenzt.

Abwässer von Industriebetrieben

können deutlich höhere Temperaturen

aufweisen. In diesem Fall können

Abwasserleitungen und Schächte aus

Polypropylen verwendet werden:

Abbildung 7-16.

Abb. 7-15: Verlegung eines Abwasser-

rohres mit gerippter Wandung aus

Polypropylen (Ultrarib 2, Foto: Fa. Wavin)

Abb 7-16: Verlegung einer Abwasser-

leitung aus PP-H 100 für heiße Brauerei-

abwässer (Foto: Fa. SIMONA AG)

Abb. 7-13: Vollwandige Abwasserrohre aus PP-HM, Ø 400, SN10 (Foto: Fa. REHAU)

92

7.8 Sanierung von Rohrleitungen

Bei schadhaften Rohrleitungen hat

sich zur Sanierung das Einziehen von

Rohren aus Hostalen und Lupolen als

Kosten sparendes Verfahren bewährt.

Bei diesem „Relining“ dient die alte

Rohrleitung als Leerrohr für die neue

Rohrleitung. Das Verfahren ist für Ab-

wasserkanäle, Trinkwasserleitungen,

Gasleitungen sowie Düker anwendbar

(DVGW-Richtlinie GW 320/1). Durch

Relining entsteht ein neues, in sich

geschlossenes, dichtes Rohrleitungs-

system. Einsetzbar sind die Werk-

stoffe Hostalen GM 5010 T3 für die

Klasse PE 80, Hostalen CRP 100 für

die Klasse PE 100 sowie PEX-Rohre

aus Lupolen.

Das Relining mit HDPE-Rohren bietet

vielfältige Anwendungsmöglichkei-

ten. Dies zeigen die hier aufgeführten

Beispiele:

• Sanierung korrodierter Gas- und

Wasserleitungen bei Rohren unter

Innen- und Außendruck,

• Umstellung von Gasleitungen auf

höhere Betriebsdrücke

• Sanierung undichter Kanalleitungen,

Abdichten gegen Fremdwasser und

Versickerung,

• Stabilisierung statisch instabiler

Rohrleitungen,

• Korrosionsschutz gegen besonders

aggressive Medien in Abwasserlei-

tungen,

• Umstellung von Freispiegelleitun-

gen auf Druckleitungen.

Vorteile bei Relining-Maßnahmen

bietet der bimodale Werkstoff

Hostalen CRP 100. Durch seinen

hohen Widerstand gegen langsame

Rissfortpflanzung ist die Möglichkeit

eines Spätschadens durch Beschädi-

gung der Oberfläche während des

Einziehens noch weiter minimiert.

Zur Sanierung von Rohrleitungen

eignen sich auch Systeme auf Basis

von PEX-Rohren. Beispielhaft werden

zwei Verfahren zum Relining mit PEX-

Rohren genannt und beschrieben:

das HOT-PIPES-Verfahren und das

SPEX-Verfahren.

Das HOT-PIPES-Verfahren zur Sanierung

von Gasleitungen, entwickelt von Trans-

co und BG Technology in Zusammen-

arbeit mit Uponor und Alhco, arbeitet

mit PEXa-Rohren, die nach dem Engel-

Verfahren (s. Kapitel 4, S. 55) herge-

stellt werden. Bei diesem Verfahren

wird in einem ersten Schritt der Durch-

messer des PEX-Rohres, der ursprüng-

lich etwas größer ist als der Innen-Ø

der zu sanierenden Leitung, mecha-

nisch auf ein Maß kleiner als dieser

Innen-Ø reduziert. Dies wird erreicht,

indem das Ausgangsrohr mittels einer

Abzugseinheit durch eine Kalibrier-

vorrichtung gezogen wird. Das so im

Durchmesser reduzierte PEX-Rohr kann

anschließend problemlos in die zu

reparierende Leitung eingezogen wer-

den. Nach dem Einführen in die alte

Leitung wird eine gasbefeuerte Lanze

mit konstanter Geschwindigkeit durch

das PEX-Rohr hindurch gezogen. Diese

7.7 Abwasser-Druckrohre

Zunehmende Bedeutung haben Abwas-

ser-Druckrohrleitungen erlangt. Sie sind

durch braune Längsstreifen gekenn-

zeichnet. Um den gesetzlichen Vorga-

ben bei der kommunalen Entwässerung

zu genügen, müssen auch Häuser

und Siedlungen in ländlich struktu-

rierten Bereichen an Kläranlagen

angeschlossen werden. Besonders

wirtschaftlich ist es, solche Gebiete

über Druckleitungen an entfernte,

zentrale Kläranlagen anzuschließen.

Druckrohrleitungen werden auch

eingesetzt, um Abwasser in topogra-

fisch schwierigen Geländen bergauf zu

transportieren oder um die Kapazität

gegenüber einer drucklosen Leitung

zu erhöhen. Typische Einsatzgebiete

von Abwasser-Druckrohrleitungen

sind z.B. Seeauslaufleitungen (Abb.

7-17) und Ringleitungen in und um

Seen.

In Deutschland werden auch Abwasser-

Druckrohrleitungen durch DIN CERTCO

überwacht (Richtlinie R 14.3.1. AW).

Eine Sonderanwendung sind mit Unter-

druck betriebene Abwasserleitungen.

Abb. 7-17: Aus Hostalen CRP 100 hergestellte Rohrleitung für Abwasser,

Durchmesser 1.600 SDR 26

93

erwärmt das PEX-Rohr auf Temperatu-

ren oberhalb von 140 °C, der Um-

wandlungstemperatur von PEX. Das

PEX-Rohr „erinnert“ sich an seine

ursprüngliche Größe, dehnt sich aus

und schmiegt sich – unter Einwir-

kung eines geringen Innendrucks –

an die Innenwand des alten Rohrs an.

Beispielsweise wird für das Relining

eines Gussrohrs mit einem Innen-

durchmesser von 98 mm ein PEX-

Rohr mit einem Außendurchmesser

von 104 mm (SDR 26) extrudiert und

dann auf 76 mm zusammengedrückt.

Mit diesem Verfahren können Biegun-

gen, Verschiebungen sowie Hinder-

nisse, die in das Rohr hinein ragen,

überwunden werden. Ein weiterer

Vorteil ist, dass der Fließquerschnitt

nur minimal reduziert wird, da sehr

dünnwandige PEXa-Rohre eingesetzt

werden können (Beispiel oben: 4 mm).

Beim patentierten SPEX-Verfahren

der Firmen AES Ltd. und Colin Burley

Association werden silanvernetzte

Rohre, hergestellt nach dem Zweistu-

fen-Verfahren, verwendet. Nach der

Extrusion hat das noch nicht vernetzte

Ausgangsrohr einen geringeren

Durchmesser als die zu sanierende

Leitung. Das Rohr kann somit pro-

blemlos in die alte Leitung einge-

führt werden. Sobald das Rohr

vollständig eingezogen ist, wird es

mittels Innendruck, i.d.R. heißes

oder kaltes Wasser, an die Innen-

wand der defekten Leitung ange-

presst. Die Vernetzung erfolgt erst

nach der Aufweitung. Je höher die

Wassertemperatur, um so schneller

läuft der Vernetzungsprozess ab.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt

insbesondere darin, dass die unver-

netzten Liner-Abschnitte einfach mit

anderen Liner-Abschnitten bzw. PE-

Rohrleitungselementen verschweißt

werden können.

Der Durchmesser der flexiblen Relining-

Rohre reicht zurzeit bis 1.200 mm. Die

Länge, über die sich ein Rohr einziehen

lässt, richtet sich nach

• dessen Laufmetergewicht,

• nach der zulässigen Zugspannung

und

• nach der Reibungszahl, die bei bis-

herigen Verlegungen zwischen 0,4

und 0,8 lag.

Rohre aus Hostalen CRP 100 können

mit einer Zugspannung von 10 N/mm2

30 Minuten eingezogen werden.

Erfahrungsgemäß lassen sich je nach

Zustand und Trasse des alten Kanals

Rohre bis 600 m Länge einziehen.

Die zulässigen Einzugskräfte können

auf Anforderung mitgeteilt werden.

Für das Einziehen und Verbinden der

einzelnen Stränge sind Baugruben aus-

zuheben, in denen mit Hilfe von Los-

flanschen die Rohrenden nach dem

Relining verschraubt werden. Mit be-

sonderer Sorgfalt ist der Zugkopf an-

zubringen, der die gesamte Zugkraft

aufnehmen muss. Vor dem Relining ist

das Altrohr zu reinigen und zu kali-

brieren. Um Längenänderungen des

Rohrs durch wechselnde Temperatu-

ren zu verhindern, kann der Raum zwi-

schen altem und neuem Rohr zum

Beispiel mit dünnflüssigem Beton als

Dämm-Material gefüllt werden. Falls

dieser Beton gepumpt werden muss,

darf der Pumpendruck den Beuldruck

des Rohres nicht überschreiten. Der

entsprechende Rechengang für diese

Druckbestimmung ist in Abschnitt

8.3 „Rohrstatik“ beschrieben. Durch

geeignete Maßnahmen – z.B. Füllen

des Kunststoff-Rohrs mit Wasser und

Aufbringen eines inneren Überdrucks

– ist zu verhindern, dass Auftriebs-

kräfte und Einfülldruck des Dämm-

Materials das Rohr einbeulen.

Weitere Verfahren zur Sanierung von

Rohrleitungen mit Rohren aus HDPE

sind

• Kurzrohrrelining

• Swage-Lining

• Roll-down

• Berstlining

• Close-fit-Verfahren

Beim Kurzrohrrelining werden Rohre

der Standardlänge von 0,7 m mit einem

speziellen Stecksystem in den Schäch-

ten zusammengefügt und in die Kanal-

leitung eingeschoben. Eine Baugrube

entfällt. Mit diesem für drucklose Rohr-

leitungen anwendbaren Reliningverfah-

ren lassen sich Hausanschlüsse – auch

im nicht begehbaren Kanalbereich –

ohne Erdarbeiten herstellen.

Swage-Lining und Roll-down-Verfahren

ähneln dem beschriebenen Langrohr-

Relining-Verfahren, jedoch wird zusätz-

lich das Rückstellvermögen von PE

genutzt. Für das Einziehen wird der

Durchmesser der PE-Rohre entweder

durch Walzenpaare (Roll-down) oder

im Gesenk thermisch unter Zugkraft

(Swage-Lining) verkleinert. Die so vor-

bereiteten Rohre lassen sich leicht in

das vorher gereinigte und von Quer-

schnittsverengungen befreite Altrohr

einführen. Bei beiden Verfahren soll

nach Abschluss der Relining-Maßnah-

me das eingezogene PE-Rohr eng am

zu sanierenden Rohr anliegen, so dass

eine Verdämmung entfällt und der vor-

handene Durchmesser optimal genutzt

wird. Beim Roll-down-Verfahren wei-

tet ein pulsierender Innendruck das

eingezogene Rohr. Beim Swage-Lining

reversiert das Rohr durch eine ther-

mische Behandlung.

Wegen ihrer hohen Abrasionsbestän-

digkeit und der hervorragenden

Beständigkeit gegen korrosive Medien

werden in sehr salzhaltigen Gewäs-

sern PEX-Rohre verlegt. Leitungen im

Toten Meer bestehen ausschließlich

aus PEX, da kein anderes Material

diesen aggressiven Bedingungen

über längere Zeit standhält (Abb.7-19).

Im Erdreich verlegte Kabelschutzrohre

müssen während ihrer Lebensdauer nur

kurzfristig einem inneren Überdruck

standhalten. Diese Beanspruchung tritt

auf, wenn die Kabel (z.B. auch Licht-

wellenleiter) durch das Rohr geblasen

werden. Üblicherweise sieht man heute

bereits beim Bau neuer Verkehrstrassen

eine genügende Anzahl von Kabel-

schutzrohren als Leerrohre vor.

