|
Hochspannungsprüfung von Korrosionsschutzbeschichtungen
– im Rohrleitungsbau
Fachbeitrag, erschienen Februar 2001 in „3R“
Der Einsatz hochwertiger Produkte und die Verarbeitung mit neuesten Techniken gewinnt im Zuge der Europäisierung der Märkte und des wachsenden Wettbewerbs immer mehr an Bedeutung.
Die Vereinheitlichung der Normen, Haftungsrisiken aber auch nicht zuletzt das wachsende Qualitätsbewußtsein der Hersteller und Dienstleister fragt nach praxistauglichen, sicheren Prüfmethoden, um die gesetzten Standards zu realisieren.
Die Prüfung von Korrosionsschutzbeschichtungen mit Hochspannung zählt in diesem Rahmen zur Kategorie der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Das zu prüfende Material wird durch den Prüfvorgang nicht beschädigt oder gar zerstört. Aufgrund ihrer Flexibilität und unkomplizierten Handhabung ermöglicht die Hochspannungsprüfung im Gegensatz zur Stichprobenprüfung eine Hundertprozent-Kontrolle. Dies gilt sowohl für die Online aufgebrachte Werksumhüllung als auch für die manuell durchgeführte Nachumhüllung von Schweißnähten vor Ort oder im Fall von Reparaturen.
Ziel der Prüfung ist das Erkennen von Poren, Rissen oder sonstigen mechanischen Beschädigungen und Fehlern beim Aufbringen des Beschichtungs- / Umhüllungsmaterials.
Aufgrund der Universalität der Prüfmethode wird sie auch bei vergleichbaren Prüfanforderungen in vielen anderen Bereichen wie Tank- und Behälterbau, Armaturenprüfung, Bautenschutz etc. eingesetzt.
Während bei der kontinuierlichen Online-Prüfung von Werksbeschichtungen netzgespeiste, stationäre Anlagen zum Einsatz kommen, werden vor Ort vorwiegend netzunabhängige, tragbare Prüfgeräte verwendet. Anhand praxisrelevanter Kriterien wie Stabilität der Prüfspannung, Werkstoffbelastung, Sicherheit für Prüfung und Prüfer wird nachfolgend das Konzept der Hochspannungsprüfung erläutert sowie die heute eingesetzten unterschiedlichen Verfahren zur Prüfung der Beschichtung /Umhüllung
mit Gleichspannung oder
mit Hochspannungsimpulsen vorgestellt.
Prüfgeräte mit Wechselspannung finden im Rohrleitungsbau praktisch keine Anwendung mehr.
1. Stabilität der Prüfspannung auch bei hoher Belastung (z.B. Feuchtigkeit)
Rohre mit großem Durchmesser, Feuchtigkeit oder Schmutz auf dem Rohr stellen für das Prüfgerät ein große Belastung dar. Um die eingestellte Prüfspannung zu erzeugen wird in einem solchen Fall wesentlich mehr Energie benötigt als beim Einsatz auf trockenen oder kleineren Rohren.
Prüfgeräte mit Gleichspannung stoßen in einer solchen Prüfsituation häufig an ihre Grenze.
Die Belastung ist zu hoch und die Spannung bricht zusammen. Obwohl auf der Anzeige noch der eingestellte Spannungswert erscheint, beträgt die Prüfspannung am Rohr im Extremfall nur noch einen Bruchteil des angezeigten Wertes.
Ähnliche Anforderungen stellt die Prüfung bedingt leitfähiger Beschichtungen. Während eine Prüfung mit Impulshochspannung in vielen Fällen noch realisiert werden kann, ist eine Prüfung mit Gleichspannung aufgrund des fehlenden Energienachschubs nicht mehr möglich.
VDE 0104 gibt für Gleichspannung exakte Grenzwerte für den Fall einer Berührung der Hochspannung vor (12mA) und schließt somit eine Erhöhung der Prüfenergie aus. S. Punkt 4. Sicherheit.
