Praxistest des Curing Monitoring Systems bei Synthesefaserlinern

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1 104 Sanierung Abbildung 1: Kanalsanierung mit Dampfaushärtung (Baustellenbild) Praxistest des Curing Monitoring Systems bei Synthesefaserlinern Das Curing Monitoring System (CMS) ist eine innovative Temperaturmesstechnik, die für die Sanierung von Rohrleitungen und Kanälen mit Schlauchlinern entwickelt wurde. Durchgeführte Praxistests bei Synthesefaserlinern liefern klare Ergebnisse. Von Prof. Dr.-Ing. Ulrich Glombitza, OSSCAD GmbH & Co. KG Im Gegensatz zur herkömmlichen punktuellen Temperaturmessung im Schachtbereich misst das CMS die Temperatur lückenlos als örtliches Temperaturprofil in Längsrichtung der Haltung im Sekundentakt vom Start bis zum Ende der Sanierungsmaßnahme. Diese In-situ-Temperaturmessung ermöglicht eine ereignisorientierte Prozessführung mit den Vorteilen für Errichter und Kunden, den thermischen Härtungsprozess während der Fertigung des Liners zu messen und als Qualitätsnachweis zu dokumentieren. Das Messsystem ist sowohl für Liner mit thermischer Härtung als auch Liner mit UV-Härtung einsetzbar. Bei den UV-härtenden Verfahren ist die Information über die Temperaturentwicklung im Laminat und die Position der Lichterkette von entscheidender Bedeutung für die Festlegung der Ziehgeschwindigkeiten. Das Temperaturmesssystem setzt sich zusammen aus einem Auswertegerät (Controller), einem optischen Messkabel (Sensorkabel) und einer leistungsstarken Applikationssoftware. Das Sensorkabel wird im Allgemeinen vor dem Einbau des Liners in den Abwasserkanal eingezogen und über eine optische Steckverbindung mit dem Controller verbunden. Die Temperaturmessdaten werden per Software ausgewertet und visualisiert. In der Abbildung 2 ist schematisch die örtliche Zonendarstellung und die thermographische Darstellung als 3D-Bild (Temperatur als Funktion von Ort und Zeit) dargestellt. Das Sensorkabel ist so konzipiert, dass es von einer Kabeltrommel direkt in den Kanal einge- Abbildung 2: Messung der thermischen Linerhärtung als örtliches Zonenbild und als thermographisches 3D- Bild (Temperatur als Funktion von Ort und Zeit)

2 Sanierung 105 zogen werden kann. Das Sensorkabel wird in m Länge geliefert, so dass etwa 40 Haltungslängen mit einer Kabeltrommel bedient werden können. Um auf der Baustelle eine möglichst einfache und schnelle Verbindung des Sensorkabels zum CMS Controller zu gewährleisten, wird das Sensorkabel werkseitig mit einem optischen Stecker vorkonfektioniert. Am Trommelflansch befindet sich eine (blaue) Buchse (siehe Abbildung 3), so dass in Kombination mit einem robusten Verbindungskabel (nicht dargestellt) das Messsystem mit wenigen Handgriffen aufgebaut ist. Die Firma OSSCAD vertreibt die CMS-Temperaturmesstechnik weltweit an Hersteller von Nadelfilzlinern und glasfaserverstärkten GFK-Linern, Errichter und Kommunen. Das CMS-Verfahren wurde in Europa, USA, Südamerika und Australien in mehr als Haltungen erfolgreich umgesetzt mit mehr als 200 km Einbaulänge des Sensorkabels. Die erste Felderprobung erfolgte im November 2007 bei einem Stadtentwässerungsbetrieb in Köln in Zusammenarbeit mit dem IKT [1], [2]. Die positive Akzeptanz hat uns in unserem Bemühen bestätigt, die CMS-Technik als Messverfahren für die Schlauchlinersanierung weiter zu entwickeln und zu etablieren [3], [4], [5]. Um diesen Weg weiterhin erfolgreich zu bestreiten, ist es uns wichtig, die Felderfahrungen und die Verbesserungsvorschläge unserer Kunden aufzugreifen und in zukünftige Entwicklungen des CMS-Produktes einfließen zu lassen. Praxistests beim Marktführer