Rohrleitungssysteme - System- und Materialkunde sowie Schadensfälle aus der Praxis

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1 Rohrleitungssysteme - System- und Materialkunde sowie Schadensfälle aus der Praxis

2 Inhalt Wasserschäden und ihre Folgen Werkstoffe in der Trinkwasserinstallation Werkstoffe, Eigenschaften Vor- und Nachteile Entwicklung in den kommenden Jahren Verbindungstechnik Zusammenfassung & Ausblick

3 Wasserschäden und ihre Folgen Wasserschäden Top 5 der Schadensfälle in Haushalten Deutschlands: 30 % Wasserschaden 13 % Schimmelbefall 12 % Heizung defekt 12 % Unwetterschäden 7 % Risse in Mauern/Decken Jeder zweite deutsche Haushalt einmal betroffen, d.h. ca. 15 % der Haushalte sind durch einen Wasserschaden betroffen

4 Wasserschäden und ihre Folgen Wasserschäden Umgelegt auf Österreichs Haushalte im Jahr 2011 (3,65 Mio. Privathaushalte) Wasserschäden jährlich Konservative Annahme von ca. EUR 2.000,-- / Schaden Summe von ca. EUR 18 Mio. Schadensumme pro Jahr

5 Inhalt Wasserschäden und ihre Folgen Werkstoffe in der Trinkwasserinstallation Werkstoffe, Eigenschaften Vor- und Nachteile Entwicklung in den kommenden Jahren Verbindungstechnik Zusammenfassung & Ausblick

6 Werkstoffe, Eigenschaften Polymere Werkstoffe (Kunststoffe) Polymere sind Chemiewerkstoffe und organische Verbindungen (Basis: Erdöl, Erdgas) welche mittels Polymerisation erzeugt werden Wiederholung identer Einheiten (Prof. Staudinger, Nobelpreis 1953) Charakterisierung durch Schmelzindex (MFR) und mittlere Molekulargewicht bzw. deren Verteilung Nachwachsende Kunststoffe (NAKUs) haben in der Baubranche keine Bedeutung

7 Werkstoffe, Eigenschaften Handelsübliche Kunststoffe bestehen auf dem Basispolymer und Zusatzstoffen: - Farbpigmente - Füllstoffe (Ruß, Talkum etc.) - Verstärkungsstoffe (Glasfasern) - Vernetzungsmittel - Stabilisatoren gegen Hitze, UV etc. - Schlagzähmodifizierung Verarbeiter erhält fertiges Package

8 Werkstoffe, Eigenschaften Vorteile polymerer Werkstoffe Flexibilität Verarbeitbarkeit (1 Verarbeitungsvorgang) Beständigkeit Vielfalt der Verbindungstechnologien Gewicht bzw. geringe Dichte Nachteile polymerer Werkstoffe Spannungsrissempfindlichkeit bzw. Beständigkeit Temperaturbeständigkeit Höhere Längenausdehnung im Vergleich zu metallischen Werkstoffen

9 Werkstoffe, Eigenschaften Polymere Werkstoffe in der Trinkwasserinstallation Polypropylen (PP) Vernetztes Polyethylen (PE-X) Poly(1-buten) (PB) Polyvinylchlorid chloriert (PVC-C) PE mit erhöhter Temperaturbeständigkeit (PE-RT) Kunststoff-Metallverbundrohre (PE-X/Al/PE-X bzw. PE)

10 Werkstoffe, Eigenschaften Produktnormen für Trinkwasserinstallationen ÖNORM EN ISO Serie sowie ÖVGW PW 301: Aluminiumoder Kunststoff-Verbund-Rohre und Rohrleitungsteile ÖNORM EN ISO Serie, ÖNORM B 5174 sowie ÖVGW PW 302: Rohre und Rohrleitungsteile aus Polypropylen (PP) ÖNORM EN ISO Serie sowie ÖVGW PW 302: Rohre und Rohrleitungsteile aus vernetztem Polyethylen (PE-X) ÖNORM EN ISO Serie sowie ÖVGW PW 302: Rohre und Rohrleitungsteile aus Polybuten (PB) ÖNORM EN ISO Serie sowie ÖVGW PW 302: Rohre und Rohrleitungsteile aus chloriertem Polyvinylchlorid (PVC-C)

11 Werkstoffe, Eigenschaften Polyethylen (PE) Vorteile: Leichte Verarbeitbarkeit, gute Schweißbarkeit Sehr gute Chemikalienbeständigkeit Sehr geringe Wasseraufnahme (< 0,1 Gew.-%) Physiologisch indifferent Nachteile: Mäßige Temperaturbeständigkeit (70 C - 90 C) Vernetzung (PE-X) oder Stabilisierung (PE-RT) Neigung zur Spannungsrisskorrosion