Prüfgeräte, die mit Hochspannungsimpulsen arbeiten, verfügen aufgrund ihrer besonderen Technik über die notwendigen Reserven, um auch im Fall größerer Belastung die eingestellte Prüfspannung zu garantieren.
Zwei Komponenten sind in diesem Zusammenhang besonders wichtig:
a. Die eingebaute Kugelfunkenstrecke, mit der die Hochspannung im Gerät permanent stabilisiert wird
b. Die automatische Regelung der Prüfspannung, die garantiert, daß bei starker Belastung des Prüfgerätes z.B. durch feuchte Rohre, die Spannung in Bruchteilen von Sekunden auf ihren eingestellten Wert nachgeregelt werden kann.
2. Werkstoffbelastung
Beim Vergleich der beiden Prüfverfahren (Gleichspannung und Hochspannungsimpulse) liegt auch bei Berücksichtigung der Materialbelastung ein Vorteil bei der Prüfung mit Hochspannungsimpulsen.
Dem sogenannten Stoßfaktor kommt in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung zu.
Der Stoßfaktor besagt, daß bei kurzer Einwirkzeit einer hohen Spannung, wie z.B. bei Spannungsimpulsen, das jeweilige Material mit dem 2-3 fachen an Spannung geprüft werden kann, ohne Schaden zu nehmen. Die Hochspannungsimpulstechnik gibt also die doppelte bis dreifache Sicherheit.
Als Praxisbeispiel mag die Prüfung von Materialien dienen, deren Schichtdicke stark schwankt. Auch eine versehentlich zu hoch eingestellte Spannung bleibt in den meisten Fällen ohne negative Auswirkungen.
Wichtig ist dieser Aspekt auch bei der Hochspannungsprüfung modernen Beschichtungen mit Schichtdicken <1 mm, wie Rilsan, Teflon etc.. Häufig liegen keine exakten oder widersprüchliche Angaben zur Prüfspannung seitens der Hersteller oder relevanter Normen vor. Der Einfluß des „Stoßfaktors“ gibt im Rahmen der Prüfung mit Impulshochspannung die Gewähr einer materialschonenden und dennoch verläßlichen Prüfung.
Hinzu kommt der zeitliche Aspekt. Während beim Prüfen mit Gleichspannung das Material über den gesamten Prüfzeitraum durch die Spannung belastet wird, ist beim Einsatz von Hochspannungsimpulsen die Dauer der Einwirkung auf wenige Mikrosekunden d.h. Millionstel Sekunden reduziert.
3. Sicherheit einer korrekten Prüfung
Dem Wunsch nach einer verläßlichen Prüfung kann durch die Wahl der Prüftechnik in hohem Maße Rechnung getragen werden.
Das angestrebte Ergebnis, ein fehlerfrei umhülltes Rohr, wird durch folgende Faktoren unterstützt:
Kurze Einwirkungszeit der Spannung auf das Material, hohe Fehlertoleranz bei fehlerhafter Schichtdicken/ Spannung Relation.
In diesem Zusammenhang dominieren die Eigenschaften von Prüfgeräten mit Impulstechnik
Neben dem bereits erläuterten Stoßfaktor kommt hier der Einfluß der Gleitentladungen zum Tragen.
Gleitentladungen machen sich für den Bediener als bis zu mehreren Zentimetern lange Funken bemerkbar, die, wie bei Dunkelheit leicht zu erkennen, rings um die auf dem Rohr aufgesetzte Prüfelektrode in alle Richtungen über die Oberfläche gleiten. In alle Richtungen heißt erstens, daß hierdurch eine besonders sichere da überlappende Prüfung realisiert wird und zweitens, daß Fehlstellen nicht nur direkt unterhalb der Prüfelektrode festgestellt werden, können sondern auch in einem bis zu mehreren Zentimetern umfassenden Bereich um die Elektrode herum, also auch in die Tiefe!