von Schlauchlining-Verfahren Abbildung 3: CMS System Controller und Sensorkabel (Trommel mit optischer Buchse) Die Nadelfilzliner werden durch Inversion in den Abwasserkanal eingebracht. Vor dem Beginn der Inversion wird ein sogenannter Preliner eingezogen. Der Preliner erleichtert die Inversion, schützt das Linermaterial gegenüber scharfen Kanten und verhindert ein Eindringen des harzgetränkten Linermaterials in die Umwelt. Nach dem Einzug des Sensorkabels in den Sohlenbereich wird der Preliner mit Druckluft (ca. 0,3 bar) aufgestellt und die Inversion gestartet. Anschließend erfolgt die Härtung. Entscheidend für eine fachgerechte Härtung ist das Erreichen der sogenannten Mindesttemperatur. Die Mindesttemperatur ist notwendig, um die exothermen Reaktionen im mit Kunstharz imprägnierten Linermaterial anzustoßen und den Härtungsprozess einzuleiten. Aus diesem Grund werden herkömmlich Thermoelemente zwischen Preliner und Außenwand des Liners positioniert. Die Temperaturwerte des CMS-Controllers werden per Software als RGB-Farben in Form einer 3D-Darstellung (Temperatur als Funktion von Ort und Zeit) dargestellt. Die Abbildung 4 zeigt den zeitlichen Temperaturverlauf selektierter Linerorte (linker Graph) sowie den aktuellen örtlichen Temperaturverlauf im Sohlenbereich entlang der Haltungslänge. In der Abbildung sind die drei Heizphasen (Aufheizphase, Heizphase und Abkühlphase) des Dampfprozesses in den zeitlichen Temperaturverläufen der 3D-Darstellung skizziert. Der Eingangsschacht A und der Ausgangsschacht B befinden sich am jeweiligen Ende des örtlichen Temperaturprofils. Die Haltungslänge zwischen den beiden Schächten beträgt etwa 46 m Länge. Einzelne Linerorte können entlang des örtlichen Temperaturprofils mit Hilfe von Markern selektiert werden und der korrespondierende zeitliche Temperaturverlauf als Graph dargestellt werden. Bei einer homogenen Härtung des Liners liegt ein gleichmäßiger örtlicher Temperaturverlauf mit einer konstanten Farbe vor. In der 3D-Darstellung sind zwei thermische Störungen entlang der Haltungslänge zu erkennen. In 26 m Entfernung des örtlichen Temperaturprofils ist eine kalte Stelle erkennbar und am Ende der Haltungslänge befindet sich eine

3 106 Sanierung Abbildung 4: 3D-Darstellung zweier Messintervalle. Oberes Bild: Aufheizphase des Liners, unteres Bild: Von der Aufheizphase bis zur Abkühlphase. Senke über eine Strecke von ca. 5 m Länge. Der Vergleich der oberen mit der unteren 3D- Darstellung der Abbildung 4 zeigt, dass sich das Kondensat mit zunehmender Dampfaushärtung in Richtung des Schachtes A ausbreitet. Die CMS-Messung bestätigt, dass trotz der thermischen Störungen eine sehr homogene thermische Aushärtung entlang der gesamten Länge des Liners erzielt wird. Die Mindesttemperatur von 58 C wurde während der Härtungsphase an allen Linerorten erreicht. Die 3D-Darstellung kann somit als Qualitätsnachweis für eine fachgerechte Linerhärtung und für eine erfolgreiche Kanalsanierung verwendet werden. Der Errichter (Operator) erwartet eindeutige Entscheidungshilfen, ob die vom Linerhersteller vorgegebene Mindesttemperatur entlang der Haltung erreicht wird oder ob die Wärmezuführung nachgeregelt werden muss. Um die Entscheidung ereignisorientiert treffen zu können, wurde die Zonendarstellung entwickelt. Die Haltungslänge wird in äquidistante örtliche Abschnitte (Zonen) unterteilt. Die Temperaturdaten werden den jeweiligen Zonen zugeordnet, ausgewertet und farblich gekennzeichnet. Der kleinstmögliche Abschnitt (Subzone) beträgt 15 cm. Die Referenzwerte für das Umschalten der Zonenfarben sind bei dem Start des CMS-Messsystems vom Errichter