KKS-Fehlerortung in der Ortsgasversorgung

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1 Ein Praxisbeispiel KKS-Fehlerortung in der Ortsgasversorgung An example from practice: Bild 1: Durch IFO-Messung georteter Schaden an einer Gas-HD-Rohrleitung ein halbes Jahr nach Verlegung (Baumängel) Fig. 1: Damage to a high-pressure gas pipeline located by means of IFO measurement six months after installation (defective installation) Detection of faults in cathodic anti-corrosion protection systems in local gas supply networks Von Jörg Maurmann, Herbert Müller und Sven Windisch Der kathodische Korrosionsschutz (KKS) ist ein elektrochemisches Schutzverfahren u. a. für erdverlegte Stahlrohrleitungen die zum Transport von Flüssigkeiten und Gasen dienen. Für Gashochdruckrohrleitungen und Rohrleitungen zum Transport umweltgefährdender Medien ist diese Form des aktiven Korrosionsschutzes gesetzlich vorgeschrieben. Die Planung, Anwendung und Überwachung der Wirksamkeit des KKS ist in den einschlägigen Normen, Vorschriften und Regelwerken festgeschrieben. Ein Praxisbeispiel soll zeigen, dass der KKS und hier insbesondere die Fernüberwachung und Messtechnik auch bei nicht KKS-pflichtigen Rohrleitungen ein hervorragendes Instrument ist, eine Beschädigung der Rohrumhüllung und in diesem Beispiel auch der Rohrleitung zeitnah zu erkennen und dadurch Schaden für Mensch und Umwelt zu verhindern. Cathodic anti-corrosion protection (CCP) is an electrochemical protection method applied, inter alia, to buried steel pipelines carrying liquids and gases. In the case of high-pressure gas pipelines and lines for transmission of environmentally hazardous fluids, this form of active anti-corrosion protection is legally mandatory. The planning, application and monitoring of the effectiveness of the CCP system is specified in the relevant standards, specifications and codes of practice. A practical example is used here to show that cathodic anti-corrosion protection and, in particular, remote monitoring and measuring technology applied to it, constitute an excellent instrument for early detection of damage to the pipe sheathing and, in this example, of the pipeline itself, too, and thus for prevention of harm to persons and the environment, even in the case of pipelines which are not mandatorily subject to the use of cathodic anti-corrosion protection. Einleitung Die wirksame Anwendung des kathodischen Korrosionsschutzes erdverlegter metallener Versorgungsträger bedeutet maximale Sicherheit für Bevölkerung und Umwelt, langfristige Werterhaltung hoher Investitionen und durch die zur Verfügung stehende Messtechnik zum Nachweis der Wirksamkeit des KKS auch eine Art von Rohrnetzüberwachung bzw. Qualitätssicherung für den Betreiber. Die Aussagekraft und Genauigkeit dieser Überwachung hängt von den Schutzsystemgegebenheiten (zu schützende Oberfläche, Güte der Umhüllung usw.) ab. Dabei geht es nicht um das Erkennen von Leckagen und Undichtigkeiten diese werden durch die regelmäßigen Rohrnetzbegehungen mit anderer Messtechnik erkannt sondern um die Feststellung und Lokalisierung von Baumängeln und Schäden, die beim Betrieb von Rohrleitungen z. B. durch Tiefbauarbeiten Dritter im Bereich der Rohrtrasse an der Rohrumhüllung (passiver Korrosionsschutz) verursacht werden. Die zur Verfügung stehenden Messwerte sollen idealerweise eine Selektion ermöglichen, welche der erkannten Umhüllungsfehlstellen kritisch sind im Hinblick auf die Wirksamkeit des KKS und demzufolge aufgegraben und nachumhüllt werden sollten. Zwischen einer Fehlstelle in der Rohrumhüllung und einer mechanischen Beschädigung der Stahloberfläche gibt es keine Abhängigkeit, bzw. kann diese aus den Messwerten des KKS nicht abgeleitet werden, jedoch zeigt die Erfahrung, dass mit einer Beschädigung der Rohrumhüllung nicht selten auch eine mechanische Beschädigung des Stahls