12 Werkstoffe, Eigenschaften Vernetztes Polyethylen (PE-X) PE ist Ausgangsstoff, welcher einer Vernetzung unterzogen wird: PE-Xa peroxidisch-vernetztes PE PE-Xb silan-vernetztes PE PE-Xc strahlen-vernetztes PE PE-Xd... Azo-vernetztes PE Veränderung der Molekularstruktur durch Vernetzung bedingt höhere Einsatztemperatur Kein Thermoplast und daher z.b. nicht recyclierbar, nicht schmelzbar, aber sehr wohl schweißbar Verbindungstechnologie: Mechanische Verbindungen (und Heizwendelschweißen)

13 Werkstoffe, Eigenschaften Vernetztes Polyethylen (PE-X) Vorteile: Sehr gute Chemikalienbeständigkeit Gute Kältezähigkeit (kein Bruch bei geringen Temperaturen) Höhere Festigkeit als PE Gute Temperaturbeständigkeit Geringere Neigung zu Spannungsrisskorrosion als PE Nachteile: Nicht aufschmelzbar und daher rezyklierbar Chemische Vernetzung vs. Hygieneeigenschaften

14 Werkstoffe, Eigenschaften Vernetztes Polyethylen (PE-X) Wie lange kann ein Kunststoffrohr bei z.b. 60 C mit Druck beaufschlagt werden, bis es zu Versagen kommt? Welche Versagensmechanismen treten dabei auf? Wie kann daraus auf die Lebensdauer von Kunststoffrohren geschlossen werden?

15 Werkstoffe, Eigenschaften Druckversorgung Druckreduktion Tank Manometer Probekörper Wasserbecken

16 Werkstoffe, Eigenschaften

17 Werkstoffe, Eigenschaften

18 Werkstoffe, Eigenschaften

19 Beispiele aus der Praxis Warmwasserleitung aus PE-X Warmwasserleitung aus PE-X zeigte Brüche auf. Rohre waren in der Zwischendecke (Zirkulationsleitung) verlegt. Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck) waren unauffällig. Deutlicher Krümmungsradius aus Verlegung. Eine Chlorierung (Chlordioxid) wurde vorgenommen. Liegt hier ein Werkstofffehler vor?

20 Beispiele aus der Praxis Warmwasserleitung aus PE-X Schädigung ausschließlich an Innenseite nahe Boiler und Zudosierung (OIT < 1 ). In größerer Entfernung: OIT-Werte ca. 5 min Stabilisatoren, die Kunststoff vor Oxidation schützen, waren im Rohr ursprünglich mit 0,6 mg/g vorhanden. An geschädigten Rohren waren Werte < 0,1 mg/g feststellbar. Verbrauch an Stabilisatoren ist auf das Oxidationsmittel Chlordioxid zurückzuführen. Brüche treten vorrangig im Bereich starker Krümmungsradien auf (Herstellerangaben unterschritten). Dort überlagern sich Spannungen auf Biegung und dem Innendruck.

21 Werkstoffe, Eigenschaften Polyvinylchlorid (PVC-U, PVC-C) Vorteile: Hohe mechanische Festigkeit, Steifheit und Härte Chemikalienbeständigkeit (polare Lösungsmittel) Schwer entflammbar, gute Licht- und Wetterbeständigkeit Kaum Neigung zur Spannungsrissbildung und klebbar Nachteile: Schlagempfindlich in der Kälte ( Schlagzähmodifizierung) Vergleichsweise schwierige Verarbeitbarkeit Niedrige Dauergebrauchstemperatur (60 90 C) ( PVC-C)

22 Werkstoffe, Eigenschaften Polypropylen (PP) Herstellung aus Propylen Copolymere (meist PE), da PP alleine zu spröde Grundsätzlich 3 Arten: Homopolymer (PP-H) Block-Copolymer (PP-B) Random-Copolymer (PP-R) Verbindungstechnologie: Schweißen und mechanische Verbindungen

23 Werkstoffe, Eigenschaften Polypropylen (PP) Vorteile: Niedrige Dichte Gut schweißbar, nicht klebbar Höhere Dauergebrauchstemperatur Kaum Neigung zur Spannungsrissbildung Physiologisch indifferent Nachteile: Schlagempfindlich in der Kälte (vor allem PP-H) Stabilität gegen UV und Chlor (geringe Oxidationsbeständigkeit)

