technisches handbuch – werkstoffe für die rohrextrusion
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Deutsch
Technisches Handbuch – Werkstoffe für die RohrextrusionHostalen, Lupolen, Hostalen PPVerarbeitung und Anwendungen
AdvancedPolyolefins
2
Zur Beachtung
Die Angaben in dieser Broschüre
dienen den Kunden der Basell als
Information über die Werkstoffe
Hostalen, Lupolen und Hostalen PP,
die speziell für die Rohrextrusion
entwickelt wurden. Die vorstehenden
Angaben basieren auf unseren derzei-
tigen Kenntnissen und Erfahrungen.
Sie befreien den Verarbeiter wegen
der Fülle möglicher Einflüsse bei Ver-
arbeitung und Anwendung unserer
Produkte nicht von eigenen Prüfungen
und Versuchen.
Es wird darauf hingewiesen, dass
die in der Broschüre erwähnten Eigen-
schaften, die an extrudierten Rohren
gemessen wurden, nur unter Einhal-
tung der richtigen Extrusionstempera-
turen und Extrusionsbedingungen
erreicht werden können.
Bevor Basell-Kunden oder Dritte ein
Basell-Produkt einsetzen, haben sie
eigenverantwortlich sicherzustellen,
dass das Produkt für den konkreten
Verwendungszweck geeignet ist. Sie
haben ferner sicherzustellen, dass
das Basell-Produkt entsprechend den
bestehenden sicherheitsrelevanten
Regelungen sowie sonstigen Rechts-
vorschriften genutzt wird. (Sicher-
heitsdatenblätter können über
www.Basell.com bezogen werden.)
Etwaige Schutzrechte sind in eigener
Verantwortung zu beachten. Eine
Zusicherung bestimmter Vermark-
tungsmöglichkeiten, bestimmter
Eigenschaften oder der Eignung für
einen konkreten Einsatzzweck kann
aus unseren Angaben nicht abgeleitet
werden.
Zusicherungen im Einzelfall sowie
die Begründung von Verbindlichkeiten
für Basell bedürfen in jedem Einzelfall
einer entsprechenden Erklärung in
schriftlicher Form durch entsprechend
autorisierte Basell-Mitarbeiter.
Im Falle von Reklamationen haftet
Basell ausschließlich auf Ersatzliefe-
rung sowie weitergehend – insbeson-
dere auf Ersatz von Folgeschäden –
nur im Rahmen ihrer Allgemeinen
Verkaufsbedingungen.
3
Über Basell
Basell entwickelt, produziert und vermarktet Polypropylen,Polyethylen, Hochleistungs-Polyolefinprodukte sowie Kataly-satoren für die Olefinpolymerisation. Außerdem entwickeltBasell Verfahren zur Olefinpolymerisation, die weltweitlizensiert werden.
Basell ist der weltweit größte Herstellervon Polypropylen und Advanced Poly-olefins, ein führender Anbieter vonPolyethylen und Katalysatoren, sowieein global führendes Unternehmen imBereich der Entwicklung und Lizenzier-ung von Polypropylen- und Polythylen-prozessen.
Zusammen mit seinen Joint Ventures
verfügt Basell über Produktionsstätten
auf der ganzen Welt und verkauft seine
Produkte in über 120 Ländern. Mit
Forschungs- und Entwicklungsaktivi-
täten in Europa, Nord Amerika und im
Asien-Pazifikraum, setzt Basell eine
Tradition fort, die bis zu den Anfängen
der Polyolefin-Industrie reicht. Basell
fühlt sich der Innovation verpflichtet,
sowohl durch die ständige Verbesse-
rung der Produktionsprozesse als
auch durch den kontinuierlichen Aus-
bau der Polyolefin-Produktpalette.
Die Firma ist in drei Bereiche unterteilt
• Technology Business
dieser Bereich beinhaltet das Lizenz-
geschäft, die Entwicklung und den
Verkauf von Katalysatoren, die
Forschung und Entwicklung und
neue Projekte
• Advanced Polyolefins
dieser Bereich beinhaltet die Poly-
propylen-Compounds und das
Spezialitätengeschäft
• Polyolefin Business
dieser Bereich umfaßt das Polypro-
pylen- und Polyethylen-Geschäft
Basell hat seine Zentrale in den
Niederlanden und regionale Nieder-
lassungen in Brüssel, Deutschland,
den USA, Brasilien und Hong Kong,
sowie Verkaufsniederlassungen in
allen wichtigen Märkten der Welt.
Weitere Informationen über Basell
finden Sie auf der Website unter
www.basell.com
4
Polyethylen (PE), Polypropylen (PP)
und Polybuten-1 (PB-1) werden alle
für die Herstellung von Rohren ein-
gesetzt. Diese Broschüre beschäftigt
sich ausschließlich mit Rohren
aus Polyethylen und Polypropylen.
Für weitere Informationen über
Polybutene-1 steht eine gesonderte
Broschüre zur Verfügung.
Bereits heute können Rohrleitungen
aus Polyethylen eine Erfolgsgeschichte
vorweisen. Wegen ihrer einzigartigen
Kombination von kostengünstiger
Produktion, problemloser Verlegung
und hervorragenden Dauergebrauchs-
eigenschaften weisen sie seit der
Markteinführung ein überdurchschnitt-
liches Wachstum auf.
Im Jahr 2003 wird der gesamteuro-
päische Verbrauch von PE zur Rohr-
herstellung eine Größenordnung von
ca. 1.100.000 t erreicht haben.
Das mengenmäßig wichtigste Anwen-
dungsgebiet von HDPE-Rohren in
Europa ist weiterhin die Trinkwasser-
versorgung mit einem geschätzten
Verbrauch von 330.000 t, was einem
Anteil von 30 % entspricht, dicht
gefolgt vom Bereich Abwasser mit
ca. 255.000 t ( ~ 23 %). Der Markt-
anteil der vernetzten PE-Rohre im
Bereich der Hausinstallation (Heizung-
& Sanitärrohre) dürfte in 2003 ca.
30 % (entspricht 500 Mio. m) erreicht
haben. Im Falle von Polypropylen ist
der Gesamtverbrauch 2003 in Europa
auf 260.000 t gewachsen. Haupt-
anwendungsgebiete für PP-Rohre sind
der Abwassersektor und die Heiß-
wasserversorgung.
Für die nächsten Jahre ist von einem
weiteren Wachstum des PE- und
PP-Bedarfs für Rohranwendungen
auszugehen.
Angesichts der wirtschaftlichen
Bedeutung der Polyolefinrohre
beschreibt dieses Handbuch die
wichtigsten Verfahren, mit denen
sich die unterschiedlichen Polyethy-
len- und Polypropylen-Typen der
Basell zu Rohren verarbeiten lassen.
In den einzelnen Kapiteln werden
darüber hinaus die Eigenschaften,
die sichere Auslegung der Rohre und
die Verbindungstechniken behandelt.
In einem Kapitel wird insbesondere
auf das vernetzte Polyethylen (PEX)
eingegangen.
5
Einleitung
Polyolefine gehören zu den wichtigsten Kunststoffenzur Herstellung von Rohren. Die Prognosen lassen einenfür die nächsten Jahre ansteigenden Verbrauch erwarten. Dieser wird im prozentualen Vergleich über dem desKunststoffgesamtwachstums liegen.
In diesem Handbuch werden viele An-
wendungsgebiete für Polyolefinrohre
beschrieben und mit zahlreichen
Bildern illustriert. Zuletzt erleichtert
eine Übersicht über Druckschriften,
Normen und Literatur das Auffinden
weiterführender Informationen.
6
Allgemeine Stoffbeschrei-bung, Herstellverfahren,Typenprogramm 11
1.1 Polyethylen 11
1.1.1 Molekulare Struktur 11
1.1.2 Herstellverfahren
für HDPE 12
1.1.3 Vernetzen der Rohre 12
1.1.4 Typenprogramm 13
1.1.5 Lieferform 13
1.2 Polypropylen 15
1.2.1 Molekulare Struktur 15
Homopolymer 16
Blockcopolymer 16
Randomcopolymer 16
1.2.2 Herstellverfahren
für PP 17
1.2.3 Typenprogramm 17
1.2.4 Lieferform 17
Inhalt Eigenschaften der Rohre 19
2.1 Zeitstandverhalten 19
2.1.1 Unvernetzte Rohre 19
2.1.1.1 Zeitstandverhalten bei
einachsigem Spannungs-
zustand 19
Retardation (Kriechen) 19
Relaxation 22
2.1.1.2 Zeitstandverhalten bei
mehrachsigem
Spannungszustand 22
2.1.2 Vernetzte PE-Rohre 28
2.2 Verhalten bei niedrigen
Prüfgeschwindigkeiten 28
2.2.1 Unvernetzte Rohre 28
2.2.1.1 Kurzzeitverhalten bei
geringer Verformungs-
geschwindigkeit 28
2.2.1.2 Widerstand gegen
langsames Risswachstum 30
Notch-Test 32
FNCT (Full Notch
Creep Test) 32
2.2.2 Vernetzte Rohre 33
2.3 Verhalten bei schlagartiger
Beanspruchung 34
2.3.1 Unvernetzte Rohre 34
2.3.1.1 Hohe Verformungs-
geschwindigkeit 34
2.3.1.2 Widerstand gegen schnelle
Rissfortpflanzung 35
Full Scale Test 35
S4-Test 35
2.3.2 Vernetzte Rohre 36
7
2.4 Wärmeausdehnung und
Wärmeleitfähigkeit 37
2.4.1 Linearer Wärmeaus-
dehnungskoeffizient 37
2.4.2 Wärmeleitfähigkeit 37
2.5 Chemikalienbeständigkeit 37
Zeitstand-Innendruck-
versuche zur Ermittlung
von Resistenzfaktoren 38
2.6 Lebensmittelrechtliche
Beurteilung/Ausschluß
von medizinischen
und pharmazeutischen
Anwendungen 38
2.7 Gasdurchlässigkeit 39
2.8 Licht- und Witterungs-
stabilität 40
2.9 Strahlenbeständigkeit 40
2.10 Verhalten gegenüber
Mikroorganismen,
Nagetiere und Termiten 41
2.11 Verhalten bei Flammen-
einwirkung 41
Herstellung unvernetzter Rohre 42
3.1 Verarbeitungs-
eigenschaften 42
3.1.1 Fließverhalten 42
3.1.2 Wärmekapazität, Enthalpie
und Energiebedarf beim
Plastifizieren 44
3.1.2.1 Spezifische
Wärmekapazität 44
3.1.2.2 Spezifische Enthalpie,
Energiebedarf beim
Plastifizieren 45
3.1.3 Spezifisches Volumen 45
3.2 Extrusion 45
3.2.1 Brandsicherheitstechni-
scher Hinweis für den
Verarbeiter 45
3.2.2 Lagerung und
Granulatvorbehandlung 46
3.2.3 Extrusion auf Hochleistungs-
Einschneckenextrudern 47
3.2.4 Verarbeitung von
bimodalem HDPE 50
3.2.5 Sanfte Verarbeitbarkeit 51
3.2.6 Gesamtschwindung der
Rohre 52
3.2.7 Nachfolgeeinrichtungen 52
3.2.8 Prozessrechnersteuerung 52
3.2.9 Wellrohre 53
3.2.10 Wickelrohre 54
Herstellung vernetzter Rohre 55
4.1 Vernetzungsgrad
und Quellung 56
4.2 Eigenschaften vernetzter
Rohre 57
4.3 Vernetzungsverfahren 59
4.3.1 Peroxidvernetzung (PEXa) 59
4.3.1.1 Mechanismus der
Peroxidvernetzung 60
4.3.1.2 Verfahren zur Herstellung
peroxidisch vernetzter
Rohre 60
Das Engel-Verfahren 60
Extrusionsverfahren 61
4.3.2 Silanvernetzung (PEXb) 61
4.3.2.1 Mechanismus der
Silanvernetzung 61
4.3.2.2 Verfahren zur Herstellung
silanvernetzter Rohre 62
Das Einstufen-Verfahren 62
Das Zweistufen-Verfahren 62
4.3.3 Strahlenvernetzung (PEXc) 63
4.3.3.1 Mechanismus der
Strahlenvernetzung 63
4.3.3.2 Verfahren zur Herstellung
strahlenvernetzter Rohre 64
Spritzgießen der Formstücke 66
5.1 Granulatvorbehandlung 66
5.2 Maschinenseitige
Voraussetzungen für
das Spritzgießen 67
5.3 Werkzeuge 67
5.4 Verarbeitung 68
5.4.1 Zylindertemperaturen,
Massetemperatur 69
5.4.2 Werkzeugwand-
temperaturen 69
5.4.3 Plastifizierbedingungen 70
5.4.4 Einspritzdruck und
Nachdruck 70
5.4.5 Zykluszeit 70
5.5 Fließverhalten und
Fließweglängen 70
5.6 Maßgenauigkeit und
Schwindung 71
Rohrverbindungs-technik 73
6.1 Schweißen von
unvernetzten Rohren 73
6.1.1 Schweißeignung von
Hostalen und Lupolen 74
6.1.2 Erläuterung der beim
Schweißen verwendeten
Begriffe 74
6.1.3 Heizelement-Stumpf-
schweißen von Rohren 75
6.1.4 Heizwendelschweißen 77
6.1.5 Weitere Schweißverfahren 77
6.1.6 Allgemein zu beachtende
Hinweise 77
6.1.7 Prüfen der Schweiß-
verbindungen 78
6.2 Schweißen von
vernetzten PE-Rohren 79
6.2.1 Heizelement-Stumpf-
schweißen 79
6.2.2 Heizwendelschweißen
(vorher Elektromuffen-
schweißen) 79
6.2.2.1 Verbindung zwischen
PEX-Rohren mit
unvernetzter Muffe 79
6.2.2.2 Verbindung mit
anvernetzten Formstücken 80
6.3 Klemm- und Steck-
verbindungen 80
6.3.1 Klemm- und Pressform-
stücke aus Metall 80
6.3.1.1 Quick&Easy®-Verbindung
für peroxidisch vernetzte
Rohre 80
6.3.2 Kunststoffformstücke:
Klemm-, Schraub-,
Pressformstücke 80
Anwendungsgebiete 81
7.1 Gasleitungen 81
7.1.1 Unvernetzte Rohre
für Gasleitungen 81
7.1.2 Vernetzte PE-Rohre für
Gasleitungen 83
7.2 Trinkwasserleitungen 83
7.2.1 Unvernetzte PE-Rohre für
erdverlegte Trinkwasser-
leitungen 83
7.2.2 Vernetzte PE-Rohre für
die Hausinstallation 84
7.2.3 PP-Rohre für
die Hausinstallation 85
7.3 Rohre für Fußbodenheizung
und Radiatoranbindung 85
7.4 Mehrschicht- bzw. Metall-
verbundrohre 86
7.5 Rohre und Formstücke für
Hausabflussleitungen 88
7.6 Kanalrohre für drucklose
Abwasserleitungen 88
7.6.1 Polyethylen 88
7.6.2 Polypropylen 90
7.7 Abwasser-Druckrohre 92
7.8 Sanierung von
Rohrleitungen 92
7.9 Spezielle Anwendungs-
beispiele für Druckrohre
und drucklose Rohre 94
8
Berechnungen an Rohren 96
8.1 Rohrdimensionierung
und Normung 96
8.2 Hydraulische Bemessung
der Rohrdurchmesser 98
8.3 Rohrstatik 99
8.4 Stabilitätsnachweis
(Beulen) 99
8.5 Druckstöße 100
8.6 Schadensakkumulation 101
8.7 Rohreigenspannungen 102
Hinweise zu Transport und Verlegung 105
9.1 Lieferung, Transport,
Lagerung 105
9.2 Verlegen von
Rohrleitungen 107
Weiterführende Informationen 110
10.1 Normen und Richtlinien
für Rohre 110
10.1.1 Grundnormen 111
10.1.2 Prüfverfahren 111
10.1.3 Anwendungsnormen 113
10.1.3.1 Allgemeine
Druckleitungen 113
10.1.3.2 Gasrohre 113
10.1.3.3 Trinkwasserrohre 114
10.1.3.4 Hausinstallation,
Druckrohre 114
10.1.3.5 Abwasser-
druckleitungen 114
10.1.3.6 Drucklose
Abwasserleitungen 114
10.1.3.7 Sonstige Rohrleitungs-
baunormen 115
10.1.4 Sonstige Normen und
Richtlinien 115
10.2 Maschinenhersteller
und Prüfinstitute 115
Umwelt 116
11.1 Verwertung 116
11.2 Beseitigung 117
11.3 Ökobilanz, Ökoprofil und
Ökoeffizienzanalyse 117
Literatur 119
Literatur Basell 119
Weitere Literatur 119
9
10
11
Allgemeine Stoffbeschreibung, Herstellverfahren, Typenprogramm
Seit den 50er Jahren stehen die Werkstoffe Hostalen, Lupolen und Hostalen PP für Kompetenz bei der Extrusionvon Rohren.
1.1 Polyethylen
Die Klassifizierung von Polyethylen
(PE) erfolgt nach der Dichte:
• HDPE (high density polyethylene)
für PE hoher Dichte,
• MDPE (medium density polyethy-
lene) für PE mittlerer Dichte,
• LDPE (low density polyethylene)
für PE niedriger Dichte sowie
• PEX für vernetztes PE.
Die Markennamen der PE-Werkstoffe
für die Rohrextrusion sind Hostalen
und Lupolen.
1.1.1 Molekulare Struktur
Polyethylen ist aus langen Molekül-
ketten (Makromolekülen) aufgebaut.
Diese Moleküle enthalten Verzwei-
gungen. Der Grad der Verzweigung
der Molekülketten und die Länge der
Seitenketten beeinflussen die Eigen-
schaften des Polyethylens wesentlich.
Die von der Basell nach dem Nieder-
druckverfahren hergestellten HDPE -
Typen für Rohre sind wenig ver-
zweigt und tragen nur kurze Seiten-
ketten. Man bezeichnet diese
Werkstoffe als lineares Polyethylen.
Dagegen sind die nach dem Hoch-
druckverfahren hergestellten LDPE-
Typen verzweigt und tragen lange
Seitenketten. Man spricht daher von
verzweigtem Polyethylen. Die LDPE-
Typen spielen heute bei der Rohrher-
stellung nur eine untergeordnete
Rolle.
Polyethylen kristallisiert beim Abküh-
len der Schmelze: Teilbereiche der
langen Molekülketten ordnen sich.
Sie falten sich zu sehr kleinen Kristal-
liten, die über amorphe Bereiche ver-
bunden sind, zu Überstrukturen, den
sog. Sphärolithen. Die Kristallisation
ist um so besser möglich, je kürzer
die Ketten sind und je geringer der
Verzweigungsgrad ist. Der kristalline
Anteil weist eine höhere Dichte auf
als der amorphe. Je nach Höhe des
kristallinen Anteils („Kristallinitäts-
grad“) erhält man unterschiedliche
Werte für die Dichte (Tab. 1-1).
Tab. 1-1: Richtwerte zur Einteilung von PE nach Dichte und Kristallinitätsgrad
Dichte Kristallinitätsgrad
HDPE 0,940 bis 0,965 g/cm3 60 bis 80 %
MDPE 0,930 bis 0,940 g/cm3 50 bis 60 %
LDPE 0,915 bis 0,930 g/cm3 35 bis 50 %
Häufigkeit
Molmasse
EthylenWasserstoff
Katalysator
EthylenComonomer
Polyethylen
Zentrifuge
2 Reaktoren
Trockner
1.1.2 Herstellverfahren für HDPE
Alle Herstellverfahren für HDPE
gehen vom Monomer Ethylen aus
und arbeiten bei relativ niedrigem
Druck. Basell wendet das Suspen-
sions- sowie das Gasphasenverfahren
an. Je nach verwendetem Katalysator
spricht man vom Ziegler- oder Phil-
lips-Verfahren. Die mitteldichten
Lupolen-Typen werden überwiegend
nach dem Phillips-Verfahren herge-
stellt, die hochdichten Hostalen-
Typen nach dem Ziegler-Verfahren.
Hostalen-BM-Prozess:
bimodale Massenverteilung
Hostalen GM 5010 T3 und Hostalen
CRP 100, die Werkstoffe der dritten
Generation, sind durch eine bimodale
Molmassenverteilung gekennzeichnet.
Durch die Entwicklung eines speziel-
len Ziegler-Katalysators gelingt es, in
zwei aufeinander folgenden Reakto-
ren ein Polyethylenblend aus kurzen
und langen Molekülketten zu erzeu-
gen (Abb. 1-1).
Auf diese Weise lassen sich die bisher
gegenläufigen Eigenschaften Zähig-
keit und Steifigkeit gleichzeitig opti-
mieren.
Dieses spezielle Polymerdesign
sichert bei hochmolekularen Werk-
stoffen eine hervorragende Eigen-
schaftskombination und eine überle-
gene Verarbeitung auf konventionel-
len und modernen Extrusionsanlagen.
Das neue ACP-Verfahren (Advanced
Cascade Process) der Basell ermög-
licht eine weitere Optimierung des
Verabeitungsverhaltens bei gleichzei-
tiger Verbesserung des Widerstandes
gegen langsames Risswachstum.
1.1.3 Vernetzen der Rohre
Bei einigen Anwendungen von Roh-
ren, wie Rohrleitungen für die Warm-
wasserverteilung oder die Fußboden-
heizung, treten Gebrauchstemperatu-
ren von 70 bis 90 °C auf. Um diesen
hohen Temperaturen standzuhalten,
werden Rohre während oder nach der
Extrusion vernetzt. Folgende Werk-
stoffe werden von der Basell zum Ver-
netzen empfohlen:
• Lupolen 5261 Z Q 456
• Lupolen 5461 B Q 471
• Lupolen 5031 L Q 449
• Lupolen 5031 L Q 449 K
• Lupolen 4261 A Q 416
12
Die Eigenschaften von Polyethylen
werden vorwiegend durch Dichte,
Molmasse und Molmassenverteilung
bestimmt. Mit zunehmender Dichte
(höherer Kristallinität) steigen an:
• Streckspannung (Zugfestigkeit),
• Elastizitätsmodul (Steifheit),
• Härte,
• Beständigkeit gegen Lösemittel,
• Undurchlässigkeit für Gase und
Dämpfe.
Dagegen nehmen Schlagzähigkeit,
Transparenz und Widerstand gegen
Spannungsrissbildung mit zunehmen-
der Dichte ab.
Mit steigender Molmasse nehmen
Schlag- und Kerbschlagzähigkeit,
Reißfestigkeit, Reißdehnung und der
Widerstand gegen Spannungsriss-
bildung zu.
Die Makromoleküle eines thermo-
plastischen Kunststoffs weisen unter-
schiedliche Kettenlängen auf. Daraus
folgt eine mehr oder weniger breite
Molmassenverteilung. Bei gleichen
Bereichen für Schmelzindex und
Viskositätszahl ist eng verteiltes
HDPE mit geringem niedermolekula-
rem Anteil auch bei tiefer Temperatur
schlagzäher als breit verteiltes. Breit
verteilte HDPE-Typen wiederum sind
leichter verarbeitbar.
Abb. 1-1: Hostalen-BM-Prozess zur Herstellung von Polyethylen-Rohrware mit
bimodaler Molmassenverteilung
1.1.4 Typenprogramm
Bereits 1957 brachten die damaligen
Farbwerke Hoechst für die Fertigung
von Rohren den hochmolekularen
unimodalen HDPE-Spezialtyp Hostalen
GM 5010 auf den Markt.
Seit 1999 bietet die heutige Basell die
nach der bimodalen Technologie her-
gestellten PE-Werkstoffe
• Hostalen GM 5010 T3 (in Schwarz;
für Markierungsstreifen in Gelb,
Blau und Braun) als PE 80 und
• Hostalen CRP 100 (in Schwarz,
Orangegelb und Blau; für Markie-
rungsstreifen in Braun, Blau und
Orangegelb) als PE 100 an (Tab. 1-2).
13
Alle diese Werkstoffe zeichnen sich
durch die hervorragende Kombina-
tion von Zähigkeit und Steifigkeit
aus.
Die Basell-Werkstoffe bieten die Vor-
aussetzung, dass bei korrekter Verar-
beitung die Anforderungen der natio-
nalen und internationalen Normen für
diese Klasse von Kunststoffrohren
erfüllt werden können.
Hostalen und Lupolen bieten für
die Herstellung von Rohren folgende
Vorteile:
– hohe Zeitstandfestigkeit,
– hoher Widerstand gegen langsames
Risswachstum und schnelle Riss-
fortpflanzung,
– gute Verschweißbarkeit,
– niedriges Gewicht,
– günstige Transportmöglichkeiten,
– leichte Verlegung,
– Beständigkeit gegen aggressive
Durchflussmedien und Böden,
– geringe Wandreibungsverluste,
– keine Ablagerungen und
Verkrustungen,
– Unempfindlichkeit gegen Frost.
Das Gesamtprogramm der Basell
an Polyethylen-Werkstoffen zur
Rohrherstellung ist in Tabelle 1-2
zusammengefasst.
1.1.5 Lieferform
Alle Hostalen-Typen werden als
Granulat geliefert, die Lupolen-Typen
als Granulat oder als Grieß (Tab. 1-2).
Die Einfärbungen sind cadmiumfrei.
Die Vernetzungsverfahren sind in
Kapitel 4 behandelt.
Vernetzte Rohre erhalten ihre charak-
teristischen Eigenschaften erst durch
den Vernetzungsprozess. Sie hängen
wesentlich von dem Verfahren ab,
das der Rohrhersteller für das Vernet-
zen anwendet, und lassen sich nicht
aus den Eigenschaften des unvernetz-
ten Werkstoffs ableiten. Außerdem
können Zusatzstoffe die Rohreigen-
schaften beeinflussen. Da der Roh-
stoffhersteller keinen Einfluss auf das
Vernetzungsverfahren hat, kann hier
nur von charakteristischen Eigen-
schaften vernetzter Rohre die Rede
sein.