Überlappende Umhüllungsmaterialien stellen daher im üblichen Rahmen kein Problem dar.
Gleitentladungen wirken wie der verlängerte Arm der Elektrode. Es können auch Poren in größerer Entfernung von der Prüfelektrode gefunden werden, als der Wert der eingestellten Prüfspannung rein rechnerisch zuläßt.
Die Entstehung der so nützlichen Gleitentladungen hängt von verschiedenen Faktoren ab:
Material, Feuchtigkeit von Oberfläche und Luft, von der Spannungshöhe und besonders von der Spannungsform.
Gleichspannung hat im Gegensatz zur Impulsspannung nur geringe Tendenz zur Bildung von Gleitentladung. Bei gleicher eingestellter Prüfspannung bieten Geräte mit Impulsspannung also aus geschilderten Gründen eine wesentlich höhere Sicherheit z.B. bei dicken Schichten, einer versehentlich zu gering gewählten Spannung und zu raschen Bewegungen > 30 cm/s während des Prüfvorgangs.
An dieser Stelle sollte auch der bereits unter Punkt 2) Werkstoffbelastung ausführlich beschriebene Stoßfaktor noch einmal erwähnt werden. Der Einfluß des Stoßfaktors gewährt zusammen mit der Gleitentladung eine große Fehlertoleranz bei der Spannungswahl. Ein weiterer wesentlicher Beitrag der Impulstechnik zur allgemeinen Prüfsicherheit.
4. Sicherheit des Prüfers
Prüfgeräte dürfen bei einer versehentlichen Berührung der Hochspannung führenden Teile, kein Gesundheitsrisiko für den Bediener darstellen.
Diese Bedingung wird bei Gleichspannungs- und Impulsgeräte auf unterschiedliche Weise erfüllt.
Für Gleichspannungsgeräte schreibt der VDE einen exakten Grenzwert für den Strom vor, der bei einer Berührung spannungsführender Teile maximal fließen darf. Hierdurch ist im gleichen Zuge die Energie, die für die Prüfung zur Verfügung steht, limitiert.
Der Strom ist durch VDE 0104 begrenzt, die Spannung durch die Prüfvorschriften z.B. DIN 30672 festgelegt.
Im Gegensatz hierzu sind Prüfgeräte, die mit Hochspannungsimpulstechnik arbeiten, nicht den genannten Grenzwerten unterworfen. Bei entsprechend kurzer Einwirkung (Dauer der Impulse 1/100000s) kann der menschliche Körper im Falle einer unbeabsichtigten Berührung wesentlich höhere Ströme ohne Schaden überstehen.
Ein weiterer wichtiger Punkt in diesem Zusammenhang ist das Auftreten von Restladungen.
Bei der Prüfung mit Gleichspannung können sich das Rohr oder sonstige Teile durch die permanente Spannungseinwirkung leicht aufladen.
Das Rohr verhält in diesem Fall sich wie ein Energiespeicher (Kondensator), der sich über jede mögliche Verbindung zur Erde entladen kann. Bei fehlender oder schlechter Erdung führt eine versehentlich Berührung eines in dieser Forma aufgeladenen Rohres zu einem Stromschlag..
Diese Gefahr eines elektrischen Schlages ist aufgrund der wesentlich kürzeren Einwirkzeit bei Anwendung der Hochspannungstechnik auszuschließen. Voraussetzung ist jedoch immer die einwandfreie Erdung.
Die Erdung - Verbindung zur Erde (Masseverbindung)
Eine ordnungsgemäße Erdung des Hochspannungsprüfgerätes ist Voraussetzung für jede Hochspannungsprüfung! Von ihr hängt die Verläßlichkeit der Hochspannungsprüfung und die Sicherheit des Bedieners maßgeblich ab.
Durch die Verbindung mit dem leitenden Teil des Rohres o.ä. wird das Rohr in den Prüfkreis integriert und der Stromkreislauf geschlossen, ohne den keine elektrisches Gerät funktionieren kann.
