Der Polyurethan-Hartschaum

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1 FACHTHEMA Wärmeverteilung Die pren 253:28 auf dem Prüfstand Qualitätssicherung der PUR-Dämmung für Fernwärmekomponenten In dem Entwurf der pren 253:28 wird eine Prüfung der und der Schaumstoffdichte nicht mehr gefordert. Im Zusammenhang mit der Prüfung der Wärmeleitfähigkeit von werkmäßig gedämmten KMR im ungealterten Zustand wird die jedoch nach wie vor überprüft. Der Autor stellt anhand von Messergebnissen dar, dass ein Verzicht auf diese Prüfungen durchaus kritisch zu bewerten ist. Der Polyurethan-Hartschaum ist ein wesentlicher Bestandteil von werkmäßig gedämmten Fernwärmekomponenten. Er ist permanent mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. In der EN 253:23 werden die Anforderungen und Prüfungen für die Polyurethan-Hartschaumdämmung (PUR) festgelegt und beschrieben. Diese Norm wird voraussichtlich 29 durch die pren 253:28 ersetzt. Hierbei soll künftig unter anderem auf die Messung der Schaumstoffdichte und der bei werkmäßig gedämmten Kunststoffmantelverbundrohren (KMR) verzichtet werden. Untersuchungen im Fernwärme-Forschungsinstitut in Hannover e. V. (FFI), Hemmingen, haben jedoch gezeigt, dass ein Verzicht auf diese Untersuchungen durchaus kritisch zu bewerten ist. Qualitative Anforderungen und Eigenschaften für die PUR-Dämmung in KMR-Systemen Die Qualitätssicherung bildet die Voraussetzung und Grundlage für eine optimierte technologische und wirtschaftliche Nutzungsdauer von Fern- und Nahwärmenetzen. Die Anforderungen und Prüfungen zur Qualitätssicherung von Fernwärmerohren mit dem System Kunststoffmantelverbundrohr werden im Wesentlichen in den Normen DIN EN 253, DIN EN 448, DIN EN 488 und DIN EN 489 sowie in dem AGFW-Arbeitsblatt FW 41 beschrieben. Die DIN EN 448 gilt für Formteile, die DIN EN 488 für Absperrarmaturen, die DIN EN 253 für Verbundmantelrohrsysteme und die DIN EN 489 für Verbindungen. Für die gesamte Normenreihe sind derzeit die Ausgaben mit dem Stand 23 gültig. Diese werden voraussichtlich 29 aktualisiert. In der DIN EN 253 werden die mechanischen und technologischen Anforderungen und Prüfungen für die Einzelkomponenten des Kunststoffmantelverbundrohrs (Stahlrohr, PUR-Hartschaumdämmung, PE-Ummantelung) sowie für das gesamte Verbundsystem festgelegt und beschrieben. Ein wichtiger Bestandteil des Verbundsystems ist die PUR-Hartschaumdämmung. Die Qualität des in Kunststoffmantelverbundrohren verwendeten Polyurethan-Hartschaums ist entscheidend für die Wärmedämmung. Wärmeverluste, die beim Transport vom Erzeuger zum Verbraucher entstehen, werden durch den PUR-Hartschaum minimiert. Eine hervorragende Wärmedämmung bildet die Grundlage zum wirtschaftlichen Betrieb eines Wärmenetzes. Während des Betriebs treten mechanische Belastungen auf. Dies sind im Wesentlichen Spannungen in axialer und tangentialer Richtung. Spannungen in radialer Richtung infolge des vorherrschenden Temperaturgradienten sind nur gering. Die Spannungen entstehen hauptsächlich durch die Reibung zwischen PE-Mantel und Erdreich. Hierbei wird der Verbund zwischen dem Mediumrohr und dem PUR- Hartschaum auf Scherung belastet. Probekörper 1 Mediumrohr PUR-Hartschaum PE-Mantel Probekörper 3 Probekörper 2 Volker Herbst, Fernwärme-Forschungsinstitut in Hannover e. V. (FFI), Hemmingen, 97.1 Bild 1. Entnahme der Probekörper 46 EuroHeat&Power 38. Jg (29), Heft 6, S