14
Tab. 1-2: PE-Werkstoffe für Rohre und Formstücke: Lieferformen, Einfärbungen, Eigenschaften, Anwendungsgebiete,
* G = Granulat, P = Pulver, Grieß
Typ Liefer- Einfärbungen Charakteristische Hauptanwendung
form* Eigenschaften von Basell-Kunden
Hostalen GM 5010 T3 black G schwarz RAL 9004 HDPE, PE 80, Druckrohre, z.B. Trinkwasser- und Gasrohre, Abfluss-
zäh, steif und Kanalrohre, deren Formstücke sowie Tafeln
Hostalen GM 5010 T3 natur G natur HDPE, zäh, steif Platten, Profile, Werkstoff für Mehrschichtrohre
Hostalen GM 5010 T3 S yellow G gelb RAL 1018 (ähnl.) HDPE, PE 80 Markierungsstreifen für Gasrohre aus
GM 5010 T3 black
Hostalen GM 5010 T3 S blue G blau RAL 5012 (ähnl.) HDPE, PE 80 Markierungsstreifen für Trinkwasserrohre aus
GM 5010 T3 black
Hostalen GM 5010 T3 S brown G braun RAL 8023 (ähnl.) HDPE, PE 80 Markierungsstreifen für Kanalrohre aus
GM 5010 T3 black
Hostalen CRP 100 black G schwarz RAL 9004 HDPE, PE 100, Druckrohre, z.B. Trinkwasser- und Gasrohre, Abfluss-
sehr zäh, steif und Kanalrohre, deren Formstücke sowie Tafeln
Hostalen CRP 101 orange-yellow G orange- RAL 1033 (ähnl.) HDPE, PE 100, Gasrohre und deren Formstücke
gelb sehr zäh, steif
Hostalen CRP 100 blue G königs- RAL 5005 (ähnl.) HDPE, PE 100, Trinkwasserrohre und deren Formstücke
blau sehr zäh, steif
Hostalen CRP 100 S orange-yellow G orange- RAL 1033 (ähnl.) HDPE, PE 100 Markierungsstreifen für Gasrohre aus
gelb CRP 100 black
Hostalen CRP 100 S yellow G Gelb RAL 1018 (ähnl.) HDPE, PE 100, Markierungsstreifen für Gasrohre aus CRP 100 black
Hostalen CRP 100 S blue G königs- RAL 5005 (ähnl.) HDPE, PE 100 Markierungsstreifen für Trinkwasserrohre aus
blau CRP 100 black
Hostalen CRP 100 S brown G braun RAL 8023 (ähnl.) HDPE, PE 100 Markierungsstreifen für Kanalrohre aus
CRP 100 black
Hostalen GM 9310 C black G schwarz RAL 9004 HDPE, Rohre und Formteile für Anwendungen in
elektrisch leitfähig explosionsgeschützten Bereichen.
Spezialtyp mit Oberflächenwiderstand < 104 Ω
Lupolen 5261 Z Q 456 P natur PEXa Vernetzte Rohre
Lupolen 5461 B Q 471 P natur PEXa Vernetzte Rohre
Lupolen 5031 L Q 449 G natur PEXb Vernetzte Rohre
Lupolen 5031 L Q 449 K G natur PEXb Vernetzte Rohre
Lupolen 4261 A Q 416 G natur PEXc Vernetzte Rohre
1.2 Polypropylen
Die Klassifizierung von Polypropylen
(PP) erfogt in drei Klassen:
• PP-H für Polypropylen Homopoly-
mere
• PP-B für Polypropylen Blockcopoly-
mer (auch Impact-Copolymere)
• PP-R für Polypropylen Randomco-
polymere (statistische Copolymere)
Der Markenname der PP-Rohrwerk-
stoffe der Basell ist Hostalen PP.
1.2.1 Molekulare Struktur
Polypropylen wird durch Polymerisa-
tion von Propylen gewonnen. Basie-
rend auf den Erkenntnissen von Karl
Ziegler über die Polymerisation von
Ethylen, polymerisierte Giulio Natta
1953 Propen mit Hilfe eines Kataly-
sators. Er erhielt eine Masse, deren
überwiegender amorpher Teil in
Kohlenwasserstoffen löslich war.
Der andere kristalline Anteil war hin-
gegen unlöslich und besaß eine hohe
Schmelztemperatur. Natta erkannte,
daß sich das Propylen zu verschiede-
nen Polypropylenen polymerisieren
läßt. Er nannte das amorphe PP
ataktisch (a-PP) und das kristalline PP
isotaktisch (i-PP).
Unter der Taktizität versteht man die
räumliche Anordnung der Propylenein-
heiten in der Kette des Polymers.
Durch die Polymerisation von Propylen
entsteht an jedem zweiten Kohlenstoff-
atom eine Methylseitenkette (Länge:
ein Kohlenstoffatom), die im Vergleich
zur benachbarten Seitenkette entwe-
der in die gleiche oder entgegenge-
setzte Richtung schauen kann.
Schauen alle Seitenketten in die glei-
che Richtung so spricht man von isot-
aktisch, ist die Anordnung willkürlich,
so spricht man von ataktisch (Abb.1-2).
15
Abb. 1-2: Struktur von isotaktischem und ataktischem Polypropylen
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
Isotaktisch
Bindung steht aus der Papierebene nach vorne heraus
Bindung steht aus der Papierebene nach hinten heraus
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
CHCH2
CH3
Ataktisch
CH
Unter dem Standardkunststoff Poly-
propylen versteht man das isotak-
tische Polypropylen, das heute an
hochisospezifischen Katalysatoren
in Masse oder in Gasphase hergestellt
wird. Hochisospezifisch bedeutet,
daß die Ausbeute an isotaktischem
PP während der Polymerisation bei
über 95 % liegt. Der Rest besteht aus
ataktischem Polypropylen.
Polypropylen ist ein teilkristalliner
Werkstoff. Der regelmäßige Aufbau
der Molekülketten begünstigt das
Entstehen kristalliner Bereiche. Die
Kettenmoleküle werden beim Abküh-
len aus der Schmelze jedoch selten in
ganzer Länge in einen Kristallit ein-
gebaut. Es entstehen besonders bei
hohem Polymerisationsgrad amorphe
Bereiche durch die Verschlaufungen
der Ketten. Der kristalline Anteil liegt
je nach Verarbeitungsbedingungen
bei 50–70 %. Der teilkristalline Aufbau
bewirkt wegen der hohen Sekundär-
kräfte im Kristallit eine hohe Festig-
keit und Steifigkeit, während die unge-
ordneten Bereiche, mit der höheren
Beweglichkeit ihrer Kettensegmente
oberhalb der Einfriertemperatur, Fle-
xibilität und Zähigkeit ergeben.
Durch Copolymerisation von Propylen
mit Ethylen wird das PP-Eigenschafts-
spektrum erweitert, so daß sich iso-
taktisches PP in drei Klassen einteilen
läßt:
Homopolymer
Homopolymere entstehen durch Poly-
merisation von ausschließlich Propy-
len-Molekülen. Aus der hohen Kristal-
linität und Isotaktizität (Regelmäßig-
keit des Kettenaufbaus) resultieren
eine hohe Härte, Steifheit, Zugfestig-
keit und Wärmeformbeständigkeit bei
ausreichender Zähigkeit. Homopoly-
mere haben ein sehr gutes Zeitstand-
Innendruckverhalten auch bei höhe-
ren Temperaturen. Die Einfriertempe-
ratur der amorphen Bereiche liegt bei
ca. 0° C. Unterhalb dieser Temperatur
ist das Homopolymer relativ spröde.
Blockcopolymer
Blockcopolymere (auch Impact-Copo-
lymere genannt) werden in einem
mehrstufigen Polymerisationsprozess
hergestellt. Neben dem PP-Homopoly-
mer wird in einer weiteren Reaktions-
stufe ein Copolymer mit niederen
-Olefinen (vorzugsweise Ethylen)
polymerisiert. Die Elastomer-Phase,
die in die Homo-PP-Matrix eingebettet
ist, erhöht die Zähigkeit, insbeson-
dere bei tiefen Temperaturen.
Das Zeitstand-Innendruckverhalten
ist schlechter als bei Homo- und Ran-
domcopolymeren.
Randomcopolymer
Bei Randomcopolymeren oder stati-
stischen Copolymeren werden durch
die gleichzeitige Polymerisation von
Propylen mit niedrigen -Olefinen
(vorzugsweise Ethylen oder Buten-1)
die Comonomer-Einheiten statistisch
verteilt und bevorzugt isoliert in die
PP-Kette eingebaut. Die Comonomer-
Einheiten stören den regelmäßigen
Aufbau der Polymerkette und führen
mit zunehmendem Anteil zu einer Ab-
senkung der Kristallinität, des Schmelz-
punktes, der Härte, der Steifheit und
der Glastemperatur. Bei normalen
Gebrauchstemperaturen haben Random-
copolymere eine höhere Zähigkeit als
PP-Homopolymere. Durch die höhere
Duktilität (plastische Verformbarkeit)
haben Randomcopolymere im Ver-
gleich zu Homo- und Blockcopolymeren
besonders bei höheren Temperaturen
ein sehr gutes Zeitstand-Innendruck-
verhalten.
Die Abfolge der Monomersequenzen
ist in Abbildung 1-3 illustriert.
Wie bei Polyethylen werden auch bei
Polypropylen die Eigenschaften durch
die Molmasse und die Molmassenver-
teilung bestimmt. Prinzipiell beob-
achtet man hier die gleichen Tenden-
zen wie bei Polyethylen.
16
Abb. 1-3: Monomersequenz bei isotaktischem Polypropylen
Homopolymere
-P-P-P-P-P-P-P- .... -P-P-P-P-P-P-P-P-P-
Blockcoploymere
(P-P-P-...P) + (P-P-E-E-E-E-P-P-E-E-E-P-P-)
Randomcopolymere
-P-P-P-E-P-P-P-E-P .... -P-P-E-P-P-P-
P= Propylen E = Ethylen (Copolymer)
1.2.2 Herstellverfahren für PP
Alle Herstellverfahren für PP gehen
vom Monomer Propylen aus. Unab-
hängig von der Art des Verfahrens
ist die Polymerisation von Propylen
eine exotherme Reaktion, die durch
den Katalysator angestoßen wird und
dann unter starker Wärmeentwicklung
abläuft. Die Hostalen PP Rohrwerk-
stoffe werden bevorzugt nach dem
Spheripol-Verfahren hergestellt. Das
Spheripol-Verfahren zählt zu den effi-
zientesten und kosteneffektivsten
Verfahren der Welt. Fast die Hälfte
der weltweiten PP-Kapazität wird
heute nach dem Spheripol-Verfahren
hergestellt.
Das Spheripol-Verfahren besteht im
Wesentlichen aus einem Schlaufen-
reaktor und einem Gasphasenreaktor
(Abb. 1-4). Im Schlaufenreaktor wer-
den in flüssigem Propylen Homopoly-
mere und Randomcopolymere her-
gestellt. Man spricht hier von einer
Polymerisation in Masse. Bei der Her-
stellung eines Blockcopolymers wird
ein zweiter Polymerisationsschritt in
der Gasphase nachgeschaltet.
1.2.3 Typenprogramm
Die Hoechst AG brachte bereits im
Jahre 1957 als erstes Unternehmen
der Welt großtechnisch erzeugtes Poly-
propylen auf den Markt. Hostalen PP
ist ein mit Hilfe stereospezifisch wir-
kender Katalysatoren hergestelltes
isotaktisches Polypropylen von
hohem Kristallinitätsgrad.
Hostalen PP bietet – korrekte Ver-
arbeitung zum Rohr vorausgesetzt –
folgende wesentlichen Vorzüge:
• gutes Zeitstandverhalten
• gute Verschweißbarkeit
• niedriges Gewicht
(Dichte ca. 0,90 g/cm3)
• leichte Verlegung
• keine Ablagerungen und
Verkrustungen
• geringe Wandreibungsverluste
• ausgewogenes Steifheit/Zähigkeits-
Verhältnis
• sehr gute Ver- und Bearbeitbarkeit
• sehr gute Chemikalienbeständigkeit
• Dauereinsatztemperaturen
bis 70 °C
• geringe Neigung zur Spannungs-
rissbildung
• „Kontakttransparenz“
Das Gesamtprogramm der Basell an
Polypropylen-Werkstoffen zur
Rohrherstellung ist in Tabelle 1-3
zusammengefasst.
1.2.4 Lieferform
Alle Hostalen PP-Rohrwerkstoffe wer-
den als Granulat geliefert (Tab. 1-3).
17
Katalysator
Wasserstoff
Propylen
Dampf
Stickstoff
Schlaufenreaktor PolypropylenGasphasenreaktor+ Ethylen
Abb. 1-4: Spheripol-Verfahren zur Herstellung von Polypropylen
18
Tab. 1-3: PP-Werkstoffe für Rohre, Formstücke und Platten: Lieferformen, Einfärbungen, Eigenschaften,
Anwendungsgebiete.
Produkt Lieferformen, Charakteristische Hauptanwendungen
Einfärbung Eigenschaften von Basell-Kunden
Hostalen PP H2150 PP-H Granulat, nukleiert, hochwärme- Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile, Stanz-
natur alterungsbeständig und Filterplatten, blasgeformte Teile
und extraktionsstabil
Hostalen PP H2450 PP-H Granulat, nicht nukleiert Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile, Stanz-
natur hochwärmealterungsbeständig und Filterplatten, blasgeformte Teile
und extraktionsstabil
Hostalen PP H2150 304850 PP-H Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile, Stanz-
kieselgrau und extraktionsstabil und Filterplatten, blasgeformte Teile
Hostalen PP H2250 36 PP-H Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Druckrohre nach DIN 8078 (PP-H 100),
kieselgrau und besonders extraktionsstabil Tafeln, Vollstäbe, Filterplatten, Profile,
Fittings, Gehäuse
Hostalen PP H7350FLS 303064 PP-H Granulat, RAL 7037 (ähnl.) schwerentflammbar, Hausabflußrohre nach DIN 19560,
FLS staubgrau Brandklasse B1 nach DIN 4102, Halbzeuge für den Apparatebau,
Einstufung nach UL94V-2
nicht für Lebensmittelkontakt
Hostalen PP H1022 PP-B Granulat, höhere Wärmealterungsbe- Rohre, Tafeln, Vollstäbe, Profile,
natur ständigkeit Formteile, blasgeformte Teile
Hostalen PP H2222 36 PP-B Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Druckrohre nach DIN 8078 (PP-B 80),
kieselgrau und besonders extraktionsstabil Tafeln, Profile, Filterplatten
Hostalen PP H1022 12 PP-B Granulat, RAL 9004 schwarz, Grundstabilisierung, Rohre, Tafeln, Wellrohre, Fittings,
schwarz witterungsbeständig blasgeformte Teile
Hostalen PP H4122 103220 PP-B Granulat, RAL 9004 hochwärmealterungsbeständig Druckrohre, Solarabsorber, Wellrohre,
schwarz und besonders extraktionsstabil, Klemmverbinder nach DIN 8076-3/
witterungsbeständig ISO 14236
Hostalen PP H2464 PP-B Granulat, hohe Steifigkeit, excellente Kälte- Rohre, insbesondere „strukturierte“
natur schlagzähigkeit, besonders Abwasserrohre, Profile, Blasformteile
wärmealterungsbeständig und
extraktionsstabil
Hostalen PP EPD60R PP-B Granulat, gute Waschlaugenbeständigkeit, Industrierohre, Profile, Wellrohre,
natur ausgezeichnete Schlagzähigkeit Abflußschläuche
Hostalen PP H5216 34 PP-R Granulat, RAL 7032 (ähnl.) hochwärmealterungsbeständig Druckrohre nach DIN 8078 (PP-R 80),
kieselgrau und besonders extraktionsstabil Trinkwasser- und Sanitärrohr-Systeme,
Halbzeuge und Anwendungen im
chemischen Apparatebau, Fußboden-
heizungsrohre
Hostalen PP H5416 farbig PP-R Granulat, spezielle Farb- hochwärmealterungsbeständig Halbzeuge und Anwendungen im
farbig einstellungen und besonders extraktionsstabil chemischen Apparatebau, Druckrohre
auf Anfrage nach DIN 8078 (PP-R 80), Trinkwasser
und Sanitärrohre
Hostalen PP H5416 PP-R Granulat, hochwärmealterungsbeständig Halbzeuge und Anwendungen im
natur und besonders extraktionsstabil chemischen Apparatebau, Druckrohre
nach DIN 8078 (PP-R 80)
Eigenschaften der Rohre
Polyethylen und Polypropylen sind viskoselastische Werkstoffe.
2.1 Zeitstandverhalten
2.1.1 Unvernetzte Rohre
Polyethylen und Polypropylen sind
viskoselastische Werkstoffe. Wie alle
thermoplastischen Kunststoffe zeigen
sie die als Kriechen bekannte Eigen-
schaft, sich im Laufe der Zeit bereits
bei Raumtemperatur und unter ver-
hältnismäßig geringer Belastung zu
verformen. Nach Entlastung nimmt
ein Formteil je nach Höhe und Dauer
der Beanspruchung seine ursprüngli-
che Gestalt mehr oder weniger wieder
an. Die rückstellbare Verformung ent-
spricht dem elastischen, die bleibende
dem viskosen Anteil.
Daher ist zu beachten, dass die
mechanischen Eigenschaften eines
Kunststoffs abhängig sind von den
drei wichtigen Grundparametern:
Zeit, Temperatur und Beanspruchung.
Für die Berechnung von Konstruktions-
teilen müssen die vorwiegend in
mechanischen Langzeitprüfungen
ermittelten Werkstoffkennwerte durch
einen Sicherheitsbeiwert dividiert wer-
den.
19
2.1.1.1 Zeitstandverhalten bei
einachsigem Spannungs-
zustand
Bei der Ermittlung des Zeitstand-
verhaltens unterscheidet man
zwischen dem Retardationsversuch
bei konstanter Spannung und dem
Relaxationsversuch bei konstanter
Dehnung.
Retardation (Kriechen)
Beim Retardationsversuch wird bei
konstanter, vorgegebener Spannung
( = const.) die mit der Zeit zuneh-
mende Verformung (t) gemessen –
die Zeit-Dehn-Kurve – und hieraus der
errechnet. Die Messung kann in
einem Biegekriechversuch („Zeit-
stand-Biegeversuch“ nach ISO 6602)
oder im Zugkriechversuch („Zeit-
stand-Zugversuch“ nach ISO 899)
vorgenommen werden. Der letztere
ist zwar aufwendiger, liefert aber
die präziseren Ergebnisse, da der
gesamte Querschnitt gleichmäßig
zum Ergebnis beiträgt und Störungen
in der Randfaser, d. h. an der Ober-
fläche, nicht so stark ins Gewicht
fallen wie beim Biegekriechversuch.
2-1
In Abbildung 2-1 sind die Zug-Kriech-
modulkurven für Hostalen GM 5010 T3
und Hostalen CRP 100 bei 23 und
40 °C wiedergegeben.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der
Wert des Kriechmoduls außer von
Temperatur und Zeit auch von der
jeweiligen vorgegebenen Spannung
abhängt.
Trägt man die in den Zug-Kriechver-
suchen angelegten Spannungen über
der Dehnung zu gleichen Zeiten auf
und verbindet diese Punkte, so erhält
man die isochronen Spannungs-Deh-
nungsdiagramme. In Abbildung 2-2
sind diese für Hostalen PP H2150
(Homopolymer) und in Abb 2-3 für
Hostalen PP H1022 (Blockcopolymer)
bei 23, 40, 60 und 80 °C dargestellt.
20
Zug-Kriechmodul [N/mm2]
Beanspruchungsdauer [h]10-1
101
106
102
103
104
10-2 100 101 102 103 104 105
2 [N/mm2]
5 [N/mm2]
Zug-Kriechmodul [N/mm2]
Beanspruchungsdauer [h]10-1
101
106
102
103
104
10-2 100 101 102 103 104 105
5 [N/mm2]
2 [N/mm2]
Zug-Kriechmodul [N/mm2]
Beanspruchungsdauer [h]10-1
101
106
102
103
104
10-2 100 101 102 103 104 105
2 [N/mm2]
5 [N/mm2]
Zug-Kriechmodul [N/mm2]
Beanspruchungsdauer [h]10-1
101
106
102
103
104
10-2 100 101 102 103 104 105
2 [N/mm2]
5 [N/mm2]
Hostalen GM 5010 T3, 40 °C Hostalen CRP 100, 40 °C
Abb. 2-1: Zug-Kriechmodulkurven von Hostalen GM 5010 T3 und
Hostalen CRP 100, ermittelt bei 23 und 40 °C
Hostalen GM 5010 T3, 23 °C Hostalen CRP 100, 23 °C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 10,5 1,5 2
1021 h 10 103 h
104
105
23°C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 0,5 1 1,5 2
102 1041 h
10 103 105
23°C
Abb. 2-3:
Abb. 2-2:
In gleicher Weise werden Versuche
zur Ermittlung des Kriechmoduls bei
Druckbeanspruchung durchgeführt.
Dabei ergeben sich unter Berücksich-
tigung der Streuung etwa dieselben
Werte wie bei Zugbeanspruchung. Ein
ausführlicher Bericht des Süddeut-
schen Kunststoffinstituts, Würzburg,
zu Langzeitdruckversuchen an Prüf-
körpern aus Hostalen GM 5010 T3
black kann angefordert werden.
Der Kriechmodul kann zur Berech-
nung von Formteilen herangezogen
werden, die über lange Zeiten einer
konstanten Spannung unterliegen.
21
Isochrone Spannungs-Dehnungsdiagramme von Hostalen PP H2150 und Hostalen PP H2250 36 bei 23, 40, 60 und 80 °C
(Zeitstandzugversuch nach ISO 899)
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 0,5 1 1,5 2,5
1021 h
10 103
2
104
105
40°C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 0,5 1 1,5 2,52 3 43,5
102 1041 h
10 103 105
60°C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 1 2 3 54
104
10
1021 h
103
80°C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 10,5 1,5 2,52
1021 h 10
103 h
104
105
40°C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 10,5 1,5 42 2,5 3 3,5
1021 h 10
105
103 h
104
60°C
Spannung [MPa]
Dehnung [%]
6
5
4
3
2
1
00 10,5 1,5 42 2,5 3 3,5
102
1 h
10
104
103 h
80°C
Isochrone Spannungs-Dehnungsdiagramme von Hostalen PP H1022 und Hostalen PP H2222 36 bei 23, 40, 60 und 80 °C
(Zeitstandzugversuch nach ISO 899)
22
2.1.1.2 Zeitstandverhalten bei
mehrachsigem
Spannungszustand
Die wohl wichtigste Eigenschaft von
Kunststoffrohren ist das Zeitstand-
verhalten unter Innendruck, kurz
auch Zeitstand genannt. Es handelt
sich um die Lebenserwartung eines
Rohrs, das unter Innendruck steht.
Dieser erzeugt in der Rohrwandung
einen mehrachsigen Spannungszu-
stand. Die zugehörige Vergleichs-
spannung v ergibt sich aus dem
Innendruck p, dem mittleren Rohr-
durchmesser dm und der Wanddicke
e nach der sog. Rohr- oder Kessel-
formel zu
Die entsprechende Einheiten-
gleichung lautet:
(1 N/mm2 = 1 MPa = 10 bar)
Die Vergleichsspannung entspricht
näherungsweise der Spannung in
Umfangsrichtung an der Rohrinnen-
fläche. Die Spannung in Axialrichtung
ist nur halb so groß wie die in Um-
fangsrichtung. Die Kenntnis der für
den betreffenden Werkstoff zulässi-
gen Spannung bildet unter Verwen-
dung obiger Formel die Grundlage für
die Dimensionierung eines Rohrs
bei gegebenem Innendruck. Die zum
Bruch führende Spannung hängt bei
Kunststoffen von der Beanspruchungs-
Abb. 2-4: Prüffeld für Zeitstandunter-
suchungen an Rohren aus Hostalen.
Die Rohrproben befinden sich in den
Wasserbädern2-3
2-4
Relaxation
Bei der Relaxation wird bei konstan-
ter vorgegebener Verformung ( =
const.) die mit der Zeit abnehmende
Spannung (t) gemessen und hieraus
der
errechnet. Die Messung wird mit ein-
achsiger Zugspannung im Spannungs-
relaxationsversuch, zum Beispiel nach
DIN 53 441, durchgeführt. Es ist dar-
auf hinzuweisen, dass der Wert des
Relaxationsmoduls außer von Tempe-
ratur und Zeit auch von der jeweili-
gen vorgegebenen Dehnung abhängt.
Der Relaxationsmodul kann zur
Berechnung von Formteilen heran-
gezogen werden, die über lange
Zeiten einer konstanten Dehnung
oder Stauchung unterliegen.
2-2
dauer und der Temperatur ab.
Dieses Verhalten wurde in langjähri-
gen Prüfungen untersucht. Die Prü-
fungen wurden an unter Innendruck
stehenden Rohrabschnitten durchge-
führt, um praxisgerecht den Einfluss
der mehrachsigen Dehnung mit zu
erfassen. Die Rohre sind dabei mit
Wasser gefüllt und hängen in einem
Wasserbad (Abb. 2-4) bzw. bei
Prüftemperaturen oberhalb 100 °C
in einem Umluft-Wärmeschrank.
Die Ergebnisse aus diesen Versuchen
werden im doppelt logarithmischen
Maßstab – Prüfspannung über Stand-
zeit – aufgetragen. Die Basell als
Pionier (zuvor die Hoechst AG) auf
diesem Arbeitsgebiet mißt seit 1956
die Zeitstandinnendruckfestigkeit an
ausgewählten Rohren (Abb. 2-5).
23
Abb. 2-5: 1956 eingebaute Rohre in
der Zeitstandmessung
Bei hinreichend langen Prüfzeiten
zeigt die typische Rohrkurve in dieser
Auftragung drei verschiedene Berei-
che oder Stufen (Abb. 2-6). Begin-
nend bei kurzen Standzeiten beob-
achtet man einen flachen, geraden
Ast, an den sich ein gerader, steiler
Ast anschließt. Bei den bimodalen
Hostalen-Werkstoffen wurde dieser
steile Ast auch bei 80 °C und über
20.000 h Prüfdauer nicht gefunden.
Nach sehr langen Standzeiten schließt
sich ein senkrechter, spannungsunab-
hängiger Kurvenast an.
Den drei Kurvenbereichen liegen
unterschiedliche Versagensmecha-
nismen zugrunde (Abb. 2-7).
Im flachen Ast beobachtet man Zäh-
brüche. Dieser Ast markiert also die
Grenzspannung des duktilen Versa-
gens. Die Streckspannung, im Kurz-
zeitzugversuch gemessen, charakteri-
siert die gleiche Materialeigenschaft.
Beide werden beim HDPE durch die
Dichte des Werkstoffs bestimmt.
Abb. 2-6: Einteilung der Rohrkurve nach dem 3-Stufen-Modell. (Abbildung mit
freundlicher Genehmigung der Studsvik Polymer AB)
Abb. 2-7: Qualitative Interpretation der Rohrkurve
Umfangsspannung []
Standzeit [lg t]
duktiler Versagens-mechanismus
spröder Versagens-mechanismus
y
z
x80 °C
20 °C
Prüfspannung
Zeitstandverhalten
I
II
III
Für die Langzeiteigenschaften eines
Rohrmaterials ist die Lage des steilen
Asts entscheidend. Sie wird bestimmt
durch den Widerstand, den das Mate-
rial einer langsamen Rissfortpflanzung
entgegensetzt (zum Mechanismus
siehe Abschnitt 2.2.1.2). Diese auch als
Spannungsrisswiderstand bezeichnete
Materialeigenschaft bestimmt die
Lebens- bzw. Gebrauchsdauer der
Rohrleitung. Der Knickpunkt, der
Übergang zwischen flachem und
steilem Ast, kann, wenn überhaupt,
nur bei hohen Temperaturen und
sehr langen Standzeiten beobachtet
werden. Die praktikable Prüfung des
Zeitstandverhaltens erfolgt aufgrund
von drei exemplarischen, in ISO
1167, Annex, definierten Kontroll-
punkten (Tab. 2-1).