einzutragen. Die Referenzwerte werden in Bezug zur aktuellen Härtungstemperatur der einzelnen Linerabschnitte gesetzt. Die Abbildung 5a zeigt die Zonendarstellung mit Haupt- und Subzonen in Bezug auf die oben beschriebenen thermischen Störungen. Der Operator erkennt am Zonenbild, dass orange Zonen vorliegen und die Dampfzuführung weiterhin bestehen bleiben muss. In der Zonendarstellung der Abbildung 5b sind alle Zonenfarben auf Grün geschaltet, so dass dem Operator visuell signalisiert wird, dass die Mindesttemperatur an allen Linerorten erreicht wurde. Dies bedeutet, dass auch bei (unvorhergesehenen) thermischen Störungen die Sanierung erfolgreich durchgeführt werden kann. Falls die Mindesttemperatur früher als erwartet erreicht wird, kann der übliche Sicherheitsaufschlag reduziert werden und die Dauer der Wärmezuführung verkürzt sich. Auf diese Weise lassen sich die Energiekosten und die CO 2 -Emission signifikant reduzieren. Mit Hilfe der sogenannte Curing View wurde ein zusätzliches Visualisierungstool entwickelt, welches das Kriterium des Wärmeeintrages berücksichtigt. Der Hersteller kann zur Beurteilung der thermischen Härtung zusätzlich die Einwirkungszeit der Temperatur an den Linerorten mit einbeziehen, indem die zeitliche Temperaturhistorie der einzelnen Linerorte gespeichert wird. Die Abbildung 6 zeigt die Curing View. Der rote Graph zeigt dem Anwender den örtlichen Verlauf der maximal erreichten Temperatur der einzelnen Linerorte, der schwarze Graph repräsentiert das aktuelle Temperaturprofil entlang des Liners. Für die Berechnung des Wärmeeintrages werden nur Temperaturwerte berücksichtigt, die oberhalb einer konfigurierbaren (horizontalen, orangen Linie) Temperaturschwelle liegen, multipliziert mit der zeitlichen Einwirkungsdauer. Die grüne Fläche weist die Einwirkungszeit (linke Skala) als das Ergebnis des Wärmeeintrages in Bezug auf die einzelnen Linerorte aus. Die Curing Views der Abbildung 6a und 6b zeigen die korrespondierenden Temperaturmessdaten zu den beiden obigen Zonendarstellungen. Die Temperaturschwelle ist konfigurierbar und entspricht bei diesem Linerprojekt der Mindesttemperatur von 58 C. Die beiden thermischen Störungen durch die kalte Stelle und durch das Kondensat im Bereich der Senke sind örtlich eindeutig zu erkennen. Durch die thermischen Störungen wird dem Dampfprozess Wärme entzogen, so dass der Wärmeeintrag geringer ist (kleinere grüne Fläche). Die Curing View besitzt wie der 3D-Plot und die Zonendarstellung eine Animationsfunktion, mit der die Messdaten zeitlich

4 Sanierung 107 nacheinander durchfahren werden können, um so verschiedene Zustände des Härtungsprozesses erneut darzustellen. Die Curing View dient wie die 3D-Darstellung als Qualitätsnachweis für eine fachgerechte Linerhärtung. Überprüfung der mechanischen Linereigenschaften Aufgrund der unterschiedlichen Abmessungen und Aufbauten der Schlauchliner sowie der unterschiedlichen Vorschädigungen des Altrohrbestandes muss das Sensorkabel eine große Bandbreite hinsichtlich der mechanischen Einwirkungen abdecken. Um diese gegenseitigen Anforderungen erfüllen zu können, hat die Firma OSSCAD neben dem FlatTemp Standard Sensorkabel (Abmessung 3 mm x 6 mm) das sogenannte UltraFlat- Temp Sensorkabel mit einer Kabeldicke von 1,5 mm und einer Breite von 6 mm sowie das sogenannte FlatTemp Plus Sensorkabel mit einem Querschnittsprofil von 3,2 mm x 7,6 mm entwickelt (siehe Abbildung 7). Für kleine Linerdurchmesser und geringe Wanddicken kommt das UltraFlatTemp Sensorkabel und für große Linerdurchmesser > DN 1500 das FlatTempPlus Sensorkabel zum Einsatz. Die mechanischen Kennwerte