2 Tangentiale Spannungen werden im PUR-Hartschaum durch Temperaturänderungen oder Druckkräfte verursacht. Die Druckkräfte werden durch Erd- und Verkehrslasten hervorgerufen und vom Mantelrohr auf das Mediumrohr übertragen. Die Lebensdauer eines solchen Verbundsystems soll 3 Jahre bei einer Dauerbetriebstemperatur von 12 C betragen und muss über diesen Zeitraum den auftretenden Belastungen standhalten. Kunststoffe unterliegen jedoch bei einer über einen langen Zeitraum einwirkenden hohen Temperatur einer Alterung, die in der Regel eine Änderung der physikalischen Eigenschaften zur Folge hat [1]. Daraus ergeben sich zusätzlich Anforderungen an die thermische Stabilität des PUR-Hartschaums. Sie ist abhängig von der Güte der Verarbeitung, von der chemischen Zusammensetzung der eingesetzten Rohstoffe und vom Mischungsverhältnis der Rohstoffe. Derzeit werden nach EN 253:23 folgende Parameter bezüglich der PUR-Hartschaumdämmung und des Verbunds zur Qualitätssicherung geprüft: Zellstruktur (Poren, Blasen, Schlieren, Geschlossenzelligkeit, ),,,, axiale Scherfestigkeit, Wärmeleitfähigkeit. Die Einhaltung der in der Norm vorgegeben Mindestanforderungen bezüglich dieser Parameter bildet die Voraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb und für das Erreichen der angesetzten Mindestlebensdauer von 3 Jahren. Es ist vorgesehen, die derzeit aktuell gültige Norm EN 253:23 durch die pren 253:28 zu ersetzen. Eine Prüfung der sowie der ist nach dieser Norm nicht mehr vorgesehen. Insbesondere stellt sich die Frage, ob zwischen den Eigenschaften ein quantitativer Zusammenhang besteht, sodass allein durch die Messung der axialen Scherfestigkeit, der oder der Zellstruktur eine Aussage über die und die getroffen werden kann. Durch die Auswertung umfangreicher Messergebnisse im FFI soll geklärt werden, ob ein derartiger Zusammenhang besteht. Vorgehensweise Das KMR-System wurde in Deutschland erstmalig 1969 in Mannheim eingesetzt. Das FFI beschäftigt sich seit seiner Gründung im Jahr 198 mit dem KMR-System und hat eine Vielzahl an Untersuchungen zur Qualitätssicherung an KMR bezüglich der Eigenschaften der PUR-Hartschaumdämmung durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen aus den vergangenen 6 Jahren werden im Folgenden anhand der axialen Scherfestigkeit,,, und dargestellt. Alle Ergebnisse beziehen sich auf Rohrschäume werkmäßig gedämmter Kunststoffverbundmantelrohre mit unterschiedlichen Nennweiten. Gemäß dem aktuellen Stand der Technik wurden nur Rohrschäume untersucht und bewertet, die als Treibmittel Zyklopentan enthielten. Die Untersuchungen zur Erfassung der axialen Scherfestigkeit wurden bei Raumtemperatur durchgeführt. Die dargestellten Ergebnisse der,, und sind Mittelwerte, die sich aus jeweils 3 Messwerten ergeben. Prüfverfahren 97.3,9,7,6,5,4,3,2,1 Bild 2. Versuchsdurchführung zur Ermittlung der Probekörper Die Probekörper zum Nachweis der Eigenschaften des PUR-Hartschaums und der Verbundeigenschaften müssen an beiden Rohrenden, jedoch mindestens 5 mm vom Rohrende entfernt entnommen werden. Zur Bestimmung der Zellstruktur, der, der und der werden jeweils 3 Probekörper gleichmäßig über den Umfang des Prüfkörpers verteilt entnommen (Bild 1). Zellstuktur Der PUR-Hartschaum soll eine gleichmäßige Zellstruktur ohne Schlieren (Farbänderungen) aufweisen. Die durchschnittliche soll in radialer Richtung <,5 mm betragen. Zur Bestimmung der wird in einem repräsentativen Schaumstoffbereich in radialer Richtung die auf eine Länge von 1 mm entfallene Anzahl der Zellen gezählt. Die Mess % Weg s Bild 3. Kurvenverlauf des Druck-Wege-Diagramms bei der Ermittlung der 14 EuroHeat&Power 38. Jg (29), Heft 6 47