Im dritten, senkrechten Kurvenast
beobachtet man ebenfalls spröde
Brüche. Sie treten auf als Folge des
thermooxidativen Abbaus des Poly-
ethylens, oder anders ausgedrückt
infolge Alterung. Die Mindestwerte
hierfür sind z.B. in DIN 8075 durch
den Endpunkt der steilen Äste (bei
40, 60 und 80 °C) gekennzeichnet.
Da diese Wärmealterung praktisch
spannungsunabhängig ist, lässt sich
in Zeitstanddiagrammen die Grenze
hierfür auch als senkrechte Gerade
darstellen.
Für die bimodalen Werkstoffe Hostalen
CRP 100 und Hostalen GM 5010 T3
wurde bisher nur bei hohen Tempera-
turen und sehr langen Prüfzeiten
sofort der Übergang vom duktilen
Bruch zum Sprödbruch auf Grund
von Alterung beobachtet. Dieses
Verhalten ist durch den sehr hohen
Widerstand der Werkstoffe gegen
langsames Risswachstum begründet.
24
Tab. 2-1: Kontrollpunkte nach ISO 1167.
Anmerkung: Diese Werte finden sich auch in den Mindestkurven
der entsprechenden DIN.
Die ermittelten Prüfzeiten überschrei-
ten die Mindestprüfzeiten nach DIN
8075 deutlich.
Zwischen der Spannung und der
Standzeit ergibt sich also ein gesetz-
mäßiger Zusammenhang, der im
doppelt logarithmischen Maßstab
durch die Geraden der drei Äste ge-
kennzeichnet ist (Abb. 2-8 A). Eben-
falls ein gesetzmäßiger Zusammen-
hang besteht zwischen der Standzeit
und der Temperatur:
In einem so genannten Arrhenius-
Diagramm werden die Kehrwerte der
Messtemperatur (in Kelvin) gegen den
Logarithmus der Standzeit für jeweils
eine bestimmte Vergleichsspannung
aufgetragen (Abb. 2-8 B). Man erhält
gleichfalls Geraden und kann dann
unter Nutzung dieses Zusammen-
hangs auf Grund von Messungen bei
erhöhten Temperaturen (40, 60, 80 °C)
eine Extrapolation der Zeitstand-
festigkeit auf längere Zeiten bei 20 °C
durchführen.
Für kommunale Ver- und Entsorgungs-
leitungen wird von Gemeinden und
Städten üblicherweise eine Betriebs-
zeit von mindestens 50 Jahren ver-
langt, da die jährliche Amortisation
solcher Anlagen 2 % beträgt. Natur-
gemäß liegen aber noch keine Prüf-
resultate über 50 Jahre vor, da es
HDPE bzw. MDPE noch nicht so lange
gibt. Um eine Voraussage über die zu
erwartende Lebensdauer der Rohre
unter Innendruck machen zu können,
nutzt man den zeitraffenden Effekt
von erhöhten Temperaturen. Aus den
Zeitstandprüfungen bei verschiede-
nen Temperaturen und Spannungen
bis zu einem Zeitraum von ca. 10000
h kann dann auf das Langzeitverhal-
ten bei Einsatztemperatur (z.B. 20°C)
geschlossen werden. Die Extrapola-
tionsmethode ist in EN ISO 9080
genormt.
Material/Klasse Temperatur Umfangsspannung Mindeststandzeit
PE 80 20 °C 10,0 MPa 100 h80 °C 4,6 MPa 165 h80 °C 4,0 MPa 1000 h
PE 100 20 °C 12,4 MPa 100 h80 °C 5,5 MPa 165 h80 °C 5,0 MPa 1000 h
PEX 20 °C 12,0 MPa 1 h95 °C 4,8 MPa 1 h95 °C 4,6 MPa 170 h95 °C 4,4 MPa 1000 h
110 °C 2,8 MPa 8000 h
PP-H 100 20 °C 21,0 MPa 1 h95 °C 3,5 MPa 1000 h
110 °C 1,9 MPa 8760 h
PP-B 80 20 °C 16,0 MPa 1 h95 °C 2,6 MPa 1000 h
110 °C 1,4 MPa 8760 h
PP-R 80 20 °C 16,0 MPa 1 h95 °C 3,5 MPa 1000 h
110 °C 1,9 MPa 8760 h
25
Abb. 2-8 A und B: Schematische Zeitstandkurven von HDPE-Rohren (A) und entsprechendes Arrhenius-Diagramm (B)
: v = 4 N/mm2
: v = 7 N/mm2
: v = 1,5 N/mm21,5100
2
3
4
5
6
789
10
15
101 102 103 104 105 106
5010510,5Jahre
40°100
50°
60°
70°
80°
101 102 103 104 105 106
Temperatur
32
31
30
29
28
K-110-4
1
10 °C
20 °C
30 °C
50 °C60 °C70 °C80 °C 40 °C
AVergleichsspannung [N/mm2]
Standzeit [h]
BArrhenius-Diagramm
Standzeit [h]
Um dem unterschiedlichen Leis-
tungsvermögen der verschiedenen
Werkstoffe im Zeitstand Rechnung
zu tragen, wurde das Klassifizie-
rungssystem nach ISO 12 162 ge-
schaffen. Anlass waren die unter-
schiedlichen Eigenschaften der
PE-Typen von LDPE bis HDPE. Das
System ist grundsätzlich für alle
thermoplastischen Werkstoffe für
die Rohrextrusion vorgesehen.
Ausgangspunkt für die Klassifizie-
rung bildet die Messung von Zeit-
standkurven und ihre Auswertung
nach der Standard-Extrapolations-
Methode (SEM) gemäß EN ISO 9080
(Abb. 2-9).
Abb. 2-9: Prinzip der SEM-Extrapolation
ZIVExperimentelle Daten
SEM-ExtrapolationComputer-Modellierung
Parameter für die Gleichunglog (t) = - A - B/T log () + C/T + D log ()
MRS-KlassifikationMaterialkenndaten
Vergleichsspannung [N/mm2]
Standzeit [h]10 1000000
20
1 100 1000 10000 100000
1098765
4
3
2
1
20 °C
40 °C
60 °C80 °C
1 2 5 10 25 50 100Jahre
Vergleichsspannung [N/mm2]
Standzeit [h]10 1000000
20
1 100 1000 10000 100000
1098765
4
3
2
1
20 °C
40 °C
60 °C80 °C
1 2 5 10 25 50 100Jahre
Abb. 2-10: Zeitstand-Mindestkurven für Hostalen GM 5010 T3 black
und Hostalen CRP 100 black
26
Tab. 2-2: Festigkeitsklassen der PE-
Werkstoffe für die Rohrextrusion.
Anmerkung: Der MRS-Wert entspricht
praktisch der Vergleichsspannung (für
20 °C und 50 Jahre) in der Minimum-
Zeitstandkurve der DIN 8075. Für PE 80
ist MRS = v = 8 MPa, für PE 100 ist MRS
= v = 10 MPa.
Hostalen CRP 100 gehört der Klasse
PE 100 an, alle anderen klassifizier-
ten thermoplastischen PE-Typen für
die Rohrextrusion sind in die Klasse
PE 80 eingestuft.
In Abbildung 2-10 sind die aus Mes-
sungen ermittelten Zeitstandkurven
(untere Voraussagegrenze, LPL) für
Hostalen GM 5010 T3 black und
Hostalen CRP 100 black wiedergege-
ben (LPL-Kurven für diese und weitere
PE-Typen auf Anforderung). Durch
Extrapolation lassen sich für 20 °C
und 50 Jahre folgende Vergleichs-
spannungen finden:
Basell bietet die PE-Werkstoffe für die
Rohrextrusion in zwei Festigkeits-
klassen an (Tab. 2-2).
MRS Klasse
10 MPa PE 100
8 MPa PE 80
Die Auswertung ergibt für die Um-
fangsspannung bei 20 °C Betriebs-
temperatur und 50 Jahren Beanspru-
chungsdauer
• den Erwartungswert LTHS (Long
Term Hydrostatic Strength) und
• die 97,5 % untere Voraussage-
grenze LPL (Lower Prediction
Limit).
Dieser LPL-Wert wird nach der Renard-
10-Zahlenreihe (R 10) für Werte < 10
MPa bzw. R 20 für Werte > 10 MPa
kategorisiert. Diese Normzahlenreihe
(ISO 3) ist eine Unterteilung einer
Dekade in 10 bzw. 20 gleiche Teile
in einem logarithmischen Maßstab.
Dabei ergibt sich die (gerundete) Zah-
lenreihe
1 – 1,25 – 1,6 – 2 – 3,2 – 4 – 5 – 6,3 –
8 – 10 – 11,2 – 12,5 – 14 – 16 – usw.
Der errechnete LPL-Wert, z.B. 11,0
MPa bei Hostalen CRP 100 black,
wird dann auf die nächst niedrigere
Renard-Zahl abgestuft. Das Ergebnis
ist die erforderliche Mindestfestigkeit
MRS (Minimum Required Strength),
in unserem Beispiel MRS = 10 MPa.
27
Hostalen GM 5010 T3 black liegt mit
10,7 MPa weit über den Zeitstandan-
forderungen für ein PE 80 (> 8 MPa).
Bei Hostalen CRP 100 black werden
die für ein PE 100 geforderten 10
MPa nach ISO 12 162 deutlich über-
schritten.
An Rohren aus Hostalen GM 5010 T3
black, Hostalen CRP 100 blue und
Hostalen CRP 100 black wurden von
Bodycote Polymer AB umfangreiche
Zeitstandprüfungen durchgeführt.
Auch bei 80 °C traten nach mehr als
2,5 Jahren Prüfzeit noch keine Spröd-
brüche auf. Bodycote Polymer AB
Vergleichsspannung [MPa]
0,1 1 10 102 103 104 105 106
Prüfung nach DIN 16887
3,5
40 °C
10 °C
20 °C30 °C
50 °C
60 °C
70 °C
80 °C
90 °C95 °C
110 °C120 °C
252220181614
12
10987
6
4
3
2,5
2
1,5
1
5
1 5 10 2550 100Standzeit [ Jahre]
Standzeit [h]
10 °C
20 °C
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
70 °C
80 °C
90 °C95 °C
110 °C120 °C
Vergleichsspannung [MPa]
3,5
252220181614
12
10987
6
4
3
2,5
2
1,5
1
5
0,1 1 10 102 103 104 105 106
Standzeit [h]
1 5 10 2550 100Standzeit [ Jahre]
10 °C
20 °C
30 °C
40 °C
50 °C
60 °C
70 °C
80 °C
90 °C95 °C
110 °C
120 °C
Vergleichsspannung [MPa]
0,1 1 10 102 103 104 105 106
3,5
252220181614
12
10987
6
4
3
2,5
2
1,5
1
5
1 5 10 2550 100Standzeit [ Jahre]
Standzeit [h]
Abb. 2-11: Zeitstand-Innendruck-
verhalten von Rohren aus
Hostalen PP H2250 36 (PP-H 100),
Kurven entsprechend DIN 8078
Abb. 2-12: Zeitstand-Innendruck-
verhalten von Rohren aus
Hostalen PP H2222 36 (PP-B 80),
Kurven entsprechend DIN 8078
Abb. 2-13: Zeitstand-Innendruck-
verhalten von Rohren aus
Hostalen PP H5216 34 und
Hostalen PP H5416 (PP-R 80),
Kurven entsprechend DIN 8078
MRS Klasse
10 MPa PP-H 100 Hostalen PP H2250 36
8 MPa PP-B 80 Hostalen PP H2222 36
8 MPa PP-R 80 Hostalen PP H5416
Hostalen PP H5216 34
Tab. 2-3: Klassifizierte PP-Werkstoffe für die Rohrextrusion
ermittelte mit Hilfe der Extrapola-
tionsmethode der ISO/TR 9080 für
alle drei Werkstoffe bei einer Betrieb-
stemperatur von 20 °C bis 40 °C eine
Mindestlebensdauer (Extrapolations-
zeitgrenze) von über 100 Jahren. Für
eine Betriebszeit von 50 Jahren ergab
sich eine zulässige Gebrauchstempe
ratur deutlich über 40 °C (Extrapola-
tionsgrenzen und LPL-Werte auf
Anfrage).
Basell bietet klassifizierte PP-Werk-
stoffe für die Rohrextrusion an
(Tab. 2-3). Die Werkstoffe erfüllen
die Mindestzeitstandkurven der DIN
8078 (Abb. 2-11, 2-12 und 2-13).
10 °C20 °C30 °C40 °C50 °C60 °C70 °C80 °C90 °C95 °C
Vergleichsspannung [MPa]50
40
3025
20
15
1098765
4
32,5
2
1,5
10,90,80,70,60,5
110 °C
1060,1 1 10 102 103 104 105
Standzeit [h]
1 5 10 2550 100Standzeit [ Jahre]
Abb. 2-14: Mindestkurven für die
Innendruck-Zeitstandfestigkeit für
PEX-Rohre nach DIN 16892
2.2 Verhalten bei niedrigen
Prüfgeschwindigkeiten
2.2.1 Unvernetzte Rohre
2.2.1.1 Kurzzeitverhalten bei
geringer Verformungs-
geschwindigkeit
Der Zugversuch zeigt das charakteri-
stische Spannungs-Dehnungs-Dia-
gramm für die sog. Kaltstreckung
eines unverstärkten, teilkristallinen
Kunststoffs: Zunächst steigt die Zug-
spannung bis zur Streckgrenze (yield
point) an. Dann entsteht am Probe-
körper spontan eine Einschnürung
(neck), aus der die Probe flaschen-
halsförmig gestreckt wird. Da die
Spannung beim Zugversuch auf den
Ausgangsquerschnitt bezogen wird
28
2.1.2 Vernetzte PE-Rohre
Die Ermittlung des Zeitstandverhal-
tens von Rohren aus vernetztem
Polyethylen beruht auf den gleichen
Methoden (Retardationsversuch, Re-
laxation, Verhalten unter Innendruck)
wie bei den unvernetzten Rohren
beschrieben. Das Verhalten der ver-
netzten Rohre hängt jedoch wesent-
lich von dem Herstell- und Vernet-
zungsverfahren ab, das der jeweilige
Verarbeiter anwendet.
Nach den gebräuchlichen Verfahren
vernetzte Rohre haben eine hohe
Zeitstandfestigkeit (Abb. 2-14). Sie
zeigen bei üblichen Prüfzeiten beim
Zeitstandverhalten weder einen
steilen Ast (Stufe II) noch einen senk-
rechten, spannungsunabhängigen
Ast (Stufe III). Das bedeutet, dass das
vernetzte Polyethylen einen erhöhten
Widerstand gegen langsame Riss-
fortpflanzung aufweist.
Basell (zuvor die BASF AG) kann als
Pionier auf dem Gebiet der Werkstoffe
für PEX-Rohre auf über 25 Jahre Prüf-
erfahrung zurückgreifen. So befinden
sich noch heute beispielhaft folgende
Rohre in der Zeitstandprüfung:
PEXa-Rohr (Lupolen 5261 Z,
Fa. WIRSBO) mit = 4,0 MPa · 95 °C:
Prüfzeit > 236.000 h
PEXb-Rohr (Lupolen 5031 L Q 449,
Fa. Watts) mit = 4,8 MPa · 95 °C:
Prüfzeit > 112.000 h
Spannung [N/mm2]30
200
100
10
20
0 40
A
60 80
200
100
10
20
30
0 40
B
60 80Dehnung [%]
Abb. 2-15: Spannungs-Dehnungs-Dia-
gramm von Hostalen GM 5010 T3 (A)
und Hostalen CRP 100 (B)
(Gemessen im Zugversuch an Probe-
körper 3, hergestellt aus gepressten
Platten; Prüftemperatur 23 °C, Prüfge-
schwindigkeit 50 mm/min).
29
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Zugspannung [MPa]
10 500 20 30 40Dehnung [%]
80 °C
60 °C
40 °C
23 °C
0 °C
Hostalen PPH2250 36 u. H2150
Prüftemperatur
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Zugspannung [MPa]
10 500 20 30 40Dehnung [%]
Prüftemperatur
80 °C
60 °C
40 °C
23 °C
0 °C
Hostalen PPH1022 u. H2222
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Zugspannung [MPa]
10 500 20 30 40Dehnung [%]
Prüftemperatur
80 °C
60 °C
40 °C
23 °C
0 °C
Hostalen PPH5216 34 u. H5416
Abb. 2-16: Spannungs-Dehnungs-Diagramme von Hostalen PP H2250 36 und H2150, Hostalen PP H1022 und H2222 36,
Hostalen PP H5216 34 und H5416 (Gemessen im Zugversuch nach ISO 527, Zugstab Typ 1A, spritzgegossen)
(und nicht auf den eingeschnürten
Querschnitt), tritt ein scheinbarer
Abfall der Zugspannung auf. Wenn
die Einschnürung bis an die Klemm-
backen der Einspannung gewandert
ist, steigt die Zugspannung durch
weitere Verfestigung bis zum Bruch-
punkt (Reißfestigkeit/Reißdehnung)
wieder an.
Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm
für Hostalen GM 5010 T3 und
Hostalen CRP 100 ist in Abbildung
2-15 dargestellt.
PP-H und PP-B weisen eine höhere
Steifigkeit und Festigkeit auf. Das
PP-Randomcopolymer Hostalen PP
H5216 34 besitzt aufgrund seiner
niedrigeren Kristallinität eine gerin-
gere Steifigkeit und Festigkeit. Die
Abbildung 2-16 zeigt die Spannungs-
Dehnungs-Kurven für verschiedene
Hostalen PP-Typen bei verschiedenen
Temperaturen.
30
Wegen der speziellen Verformungs-
charakteristik eines Polyolefins ist es
empfehlenswert, für die Ermittlung
der Reißdehnung ein Extensiometer
zu benutzen. Eine Auswertung ist
nur möglich, wenn die Einschnürung
beidseitig aus dem Messbereich aus-
gewandert ist. Anwendungstechnisch
nutzbar ist ein Polyolefin nur bis zur
Streckgrenze. Daher sollte auf die
Messung von Reißfestigkeit und
Reißdehnung besser ganz verzichtet
werden.
Das Zug-Dehnungs-Verhalten macht
man sich u. a. beim biaxialen Orien-
tieren von Rohren zunutze, um
höhere Umfangs- und Längsfestig-
keiten zu erreichen.
Die Temperaturabhängigkeit von
Streckspannung, Reißfestigkeit und
Reißdehnung geht für Hostalen GM
5010 T3 aus Abbildung 2-17 hervor.
Das unterschiedliche Steifigkeits-
niveau der verschiedenen PP-Typen
zeigt Abbildung 2-18 anhand des
Zug-E-Moduls über der Temperatur.
Stre
cksp
annung
Temperatur [°C]
100
100
2
4
40
60 80
Rei
ßfe
stig
keit
Rei
ßd
ehnung
200-20
68
101
4
102
68
2
4
103
68
2
R
S
S,
R,
2
Abb. 2-17: Streckspannung, Reißfestig-
keit und Reißdehnung von Hostalen
GM 5010 T3 in Abhängigkeit von der
Temperatur
2.2.1.2 Widerstand gegen
langsames Risswachstum
Den Phänomenen der Zeitstandfestig-
keit und der Kerbunempfindlichkeit
liegt der Prozess des langsamen
Risswachstums zugrunde. Das dabei
beobachtete spröde Versagen wird
durch kleine Fehlstellen oder Kerben
ausgelöst. Eine Temperaturerhöhung
beschleunigt diesen Vorgang. Das
Bruchbild zeigt einen kleinen, in
Rohrlängsrichtung verlaufenden Riss.
Dieser Versagensmechanismus ist
hauptsächlich von den molekularen
Parametern des PE-Typs abhängig,
also von mittlerer Molmasse, Molmas-
senverteilung, Copolymeranteil und
Copolymerverteilung. Als teilkristalli-
ner Kunststoff reagiert Polyethylen
auf die Spannungskonzentration an
der Rissspitze (am Kerbgrund) mit
der Ausbildung einer Crazing-Zone
(Abb. 2-19). Deren Beginn wird als
Nukleierungszone bezeichnet. Die
Crazing-Zone besteht aus hoch orien-
tierten Craze-Fibrillen. Diese Fibrillen
nehmen die Spannung auf und
werden dadurch immer weiter, bis
zum Versagen, verstreckt. Unter
dem Einfluss der erhöhten Spannung
im Kerbgrund bilden sich aus der
Nukleierungszone heraus neue
Craze-Fibrillen, die die Spannung
aufnehmen. Auf diese Weise wandert
der Riss langsam durch das Material.
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
1.000
500
0
Zug-E-Modul [MPa]
Temperatur [°C]10040 60 80200
Hostalen PPH2150 (PP-H)H2250 36 (PP-H 100)
Hostalen PPH1022 (PP-B)H2222 36 (PP-B 80)
Hostalen PPH5416 (PP-R 80)H5216 34 (PP-R 80)
Abb. 2-18: Zug-E-Modul in Abhängig-
keit der Temperatur für verschiedene
PP-Typen (Gemessen im Zugversuch
nach ISO 527, Zugstab Typ 1A,
spritzgegossen)
31
RissCrazing-Zone
Nukleierungs-
zone
Fibrillen
Verstreckung Versagen der
Craze-Fibrillen
schematischer Schadensverlauf
mikroskopisch
Entschlaufung
der Tie-Moleküle
Tie-Molekül
Tie-Molekül
Abb. 2-19: Prozess des langsamen Risswachstums
Auf mikroskopischer Ebene spielen
die so genannten Tie-Moleküle („Ver-
schlaufungsmoleküle“) eine wesentli-
che Rolle, weil sie die kristallinen
Bereiche verknüpfen. Unter der Zug-
beanspruchung entschlaufen sich die
Tie-Moleküle langsam, so dass sich
die kristallinen Bereiche trennen
können.
An Rohren der ersten Werkstoffgene-
ration sind in seltenen Fällen Ausfälle
durch langsam gewachsene Risse als
Folge von Punktbelastungen (z.B.
durch scharfkantige Steine oder
durch Kerben, entstanden beispiels-
weise durch stärkere äußere Beschä-
digungen) bekannt geworden.
In vielen Anwendungsnormen wird
eine Prüfung des Widerstands der
PE-Werkstoffe und PE-Rohre gegen
langsames Risswachstum gefordert
werden.
Notch-Test
Der Notch-Test nach ISO 13479 kann
als eine Variante der Zeitstandprü-
fung betrachtet werden. Im Unter-
schied zum Zeitstand-Innendruckver-
such ist die Fehlstelle durch Kerbung
vorgegeben. Daher lässt sich mit dem
Notch-Test insbesondere die Weiter-
reißfestigkeit beurteilen.
Das Prüfrohr wird an der Außen-
oberfläche in Längsrichtung mit
vier jeweils um 90° am Rohrumfang
versetzten Kerben mit bestimmter
Geometrie (Öffnungswinkel 60°, Kerb-
tiefe = 20 % der Wanddicke) versehen.
Dieses Rohr wird dann im Zeitstand
bei erhöhter Temperatur geprüft. Die
geforderten 165 Stunden Standzeit
im Notch-Test werden von Rohren
aus Hostalen und Lupolen um ein
Vielfaches übertroffen (Tab. 2-4).
Für kleinere Rohrabmessungen wird
häufig der Nachweis nach dem „Cone
Test“, ISO 13380 gefordert.
32
FNCT (Full Notch Creep Test)
Eine elegante Alternative zum Notch-
Test stellen Zugversuche mit gekerb-
ten Probestäben dar. Beispielhaft sei
hier der FNCT (Full Notch Creep Test)
nach ISO/CD 16770 vorgestellt.
Die Prüfanordnung ist die gleiche wie
sie auch für andere Zeitstand-Zugver-
suche, zum Beispiel gemäß der Richt-
linie DVS 2203, Teil 4, herangezogen
wird (Abb. 2-20).
Der Material- und Vorbereitungsauf-
wand ist geringer, da nicht Rohre,
sondern Prüfstäbe aus Pressplatten
benötigt werden (Abb. 2-21). Wenn
der Verarbeitungseinfluss mit erfasst
werden soll, können jedoch auch aus
Rohren gearbeitete Stäbe geprüft
werden. Die Wahl der Prüfbedingun-
gen – erhöhte Temperatur und Netz-
mittellösung – verringert die Prüfzeit
auch bei sehr zähen Werkstoffen
erheblich. Sie beträgt selbst bei den
zähen bimodalen Hostalen Typen nur
noch einige Tage.
Eine bisher kaum beachtete Ursache
für Kerben sind Schweißverbindun-
gen. Beim Verbinden von Rohren
durch Heizelementschweißen treten
auch bei fachgerecht ausgeführter
Schweißnaht an den umgelegten
Schweißwülsten scharfe Kerben und
im Bereich der Schweißnähte zusätz-
liche Spannungen auf.
Neuere Untersuchungen haben ge-
zeigt, dass unterschiedliche HDPE-
Typen gut miteinander verschweißt
werden können, wenn beide Werk-
stoffe eine hohe Weiterreißfestigkeit
aufweisen. Den Nachweis dafür
liefert ein hoher Wert bei der FNCT-
Messung.
Eine Projektgruppe des Deutschen
Instituts für Bautechnik (DIBt) in
Berlin hat FNCT-Mindestanforderun-
gen vorgeschlagen (Tab. 2-5), die in
die Bau- und Prüfgrundsätze von
Behälterwerkstoffen aufgenommen
wurden.
Tab. 2-4: Standzeiten im Notch-Test, Vergleich Normung mit Rohren aus Hostalen
Standzeit
Anforderung nach Hostalen Hostalen
EN 12201-1 GM 5010 T3 CRP 100
PE 80 = 4,0 MPa bei 80 °C > 165 h > 3000 h
PE 100 = 4,6 MPa bei 80 °C > 165 h 1000 h
33
Messuhr
Probekörper
Lasthebel mit Schneidenlagern
Prüfmedien
Medienbehälter Prüf-gewicht
Abb. 2-20: Prüfanordnung für den
FNCT nach ISO 16770
Abb. 2-21: Prüfkörpergeometrie und Prüfbedingungen für den FNCT
Tab. 2-5: FNCT-Mindestanforderungen gemäß DIBt;
Prüfung an Probekörpern, entnommen aus gepreßten Platten
2.2.2 Vernetzte Rohre
Die Ermittlung des Verhaltens ver-
netzter Rohre bei geringen Prüf-
geschwindigkeiten beruht auf den
gleichen Methoden (Zugversuch,
Notch-Test, FNCT) wie bei den unver-
netzten Rohren beschrieben. Durch
das Vernetzen ändern sich jedoch die
mechanischen Eigenschaften: Die
Reißdehnung sinkt. Der Einfluss der
Vernetzung auf den E-Modul sowie
Streckgrenze und Reißfestigkeit sind
abhänging vom Vernetzungsverfah-
ren und von der Prüftemperatur. Fällt
die Dichte auf Grund des Vernetzungs-
prozesses ab (PEXa), sinkt der Wert
für E-Modul und Festigkeit (gemessen
bei RT). Bei unveränderter Dichte,
z.B. bei der Strahlenvernetzung,
ändern sich die Werte für E-Modul
und Festigkeit kaum. Mit steigender
Prüftemperatur verschieben sich die
Relationen zwischen unvernetzten
und vernetzten Prüflingen. Der Abfall
der Werte mit der Temperatur ist im
unvernetzten Zustand höher.