wurden mit Hilfe des Dreipunkt-Biegeversuches ermittelt (siehe Abbildung 8). Die Laborergebnisse zeigen, dass durch die Verbauung des Sensorkabels an der Außenseite des Liners keine Beeinträchtigung des E-Moduls bewirkt. Abbildung 5a: Hauptzonen und Subzonen vor dem Erreichen der Mindesttemperatur im Bereich der kalten Stelle und der Senke Zusammenfassung und Ausblick Die Praxistests des Curing Monitoring Systems (CMS) konnten im Rahmen der Härtung bei Synthesefaser von Schlauchlinern erfolgreich durchgeführt werden. Mit Hilfe der CMS-Applikationssoftware lassen sich thermische Unregelmäßigkeiten eindeutig erkennen. Die 3D- Abbildung 5b: Hauptzonen und Subzonen nach dem Erreichen der Mindesttemperatur im Bereich der Senke

5 108 Sanierung Abbildung 7: CMS Sensorkabel (UltraFlatTemp, Flat- Temp und FlatTempPlus) Geplant ist, im nächsten Schritt das System für die Warmwasserhärtung und die UV-Härtung zu erweitern. Im Vordergrund stehen die thermische Messung der Härtung bei der Warmwasserhärtung von Synthesefaserlinern und die Überprüfung der Ziehgeschwindigkeiten bei lichthärtenden Glasfaserlinern. Die Praxistests werden durch eine Masterarbeit und Werksmessungen begleitet und sollen Ende Juni 2014 abgeschlossen sein. Abbildung 6a: Curing View vor dem Erreichen der Mindesttemperatur im Bereich der kalten Stelle und der Senke Darstellung und die Curing View dienen als Qualitätsnachweis einer fachgerechten Sanierung. Mit der Zonendarstellung bestehen eindeutige Entscheidungskriterien für den Hersteller, auch bei schwierigen Baustellen und bei Baustellen mit unvorhersehbaren thermischen Störungen während der laufenden Sanierungsmaßnahme. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass sich das CMS durch eine einfache Handhabung, robuste Systemkomponenten und eine leistungsstarke Software auszeichnet, die ein hohes Innovationspotenzial beinhaltet: Monitoring des thermischen Aushärtungsprozesses in Längsrichtung des Liners während der Sanierungsmaßnahme Farbliche Kennzeichnung der geforderten Mindesttemperatur und des geforderten zeitlichen Wärmeeintrages und somit eindeutige Entscheidungshilfen für den Hersteller Qualitätsnachweis des thermischen Härtungsprozesses über die Gesamtlänge des Liners und über die gesamte Dauer der Sanierungsmaßnahme Literatur- und Quellennachweise: [1] Bosseler, B., Abnahme von Liningmaßnahmen - Materialnachweise und Bewertung der Linerqualität, IKT Institutes für Unterirdische Infrastruktur, BMBF Abschlussbericht, March 2009 [2] Diburg, B., Bosseler, B., Glombitza, U., Temperaturmessung bei Kanalsanierungen unter Einsatz von Schlauchlinerverfahren, Praxisanwendung bei einem warmwasserhärtenden Nadelfilzliner in Recklinghausen, bi UmweltBau, Kongressausgabe Deutscher Schlauchlinertag, Pforzheim, April 2009 [3] Glombitza, U., Behlau, M., A new temperature measuring set-up to control the lining curing during the sewer renovation, International No-Dig 2011, 29th International Conference and Exhibition, Berlin, 2-5 May 2011 [4] Glombitza, U., Fiber Optic Cure Verification (FCV) Ensures Quality, Longevity of CIPP Liner Installations, North American Society for Trenchless Technology (NASTT), No-Dig Show 2012 Nashville, TN March 11-15, 2012 [5] Glombitza, U. Curing Monitoring System zur Verbesserung der Prozessführung bei der Kanalsanierung mittels Schlauchlinern, DWA Kanalisationstage, Dortmund, Deutschland, Dezember 2012 [6] Website zu diesem Foto: Abbildung 6b: Curing View nach dem Erreichen der Mindesttemperatur im Bereich der kalten Stelle und der Senke Abbildung 8: Ermittlung der mechanischen Kennwerte im Dreipunkt-Biegeversuch [6]