Übersicht i. anforderungen an pe-rohre für den deponiebau ... · avl und icp, 18. mai 2010 im...
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Übersicht
I. Anforderungen an PE-Rohre für den DeponiebauII. Schadensfälle an Dränrohren in DeponienIII. VersuchsmaterialienIV. Untersuchungsprogramm
i. Full-Notch-Creep-Test (FNCT)
ii. Strain Hardening Test
iii. Hochdruck-Autoklavenversuche
V. Zusammenfassung und Ausblick
Dränrohre in Deponien
DIN 19667
Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien
29. Fachtagung Die sichere Deponie - Sicherung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen (2013) SKZ ConSem GmbH in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Grundwasserschutz e. V. Berlin. www.akgws.de
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Anforderungen an PE-Rohre für den Deponiebau
Nachweis einer Nutzungsdauer von mind. 100 Jahren
1. Statische Bemessung (ATV M 127 / DWA A 127)FestigkeitsnachweisVerformungsnachweis
2. Oxidationsbeständigkeit OIT200°C > 30 min (DIBt)
3. SpannungsrissbeständigkeitDIBt:
für PE 80: tFNCT 100 hfür PE 100: tFNCT 300 h
SKZ/TÜV-LGA Güterichtlinie: tFNCT 1600 h (für Deponiebasis)
Lebensdauer von Kunststoffbauteilen
Lebensdauer ist begrenzt durch Bruchversagen oder unzulässige Verformung
BelastungsdauerBelastungsdauer
Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien
29. Fachtagung Die sichere Deponie - Sicherung von Deponien und Altlasten mit Kunststoffen (2013) SKZ ConSem GmbH in Zusammenarbeit mit dem Arbeitskreis Grundwasserschutz e. V. Berlin. www.akgws.de
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Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.
Verformungen von PE-Leitungen in Deponien
extreme Verformungen aber keine Risse
Risse in PE-Leitungen mit Schlitzen und Löchern
Dränschlitz
Dränloch
Dränloch
Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.
Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien
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Scherbenbildung in PE-Leitungen
Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.
Rissbildung in PE-Rohren ohne Lochung bzw. Schlitzung
Quelle: Edenberger, W. (2010). Rissbildung in PE-Leitungen. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 17-24.
Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien
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Offener Riss in der Sohle eines PE-Rohrs
Laut Edenberger (2010) sindin Deutschland
15 Deponien mit Rissbildungin PE-Leitungen bekannt.
Quelle: Maier, P. (2010): Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE – Problemschilderung am Beispiel der Deponie „Burghof“. Workshop über „Risse in Deponiesickerwasserleitungen aus PE“, AVL und ICP, 18. Mai 2010 im Landratsamt Ludwigsburg, Seite 1-10.
Versuchsmaterialien
Material Geometrie Außen-durchmesser Wanddicke Alter Anmerkung
A Vollwandrohr 280 mm 28 mm ca. 20 JahreRiss in Sohle, ca. 5 % verformt, Dauertemperatur 50 - 60 °C
B Dränrohr geschlitzt 250 mm 25 mm 20 - 25 Jahre stark verformt durch
ca. 20 m Müllhöhe
C1 T-Rohrstück 12 mm
C2angeschweißtes
Rohrstück
90 mm 9 mm
ca. 15 Jahre unbeschädigt
D Vollwandrohr 110 mm 10 mm neu PE 80
E Vollwandrohr 110 mm 10 mm neu PE 100
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Vollwandrohr (Material A)
dA = 280 mm, ca. 20 Jahre alt, Riss in Sohle
Dränrohr, geschlitzt (Material B)
dA = 250 mm, 20-25 Jahre alt
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Vollwandrohr mit T-Stück (Material C)
dA = 90 mm,ca. 15 Jahre alt
C1C2
T-Stück
angeschweißtesRohrstück
Zeitstandverhalten von Kunststoffrohren
Phase III: sprödes Versagendurch thermo-oxidativen Abbaudes Polymers
Phase I: duktiles Versagendurch lokales Überschreiten der Streckspannung
Phase II: Bruchversagendurch langsames Risswachstum
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Bruchversagen durch langsames Risswachstum
Full-Notch-Creep-Test(FNCT)
Phase II: Bruchversagendurch langsames Risswachstum
Full-Notch-Creep-Test (FNCT) ISO 16770, DIN EN 12814-3
10 mm
10 mm
Zeitstandprüfung einer vierseitig gekerbten Rechteckprobe mit 4 MPa bei 80°C in 2%-iger Netzmittellösung
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FNCT-Zeiten der Deponierohre
Ergebnisse streuen zwischen100 h und 1.650 h!