Die Kerb- bzw. Spannungsriss-Un-
empfindlichkeit des vernetzten
PE spiegelt sich auch in den FNCT-
Ergebnissen wider. An gekerbten
Probekörpern, ausgearbeitet aus
PEXa-Rohren basierend auf Lupolen
5261 Z Q 456, werden Standzeiten
bei 95 °C und einer Prüfspannung
von 4,0 MPa von mehr als 6.000
Stunden ermittelt.
FNCT
Full Notch Creep Test
Zeitstandzugversuch Prüfbedingungen:
Probekörper: 110 · 10 · 10 mm
Kerbe: 1,6 mm; umlaufend
= 4,5 MPa
T = 95 °C
2 % Arkopal N 100
M. Fleißner: „Langsames Rißwachstum und Zeitstandfestigkeit von Rohren aus Polyethylen“, Kunststoffe 77 (1987) 45.
HDPE 4 MPa 120 h 30 hPE 80 4 MPa 600 h 100 hPE 100 4 MPa 1900 h 300 h
PP-H 4 MPa 250 hPP-B 3 MPa 250 hPP-R 4 MPa 500 h
Werkstoff Prüfspannung Standzeit bei 80 °C in Wasser
ohne Netzmittel mit Netzmittel2 % Arkopal 100
2.3 Verhalten bei schlagartiger
Beanspruchung
2.3.1 Unvernetzte Rohre
2.3.1.1 Hohe Verformungs-
geschwindigkeit
Über das Zähigkeitsverhalten der
Kunststoffe bei hoher Verformungs-
geschwindigkeit geben zum Beispiel
der Schlag- und der Schlagbiegever-
such Auskunft. Auf die Ergebnisse
dieser Versuche – die Schlag-, Kerb-
schlag und Schlagzugzähigkeit –
haben die Herstellungsbedingungen
der Probekörper wesentlichen Ein-
fluss. Spritzgegossene Probekörper
sind infolge der hohen Abkühlge-
schwindigkeit beim Erstarren weniger
kristallin und daher schlagzäher als
Probekörper aus gepressten Platten.
Die beim Spritzgießen auftretende
Orientierung wirkt sich, je nach Aus-
richtung, ebenfalls aus.
Hostalen und Lupolen besitzen
eine sehr niedrige Glastemperatur,
sie liegt bei -110 bis -120 °C. Daher
weisen beide Werkstoffe auch bei
tiefen Temperaturen eine gute Schlag-
zähigkeit auf. Die Schlagzähigkeit
von Hostalen PP ist niedriger als von
Polyethylen. Die Glastemperatur von
PP-Homopolymer liegt bei ca. 0 °C.
Daraus erklärt sich das starke Absin-
ken der Schlagzähigkeit bei Tempera-
turen um 0 °C für das Homopolymer.
Die Zähigkeit der Hostalen- und
Lupolen- und Hostalen-PP Typen bei
Stoß- und Schlagbeanspruchung
bestimmen mehrere Einflussgrößen
wie Kristallinität (Dichte), Molmasse
und Molmassenverteilung, aber z.B.
auch Art und Anteil von Comonome-
ren oder von Beimischungen. Mit stei-
gender Molmasse und enger werden-
der Molmassenverteilung nimmt die
34
Zähigkeit zu, mit steigender Dichte
nimmt sie ab. Beim PP-Blockcopoly-
meren führt die Elastomer-Phase zu
einer deutlichen Erhöhung der Kälte-
schlagzähigkeit. Mit zunehmendem
Elastomerphasen-Anteil verbessert
sich die Kälteschlagzähigkeit. Gleich-
zeitig verringert sich die Steifigkeit
des Materials. Hostalen PP H2464 und
H2483 verbinden sehr gute Kälte-
schlagzähigkeit mit hoher Steifigkeit.
Abbildung 2-22 zeigt die Temperatur-
abhängigkeit der Kerbschlagzähigkeit
nach ISO 179 (Charpy) der bimodalen
Hostalen-Typen. Die Schlagzähigkeit
und Kerbschlagzähigkeit verschiede-
ner Hostalen PP-Typen sind in Abbil-
dungen 2-23 und 2-24 dargestellt.
Kerbschlagzähigkeit [kJ/m2]
Temperatur [°C]
040
20
30
-40 -20 0 20
CRP 100
10
GM 5010 T3
240
200
160
120
80
40
0
Schlagzähigkeit nach Charpy in [kJ/m2]
Temperatur [°C]-10 0-20-30
Hostalen PPH1022 (PP-B)H2222 36 (PP-B 80)
Hostalen PPH5416 (PP-R 80)H5216 34 (PP-R 80)
Hostalen PPH2150 (PP-H)H2250 36(PP-H 100)
Abb. 2-22: Kerbschlagzähigkeit ACN
von Hostalen GM 5010 T3 und
Hostalen CRP 100 in Abhängigkeit von
der Temperatur (Schlagbiegeversuch
nach Charpy, ISO 179)
Abb. 2-23: Schlagzähigkeit von
verschiedenen Hostalen PP-Typen in
Abhängigkeit von der Temperatur
(Schlagbiegeversuch nach Charpy, ISO
179/1eU, spritzgegossene Probekörper)
80
60
40
20
0
Kerbschlagzähigkeit nach Charpy in [kJ/m2]
Temperatur [°C]-10 0-20-30 10 20 30 40
Hostalen PPH1022 (PP-B)H2222 36 (PP-B)
Hostalen PPH5416 (PP-R)H5216 34 (PP-R)
Hostalen PPH2150 (PP-H)H2250 36 (PP-H)
Abb. 2-24: Kerbschlagzähigkeit von ver-
schiedenen Hostalen PP-Typen in Abhän-
gigkeit von der Temperatur
(Schlagbiegeversuch nach Charpy, ISO
179/1eA, spritzgegossene Probekörper)
35
Full Scale Test
Der Full Scale Test prüft in praxis-
naher, aber sehr aufwendiger Weise
den Widerstand eines Rohrs gegen
schnelle Rissfortpflanzung. Die aus
ISO 13478 entnommene Abbildung
2-25 zeigt die Dimensionen des Prüf-
stands. In einem 14 m langen Test-
rohr wird ein schneller Riss initiiert.
Mit dem Testrohr ist ein in der Regel
50 m langes Stahlrohr als Gasreser-
voir verbunden, das die Verhältnisse
in einem deutlich längeren Rohr
simuliert. Der Riss wird durch eine
scharfe Klinge in dem auf -60 °C
abgekühlten Teil des Prüflings aus-
gelöst und setzt sich in die auf 0 °C
temperierte Kühlstrecke fort. Unter-
halb eines kritischen Drucks endet
die Rissausbreitung innerhalb einer
kurzen Strecke, oberhalb platzt das
Kunststoffrohr auf der gesamten
Länge auf.
S4-Test
Inzwischen wurde ein praktikableres
Prüfverfahren entwickelt, der so
genannte S4-Test (Smale Scale Steady
State Test). Dieser Test ist in den
internationalen Anwendungsnormen
verankert.
Der S4-Test wird gemäß ISO 13 477
folgendermaßen durchgeführt (Abb.
2-26): Ein Rohr von genormter Länge
wird mit konstantem Gasinnendruck
beaufschlagt. In der Nähe eines der
Enden durchschlägt ein Fallbolzen
mit einer Schneide das Rohr, so dass
ein schnell laufender axialer Riss
entsteht. Der Rissauslösungsprozess
soll das Rohr so wenig wie möglich
beschädigen.
Stahltank Splittschüttung
≥ 28 m ≥ 14 m
≥ 2 m
Splitt-schüttung
EndkappeSchneide
pneumatischerFallbolzen
Kühlbecken100 m
Fallbolzen mitSchneide
Spiegel-schweißung(wenn not-wendig)
Abb. 2-25: Prüfanordnung für den Full Scale Test (entnommen aus ISO 13478)
Rissauslösungszone
FallbolzenmitSchneide
Probekörper
Widerlager Dekompressions-PrallscheibenBegrenzungskäfigringe
> dn >
Prüfzone > 5 · dn
dn
Durchmesser
dn
23
Abb. 2-26: Prüfanordnung für den S4-Test
2.3.1.2 Widerstand gegen schnelle
Rissfortpflanzung
Unter schneller Rissfortpflanzung
versteht man folgendes Phänomen:
Ein unter hohem Betriebsdruck befind-
liches Gasrohr wird durch äußere
Gewalteinwirkung beschädigt (z.B.
durch Baumaschinen) oder es liegt
ein spannungsinduzierter Riss vor
(z.B. an einer mangelhaft ausgeführ-
ten Schweißnaht). Dieser Riss kann
sich unter der Wirkung des Innen-
drucks und damit der im Gas gespei-
cherten potentiellen Energie über
längere Strecken mit nahezu Schall-
geschwindigkeit ausbreiten. Dieses
auch unter dem Kürzel RCP (Rapid
Crack Propagation) bekannte Phäno-
men wurde bisher überwiegend bei
Rohrleitungen aus Stahl beobachtet.
Für Gasleitungen aus PE sind in
EN 1555 die maximal zulässigen
Betriebsdrücke so festgelegt, dass
sie unterhalb der kritische Drücke
liegen, die für eine schnelle Riss-
fortpflanzung erforderlich wären.
00 5
Hostalen CRP 100 p[crit] > 25 bar
Hostalen GM 5010 T3 p[crit] = 5,1 bar
20
40
60
80
100
120
10 15 20 25 30
Risslänge [%]
Prüfdruck [bar]
Abb. 2-27: S4-Test, Bestimmung des kritischen Drucks pc
Es wird darauf hingewiesen, dass die
im S4-Test ermittelten Werte für den
kritischen Druck pc von den Abmes-
sungen der Prüfrohre als auch von
Verarbeitungsbedingungen abhängen
und damit keine werkstoffspezifische
Konstante darstellen.
Die modernen bimodalen Hochlei-
stungs-Werkstoffe für die Rohrextru-
sion bieten schon heute beste Vor-
aussetzungen für die Anwendung
in der Gasverteilung, u. a. auch bei
höheren Betriebsdrücken (zum Bei-
spiel 10 bar).
2.3.2 Vernetzte Rohre
Die S4-Prüfung spielt für kleine Rohre
(<250 mm Durchmesser) für die Haus-
installation keine Rolle. Für vernetzte
Rohre mit größerem Durchmesser
liegen wenige veröffentlichte Prüf-
ergebnisse vor. Beispielsweise wird
an PEXa-Rohren ( 110 mm SDR 11,
Hersteller Fa. Wirsbo PEX) selbst bei
-34 °C und 9 bar Innendruck keine
schnelle Rissfortplanzung im S4-Test
beobachtet.
36
Führt man eine Serie von Versuchen
bei unterschiedlichen Drücken zur
Bestimmung des kritischen Drucks
durch, zeigt sich ein scharfer Über-
gang zwischen einem Bereich, in
dem sich der Initialriss nicht oder
wenig ausbreitet (Rissarrest), und
einer ausgedehnten Rissfortpflan-
zung. Von Rissfortpflanzung spricht
man, wenn die Risslänge a ≥ 4,7 · dn
(dn = Nenn-Außendurchmesser) ist.
Der kritische Druck pc,S4 markiert die
Grenze
zwischen dem höchsten Druck
für Rissarrest und dem niedrigsten
Druck für Rissfortpflanzung.
Versuchstechnisch wird ein plötz-
liches Abfallen des Drucks infolge
Rissfortpflanzung verzögert durch
innere Prallscheiben und durch einen
äußeren Käfig, der die Aufweitung
des Rohrs an den Bruchufern be-
grenzt. Diese Anordnung behindert
die normalerweise mit einer schnel-
len Rissfortpflanzung einhergehende
Dekompression. Daher eignet sich
der S4-Test für kleine Probekörper
und ergibt einen niedrigeren kriti-
schen Druck als der Full Scale Test
am gleichen Rohr.
Bei Vergleichsversuchen zwischen
dem praxiskonformen, aber sehr
aufwendigen Full Scale Test und
dem S4-Test hat man für die kriti-
schen Drücke pc empirisch folgenden
Umrechnungsfaktor festgestellt:
Beim Auslegen einer Rohrleitung
muss ein Sicherheitsfaktor berück-
sichtigt werden, der bei Gasleitungen
mindestens 2,4 betragen muss. Der
vorgesehene maximale Betriebsdruck
MOP (Maximum Operating Pressure)
ergibt sich für Gasanwendungen
deshalb zu
Bei der Prüfung von Rohren aus
Hostalen und Lupolen arbeitet die
Basell u. a. mit der Gastec NV, Apel-
doorn/Niederlande, als neutralem
Prüfinstitut zusammen. Die Ergeb-
nisse der bei Gastec durchgeführten
S4-Tests sind in Abbildung 2-27
wiedergegeben.
Die bimodalen Werkstoffe von Basell
erreichen im S4-Test hohe Werte für
den kritischen Druck pc. Er beträgt für
• Hostalen GM 5010 T3 pc ≥ 5 bar,
• Hostalen CRP 100 pc ≥ 25 bar.2-5
2-6
2.4 Wärmeausdehnung und
Wärmeleitfähigkeit
2.4.1 Linearer Wärmeaus-
dehnungskoeffizient
Der lineare Wärmeausdehnungskoef-
fizient von HDPE und PP ist in Abbil-
dung 2-28 wiedergegeben. Bei PEX-
Rohren geht man üblicherweise von
einem mittleren thermischen Längen-
ausdehnungskoeffizienten von 1,5
10-4 K-1 aus, wobei der genaue Wert
sowohl von dem zu betrachtenden
Temperatur-intervall als auch in
gewissem Umfang vom Vernetzungs-
verfahren abhängt.
2.4.2 Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit ist in Abbil-
dung 2-29 wiedergegeben. Oberhalb
des Kristallitschmelzpunkts, d. h.
in der Schmelze, ist sie nahezu un-
abhängig von der Temperatur. Die
Wärmeleitfähigkeit von Polypropylen
beträgt bei Raumtemperatur nur die
Hälfte von Polyethylen. Auch bei
höheren Temperaturen ist sie deut-
lich niedriger.
2.5 Chemikalienbeständigkeit
Die zur Familie der Polyolefine ge-
hörenden Werkstoffe weisen auf-
grund ihrer unpolaren Struktur eine
ausgezeichnete Beständigkeit gegen-
über Chemikalien und anderen Medien
verschiedenster Art und Zusammen-
setzung auf. So widerstehen Hostalen,
Lupolen und Hostalen PP wässrigen
Lösungen von Salzen, verdünnten
Säuren und Laugen. Elektrochemische
Vorgänge, die bei Metallen zu Korro-
sion führen können, finden nicht statt.
Lediglich starke Oxidationsmittel
wie Peroxide und Säuren in hoher
Konzentration sowie Halogene, zum
Beispiel Chlor, greifen PE bei Dauer-
einwirkung im Laufe der Zeit an.
Die gute chemische Beständigkeit
schließt nicht aus, dass unter
bestimmten Voraussetzungen die
mechanischen Eigenschaften von
Polyethylen und Polypropylen durch
Chemikalien beeinflusst werden
können. Dabei muss zwischen chemi-
schen Reaktionen und physikalischen
Wechselwirkungen unterschieden
werden. Chemische Reaktionen ver-
ändern die Struktur und vermindern
mechanische Eigenschaften wie Festig-
keit und Zähigkeit. Physikalische
Wechselwirkungen sind im Wesentlichen
Quellungs- und Permeationsvorgänge
sowie durch Netzmitteleinfluss
ausgelöste Spannungsrissbildung.
37
Bei der Beurteilung der Haltbarkeit
und Lebensdauer von Rohrleitungen
und anderen Bauteilen ist die Frage
wichtig, ob und in welchem Umfang
chemische und mechanische Bela-
stungen gemeinsam auftreten und
erst im Zusammenwirken Schäden
verursachen.
Herstellungsbedingte Eigenspannun-
gen und beanspruchungsabhängige
Spannungen können ebenso wie
höhere Temperaturen die Beständig-
keit wesentlich beeinträchtigen.
So kann das Zusammenwirken von
mechanischer Spannung und Wasch-
lauge oder anderer Netzmittel zu
Spannnungsrissbildung führen.
Der Immersionsversuch gemäß ISO
4433 ermittelt die chemische Wider-
standsfähigkeit von Polyolefin-Rohren
gegen chemische Durchflussstoffe.
Ergebnisse von Immersionsversuchen
sind in folgenden Basell-Broschüren
zusammengestellt:
„Polyethylene –
Resistance to chemicals and other
media“
„Polypropylene –
Chemical Resistance“.
(Diese Broschüren sind
nur in Englisch erhältlich)
Linearer Ausdehnungskoeffizient [10-4 K-1]
Temperatur [°C]
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
1,0800 20 30 40 50 60 70
Hostalen HDPE
Hostalen PP
Abb. 2-28: Linearer Ausdehnungs-
koeffizient von Hostalen und Hostalen PP
in Abhängigkeit von der Temperatur
Wärmeleitfähigkeit [ Wm. K
]
Temperatur [°C]
0,5
0,4
0,3
0,2
0,12500 50 100 150 200
Hostalen HDPE
Hostalen PPHomopolymer
Abb. 2-29: Wärmeleitfähigkeit von
Hostalen HDPE und Hostalen PP in
Abhängigkeit von der Temperatur
Zeitstand-Innendruckversuche zur
Ermittlung von Resistenzfaktoren
Für den Konstrukteur sind die Anga-
ben zur Beständigkeit von Polyethy-
len in Immersionsversuchen meist
nicht ausreichend. Er benötigt eine
Dimensionierungsgröße, die den
Einfluss des Mediums quantifiziert.
Diese Forderung erfüllt der sog.
chemische Resistenzfaktor fCR, den
man aus Zeitstand-Innendruckver-
suchen an Rohrproben mit Medium-
füllung erhält. Grundlage für die
Bestimmung des Resistenzfaktors
sind die Zeitstandkurven für Rohre
bei Beanspruchung mit Wasser
(siehe Abschnitt 2.1.1.2).
Wie in Abschnitt 2.1.1.2 detailliert
erläutert, bestehen bei HDPE die
Zeitstandkurven aus einem flachen
und einem steileren Kurvenast. Für
die chemische Beständigkeit ist nur
der steile Ast der Zeitstandkurve
von Bedeutung, da nur dieser durch
Chemikalien beeinflusst wird.
Die Prüfung mit Medium erfolgt –
analog zum Zeitstand-Innendruck-
versuch mit Wasser – bei erhöhter
Prüftemperatur (z.B. 80 °C) und bei
mindestens zwei Spannungen. Eine
ausführliche Beschreibung der Prüf-
methode enthält DIN 16 889 Teil 1.
Durch Vergleich der bei diesen Ver-
suchen erhaltenen Zeitstandkurven
für das betreffende Medium mit den
in Wasser gemessenen Kurven des
gleichen Rohrs ergeben sich zeit- bzw.
spannungsbezogene Resistenzfakto-
ren, wie die schematische Darstellung
in Abbildung 2-30 zeigt. Im doppelt
logarithmischen Maßstab ist die
Spannung über der Zeit t aufgetra-
gen.
Der zeitbezogene Resistenzfaktor fCRt
ist das Verhältnis zweier Standzeiten
bei gleicher Spannung
Der für Festigkeitsrechnung benö-
tigte spannungsbezogene Resistenz-
faktor fCR ist das Verhältnis der
beiden Spannungswerte bei gleicher
Standzeit
In den Gleichungen bedeuten
tM Standzeit bei
Mediumeinwirkung,
tW Standzeit in Wasser,
M Spannung bei
Mediumeinwirkung
W Spannung in Wasser.
Für Medien, bei denen die Zeitstand-
kurven flacher oder steiler als in
Wasser verlaufen, sind die Resistenz-
faktoren spannungsabhängig.
In der Vergangenheit wurde ange-
nommen, dass der Resistenzfaktor
eines bestimmten Mediums für alle
Temperaturen gleich ist. Versuchs-
ergebnisse bei 60, 40 und 20 °C
bestätigen für die meisten Medien
diese Annahme. Einige oxidierende
Medien ergaben jedoch mit abneh-
mender Prüftemperatur kleinere Re-
sistenzfaktoren. Die größte Änderung
der Resistenzfaktoren zwischen
80 und 20 °C wurden bei 20 %iger
Chromsäure und 98 %iger Essigsäure
festgestellt. Hierbei betragen die
Resistenzfaktoren für 20 °C etwa 1/3
des 80 °C-Werts.
Die Berechnung der Wanddicke von
runden Behältern unter Berücksichti-
gung der für die jeweiligen Lager-
bzw. Transportmedien vorliegenden
Resistenzfaktoren kann dem Merkblatt
des Deutschen Vereins für Schweiß-
technik e. V. DVS 2205 entnommen
werden. Sie ist in gleicher Weise auch
für Rohrleitungen anwendbar.
2.6 Lebensmittelrechtliche
Beurteilung/Ausschluß von
medizinischen und pharma-
zeutischen Anwendungen
Die Kommission der Europäischen
Union arbeitet seit einigen Jahren an
Richtlinien zur Harmonisierung der
vielfältigen gesetzlichen Regelungen
der Mitgliedsstaaten für den Kontakt
von Kunststoffen mit Lebensmitteln.
Diese Richtlinien sind von den
Mitgliedsstaaten verbindlich zu
übernehmen. Sie ersetzen die einzel-
staatlichen Regelungen.
Für Rohrwerkstoffe im Kontakt mit
Trinkwasser wird zur Zeit auf euro-
päischer Ebene ein einheitliches
Zulassungssystem erarbeitet, das
„European Acceptance Scheme“ (EAS).
Das EAS soll die bisherigen nationalen
Zulassungssysteme ersetzen.
In den meisten Fällen eignen sich
Rohre und Behälter aus Basell-Werk-
stoffen für Lebensmittel. Ausnahmen
sind z.B. Gasrohre, Rohre mit erhöhter
elektrischer Leitfähigkeit und schwer-
38
log
log t
tM
Wasser
Medium
tW
M
W
Spannungsfaktor fCR=
Zeitfaktor fCRt=tM
tW
W
M
Abb. 2-30: Schematische Darstellung
zur Ermittlung von Resistenzfaktoren
2-7
2-8
39
Den errechneten Verlust haben praxis-
nahe Messungen des ehemaligen
Engler-Bunte-Instituts der Universität
Karlsruhe an PE-Gasrohren bestätigt.
Er ist ökonomisch, sicherheitstechnisch
und ökologisch völlig unbedenklich.
Da Erdgas zu 80 bis 90 % aus Methan
besteht und auch die übrigen Bestand-
teile einen ähnlichen Permeations-
koeffizienten haben, kann man sich
bei einer überschlägigen Permeations-
rechnung für Gasrohre auf Methan
beschränken. Nach obiger Formel ist
für alle Rohre der gleichen Druckklasse
die Permeation pro Längeneinheit
gleich, da die Rohre ein konstantes
Durchmesser-Wanddicken-Verhältnis
haben.
Der Permeationskoeffizient P hängt
von der Art des Gases und des Kunst-
stoffs sowie von der Temperatur ab.
Bei Polyethylen geht auch die Dichte
ein. In den Tabellen 2-6 und 2-7 sind
für HDPE- und PP-Werkstoffe einsetz-
bare Mittelwerte angegeben.
Am Beispiel von Methan ergibt sich
folgender Gasverlust:
Ein PE-Rohr der Reihe SDR 11 hat
bei einem Betriebsdruck von 4 bar
Überdruck (d. h. 5 bar Partialdruck)
demnach einen jährlichen Permea-
tionsverlust pro km Länge von
entflammbar ausgerüstete Materialien.
Zu jedem Hostalen-, Lupolen- und
Hostalen PP-Produkt gibt es lebens-
mittelrechtliche Bestätigungen, die
auf Anfrage erhältlich sind.
Rohre aus Hostalen GM 5010 T3 black
und Hostalen CRP 100 black eignen
sich zum Transport von Mineralwas-
ser. Eine geschmackliche Beeinflus-
sung findet nicht statt („Erweiterte
Qualitätsprüfung auf Mineralwasser-
verträglichkeit“ Institut Fresenius,
Taunusstein).
Die Basell-Rohrwerkstoffe sind nicht
für den Einsatz im medizinischen und
pharmazeutischen Bereich vorgese-
hen, bei dem sie z.B. in direkten Kon-
takt mit Medikamenten oder Körper-
flüssigkeiten kommen.
Bestätigungen nach Europäischer
Pharmacopeia (EP) und US Pharmaco-
peia (USP) werden nicht ausgestellt.
2.7 Gasdurchlässigkeit
Die Permeation von Gasen durch
Wände aus Kunststoff folgt dem
1. Fickschen Gesetz, das auf Rohre
bezogen lautet:
Darin bedeuten
V permeiertes Gasvolumen
[cm3 (NTP*)],
P Permeationskoeffizient
[cm3 (NTP*)/m · bar · Tag],
de Außendurchmesser des
Rohrs [mm],
L Länge des Rohrs [m],
p Partialdruck des Gases im
Rohr [bar],
t Zeit [Tage],
e Wanddicke des Rohrs [mm].
*NTP: Volumen bezogen auf Normaltemperatur (= 23 °C) und Normaldruck (= 1 bar)
Tab. 2-6: Permeationskoeffizienten für
HDPE-Rohre bei 20 °C
Medium
Stickstoff 0,018
Luft 0,029
Kohlenmonoxid 0,036
Erdgas 0,056
Methan 0,056
Argon 0,066
Sauerstoff 0,072
Ethan 0,089
Helium 0,15
Wasserstoff 0,22
Kohlendioxid 0,28
Schwefeldioxid 0,43
Temperatur
Medium 25 °C 30 °C 40 °C 50 °C
Luft 0,028 0,038 0,072 0,144
Stickstoff 0,017 0,024 0,052 0,104
Sauerstoff 0,76 0,1 0,204 0,368
Kohlendioxid 0,244 0,336 0,6 1,08
Wasserstoff 0,64 0,72 1,12 1,88
Helium 0,7 0,88 1,2 1,76
Argon 0,66 0,84 0,164 0,32
2-9
2-10
Tab. 2-7: Permeationskoeffizienten für Polypropylen bei
verschiedenen Temperaturen
cm3
m · bar · TagP
cm3
m · bar · TagP
103220. Der hohe Rußgehalt dieser
Typen bewirkt einen guten Witterungs-
schutz und hat sich in vielen Anwen-
dungen im Außeneinsatz wie z.B.
für Solarabsorberrohre und Fittings
für die Bewässerung seit mehr als
25 Jahren bewährt.
Freibewitterungsversuche wurden in
Frankfurt und Barcelona durchgeführt
und nach 5 Jahren abgebrochen. An
beiden Standorten war die Schlagzug-
zähigkeit von Hostalen PP H4122
103220 nach 5 Jahren noch nicht auf
die Hälfte abgefallen. Das gleiche
Ergebnis wurde im Bewitterungstest
(Xenontest X1200) nach 8000 h
künstlicher Bewitterung erzielt. In
Australien wurden Bewitterungstests
bis 7 Jahre positiv durchgeführt.