24 Beispiele aus der Praxis Warmwasserleitung aus PP Warmwasserleitung aus PP mit PN 20 und max. Betriebstemperatur von 60 C Plötzliches Auftreten von mehreren Brüchen und damit Verursachen von massiven Wasserschäden und Folgekosten Rohre zeigen Risse und Rissformationen an der Innenseite

25 Beispiele aus der Praxis Warmwasserleitung aus PP Infrarotspektroskopie (FT-IR) zeigt das Vorliegen von PP, das oxidativ stark geschädigt ist Schädigung ausschließlich an Innenseite (OIT < 1 ) Was ist Grund für Oxidation (Temperatur, Medium)? Rasterelektronenmikroskopie (REM) zeigt das Vorliegen von Chlor Woher kommt Chlor (NaCl, Chlorierung)? Ionenchromatografie (IC) zeigt > 80 ppm Chlor an Innenseite

26 Beispiele aus der Praxis

27 Beispiele aus der Praxis Absorptionsbande für oxidative Schädigung

28 Beispiele aus der Praxis Warmwasserleitung aus PP Cl 2 + H 2 O HCl + HClO (Disproportionierung) Cl NaOH NaCl + NaClO + H 2 O (alkalische Umgebung) Freies Chlor = Hypochlorige Säure (HClO), Hypochlorit (OCl - ) und elementares Chlor (Cl 2 ) HClO ist fach stärkeres Oxidationsmittel als OCl - ph-wert 7 75 % HClO und 25 % OCl - Oxidation führt zu spröden Brüchen an Innenseite; Meist mehrere längslaufende Risse

29 Werkstoffe, Eigenschaften Kunststoff-Metallverbundrohre Aufbau der Rohre: Kunststoff Metall Kunststoff Metall: Aluminium bzw. Kunststoff: PE-HD, PE-X, PE-RT Bezeichnung z.b. PE-X/AL/PE-HD Rohr Verbinder: Mechanische Verbinder aus Kunststoff oder Metall Vorteile: Geringere Längenausdehnung Diffusionsdicht Heißwasserbeständig Längssteifigkeit

30 Beispiele aus der Praxis Warmwasserversorgung Kunststoff-Metallverbundrohre (PE-X/Al/PE-X) in einer im Jahr 2006 errichteten Wohnhausanlage Innenschicht der Rohre ist nach ca. 6 Jahren versprödet. Es sind Brüche und Undichtheiten ausschließlich an der Warmwasserleitung aufgetreten. Erstgutachter stellt ohne Befund fest, dass Rohre Temperatur nicht standgehalten haben, und das die Ursache für die Schäden sei. Stimmt das? War es das Rohr oder eine Übertemperatur?

31 Beispiele aus der Praxis Warmwasserversorgung innerhalb eines Gebäudes Boiler-Temperatur hat 60 C nicht überschritten. Bewohner klagen über zu heißes Warmwasser, dass dann kühler und schließlich wieder wärmer wird. Befundaufnahme zeigt, dass Leitungssystem im Kaltwasserbereich ohne Isolierung ausgeführt ist. Warmwasserleitung (DN 16) ist isoliert (Dämmstärke 20 mm) und nicht als Zirkulationsleitung ausgeführt. Um Temperatur zu halten, wurde elektrisches Heizband (Modell HWAT-R der Fa. Raychem) in ein- und zweifacher Verlegung installiert.

32 Beispiele aus der Praxis

33 Beispiele aus der Praxis Warmwasserversorgung innerhalb eines Gebäudes Heizband HWAT-R ist für eine Wohnhausanlage überdimensioniert und für Hotels, Krankenhäuser etc. vorgesehen. Im gegenständlichen Fall wäre Heizband HWAT-M mit einer ca. 1/3 geringeren Heizleistung. Weiters wäre verpflichtend der Temperatursteller HWAT-ECO zu verwenden gewesen. Dieser wurde im Keller an den Kupferleitungen vorgesehen, nicht aber in den Wohnebenen. Die zu hohe Leistung und der permanente Betrieb der Heizbänder führt dazu, dass mehr Energie eingebracht wird, als durch die Isolierung abgeführt werden kann.