3 FACHTHEMA Wärmeverteilung Parameter Mittelwerte Standard- Variationsabweichung koeffizient axiale Scherfestigkeit x =,31 S =,11 V = 36,7 % x = 75,9 kg/m 3 S = 13,5 kg/m 3 V = 17,7 % x =,46 S =,13 V = 28,7 % x = 4,8 % S = 1,89 % V = 39,2 % x =,24 mm S =,5 mm V = 21,3 % Tafel 1. Mittelwerte, Standardabweichungen und Variationskoeffizienten der Messergebnisse F 2 mm kg/m ,1,2,3,4,5,6,7 Bild 5. Funktionaler Verlauf zwischen und strecke dividiert durch die Anzahl der Zellen ergibt die mittlere. Schäume mit einer durchschnittlichen unter,25 mm werden als feinzellig bezeichnet [2]. Liegt die durchschnittliche über,5 mm, liegt ein grobzelliger Schaum vor [2]. Poren und Blasen dürfen nicht größer als 5 % der Querschnittsfläche sein. Keine Pore darf mehr als 1/3 der Nenndicke der Wärmedämmung offen lassen. Der Anteil der geschlossenen Zellen muss mindestens 88 % betragen. Für die Bestimmung der werden von jedem Prüfobjekt 3 Probekörper gleichmäßig über den Umfang verteilt entnommen. Jeder der 3 Probekörper muss die Maße 3 mm x 3 mm x t aufweisen. Die Dicke bzw. Länge t des Probekörpers ist abhängig von der Dämmdicke sowie den Randbereichen zum Medium- und Mantelrohr und darf maximal 2 mm betragen. Die Geschwindigkeit, mit,9 der die Prüfung zur Bestimmung der durchgeführt wird, beträgt 1 % von t in mm/min. Die EN 253 fordert für die einen Mindestwert von,3 bei 1 % relativer Verformung. Bild 2 zeigt die Durchführung zur Bestimmung der. In Bild 3 ist der Kurvenverlauf im Druck-Wege-Diagramm dargestellt Für die Bestimmung der Schaumstoffdichte werden von jedem Prüfobjekt in Analogie zur Bestimmung der 3 gleichmäßig über den Umfang verteilte Probekörper entnommen. Jeder Probekörper muss die Maße 3mmx3mmxt aufweisen. Die Dicke t ist abhängig von der Dämmdicke sowie den Randbereichen zu Medium- und Mantelrohr und darf maximal 3 mm betragen. Anschließend wird die Masse und das Volumen der einzelnen Probekörper bestimmt. Kein Prüfkörper darf eine unter 6 kg/m 3 aufweisen. Bild 4. Prüfung der axialen Scherfestigkeit Die Prüfung wird an 3 würfelförmigen Probekörpern mit 25 mm Kantenlänge durchgeführt. Vor Versuchsbeginn wird die Masse m und das Volumen V der einzelnen Probekörper bestimmt. Anschließend werden die Probekörper 9 min lang in kochendes Wasser vollständig eingetaucht. Danach werden die Probekörper in einem Behälter mit Wasser von 23 C±2K eine Stunde lang abgekühlt. Um das anhaftende Wasser an der Oberfläche der Probekörper zu entfernen, wird jede Seite der Probekörper für einige Sekunden auf ein Papiertuch gelagert. Anschließend wird die Masse m 1 der Probekörper erneut bestimmt. Die wird wie folgt berechnet: Axiale Scherfestigkeit In der DIN EN 253 wird die Scherfestigkeit wie folgt definiert:»die axiale Scherfestigkeit ist die Fähigkeit des Verbundrohrs, einer Scherkraft zwischen Ummantelung und Mediumrohr zu widerstehen«. Die axiale Scherfestigkeit wird auch zur Bestimmung der thermischen Lebensdauer und zur Festlegung der Restlebensdauer von betrieblich gealterten KMR herangezogen. Der normative Wert für die axiale Scherfestigkeit bei Raumtemperatur (23 C ± 2 K) muss mindestens,12 betragen. Die Bestimmung der axialen Scherfestigkeit erfolgt durch Aufm 1 m V ρ 1% Die von 3 Probekörpern darf im arithmetischen Mittel 1 % des Ausgangsvolumens nicht überschreiten. 48 EuroHeat&Power 38. Jg (29), Heft 6

4 ,7 12 % axiale Scherfestigkeit,5,4,3,2, ,1,2,3,4,5,6,7,9,1,2,3,4,5,6,7, Bild 6. Axiale Scherfestigkeit als Funktion der Bild 7. als Funktion der,4 mm,3,2,1 axiale Scherfestigkeit,7,5,4,3,2,1,1,2,3,4,5,6,7, kg/m Bild 8. als Funktion der Bild 9. Axiale Scherfestigkeit als Funktion der bringen einer Belastung in vertikaler Lage eines 2 mm langen Probekörpers mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min (Bild 4). Die Scherfestigkeit wird wie folgt berechnet: F ax τ ax = L D s π τ ax : axiale Scherfestigkeit in, F ax : axiale Kraft in N, L : Länge des Probekörpers in mm, D s : Außendurchmesser des Mediumrohrs in mm. Bewertung und Diskussion der Messergebnisse Die Ergebnisse von 95 Untersuchungen