einhergeht. In einigen Fällen unserer Praxis waren die Schäden derart, dass eine Reparatur der Stahloberfläche notwendig war, um ein Versagen der Rohrleitung zu verhindern (Bild 1). In dem nachfolgend beschriebenen Praxisbeispiel war eine Aufgrabung unumgänglich, da hier nicht nur eine Umhüllungsfehlstelle vorlag, sondern ein elektrisch leitender Kontakt zum Erdungsnetz bestand. Projektbeschreibung Die Stadtwerke Mainz AG versorgt auf einer geografischen Fläche von rund 125 km 2 mehr als Einwohner in Mainz und Umland mit Energie und Wasser. Neben der Versorgung mit Strom-, Gas- und Wasser werden drei Großwasserwerke zur Wassergewinnung sowie ein Hafen betrieben. Kommunikationstechnik und Dienstleistungen in verschiedenen Bereichen sowie der Betrieb des Öffentlichen Personennahverkehrs durch die Tochter Mainzer Verkehrsgesellschaft mbh sind weitere Betätigungsfelder. Die Firma Maurmann GmbH ist ein Dienstleistungsunternehmen für alle Arten des ka- 3R international (45) Heft 7/

2 thodischen Korrosionsschutzes mit Sitz in Sprockhövel, NRW. Seit mehr als zehn Jahren unterstützt und berät sie u. a. die Stadtwerke Mainz AG in allen Belangen des KKS. Bild 2: Rohrstrommessungen zur Fehlereingrenzung Fig. 2: Pipe-current measurements for localization of defects Bild 3: Packstation Fig. 3: Packing station Bei der Stadtwerke Mainz AG wird aktiver kathodischer Schutz für erdverlegte Rohrleitungen bereits seit den 60er Jahren angewandt. Durch die historisch bedingte Polung der gleichstrombetriebenen Straßenbahnen im Stadtgebiet (Minus am Fahrdraht, Plus an der Schiene) und den sich daraus ergebenden korrosionstechnischen Besonderheiten wurde früh dem Streustromschutz der metallenen erdverlegten Installationen (metallene Kabelmäntel und Rohrleitungen) durch Streustromableitungen Rechnung getragen. Durch den konsequenten Aufbau von kathodischen Schutzsystemen im Rohrnetz wurde dieser Streustromschutz im Laufe der vergangenen Jahrzehnte in den meisten Fällen so ausgebaut, dass die Kriterien für den KKS erfüllt werden. Die Gas-HD-Rohrleitungen, die Hauptwassertransportleitungen sowie die erdverlegten Stahlrohre der 110-kV-Gasaußendruckkabel sind zu 100 % mit dem kathodischen Schutz ausgestattet. Bei den nicht KKS-pflichtigen Gas-ND-Rohrleitungen verfolgt die Stadtwerke Mainz AG wegen der Eingangs beschriebenen Vorteile des aktiven Korrosionsschutzes ebenfalls konsequent das Ziel, diesen für das gesamte ND-Rohrnetz einzurichten. Derzeit sind von den 722 km Stahlrohrleitungen ca. 85 % auf diese Art gegen Außenkorrosion geschützt, an den fehlenden 15 % wird zurzeit gearbeitet. Durch Fernüberwachung mit zentraler Auswertung und periodisch wiederkehrende Überwachungsmessungen wird die Wirksamkeit des KKS ständig überwacht. Das Gas-ND-Ortsnetz Mainz-Finthen wird durch eine eigene Fremdstromschutzanlage bereits seit vielen Jahren kathodisch geschützt. Die Schutzanlage ist mit einer Fernüberwachung ausgestattet, die üblicherweise dreimal täglich das Ein- und Ausschaltpotential, den Schutzstrom sowie die Gleichrichterausgangsspannung misst und am darauf folgenden Tag diese Werte mittels SMS an die Zentrale übermittelt. Die entsprechende Software ermöglicht durch Grenzwertüberwachung Störungen und untypische Abweichungen sicher und automatisiert zeitnah zu erkennen. Die Reaktionszeit auf Beeinträchtigungen in der Wirksamkeit des KKS wird so extrem verkürzt im Vergleich zur Praxis ohne Fernüberwachung und z. B zweimonatlicher Schutzanlagenkontrolle oder gar jährlicher Messung. Sie ermöglicht nicht selten bei Fremdverschulden den Verursacher noch an Ort und Stelle auszumachen, sofern der Störung unmittelbar nachgegangen wird. Im Frühjahr 2005 meldete die Fernüberwachung der KKS-Anlage Finthen eine Abweichung derart, dass Ein- und Ausschaltpotential deutlich positiver gemessen wurden bei gleichzeitigem Schutzstromanstieg. Diese