Bei späteren Erweiterungen des Kabel-

netzes lassen sich weitere Kabel ohne

neue Erdarbeiten einziehen. Ein gro-

ßer Vorteil von Hostalen und Lupolen

ist die Möglichkeit, das Rohr in sehr

7.9 Spezielle Anwendungs-

beispiele für Druckrohre

und drucklose Rohre

Werkstoffe der Basell haben sich

für Rohre seit vielen Jahren in ver-

schiedensten Anwendungsbereichen

bewährt, wie der folgende kurze

Überblick zeigt:

Wegen der guten chemischen Bestän-

digkeit eignen sich Rohre aus Hostalen

hervorragend als Hausabflussrohre,

und zwar sowohl bei Wohnhäusern als

auch im gewerblichen Bereich (z.B.

Laborbauten, Krankenhäuser, Fabri-

kationsanlagen). Für Abzweige, Bögen

usw. stehen handelsübliche Form-

stücke zur Verfügung, die meist mit

dem Rohr verschweißt werden (vgl.

Kapitel 6, S. 73).

Eine weitere Anwendung von Rohren

aus Hostalen sowie PEX-Rohren sind

z.B. Kabelkühlrohre und Rohre für die

Nutzung der Erdbodenwärme mit Hilfe

von Wärmepumpen. Diese Wärme-

austauschrohre sind im Betrieb einer

Dauertemperatur von maximal 40 °C

ausgesetzt.

Als besonders vorteilhaft haben sich

Rohre aus Hostalen und PEX-Rohre

beim Feststofftransport erwiesen. Sie

besitzen hohe Verschleißfestigkeit

und Korrosionsbeständigkeit, im Be-

trieb verursachen sie geringe Druck-

verluste. Diese Voraussetzungen müs-

sen erfüllt sein beim hydraulischen

Transport von Sand in Nassbaggereien

und Quarzwerken sowie von Erzauf-

schlämmungen in der Erzaufbereitung,

bei Förderleitungen für Pumpbeton

oder als Spülversatz im Bergbau. Ver-

schleißmessungen in Anlehnung an

DIN 58 836 (Methode Sand-Slurry)

haben für Hostalen GM 5010 T3 black

und Hostalen CRP 100 black ähnliche

Werte wie für Hostalen GM 5010 T2

(Werte in Abb. 7-18) ergeben.

94

Das Close-fit-Verfahren beruht auf dem

Einziehen eines U-förmig gefalteten PE-

Rohrs. Solche Rohre werden unter den

Bezeichnungen Compact Pipe oder U-

Liners angeboten. Diese Rohre werden

mit speziellen Verfahren beim Herstel-

len U-förmig „gefaltet“ und danach

auf Rohrtrommeln an die Baustellen

gebracht. Beim Einziehen in das zu

sanierende Rohr sind nur geringer

Platzbedarf und minimale Einzugs-

kräfte erforderlich. Nach dem Einzie-

hen werden die Rohre mit Dampf be-

aufschlagt. Dadurch springen sie in

die ursprüngliche Kreisform zurück

und legen sich – ggf. mit Unterstüt-

zung von Druckluft – eng an die vor-

handene Rohrwand („close-fit“) an.

Das Verdämmen des Ringspalts kann

entfallen. Der offene Rohrquerschnitt

verringert sich weniger als bei den

zuvor beschriebenen Verfahren.

Beim Berstverfahren zerstört ein Berst-

bzw. Verdrängungskörper durch stati-

sche oder dynamische Kräfte die alte

Rohrwandung der zu erneuernden Lei-

tung und verdrängt die Bruchstücke

in das Erdreich. Die neue Rohrleitung

– sie kann gleiche oder größere Nenn-

weite als das alte Rohr haben – läuft

unmittelbar hinter dem Berst- bzw. Ver-

drängungskörper in den Hohlraum ein.

Im Horizontal-Bohrverfahren lässt sich

bei drucklosen Rohren ein Hausan-

schluss auch im nicht begehbaren

Bereich herstellen. Dabei wird gleich-

zeitig die gesamte Hausanschluss-

leitung an den Kanal erneuert.

Bei Druckrohren muss jeder Anschluss

in offener Bauweise hergestellt werden.

Dazu wird im Einmündungsbereich

ein HDPE-Stutzen eingesetzt oder ein

Aufschweißsattel verwendet und mit

dem Inliner aus HDPE verschweißt.

Abrieb [Am]

Lastenwechselzahl [n]200.000 800.000

5,0

4,5

4,0

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

00 400.000 600.000

Steinzeugrohre

Bereich der Messungenan Faserzementrohren

Bereich der Messungenan GFK-Rohren

Rohre aus HDPE(Hostalen GM 5010 T3)

Bereich der Messungenan Betonrohren(Rüttelpresse-Schleuder-stampfbetonrohren)

Bereich der Messungenan PVC-Rohren

Abb. 7-18: Verschleißmessungen in

Anlehnung an DIN 58836, Methode

Sand-Slurry für Hostalen GM 5010 T3

black und Hostalen CRP 100 black

Rohrleitungen (Abb. 7-20). Beispiele

sind Auslauf- und Ansaugleitungen

sowie Ringleitungen für die Abwas-

serbeseitigung. An vielen Stellen in

Europa und Übersee (Australien, Afrika)

wurden Düker bereits unter Flüssen,

Kanälen, Seen oder Meeresarmen mit

Erfolg verlegt. Bei Rohren aus HDPE

können für die Dükeräste, die sog.

Schwanenhälse, aufwendige Konstruk-

tionen aus Formstücken entfallen, da

sich die Rohre durch ihre natürliche

Flexibilität im Rahmen bestimmter

Mindestradien (in Abhängigkeit vom

Innendruck) den Geländegegebenhei-

ten anpassen.

Bewässerungsrohre haben für die Land-

wirtschaft große Bedeutung. Seit meh-

reren Jahren haben sich Rohre aus den

Werkstoffen der Basell in diesem An-

wendungsgebiet sehr gut bewährt.

Wegen des geringen Gewichts ist kein

großer Aufwand an Arbeitskräften für

großer Länge herstellen zu können.

Das reduziert die Anzahl an Schweiß-

verbindungen und minimiert die

Kosten, da vermehrt automatisierte

Verlegeverfahren eingesetzt werden

können.

Rohre für moderne Fernheizungen be-

sitzen einen mehrschichtigen Aufbau.

Als Material für das Mantelrohr hat sich

seit vielen Jahren HDPE durchgesetzt.

Zur Wärmedämmung ist der Zwischen-

raum zum Heißwasser führenden Stahl-

rohr mit Polyurethan ausgeschäumt.

Für die Erdverlegung stehen verlege-

fertig konfektionierte Systeme mit

Rohren in Fixlängen zur Verfügung.

Bei flexiblen Fernwärmeleitungen

haben sich PEX-Rohre als Alternative

zu Stahl als Medienrohr durchgesetzt.

Ein besonders interessantes Anwen-

dungsgebiet für Rohre aus Hostalen

sind Dükerleitungen und seeverlegte

95

Transport und Verlegung notwendig.

Speziell entwickelte Schnellkupplungen

ermöglichen eine leichte Montage. Da

Bewässerungsanlagen in der Regel als

„fliegende“ Leitungen erstellt werden,

sind kurze Auf- und Abbauzeiten sehr

wichtig.

Für die Beregnung haben sich auch An-

lagen bewährt, die aus einer Trommel,

einem bis etwa 400 m langen, auftrom-

melbaren Rohr bis 110 mm Durchmes-

ser und einem Regnerschlitten beste

hen. Die Beregnung geschieht während

des Aufwickelns des PE-Rohrs durch

Einziehen des Regnerschlittens.

Dränagerohre aus Hostalen mit vielen

Öffnungsschlitzen wirken als Wasser-

sammler in nassen Böden. Ihre Haupt-

anwendung ist das Abführen von Re-

genwasser an Autobahnen, Straßen

und Bahndämmen. Diese gewellten

Rohre mit glatter Innenwand sind sehr

leicht, schlagzäh und formsteif. Die

glatte Innenwand bewirkt ein schnelles

Abfließen des durch die Schlitze auf-

genommenen Wassers.

Für die Entwässerung von Mülldeponien

werden spezielle nicht gewellte Rohre

mit hoher Ringsteifigkeit verwendet.

Bei der Versickerung von Regenwas-

ser, einem relativ jungen Anwendungs-

gebiet, finden geschlitzte oder

gelochte Rohre aus HDPE ebenfalls

ihre Verwendung.

Abb. 7-20: Rohrleitung, 1.000 mm

Durchmesser, aus Hostalen mit

Beschwerungselementen

Abb. 7-19: PEXa-Rohrleitung, 450 mm

Durchmesser (SDR 17), Totes Meer

(Foto: Fa. Golan)

Die zulässige Berechnungsspannung

s berücksichtigt den Sicherheitsbei-

wert C durch den Zusammenhang:

MRS = minimum required strength

(s. Tab. 8-1)

Die Sicherheitsbeiwerte können nur aus

der praktischen Erfahrung heraus fest-

gelegt werden. Der Sicherheitsbeiwert,

in ISO 12 162 als „Gesamtbetriebsko-

effizient“ bezeichnet, hat mehrere Auf-

gaben. Er soll zunächst sicherstellen,

dass Rohre, die gemäß den Eigenschaf-

ten des Werkstoffs richtig dimensio-

niert sind, auch bei Beanspruchung

mit Nenndruck noch eine Sicherheits-

reserve haben. Zusätzlich soll er alle

im Betrieb vorkommenden unkontrol-

lierbaren Zusatzbeanspruchungen (z.B.

Druckstöße, Wärmespannungen bei

Temperaturwechsel, Erschütterungen

und Bodensenkungen bei erdverlegten

Leitungen) berücksichtigen.

96

Berechnungen an Rohren

Rohrdimensionierung und Normung.

8.1 Rohrdimensionierung

und Normung

Zur Dimensionierung von Rohren

dient die Rohrformel (ISO 161-1),

Gleichung 8-1

mit

PN = Nenndruck,

dm = mittlerer Rohrdurchmesser,

de = Rohraußendurchmesser,

e = Wanddicke,

S = dm/2e = Rohrreihe,

SDR = Standard Dimension Ratio

= de/e = 2 S + 1,

s = zulässige Berechnungs-

spannung

(1 MPa = 1 N/mm2 = 10 bar).

8-1

8-2

Tab. 8-1: Rohrreihen von PE-Druckrohren

PE 80 PE 100

MRS = 8 MPa MRS = 10 MPa

C 1,25 1,6 2 4 1,25 1,6 2 4

s [MPa] 6,3 5 4 2 8 6,3 5 2,5

PN [bar] S

2,5 25 20 16 12,5 32 25 20 16

3,2 20 16 12,5 10 25 20 16 12,5

4 16 12,5 10 8 20 16 12,5 10

5 12,5 10 8 6,3 16 12,5 10 8

6,3 10 8 6,3 5 12,5 10 8 6,3

(8) 8 6,3 5 4 10 8 6,3 5

10 6,3 5 4 3,2 8 6,3 5 4

(12,5) 5 4 6,3 5

16 4 3,2 5 4

Für PE 80 und PE 100 sind in Tabelle

8-1 beispielhaft für einige Werte von

C die Werte für s und die für den

vorgesehenen Nenndruck PN sich

ergebende Rohrreihe S aufgeführt.

Ersetzt man in der Definition von S =

dm/2e den mittleren Durchmesser dm

durch den üblicherweise benutzten

Außendurchmesser de, ergibt sich:

und durch Umstellung:

Nach dieser Formel sind die Dimensio-

nen von Rohren in ISO 4065 berechnet.