gemäß EN 253 wurden ausgewertet und die Messwerte in Diagrammen dargestellt. Alle Untersuchungen wurden an werkmäßig gedämmten Kunststoffmantelrohren mit unterschiedlichen Nennweiten durchgeführt. Bei der Zellstruktur wird lediglich die berücksichtigt. Zwei der insgesamt 95 Prüfobjekte haben den nach EN 253:23 geforderten Wert für die axiale Scherfestigkeit bei Raumtemperatur von,12 nicht erreicht. Bei 4 Prüfobjekten entspricht die nicht dem in der Norm geforderten Wert von,3. Die geforderte von mindestens 6 kg/m 3 wird bei 5 Prüfobjekten nicht erreicht. Eine von mehr als 1 % wird lediglich bei einem Prüfkörper festgestellt und liegt bei einem Prüfkörper mit 1 % genau an der Grenze. Die Messwerte für die untersuchten PUR-Schäume liegen bei der in einem Wertebereich von 6 kg/m 3 bis 9 kg/m 3. Die liegt zwischen,3 und,6, die zwischen 2 % und 6 % und die zwischen,15 mm und,3 mm. Aus den Messwerten der einzelnen Parameter werden die Mittelwerte wie folgt berechnet: x = 1 n Hieraus ergeben sich für die Parameter die in Tafel 1 dargestellten Mittelwerte. Alle Mittelwerte liegen über den in der Norm festgelegten Mindestanforderungen. Für die weitere Bewertung der Messwerte wird die Standardabweichung S berechnet. Sie ist ein Streuungsmaß und gibt die durchschnittliche Abweichung der Einzelwerte vom Mittelwert an. Die Standardabweichung wird folgendermaßen berechnet: S x = Σ n x i i=1 n Σ x i x i=1 n 1 EuroHeat&Power 38. Jg (29), Heft 6 49

5 FACHTHEMA Wärmeverteilung 12 % ,4 mm,3,2, kg/m kg/m Bild 1. als Funktion der Bild 11. als Funktion der 12 % axiale Scherfestigkeit,7,5,4,3,2,1,1,2,3 mm,4,1,2,3 mm, Bild 12. als Funktion der Bild 13. Axiale Scherfestigkeit als Funktion der Für die Standardabweichung der Parameter ergeben sich die in Tafel 1 dargestellten Werte. Um die Streuungsmaße der verschiedenen Parameter untereinander vergleichen zu können, wird der Variationskoeffizient berechnet. Der Variationskoeffizient V (relative Streuung) drückt die mittlere prozentuale Abweichung der Standardabweichung vom Mittelwert aus und errechnet sich wie folgt: V x = S x x 1% Daraus ergeben sich für die Messreihen der einzelnen Parameter die in Tafel 1 dargestellten Variationskoeffizienten. Alle Messreihen weisen eine relative Streuung >15 % auf. Die geringste relative Streuung wird bei der erreicht und die maximale relative Streuung liegt bei der. Es können folgende Aussagen getroffen werden: Zwischen der und der besteht ein annähernd linearer Zusammenhang (Bild 5). Zwischen den Parametern, axiale Scherfestigkeit, sowie der ist kein direkter Zusammenhang abzuleiten (Bilder 6 bis 13). Proben mit einer»erhöhten«(>7 %) weisen tendenziell eine geringere (Bild 7) auf als Proben mit geringerer. Es liegt eine Streuung (statistische Verteilung) der Messwerte vor. Aus diesem Grund lassen sich hier nur Wertebereiche angeben, in denen diese Parameter variieren. Die Auswertungen zeigen, dass die Schaumstoffdichte und die axiale Scherfestigkeit im Mittel bei 75,9 kg/m 3 und,31 liegen. Die Standardabweichung zeigt, das mit einer Unterschreitung des in der Norm vorgegebenen Mindestwerts nicht zu rechnen ist. Die Standardabweichung der hingegen schließt den Mindestwert der Norm gerade so mit ein. Hier könnte es häufiger zu einer Unterschreitung der in der Norm geforderten Werte kommen. Bis auf wenige Ausnahmen werden die Anforderungen an die PUR-Hartschaumdämmung erfüllt. Diese Ausnahmen zeigen jedoch, dass eine stichprobenartige Qualitätskontrolle sinnvoll und erforderlich ist! Da nur ein funktionaler Zusammenhang zwischen der und der besteht, ist durch die messtechnische Erfassung nur eines Parameters (z. B. der axialen Scherfestigkeit) keine Aussage über die, oder eines PUR-Hartschaums möglich. Eine Qualitätssicherung sollte immer möglichst viele Parameter berücksichtigen. 5 EuroHeat&Power 38. Jg (29), Heft 6

