Rohre einfrieren: So funktioniert das Verfahren sicher und effektiv
Allgemeine verfahrenstechnische Erklärung
Das Grundprinzip des Verfahrens ist simpel und daher zunächst einfach zu erklären. Um das Rohr wird eine Manschette montiert. Anschließend wird diese mit flüssigem Stickstoff (-196 °C) gefüllt. Der Stickstoff strebt einen Temperaturausgleich an und entzieht damit der Flüssigkeit und dem Rohr die Wärme. Die Flüssigkeit erstarrt zu Eis und bildet somit einen Verschluss.
Da das Verfahren „Rohre frieren“ in der Praxis nicht so einfach ist, wie man es annehmen könnte und dabei vieles zu beachten ist, möchten wir an dieser Stelle einige Hinweise und Erläuterungen geben. Die einzelnen technischen und fachspezifischen Fakten sind betriebsinterne Grundlagen und können nicht näher erläutert werden. Wir frieren nur nach den im Cryostop©-Regelwerk geltenden Kriterien und Voraussetzungen, mit denen wir einen hohen Sicherheitsstandard berücksichtigen und die vom TÜV testiert wurden. Mit der Machbarkeitsprüfung bewerten wir als erstes die grundsätzliche Aufgabenstellung, legen die Bedingungen, u.a. für den Kältemittelbedarf sowie alle Maßnahmen für die sichere Durchführung der Arbeiten fest.
Wir bitten Sie, als Auftraggeber, diese Hinweise unbedingt zu beachten.
Grundlagen
Das Verfahren wurde durch Messer Griesheim GmbH (heute Messer) in den 80ger Jahren entwickelt und vom TÜV Rheinland sicherheitstechnisch beurteilt. Unter dem geschütztem Namen CryoStop© kann das Verfahren für Rohrfrosteinsätze bei Heizungsanlagen, in Kraftwerken, Chemieanlagen, an Fernwärmeleitungen, Kläranlagen, etc., angewendet werden. Bei warmen Leitungen/Medien ist zusätzlich die Unfallverhütungsvorschrift Wärmekraftwerke VBG 2 zu beachten.
Technische Grundlagen zum Einsatz mit flüssigem Stickstoff
In der Regel sind Rohrleitungen aus ferritischem Stahl nicht für Anwendungen bei
tiefen Temperaturen geeignet. Die Rohre können dennoch abschnittsweise, ohne zu erwartende Beschädigungen, auf eine Temperatur von -196°C abgekühlt werden, wenn bestimmte Bedingungen erfüllt sind. Dieses wurde durch den TÜV und externe Institute, mit Untersuchungen der Materialeigenschaften durch Zugproben und Kerbschlagbiegeversuche, nachgewiesen. Letztendlich auch abschließend empirisch bestätigt. Durch tausende Versuche und Rohrgefriermaßnahmen, die wir nunmehr seit mehr als 30 Jahren ausführen. Die extrem hohe Kälte wird keine Überbeanspruchung des Rohres oder bleibende Gefügeveränderungen bewirken, wenn die geltenden Rahmenbedingungen des CryoStop©-Verfahrens eingehalten werden. Die zwangsläufig auftretende Längsspannung, die sich in Folge des Schrumpfens, aus dem Abkühlprozess ergibt, wird durch ein Rohrleitungsstück von etwa 20 x D kompensiert. Zu beachten ist in jedem Fall, dass die Werte der „Kerbschlagarbeit“, durch den nicht mehr vorhandenen Elastizitätsbereich (in der Kühlzone), stark abnehmen. Mechanische Beanspruchung, z.B. durch Schlageinwirkung muss daher im Gefrierbereich oder an angrenzenden Leitungen ausgeschlossen werden.
Für die Montagearbeiten sind Mitarbeiter hierauf hinzuweisen.
Druckfestigkeit von Eispfropfen
Die Festigkeit von Verschlüssen wurde mit Rohren bis DN 400 untersucht. Mit den Tests wurde nachgewiesen, dass die Druckfestigkeit eines Verschlusses mindestens 160 bar beträgt. Die tatsächliche Festigkeit liegt weitaus höher, was durch viele unterschiedliche Versuche bis zu 400 bar bestätigt wurde. Jedoch müssen im Einzelfall diverse Einflussfaktoren berücksichtigt werden. In der Regel hat die Beschaffenheit der Rohroberfläche, insbesondere die Rauigkeit und die damit zusammenhängende Adhäsionskraft, einen maßgeblichen Anteil daran.