Rohr mit Rissen!
FNCT-Zeiten der Deponierohre
Neu
rohr
PE
80 (H
erst
elle
rang
aben
)
Neu
rohr
PE
100
(Her
stel
lera
ngab
en)
>1600 h (SKZ-LGA)
>100 h (DIBt)
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Strain Hardening Methode
Strain Hardening Methode
Phase II: Bruchversagendurch langsames Risswachstum
Strain Hardening Methode
Analogie der mikroskopischen Verstreckung der Fibrillen im Riss und der Verstreckung des Probekörpers im Zugversuch
Rissspitze
Streckgrenze
Kaltverstreckung
Dehnverfestigung
relaxierte Fibrillen nach VersagenRissspitze
Streckgrenze
Kaltverstreckung
Dehnverfestigung
relaxierte Fibrillen nach Versagen
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Zugversuch bei 80°C
• Universalprüfmaschine mit Temperierkammer
• Kraftmessdose 500 N• Optische Dehnungsmessung • T = 80 °C• v = 10 mm/min• Zugstab: ISO 527-2, Typ 5B
verstreckter Zugstabunverstreckter Zugstab
Verstreckverhalten bei 80°CTechnische Spannung
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 18000
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Rohr 1 Rohr 2 Rohr 3
tech
nisc
he S
pann
ung
[MP
a]
technische Dehnung [%]
Beispiel
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 180
50
100
150
200
Rohr 1: <Gp> = 15,3 MPa Rohr 2: <Gp> = 20,8 MPa Rohr 3: <Gp> = 31,7 MPa
wah
re S
pann
ung
[MP
a]
Verstreckgrad [-]
Verstreckverhalten bei 80°CWahre Spannung
0
)()(ltlt
)()(0
tA
tFT
VerstreckmodulN
i ii
iip N
G1 1
11
Verstreckmodul der Deponierohre
Neu
rohr
PE
80
Neu
rohr
PE
100
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23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34Strain Hardening Modul / MPa
10
100
1000
10000
Stan
dzei
t FN
CT
/ hln(Y) = 0.472 * X - 7.8Y = exp(0.472 * X) * 0.00041Coef of determination, R-squared = 0.768
FNCT vs. Verstreckmodul
100 h (DIBt)
1600 h (SKZ-LGA)
A
B
C2
D
E
C1
Schadensfall
Neurohre
PE100
PE80
Thermo-oxidatives Versagen
Phase III: sprödes Versagendurch thermo-oxidativen Abbaudes Polymers
Hochdruck-Autoklavenversuche
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Oxidations-Induktions-Zeit (OIT)
Anforderung nach DIBt bei Anwendungstemperatur von 20°C:
OIT200°C > 30 min
Material OIT200°C imAnlieferungszustand / min
A 58,8B 86,6C1 48,1C2 81,8D 128,4E 137,8
Hochdruck-Autoklavenversuche DIN EN ISO 13438
• Prüfung in einer wässrigen Lösung mit basischem Milieu (pH = 10)
• bei erhöhter Temperatur(typisch für PE: 60 °C bis 90 °C) hier: 80°C
• und erhöhtem Sauerstoffdrucks(typisch: 10 bar bis 50 bar) hier: 50 bar
Beschleunigung der OxidationLebensdauerabschätzung nachvertretbaren Versuchsdauern
SKZ:• 6 Autoklaven: Volumen je 9 l• 2 Autoklaven: Volumen je 9 l (06/12)• 2 Autoklaven: Volumen je 59 l (07/12)
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Versuchsdurchführung
• Einlagerung von Zugstäben im Autoklav (evtl. bei unterschiedlichen Temperaturen und Sauerstoffdrücken)
• Entnahme von Probekörpern und Durchführung mechanischer Prüfungen in Zeitintervallen von mehreren Tagen bzw. Wochen
• OIT-Messungen in Abhängigkeit der Einlagerungszeit zur Bewertung des Stabilisatorverbrauchs
Zugversuchsprobennach verschiedenen Alterungsdauern
Gealterte Zugstäbe mit sprödem Versagen
Ungealterte Zugstäbe mit duktilem Versagen
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Hochdruck-Autoklavenversuche (80°C/50bar)
(absolute Werte)
OIT Null: Stabilisatoren sind aufgebraucht!