6 Ausblick Bild 14. Prüfkörper vor der (links) und Verformung nach der (rechts) In dem Entwurf der pren 253:28 wird eine Prüfung der und der Schaumstoffdichte nicht mehr gefordert. Im Zusammenhang mit der Prüfung der Wärmeleitfähigkeit von werkmäßig gedämmten KMR im ungealterten Zustand wird die jedoch nach wie vor überprüft. Die Prüfung der entfällt ganz. Hier besteht eine Diskrepanz in dem Normenwerk. Mit der Überprüfung der kann gleichzeitig auch die Formstabilität eines Schaums überprüft werden. Hierbei hat sich gezeigt, dass sich die Probekörper stark verformen können (Bild 14). Durch die Prüfung der und damit der Formstabilität können auch Rückschlüsse auf das Mischungsverhältnis und die Mischungsqualität bei der Herstellung des Schaums geschlossen werden sowie Aussagen über die Geschlossenzelligkeit und thermischen Stabilität des PUR-Hartschaums getroffen werden. Geschlossene Zellen bilden sich dann, wenn die Wände zwischen den Zellstegen während des Schäumungsprozesses intakt bleiben. Eine erhöhte setzt voraus, dass Wasser in die Zellen eindringen kann. Dies ist dann der Fall, wenn eine ungenügende Geschlossenzelligkeit des Schaums vorliegt oder der Schaum eine verminderte thermische Stabilität im Bereich der Zellwände aufweist. Bei auftretenden Leckagen kann sich Wasser ungehindert ausbreiten und so ganze Trassenabschnitte schädigen. Durch die Messung der und der können keine Rückschlüsse auf die gezogen werden, da es zwischen diesen Parametern keinen erkennbaren Zusammenhang gibt. Ein funktionaler Zusammenhang besteht lediglich zwischen der und der. Die statistische Bewertung der Messergebnisse zeigt jedoch, dass bei der eine relativ hohe Streuung (28,7 %) vorliegt. Eine Bewertung der über die ist damit nicht hinreichend genau möglich. Zudem beeinflusst die die Wärmeleitfähigkeit des PUR-Hartschaums und hat damit auch Einfluss auf die Wärmeverluste, die auf dem Weg vom Erzeuger zum Verbraucher entstehen. Ein weiterer Bestandteil des Fernwärmenetzes ist die auf den Baustellen montierte Rohrverbindung. Hier existiert eine weit aus größere Streuung der Ergebnisse, da sich die Umgebungsbedingungen deutlich von den Werksbedingungen unterscheiden. Daraus wird deutlich, dass die Qualitätssicherung in der Fernwärme immer alle Komponenten erfassen sollte und als Referenz die werkmäßig hergestellten Komponenten dienen. Aus den hier dargestellten Untersuchungsergebnissen und der Diskrepanz im Entwurf der pren 253:28 lässt sich ableiten, dass nur eine vollständige Untersuchung der technologischen Eigenschaften der KMR-Systeme die Qualität weiter auf einem hohen Niveau hält. Die Qualität des PUR- Hartschaums aller Komponenten beeinflusst maßgeblich die zu erwartende Lebensdauer, Betriebssicherheit und die Wirtschaftlichkeit eines Fernwärmenetzes. Der überwiegende Teil des Investitionsvermögens eines Fernwärmebetreibers liegt schließlich in Form von Rohrleitungen unter der Erde [3]. Zudem ist die Qualitätssicherung ein Mittel, um Mängel bei der Produktion frühzeitig zu erkennen. So können hohe Folgekosten vermieden werden. Die und die sind und bleiben wichtige Bestandteile der Qualitätsprüfung des PUR-Hartschaums. Schrifttum [1] Nolte, K.: Anwendungsrelevante Eigenschaften von PUR- Hartschaum für Kunststoffverbundmantelrohrsysteme. Fernwärme international FWI, Jg 13 (1984), Heft 5, S [2] Polyurethane, Kunststoff Handbuch, Bd. 7, Carl Hanser Verlag, München. [3] Maaß, J.; Friedrich, U.: Dämmung von Rohrleitungen mit PUR-Schäumen. Bine Informationsdienst, Projektinfo 11/4. EuroHeat&Power 38. Jg (29), Heft 6 51