Vom TÜV Rheinland wurde eine Freigabe zur Montage an Rohren mit Systemdruck bis 40 bar festgelegt.
Der Phasenwechsel von Wasser (Flüssig zu Fest = Eis) bewirkt eine etwa 10-prozentige Volumenerweiterung. Diese kann eine Druckerhöhung zur Folge haben, wenn ein angrenzender Rohrleitungsabschnitt zu klein ist. Eine Kompensation findet statt, wenn der Abschnitt etwa 50 x D beträgt. In allen anderen Fällen, insbesondere bei sich gegenüber liegenden Pfropfen oder Gefrieren gegen einen Schieber, muss eine frühzeitige Druckentlastung vorgesehen werden. Der radiale Druckaufbau, den man oft fälschlicherweise als Grund für das Platzen von Rohrleitungen im Winter hält, kann dagegen als unkritisch angesehen werden.
Umstände,- die einen Frierprozess behindern
Um den erforderlichen Wärmeentzug in der Gefrierzone erreichen zu können muss der einzufrierende Rohrleitungsabschnitt vollkommen strömungslos sein. Zudem bestimmen die Größe der Rohrleitung und Lage der Gefrierstelle im System sowie die maximale Temperatur des Mediums die Machbarkeit. Neben der Wärmekapazität ist unbedingt die auftretende Konvektion, die bei der Abkühlung auftretenden Dichteunterschiede des Mediums, zu berücksichtigen. Je kälter das Medium ist, umso einfacher lässt sich der Verschluss bilden.
Strömung in der Rohrleitung
Wenn die Rohrleitung im Bereich der Gefrierzone durchströmt wird, werden die abgekühlten Medienanteile aus dem Gefrierbereich getragen, bevor ein Phasenwechsel zu Eis erfolgt. Hierbei kann ein geringer Fluss den endgültigen Rohrverschluss verhindern, zumal die Strömungsgeschwindigkeit in der Gefrierzone mit reduziertem Querschnitt steigt. Mit Temperaturmessungen stellen wir eine Strömung bereits nach ca. 1/3 der Gefrierzeit durch stagnierende Temperaturwerte fest, parallel auch einen höheren Energiebedarf, der sich durch eine erhöhte Zuführung des Kältemittels bemerkbar macht.
Sollten unsere Techniker entsprechende Hinweise zur Kenntnis nehmen wird unverzüglich der Ansprechpartner des Auftraggebers informiert. Gemeinsam sind die Ursachen z.B. undichte Schieber oder Einfluss des Systems,- durch nicht abgeschaltete Pumpen oder Verbraucher zu klären. Kommt es aufgrund der geschilderten Faktoren (Strömung oder sonstige Einflussnahme auf den Gefrierprozess) zu einem höheren Stickstoffverbrauch (gegenüber den kalkulierten Annahmen), müssen wir vor Freigabe (Öffnen des Rohres) prüfen, ob für das anschließende Aufrechthalten des Verschlusses noch genügend Kältemittel vorhanden ist. Kann die Ursache und damit die Auswirkung auf den höheren Stickstoffverbrauch, der ein klares Indiz für den Wärmeentzug durch Strömung darstellt, nicht gefunden und unterbunden werden oder ist nicht mehr genügend Stickstoff vorhanden, muss der Einsatz abgebrochen werden. Besonders bei Fernwärmesystemen ist sicher zu stellen, dass der Nebenstrang tatsächlich abgesperrt ist und keine Entnahme stattfindet,- die einen Fluss in der zu gefrierenden Leitung,- u.U. auch seitens der Endverbraucher bewirken kann.
Prüfung vor Beginn des Frierens
Bevor wir mit dem Frieren der Leitungen beginnen, prüfen wir noch einmal alle Fakten, anhand der übermittelten Daten. So sollte im Gefrierbereich keine radiale Schweißnaht liegen. Der Gefrierbereich muss isoliert, sauber und trocken sein. Werden diese Parameter bestätigt und die angedachte Stickstoffversorgung sichergestellt, wird der zeitliche Ablauf (Aufbau und Gefrierzeit-Vorhaltezeit und Nachbereitung) mit allen beteiligten Personen noch einmal abgestimmt. Hierbei werden selbstverständlich alle sicherheitstechnischen Maßnahmen wie Be- und Entlüftungsmaßnahmen, Sauerstoffüberwachung z.B. in Gruben oder Kellerbereichen, festgelegt.