Symptome sind charakteristisch für eine elektrisch leitende Verbindung des Schutzsystems mit fremden geerdeten Anlageteilen. Typische Fehlerquellen in Ortsnetzen sind elektrische Überbrückungen im Bereich des Isolierstückes in den Hausanschlussleitungen. Die Bandbreite reicht hier von auf der falschen Seite angebrachten Potentialausgleichen über metallene Gegenstände über dem Isolierstück (Fahrräder, Kochtöpfe, Gartengeräte usw.) bis hin zu durch Überspannung zerstörte Isolierstücke. Unterirdische Kontakte im öffentlichen Verkehrsraum sind bei Schutzsystemen, die einmal aus Sicht des KKS fehlerfrei waren, eher selten. Die Stadtwerke Mainz AG verfolgt die Philosophie, durch den Einbau von Isoliertrennstellen große Schutzbereiche in elektrisch trennbare Teilabschnitte zu unterteilen. Gleichzeitig werden Rohrstrommessstellen an strategisch wichtigen Punkten installiert. Diese Kombination ermöglicht im Fehlerfall eine zügige Eingrenzung des Fehlerortes. Daneben erlaubt diese Philosophie auch falls gewünscht eine detaillierte Beurteilung des Umhüllungszustandes einzelner Rohrleitungsabschnitte und ist damit ein wichtiges Instrument bei der mittelfristigen Planung z. B. bei Sanierungsbedarf. Gerade diesem Punkt kommt in den letzten Jahren bei vielen Betreibern vermehrt Bedeutung zu. Auch das Ortsnetz Finthen ist so in Teilabschnitte elektrisch unterteilt. Nach der Fehlererkennung erfolgten zunächst Messungen zur Identifizierung des fehlerbehafteten Teilabschnittes und dessen Abtrennung vom KKS. In diesem Teilabschnitt wurde dann 350 3R international (45) Heft 7/2006

3 der Fehlerort mit Hilfe von Rohrstrommessungen über Messstellen und Hausanschlüsse weiter vorgeortet. Bild 2 zeigt einen Ausschnitt des so ermittelten Fehlerortes. Wegen der Rohrnetzkonstellation (Fehlerort im Bereich eines T-Stückes mit einer Ringleitung und zwei weiteren Parallelzweigen) konnte der Fehlerort rechnerisch nicht exakt ermittelt werden. Weiterführende Messungen führten in den Bereich einer sogenannten Packstation der DHL (Bild 3), die erst kürzlich errichtet worden war. Diese Packstation ersetzt in Deutschland in bereits 43 Städten mit rund 600 Stationen den früher üblichen Paketschalter der Post. Empfänger von Paketen werden, sofern sie an diesem Dienst teilnehmen, per SMS oder darüber informiert, dass für sie ein Paket abholbereit ist. Das Paket kann dann mit einem Zugangscode rund um die Uhr abgeholt werden. Eine Versendung ist so ebenfalls möglich. Eine solche Packstation kann bis zu 200 Sendungen mit Hilfe einer Karusselltechnik aufnehmen und wiegt mehrere Tonnen. Damit diese Station arbeiten kann, benötigt sie einen Niederspannungs- und Datenleitungsanschluss sowie für die RCD-Schutzfunktion einen Hilfserder. Da der Niederspannungsanschluss aus dem Stromnetz der Stadtwerke erfolgt, war dieser zu Messzwecken zugänglich. Die kurzzeitige Auftrennung des Schutzleiters ermöglichte zweifelsfrei die Klärung der Fehlerursache. Aus dem öffentlichen Stromnetz wurde ein Fehlerstrom von 3,50 A gemessen, der in Richtung Packstation floss. Damit war klar, dass der Hilfserder der Packstation der gesuchte Fehler sein musste, der die Wirksamkeit des KKS des gesamten Schutzsystems stark einschränkte. Aufgrund der beschriebenen Rohrnetzgegebenheiten war es nicht möglich, den Fehlerort noch genauer einzumessen. Der Kontakt des Hilfserders zur Rohrleitung konnte sowohl rechts oder links der Packstation als auch unter dieser bestehen. Nachdem dieser Sachverhalt klar war, erfolgte eine Kontaktaufnahme mit dem zuständigen technischen Servicetechniker von DHL. Dieser reiste freundlicherweise kurzfristig von Koblenz an. Die für uns brennende Frage nach einer Einmessskizze des Hilfserders wurde derart beantwortet, dass ein Subunternehmen aus Österreich die Aufstellung dieser Stationen durchführte und eine Skizze nicht vorliegt. An dieser Stelle ist zu