Rohre aus Hostalen PP-Typen ohne
Lichtstabilisierung sollten bei
längerer Lagerung im Freien gegen
UV-Strahlung geschützt werden.
2.9 Strahlenbeständigkeit
Aus Hostalen und Lupolen können
Rohre hergestellt werden, die ener-
giereicher Strahlung ausgesetzt sind.
Kunden berichten, dass sich die
Rohre seit vielen Jahren zur Ableitung
radioaktiver Abwässer aus „heißen“
Laboratorien und als Kühlwasserlei-
tungen in der Kernenergietechnik
bewährt haben. Die üblichen schwach
radioaktiven Abwässer enthalten
Beta- und Gammastrahler. Polyethylen
wird selbst bei jahrelangem Einsatz
nicht radioaktiv. Auch von höheren
Aktivitäten wird Polyethylen nicht
geschädigt, wenn es während der
gesamten Betriebszeit keine größere,
gleichmäßig verteilte Strahlendosis
als 10 kGy erhält.
2.8 Licht- und
Witterungsstabilität
Bei längerer Lagerung im Freien
können Polyolefine wie die meisten
Natur- und Kunststoffe unter der Ein-
wirkung von Witterungseinflüssen,
insbesondere durch kurzwellige UV-
Anteile des Sonnenlichts unter Beteili-
gung des Luftsauerstoffs, geschädigt
werden.
Gegen diese Einflüsse sind Hostalen
GM 9310 C black und Hostalen CRP
100 black durch Zusatz von Ruß
geschützt. Außerdem sind den Mate-
rialien Stabilisatoren beigegeben,
die einer etwaigen Wärmealterung
entgegenwirken.
Wegen des Rußgehalts (≥2,0 %) als
wirksamstem Schutz gegen UV-Licht
sind die genannten Werkstoffe der
Basell schwarz. Es kann deshalb
davon ausgegangen werden, dass
Rohre aus diesen Werkstoffen für
längere Zeit im Freien gelagert
werden können.
Abbildung 2-31 zeigt die Ergebnisse
von Zeitstandmessungen an Rohren
aus schwarzen Hostalen-Typen, nach-
dem sie bis zu 18 Jahren im Freien
lagerten und dem direkten Sonnen-
licht ausgesetzt waren (mittlere UV-
Einstrahlung und mittlere Jahrestempe-
ratur im Raum Frankfurt). Bei den
Zeitstandprüfungen gemäß ISO 1167
konnte im Vergleich zu den unbewit-
terten Rohren keine nennswerte
Abweichung bei der Zeitstandinnen-
druckfestigkeit festgestellt werden.
Für Gasrohre wird teilweise auch
die gelbe Type Hostalen CRP 101
orange-yellow und für Trinkwasser-
rohre die blaue Type Hostalen CRP
100 blue eingesetzt. Beide Typen
sind mit einer Lichtstabilisierung
ausgerüstet. Das gleiche gilt für
die speziellen Hostalen- und Lupolen-
Werkstoffe für Markierungsstreifen.
Die CEN- und ISO-Rohrnormung fordert
eine Bestrahlung von 3,5 GJ/m2 – dies
entspricht einer durchschnittlichen
einjährigen Bewitterung in mittel-
europäischem Klima – mit definierter
Prüfung (Reißdehnung, OIT, Zeitstand).
Diese Forderungen werden von
Rohren aus Hostalen- und Lupolen-
Werkstoffen, die für die Rohrextrusion
entwickelt wurden, erfüllt.
Die Hostalen PP-Typen besitzen keine
Lichtstabilisierung mit Ausnahme der
schwarz eingefärbten Typen Hostalen
PP H1022 12 und Hostalen PP H4122
40
Standzeit [%] des Ausgangswertes
Lagerungsdauer [Jahre] in mitteleuropäischem Klima
1.000
180 5 10 15
Regressionsgerade
10
100
Abb. 2-31: Zeitstandverhalten von Rohren aus schwarzen Hostalen-Typen nach
Lagerung im Freien (mittlere UV-Einstrahlung und mittlere Jahrestemperatur im
Raum Frankfurt)
41
Hostalen PP kann bei großer Wand-
dicke und geringer Beanspruchung
ebenfalls einer gleichmäßig verteilten
Bestrahlungsdosis bis zu 10 kGy aus-
gesetzt werden.
Bei kleinen Wanddicken bzw. größerer
Beanspruchung wie z.B. bei Druck-
rohren reduziert sich dieser Wert auf
ca. 1kGy.
2.10 Verhalten gegenüber
Mikroorganismen,
Nagetiere und Termiten
Aus Untersuchungen der Verhaltens-
forschung geht hervor, dass Nagetiere,
aber auch nagende Insekten wie
Termiten die Gebissfunktion durch
Benagen von Gegenständen erhalten.
Dies gilt auch für Stoffe, die nicht als
Nahrung verwertet werden können,
wie Holz, weiche Metalle und Kunst-
stoffe. Die eventuell an Kunststofftei-
len festgestellten Nagespuren müssen
in diesem Sinne gedeutet werden.
Bei Rohren aus Kunststoff bietet die
glatte Oberfläche den Zähnen norma-
lerweise nicht genügend Widerstand,
um Beschädigungen zu bewirken. Aus
termitenreichen Gegenden Australiens
wurden einzelne Insektenangriffe
auf HDPE-Rohre berichtet. Wegen der
Seltenheit der involvierten Insekten
konnte jedoch von einer akuten
Gefährdung dort nicht ausgegangen
werden. In termitengefährdeten Län-
dern Afrikas sind bisher keinerlei
Schäden durch Termiten an Rohrlei-
tungen aus PE bekannt geworden.
Generell weisen Rohre aus HDPE und
MDPE einen hohen Widerstand gegen
den Angriff von nagenden Insekten
auf.
Materialzusätze, die das Annagen
reduzieren oder ganz verhindern
können, sind nicht bekannt.
PE und PP dienen Mikroorganismen
wie z.B. Bakterien, Pilzen und Sporen
nicht als Nährboden und werden
von diesen auch nicht angegriffen.
Bei Temperaturen über 300 °C kommt
es zur allmählichen thermischen Zer-
setzung der Polypropylenschmelze,
aus der sich brennbare Gase ent-
wickeln. Polypropylen entzündet
sich bei Flammeneinwirkung, brennt
mit schwach leuchtender Flamme
ohne nennenswerte Rauchentwik-
klung auch nach Wegnahme der
Zündquelle weiter. Dabei kann Poly-
merschmelze brennend abtropfen.
Nach ASTM D 1929-77 beträgt
die Selbstentzündungstemperatur
360 °C und die Fremdentzündungs-
temperatur 330 °C.
Polypropylen verbrennt bei aus-
reichender Luftzufuhr hauptsächlich
zu Kohlendioxid und Wasser, den
natürlichen Bestandteilen der Luft.
Bei nicht ausreichender Luftzufuhr
entstehen Kohlenmonoxid (CO) und
in geringen Spuren eine Vielzahl von
organischen Verbindungen. Es sind
aber keine Stoffe darunter, die die
Toxizität üblicher Brandgase erhöhen
würden. Die thermischen Zersetzungs-
produkte sind auch bei unvollständi-
ger Verbrennung weniger toxisch
zu beurteilen, als die unter gleichen
Bedingungen aus Holz gebildeten.
Die Brandgase haben keine beson-
dere Korrosivität.
Der Sauerstoff-Index von Polypropylen
ohne flammhemmende Ausrüstung
liegt bei ca. 18 % (Prüfung nach
ASTM D 2863 / ISO 4589).
Der Heizwert von Polyethylen und
Polypropylen beträgt 46 MJ/kg bzw.
12,8 kWh/kg. Sein Energieinhalt ent-
spricht also circa dem von Heizöl.
Sie sind für Mikroorganismen undurch-
dringlich.
Werkstoffe, die mit Trinkwasser in
Berührung sind, dürfen nicht zu einer
verstärkten Vermehrung von Mikro-
organismen führen. Die Prüfung er-
folgt in Deutschland nach dem DVGW-
Arbeitsblatt W270: „Vermehrung von
Mikroorganismen auf Werkstoffen für
den Trinkwasserbereich-Prüfung und
Bewertung“.
Bei Prüfungen von Hostalen-, Hostalen
PP- und Lupolen-Typen nach W270
wurde kein vermehrter Oberflächen-
bewuchs auf den Probeplatten fest-
gestellt.
Sulfatreduzierende Bakterien im Erd-
boden bleiben auf Rohre aus Hostalen,
Hostalen PP und Lupolen ohne Einfluss,
da die Werkstoffe gegen schwefelige
Säure und Sulfate beständig sind.
2.11 Verhalten bei
Flammeneinwirkung
Polyethylen ist normal entflammbar
(Baustoffklasse B2 nach DIN 4102).
Nach UL 94 wird es nach HB einge-
stuft (horizontal burning). Es ent-
zündet sich bei Flammeneinwirkung,
brennt mit schwach leuchtender
Flamme auch außerhalb der Zünd-
quelle weiter und tropft brennend ab.
Dabei entstehen die bei Kohlenwasser-
stoffen üblichen Verbrennungspro-
dukte CO, CO2 und Wasser. Korrosive
oder die Umwelt schädigende
Zwischenprodukte oder Rückstände
treten nicht auf. Nach ASTM D 1929
beträgt die Selbstentzündungstem-
peratur 348 °C, die Fremdentzünd-
ungstemperatur 340 °C.
Polypropylen ohne flammhemmende
Ausrüstung ist nach DIN 4102 Teil 1
(Brandverhalten von Baustoffen und
Bauteilen) in die Klasse B2 als normal-
entflammbarer Baustoff eingestuft.
Nach UL 94 wird die Brandklasse UL
94 HB erreicht.
3.1 Verarbeitungseigenschaften
3.1.1 Fließverhalten
Für die Verarbeitbarkeit von Kunst-
stoffschmelzen ist das Fließverhalten
von entscheidender Bedeutung. Bei
der Rohrextrusion wird die Schmelze
der hochmolekularen Polyolefine vor-
wiegend auf Scherung beansprucht.
Für die Auslegung von Extruder und
Werkzeug wird die Viskositätsfunk-
tion benötigt. Sie beschreibt den Ver-
lauf der Viskosität bei Scherung mit
zunehmender Schergeschwindigkeit .
Scherung bedeutet, dass ein würfel-
förmiges Volumenelement der
Schmelze durch eine Kraft deformiert
wird, die in der oberen Würfelfläche
angreift (Abb. 3-1).
Die Kraft ruft in der Fläche eine Schub-
spannung hervor.
Herstellung unvernetzter Rohre
Polyethylen und Polypropylen sind viskoelastische Werkstoffe.
42
Die Schergeschwindigkeit ist der Quo-
tient aus der Geschwindigkeit dv, mit
der eine innere Schicht gegenüber
einer äußeren fließt, und dem Abstand
dx der beiden Schichten. Eine Scher-
geschwindigkeit von 1 s-1 bedeutet,
dass z.B. eine Schicht, die 1 cm
von der Wand entfernt ist, mit einer
Geschwindigkeit von 1 cm/s fließt.
Die Deformation ist dadurch gekenn-
zeichnet, dass sich z.B. die Ecke A
des Würfels um die Wegstrecke ds
nach A' verschiebt. Die Scherung
ist der Quotient aus Verschiebung ds
und dem Abstand dx der beiden
Schichten:
Um einen Fließvorgang aufrecht zu
erhalten, muss ständig eine Kraft
angreifen, die die Scherung vergrö-
ßert. Die zeitliche Änderung der
Scherung wird als Schergeschwindig-
keit bezeichnet:
Abb. 3-1: Theorie der Scherung
ds
B
dx
sA
A’
F q
3-1
3-2
3-3
Grundsätzliche Informationen zum
Fließverhalten von Polyethylen
enthält zusätzlich die allgemeine
Produktbroschüre „Polyethylen“
der Basell.
Bei vorgegebener Geometrie einer
Extrusionsdüse kann mit Hilfe des
sich einstellenden Drucks die Schub-
spannung und aus dem Volumen-
durchsatz die Schergeschwindigkeit
berechnet werden.
Die Viskositätsfunktion wird mit
Kapillar-Rheometern ermittelt. Dabei
unterscheidet man zwei Messmetho-
den. Bei der diskontinuierlichen
Methode wird der Druck mit Hilfe
eines Kolbens aufgebracht (Hoch-
druckkapillar-Rheometer). Bei der
kontinuierlichen Methode wird die
Schmelze in einem Extruder aufbe-
reitet und der Messdüse stetig zu-
geführt (Konti-Rheometer). Sie bietet
den Vorteil, dass sie auch den Ein-
fluss der Verarbeitungsbedingungen
auf das Fließverhalten erfasst.
Die Messgrößen sind der Volumen-
durchsatz Q und der Druck p bzw.
der Druckgradient p, aus denen
die Schubspannung und die Scher-
geschwindigkeit abgeleitet werden.
Berücksichtigt man durch entspre-
chende Korrekturen (Bagley, Rabino-
witsch) die Einlaufdruckverluste
sowie die Tatsache, dass Kunststoff-
schmelzen keine Newtonschen Flüs-
sigkeiten sind, so erhält man anstelle
der scheinbaren Größen ap und ap
(ap von engl. apparent = scheinbar)
direkt die wahren Größen und .
Die graphische Darstellung der bei-
den Größen im halben oder doppelt
logarithmischen Maßstab wird als
Fließkurve bezeichnet.
Die Viskosität ist als Quotient
aus der Schubspannung und der
Schergeschwindigkeit definiert:
Die graphische Darstellung der
Viskosität in Abhängigkeit von der
Schergeschwindigkeit oder Schub-
spannung ergibt die Viskositätskurve.
Die Abbildung 3-2 enthält die mit
einem Hochdruckkapillar-Rheometer
ermittelten Fließkurven für Hostalen
GM 5010 T3 black und Hostalen CRP
100 black. Zu erwähnen ist dabei
noch, dass die mit dem Konti-Rheo-
meter gemessenen Fließkurven oft
die für hochmolekulare HDPE-Typen
charakteristischen drei Bereiche auf-
weisen: Ein erster stetiger Verlauf für
niedrige /-Wertepaare, gefolgt von
einem instabilen Bereich mit Fließ-
störungen, in dem keine feste /-
Zuordnung möglich ist. Bei noch
höheren Wertepaaren wird die Fließ-
kurve dann wieder stetig.
43
Abb. 3-2: Fließkurven von Hostalen GM 5010 T3 black und Hostalen CRP 100 black,
ermittelt im Hochdruckkapillar-Rheometer bei 200, 230 und 260 °C
Wahre Schubspannung [MPa]
104
0,40,3
Wahre Schergeschwindigkeit [s-1]
0,20,10
200 °C
230 °C
260 °C
103
102
101
100
Wahre Schubspannung [MPa]
104
0,40,3
Wahre Schergeschwindigkeit [s-1]
0,20,10
103
102
101
100
200 °C
230 °C
260 °C
3-4
Ursache dafür ist, dass das Fließver-
halten im unteren stabilen Bereich
vorwiegend durch Wandhaftung be-
stimmt wird, während in dem oberen
stabilen Bereich Gleitvorgänge als
Folge einer orientierten Randzone
überwiegen und im Übergangsbe-
reich durch einen ständigen Wechsel
von Wandhaftung und Gleiten ein
instabiler Zustand vorliegt.
Die Hostalen PP-Typen haben im
allgemeinen eine etwas niedrigere
Viskosität als die Hostalen-Typen.
Die Abbildung 3-3 zeigt beispielhaft
die Viskositätskurven von Hostalen PP
H2150.
Die häufigste Methode zur Charakteri-
sierung des Fließverhaltens von Kunst-
stoffschmelzen ist, den Schmelzindex
MFR (melt flow ratio) nach ISO 1133
zu messen. Hierbei befindet sich die
– bei HDPE auf 190 °C – aufgeheizte
Schmelze in einem Zylinder mit dem
Durchmesser DZ = 9,5 mm. Sie wird
mittels des Kolbens, der mit einem
Gewicht G (2,16 oder 5 oder 21,6 kg)
belastet ist, durch eine Runddüse mit
dem Durchmesser D = 2,095 mm
und der Länge L = 8 mm ausgetrieben.
Die dabei auftretende Schubspannung
lässt sich gemäß
mit dem Druck
berechnen.
44
über die Steigung der Fließkurve und
damit über die Molmassenverteilung
aus. Je höher der Quotient, desto
breiter die Molmassenverteilung.
3.1.2 Wärmekapazität, Enthalpie
und Energiebedarf
beim Plastifizieren
3.1.2.1 Spezifische Wärmekapazität
Abbildung 3-4 zeigt die Temperaturab-
hängigkeit der spezifischen Wärmeka-
pazität für HDPE und PP. Der Schmelz-
bereich ist – wie bei allen teilkristalli-
nen Kunststoffen – durch ein ausge-
prägtes Maximum der spezifischen
Wärmekapazität gekennzeichnet. Die-
ses Maximum liegt bei um so höherer
Temperatur und ist um so schärfer
ausgeprägt, je höher der Kristallini-
tätsgrad und damit die Dichte ist.
Die spezifische Wärmekapazität der
Schmelze ist nahezu unabhängig
von der Temperatur und für alle
Polyolefin-Typen weitgehend gleich.
Hieraus ergeben sich die folgenden
Schubspannungen:
• MFR bei 2,16 kg:
= 0,20 · 105 Pa = 0,020 N/mm2
• MFR bei 5 kg:
= 0,46 · 105 Pa = 0,046 N/mm2
• MFR bei 21,6 kg:
= 2,00 · 105 Pa = 0,200 N/mm2
Aus dem gemessenen Schmelzindex
MFR oder aus dem Volumen-Fließindex
MVR und der Dichte der Schmelze*
( = 0,76 g/cm3 für HDPE bei 190 °C)
kann man die Schergeschwindigkeit
berechnen gemäß:
Demnach entspricht einem MFR = 1
g/10 min eine Schergeschwindigkeit
= 2,4 s-1.
Misst man zwei Schmelzindizes, bei-
spielsweise MFR 190/21,6 und MFR
190/5, so sagt deren Quotient etwas
Spezifische Wärmekapazität [ ]
Temperatur [°C]
8
7
6
5
4
3
2
1
0250-50 0 50 100 150 200
kJkg . K
HDPE PP
Abb. 3-4: Temperaturabhängigkeit der
spezifischen Wärmekapazität von HDPE
3-5
3-6
*Die Schmelzedichte der schwarz eingefärbten Rohrwerkstoffe beträgt = 0,77 g/cm3.
Wahre Viskosität [Pa·s]
Wahre Schergeschwindigkeit [1/s]100 101 102
105
104
103
102
101
100
103 104 105
210 °C230 °C250 °C
Abb. 3-3: Viskositätskurve von
Hostalen PP H2150, ermittelt im Hoch-
druckkapillar-Rheometer bei 210, 230
und 250 °C
3-7
Spezifische Enthalpie [kJ/kg]
Temperatur [°C]
800
600
400
200
00 50 100 150 200 250 300
HDPE PP
3.1.3 Spezifisches Volumen
In Abbildung 3-6 und 3-7 ist das spe-
zifische Volumen v als Funktion von
Temperatur T und Druck p dargestellt
(„p-v-T-Diagramm“). Der Kehrwert des
spezifischen Volumens ist die Dichte.
45
3.1.2.2 Spezifische Enthalpie,
Energiebedarf
beim Plastifizieren
Die spezifische Enthalpie H ergibt
sich durch Integration der spezifi-
schen Wärmekapazität
Die spezifische Enthalpie von HDPE
und PP in Abbildung 3-4 abgelesen
kann in Abbildung 3-5 an der linken
Achse in kJ/kg, rechts in kWh/kg
abgelesen werden. Aus praktischen
Gründen ist die spezifische Enthalpie
bei der Bezugstemperatur T0 = 20 °C
willkürlich gleich null gesetzt.
Die spezifische Wärmemenge, die
beim Abkühlen der Schmelze z.B. von
230 °C auf 40 °C abgeführt werden
muss, ergibt sich nach Abbildung 3-5
aus der Differenz folgender Enthalpie-
werte:
3.2 Extrusion
3.2.1 Brandsicherheitstechnischer
Hinweis für den Verarbeiter
Kunststoffe sind, wie alle organi-
schen Produkte, brennbar. Es liegt im
Interesse des Verarbeiters, bei ihrer
Lagerung, Verarbeitung und Konfek-
tionierung Maßnahmen des vorbeu-
genden Brandschutzes zu treffen.
Maßgeblich sind die in den einzelnen
Ländern geltenden sowie die örtlichen
Vorschriften.
Für bestimmte Endprodukte und
Anwendungsbereiche können beson-
dere brandsicherheitstechnische
Anforderungen bestehen. Es obliegt
der Verantwortung des Verarbeiters
des Rohstoffs, diese festzustellen
und einzuhalten.
Abb. 3-5: Enthalpiekurve von HDPE und
PP (bezogen auf 20 °C)
Spezifisches Volumen v [cm3/g]
Temperatur [°C]
1,4
1,3
1,2
1,1
1,00 50 100 150 200 250 300
1 bar
400 bar
600 bar
1.000 bar
1.600 bar
200 bar
Abb. 3-6: Spezifisches Volumen v von
HDPE in Abhängigkeit von Temperatur T
und Druck p (p-v-T-Diagramm), gemes-
sen bei einer Abkühlgeschwindigkeit
von 0,03 K/s
Tab. 3-1: Beispiel für die Bestimmung
der abzuführenden Wärmemenge
3-8
Spezifische Enthalpie
HDPE PP
bei 230 °C 700 kJ/kg 620 kJ/kg
bei 40 °C 40 kJ/kg 40 kJ/kg
abzuführende Wärmemenge:
660 kJ/kg 580kJ/kg
Spezifisches Volumen v [cm3/g]
Temperatur [°C]
1,4
1,3
1,2
1,1
1,00 50 100 150 200 250 300
1 bar
400 bar
600 bar
1.000 bar
1.600 bar
200 bar
Abb. 3-7: Spezifisches Volumen von
PP-Homopolymer in Abhängigkeit von
Temperatur T und Druck (p-v-T-Dia-
gramm), gemessen beim Erwärmen
3.2.2 Lagerung und
Granulatvorbehandlung
Das Material ist in 25 kg Säcken oder
Schüttgutbehältern vor Verschmut-
zung geschützt. Die Polyethylen- und
Polypropylen-Typen sind generell
wasserabweisend. Bei Lagerung unter
ungünstigen klimatischen Bedingun-
gen – großen Temperaturdifferenzen,
hoher Luftfeuchtigkeit – kann Wasser
im Gebinde kondensieren. Dann ist
eine Vortrocknung des Materials zu
empfehlen. Ferner kann sich der ge-
ringe Eigengeruch des Materials ver-
stärken. UV-Strahlung und Lagerung
bei hohen Temperaturen schädigen
das Produkt. Es muß daher vor direk-
ter Sonnenbestrahlung, Temperaturen
oberhalb 40 °C und hoher Feuchte
während der Lagerung geschützt
werden.
Das Produkt kann bei sachgerechter
Lagerung über einen Zeitraum von
mindestens 3 Monaten aufbewahrt
werden. Höhere Lagertemperaturen
verkürzen die Lagerzeit. Eine Lager-
zeit von länger als 6 Monaten kann
die Helligkeit von naturfarbenem
Material beeinflussen. Es wird deshalb
empfohlen das Material innerhalb von
6 Monaten zu verarbeiten.
Die Vortrocknung kann mit Hilfe
eines Trichtertrockners unmittelbar
vor dem Beschicken des Extruders
bei 105–110 °C erfolgen. Daneben
besteht die Möglichkeit einer Trock-
nung über einige Stunden in für Poly-
olefine üblichen Granulattrocknern.
Die Trocknungsdauer sollte so be-
messen sein, dass der Feuchtigkeits-
gehalt weniger als 0,02 % beträgt.
Tocknungstemperaturen liegen im
Bereich von 80–110 °C.
46
Bei einigen Hochleistungsextrudern
mit förderwirksamem Einzug kann
ein vom Trocknen noch sehr warmes
Granulat zu einer Durchsatzminde-
rung führen. In diesem Fall sollte das
Granulat solange zwischengelagert
werden, bis es ausreichend abgekühlt
ist.
Aufgrund der hygroskopischen
Eigenschaft von Russpigmenten, die
in schwarz eingefärbten Produkten
verwendet werden, wird empfohlen
schwarz eingefärbte Typen innerhalb
von 3 Monaten zu verarbeiten, auch
wenn Sie unter sachgerechten Bedin-
gungen aufbewahrt werden. Nach
einer Lagerzeit von mehr als drei
Monaten wird empfohlen das schwarz
eingefärbte Material vorzutrocknen.
Der Feuchtigkeitsgehalt sollte unter
0,03 % liegen. Bei höheren Werten
können Bläschen in der Schmelze auf-
treten und rauhe Rohroberflächen
entstehen.
In seltenen Fällen kann es passieren,
dass sich bei der Anlieferung von
kaltem Material beim Verarbeiter
Kondenswasser bildet. Dies geschieht
dann, wenn das kalte Material in
eine wärmere und unter Umständen
feuchtere Umgebung gebracht wird.
Es sollte stets darauf geachtet werden,
daß keine zu großen Temperatur-
unterschiede entstehen. Zum Beispiel
sollte eine Palette mit Material, die
über Nacht bei 0 °C draußen im Freien
stand und in eine warme und feuchte
Extrusionshalle gebracht wird, nicht
direkt verarbeitet werden, da in die-
sem Fall die Wahrscheinlichkeit sehr
groß ist, dass sich Schwitzwasser auf
dem Material bildet. Die Paletten soll-
ten vor dem Öffnen der Säcke in die
warme Halle transportiert und nach
Entfernen der Schrumpfhauben min-
destens 24 h gelagert werden.