Bei der Berechnung wurden die exak-

ten und nicht die gerundeten Werte

von S eingesetzt. Die Zahlenwerte für

die Wanddicken sind auf 0,1 mm auf-

gerundet. Aus Sicherheitsgründen kön-

nen in den einzelnen Systemnormen

(Anwendungsnormen) hiervon abwei-

chend für die kleinen Durchmesser

größere Mindestwanddicken festgelegt

sein. Die oft benutzte Nenndruckstufe

PN = 6 bar stellt wegen ihrer Abwei-

chung von der R-10-Zahl 6,3 einen Son-

derfall dar. Hierfür enthält ISO 4065

eine eigene Dimensionstabelle.

Die Toleranzen für die Außendurchmes-

ser, die Wanddicke und die Unrundheit

(Ovalität) sind in ISO 11 922 festgelegt.

Die zulässigen Betriebsdrücke sind

bei Betriebstemperaturen über 20 °C

reduziert. Die Abminderungsfaktoren

sind in ISO 13761 aufgeführt. In DIN

8074 sind für unterschiedliche Gesamt-

betriebskoeffizienten bei Temperaturen

bis 70 °C die zulässigen Betriebs-

drücke und Betriebsjahre festgelegt.

Für PEX-Rohre enthält DIN 16 892

eine Tabelle mit diesen Werten.

Betriebsdrucktabellen für PP-Rohre

sind in DIN 8077 zu finden.

97

8-4

8-5

C und s sind ebenfalls nach Renard-

Zahlen kategorisiert. Die EN-System-

standards für Trinkwasser und Gas

geben lediglich einen mindestens

anzusetzenden Gesamtbetriebs-

koeffizienten Cmin vor und zwar:

für Wasserrohre Cmin = 1,25

für Gasrohre Cmin = 2,0

Die Verantwortung für die Wahl des

tatsächlich anzusetzenden Gesamtbe-

triebskoeffizienten obliegt dem planen-

den Ingenieur. Er muss dabei die jewei-

ligen Betriebsbedingungen und örtli-

chen Gegebenheiten berücksichtigen.

Umgeformt ergibt sich aus Gleichung

8-1 die Dimensionsgleichung zur Be-

rechnung der Rohrreihe S, die bei einer

zulässigen Berechnungsspannung s

für einen vorgesehenen Nenndruck

auszuwählen ist:

8-3

8.2 Hydraulische Bemessung

der Rohrdurchmesser

Die Berechnungen von Durchfluss-

menge, Fließgeschwindigkeit und

Druckabfall bei Rohren basieren auf

der Formel für den Energiehöhen-

verlust hv einer Rohrleitung:

oder für den Druckverlust p (Glei-

chung 8-7):

mit

di = Innendurchmesser in mm,

l = Länge der Rohrleitung in mm,

v = mittlere Fließgeschwindigkeit

in m/s,

= Dichte des durchfließenden

Mediums in kg/m3,

= Reibungszahl,

g = 9,81 m/s2, Erdbeschleunigung.

Der Energiehöhenverlust hv ist die

Höhendifferenz der Gefällestrecke,

die erforderlich ist, um die Fließ-

geschwindigkeit v zu erzeugen.

Die Reibungszahl ist in der Gleichung

(8-8) nach Colebrook enthalten:

mit

Re = Reynoldszahl = v · di/,

= 1,31 · 10-6 m2/s,

kinematische Zähigkeit von

Wasser,

k [mm] = von Unebenheiten der

Rohrwandung abhängige,

hydraulisch wirksame

Rauigkeit.

Durch Umformen erhält man

Es wird zwischen der normalen, hy-

draulisch wirksamen Wandrauigkeit k

und einer sog. Betriebsrauigkeit kb

unterschieden.

Die Betriebsrauigkeiten kb sind

erhöhte Rauigkeitsmaße zur Be-

rücksichtigung z.B. von Schiebern,

Krümmern u.ä., deren Anwendung

in einem Pauschalkonzept rechne-

risch zu gleichen Gesamtverlusten

führt wie eine Summierung ge-

trennt ermittelter kontinuierlicher

und lokaler Energiehöhenverluste.

In einem Individualkonzept sind die

Verluste infolge Wandrauigkeit und lo-

kaler Strömungswiderstände (Einzel-

verlust) nachzuweisen. Für die Verluste

infolge Wandrauigkeit darf als niedrigs-

ter Wert im Neuzustand eine effektive

Wandrauigkeit k = 10-4 m = 0,1 mm

eingesetzt werden. Zusätzlich sind

die Einzelverluste zu berücksichtigen.

Die Berechnung der Durchflussmenge

Q und der Fließgeschwindigkeit v für

Rohre bis 1.000 mm Durchmesser für

Gefälle von 15 % bis 0,15 ‰ und für die

effektive Wandrauigkeit k = 0,1 mm

sowie die Betriebsrauigkeiten kb = 0,25;

0,50; 0,75; 1,50 mm enthält das Buch

„Tabellen zur hydraulischen Dimen-

sionierung von Abwasserkanälen und

Abwasserleitungen“ (Ingwis-Verlag,

Lich). Grundlage bildet das ATV-

Arbeitsblatt A 110 „Richtlinien für

die hydraulische Dimensionierung und

den Leistungsnachweis von Abwasser-

kanälen und Abwasserleitungen“ der

Abwassertechnischen Vereinigung

(ATV).

Für Abwasserleitungen aus HDPE sind

effektive Wandrauigkeiten k von deut-

lich unter 0,1 mm nachgewiesen wor-

den. Die hydraulischen Bemessungen

mit den in dem ATV-Arbeitsblatt A 110

genannten Rauigkeiten enthalten daher

hohe Reserven.

Die hydraulische Bemessung von

Trinkwasserleitungen kann zum Bei-

spiel nach den Richtlinien des DVGW,

Arbeitsblatt W 302 durchgeführt wer-

den. Hierbei wird die Rauigkeit k in

der Gleichung 8-8 für Rohre aus HDPE

bzw. MDPE je nach Leitungsführung

mit k = 0,1 mm bis k = 1,0 mm

angegeben. Zusätzliche Hinweise

enthalten die vom Kunststoffrohr-

verband herausgegebenen Druckver-

lust-Tabellen.

Das DVGW-Arbeitsblatt W 403

empfiehlt für Trinkwasserleitungen

Fließgeschwindigkeiten, die je nach

Anwendung maximal 2,0 m/s betra-

gen sollen.

98

8-6

8-7

8-8

8-9

8.3 Rohrstatik

Bei erdverlegten drucklosen Abwasser-

leitungen muss die erforderliche Wand-

dicke nach der äußeren Belastung in-

folge Erddruck und Verkehr festgelegt

werden. Bei diesen Beanspruchungen

eines Rohrs aus Polyolefinen sind

die Besonderheiten eines viskosela-

stischen Werkstoffs zu berücksichti-

gen, auf den die gewohnten Berech-

nungsmethoden der Statik „biege-

steifer“ Rohre (Steinzeug und Beton)

nicht ohne weiteres anwendbar sind.

Die Ringsteifigkeit SN hängt bei Voll-

wandrohren von der Rohrserie S und

der Steifigkeit des Rohrmaterials,

charakterisiert durch den E-Modul ER,

ab:

Als Dimensionsgleichung:

Für weitere Informationen siehe auch

Kap. 7.6.2, S. 90. In Tabelle 7-4, S. 90,

ist die Ringsteifigkeit für verschiedene

Kanalrohrleitungen aus Polyolefinen

aufgelistet. Diese Anforderungen er-

füllen die für Kanalrohre empfohlenen

Werkstoffe der Basell.

Bei einem Scheiteldruckversuch geht

ein Rohr aus Hostalen nicht zu Bruch.

Es verformt sich unter wachsendem

Scheiteldruck, bis im Extremfall der

Rohrscheitel die Rohrschale ohne Riss-

bildung berührt. Bei Festigkeitsrech-

nungen für erdverlegte HDPE-Rohre

muss das flexible Verhalten berück-

sichtigt werden.

Ein Teil der unter Last eintretenden Ver-

formung ist elastisch (reversibel), ein

anderer Teil plastisch (irreversibel). Der

Scheiteldruckversuch lässt nur erken-

nen, wie groß die Verformbarkeit des

Materials ist. Er entspricht jedoch kei-

neswegs den Belastungsbedingungen,

denen das Rohr im verfüllten Rohrgra-

ben tatsächlich unterworfen ist. Hier

tritt eine wesentlich geringere Verfor-

mung ein, weil das Erdreich das Rohr

seitlich stützt. Ein Werkstoff mit sol-

chem Verhalten wird als biegeweich

bezeichnet. Rohre aus herkömmlichen

Werkstoffen wie Beton oder Steinzeug

verhalten sich biegesteif: das Rohr

nimmt die aufgebrachte Last auf und

versagt.

Grundsätzlich muss bei allen Kanalroh-

ren der Boden in der Umgebung der

Leitungen nach EN 1610 sehr gut ver-

dichtet werden, um die gewünschte

Stützwirkung zu erreichen, also das

System Boden-Rohr zu aktivieren.

Europaweit einheitliche Rechengrund-

lagen für die statische Berechnung von

drucklosen erdverlegten Vollwand-

rohren existieren zurzeit noch nicht.

EN 1295-1 legt bisher nur allgemeine

Anforderungen fest. Die statische

Berechnung erfolgt weiterhin nach

länderspezifischen Verfahren.

Beispielhaft wird hier auf die Berech-

nung nach ATV-Arbeitsblatt A 127

„Richtlinie für die statische Berech-

nung von Entwässerungskanälen und

Entwässerungsleitungen“ hingewiesen.

Den Besonderheiten der statischen Be-

rechnung von Entwässerungsleitungen

für Sickerwasser aus Deponien trägt

die Richtlinie ATV M 127 Rechnung.

Im Rahmen der Rohrstatik ist eine Be-

rechnung der Rohrverformung (Verfor-

mungsnachweis) und eine Berechnung

gegen Beulen (Stabilitätsnachweis)

durchzuführen. Die folgenden Ausfüh-

rungen zeigen einen Überblick über

den Rechenweg. Einzelheiten sind dem

ATV-Arbeitsblatt A 127 zu entnehmen.

99

8.4 Stabilitätsnachweis (Beulen)

Unter Beulen versteht man die durch

äußeren Überdruck hervorgerufene Ver-

formung des Rohrquerschnitts in eine

nierenförmige Gestalt. Grundsätzlich

sind Rohre, die im Wasser oder im Bo-

den unterhalb des Grundwasserspie-

gels verlegt werden und bei denen der

hydrostatische Druck des Grundwas-

sers größer als der Innendruck ist, ge-

gen Beulen zu berechnen. Das gilt auch

für Rohre mit einem inneren Unterdruck

(Rohr-Innendruck 1 N/mm2). Für den

kritischen äußeren Wasserdruck bzw.

Unterdruck (Beuldruck) krit. pa [kN/m2]

eines unverformten und nicht im Boden

eingebetteten Rohrs gilt:

mit:

ER = Elastizitätsmodul des

Rohrmaterials [N/mm2]

rm = mittlerer Rohrradius [mm]

e = Wanddicke des Rohres [mm]

Darin ist µ = 0,4 die Querkontraktions-

zahl des Werkstoffs.

Die nach Gleichung 8-11 berechneten

Langzeit-Beuldrücke für Rohre aus

Hostalen sind in Abbildung 8-1 (Seite

100) dargestellt. Die Werte sind durch

Versuchsergebnisse bestätigt. Der

zulässige Beuldruck ergibt sich unter

Berücksichtigung eines Sicherheitsfak-

tors von 2.

Die Rohrsteifigkeit SR [N/mm2]

berechnet sich zu

8-11

8-12

8-10a

8-10b

Bei Stoßbeanspruchung muss für den

Elastizitätsmodul ER des Rohrs der

Kurzzeitwert eingesetzt werden.