Für Arbeiten an Leitungen die in einer Höhe > 2 m verlegt sind, sollte seitens des Auftraggebers ein geeignetes Gerüst/Hebebühne, zur Montage und Überwachung der Gefriermanschetten, gestellt werden.
Einsätze in Gruben, engen Räumen oder Schächten erfordern einen Sicherheitsposten ggf. ist sogar das Anlegen von Rettungsgeschirr abzuwägen. Sauerstoffmessungen sind immer vorzunehmen. Schweißer, die in Gruben Rohrleitungen bearbeiten, sind mit einem Sauerstoffwarngerät auszustatten. Der Bereich, insbesondere unmittelbar unterhalb der Gefrierstellen, ist gegen Zutritt abzugrenzen.
Im unmittelbaren Bereich der Maßnahmen sollten sich grundsätzlich nur Mitarbeiter aufhalten, die unbedingt zur Ausführung der Arbeiten erforderlich sind.
Maßnahmen während der Gefriermaßnahmen
Während des Frierens werden alle zuvor festgelegten Parameter von uns permanent kontrolliert und protokolliert. D.h. werden dabei festgestellte Änderungen der Rahmenbedingungen, wie Druck, Temperatur oder Lastwechsel von Pumpen erkannt, sind diese sofort mit dem Auftraggeber/Leitstelle zu klären und korrigierende Maßnahmen abzustimmen. Ist die Rohrleitung bereits geöffnet, müssen die Arbeiten sofort eingestellt werden. Der Gefriervorgang wird dennoch fortgeführt und überwacht. Ggf. ist das Rohr zu sichern. Beim Lösen der Leitungen ist auf ein mögliches Verspringen der Leitung und damit eine schlagartige mechanische Belastung zu achten und dieses durch geeignete Maßnahmen zu unterbinden.
Maßnahmen nach dem Rohrfrosteinsatz
Nach einem Rohrfrosteinsatz wird die Gefriermanschette demontiert und der Abtauvorgang kann in der Regel ohne Überwachung erfolgen. Die Verschlüsse können, je nach Energiezufuhr, noch über mehrere Stunden bestehen bleiben. Ist sichergestellt, dass der Eispfropfen keinen Druckstoß im Leitungssystem, durch ein plötzliches Lösen bewirkt, kann dies auch ohne Aufsicht erfolgen. Sollte das Lösen des Eispfropfens durch den Energiestoß oder Teile des Pfropfens einen Schaden hervorrufen können, müsste der zuvor entleerte Leitungsabschnitt wieder aufgefüllt und ein beiderseitig gleicher Leitungsdruck eingestellt werden. Soll der Verschluss schnell aufgelöst werden ist eine geeignete Wärmezufuhr zu erwägen.
Weitere Abstimmungen
Entsprechend der abgestimmten Projekt- bzw. Ablaufplanung werden unsere Mitarbeiter mit einem Fahrzeug 3,5 t eintreffen. Ein geeigneter Abstellplatz für Fahrzeug und Material ist in jedem Fall notwendig. Wenn wir das Fahrzeug nicht bis auf 10 m an die Gefrierstellen abstellen können, werden wir die Versorgung über rollbare Behälter gewährleisten. Diese sind ca. 300 kg schwer und haben einen Durchmesser von etwa 80 cm, die wir ohne Hindernisse (Stufen, Engstellen) dann bis auf 10 m an die Gefrierstelle bringen müssen.
Bitte berücksichtigen Sie, dass wir Durchführbarkeit eines Rohrverschlusses anhand der übermittelten Daten prüfen und den Einsatz planen, wodurch das Datenblatt Bestandteil des Vertrages wird. Stellen wir bei der Durchführung des Auftrages geschilderte Abweichungen fest (Strömung-Temperaturen etc.) die einen Rohrverschluss verhindern, gehen die entstandenen Kosten zu Lasten des Auftraggebers.
Bitte berücksichtigen Sie, dass wir Durchführbarkeit eines Rohrverschlusses anhand der übermittelten Daten prüfen und den Einsatz planen, wodurch das Datenblatt Bestandteil des Vertrages wird. Stellen wir bei der Durchführung des Auftrages geschilderte Abweichungen fest (Strömung-Temperaturen etc.) die einen Rohrverschluss verhindern, gehen die entstandenen Kosten zu Lasten des Auftraggebers.