Abb. 3-8: Taupunktdiagramm für feuchte Luft
30
25
20
15
10
5
0
Absolute Feuchte [g/m3]
0 20-5 5 10 15Temperatur [°C]
30 %
25 30 35
40 %
50 %
60 %
RelativeFeuchte
Sättigungsfeuchte
(2)(3)
(4)
(1)
47
Im folgenden Beispiel wird die Proble-
matik der Kondenswasserbildung
mit Hilfe eines Taupunktdiagrammes
erläutert:
Abbildung 3-8 zeigt ein Taupunktdia-
gramm, in dem die Sättigungskurve
(Taupunktkurve) rot eingezeichnet
ist. Oberhalb der Kurve kondensiert
Wasser aus. Unterhalb der Kurve be-
findet sich das gesamte in der Luft
vorhandene Wasser in der Gasphase.
Dies bedeutet: Wenn man die Sätti-
gungskurve von unten nach oben
überschreitet, tritt Kondensation ein.
Angenommen es herrscht in einer
Produktionshalle eine Temperatur
von 25 °C und eine relative Luftfeuch-
tigkeit von 50 %, so erhält man den
Wert (2) für die absolute Feuchte
indem man den Wert (1) auf der
Taupunktkurve mit 0,5 multipliziert.
Dieser absoluten Feuchte entspricht
ein Wert auf der Taupunktkurve (3)
bei einer tieferen Temperatur.
In diesem Falle läßt sich auf der Tem-
peratur-Achse (4) ein Wert von 13 °C
ablesen. Dies bedeutet, dass sich auf
Material, das kälter als 13 °C ist,
Kondenswasser bilden kann. Hätte in
diesem Beispiel die Luft in der Halle
eine
relative Feuchtigkeit von 40 % bzw.
30 %, so würden sich die Taupunkte
zu tieferen Temperaturen (10 °C bzw.
5 °C) verschieben. Daraus ergibt sich
folgende Regel:
Je trockener die Luft in der Halle und
je kleiner der Temperaturunterschied
ist, desto geringer wird die Gefahr der
Schwitzwasserbildung. Es sei ange-
merkt, dass es sich hierbei um eine
rein thermodynamische Betrachtung
handelt, und dass die Kondensation
sehr stark von der Oberflächenstruk-
tur abhängig ist, auf der sie stattfin-
det. Eine schlagartige Bildung von
Schwitzwasser ist nur bei sehr großen
Temperaturunterschieden und hoher
Luftfeuchtigkeit zu erwarten.
Bei Nutbuchsenextrudern ist die
Einzugszone des Extruders durch-
satzbestimmend. Im Einzug müssen
die Geometrie von Nutbuchse und
Schnecke sorgfältig aufeinander
abgestimmt sein, da die nachfolgen-
den Schneckenzonen Druckverbrau-
cher sind. Diese Zonen sollten hin-
sichtlich Druck- und Aufschmelzver-
lauf optimal ausgelegt sein, damit sie
auch bei hoher Schneckendrehzahl
hohe Förder- und Plastifizierleistun-
gen aufweisen.
Abb. 3-9: Förderwirksame Einzugszone mit Nuten und Wärmetrennung
Ø D Anzahl der Nuten Nuttiefe (mm) Nutbreite(mm) (D/10) am Trichteranfang (mm)60 6 4 890 8 – 10 4 10120 12 4 12150 14 – 16 4 12
Wärmetrennung
D D+4
3 . D bis 3,5 . D 1 . Dx1,5 . D
Thermofühler eingeschrumpft auslaufende Rechtecknuten
7°
3.2.3 Extrusion auf Hochleistungs-
Einschneckenextrudern
Für die Verarbeitung von Hostalen-,
Hostalen PP- und Lupolen-Werkstoffen
werden heute vorwiegend Einschnek-
kenextruder mit genuteter Einzugs-
zone (Abb. 3-9) eingesetzt. Die Ver-
fahrenslänge moderner Hochleistungs-
extruder beträgt je nach Maschinen-
hersteller 30 bis 33 D. Die Nutbuchse
ist vom Extruderzylinder wärme-
getrennt und gekühlt, um ein An-
schmelzen des Materials zu verhin-
dern. Am Ende der Einzugszone bildet
sich ein Druckmaximum aus. Nach-
folgend sind Schlepp- und Druck-
strömung gleichgerichtet. Um eine
gute Schmelzehomogenität zu erzie-
len, muss daher beim Nutbuchsen-
extruder die Schnecke ein Scher- oder
Mischteil besitzen. Da bereits das
Granulat nach dem Compoundieren
eine sehr hohe Mischgüte aufweist,
ist ein Mischteil in der Austragszone
oft ausreichend.
48
Abb. 3-10: Barriereschnecke für die Verarbeitung von Hostalen- und Lupolen-
Werkstoffen
Hauptsteg Feststoffkanal Barrieresteg
Schmelzekanal
Austragszone Barrierezone
AktiveFlanke
Schmelze-becken
Barriere-steg
Feststoff-bett
PassiveFlanke
Zylinder
Einzugzone
Abb. 3-11: Siebkorbverteiler (Skizze Fa. Battenfeld)
Abb. 3-12: Wendelverteiler, schematische Darstellung
(Fa. Reifenhäuser)
Die Maschinenhersteller verfolgen
bei der Schneckenauslegung für Hoch-
leistungsextruder unterschiedliche
Konzepte. So werden für die Extrusion
von Polyolefinen zum Beispiel Bar-
riere- oder Dekompressionsschnek-
ken (Abb. 3-10) sowie bereichsweise
mehrgängige Schnecken ohne Kom-
pression eingesetzt.
Bei den Rohrwerkzeugen zum Her-
stellen der Rohre gibt es unterschied-
liche Konzepte. Geeignet sind:
• Siebkorbwerkzeuge (Abb. 3-11),
• Spinnenverteilerwerkzeuge und
• Wendelverteilerwerkzeuge
(Abb. 3-12).
Prinzipell können alle drei Arten von
Werkzeugen für die Verarbeitung der
Hostalen-, Hostalen PP und Lupolen-
Werkstoffe verwendet werden. Die
Rohrwerkzeuge sind in der Regel
modular aufgebaut, so dass mit
einem Grundwerkzeug und austausch-
baren Düsensätzen verschiedene
Rohrdimensionen gefahren werden
können.
49
kann die Gesamtlänge der Kühlstrecke
Lges. mit den in Tabelle 3-2 angegebe-
nen spezifischen Kühlstreckenlängen
Lspez. berechnet werden. Es gilt
Aufgrund der geringeren Wärmeleit-
fähigkeit (siehe Abbildung 2-29) sind
bei gleichem Massedurchsatz für PP
längere Kühlstrecken erforderlich.
Abb. 3-13: Vakuumtank für die Kalibrierung
Abb. 3-14: Kalibrierhülse einer Vakuumtank-Kalibrierung
Tab. 3-2: Spezifische Kühllänge für
Rohre aus Hostalen PE in Abhängigkeit
der Standard Dimension Ratio SDR
SDR spez. Kühllänge
[m · h/kg]
41 0,016
33 0,02
26 0,024
17,6 0,036
11 0,06
7,4 0,08
3-9
Lges. = Lspez. · Durchsatz
Zur Formgebung wird heute für
Rohre nahezu ausschließlich die
Vakuumtank-Kalibrierung (Abb. 3-13)
mit einer geschlitzten Kalibrierhülse
aus Messing (Abb. 3-14) eingesetzt.
Der Einlaufbereich der Hülse ist inten-
siv gekühlt. Im Einlauf hat sich ein
Wasserring mit verstellbarer Breite als
vorteilhaft erwiesen. Damit kann die
Rohroberfläche mehr oder weniger
stark mit Wasser benetzt werden.
Über diesen Wasserring lässt sich
die Oberflächenqualität des Rohrs
beeinflussen. Bei hohen Abzugs-
geschwindigkeiten kommen häufig
auch Scheibenkalibrierungen zum
Einsatz. Mit diesen ist eine intensi-
vere Kühlung des Rohres im Bereich
der Kalibrierung möglich. Polypropylen
neigt bei hohen Abzugsgeschwindig-
keiten leichter zum Kleben in der
Kalibrierung als Polyethylen. Das
Kleben kann durch einen Wasserring
und eine intensive Kühlung im Ein-
laufbereich vermieden werden. Der
Vakuumtank ist oft in mehrere Unter-
druckkammern unterteilt, so dass das
Vakuum unterschiedlich stark einge-
stellt werden kann (Bereich: -0,3 bis
-0,5 bar). Das angelegte Vakuum
hat ebenfalls Einfluss auf die Ober-
flächenqualität und zudem auf
den Außendurchmesser des Rohres.
Die Gesamtlänge der erforderlichen
Kühlstrecke ist abhängig vom Masse-
durchsatz und von der Wanddicke
des Rohrs. Unter den Annahmen:
• Temperatur der Schmelze 220 °C
beim Eintritt in die Kalibriereinheit,
• Endtemperatur an der Rohrinnen-
wand maximal 80 °C,
• Kühlwassertemperatur zwischen
10 und 30 °C,
• Außenkühlung
Abb. 3-15: Rohr-Extrusionsanlage für Verarbeitungsversuche
im Technikum von Basell
Abb. 3-16: Durchsatz und Massedruck von Hostalen-
Werkstoffen in Abhängigkeit der Schneckendrehzahl
(60-mm-Nutbuchsenextruder mit L/D = 30, Rohrabmessungen
110 mm x 10 mm)
Antriebsleistung [kW]
Drehzahl [1/min]
80
70
60
50
40
30
20
10
02500 200
GM 5010 T3
CRP 100
15010050
Abb. 3-17: Antriebsleistung für Hostalen-Werkstoffe in
Abhängigkeit der Schneckendrehzahl (60-mm-Nutbuchsen-
extruder mit L/D = 30, Rohrabmessungen 110 mm x 10 mm)
50
3.2.4 Verarbeitung von
bimodalem HDPE
Umfangreiche Untersuchungen haben
gezeigt, dass sich die bimodalen
Hostalen-Werkstoffe problemlos
auf den gebräuchlichen modernen
Hochleistungs-Extrusionsanlagen
(Abb. 3-15) verarbeiten lassen.
Die Verarbeitungstemperaturen
von Extruder und Werkzeug sollten
im Bereich von 200 bis 220 °C ein-
gestellt werden.
Der Durchsatz von Hostalen CRP 100
und Hostalen GM 5010 T3 liegt im ge-
samten Drehzahlbereich um ca. 10%
höher als der von unimodalen HDPE-
Typen. Bei Hostalen GM 5010 T3 und
insbesondere bei Hostalen CRP 100
ist der Druckverbrauch im Werkzeug
höher als bei unimodalen Typen
(Abb. 3-16). Ursache dafür sind der
höhere Massedurchsatz und die bei
bimodalen Typen höhere Schmelze-
viskosität, die zudem bei der Extru-
sion eine höhere Energiedissipation
bewirkt. Als Folge ist die Massetempe-
ratur der Schmelze bei den bimodalen
Typen etwas höher. Tatsächlich
wurden bei Versuchen im oberen
Drehzahlbereich um ca. 5 K erhöhte
Schmelztemperaturen gemessen.
Der höhere Durchsatz und die höhere
Schmelzeviskosität erfordern beim
bimodalen Hostalen GM 5010 T3 und
Hostalen CRP 100 eine um ca. 10
bis 15 % höhere Antriebsleistung
des Extruders (Abb. 3-17). Moderne
Hochleistungsextruder verfügen hier
über genügend Reserven, so dass Pro-
duktivitätssteigerungen gegenüber
den unimodalen Typen möglich sind.
Bei älteren Anlagen ohne Reserven
im Drehmoment kann sich wegen
der höheren Schmelzeviskosität der
bimodalen Materialien der Masse-
durchsatz erniedrigen, da dann mit
verringerter Schneckendrehzahl
gefahren werden muss.
Druck [bar], Durchsatz [kg/h]
Drehzahl [1/min]
400
350
300
250
200
150
100
50
02500 200
GM 5010 T3
GM 5010 T3
CRP 100
CRP 100Massedurchsatz
Massedruck
15010050
51
Diese Ergebnisse haben Verarbeitungs-
versuche auf Hochleistungsextrudern
neuester Generation bei verschiede-
nen namhaften Maschinenherstellern
bestätigt. Gegenüber unimodalem
HDPE sind bei Verwendung der bimo-
dalen Hostalen-Werkstoffe gleiche bis
höhere Massedurchsätze sowie ein
Anstieg von Druck, Motorlast und
Temperatur zu verzeichnen. Wegen
der unterschiedlichen Drehzahlberei-
che der Extruder sind zum besseren
Vergleich in Abbildung 3-19 der Durch-
satz pro Stunde und in Abbildung
3-18 die spezifische Antriebsleistung
(Antriebsleistung bezogen auf den
Durchsatz) jeweils bei Maximaldreh-
zahl aufgetragen.
3.2.5 Sanfte Verarbeitbarkeit
Die Materialbeanspruchung durch das
Extrudieren lässt sich am einfachsten
und schnellsten mit Hilfe der durch
das Stabilisatorsystem festgelegten
Oxidations-Induktionszeit (OIT,
EN 728) bestimmen. Dazu entnimmt
man Proben aus der Rohrinnenwand
und vergleicht den daran bei 200 °C
oder 210 °C gemessenen OIT-Wert
mit dem OIT-Wert von nicht verarbei-
tetem Material. Die Ergebnisse solcher
Messungen in Tabelle 3-3 zeigen, dass
das Extrudieren den OIT-Wert kaum
erniedrigt, das Stabilisatorsystem also
nicht beeinträchtigt.
Beim Verarbeiten der Hostalen-Typen
lagen die Massetemperaturen zwi-
schen 210 und 219 °C. Weitere OIT-
Ergebnisse zeigen, dass die bimoda-
len PE-Typen Hostalen GM 5010 T3
black und Hostalen CRP 100 kurz-
fristig auch bis 260 °C thermisch be-
lastet werden können, ohne dass sich
dies bemerkenswert auf das Stabilisa-
torsystem auswirkt.
Tab. 3-3: Oxidations-Induktionszeit (OIT) von Hostalen Werkstoffen bei 210 °C
Spez. Leistung [kWh/kg] bei nmax
Extruder 1D = 60 mm
0,26
0,24
0,25
0,20
0,18
0,16
0Extruder 2D = 75 mm
Extruder 3D = 90 mm
Extruder 4D = 120 mm
GM 5010 T3
CRP 100
Abb. 3-18: Spezifische Antriebsleistung für Extruder unterschiedlicher Baugröße
beim Verarbeiten von Hostalen GM 5010 T3 und Hostalen CRP 100
Durchsatz [kg/h]
Extruder 1D = 60 mm
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0Extruder 2D = 75 mm
Extruder 3D = 90 mm
Extruder 4D = 120 mm
GM 5010 T3
CRP 100
Abb. 3-19: Durchsatz bei unterschiedlichen Baugrößen von Hochleistungs-Nut-
buchsenextrudern neuester Generation beim Verarbeiten von Hostalen GM 5010 T3
und Hostalen CRP 100
Material Einheit OIT am Rohr OIT am
innen Granulat
Hostalen GM 5010 T3 black min 63 65
Hostalen CRP 100 min 58 59
52
3.2.6 Gesamtschwindung
der Rohre
Die Gesamtschwindung ist abhängig
von der Rohrdimension, der Maschi-
nentechnik und den Verarbeitungs-
bedingungen. An den Werkstoffen der
Basell für die Rohrextrusion wurden
Werte zwischen 2,5 und 5% gemessen.
Der exakten Auslegung von Kalibrier-
werkzeugen müssen Praxisversuche
vorhergehen, die den individuellen
Produktionsbedingungen Rechnung
tragen.
3.2.7 Nachfolgeeinrichtungen
Als Nachfolgeeinrichtungen bezeich-
net man alle Anlagenteile außer
Extruder, Werkzeug, Kalibrierung
und Kühlung.
Das geformte und abgekühlte Rohr
wird mit einem Signiergerät normge-
recht geprägt; ein Ultraschall-Dicken-
messgerät misst kontinuierlich die
Rohrwanddicke über den Umfang.
Das Rohr wird von einem Raupen-
abzug abgezogen. Die konzentrisch
angeordneten, pneumatisch ange-
pressten Raupen übertragen die Ab-
zugskraft auf das Rohr. Für das An-
fahren besteht die Möglichkeit, auf
Schub umzuschalten. Dabei wird ein
fertiges Rohrstück, das Anfahrrohr,
rückwärts durch die Kühleinrich-
tungen und den Kalibrator vor das
Rohrwerkzeug eingefahren und dort
mit der austretenden Schmelze
verschweißt.
Eine automatisch einstellbare Säge,
verbunden mit einem Ablagetisch,
längt das extrudierte Rohr auf die
gewünschte Länge ab. Rohre mit
kleinerem Durchmesser können auf
Trommeln aufgewickelt bzw. mit
einem Wickler zu Rohrbunden kon-
fektioniert werden. Dies ist bei PE
bis zu der Größe eines Rohrs Ø160
SDR 11 möglich (Kapitel 9, S. 105).
Mit mobilen Extrusionsanlagen kann
vor Ort ein Rohr mit einigen Kilo-
metern Länge extrudiert werden,
beispielsweise zur Fertigung einer
Seeleitung.
3.2.8 Prozessrechnersteuerung
Bei neuen Anlagen zur Rohrher-
stellung automatisiert ein Prozess-
rechner die Fertigung. Das Schema
einer solchen Regelung zeigt Abbil-
dung 3-20. Zur Produktion einer ge-
wünschten Rohrabmessung werden
die üblichen Betriebsdaten eingege-
ben, beispielsweise
• Temperaturen zum Heizen
und Kühlen,
• Drehzahlen,
• Geschwindigkeiten,
• Wasserdurchflussmengen.
Die Regelung hält die Sollwerte inner-
halb der zulässigen Toleranzen und
liefert als Beleg eine Prozessdaten-
überwachung. Etwaige Störfälle
werden sofort angezeigt.
Die Regelung überwacht mit Hilfe ent-
sprechender Heizprogramme auch das
Anfahren und Abstellen einer Extru-
sionsanlage. Die für eine bestimmte
Rohrgröße ermittelten Prozessdaten
lassen sich speichern und für spätere
Produktionen wieder verwenden.
Die Materialkosten eines Rohrs bilden
den größten Anteil der Herstellkosten.
Eine rechnergestützte Prozessregelung
eröffnet die Möglichkeit, DIN-gerechte
Rohre mit möglichst geringem Mate-
rialeinsatz bei guter Gleichmäßigkeit
der Rohrwanddicke über den Umfang
optimal herzustellen. Die zulässigen
Dickentoleranzen gemäß DIN 8074
entsprechen bis zu etwa +10 % Mate-
rialeinsatz, hiervon kann ein beträcht-
licher Anteil eingespart werden.
Waage
Prozessrechner
RohrabmessungenAusstoß
Betriebsdaten
GeschwindigkeitRohrabzug
Ultraschall-Wanddickenmessung
Werkzeug mitDüsenzentrierung
Abb. 3-20: Regelung einer Rohranlage mit Hilfe eines Prozessrechners
53
Die Regelung umfasst im Wesentlichen
Regelkreise für folgende Elemente:
Die Extrusionsanlage wird mit einer
gravimetrischen Dosierung für die
Granulatkomponenten ausgestattet.
Somit wird der Massestrom des Gra-
nulats dem mit der Drehzahl n lau-
fenden Extruder zugeführt. Eine bei
der Wägung sich ergebende Abwei-
chung vom Soll-Ausstoß Q wird durch
Steuerung der Drehzahl ausgeglichen.
Die Regelung stellt die Geschwindig-
keit des Rohrabzugs so ein, dass sich
aus dem Ausstoß das gewünschte
Metergewicht des produzierten Rohrs
ergibt. Ein Ultraschall-Wanddicken-
messgerät ermittelt die Rohrwand-
dicke über den Umfang.
Bei Ungleichmäßigkeiten wird die
Düse des Rohrkopfes mechanisch
oder thermisch zentriert, damit die
nach der Rohrnorm erforderliche
Mindestwanddicke gleichmäßig ein-
gehalten wird.
Anstelle einer gravimetrischen Dosie-
rung kann auch eine Überdruck und
Drehzahl geregelte Schmelzepumpe
zur Prozess-Steuerung eingesetzt
werden, nachdem sich die hohen
Drehmomente bei der Verarbeitung
hoch viskoser Polyethylenschmelzen
maschinentechnisch beherrschen
lassen.
3.2.9 Wellrohre
Einfache oder coextrudierte Wellrohre
mit profilierter Außenwand und glatter
Innenwand werden als Kabelschutz-
rohre und Entwässerungsrohre mit
bis zu 1600 mm Außendurchmesser
eingesetzt. Vorteilhaft ist der im Ver-
gleich zu Vollwandrohren geringere
Materialeinsatz bei ähnlich hoher
Steifigkeit.
Wesentlich am Werkzeug für Wellrohre
ist das weit in die Kalibrierung hinein-
ragende Mundstück; eine Besonder-
heit ist die gleichzeitig als Abzug
wirkende Kalibrierung (Abb. 3-21).
Der plastische Schlauch wird sofort
nach Verlassen der verlängerten Düse
in das Wellrohrwerkzeug gepresst.
Ein umlaufendes Kettenpaar trägt mit
halbringförmigen Nuten versehene
Werkzeug-Halbschalen, die sich am
Schlaucheinlauf aufeinander- und
aneinanderlegen und so die mitlaufen-
de Kalibrierung bilden.
Überdruck oder Vakuum zwingen den
plastischen Schlauch in die Nuten
der Kalibrierung. Gekühlt wird durch
Wärmeabfuhr in den Segmenten.
Für Dränagerohre können Löcher
z.B. durch am Abzug angeschlossene
Stanzen eingearbeitet werden.
Dichtstopfen
Mundstück Rohrkopf
Druckluftaustritt
Drucklufteintritt
Formkette
Abb. 3-21: Prinzip der Herstellung eines einfachen Wellrohrs nach dem
Überdruck-Verfahren (Werkskizze Fa. Reifenhäuser)
54
3.2.10 Wickelrohre
Zur Herstellung dieses Rohrtyps wird
ein extrudiertes Band aus PE in noch
plastischem Zustand wendelförmig
überlappend auf eine beheizte Dreh-
trommel aufgewickelt (Abb. 3-22).
Die Überlappungsbereiche ver-
schmelzen homogen miteinander.
Je nach Durchmesser und Wanddicke
des Rohrs werden eine oder mehrere
Lagen gewickelt, so dass ein Voll-
wandquerschnitt entsteht. Der Durch-
messer von Wickelrohren kann bis
zu 3.500 mm betragen, sie werden je
nach Durchmesser in Längen von
2 bis 6 m hergestellt.
Um bei gleichem Materialaufwand eine
größere Steifigkeit des Rohres zu er-
zielen, können nach abgewandelten
Wickelverfahren auch Profilwickel-
rohre hergestellt werden. Statt Bänder
extrudiert man Hohlprofile, die unter
Anpressdruck wendelförmig neben-
einander oder in mehreren Lagen
übereinander gewickelt werden
(Abb. 3-24). Je nach Erfordernis ist
es möglich, Rohre mit glatter Innen-
und Außenwand zu fertigen oder
aber – bei glatter Innenwand – Ver-
stärkungsrippen äußerlich sichtbar
zu belassen.
Es ist zu beachten, dass die in Her-
stellerkatalogen angegebenen Wickel-
rohrdurchmesser stets Innendurch-
messer sind, unabhängig von der
jeweiligen Wanddicke. Bei Profilwi-
ckelrohren sind üblicherweise Muffen
angeformt, die auf der Baustelle im
Heizkeil- oder Extrusionsschweißver-
fahren mit dem Einsteckende des
nächsten Rohrs verbunden werden.
Abb. 3-22: Schematischer Aufbau einer
Wickelrohranlage
(Abb.: Fa. Frank GmbH)
Abb. 3-23: Herstellung eines glattwandigen
Wickelrohres (Foto: Fa. Frank GmbH)
Abb. 3-24: Verschiedene Hohlprofile für Wickelrohre (Abb.: Fa. Frank GmbH)
ExtruderRohrwerkzeug/Düsenkopf
Kalibrierung/Kühlung/Abzug
Profile der Reihe PR Profile der Reihe SQ1 Profile der Reihe SQ2 Profile der Reihe SQ3Vollwand (VW)
55
Das Vernetzen von PE erfolgt während
oder nach der Rohrextrusion. Allen
Vernetzungsverfahren ist gemeinsam,
dass chemische Bindungen die Poly-
merketten untereinander verknüpfen
(crosslinking). Dadurch verbessern
sich die Zeitstandfestigkeit, die
Spannungsrissbeständigkeit sowie
die Wärmeformbeständigkeit und
die Abriebfestigkeit der Rohre. Zur
Kennzeichnung von vernetztem Poly-
ethylen werden die Abkürzungen PEX
bzw. PE-X verwendet (früher VPE).
PE-Basisrohstoff und die Stabilisierung
(Verarbeitungs- und Anwendungssta-
bilisierung) müssen sorgfältig auf das
Vernetzungsverfahren abgestimmt
werden, um eine optimale Kombina-
tion der Eigenschaften zu erhalten.
In Tabelle 4-1 sind die zum Herstellen
vernetzter Rohre geeigneten Lupolen-
Typen und die bevorzugten bzw.
besonders geeigneten Vernetzungs-
verfahren zusammengefasst. Die
überwiegende Anzahl dieser Typen
ist speziell für das jeweilige Vernet-
zungsverfahren entwickelt worden.
Zu ihnen liegen reichhaltige, langjäh-
rige Erfahrungen vor. Die Anwendung
anderer Lupolen- oder Hostalen-Typen
zum Herstellen vernetzter Rohre wird
von der Basell nicht empfohlen.
Tab. 4-1: Lupolen-Typen, Vernetzungsverfahren und Vernetzungsarten zum
Herstellen vernetzter Rohre
Herstellung vernetzter Rohre
Das Vernetzen von PE erfolgt während oder nach der Rohr-extrusion. Allen Vernetzungsverfahren ist gemeinsam, dasschemische Bindungen die Polymerketten untereinanderverknüpfen (crosslinking).
Flughafen Stuttgart, Fußbodenheizung
(Foto: Fa. Hewing)
Werkstoff Verfahren Vernetzungsart
Lupolen 5261 Z Q 456 Engel-Verfahren Peroxidvernetzung (PEXa)
Lupolen 5461 B Q 471 Extrusionsverfahren Peroxidvernetzung (PEXa)
Lupolen 5031 L Q 449 Einstufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)
(Monosil®)
Lupolen 5031 L Q 449 K Einstufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)
(Monosil®)
Lupolen 5031 L Q 449 Zweistufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)
(Sioplas®)
Lupolen 5031 L Q 449 K Zweistufen-Verfahren Silanvernetzung (PEXb)
(Sioplas®)
Lupolen 4261 A Q 416 Extrusionsverfahren Strahlenvernetzung (PEXc)
Die Vernetzungsdichte kann auch
über die Wärmedehnung (Hotset, DIN
VDE 0472 T 615) bestimmt werden.