Abhängig von der Temperatur gelten

für Hostalen GM 5010 T3 die in

Tabelle 8-3 angegebenen Werte.

Druckstöße sind für HDPE-Rohre grund-

sätzlich nicht schädlich, solange der

Nenndruck bei Druckschwankungen

und Druckstößen mittel- bis langfristig

nicht überschritten wird. Bei einzelnen

kurzzeitigen Beanspruchungen (im

Bereich von Sekunden) können die

Festigkeitsreserven des Rohrs bis zu

der tatsächlichen unteren Vertrauens-

grenze bei den entsprechenden kur-

zen Zeiten genutzt werden. Abhängig

von dem Gesamtbetriebskoeffizienten

C verkraftet ein Rohr die in Tabelle

8-4 angegebenen Druckspitzen bei

Temperaturen bis 20 °C ohne Schäden.

Schlagartige Druckabfälle sind unter

Berücksichtigung des Beulverhaltens

theoretisch bis 0 barabsolut (Vakuum)

möglich.

Zusätzliche Sicherheit bieten die

modernen bimodalen Werkstoffe

Hostalen GM 5010 T3 und Hostalen

CRP 100 wegen ihres hohen Wider-

stands gegen schnelles Risswachstum.

Durch Einsetzen der Rohrsteifigkeit

SR in Gleichung 8-11 ergibt sich

Versuche mit ungebetteten HDPE-

Rohren unter hydrostatischem Druck,

d.h. im Grundwasser ohne Boden-

verfestigung, haben gezeigt, dass

die Gleichung

das Beulverhalten hinreichend be-

schreibt. Daher dient diese Gleichung

8-14 im ATV-Arbeitsblatt A 127 dazu,

den Grenzwert des kritischen Beul-

druckes unter äußerem Wasserüber-

druck zu ermitteln.

8.5 Druckstöße

Beim Betätigen von Absperrarmaturen

oder Pumpen können in den Rohrleitun-

gen Druckstöße auftreten. Für deren

maximale theoretische Größe ps gilt

mit

a = Fortpflanzungsgeschwindig-

keit der Druckwelle [m/s],

v0 = Strömungsgeschwindigkeit

des Mediums [m/s],

= Dichte des Mediums [kg/m3].

Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit a

errechnet sich aus (Gleichung 8-16):

mit

Em = Elastizitätsmodul des

Mediums

(EWasser = 2.100 · 106 N/m2),

= Dichte des Mediums

(Wasser = 1.000 kg/m3),

Er = Elastizitätsmodul des

Rohrs [N/m2],

dm = mittlerer Durchmesser des

Rohrs [m],

e = Wanddicke des Rohrs [m].

100

Beuldruck Pk [bar]

Beanspruchungsdauer

10-1

3 6 min

1060,05

0,1

15

10-2 100 101 102 103 105104

1 10 50 Jahre

0,12

0,21

0,87

3,2

barÜber-druck

Über-druck

10

0,2

0,30,5

1

2

3

5

SDR 17,6

SDR 11

SDR 41

SDR 33

SDR 26

Abb. 8-1: Beuldruck von Rohren aus

Hostalen bei äußerem Wasserdruck und

20 °C. Die eingezeichneten waagerech-

ten Strecken geben Verformungsbeginn

und Beulende an

Tab. 8-3: Elastizitätsmodul bei ver-

schiedenen Temperaturen

Tab. 8-4: Nenndruck-Überschreitung bei kurzen Druckstößen

Temperatur (°C) ER [N/m2]

20 1.680 · 106

40 1.230 · 106

60 760 · 106

Gesamtbetriebskoeffizient C Kurzzeitig zulässige

Überschreitung des Nenndrucks

1,25 50 %

1,6 100 %

8-13

8-14

8-15

8-16

101

8.6 Schadensakkumulation

Den bisherigen Betrachtungen über

die Dimensionierung von Druckrohren

liegt eine kontinuierlich wirkende,

konstante Beanspruchung zugrunde.

Treten Perioden von unterschiedlichen

mechanischen und/oder thermischen

Beanspruchungen auf, spricht man von

einer intermittierenden Beanspruchung.

Für diesen Fall ist zu prüfen, wie sich

die Beanspruchungen während der

einzelnen Laststandzeiten akkumulie-

ren und welchen Wert die zu erwar-

tende Gesamtlebensdauer erreicht.

Zur Klärung dieser Frage wurden HDPE-

Rohre der Abmessung 32 mm x 3 mm

aus dem unimodalen Typ Hostalen GM

5010 bei einer konstanten Temperatur

von 80 °C über 6 h mit einer Spannung

von 3 N/mm2 belastet und anschlie-

ßend 18 h entlastet. Dieses Lastspiel

wurde bis zum Bruch der Proben

wiederholt. Die aus sechs Versuchen

erhaltene mittlere Bruchzeit unter

Last (integrale Laststandzeit) betrug

310 h. Ein Vergleichsversuch mit

konstanter Beanspruchung (ohne Ent-

lastung) ergab eine mittlere Bruchzeit

von 275 h. Die intermittierende

Beanspruchung hatte unter diesen

Versuchsbedingungen also praktisch

keinen Einfluss auf die bei konstanter

Beanspruchung ermittelte Zeitstand-

festigkeit der Rohre.

Damit ist die Theorie der linearen Scha-

densakkumulation („Minersche Regel“,

Superpositionsprinzip, ISO 13 760)

anwendbar. Sie basiert auf der An-

nahme, dass sich die Auswirkungen

von wechselnden Belastungen antei-

lig addieren, bis die bei konstanter

Last zu erwartende Standzeit erreicht

ist. Für die Umrechnung der Lebens-

dauerwerte unter konstanter Bean-

spruchung auf die Lebensdauer unter

zeitlich veränderter Beanspruchung

gilt näherungsweise:

Darin ist ti die Zeitdauer der Bean-

spruchung i bei der Temperatur i

und tB die bei gleich hoher, konstanter

Beanspruchung im Zeitstandversuch

gemessene Bruchzeit.

Abbildung 8-2 zeigt die Superposition

der Schädigungsgeraden bei verschie-

denen Temperaturen.

Temperatur []

0

1=4

Zeit [t]

2

3

∆t2

∆t1 ∆t4

∆t3

tB(2)

tB(1) = tB(4)

tB(3)

Zeitbruch bei konstanter Beanspruchung

Bei Bruch gilt:m

∑i = 1

tB(i)∆ti = 1

Abb. 8-2: Lineare Schadensakkumulation bei verschiedenen Temperaturen

8-17

Aus dem Zeitstanddiagramm für PE-

80-Rohre nach DIN 8075 erhält man

bei einer konstanten Spannung von

4,8 N/mm2 folgende Bruchzeiten:

Bei 50 °C: tB (1) = 13 Jahre,

bei 30 °C: tB (2) > 100 Jahre

(extrapoliert).

Die anteiligen Schädigungen betragen

dann:

t1/tB (1) = 6,25/13 = 0,48 = 48 %,

t2/tB (2) = 43,75/100 = 0,44 = 44 %.

Nach Gleichung 8-17 ergibt sich:

Der nach Gleichung 8-17 errechnete

Wert muss 1 bzw. 100 % sein.

Das gewählte Durchmesser-Wand-

dicken-Verhältnis mit SDR 11 ist

für diesen Einsatzfall richtig.

Für teilkristalline Thermoplaste wie

HDPE erhält man bei intermittieren-

der Beanspruchung nach gleichen

akkumulierten Laststandzeiten eine

geringere Gesamtverformung als

bei konstanter Beanspruchung. Die

Verformung lässt sich näherungs-

weise nach dem Prinzip der linearen

Superposition ermitteln.

Beispiel:

In einer Druckleitung wird Wasser

gefördert. Der Betriebsdruck beträgt

konstant 6 bar bei folgendem Tempe-

ratur-Zeit-Verlauf:

50 °C während 3 h pro Tag,

30 °C während 21 h pro Tag.

Welche SDR-Klasse nach DIN 8074

muss ein PE-80-Rohr haben, damit

eine 50-jährige Betriebsfähigkeit

sichergestellt ist?

Der Gesamtbetriebskoeffizient wird

mit 1,6 angenommen.

Bei der Gesamtbetriebszeit von 50

Jahren ergeben sich aufaddiert die

Temperatur-Zeit-Anteile

bei 50 °C zu t1 = 6,25 Jahren,

bei 30 °C zu t2 = 43,75 Jahren.

Gewählt wird zunächst ein Rohr

mit dem Durchmesser-Wanddicken-

Verhältnis SDR = 11.

Die Betriebsspannung beträgt:

Damit beträgt

8.7 Rohreigenspannungen

Eigenspannungen in der Rohrwand

entstehen während der Formgebung

des Rohrs beim Abkühlen der Poly-

ethylenschmelze. Dabei ist wesent-

lich, mit Hilfe einer Außenkühlung

des extrudierten Rohres die gesamte

Wärme nach außen abzuführen. Dann

ist die Rohraußenwand bereits er-

starrt, wenn im Rohrinneren noch

Schmelze vorliegt. Bei fortschreiten-

der Abkühlung will das Material in-

nen kontrahieren. Dies verhindert

jedoch die bereits verfestigte Außen-

schicht. Als Folge dieser Zwangsdeh-

nung der Rohrinnenwand entstehen

dort Zugspannungen. Entsprechend

bilden sich in der Rohraußenwand

Zwangsstauchungen.

Überhöhte Rohreigenspannungen kön-

nen die Ursache für eine Rissbildung

bei der Lagerung bzw. dem Transport

der Rohre sein. Beim Ablängen

eines Rohrs werden die Zwangsverfor-

mungen frei. Dadurch verringert

sich der Durchmesser am Rohrende.

Eine Beeinflussung des Zeitstand-

verhaltens durch sehr hohe Eigen-

spannungen konnte bisher nicht

nachgewiesen werden. Bei der Zeit-

standprüfung, beispielsweise mit

einer Prüftemperatur von 80 °C,

werden die Eigenspannungen durch

Tempern relativ schnell abgebaut.

Sie relaxieren über entsprechend

längere Zeiträume bei den tieferen

Betriebstemperaturen in einer in-

stallierten Rohrleitung.

102

s = · C = 3 · 1,6 = 4,8 N/mm2

t1/tB (1) + t2/tB (2) = 92 %

103

Exakte Eigenspannungsmessungen

sind aufwendig. Eine einfache Mess-

methode gibt es nur für Rohre mit

sehr geringer Wanddicke und linearer

Biegespannungsverteilung. Bei einer

praktikablen Methode sind zwei Rohr-

abschnitte von 10 bis 20 cm Länge

(mindestens das 12fache der Wand-

dicke) erforderlich, um aussagefähi-

ge Zwangsverformungsprofile zu

erhalten. Zunächst misst man mit

einem dimensionsstabilen, glasfaser-

verstärkten Klebeband als Maßband

an dem einen Ring den Außenumfang

Ua (Abb. 8-3 oben links, Messmarke A)

und am zweiten Ring entsprechend

den Innenumfang Ui.

Anschließend dreht man den einen

Ring von innen nach außen auf ea ab

(ca. 10 % der Rohrwanddicke e) und

den zweiten Ring von außen nach

innen auf ei (Abb. 8-3 oben rechts).

Nach 3 Tagen misst man erneut den

Außenumfang ua (Abb. 8-3 unten

links, Messmarke B) und entsprechend

den Innenumfang ui. Außerdem misst

man die mittleren Ringdurchmesser

Da und Di (dazu legt man die Ringe

zweckmäßigerweise auf Millimeter-

papier).