Grundsätzlich werden drei Erdungsformen unterschieden:
a. die direkte Erdung
b. die indirekte Erdung
c. die sogenannte kapazitive Erdung.
zu a)
Die direkte Erdung, d.h. die direkte leitende Verbindung zwischen dem Prüfgerät und dem nicht isolierten Teil des zu kontrollierenden Rohr o.a. ist die zuverlässigste Form der Erdung und allen anderen Möglichkeiten immer vorzuziehen.
Manche Hochspannungsprüfgeräte verfügen über einen zusätzlichen Sicherheitsmechanismus, der einen Betrieb ohne eingestecktes Erdkabel unmöglich macht und auf diese Weise auch Prüfungen ohne zuverlässiges Ergebnis verhindert.
zu b)
Leider ist eine direkte Erdung in der Praxis nicht immer möglich.
Die nächste Verbindung zum leitenden Teil des Rohres o.a. Schieber, Hausanschluß etc. ist für den Anschluß des normalen Erdkabels zu weit entfernt. Als Lösung bietet sich die sogenannte Schlepperde an. Hiermit besteht die Möglichkeit das Erdreich mit seinen leitenden Eigenschaften als " Verlängerungskabel " einzusetzen.
Die Verbindung zur Erde wird an der nächstmöglichen Stelle (Hausanschluß etc.) mittels Klemmzange und Erdstab hergestellt. Mit einer gut leidenden, flexiblen Schlepperde wird diese Verbindung am Ort der Prüfung wieder vom Erdreich aufgenommen und der Stromkreis so geschlossen.
zu c)
Was aber, wenn nirgends eine leitende Verbindung zum Rohr o.ä. erreichbar ist?
Das Rohr, wie z.B. bei Wasserrohren zu finden, ohne Unterbrechung vollständig isoliert ist, oder der Ort der Prüfung sich auf extrem trockenem oder durch Bauschutt verunreinigtem Boden. Befindet?
Bei der Verwendung der Hochspannungsimpulstechnik eröffnet sich in solchen Fällen eine dritte Alternative: die kapazitive Erdung . Auf der Baustelle kann diese Art der Erdung durch eine Manschette aus gut leitendem Spezial-gummi, der Erdungsmanschette, realisiert werden.( Nicht für Gleichspannung verwendbar!)
Um das zu prüfende Rohr gewickelt wird die Manschette auf der einen Seite mit dem Erdreich auf der anderen Seite mit dem Prüfgerät verbunden. Anschließend kann wie gewohnt geprüft werden.
Die kapazitive Erdung stellt eine grundlegende Voraussetzung für die automatisierte Online Hochspannungsprüfung dar.
Die richtige Prüfspannung
Die Wahl der Prüfspannung richtet sich nach zwei Faktoren:
- der Art des zu prüfenden Umhüllungsmaterials und der Schichtdicke.
Für den Rohrleitungsbau mit Schichtdicken zwischen 3-4 mm gilt DIN 30672.
Die hierin beschriebene Berechnungsformel gibt als Prüfspannung ;
5 kV + 5 kV / mm an.
Bei einer PE Umhüllung von 3 mm ergibt sich z.B. aus der obigen Formel ;
5 kV + 3 x 5 kV = 20 kV
Dies gilt für die im Rohrleitungsbau üblichen Umhüllungsstärken unter Verwendung von üblichen Materialien wie PE, Bitumen etc. Bei wesentlich dünneren Schichten sind in jedem Fall die Herstellerangaben bzw. die hierfür relevanten Normen zu beachten.
Die Wahl der richtigen Prüfelektrode ist im Rohrleitungsbau in erster Linie vom Durchmesser des zu prüfenden Rohres abhängig und vom konkreten Einsatz. In jedem Fall sollten qualitativ hochwertige Elektroden eingesetzt werden, die mit ihrer vollen Fläche bündig auf dem Rohr aufliegen
|