Dabei belastet ein Gewicht 15 Minuten
lang einen PEX-Probestab mit 20 N/cm2
bei 200 °C. Die Längenänderung des
Probestabs ist ein Maß für die Ver-
netzungsdichte: Je länger der Stab
nach der Belastung wird, desto weni-
ger dicht vernetzt ist das Material
(Abb. 4-1).
56
4.1 Vernetzungsgrad und
Quellung
Das entscheidende Qualitätskriterium
für vernetzte Rohre ist der Vernet-
zungsgrad. Er dient als Maß für den
Anteil an vernetzten PE-Ketten im
PEX. In Tabelle 4-2 sind die nach DIN
16892 geforderten Mindestwerte für
die verschiedenen Vernetzungsver-
fahren wiedergegeben. Diese Min-
destwerte sind notwendig um sicher-
zustellen, dass die von PEX-Rohren
geforderten Eigenschaften erfüllt
werden. Zu hohe Vernetzungsgrade
sind nicht nur aus ökonomischer
Sicht, sondern auch aus anwendungs-
technischer Sicht nicht sinnvoll. Eine
zu starke Vernetzung führt zur Ver-
sprödung des Werkstoffes, wodurch
letztlich die Gebrauchstauglichkeit
des Rohres in Frage gestellt wird.
Zur Bestimmung des Vernetzungs-
grads von PEX-Rohren werden nach
DIN 16892 die in siedendem Xylol
unlöslichen Massenanteile des PEX
bestimmt. Als Probe dient ein Span,
der von der Stirnfläche eines Rohr-
abschnitts entnommen wird und
dessen Dicke 0,2 ± 0,02 mm beträgt.
Sie lagert acht Stunden in siedendem
Xylol, d. h. unter Bedingungen, unter
denen sich unvernetztes PE vollstän-
dig auflösen würde. Danach trocknet
die Probe drei Stunden bei 140 °C.
Aus der Masse m1 des ursprünglichen
Spans und der Masse m2 des behan-
delten und getrockneten Spans er-
rechnet sich der Vernetzungsgrad G
nach Gleichung 4-1.
Eine weitere die Vernetzung charak-
terisierende Größe ist die Vernet-
zungsdichte. Je kleiner der Abstand
zwischen zwei Vernetzungsstellen
ist, d.h. je kleiner die „Maschen“ des
Netzes sind, desto größer ist die
Vernetzungsdichte.
Ein Maß für die Vernetzungsdichte ist
der Quellwert. Er ist umso größer, je
kleiner die Vernetzungsdichte ist. Zur
Bestimmung des Quellwerts lagert
ein Probespan ebenfalls in siedendem
Xylol, wird danach aber ohne zu
trocknen gewogen. Das Verhältnis
aus der Masse m3 der behandelten
Probe und der Masse m1 der ursprüng-
lichen Probe gibt den Quellwert an
(Gleichung 4-2).
Tab. 4-2: Mindestvernetzungsgrad nach DIN 16892 – 2000 für die verschiedenen
Vernetzungsverfahren, Art der Bindung
Vernetzungsart Mindestvernetzungsgrad Art der Bindung
[%]
Peroxidvernetzung (PEXa) 70 C–C
Silanvernetzung (PEXb) 65 C–Si–O–Si–C
Strahlenvernetzung (PEXc) 60 C–C
4-1
4-2
Abb. 4-1: Schematische Darstellung
des Hotset Tests an vernetzten Proben-
körpern
G = 100 · m2/m1
Q = m3/m1
OhneSpannung
UnterSpannung
HoheVernetzungsdichte= Niedriger Quellwert
NierigeVernetzungsdichte= Hoher Quellwert
57
Die Vernetzungsdichte der unter-
schiedlichen Vernetzungsarten nimmt
in folgender Reihenfolge zu: PEXa <
PEXc < PEXb. Dieses Verhalten ist
in Abbildung 4-2 dargestellt. Man
erkennt, dass für PEXb bereits bei
Vernetzungsgraden von 55 % eine
hohe Vernetzungsdichte gefunden
wird. Dies bedeutet, dass sich ein
Span aus PEXb im Vergleich zu einem
Span – mit gleichem Vernetzungsgrad
– aus PEXa oder PEXc in siedendem
Xylol nicht mehr auflöst.
4.2 Eigenschaften
vernetzter Rohre
Vergleicht man unvernetztes PE mit
PEX (beide aus dem gleichen Ausgangs-
material) so ist bei PEX
• die Zeitstandfestigkeit bei höheren
Temperaturen um Größenordnungen
verbessert,
• die Kerbempfindlichkeit wesentlich
geringer,
• die Empfindlichkeit gegen
Spannungsrissbildung praktisch
beseitigt,
• die Kriechneigung reduziert,
• die Verschleißfestigkeit höher,
• die Permeabilität gegenüber Gasen
geringer,
• das Kristallitschmelzmaximum zu
tieferen Temperaturen verschoben
und
• die Härte und Steifigkeit geringer.
In Tabelle 4-3 A und B sind exempla-
risch einige ausgewählte Eigenschaften
eines strahlenvernetzten PE (PEXc)
sowie eines peroxidisch vernetzten
PE (PEXa) wiedergegeben.
Mechanische undphysikalische Eigenschaften
Wert Einheit Prüfnorm
Dichte 0,94 g/cm3 DIN 53 479
Zugfestigkeit B -20 °C 33 – 35 N/mm2 DIN 53 45523 °C 24 – 26 N/mm2 DIN 53 45580 °C 16 – 17 N/mm2 DIN 53 455
100 °C 10 – 11 N/mm2 DIN 53 455
Reißfestigkeit R -20 °C 31 – 33 N/mm2 DIN 53 45523 °C 24 – 26 N/mm2 DIN 53 45580 °C 16 – 17 N/mm2 DIN 53 455
100 °C 10 – 11 N/mm2 DIN 53 455
Reißdehnung R -20 °C ca. 300 % DIN 53 45523 °C ca. 480 % DIN 53 45580 °C ca. 550 % DIN 53 455
100 °C ca. 460 % DIN 53 455
Elastizitätsmodul E -20 °C 1.600 – 1.700 N/mm2 DIN 53 457(Zug, 0,5 % Dehnung) 0 °C 1.200 – 1.400 N/mm2 DIN 53 457
23 °C 600 – 700 N/mm2 DIN 53 45780 °C 130 – 140 N/mm2 DIN 53 457
Kerbschlagzähigkeit -20 °C ohne Bruch kJ/m2 DIN 53 453-100 °C ohne Bruch kJ/m2 DIN 53 453
Spannungsrissbeständigkeit kein Riss ASTM-D 1693
Wasseraufnahme < 0,01 mg/4d DIN 53 472
Vernetzungsgrad > 60 % DIN 16 892
Thermische Eigenschaften
Anwendungstemperatur gemäß Zeitstanddiagramm
Linearer Ausdehnungs- 20 °C 1,4 · 10-4 1/Kkoeffizient 100 °C 2,0 · 10-4 1/K
Kristallitschmelzbereich DSC 130 – 133 °C DIN 51 004
Wärmeleitfähigkeit 0,35 W/mK DIN 52 612
Wärmealterung bei 160 °Cim Umluft. Wärmeschrank > 100 h DVGW W544für Erreichen Phase I
Elektrische Eigenschaften
Dielektrischer Verlustfaktor 106 Hz 2 · 10-2 DIN 53 483, VDE 0303
Dielektrizitätszahl 106 Hz 2,6 DIN 53 483, VDE 0303
Spezifischer Durchgangswiderstand 1017 Ω · cm DIN 53 482, VDE 0303
Oberflächenwiderstand 1014 Ω DIN 53 482, VDE 0303
Durchschlagfestigkeit ~80 kV/mm DIN 53 481, VDE 0303
Kriechstromfestigkeit KA3C DIN 53 481, VDE 0303
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Dehnung [%]
10 500 20 30 40Vernetzungsgrad [%]
PEXa
60 70 80 90 100
PEXb PEXc
Abb. 4-2: Dehnung von PEXa, PEXb und PEXc im Hotset bei 200 °C
in Abhängigkeit vom Vernetzungsgrad
Tab. 4-3 A: Ausgewählte Eigenschaften eines strahlenvernetzten PE (PEXc, Daten
der Fa. Hewing [70])
58
Abbildung 4-3 zeigt die Abhängigkeit
der Reißfestigkeit und Reißdehnung
vom Quellwert Q bei 20 °C. Mit abneh-
mendem Quellwert, also zunehmender
Vernetzungsdichte, sinken sowohl
die Reißfestigkeit als auch die Reiß-
dehnung. Im Gegensatz zu unver-
netztem PE verfügen PEX-Werkstoffe
selbst oberhalb von 150 °C, d.h.
oberhalb der üblichen PE-Schmelz-
temperatur, über eine gewisse
mechanische Restfestigkeit, wie
die Schubmodulkurven in Abbildung
4-4 zeigen.
Quellwert
Bruchdehnung [%]
20 °C / PEXc
Vernetzungsgrad
800 40
0> 95 %
0
Bruchspannung [MPa]
0 %
Abb. 4-3: Abhängigkeit der Bruch-
spannung und der Bruchdehnung vom
Vernetzungsgrad bzw. Quellwert Q
bei 20 °C (Prinzipdarstellung für PEXc)
Schubmodul [MPa]
Temperatur [°C]
Schubmodul ~Vernetzungspunkte/1000 C Atome
103
102
101
100
10-1
0 50 100 150 200
PEXa
PE
PEXb
Abb. 4-4: Schubmodul in Abhängigkeit von der Temperatur:
PEXa und PEXb im Vergleich zu PE
Tab. 4-3 B: Ausgewählte Eigenschaften eines peroxidisch vernetzten PE (PEXa,
Daten der Fa. Wirsbo [78])
Mechanische Eigenschaften
Wert Einheit
Dichte 0,938 g/cm3
Zugfestigkeit (nach DIN 53 455) 20 °C 19 – 26 N/mm2
100 °C 9 – 13 N/mm2
Elastizitätsmodul (nach DIN 53 457) 20 °C 600 – 900 N/mm2
80 °C 300 – 350 N/mm2
Bruchdehnung (nach DIN 53 455) 20 °C 350 – 550 %100 °C 500 – 700 %
Schlagzähigkeit (nach DIN 53 453) -140 °C kein Bruch20 °C kein Bruch
100 °C kein Bruch
Feuchtigkeitsabsorbtion (nach DIN 53 472) 22 °C 0,01 mg/4d
Reibungskoeffizient mit Stahl 0,08 – 0,1
Oberflächenenergie 34 · 10-3 N/m
Sauerstoffpermeabilität 20 °C 0,8 · 10-13 g/m s bar55 °C 3,0 · 10-13 g/m s bar
Thermische Eigenschaften
Anwendungstemperatur -100 bis + 110 °C
Linearer Ausdehnungskoeffizient 20 °C 1,4 · 10-4 1/K100 °C 2,05 · 10-4 1/K
Erweichungstemperatur 133 °C
Spezifische Wärme 2,3 kJ/kgK
Elektrische Eigenschaften
Spezifischer Durchgangswiderstand 20 °C 1015 Ω · m
Dielektrizitätskonstante 20 °C 2,3
Dielektrischer Verlustfaktor 20 °C/50 Hz 1 · 10-3
Durchschlagfestigkeit 20 °C 60 – 90 kV/mm
59
4.3 Vernetzungsverfahren
Man unterscheidet vernetztes Poly-
ethylen in chemisch und physikalisch
vernetztes PE. Bei den Verfahren für
die chemische Vernetzung unterschei-
det man wiederum in peroxidisch
vernetztes PE, sogenanntes PEXa,
und in silanvernetztes PE, sogenann-
tes PEXb. Bei der physikalischen
Vernetzung durch Strahlung spricht
man von PEXc. Im folgenden Abschnitt
werden die einzelnen Vernetzungs-
verfahren kurz beschrieben.
In Abbildung 4-5 sind die unteschied-
lichen Verfahren in einem Diagramm
dargestellt.
4.3.1 Peroxidvernetzung (PEXa)
Die Vernetzung mit Peroxiden ist bisher
das einzige Verfahren, mit dem sich
vernetzte Rohre in größeren Abmes-
sungen (Durchmesser von 90 mm bis
500 mm) wirtschaftlich herstellen
lassen. Da die Vernetzungsreaktion
bereits ganz bzw. teilweise in der
Schmelze erfolgt, ist das Kristallisa-
tionsvermögen der Schmelze behindert.
Im Vergleich zu anderen Vernetzungs-
verfahren ist dadurch der Kristallini-
tätsgrad und damit die Dichte des
vernetzten Rohres deutlich geringer
als die des PE-Basiswerkstoffes (Bei-
spiel: Dichte des PE-Basiswerkstoffes:
PEXVernetztes Polyethylen
PEXbSilanvernetzung
PEXcStrahlenvernetzung
PEXaPeroxidvernetzung
EngelverfahrenRammextrusion
Vernetzung während der Rohrextrusion
ElektronenstrahlenEinschneckenextruder
Vernetzung nach der Rohrextrusion
GammastrahlenEinschneckenextruder
Vernetzung nach der Rohrextrusion(wird selten angewendet)
ExtrusionsverfahrenEinschnecken- oder
gegenläufiger Doppelschneckenextruder
Vernetzung im SalzbadPont a Mousson Verfahren
Vernetzung während der Rohrextrusion
Vernetzung mit InfrarotstrahlungVernetzung während der Rohrextrusion
Daoplas-VerfahrenVernetzung nach der Rohrextrusion
(heute bedeutungslos)
Klassisches SilanverfahrenDirekte Silanzugabe (flüssig)
Vernetzung nach der Rohrextrusion
Trockenes SilanverfahrenZugabe eines Dry-Blend
Vernetzung nach der Rohrextrusion
ZweistufenverfahrenSioplas (Dow Corning)
1. Stufe: Compoundherstellung Radikal.Propfung des Silans auf das PE im Buss-kneter oder Doppelschneckenextruder
2. Stufe: RohrherstellungZugabe des Vernetzungsbeschleunigers
EinschneckenextruderVernetzung nach der Rohrextrusion
EinstufenverfahrenMonosil (Maillefer)
Einschneckenextruder
Chemisches Vernetzen Physikalisches Vernetzen
Abb. 4-5: Vernetzungsmethoden für Polyethylen
0,955 g/cm3 Dichte des PEXa-Rohres:
ca. 0,933 bis 0,946 g/cm3). Dieser
sog. „density drop“ ist typisch für
PEXa-Rohre. Die geringere Dichte hat
zur Folge, dass die so hergestellten
PEXa-Rohre vergleichsweise flexibler
sind.
60
4.3.1.1 Mechanismus der
Peroxidvernetzung
Der erste Schritt bei der Peroxidver-
netzung (Abbildung 4-6) ist der ther-
misch initiierte Zerfall von Peroxiden.
Die dabei entstehenden Radikale RO !
erzeugen in einer weiteren Reaktion
Radikalstellen in der Polymerkette.
Diese Radikalstellen rekombinieren
und führen zur Quervernetzung der
Ketten über C–C-Bindungen.
Für die Peroxidvernetzung eignen
sich die hochmolekularen Grießtypen:
Lupolen 5261 Z Q 456 (Engel-Verfah-
ren) sowie Lupolen 5461 B Q 471
(Extrusionsverfahren). Das Peroxid
sowie die Stabilisatoren müssen dem
Lupolen-Grieß in einem vorgeschalte-
ten Mischprozess zugegeben wer-
den. Art und Menge des benötigten
Peroxids und der weiteren Additive
hängen vom Herstellprozess, vom
PE-Basisrohstoff und der angestreb-
ten Anwendung ab.
1. Peroxidzerfall
2. Makroradikalbildung
3. Vernetzung
(während der Extrusion,in der Schmelze)
(während der Extrusion,in der Schmelze)
(während der Extrusion,in der Schmelze)
PE-Kette
Peroxid R∆T
(Radikale)Wärme
Makroradikal
+ RH
Verbundene PE-Ketten(Wasserstoffatome versteckt zugunsten einer klareren Struktur)
R
Radikale
Abb. 4-6: Mechanismus der Peroxidvernetzung
Behältern über eine gewisse Zeit
zwischengelagert (8 bis 12 h). In
dieser Zeit diffundiert das Peroxid
in das PE hinein und kann sich so
gleichmäßig verteilen. Beim Engel-
Verfahren erfolgt die Vernetzung
während des Formgebungsvorgan-
ges, d.h. im Werkzeug! Aus dem
Werkzeug tritt eine vernetzte und
dadurch hoch transparente Schmelze
aus. Ein nachgeschalteter Vernet-
zungsprozess ist nicht notwendig.
Zu beachten ist ferner, dass die bei
der Vernetzung entstehenden Per-
oxid-Zerfallsprodukte Auswirkungen
sowohl auf die mechanischen als
auch auf die organoleptischen Eigen-
schaften der Rohre haben können.
Der Mindestvernetzungsgrad (DIN
16892) für PEXa-Rohre beträgt 70 %.
4.3.1.2 Verfahren zur Herstellung
peroxidisch vernetzter Rohre
Das Engel-Verfahren
Bereits seit mehr als 25 Jahren werden
nach diesem speziellen Vernetzungs-
verfahren, benannt nach seinem Erfin-
der Thomas Engel, vernetzte Rohre
hergestellt. Beim Engel-Verfahren
werden PE, hier Lupolen 5261 Z Q
456, Peroxid und Stabilisatoren warm
vorgemischt (Abb. 4-7). Bei der Verar-
beitung wird der Grieß unter hohem
Druck (bis zu 3000 bar) verdichtet
und dadurch gesintert. Eine Homoge-
nisierung in der Schmelze, wie z.B.
bei Einschneckenextrudern, findet
beim Engel-Verfahren nicht statt. Um
das Peroxid gleichmäßig im PE zu
verteilen, wird die Vormischung in
Abb. 4-7: Prinzip der Rohrextrusion
nach dem Engel-Verfahren
Mischung PE + Peroxid + Stabilisatoren
Verdichtungs-kolben
Werkzeug
Rohr
61
Extrusionsverfahren
Für das Extrusionsverfahren eignet sich
die Grieß-Type Lupolen 5461 B Q 471.
Der Grieß wird mit Stabilisatoren und
dem Peroxid vorgemischt (warm oder
kalt) und üblicherweise eine Zeit lang
(4 bis 12 h) in Zwischenbehältern ge-
lagert. In dieser Zeit kann das Peroxid
in das PE eindiffundieren. Anschließend
erfolgt die Extrusion der Rohre auf
Ein- oder Doppelschneckenextrudern.
Idealerweise sollte die Vernetzung im
Gegensatz zum Engel-Verfahren nicht
schon im Extruder bzw. im Werkzeug
stattfinden. Daher werden beim Ex-
trusionsverfahren Peroxide mit hoher
HDPE-Ketten aufgepfropft werden.
Damit unterscheidet sich die Silan-
vernetzung erheblich von der Pero-
xidvernetzung (Abschnitt 4.3.1) und
der Strahlenvernetzung (Abschnitt
4.3.3). Zum Aufpfropfen der aktiven
Stellen erzeugen Radikalinitiatoren
(Peroxide) primäre Radikalstellen in
der Polymerkette (Abb. 4-8). An diese
lagern sich in einem zweiten Schritt
die Silanmoleküle (Vinyltrialkoxy-
silane, z.B. VTMO = Vinyltrimethoxy-
silan) an. Die eigentliche Vernetzung
erfolgt dann in einem nachgeschalte-
ten Prozess unter Anwesenheit von
H2O über die Reaktion der Silane zu
Si–O–Si-Brücken.
thermischer Stabilität (Halbwertzeit)
bevorzugt. Erst in einem nachgeschal-
teten Prozess werden die extrudierten
Rohre vernetzt (z.B. in einer Wärme-
kammer bzw. in einem temperierten
Salzbad oder mittels IR-Strahlung)
und anschließend kalibriert.
4.3.2 Silanvernetzung (PEXb)
4.3.2.1 Mechanismus der
Silanvernetzung
Bei der Silanvernetzung müssen in
einem ersten Schritt die Silanmole-
küle, über die letztendlich die Ketten-
verknüpfung erfolgen soll, auf die
1. Peroxidzerfall
2. Makroradikalbildung
3. Pfropfung des Silans
(während der Extrusion,in der Schmelze)
(während der Extrusion,in der Schmelze)
(während der Extrusion,in der Schmelze)
PE-Kette
Peroxide R∆T
(Radikale)Wärme
Makroradikal
+ RH
Silan-gepfropftes PE
R
Radikale
Makroradikal Trimethoxyvinylsilan
+
Abb. 4-8: Mechanismus der Silanvernetzung
4. Vernetzung (nach der Extrusion,im festen Zustand)
Verbundene PE-Ketten via Si-O-Si-Bindung
Silan gepfropftes PE
+ 3Wasser
Katalysator
(Dibutylzinndilaurat)
+ 3Methanol
Wasser
+
62
Damit diese Polykondensationsreak-
tion in vertretbaren Zeiten stattfin-
det, sind Temperaturen > 80 °C sowie
die Anwesenheit eines Vernetzungs-
katalysators notwendig (z.B. DOTL =
Dioctylzinndilaurat). In der Praxis
erfolgt die
Vernetzung der Rohre in heißem
Wasser oder Dampf bei 80 bis 95 °C.
Z .B. bei einem Rohr mit 2 bis 3 mm
Wanddicke ist die Vernetzung nach
ca. vier bis acht Stunden abgeschlos-
sen. Da die Vernetzung nicht in der
Schmelze erfolgt, bleibt die Dichte
im Vergleich zum PE-Basiswerkstoff
nahezu unverändert.
Der Mindestvernetzungsgrad (DIN
16892) für PEXb-Rohre beträgt 65 %.
Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt
darin, dass man weitgehend auf kon-
ventionelle Maschinentechnik zurück-
greifen kann. Außerdem ist – anders
als bei der Peroxidvernetzung – das
für den Verarbeitungsprozess zu-
lässige Temperaturintervall größer.
Ein Problem bei der Silanvernetzung
ist, neben dem Umgang mit den
nicht unkritischen Substanzen Silan
und Peroxid, die bei der Vernetzungs-
reaktion entstehenden Neben- und
Zerfallsprodukte, die sich negativ auf
die organoleptischen Eigenschaften
der Rohre auswirken können.
Wie auch bei der Peroxidvernetzung
hängt die Rezeptur, d.h. der Silantyp,
das Peroxid, der Katalysator und die
Stabilisatoren vom PE-Basisrohstoff
und der angestrebten Anwendung ab.
4.3.2.2 Verfahren zur Herstellung
silanvernetzter Rohre
Das Einstufen-Verfahren
Beim so genannten Einstufen-Ver-
fahren (z.B. Monosil®-Verfahren von
Maillefer) erfolgt das Pfropfen des
Silans und die Extrusion des Rohrs
in einem einzigen Verfahrensschritt.
Der für dieses Verfahren optimierte
Spezial-typ ist Lupolen 5031 L Q 449.
Voraussetzungen für eine gute Rohr-
qualität sind eine gleichmäßige
Dosierung und eine homogene Vertei-
lung der Additive vor bzw. während
der Extrusion. Speziell für diesen
Prozess konzipierte Extrusionsanlagen
inklusive der notwendigen Dosier-
und Mischaggregate werden von
verschiedenen aschinenherstellern
angeboten (Abb. 4-9).
Das Zweistufen-Verfahren
Bei dieser Methode ( auch als „Sio-
plas®-Verfahren“ nach Dow Corning
bezeichnet) läuft der Herstellprozess
in zwei voneinander unabhängigen
Verfahrensschritten ab. Im ersten
Schritt wird der PE-Basisrohstoff, hier
das Lupolen 5031 L Q 449, zusam-
men mit dem Silan, dem Antioxidans
und dem Radikalinitiator (Peroxid)
compoundiert und granuliert. Es ent-
steht das vernetzbare, Si-gepfropfte
Copolymer-Granulat. Parallel dazu
wird aus dem gleichen PE-Basisroh-
stoff unter Zugabe des Katalysators,
der Stabilisatoren und der übrigen
Additive ein Katalysator-Masterbatch
hergestellt. Die eigentliche Rohrex-
trusion erfolgt in einem separaten
zweiten Schritt. Dazu werden die
beiden Komponenten, gepfropftes
Silancompound bzw. Katalysator-
Masterbatch – i.d.R. im Verhältnis
95 % : 5 % – auf der Rohranlage un-
mittelbar vor der Verarbeitung ge-
mischt und zu einem Rohr extrudiert.
Die eigentliche Vernetzung erfolgt
wie oben beschrieben im Wasser-
oder Dampfbad.
Der wesentliche Vorteil des Zweistufen-
Verfahrens ist, dass die Rohrherstel-
lung auf konventionellen Einschne-
ckenextrudern erfolgen kann und
vom Rohrhersteller kein spezielles
Know-how erfordert, wie dies z.B.
bei der Peroxidvernetzung oder beim
Einstufen-Verfahren der Fall ist. Silan-
compounds und Katalysator-Master-
batche werden von verschiedenen
Compoundherstellern angeboten
(Adressen auf Anfrage erhältlich).
Abb. 4-9: PEXb-Extrusionsanlage (Bild: Fa. Maillefer SA)
63
4.3.3 Strahlenvernetzung (PEXc)
4.3.3.1 Mechanismus der
Strahlenvernetzung
Die seit den 60er Jahren angewandte
Strahlenvernetzung ist eine physika-
lische Vernetzungsmethode. Chemi-
sche Zusatzstoffe wie bei der Silan-
oder Peroxidvernetzung sind nicht
erforderlich. Energiereiche Strahlung
(Elektronen()-Strahlung) spaltet die
Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindungen,
und es entstehen Radikalstellen in der
Polymerkette (Abb. 4-10, Abb. 4-11).
Die Rekombination von Radikalstellen
aus unterschiedlichen Ketten führt
zur gewünschten Kettenverknüpfung
(C–C-Bindungen).
Für die Strahlenvernetzung eignet
sich das Compound Lupolen 4261 A
Q 416. Es enthält bereits Verarbei-
tungs- und Anwendungsstabilisato-
ren sowie geringe Mengen Polyethyl-
vinylacetat (EVA). Das Produkt ist
sowohl hinsichtlich Herstellprozess
als auch Heisswasseranwendung
optimiert.
Das enthaltene Polyethylvinylacetat
vermeidet Durchschläge bei der
Vernetzung auf kleineren, leistungs-
schwächeren Bestrahlungsanlagen
(< 2,5 MeV).
Der Mindestvernetzungsgrad (DIN
16892) für PEXc-Rohre beträgt 60 %.