Hiermit errechnen sich die Umfangs-

änderungen:

Abb. 8-3: Orientierende Messung von Rohreigenspannungen

Oben links: Messung des Rohrumfangs mit einem dimensionsstabilen, glasfaserverstärkten Klebeband als Maßband

Oben rechts: Durch Abdrehen von außen und innen erhaltene Rohrringe

Unten links: Messung des Rohrumfangs mit dem Klebeband als Maßband.

A, B: Messmarken

A

ui

ua

ei

ea

Di

2

Da

2

BA

di

2

da

2

8-18

Wegen der vom Kalibrieren herrüh-

renden Zwangsstauchung will sich

der Außenring vergrößern, entspre-

chend will sich der Innenring wegen

der Zwangsdehnung verkleinern.

Nun schneidet man die beiden Ringe

auf, wobei sich normalerweise der

Außenring zusammenzieht (negativer

Gradient), während sich der Innenring

aufweitet (positiver Gradient) (Abb.

8-3 unten rechts).

Nach weiteren drei Tagen misst man

erneut die mittleren Durchmesser da

und di. Mit da < Da zieht sich der Ring

zusammen, mit di > Di weitet sich der

Ring auf. Man errechnet nun die Ände-

rung der Krümmung der Ringe, die

gleich dem Gradienten der Umfangs-

dehnung (Randfaserdehnung) ist

Mit den Größen

Mit den Größen

kann man das Zwangsverformungspro-

fil (Abb. 8-4 und 8-5) zeichnen. Mit den

gerechneten Größen für die Ringzonen

ist das Gesamtprofil recht genau zu er-

halten. Die Summe aller Verformungen

über die Rohrwand muss gleich null

sein, d.h. die Kurvenfläche über der

Nulllinie muss gleich der Fläche unter

der Nulllinie sein.

Um die Zwangsverformung in Eigen-

spannungen umzurechnen, müsste

man gemäß dem Hookeschen Gesetz

noch mit dem E-Modul multiplizieren.

Da es jedoch problematisch ist, den

„richtigen“ E-Modul zu verwenden,

begnügt man sich mit dem Zwangs-

verformungsprofil. Man kann an-

nehmen, dass der E-Modul über die

Wanddicke nahezu konstant ist.

Abbildung 8-4 zeigt ein typisches

Zwangsverformungsprofil, wie es

an einem Rohr 90 SDR11 gemessen

wurde. Auch Profile wie das in Ab-

bildung 8-5 für ein Rohr 200 SDR11

werden gefunden. Hierbei ist die

maximale Zwangsdehnung innerhalb

der Rohrwandung, auch der Innen-

ring besitzt nun einen negativen

Gradienten, d.h. beim Aufschneiden

zieht er sich wie der Außenring

zusammen.

104

0,8

0,4

0

0,4

0,8

1,2

1,4

Stau

chung [

%]

Rohrwandaußeninnen

e = 8,2 mm

Deh

nung [

%]

Abb. 8-4: Zwangsverformungsprofil

eines Rohrs 90 x 8,2 mm SDR11 aus

Hostalen

0,8

0,4

0

0,4

0,8

1,2

Stau

chung [

%]

Rohrwandaußeninnen

e = 18,5 mm

Deh

nung [

%]

Abb. 8-5: Zwangsverformungsprofil

eines Rohrs 200 x 18,5 mm SDR11 aus

Hostalen

8-19

105

9.1 Lieferung, Transport,

Lagerung

Je nach den Transportmöglichkei-

ten werden Rohre aus Hostalen und

Lupolen auf Trommeln oder in Rohr-

bunden, in Fixlängen oder für den

Transport auf Rungenwagen mit bis

zu 600 m Länge geliefert. Ferner

lassen sich Rohre mit einer mobilen

Rohrextrusionsanlage vor Ort in be-

liebigen Längen produzieren. Beson-

ders vorteilhaft ist der Transport in

Rohrbunden oder auf Trommeln, da

sich dann je nach Abmessung des

Rohrs Längen bis zu mehreren tau-

send Metern ohne Verbindungsele-

mente oder Schweißstellen verlegen

lassen (Abb. 9-1). Der Wickelradius

sollte nicht kleiner als der 12fache

Rohrdurchmesser sein. Standardmä-

ßig werden heute Rohre bis 160 mm

SDR 11 aufgewickelt. Kein anderer

Werkstoff ermöglicht es, die daraus

hergestellten Rohre derartig zügig

zu verlegen wie PE-Rohre.

Hinweise zu Transport und Verlegung

Je nach den Transportmöglichkeiten werden Rohre ausHostalen und Lupolen auf Trommeln oder in Rohrbunden,in Fixlängen oder für den Transport auf Rungenwagen mit bis zu 600 m Länge geliefert.

Abb. 9-1: Ringbunde aus Hostalen CRP 100 black (Foto: Fa. Frank GmbH)

Rohre mit größerer Nennweite lassen

das Aufwickeln in der Regel nicht zu.

Sie werden in standardmäßigen Fix-

längen von 6 und 12 m gefertigt. In

Sonderfällen sind je nach Transport-

möglichkeiten auch größere Längen

möglich (Abb. 9-2). Nach dem Abladen

sind solche Rohre gerade auf ebener

Fläche zu lagern. Die einzelnen Lagen

sollen ohne Zwischenhölzer versetzt

angeordnet sein. Ab 500 mm Durch-

messer sollten nur zwei Lagen gesta-

pelt werden.

Für bestimmte Anwendungen sollen

möglichst lange Rohrabschnitte ohne

Fügenaht eingesetzt werden, auch

wenn das Auftrommeln wegen der

großen Abmessungen ausscheidet.

Dann gibt es drei unterschiedliche

Liefermöglichkeiten. Erstens lassen

sich Rohre aus Hostalen und Lupolen

mit mehreren hundert Metern Länge

auf Rungenwagen der Eisenbahn

transportieren (Abb. 9-3). Zweitens

ist auf dem Wasserweg der Transport

solcher Rohre als Floß möglich

(Abb. 9-4). Drittens können Rohre

auf mobilen Extrusionsanlagen

direkt vor Ort extrudiert werden.

106

Abb. 9-2: Auch 25 m lange Rohrab-

schnitte lassen sich gut transportieren

Abb. 9-3: Rohre aus Hostalen großer Länge beim Transport

auf Rungenwagen der Bahn

Abb. 9-4: Rohrtransport als Floß auf dem Wasserweg

Als rationelle Verlegemethode bietet

sich das Einpflügen der PE-Rohre an

(Abb. 9-5). Dabei werden die Rohre ent-

weder von einer auf dem Verlegegerät

montierten oder von einer stationär

aufgestellten Trommel abgewickelt.

Durch ständige Weiterentwicklung

dieser Technik ist es heute möglich,

eingepflügte Rohre im Sandbett zu

verlegen. Das Einpflügen ist auch

bei Gasleitungen anwendbar. Mit

Hilfe der Einpflüg-Technik sind Verle-

geleistungen von bis zu 5 km pro Tag

bei kleinen Durchmessern möglich.

Zur Zeit können Rohre mit einem

Außendurchmesser von bis zu 355 mm

eingepflügt werden.

Bei der Erdverlegung von Kanalrohren

aus Hostalen sind, wie für Kanal-

rohre aus allen anderen Werkstoffen

auch, die Verlegevorschriften von

DIN EN 1610 und DIN 18 300 zu

beachten.

107

9.2 Verlegen von Rohrleitungen

Für die Verlegung von Gas-, Wasser-

und Abwasserdruckrohren gelten in

Deutschland die Verlegerichtlinien

DIN 19 630 sowie die Verlegeanlei-

tungen des Kunststoffrohrverbands

und des DVGW. Lassen die örtlichen

Verhältnisse es zu, die Rohre außer-

halb des Grabens komplett zur Leitung

zu verschweißen, ist nur ein schmaler

Graben erforderlich. Anschließend

muss die Leitung nur noch in den vor-

bereiteten Graben eingezogen werden.

Wegen der hohen Flexibilität von Roh-

ren aus Hostalen und Lupolen lassen

sich größere Hindernisse, wie Baum-

wurzeln, Felsriegel oder kreuzende

Rohrleitungen, umgehen. Daher sind

beispielsweise im Waldgelände oder

bei felsigem Untergrund Sprengungen

nicht notwendig.

Das Rohr muss gerade vom Bund oder

von der Trommel abgewickelt werden.

Das Abziehen in einer Spirale ist zu

Abb. 9-5: Einpflügen einer 17,5 km langen Mineralwasserleitung aus Hostalen CRP 100 black, simultane Verlegung von vier

Rohren (125 mm, SDR 11), (Fotos: Fa. FRANK GmbH)

vermeiden. Auf keinen Fall dürfen die

Rohre geknickt werden. Ferner ist es

wichtig, beim Abrollen und Verlegen,

wie zuvor schon bei Transport und La-

gerung, äußere Beschädigungen, etwa

durch spitze Steine, zu vermeiden.

Unebenheiten in der Grabensohle soll-

ten vor dem Verlegen durch Sand bzw.

Kies ausgeglichen werden. Dabei sind

DIN 19 630, DIN 4124, DIN 4022,

DIN 18 196 sowie die 97 (ZTVA-Stb)

zu beachten.

Die Verlegetiefe richtet sich nach der

Verkehrsbelastung und dem Rohrau-

ßendurchmesser. Sie sollte mindestens

der Frosttiefe entsprechen (beispiels-

weise gemäß DIN 1998 bei Gas: 0,6

bis 1,0 m und Wasser: 1,0 bis 1,8 m).

Zur Grabenverfüllung eignet sich am

besten steinfreies Material. Einschläm-

men ist zu vermeiden, da die Rohre

durch ihre niedrige Dichte auch im

wassergefüllten Zustand aufschwim-

men. Bei felsigem Untergrund müs-

sen die Rohre auf einem Sandbett

verlegt werden.

Das Auflager im Leitungsgraben ist

in einer Höhe von 0,1 · d + 10 cm in

steinfreiem Material auszuführen und

vor dem Verlegevorgang mit leichtem

Verdichtungsgerät abzurütteln.

Die Einbettung der Leitung bis 15 cm

(nach EN 1610) über Rohrscheitel muss

mit verdichtungsfähigem, steinfreiem

Material erfolgen. Sie wird in einzel-

nen Lagen ausgeführt, wobei diese

Einzellagen sorgfältig zu verdichten

sind. Wegen der Wärmeausdehnung

müssen die Rohre zügig angedeckt

werden. Nach der Verfüllung und Ver-

dichtung verhindern die Reibungs-

kräfte zwischen Rohr und Einbettung

Wärmedehnungen durch Temperatur-

schwankungen bzw. es stellt sich eine

konstante Temperatur ein.

In der Regel dürfen Entwässerungsroh-

re in Deutschland nur geradlinig verlegt

werden. Ist in besonderen Fällen

eine Richtungsänderung notwendig,

sollte die Trasse so gewählt werden,

dass sich Richtungsänderungen in der

Horizontalen durch Biegen der Rohre

erzie-len lassen. Da sich Rohre aus

Hostalen und Lupolen mit relativ

kleinen Biegeradien verlegen lassen,

entfällt der Einbau von Formstücken,

z.B. Krümmern, oder von Schächten.

Eine Randfaserdehnung von 2,5 %

sollte langfristig nicht überschritten

werden.

Es wird empfohlen, die in Tabelle 9-1

angegebenen Biegeradien bei 20 °C

nicht zu unterschreiten.

Bei einer Verlegetemperatur von 0 °C

sind die angegebenen Biegeradien um

den Faktor 2,5 zu erhöhen. Zwischen

0 und 20 °C kann der Biegeradius durch

lineare Interpolation ermittelt werden.

Die Rohre werden durch gefrierendes

Wasser nicht beschädigt. Das Einfrieren

des Wassers selbst können Rohre aus

Hostalen und Lupolen nicht verhindern,

sie müssen frostsicher verlegt werden.