Hochdruck-Autoklavenversuche (80°C/50bar)
(auf Ausgangswerte bezogen)
Prüftemperaturen bei OIT-Messungen sind sehr hoch.
Gewisse Stabilisatoren werden erfasst. Oxidationsbeständigkeit des Polymers bleibt aber außen vor.
Der OIT allein genügt für die Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit nicht!
Prüftemperaturen bei OIT-Messungen sind sehr hoch.
Gewisse Stabilisatoren werden erfasst. Oxidationsbeständigkeit des Polymers bleibt aber außen vor.
Der OIT allein genügt für die Bestimmung der Oxidationsbeständigkeit nicht!
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Der Abfall des Sauerstoffdrucks zeigt, dass die Stabilisierung (z. B. Phenol) verbraucht ist und die Oxidation des Polymers beginnt.
duration of immersion [d]
oxyg
en p
ress
ure
[bar
]
Druckanpassung
Toleranz für O2 -Druck
„Abbau des Polymers”„Abbau des Polymers”
Abfall des Sauerstoffdrucks
Beispiel
Bruchdehnung und O2-Druckabfall
Sohl
e
Sche
itel
Vollwandrohr geschlitztes Rohr PE80 PE 100
Scheitelbereich ist stärker gealtert als der Sohlbereich!
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17
0
25
50
75
100
125
0 50 100 150 200 250 300Incubation time [d]
Res
idua
l-com
pres
sion
stre
ngth
[%] .
80 °C / 50 bar80 °C / 20 bar80 °C / 10 bar70 °C / 50 bar60 °C / 50 bar
Res
tfest
igke
it / %
Einlagerungszeit / d
Kriterium: 50 % Restfestigkeit
Variation der Prüfbedingungen
Beispiel
Lebensdauerabschätzung für PE-Rohr:Variation von Prüftemperatur und von Sauerstoffdruck
Anwendungstemperatur in einer Deponie: 40°C
> 400 Jahre
ca. 100 Jahre
ca. 25 Jahre
ca. 25 Tage
Beispiel
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Zusammenfassung - Zustandsbewertung
1. Spannungsrissbeständigkeit der ausgebauten Rohre entspricht nicht immer den heutigen Anforderungen
• FNCT sehr zeitaufwendig und teilweise große Streuung
• Strain Hardening Test liefert schnelle Aussagen (geringe Streuung)
2. OIT-Messungen allein geben keine Aussage über die Oxidationsbeständigkeit eines PE-Rohrs
3. Hochdruck-Autoklavenversuche erlauben eine beschleunigte Alterung unter anwendungsnahen Temperaturen
• Scheitelbereich im Rohr stärker gealtert als Sohlbereich
• Restlebensdauer von mehreren Jahrzehnten für Anwendungs-temperaturen von ca. 40 °C ist für die ausgebauten Rohre fragwürdig
Ausblick
1. Statischer Festigkeits- und Verformungsnachweis (nach ATV M 127 / DWA A 127) über FEM-Analyse
2. Abschätzung der Restlebensdauer von alten Deponierohren über zeitraffende Prüfmethoden
3. Überprüfung der Materialanforderungen für eine Mindestlebensdauer von 100 Jahren bei 40 °C
Kurt Engelsing, Helmut Zanzinger, Martin Bastian: Untersuchung zum Alterungsverhalten von 20 Jahre alten PE-Rohren in Deponien
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gefördert durch
Bayerisches Landesamt fürUmwelt
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