erwähnen, dass sich der Standort der Packstation direkt neben der Zufahrt des Bürgerhauses Finthen mit dem zugehörigen Parkplatz befindet und diese Zufahrtstraße eine Sackgasse ist. Die Straße ist so schmal, dass zwei PKW gerade aneinander vorbeipassen. Aus logischen Überlegungen wurde entschieden, die Seite der Packstation freizulegen, Maurmann GmbH Kathodischer Korrosionsschutz Elektrotechnik Messtechnik Unser Leistungsangebot in den Bereichen: Kathodischer Korrosionsschutz: Beratung Planung Messung Montage Fernwirktechnik Schulungen Sachverständigenabnahmen Elektrotechnik: Elektroinstallation Messtechnik: Messungen und Berechnungen bei Wechselspannungsbeeinflussungen und Hochspannungsbeeinflussungen von Rohrleitungen - Erarbeitung von Schutzkonzepten Maurmann GmbH Kathodischer Korrosionsschutz Hombergstraße Sprockhövel Tel.: + 49 (23 24) Fax: + 49 (23 24) info@maurmann.com Internet: Fachfirma mit DVGW-Bescheinigung gem. Merkblatt GW 11 TÜV-Zertifizierung als Fachbetrieb nach 19 I WHG Elektroinstallationsmeisterbetrieb Beratung Planung Messung Montage Fernwirktechnik Kathodischer Korrosionsschutz auf der sich auch der Niederspannungsanschluss befindet. Der Hilfserder wurde trotz Entlanggraben an der Rohrleitung auf einer vertretbaren Länge nicht gefunden. Also wurde die andere Seite freigelegt, um zu vermeiden, die Packstation zu demontieren. Mithilfe dieser Aufgrabung konnte der Fehlerort dann exakt bestimmt werden er befand sich mittig unter der Packstation. Trotz großer Sorgfalt wurde die direkt neben der Gasleitung liegende Wasserleitung beim Bild 4: Das austretende Wasser drohte in den Keller des Bürgerhauses zu laufen Fig. 4: The escaping water threatened to penetrate the basement of the residential building 3R international (45) Heft 7/

4 Bild 5: Demontierte Packstation Fig. 5: Dismantled packing station Aufgraben beschädigt. Da es sich auch dabei um eine Ringleitung mit einer Nennweite von DN 150 handelt, verging einige Zeit, bis die Leitung vollständig abgeschiebert war. Dementsprechend groß war die austretende Wassermenge, die wegen des Gefälles in den Keller des Bürgerhauses zu laufen drohte (Bild 4). Die Reparatur nahm mehrere Stunden in Anspruch, in denen die angeschlossenen Abnehmer ohne Wasser waren. Das Bürgerhaus war davon ebenfalls betroffen. Die Beschädigung der Wasserleitung geschah gegen Uhr. Unglücklicherweise war um Uhr in dem Bürgerhaus eine Großveranstaltung mit mehreren hundert Teilnehmern angesetzt. Da viele der Teilnehmer mit dem Auto an- und abreisten, kam es aufgrund der beschriebenen engen Zufahrt und den für die Arbeiten notwendigen Baufahrzeugen natürlich zu erheblichen Behinderungen. Damit nicht genug eine solche Veranstaltung ohne Wasser für Kaffee und die sanitären Anlagen ist nicht durchführbar. Der Entstörungsdienst der Stadtwerke löste dieses Problem zügig mit Hilfe einer Noteinspeisung. Es ist leicht vorstellbar, welche Betriebsamkeit auf der Baustelle herrschte. Gegen Uhr war die Wasserversorgung wiederhergestellt. Die eigentlichen Arbeiten für den KKS wurden auf den nächsten Tag vertagt. Nachdem auch auf der zweiten Seite die Packstation ohne Erfolg untergraben wurde, folgte wegen der Standsicherheit der Beschluss, die Packstation zu demontieren. Aufgrund des Gewichtes musste ein Mietstapler geordert werden, der die Packstation nach Abklemmen der Anschlusskabel entfernte (Bild 5). Endlich konnte der Hilfserder freigelegt werden (Bild 6). Dabei kam ein ursprünglich gerader Staberder von 2 m Länge erheblich kaltverformt zum Vorschein (Bild 7). Nachdem die Gasleitung freigelegt war, zeigte sich, dass der Hilfserder anfänglich nahe dem Rohrscheitel auf diese traf und später abglitt. Dabei beschädigte er die Rohrleitung so stark, dass aus Sicherheitsgründen ein Reparaturstück aufgeschweißt werden musste (Bild 8). Durch die Verformung des Hilfserders und das