Alle Verlege- und Schweißarbeiten sind

einer Qualitätskontrolle zu unterziehen.

Für die Ausführung und Überprüfung

der Schweißarbeiten gelten die im

Merkblatt DVS 2207 angegebenen

Richtlinien. Weiterer Bestandteil der

Prüfung ist die Druckprobe als Dicht-

heitsprüfung nach dem Verlegen.

Richtlinien hierfür sind in DIN 4279

(Wasser-Druckleitungen) und in DVGW

G 469 (Gas) zu finden.

108

Tab. 9-1: Zulässige Biegeradien für Rohre aus Polyethylen

Das Kriterium für den zulässigen

Biegeradius ist bei kleinem Verhältnis

von Rohrwanddicke zu Durchmesser,

also bei niedrigen Druckstufen, die

Knickung. Bei großem Verhältnis, d.h.

bei höheren Druckstufen, ist die Rand-

faserdehnung zu betrachten. Zur Be-

rechnung der Biegeradien gelten bei

Vernachlässigung der durch das Bie-

gen entstehenden Ovalität des Rohrs

näherungsweise folgende Formeln:

Biegeradius RK gegen Knicken:

mit

rm = mittlerer Rohrradius [mm],

e = Wanddicke [mm].

Biegeradius Rs gegen Dehnung:

mit

ra = Rohraußenradius [mm],

= Randfaserdehnung [%].

Rohrreihe S SDR Zulässiger Biegeradius

(d = Rohraußendurchmesser)

1 20 41 50 d

2 16 33 40 d

3 12,5 26 30 d

4 8,3 17,6 20 d

5 5 11 20 d

6 3,2 7,4 20 d

9-1

9-2

109

Rohre aus Hostalen und Lupolen haben

sich wegen ihrer einfachen und schnel-

len Verlegeweise, ihres geringen Ge-

wichts, der hohen Korrosionsbestän-

digkeit sowie der unverändert guten

Eigenschaften auch bei Frost zuerst in

Skandinavien durchgesetzt. Dies ist

ohne Zweifel auf die dort herrschenden

geographischen und klimatischen

Verhältnisse zurückzuführen. So

findet man neben gebirgigem Gelände

(Norwegen) auch ausgedehnte Sumpf-

und Seengebiete (Finnland), also für

metallische Werkstoffe ausgesprochen

schwierige bzw. aggressive Gegeben-

heiten. Darüber hinaus ist man in

Skandinavien gezwungen, auch in der

langen Winterzeit Verlegearbeiten

durchzuführen. Dabei erweist sich die

hohe Zähigkeit der Werkstoffe der

Basell auch bei tiefen Temperaturen

als Vorteil.

Flexibilität, Zähigkeit, Dichtheit und

Längskraftschlüssigkeit der Schweiß-

verbindungen lassen die Verlegung

in unwegsamem Gelände, an Steil-

hängen, in Gebieten mit Bodenver-

schiebungen, in moorigem Gelände, in

Wasserschutzgebieten sowie in grund-

wasserhaltigen und korrosiven Böden

ohne besondere Maßnahmen zu.

Selbst unter extremen und irregulären

Bedingungen wie in Bergsenkungsge-

bieten und bei Erdbeben haben sich

Rohre aus Polyethylen auf Grund ihrer

hohen Zähigkeit bewährt.

10.1 Normen und Richtlinien

für Rohre

Nachfolgend wird eine Auswahl der

wichtigsten internationalen und natio-

nalen Vorschriften gegeben. Für die

Anwendung der Normen und Richt-

linien ist jeweils das neueste Aus-

gabedatum maßgebend.

Die Einführung des europäischen

Binnenmarkts bringt auch im Rahmen

der Normung entscheidende Verände-

rungen mit sich.

Gegenwärtig ist eine Vielzahl von Be-

stimmungen im „Europäischen Komitee

für Normung (Comité Européen de

Normalisation = CEN)“ in Arbeit, die

dann zumindest für alle europäischen

Länder, die der jeweiligen Norm zuge-

stimmt haben, verbindlich sein und

die einschlägigen nationalen Normen-

werke ablösen werden.

110

Weiterführende Informationen

Nachfolgend wird eine Auswahl der wichtigsten inter-nationalen und nationalen Vorschriften gegeben. Für die Anwendung der Normen und Richtlinien ist jeweils das neueste Ausgabedatum maßgebend.

Bei Rohren aus Kunststoffen wird für

jede einzelne in Frage kommende Kom-

bination von Kunststoffsorte und An-

wendungsgebiet (u.a. für Hausabfluss,

Abwasser-, Trinkwasser-, Gas- und

Chemieleitungen) ein Systemstandard,

z.B. EN 1555 für Gasrohre aus PE, ge-

schaffen, der die Normung wie folgt

umfassen wird:

Teil 1: Allgemeines

Teil 2: Rohre

Teil 3: Fittings

Teil 4: Armaturen

Teil 5: Gebrauchstauglichkeit

Teil 6: Empfehlungen für die

Verlegung

Teil 7: Beurteilung der Konformität

10.1.1 Grundnormen

ISO 161-1

Thermoplastische Rohre zum Trans-

port von Flüssigkeiten – Nominaler

Außendurchmesser und Nenndrücke

– Teil 1: Metrische Reihe

ISO 161-2

Thermoplastische Rohre zum Trans-

port von Flüssigkeiten – Nominaler

Außendurchmesser und Nenndrücke

– Teil 2: Inch-Reihen

ISO 4065

Rohre aus Thermoplasten; Universelle

Wanddickentabelle

ISO 10508

Thermoplastische Rohre und Form-

stücke für Heiß- und Kaltwasser-

Systeme (Anwendungsklassen,

Anforderungen, Dimensionierung)

ISO 11922

Thermoplastische Rohre für den

Transport von Fluiden – Maße und

Toleranzen

ISO 12162

Thermoplastische Werkstoffe für Rohre

und Formstücke bei der Anwendung

unter Druck – Klassifizierung und Werk-

stoffkennzeichnung – Gesamtbetriebs-

(berechnungs)koeffizient

DIN 8074

Rohre aus Polyethylen hoher Dichte

(PE-HD); Maße

DIN 8075

Rohre aus Polyethylen hoher Dichte

(PE-HD); Allgemeine Güteanforderun-

gen; Prüfungen

DIN 8077

Rohre aus Polypropylen (PP)–PP-H

100, PP-B 80, PP-R 80-Maße

DIN 8078

Rohre aus Polypropylen (PP)–PP-H

(Typ 1), PP-B (Typ 2), PP-R (Typ 3);

Allgemeine Güteanforderungen,

Prüfung

DIN 16833

Rohre aus Polyethylen erhöhter Tem-

peraturbeständigkeit – Allgemeine

Güteanforderungen, Prüfung

DIN 16834

Rohre aus Polyethylen erhöhter

Temperaturbeständigkeit – Maße

DIN 16892

Rohre aus vernetztem Polyethylen

hoher Dichte (PE-X); Allgemeine

Güteanforderungen, Prüfung

DIN 16893


hoher Dichte (PE-X); Maße

DIN 16894


mittlerer Dichte (PE-MDX); Allgemeine

Qualitätsanforderungen, Prüfung

DIN 16895


mittlerer Dichte (PE-MDX) – Maße

DIN 16961

Rohre und Formstücke aus thermo-

plastischen Kunststoffen mit

profilierter Wandung und glatter

Rohrinnenoberfläche

ASTM D 3350

Standard Specification for Poly-

ethylene Plastics Pipe and Fittings

Materials

ASTM F 412

Standard Terminology Relating to Pla-

stic Piping Systems

ASTM F 714

Standard Specification for Polyethy-

lene (PE) Plastic Pipe (SDR-PR) Based

on Outside Diameter

ASTM F 876

Standard Specification for Cross-

linked Polyethylene (PEX) Tubing

ASTM D 1281

Standard Specification for Crosslinked

Polyethylene/Aluminum/Crosslinked

Polyethylene (PEX-AL-PEX) Pressure Pipe

ASTM D 1282

Standard Specification for Polyethy-

lene/Aluminum/Polyethylene

(PE-AL-PE) Composite Pressure Pipe

ASTM D 1335

Standard Specification for Pressure-

Rated Composite Pipe for Elevated

Temperature Service

10.1.2 Prüfverfahren

ISO 1167

Rohre aus Thermoplasten für den

Transport von Fluiden – Zeitstand-

Innendruckverhalten – Prüfverfahren

ISO 4433

Thermoplastische Rohre – Widerstand

gegen chemische Fluide – Einteilung

ISO 6259

Thermoplastische Rohre – Bestimmung

der Eigenschaften im Zugversuch

ISO 6964

Polyolefin-Rohre und Fittings; Bestim-

mung des Rußgehaltes durch pyroly-

tische Zersetzung, Prüfverfahren und

geforderte Werte

111

EN ISO 9080

Kunststoff-Rohrleitungs- und Schutz-

rohrsysteme – Bestimmung des Zeit-

stand-Innendruckverhaltens von

thermoplastischen Rohrwerkstoffen

durch Extrapolation

ISO 9854

Thermoplastische Rohre für den

Transport von Flüssigkeiten –

Bestimmung des Schlagbiegever-

suches nach Charpy

ISO 9967

Thermoplastische Rohre –

Bestimmung des Kriechverhaltens

ISO 9969

Thermoplastische Rohre –

Bestimmung der Ringsteifigkeit

ISO 10146

Vernetzte Polyethylen(PE-X)-Rohre –

Einfluss von Zeit und Temperatur auf

die zu erwartende Festigkeit

ISO 10147

Rohre und Fittings aus vernetztem

Polyethylen (PE-X) – Berechnung

des Grades der Vernetzung bei der

Bestimmung des Gel-Gehaltes

ISO 13477


Transport von Fluiden; Bestimmung

des Widerstandes gegenüber schnel-

ler Rissfortpflanzung – Labortest an

kleinen Rohrproben (S4)

ISO 13478


Transport von Fluiden; Bestimmung

des Widerstandes gegenüber schnel-

ler Rissfortpflanzung – Praxistest

(FST)

ISO 13479


Transport von Fluiden – Bestimmung

des Widerstandes gegen Rissfort-

pflanzung – Prüfverfahren für lang-

sames Risswachstum an gekerbten

Rohren (Kerbprüfung)

ISO 13480

Polyethylenrohre – Beständigkeit

gegenüber verzögernder Rissbildung

– Kegelprüfung

ISO 16770

Kunststoffe – Bestimmung der Span-

nungsrissbeständigkeit unter Medien-

einfluss – Kriechversuch an Probekör-

pern mit umlaufender Kerbe (FNCT)

ISO 18553

Methode zur Bestimmung der Pig-

ment- oder Rußverteilung in Rohren,

Formstücken und Compounds aus

Polyolefin

EN 578/ISO 7686

Kunststoff-Rohrleitungssysteme;

Rohre und Formstücke aus Kunst-

stoffen; Bestimmung der Opazität

EN 579

Kunststoff-Rohrleitungssysteme;