34 Beispiele aus der Praxis Warmwasserversorgung innerhalb eines Gebäudes

35 Beispiele aus der Praxis Warmwasserversorgung innerhalb eines Gebäudes

36 Beispiele aus der Praxis Warmwasserversorgung innerhalb eines Gebäudes Die zu hohe Leistung und der permanente Betrieb der Heizbänder führt dazu, dass mehr Energie eingebracht wird, als durch die Isolierung abgeführt werden kann. Je nach Rohrdimension (DN 16 oder DN 20), Entnahmesituation und Belegung des Heizbandes (einfach oder doppelt) stellen sich Betriebstemperaturen zwischen 73 C und 80 C) ein. Die Max. Dauerbetriebstemperatur des Rohres beträgt 70 C. Der Schaden ist auf einen Planungsmangel zurückzuführen.

37 Beispiele aus der Praxis Kunststoff-Metallverbundrohrleitungssystem Kunststoff-Metallverbundrohrleitungssystem zeigte Undichtheiten im Warm- und Kaltwasserbereich an mehreren Verbindungen auf. Verbindungstechnologie: Pressverbinder (mit Presshülse). Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck) waren unauffällig. Ursache für die Undichtheiten?

38 Beispiele aus der Praxis Kunststoff-Metallverbundrohrleitungssystem Es war ein Mischinstallationssystem (Rohre des Herstellers A und Formstücke der Hersteller A und B) festzustellen. Undichtheiten waren ausschließlich an Verbindungen der Kombination A/B feststellbar. Presswerkzeug, das verwendet wurde, ist für System A/A und nicht A/B geeignet. Zusätzlich geometrische Inkompatibilität.

39 Beispiele aus der Praxis Kunststoff-Metallverbundrohrleitungssystem Kunststoff-Metallverbundrohrleitungssystem zeigte Undichtheiten im Warm- und Kaltwasserbereich auf. System im Estrich verlegt. Verbindungstechnologie: Pressverbinder (ohne Schiebe- oder Presshülse) mit zusätzliches Dichtring. Alle Undichtheiten sind im Bereich der Verbindungen aufgetreten. Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck) waren unauffällig. Liegt hier ein Montagefehler vor?

40 Beispiele aus der Praxis Korrosion des Aluminium

41 Beispiele aus der Praxis Korrosion des Aluminium

42 Beispiele aus der Praxis Kunststoff-Metallverbundrohrleitungssystem Aluminium bildet normalerweise eine Oxid-Schutzschicht (Al 2 O 3 ) als Schutz gegen Korrosion aus. Alkalische Medien (feuchter Estrich) lösen diese Schutzschicht bzw. Verhindern den Aufbau der Schutzschicht Korrosion Korrosion bedingt Festigkeitsverlust in Umfangrichtung Dichtwirkung des O-Ringes geht verloren Wasseraustritt

43 Werkstoffe, Eigenschaften Entwicklungen in der Trinkwasserinstallation Verbesserte Stabilisierung polymerer Werkstoffe (Temperatur, Chlor, Chlordioxid ÖNORM B 5019) Kunststoff-Metallverbundrohre und höhere Vielfalt an Verbindungssystemen (Plug & Play) Höhere Festigkeiten (z.b. PP-RCT) und Reduktion der Wanddicken sowie Verbesserung der Schlagzähigkeit (trimodales PP-R) Kupferrohre und Rohre aus nichtrostenden Stählen: Verringerung der Wanddicken (In EN aber nicht in ÖVGW Regelwerken) Weiters Substitution von Kupfer und nichtrostenden Stählen

44 Inhalt Wasserschäden und ihre Folgen Werkstoffe in der Trinkwasserinstallation Werkstoffe, Eigenschaften Vor- und Nachteile Entwicklung in den kommenden Jahren Verbindungstechnik Zusammenfassung & Ausblick

45 Verbindungstechnologie Mischinstallationen Ein No-Go Aus Sicht der europäischen und internationalen Normung (EN ISO) sowie der ÖVGW sind Mischinstalltionen d.h. das Verbinden von nicht miteinander geprüften und zugelassenen Systemen zu vermeiden: Die EN ISO Normen regeln Abmessungen der Formstücke und der Rohre gar nicht (z.b. Kunststoff-Metallverbundrohre) oder in einem geringen Ausmaß. Es besteht die Gefahr, dass die Komponenten geometrisch inkompatibel sind oder die elastomeren Dichtelemente ihre Funktion nicht ausüben. Möglicher Unterschiede in Bezug auf die verwendeten Werkstoffe können zu einer nicht gesicherten Verschweißbarkeit Daraus resultierenden Gewährleistungsunsicherheiten.