weitere Eintreiben fehlten bis zur Beschädigung der Wasserleitung durch die Spitze nur noch wenige Millimeter. Wäre die Wasserleitung auch noch beschädigt worden, hätte man den Fehler allerdings noch zeitnaher bemerkt. Nachdem alles wiederhergestellt war, konnte auch die Packstation wieder aufgestellt und in Betrieb genommen werden. Die Wirksamkeit des kathodischen Schutzes war ebenfalls wieder gegeben. Insgesamt erstreckte sich der gesamte Vorgang auf ca. fünf Arbeitstage. In diesem Zeitraum musste vielen Passanten der Grund erklärt werden, warum die Packstation nach so kurzer Betriebszeit wieder demontiert wurde. Erst recht nach dem Wasserrohrbruch. Fazit Das beschriebene keineswegs ungewöhnliche Beispiel zeigt einerseits, dass einzelne Personen immer wieder nicht nachvollziehbare Dinge tun. In einem Stadtgebiet im Kreuzungsbereich einen 2 m langen Hilfserder zu setzen ohne Kenntnis vom Untergrund, ist nicht nachvollziehbar. In Zeiten, in denen viele Versorger bereits Online-Plan- Bild 6: Freilegen des Hilfserders Fig. 6: Exposure of the auxiliary buried ground anodes Bild 7: Die Fehlerursache Fig. 7: The cause of the problem Bild 8: Beschädigte Rohroberfläche Fig. 8: Damaged pipe surface 352 3R international (45) Heft 7/2006

5 auskünfte zur Verfügung stellen, ist ein derart fahrlässiges Verhalten des Installateurs noch weniger zu verstehen. Versäumt wurden in diesem Fall vor Arbeitsbeginn die Einholung von Planauskünften und nachher die Erstellung einer Einmessskizze mit Dokumentation des Ausbreitungswiderstandes. Spätestens bei der Messung des Ausbreitungswiderstandes des Erders hätten Zweifel kommen müssen. Ein korrekt gesetzter Hilfserder von 2 m Länge kann keinen Ausbreitungswiderstand von 3 Ohm (Ausbreitungswiderstand dieses Rohrnetzes) erreichen. Daneben hat der Ausführende aber noch sich selbst und andere gefährdet. Nicht auszudenken, was hätte passieren können, wenn im Bereich der Gasleitung noch Nieder- oder Mittelspannungskabel verlaufen wären oder wenn die Beschädigung der Gasleitung zur Undichtigkeit geführt hätte. Dieses Beispiel zeigt aber auch, dass der kathodische Schutz neben der Hauptaufgabe der Korrosionsverhinderung ein hervorragendes Mittel sein kann, Beschädigungen der Rohrleitung zu erkennen und auch so Schaden für Mensch und Umwelt abzuwenden. Die Fernüberwachung und Messtechnik sind dabei ideale Instrumente, Fehler zeitnah zu erkennen, zu orten und beseitigen zu können. Autoren: Jörg Maurmann Geschäftsführer der Maurmann GmbH, Sprockhövel Tel. +49(0)2324/ j.maurmann@maurmann.com Herbert Müller Leiter Instandhaltungsteam 3 TIM 23, Stadtwerke Mainz AG, Mainz Tel.: +49(0)6131/ hemueller@stadtwerkemainz.de Sven Windisch Instandhaltungsteam 3 TIM 23, Fachkraft kathodischer Korrosionsschutz, Stadtwerke Mainz AG, Mainz Tel.: +49(0)6131/ swindisch@stadtwerkemainz.de Taschenbuch für den kathodischen Korrosionsschutz Von U. Bette und W. Vesper 7. Auflage 2004, 368 Seiten, Kunststoffeinband, 34,50 E ISBN VULKAN-VERLAG GmbH FAX-BESTELLSCHEIN Name: Firma: Anschrift: Datum/Unterschrift: Exemplare Fax 0201/ R international (45) Heft 7/

6 Die internationale Fachmesse für Abfallwirtschaft und Umwelttechnik Köln, Oktober 2006 Zeit sparen. Geld sparen! Online registrieren und Karten kaufen unter Think global, act local. Technik von heute für die Umwelt von morgen. Die Entsorga-Enteco thematisiert 2006 das komplette internationale Spektrum der Abfallwirtschaft und Umwelttechnik. Die Entsorga-Enteco steht für innovative Produkte, Techniken, Systeme und Dienstleistungen mit höchster Kompetenz in der Umweltvorsorge und -nachsorge. Die Entsorga-Enteco ist Zielpunkt für die wachsende globale Nachfrage privatwirtschaftlicher und kommunaler Entscheider. Die Entsorga-Enteco mit allem Service der Koelnmesse. Koelnmesse GmbH Messeplatz 1, Köln Telefon (0,12 EUR/Minute aus dem deutschen Festnetz) Telefax