(PE-X); Bestimmung des Vernetzungs-

grades durch Lösemittelextraktion

EN 728


rohrsysteme; Rohre und Formstücke

aus Polyolefinen; Bestimmung der

Oxidations-Induktions-Zeit

EN 743

Kunststoff-Rohrleitungs- und

Schutzrohrsysteme; Rohre aus

Thermoplasten; Bestimmung

des Längsschrumpfes

EN 744


Schutzrohrsysteme – Rohre aus

Thermoplasten – Prüfverfahren

für die Widerstandsfähigkeit gegen

äußere Schlagbeanspruchung im

Umfangsverfahren

EN 921

Kunststoff-Rohrleitungssysteme –

Rohre aus Thermoplasten – Bestim-

mung des Zeitstand-Innendruckver-

haltens bei konstanter Temperatur

EN 1055


Rohrleitungssysteme aus Thermopla-

sten für Abwasserleitungen innerhalb

von Gebäuden – Prüfverfahren für die

Temperaturbeanspruchbarkeit

EN 1056


rohrsysteme – Rohre und Formstücke

aus Kunststoffen – Verfahren für die

Bewitterung im Freien

EN 1411


Schutzrohrsysteme – Rohre aus

Thermoplasten – Bestimmung

der Widerstandsfähigkeit gegen

äußere Schlagbeanspruchung im

Stufenverfahren

EN 1420-1

Einfluss von Werkstoffen auf Trink-

wasser – Organische Werkstoffe;

Rohre, Formstücke und deren Be-

schichtungen in Rohrleitungssys-

temen; Beurteilung von Geruch und

Geschmack – Teil 1: Prüfverfahren

EN 1622

Wasseranalytik – Geruch und

Geschmack von Trinkwässern –

Quantitatives Verfahren; Verfahren

zur Bestimmung der Geruchs- und

Geschmacksschwellenwerte (TON

und TFN)

112

EN 12106


Rohre aus Polyethylen (PE) Bestim-

mung der Widerstandsfähigkeit

gegen Innendruck nach Abquetschen

DIN V 4279-7

Innendruckprüfung von Druckrohr-

leitungen für Wasser –

Druckrohre aus Polyethylen geringer

Dichte PE-LD, Druckrohre aus Poly-

ethylen hoher Dichte PE-HD (PE 80

und PE 100), Druckrohre aus vernetz-

tem Polyethylen PE-X, Druckrohe aus

weichmacherfreiem Polyvinylchlorid

PVC-U

DIN 16887

Prüfung von Rohren aus thermopla-

stischen Kunststoffen, Bestimmung

des Zeitstand-Innendruckverhaltens

DIN 16888-1

Bewertung der chemischen Wider-

standsfähigkeit von Rohren aus Ther-

moplasten; Rohre aus Polyolefinen

DIN 16889-1

Bestimmung der chemischen Resi-

stenzfaktoren an Rohren aus Thermo-

plasten; Rohre aus Polyolefinen

ASTM D 2765

Standard Test Methods for Determina-

tion of Gel Content and Swell Ratio of

Crosslinked Ethylene Plastics

ASTM D 2837

Standard Test Method for Obtaining

Hydrostatic Design Basis for Thermo-

plastic Pipe Materials

10.1.3 Anwendungsnormen

10.1.3.1 Allgemeine Druckleitungen

ISO 8584-1

Druckrohre aus Thermoplasten für

die industrielle Anwendung; Bestim-

mung der chemischen Beständigkeits-

faktoren und der Basisspannung:

Teil 1: Rohre aus Polyolefinen

ISO 13760

Kunststoffrohre für den Transport

von Fluiden unter Druck –

Minersches Gesetz – Berechnungsver-

fahren für kumulative Beschädigung

ISO 13761

Kunststoffe und Formstücke –

Druckminderungsfaktoren für Poly-

ethylen-Rohrleitungssysteme für den

Einsatz bei Temperaturen über 20 °C

ISO 14236

Kunststoffrohre und Formstücke –

Mechanische Klemmverbinder für

Polyethylen – Druckrohre in der

Wasserversorgung

ISO 15494-1

Kunststoff-Rohrleitungssysteme für

industrielle Anwendungen –

Polybuten (PB), Polyethylen (PE),

Polypropylen (PP) – Anforderungen

an Rohrleitungsteile und das Rohr-

leitungssystem –

Teil 1: Metrische Reihen

DIN 8076-3

Druckrohrleitungen aus thermo-

plastischen Kunststoffen – Teil 3:

Klemmverbinder aus Kunststoffen

für Rohre aus Polyethylen (PE);

Allgemeine Güteanforderungen,

Prüfung

DIN 16962

Rohrverbindungen und Formstücke

für Druckrohrleitungen aus Poly-

propylen (PP), PP-H 100, PP-B 80 und

PP-R 80

DIN 16963

Rohrverbindungen und Formstücke

für Druckrohrleitungen aus Poly-

ethylen (PE), PE 80 und PE 100

10.1.3.2 Gasrohre

ISO 4437

Kunststoffrohre und Formstücke –

Erdverlegte Polyethylen(PE)-Rohre

für gasförmige Brennstoffe –

Metrische Reihen; Spezifikationen

ISO/TS 10839

Polyethylen-Rohre und -Formstücke

für die Gasversorgung – Praxisanlei-

tung für Design, Handhabung und

Installation

ISO 14531

Rohre und Formstücke aus Kunst-

stoffen – Rohrleitungssysteme aus

vernetztem Polyethylen für den

Transport von gasförmigen Brenn-

stoffen – Festlegung metrischer

Reihen

EN 1555


die Gasversorgung – Polyethylen (PE)

EN 12007-2

Gasversorgungssysteme –

Rohrleitungen mit einem maximal

zulässigen Betriebsdruck bis ein-

schließlich 16 bar –

Teil 2: Besondere funktionale

Empfehlungen für Polyethylen

(MOP bis einschließlich 10 bar)

113

10.1.3.3 Trinkwasserrohre

ISO 4427

Polyethylen(PE)-Rohre für die Wasser-

versorgung; Spezifikationen

EN 12201

Kunststoff-Rohrleitungssysteme für die

Wasserversorgung – Polyethylen (PE)

10.1.3.4 Hausinstallation,

Druckrohre

EN ISO 15874


die Warm- und Kaltwasserinstallation

– Polypropylen (PP)

EN ISO 15875


Warm- und Kaltwasserinstallation –

Vernetztes Polyethylen (PE-X)

ENV 12108


Empfehlungen zum Einbau von Druck-

rohrleitungssystemen für die Ver-

sorgung innerhalb von Gebäuden mit

Warm- und Kaltwasser, das für den

menschlichen Gebrauch bestimmt ist

DIN 4721


Warmwasser-Fußbodenheizung und

Heizkörperanbindung – Polyethylen

erhöhter Temperaturbeständigkeit

(PE-RT)

DIN 4724


Warmwasser-Fußbodenheizung und

Heizkörperanbindung – Vernetztes

Polyethylen mittlerer Dichte (PE-MDX)

DIN 4726

Warmwasser-Fußbodenheizungen und

Heizkörperanbindungen – Rohrleitun-

gen aus Kunststoffen

DIN 4729

Rohrleitungen aus vernetztem Poly-

ethylen hoher Dichte für Warmwas-

ser-Fußbodenheizngen; Besondere

Anforderungen und Prüfung

ASTM F 877

Crosslinked Polyethylene (PEX)

Plastic Hot- and Cold-Water Distri-

bution Systems

10.1.3.5 Abwasserdruckleitungen

EN 13244

Kunststoff-Rohrleitungssysteme für erd-

und oberirdisch verlegte Druckrohr-

leitungen für Brauchwasser, Entwässe-

rung und Abwasser – Polyethylen (PE)

10.1.3.6 Drucklose Abwasser-

leitungen

ISO 8770

Rohre und Formstücke aus Polyethy-

len hoher Dichte (PE-HD) für Hausab-

flussleitungen; Spezifikationen

ISO 8772

Rohre und Formstücke aus Polyethylen

hoher Dichte (PE-HD) für erdverlegte

Abwassersysteme; Spezifikationen

EN 1519


Abwasserleitungen (niederer und

hoher Temperatur) innerhalb der

Gebäudestruktur – Polyethylen (PE)

EN 1852

Kunststoff-Rohrleitungssysteme

für erdverlegte Abwasserkanäle

und -leitungen – Polypropylen (PP)

EN 12666-1


erdverlegte Abwasserkanäle und

-leitungen – Polyethylen (PE) – Teil 1:

Anforderungen an Rohre, Formstücke

und das Rohrleitungssystem

EN 13476 (Normentwurf)


aus Thermoplasten für drucklose

erdverlegte Abwasserkanäle und

-leitungen – Rohrleitungssysteme

mit strukturierter Wandung aus

weichmacherfreiem Polyvinylchlorid

(PVC-U), Polypropylen (PP) und

Polyethylen (PE)

EN 13598-1


erdverlegte drucklose Abwasser-

kanäle und Abwasserleitungen –

Weichmacherfreies Polyvinylchlorid

(PVC-U), Polypropylen (PP) und Poly-

ethylen (PE) –

Teil 1: Anforderungen an Schächte

und Zubehörteile

EN 1451-1


zum Ableiten von Abwasser (niedri-

ger und hoher Temperatur) innerhalb

der Gebäudestruktur - Polypropylen

(PP) – Teil 1: Anforderungen an Rohre,

Formstücke und das Rohrleitungssy-

stem

DIN 19535

Rohre und Formstücke aus Polyethylen

hoher Dichte (PE-HD) für heißwasser-

beständige Abwasserleitungen (HT)

innerhalb von Gebäuden

DIN 19537

Rohre und Formstücke aus Polyethy-

len hoher Dichte (PE-HD) für Abwas-

serkanäle und Abwasserleitungen

DIN 19560

Rohre und Formstücke aus Polypro-

pylen (PP) mit Steckmuffe für heiß-

wasserbeständige Abwasserleitugen

(HT) innerhalb von Gebäuden

114

10.1.3.7 Sonstige Rohrleitungs-

baunormen

ISO 8779

Rohre aus Polyethylen (PE) für Bewäs-

serungssysteme; Spezifikationen

ISO/TR 11295

Techniken für die Sanierung von

Rohrleitungssystemen unter Ver-

wendung von Plastikrohren und

ihren Bestandteilen

EN 253

Werksmäßig gedämmte Verbund-

mantel-Rohrsysteme für erdverlegte

Fernwärmenetze; Verbund-Rohr-

system bestehend aus Stahl-Medium-

rohr, Polyurethan-Wärmedämmung

und Außenmantel aus Polyethylen

hoher Rohdichte

EN 1295-1

Statische Berechnung von erdverleg-

ten Rohrleitungen unter verschiede-

nen Belastungsbedingungen – Teil 1:

Allgemeine Anforderungen

EN 1610

Technische Regeln für die Bauaus-

führung von Abwasserleitungen

und Abwasserkanälen

10.1.4 Sonstige Normen

und Richtlinien

Weiter sei verwiesen auf die Richt-

linien der verschiedenen Verbände,

Vereinigungen und Zertifizierungs-

organisationen. Für Deutschland

sollen exemplarisch genannt werden:

• Technische Regeln und Technische

Mitteilungen des DVGW (Deutscher

Verein des Gas- und Wasserfaches

e.V.), zu beziehen durch Wirtschafts-

und Verlagsgesellschaft Gas und

Wasser mbH, Josef-Wirmer-Straße 3,

D-53123 Bonn

• Zertifizierungsprogramme für

Abwassertechnik und industrielle

Anwendungen der DIN CERTCO

Gesellschaft für Konformitätsbewer-

tung mbH, Burggrafenstraße 6;

D-10787 Berlin

(Frühere Güterichtlinien der GKR)

• Richtlinien des DVS (Deutscher

Verband für Schweißtechnik e.V.),

zu beziehen durch den DVS-Verlag

GmbH, Postfach 10 19 65,

D-40010 Düsseldorf

• Regelwerk Abwasser – Abfall der

ATV (Deutsche Vereinigung für

Wasserwirtschaft, Abwasser und

Abfall), zu beziehen durch GFA

(Gesellschaft zur Förderung der

Abwassertechnik e.V.), Theodor-

Heuss-Allee 17, 53773 Hennef

• Medienlisten 40 für Behälter, Auf-

fangvorrichtungen und Rohre aus

Kunststoff, zu beziehen durch

Deutsches Institut für Bautechnik,

Kolonnenstraße 30L, D-10829 Berlin

10.2 Maschinenhersteller und

Prüfinstitute

Maschinen und Nachfolgeeinrich-

tungen zur Produktion von Kunst-

stoffrohren und Formteilen sowie

Zubehörteilen zur Bearbeitung und

Verlegung von Kunststoffrohren

werden von einer Vielzahl von Her-

stellern produziert. Eine Auswahl

von Anschriften wird auf Wunsch

zur Verfügung gestellt.