46 Verbindungstechnologie Überblick der Verbindungstechnologien Stoffschlüssige Verbindungstechnologien Kleben Schweißen (Heizelement-Stumpfschweißung, Heizwendel- Schweißung, Heizelement-Muffenschweißung) Mechanische Verbindungstechnologien Klemmen Pressen

47 Verbindungstechnologie Klebeverbindungen Einsatz von Klebeverbindungen insbesondere für Rohrsysteme aus PVC-U und PVC-C. Die Herstellung von Klebeverbindungen (Einsatz von Lösemittelklebern) setzt ausreichende Fachkenntnis voraus. Kleber und Reiniger: Problematik von Lösemitteln, Belüftung der Räumlichkeiten, Arbeitnehmerschutzgesetz etc. Einsatz von Klebstoffen empfohlen, wenn Eignung vom Hersteller nachgewiesen. Bauteile aus Polyolefine (PE, PP, PB) können unter Baustellenbedingungen im Rohrleitungsbau nicht verklebt werden.

48 Verbindungstechnologie Heizelement-Stumpfschweißung Planhobel entfernt Oxidschicht an den Schweißflächen und sorgt für Planparallelität der Schweißflächen Rohrenden werden mittels Heizelemente an den Verbindungsflächen auf Schweißtemperatur (plastischer Bereich) erwärmt und unter Druck gefügt (ohne Verwendung eines Schweißzusatzes). Einflussgrößen: Temperatur (Heizelement), Schweißdauer (Fixierung in der Vorrichtung) und Schweißdruck (hydraulisch). Es dürfen nur Rohre und Rohrleitungsteile gleicher Wanddicken miteinander verbunden werden.

49 Verbindungstechnologie Heizelement-Stumpfschweißung

50 Verbindungstechnologie Heizwendel-Schweißung Rohr und Formstück (PE, PE-X) werden überlappend geschweißt. An der Formstück-Innenseite sind Widerstandsdrähte (Heizwendel) angeordnet, die durch elektrischen Strom auf Schweißtemperatur erwärmt werden, und dadurch die Muffe mit dem Rohr verschweißt wird. Einflussgrößen: Temperatur (Heizwendel), Schweißzeit (Fixierung in der Vorrichtung) und Schweißdruck (die durch die Erwärmung stattfindende Ausdehnung ergibt einen Druckaufbau). Achtung auf Ovalitäten und ordentliches Schaben

51 Verbindungstechnologie Heizelement-Muffenschweißung Rohr und Formstück (PE, PP) überlappend geschweißt. Rohrende und Formstück werden mittels Heizstutzens und Heizmuffe auf Schweißtemperatur erwärmt und anschließend unter Druck ohne Verwendung eines Zusatzes gefügt. Einflussgrößen: Temperatur (Heizelement), Schweißzeit (Fixierung in der Vorrichtung) und Schweißdruck. Rohrende, Heizelement und Formstück sind maßlich so aufeinander abgestimmt, dass sich beim Fügen ein Schweißdruck aufbaut und somit eine homogene Verbindung entsteht.

52 Verbindungstechnologie Klemm- und Pressverbindungen Die Klemmverbindung ist eine mechanisch wirkende Verbindungstechnik und wird als Pressverbindung oder auch als Klemmringverbindung ausgeführt. Kunststoffrohr wird im Regelfall zwischen zwei Klemmteilen eingespannt und im Fitting fixiert. Die Wirkung der Presskraft, die auf die Rohroberfläche wirkt, kann durch Rillen, Kerben oder Wellen erhöht werden. Der das Rohr auf der Innenseite abstützende Teil ist im Fittingkörper integriert. Die Abdichtung zwischen Rohr- und Fittingkörper erfolgt meist (nicht immer) durch Elastomerdichtungen. Presswerkzeuge sind grundsätzlich systemabgetimmt

53 Inhalt Wasserschäden und ihre Folgen Werkstoffe in der Trinkwasserinstallation Werkstoffe, Eigenschaften Vor- und Nachteile Entwicklung in den kommenden Jahren Verbindungstechnik Zusammenfassung & Ausblick

54 Zusammenfassung & Ausblick Am Markt sind Produkte aus einer Vielzahl von bewährten Werkstoffen erhältlich. Von Mischinstallationen ist aus Gründen der Kompatibilität und der Gewährleistung eindeutig abzuraten. Qualifiziertes Personal und geeignete Gerätschaften sowie Verwendung von dem System zugehörigen Presswerkzeugen tragen wesentlich zur Qualität bei.

55 Kontakt: DI Udo PAPPLER Leiter Bereich Werkstoffanwendungen am OFI Leiter der Zertifizierungsstelle OFI-CERT t: udo.pappler@ofi.at