Zahlreiche Institute haben sich auf die

Prüfung und Überwachung von Kunst-

stoff-Rohrsystemen spezialisiert.

Auch hier können die entsprechenden

Informationen angefordert werden.

Zwischenzeitlich sind die meisten

Rohrhersteller, Zulieferer, Institute

und Vereinigungen mit eigenen Home-

pages im Internet vertreten. Aktuelle

Informationen können dort kurzfristig

mit geeigneten Suchprogrammen ab-

gerufen werden.

115

116

11.1 Verwertung

Zum Deponieren sind Altkunststoffe

zu schade, denn Kunstststoffe sind

auch nach ihrer Verwendung wert-

volle Materialien, die durch moderne

Verwertungsverfahren genutzt wer-

den können. Das spart fossile Roh-

stoffe und schont die Umwelt. Für

die Verwertung von Polyethylenrohren

wie auch für andere Kunststoffabfälle

bestehen prinzipiell drei Möglich-

keiten (sofern nicht von dem Gesetz-

geber begrenzt):

• Das Werkstoff-Recycling –

Umschmelzen von Altkunststoffen

zu neuen Formteilen

• Das Rohstoff-Recycling – Umwand-

lung der Altkunststoffe in chemi-

sche und petrochemische Rohstoffe

• Die energetische Verwertung –

Verbrennung mit Energiegewinnung

Welcher dieser drei Wege sinnvoller-

weise beschritten wird, hängt von

der Art der Altkunststoffe ab.

Das Werkstoff-Recycling erfordert

sortenreine, saubere und in großen

Mengen an wenigen Orten anfallende

Altkunststoffe. Dann halten sich die

unvermeidlichen Eigenschaftsverluste

beim Recyclingprozess in Grenzen,

der energetische Aufwand ist niedrig,

die Aufbereitungskosten sind vertret-

bar und die Rezyclate finden einen

Markt.

Umwelt

117

Durch Rohstoff-Recycling werden

gebrauchte Kunststoffe in ihre Aus-

gangssubstanzen oder in chemische

oder petrochemische Rohstoffe

gespalten, die wieder zur Herstellung

neuer Kunststoffe oder anderer Pro-

dukte eingesetzt werden können. Auf

diese Weise lassen sich auch große

Mengen vermischter und verschmutz-

ter Altkunststoffe stofflich verwerten.

Die so erhaltenen Produkte zeigen

keinerlei Qualitätseinbußen und

unterliegen daher keinen Anwen-

dungseinschränkungen. Gängige Ver-

fahren des rohstofflichen Recyclings

in Deutschland sind die Synthese-

gaserzeugung zu Methanol nach

dem Verfahren der SVZ Schwarze

Pumpe sowie der Hochofenprozess

bei der Eisenerzeugung.

In modernen Verbrennungsanlagen

wie Kraftwerken und anderen in-

dustriellen Feuerungsanlagen z.B.

Zementöfen kann Polyethylen in

komplexer Mischung mit anderen

Materialien, besonders solchen mit

kritischen Anhaftungen und Inhalts-

stoffen, schadstoffarm und umwelt-

freundlich energetisch verwertet

werden. Die saubere Verbrennung

von Altkunststoffen in geeigneten

Anlagen ist ein Beitrag zur Schonung

fossiler Brennstoffvorräte.

Ökobilanzen zeigen: Die drei Wege

tragen zur Ressourcenschonung bei.

Die Lösung der Verwertungsfrage

liegt somit im gleichwertigen Neben-

einander aller Alternativen unter

Berücksichtigung ökologischer und

volkswirtschaftlicher Aspekte.

11.2 Beseitigung

Polyethylen kann unter Beachtung

der örtlichen Vorschriften z.B. zusam-

men mit Hausmüll abgelagert werden.

Die Polyethylen-Marken der Basell

sind nach VwVwS, Anhang 1 als nicht

wassergefährdend eingestuft worden.

Von ihnen geht keine Grundwasser-

gefährdung aus. Sie sind nicht

wasserverunreinigend nach RID/ADR

(Klasse 9).

Infolge der geringen Wasserlöslich-

keit sind granulat- oder grießförmige

Polyethylen-Marken der Basell in Klär-

anlagen mechanisch abzutrennen.

Auf Grund der Konsistenz sowie der

geringen Wasserlöslichkeit ist eine

Bioverfügbarkeit nicht wahrschein-

lich. Negative ökologische Wirkungen

sind nach heutigem Kenntnisstand

nicht zu erwarten. Bei Einleitung in

adaptierte biologische Kläranlagen

sind Störungen der Abbauaktivität

von Belebtschlamm nicht zu erwar-

ten.

Nach EG-Richtlinie 93/21/EWG sind

die Produkte der Basell nicht als

„umweltgefährlich“ einzustufen.

11.3 Ökobilanz, Ökoprofil und

Ökoeffizienzanalyse

Ökobilanzstudien analysieren ganz-

heitlich die Umweltauswirkungen, die

durch Erfüllung einer spezifischen

Anforderung – etwa der Bereit-

stellung von einem Liter Milch oder

der Versorgung einer Siedlung mit

Trinkwasser – hervorgerufen werden.

Hierzu definiert man so genannte

Systeme, die den gewünschten Nut-

zen erbringen können, z.B. verschie-

dene Verpackungen für Milch oder

den Verkauf von Milch zum Selbst-

abfüllen. Insofern kann es sich bei

einem System nicht nur um den

Lebensweg eines greifbaren Pro-

dukts, z.B. einer Milchverpackung

handeln. Im gegebenen Beispiel wäre

dies die Bereitstellung von Milch

beim Verbraucher.

Das System wird dabei von der

Gewinnung der Rohstoffe, über die

Herstellung der Produkte und ihrer

Nutzung bis hin zur Verwertung und

Entsorgung, d.h. „von der Wiege

bis zur Bahre“ beschrieben und die

dadurch hervorgerufene Umweltbe-

lastung in Zahlen erfasst. Betrachtet

werden dabei die Mengen an ver-

brauchten Rohstoffen und Energie-

trägern, an Emissionen in die Luft

und das Wasser sowie an Abfällen

zur Deponierung.

118

Die Ergebnisse einer Ökobilanz zei-

gen Schwerpunkte des Rohstoff- und

Energiebedarfs sowie der Emissionen

und Abfälle im Gesamtsystem auf.

Daraus lassen sich Hinweise auf die

Auswirkung von Prozessveränderun-

gen ableiten und Rückschlüsse auf

ökologisch zweckmäßiges Verhalten

bei der Nutzung der Ressourcen

ziehen.

Bereits 1991 haben die europäischen

Kunststoffhersteller über die Associa-

tion of Plastics Manufacturers (APME)

begonnen, für die wichtigsten ther-

moplastischen Kunststoffe umfang-

reiche Basisdaten für die Berechnung

von Ökobilanzen bereitzustellen.

Diese so genannten Ökoprofile sind

beschränkt auf den Lebensweg-

abschnitt von der „Wiege bis zum

Werkstor“. Für Polyethylen liegen

Ökoprofile für LDPE, LLDPE und HDPE

sowie die Produkte der wichtigsten

Verarbeitungsverfahren vor. Die

Daten zu Polyethylen wie auch zu

anderen Kunststoffen, die in der

Reihe „Ecoprofiles of the European

Plastic Industry“ veröffentlicht wurden,

haben Eingang in zahlreiche Öko-

bilanzstudien gefunden.

Viele Ökobilanzstudien zeigen:

Auch unter ökologischen Gesichts-

punkten ist Kunststoff ein vorteil-

hafter Werkstoff. Betrachtet man

den gesamten Lebensweg von der

Herstellung, über den Gebrauch bis

zur Verwertung, so tragen Kunst-

stoffe bereits heute wesentlich zur

Entlastung der Umwelt, zur Schonung

der Ressourcen und zur Klimavor-

sorge bei, z.B. als leichte Bauteile

im Automobil oder als effiziente

Verpackungswerkstoffe. So belegt

z.B. eine vom Umweltbundesamt

erstellte Bilanz zum Vergleich von

Kunststofftragetaschen mit Papier-

tüten die Vorteilhaftigkeit der Kunst-

stoffvariante.

Darüber hinaus greift Basell zu

kombinierten ökologischen und

ökonomischen Bewertungen auf die

Ökoeffizienzanalyse zurück. Diese

Methode wurde von der BASF als

Instrument zur besseren Einschät-

zung von Produkten und Verfahren

für die interne Entscheidungsfindung

entwickelt.

Eine Ökoeffizienzanalyse berücksich-

tigt gleichermaßen ökologische und

ökonomische Gesichtspunkte. Hierbei

werden neben Daten aus Ökobilanzen

weitere Parameter einbezogen und

insbesondere auch die Kosten über

den gesamten Lebensweg betrachtet.

Durch Aggregation der gewichteten

Kenngrößen erhält man ein Öko-

effizienzportfolio, das auf einfache

Art und Weise die Ökoeffizienz eines

Produktes erkennen lässt: Am öko-

effizientesten ist ein Produkt dann,

wenn es einen bestimmten Nutzen

mit geringerer Umweltbelastung und

zu niedrigeren Kosten als alternative

Produkte einbringt.

Mittels einer solchen Ökoeffizienz-

analyse in enger Zusammenarbeit

zwischen BASF und BASELL wurden

beispielhaft die unterschiedlichen

Verwertungswege von Kunststoff-

kraftstoffbehältern betrachtet.

119

Literatur Basell

Aktuelle Informationen zu den

Produkten von Basell sind auf der

Internetseite „www.basell.com“

erhältlich.

Dies sind insbesondere:

– Produktdatenblätter (PDS)

– Sicherheitsdatenblätter (MSDS)

– Regulatory Affairs Product

Stewardship Information

Data Sheets (RAPIDS)

– Sortimentsübersichten

– Broschüren zu verschiedenen

Anwendungsgebieten

– Beständigkeit gegen Chemikalien

und andere Medien

Weitere Literatur

[1] M. A. Miner: How Cumulative

Damage Affects Fatigue Life,

Machine Design, Decembre 1945,

S. 111 – 115

[2] K. Richard und G. Diedrich: Stand-

festigkeitseigenschaften von einigen

Hochpolymeren, DECHEMA-Monogra-

phien 28 (1959), S. 328

[3] E. Gaube: Zeitstandfestigkeit und

Spannungsrißbildung von Nieder-

druck-PE, Kunststoffe 49 (1959),

S. 447; s.a. Dissertation D 17

(Darmstadt 1959) von E. Gaube

[4] K. Richard, G. Diedrich und E.

Gaube: Zeitstandfestigkeit von Kunst-

stoffrohren, Kunststoffe 49 (1959),

S. 616

[5] J. Ehrbar: Kunststoffe im chemi-

schen Apparatebau, Kunststoffe 53

(1963), S. 845

[6] H. Kühlwein und F. Demmer:

Mikrobielle Korrosion von Kunst-

stoffen, Kunststoffe 57 (1967),

Heft 3, S. 183

[7] H. Wilski: Kunststoffe in der Kern-

technik, Kunststoffe 58 (1968), S. 18

[8] Vergleichende Verschleißversuche

an Stahl- und Hostalen-Rohren sowie

Gummischläuchen mit durchströmen-

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Technisches Handbuch – Werkstoffe für die Rohrextrusion