1. Makroradikalbildung
2. Vernetzung
(nach der Extrusion,im festen Zustand)
(nach der Extrusion,im festen Zustand)
PE-Kette Radikale(1 Makroradikal + 1 Wasserstoffradikal)
Verbundene PE-Ketten(Wasserstoffatome verstecktzugunsten einer klareren Struktur)
Elektronen
+Wasser-stoff(Gas)
Abb. 4-10: Mechanismus der Strahlenvernetzung
Elektronenstrahlen
Eindringen von Elektronen in Materie,dabei erfolgt eine Anregungund Ionisierung von Molekülenim bestrahlten Material
Eindringtiefe der Elektronen
Primärelektronen
Sekundärelektronen
bestrahlte Materie
1
4
3
2
2
3
4
1
Abb. 4-11: Schematische Darstellung der Vernetzung im Material
(Bild: Fa. Beta Gamma Service)
64
Abb. 4-12: Schematische Darstellung der Radikalbildung
durch Spaltung von kovalenten Bindungen
(Bild: Fa. Beta Gamma Service)
Abb. 4-13: Elektronenbeschleuniger (Bild: Fa. Golan Plastics)
Abbildung 4-13 zeigt eine Beschleuni-
gereinheit einer kontinuierlich arbei-
tenden Strahlungsvernetzungsanlage
und in Abb. 4-15 ist der schematische
Aufbau einer solchen Einheit illustriert.
4.3.3.2 Verfahren zur Herstellung
strahlenvernetzter Rohre
Extrusion und Vernetzung finden in
zwei räumlich und zeitlich getrennten
Schritten statt. Aus diesem Grund
kann die Extrusion auf konventionel-
len Extrusionsanlagen erfolgen. Das
Rohr aus Lupolen 4261 A Q 416 wird
extrudiert und auf großen Trommeln
(Länge bis 10. 000 m) aufgewickelt.
Zum Vernetzen wird das Rohr abge-
wickelt und durchläuft mehrfach mit
hoher Geschwindigkeit das Bestrah-
lungsfenster des Elektronenbeschleu-
nigers (Abb. 4-14). Als Folge der
Bestrahlung werden H-Atome aus
den PE-Ketten herausgelöst und H2
freigesetzt. Gleichzeitig erwärmt sich
das Rohr auf Temperaturen bis 90 °C.
Da die Vernetzung im Gegensatz zur
peroxidischen Vernetzung im festen
Zustand erfolgt, findet die Vernet-
zung im Wesentlichen in den amor-
phen Bereichen statt. Dementspre-
chend bleibt der Kristallisationsgrad
und damit die Dichte nahezu unver-
ändert. Zur Erzielung des geforderten
Vernetzungsgrades von > 60 % ist
i.d.R. eine Strahlendosis von 100 – 150
kGy erforderlich (Gray: 1 kGy = 1 kJ/kg
= 0,1 Mrad (alte Einheit)). Für Haus-
installationsrohre (Durchmesser:
10 bis 35 mm, Wanddicke: 1,2 bis 3)
übliche Beschleunigerspannungen
liegen zwischen 1,5 und 5 (10) MeV.
65
Abb. 4-15: 10 MeV-Elektronenbeschleuniger
(Bild: Fa. Beta Gamma Service)
Abb. 4-14: Schematische Darstellung des Aufbaus einer Vernetzungsanlage
(Bild: Fa. Beta Gamma Service)
5. Ablenkmagnete für den Elektronenstrahl
6. Vakuumpumpe
7. Elektronenkanone
8. Ausgang für 10 MeV-Elektronen
1. Kupferbeschichteter Hohlraum
2. RF-Verstärker
3. Kühlsystem
4. Haltering für die Magnete
7
8
4
132
5
6
66
Zur Herstellung von Formstücken,
die in Rohrsystemen in großen Stück-
zahlen erforderlich sind, ist das
Spritzgießen das gebräuchlichste Ver-
fahren. Beispiele für Formstücke sind
Schweißfittings (Abb. 5-1), Winkel-
stücke für 90°-T-Stücke oder 45°-T-
Stücke, Muffen, Reduzierstücke für
den Übergang auf andere Rohrdurch-
messer, Bundbuchsen oder Vorschweiß-
bunde.
5.1 Granulatvorbehandlung
Zur Trocknung des Granulats gelten
die gleichen Hinweise wie beim
Extrudieren (siehe 3.2.2 Granulat-
vorbereitung, S. 45).
Spritzgießen der Formstücke
Zur Herstellung von Formstücken, die in Rohrsystemen ingroßen Stückzahlen erforderlich sind, ist das Spritzgießendas gebräuchlichste Verfahren.
Abb. 5-1: Elektroschweißfittings aus Hostalen CRP 100
(Foto: Fa. Streng)
(Foto: Fa. Streng)
67
5.2 Maschinenseitige
Voraussetzungen für
das Spritzgießen
Die Fertigung von Formstücken erfolgt
größtenteils auf Spritzgießmaschinen
herkömmlicher Bauart.
In der Plastifiziereinheit werden vor-
zugsweise Schnecken mit Rückström-
sperre eingesetzt. Gebräuchlich sind
Dreizonenschnecken mit 15 bis 25 · D
Länge. Für eine ausreichende ther-
mische Homogenität sind längere
Schnecken (über 18 bis etwa 25 · D)
günstig. Zusätzliche Mischelemente
ebenso wie statische Mischer zeigen
im Allgemeinen keine signifikanten
Vorteile. Sonderausrüstungen, zum
Beispiel zur Entgasung, sind nicht
erforderlich.
5.3 Werkzeuge
Für den Bau von Werkzeugen für
Formstücke gelten die für Spritzgieß-
werkzeuge allgemein anzuwendenden
Erkenntnisse.
Für die Entscheidung, ob ein Einfach-
oder ein Mehrfachwerkzeug gebaut
werden soll, sind die Formteilgröße
und Formteilgestalt, die Daten der
für die Fertigung vorgesehenen
Spritzgießmaschine und die Stückzahl
maßgebend. Die Wahl zwischen Heiß-
und Kaltkanalwerkzeugen richtet
sich primär nach wirtschaftlichen
Gesichtspunkten.
Die Verarbeitung von den Hostalen-
und Lupolen-Werkstoffen auf Heiß-
kanalwerkzeugen ist Stand der Tech-
nik. Es ist jedoch zu beachten, dass
nicht alle am Markt befindlichen
Systeme gleichermaßen geeignet
sind. Insbesondere ein genügend
großer Querschnitt im Verteiler und
in den Düsen ist ein entscheidendes
Kriterium für die Verarbeitbarkeit
dieser hochmolekularen PE-Typen.
Besondere Aufmerksamkeit kommt
bei Formstücken einer ausreichenden
Kernfixierung, mitunter komplizier-
ten Entformungsmechanismen und,
zur Erzeugung eines optimalen Füll-
bilds, speziellen Angusssystemen zu.
Als Beispiele seien hier Zwangsent-
formungen (wie etwa O-Ring-Nuten)
oder Kernteilungen zur Entformung
innerer Hinterschnitte genannt.
Zur Erzeugung eines gleichmäßigen
Schmelzeflusses eignen sich Ringan-
gusssysteme mit exzentrischer Wand-
dickenverteilung. Viele dieser techni-
schen Lösungen sind patentrechtlich
geschützt.
Zur wirksamen Kühlung langer Werk-
zeugkerne haben sich unter der
Oberfläche liegende Kühlwendeln
bewährt.
Bereits in der Planungsphase des Werk-
zeugs können mit Hilfe computerge-
stützter Methoden der Füllvorgang
(z.B. mit der Software MOLDFLOW
oder CADMOULD) sowie die mechani-
schen und thermischen Verhältnisse
im Werkzeug simuliert werden. Soweit
verfügbar stellt Basell die rheologi-
schen Datensätze für MOLDFLOW auf
Anfrage zur Verfügung. Nachträgliche
Korrekturen bei der Herstellung des
Werkzeuges lassen sich dadurch auf
ein Mindestmaß beschränken.
68
5.4 Verarbeitung
Die Produktion von Formstücken für
Druckrohre ist ein Sondergebiet des
Spritzgießens von HDPE und PP.
Formstücke müssen als Teil des Rohr-
systems die gleichen hohen Anforde-
rungen hinsichtlich mechanischer
Festigkeit und Zeitstandverhalten er-
füllen wie das Rohr selbst. Sie müssen
daher aus den hochmolekularen, zähen
und damit auch schwerfließenden
Werkstoffen für die Rohrextrusion
hergestellt werden, die im Spritz-
gießen schwer zu verarbeiten sind.
Die Hostalen-, Hostalen PP- und
Lupolen-Werkstoffe lassen sich ohne
weiteres zu dickwandigen Formstük-
ken verarbeiten. Der Konstrukteur
des Werkzeugs und der Bediener der
Spritzgießmaschine müssen jedoch
große Erfahrungen bei Anwendung
und Verarbeitung von hochmolekula-
rem HDPE haben.
Das Material verhält sich in der
Schmelze anders als niedermoleku-
lare Spritzgießtypen. Der aus der
Düse austretende Schmelzestrang hat
eine hohe Molekülorientierung. Auf
Grund der hohen Molekülorientierung
sind am Fertigteil häufig Schlieren
sichtbar, die von Stick-Slip-Effekten
bei der Formfüllung herrühren. Die
Orientierung der Schmelze führt bei
runden Teilen durch die hohe Schwin-
dungsdifferenz zwischen Fließrichtung
und quer dazu leicht zu ovalisieren-
dem Verzug.
Die Bindenähte haben großen Einfluss
auf die Zeitstandfestigkeit eines Form-
stücks. Ihre Lage ist durch die Anguss-
lage vorbestimmt. Es ist anzustreben,
die Bindenähte außerhalb der Bereiche
zu legen, in denen unter Belastung
des Formstücks geometriebedingt
höhere Spannungen auftreten.
Abbildung 5-2 zeigt den Einfluss des
Angusssystems und seiner Platzierung
auf die im Innendruckversuch ermit-
telte Standzeit von T-Formstücken
mit einem Durchmesser von 63 mm.
Durch den Schmelzezusammenfluss
entstehen Bindenähte, die zu einer
Schwächung des Formstücks führen
können. Je mehr solche Schwachstel-
len auf Grund der Angussart und
Angusslage entstehen, umso kürzer
ist die Standzeit. Vergleichende
Versuche mit T-Formstücken haben
gezeigt, dass die Verwendung von
Y-förmigen Innenschirmangüssen die
besten Zeitstandergebnisse liefert.
Durch die gleichmäßige Formfüllung
ohne Bindenähte weisen diese Form-
stücke auch die geringste Ovalität
auf. Mit Abstand die schlechtesten
Zeitstandwerte zeigten T-Formstücke
mit Rückenanguss. Formstücke
mit Seiten- bzw. Ringanguss liegen
dazwischen.
Die gegenüber konventionellen
Spritzgusstypen vergleichsweise hohe
Schmelzeviskosität von Werkstoffen
für die Rohrextrusion erfordert beim
Spritzgießen von Formstücken mit
zumeist geringen Wanddicken und
langen Fließwegen, wie sie z.B.
bei Hausabflussrohren verwendet
werden, eine Verarbeitung bei relativ
hohen Massetemperaturen.
relative Vergleichsspannung [%]
Belastungsdauer [h]log t
log
Rückenanguss Seitenanguss Ringanguss
Y-Anguss
Fließnähte
100
80
60
Abb. 5-2: Einfluss des Angusssystems auf die Standzeit von T-Stücken aus
Hostalen, Durchmesser 63 mm, Zeitstandtest bei 80 °C
69
5.4.1 Zylindertemperaturen,
Massetemperatur
Die Massetemperatur sollte zwischen
230 und 280 °C liegen. Die dazu not-
wendigen Zylinder- und Düsentempe-
raturen sind in Abbildung 5-3 zusam-
mengestellt. Die Temperatur der
Schmelze im Schneckenvorraum kann
manuell durch Einstechmessgeräte
ermittelt werden. Bei Abweichungen
müssen die Einstellungen der Zylinder-
und Düsenheizung korrigiert werden.
Die Massetemperatur sollte grundsätz-
lich überprüft werden; die in der Spritz-
gießmaschine integrierten Masse-
temperaturfühler zeigen meist nicht
die Ist-Temperatur der Schmelze an.
Die erforderliche Massetemperatur
wird einerseits durch die Zylinderhei-
zung (Wärmezufuhr von außen), an-
dererseits durch Friktion (Wärmezufuhr
durch innere und äußere Reibung, be-
dingt durch die Drehung der Schnecke
und den Staudruck) erreicht.
5.4.2 Werkzeugwandtemperaturen
Die Abkühlgeschwindigkeit – und
damit die Kühlzeit und die Zyklus-
zeit – wird von der Werkzeugwand-
temperatur und der Formteildicke
bestimmt. Eine zu schnelle Abküh-
lung der Schmelze mit dem Ziel,
kürzere Kühl- bzw. Zykluszeiten zu
erreichen, ist zugunsten der Form-
teilqualität zu vermeiden.
Die Temperaturführung im Werkzeug
ist für die Höhe der Nachschwindung,
die Differenz der Schwindung in Fließ-
richtung und quer dazu sowie für
das Verzugsverhalten verantwortlich.
eine Werkzeugwandtemperatur von
20 °C wählen, muss mit einer nicht
optimalen Bauteiloberfläche (starke
Schlieren) und einer Schwächung
der Bindenähte gerechnet werden.
2
3
4
TM
pSt pN pSP
TW2TW1
T1 = 190°CT2 = 210°CT3 = 220°CT4 = 240°CTD = 250°CTM = 200 bis 280°C(Hostalen PP H7350FLS 303064TM = 200 bis 230°C)
TD T4 T3 T2 T1
Einspritzdruck pSp = 600 bis max. DruckNachdruck pN = 50-100% des EinspritzdrucksStaudruck pSt = 50 bis 200 barEinspritzgeschwindigkeit: möglichst hoch,abhängig vom FormteilDüsenbauart: vorzugsweise geschlossen
Hostalen PP
T1 = 190°CT2 = 210°CT3 = 220°CT4 = 240°CTD = 260°CTM = 230 bis 280°C
Einspritzdruck pSp = 500 bis 1.000 barNachdruck pN = 400 bis 500 barStaudruck pSt = 30 bis 200 barEinspritzgeschwindigkeit: niedrig, gestuftTW1, TW2 = 30 bis 70°CDüsenbauart: vorzugsweise geschlossen
Hostalen HDPE
Abb. 5-3: Typische Verarbeitungsbedingungen beim Spritzgießen
hochmolekularer Hostalen- und Hostalen PP-Typen
Tab. 5-1: Veränderungen am Formstück bei steigender Werkzeugwandtemperatur
Die Werkzeugwandtemperatur sollte
70 °C (Einstellwert am Temperiergerät
mindestens 50 °C) betragen. Ihren
Einfluss auf Formteileigenschaften
und Verarbeitungsparameter zeigt
Tabelle 5-1. Sollte der Verarbeiter
aus Gründen kurzer Zykluszeiten
Steigende Werkzeugtemperatur ergibt
Abnahme von Zunahme von
Verzugsneigung Kühlzeit
Nachschwindung Siegelzeit
Schwindungsdifferenz im Formnest wirksame Nachdruckzeit
Eigenspannungen Rekristallisation
Orientierungsgrad Dichte
Spannungsrissanfälligkeit Härte
Formfüllwiderstand Steifigkeit, Maßbeständigkeit
70
5.4.3 Plastifizierbedingungen
Die Schneckendrehzahl sollte so hoch
gewählt werden, dass die Masse 2
bis 5 s vor dem Öffnen des Werkzeugs
vollständig plastifiziert ist.
Der spezifische Staudruck pst beim
Plastifizieren sollte zwischen 30 und
100 bar liegen. Ein hoher Staudruck
verbessert die Homogenität der hoch-
molekularen Schmelze entscheidend.
5.4.4 Einspritzdruck und
Nachdruck
Der Einspritzdruck ist erforderlich, um
die Schmelze in den Werkzeughohl-
raum zu befördern. Der Nachdruck
muss die beim Erstarren einsetzende
Volumenkontraktion wenigstens teil-
weise ausgleichen. Der erforderliche
Einspritzdruck hängt von der Visko-
sität der Schmelze, dem Verhältnis
von Fließweg zu Wanddicke und
der Angussart ab. Er liegt bei dick-
wandigen Formstücken in der Regel
zwischen 500 und 1.000 bar.
Bei der Herstellung dickwandiger
Formstücke aus Werkstoffen für die
Rohrextrusion hat sich gezeigt, dass
Einspritzdruck und Nachdruck im
Verhältnis 1 : 0,5 zu wählen sind.
Für den Volumenausgleich und zum
Aufrechterhalten des Drucks ist ein
Massepolster erforderlich, das etwa
1/10 des Schussvolumens beträgt.
Von gleicher Bedeutung wie die Höhe
des Nachdrucks ist die Zeit, während
der der Druck wirksam ist. Die Nach-
druckzeit muss so bemessen sein,
dass durch einen plastischen Kern im
Anschnitt genügend Schmelze nach-
geschoben werden kann, um die mit
dem Abkühlen der Schmelze von Ver-
arbeitungs- auf Erstarrungstempera-
tur verbundene Volumenkontraktion
auszugleichen. Die Nachdruckzeit be-
trägt meist mehr als 40 % der Gesamt-
zykluszeit.
Die Schnecken-Vorlaufgeschwindig-
keit bestimmt die Einspritzgeschwin-
digkeit. Sie soll bei dickwandigen
Formstücken nur so hoch eingestellt
werden, dass die Werkzeughöhlung
ohne Einfallstellen gefüllt wird. Es
soll mit möglichst niedriger Einspritz-
geschwindigkeit gearbeitet werden.
Damit ist ein deutlicher Anstieg der
Formteilzähigkeit zu verzeichnen.
Die Entformungstemperatur beträgt
in der Regel 80 °C.
5.4.5 Zykluszeit
Da aus den hochmolekularen Werk-
stoffen überwiegend dickwandige
Formstücke hergestellt werden,
ist mit sehr langen Zykluszeiten zu
rechnen.
5.5 Fließverhalten und
Fließweglängen
Thermoplaste zeigen in der Schmelze
ein viskoses Fließen, wie in Abschnitt
3.1.1 (S. 42) ausführlich beschrieben
ist. Die Viskosität der Schmelze ist
von der Temperatur und der Scherge-
schwindigkeit abhängig. Mit zuneh-
mender Schergeschwindigkeit nimmt
die Viskosität ab, die Masse fließt
leichter.
Die beim Spritzgießprozess auftreten-
den Schergeschwindigkeiten liegen im
Bereich von 103 bis 104 s-1. Die Scher-
geschwindigkeit nimmt im Formhohl-
raum ab und ist in der Nachdruckphase
sehr gering.
Für rheologische Berechnungen von
Spritzgießwerkzeugen stehen die
Viskositätskurven (Viskosität über
der Schubspannug bei gegebener
Schmelzetemperatur) der einzelnen
Hostalen-, Hostalen PP und Lupolen-
Typen zur Verfügung. Diese zeigen,
dass mit wachsender Schergeschwin-
digkeit die Viskosität ab- und die
Schubspannung zunimmt. Die indi-
viduellen Daten zu den unterschied-
lichen Basell-Werkstoffen können bei
Bedarf angefordert werden.
Weiterhin dienen zur Charakterisie-
rung der Fließfähigkeit der Schmelz-
index MFR 190/5 nach ISO 1133
sowie die Länge einer unter definier-
ten Bedingungen spritzgegossenen
Spirale. Dieser Spiraltest ermöglicht
eine praxisgerechte Beurteilung der
in einem Spritzgießwerkzeug erreich-
baren Fließweglänge. Beim Spiraltest
wird die plastifizierte Formmasse in
ein Werkzeug mit einem langen Fließ-
kanal gespritzt, der aus Platzgründen
spiralförmig angeordnet ist.
71
Dabei erstarrt die Schmelze nach
einer bestimmten Fließweglänge ent-
sprechend ihrer Viskosität und ihrer
Kristallisationsgeschwindigkeit.
Die Fließfähigkeit ist vom PE-Typ,
von den Verarbeitungsbedingungen
(Schmelzetemperatur, Einspritzge-
schwindigkeit, Einspritzdruck, Werk-
zeugtemperatur) sowie von Dicke
und Breite des Fließkanals der Spirale
abhängig.
Bei Spritzgießwerkzeugen für Form-
stücke wird die erreichbare Fließweg-
länge durch Art und Größe des An-
gusskanals und des Anschnitts sowie
durch Fließhindernisse wie Umlenkun-
gen des Schmelzestroms beeinflusst.
Der Spiraltest stellt deshalb eine Ver-
einfachung dar, dessen Ergebnisse
jedoch als Richtwerte gute Dienste
leisten.
Die Fließweglänge über der Wand-
dicke (1 bis 5 mm) für Hostalen CRP
100 black, Hostalen GM 5010 T3
black und Hostalen GM 9310 C sen-
den wir Ihnen auf Anfrage gerne zu.
5.6 Maßgenauigkeit
und Schwindung
Die Maßgenauigkeit von Spritzguss-
teilen wird bestimmt durch die Form-
masse (Längenausdehnungskoeffi-
zient, Verarbeitungsschwindung,
Nachschwindung, Einfärbung) sowie
durch Formteilgeometrie, Werkzeug-
bauart, Spritzgießmaschine, Herstell-
und Einsatzbedingungen.
Bei der Schwindung unterscheidet
man zwischen der Verarbeitungs-
schwindung VS und der Nachschwin-
dung NS. Die Summe daraus wird als
Gesamtschwindung GS bezeichnet.
Die Verarbeitungsschwindung ergibt
sich als Differenz aus den Maßen des
kalten Werkzeugs und des kalten
Formteils:
VS = Verarbeitungsschwindung
MW = Maß des kalten Werkzeugs
Mf = Maß des kalten Formteils
Die Schwindung ist abhängig von den
Verarbeitungsbedingungen sowie von
der Auslegung des Formteils und des
Werkzeugs (Tab. 5-2). Der Innendruck
im Formnest nimmt mit der Entfernung
vom Anschnitt ab; Lage, Form und
Anzahl der Angüsse beeinflussen die
Orientierung. Dies erklärt die oft unter-
schiedliche Schwindung an verschie-
denen Stellen komplizierter Formteile.
Die Verarbeitungsschwindung sollte
24 h nach dem Spritzgießen ermittelt
werden, da bis zu dieser Zeit Nachkri-
stallisation und Relaxation von
Eigenspannungen noch deutliche
Maßänderungen bewirken können.
An einer Schweißmuffe (Durchmesser
32 mm, Wanddicke 6 mm) aus den
hochmolekularen Hostalen-Typen CRP
100 und GM 5010 T3 wurde beispiel-
haft eine Verarbeitungsschwindung
von 4,8 % bis 6,1 % für den Durchmes-
ser gemessen. Parallel zur Spritzrich-
tung lag die Verarbeitungsschwindung
zwischen 2,7 und 3,3 %.
Tab. 5-2: Einflussgrößen auf das Schwindungsverhalten
Zunehmend Schwindung Schwindung
nimmt zu nimmt ab
Massetemperatur teilweise
Entformungstemperatur deutlich
Einspritzzeit teilweise
Entfernung vom Anguss deutlich
Nachdruck deutlich
Nachdruckzeit deutlich
Zykluszeit teilweise
Spritzdruck deutlich
Wanddicke deutlich
Angussquerschnitt deutlich
Werkzeugtemperatur deutlich
Staudruck nur gering
Einspritzgeschwindigkeit nur gering
5-1
VS = (MW - Mf)/MW · 100 %
72
Beim Spritzgießen von sehr dickwan-
digen Formstücken ist die Schwindung
nicht unbedingt größer als bei dünn-
wandigen Teilen: Bei großer Wand-
dicke und entsprechendem Anschnitt
kann genügend lange Schmelze nach-
gedrückt werden. Dies kompensiert
die Schwindung zum Teil (Abb. 5-4).
Hinweis: Die Messung der Schwindung
erfolgte an so genannten Campus-
Platten 60 mm · 60 mm · 4 mm Wand-
dicke, längs und quer zur Fließrich-
tung. Es handelt sich folglich um eine
so genannte Flächenschwindung.
Die Schwindung ist längs und quer
zur Fließrichtung unterschiedlich
(Abb. 5-5). Diese Schwindungsdiffe-
renz ist nur teilweise über die Verar-
beitung beeinflussbar. Die Einfluss-
nahme auf das Schwindungsverhalten
ist über Verarbeitungsparameter
begrenzt möglich (bis 0,2 %).
Der Unterschied zwischen Verarbei-
tungsschwindung VS und Gesamt-
schwindung GS von hochmolekularen
Hostalen- und Lupolen-Typen ist gering,
d.h. die Nachschwindung liegt im
Bereich von 0,1 bis 0,2 %, ist aber
abhängig von den Verarbeitungsbe-
dingungen an der Spritzgießmaschine.
Schwindung in Fließrichtung [%]
Wanddicke [mm]1
5
4
3
2
1
00 2 3 4 5 6
Abb. 5-4: Abhängigkeit der Gesamtschwindung von der Wanddicke bei
Hostalen GM 5010 T3 black und Hostalen CRP 100 black, Platte 120 mm x 80 mm.
Verarbeitungsparameter:
Massetemperatur: 270 °C
Werkzeugwandtemperatur: 60 °C
Einspritzdruck: 1.000 bar
Nachdruck: 500 bar
Staudruck: 30 bar
Gesamtschwindung in % senkrecht zur FließrichtungGesamtschwindung in % parallel zur Fließrichtung
GM 5010 T3black
0
2
3
4
CRP 100black
GM 9310 Cblack
1
GM 5010 T3black
0
2
3
4
CRP 100black
GM 9310 Cblack
1
Abb. 5-5: Gesamtschwindung der Hostalen-Typen CRP 100 black, GM 5010 T3
black und GM 9310 C black parallel und senkrecht zur Fließrichtung.
Verarbeitungsparameter:
Massetemperatur: 260 °C
Werkzeugwandtemperatur: 40 °C
Einspritzdruck: 1.500 bar
Nachdruck: 900 bar
Staudruck: 10 bar
73
Rohre und Rohrleitungsteile aus
Polyolefinen lassen sich auf thermi-
schem oder mechanischem Weg mit-
einander verbinden. Gleiche Werkstoffe
können miteinander verschweißt
werden. Polyethylen läßt sich nicht
mit Polypropylen verschweißen. Die
wichtigsten thermischen Verfahren
sind das Heizelement-Stumpfschwei-
ßen und das Heizwendelschweißen.
Die Steck- und die Klemmverbin-
dungstechnik ergeben mechanische
Verbindungen. Die üblichen Anwen-
dungsgebiete sind in Tabelle 6-1 über-
sichtlich aufgeführt.
6.1 Schweißen von
unvernetzten Rohren
Beim Schweißen werden die Verbin-
dungsflächen der zu schweißenden
Materialien unter Anwendung von
Wärme und Druck plastifiziert und
mit oder ohne Schweißzusatz zusam-
mengefügt. Nach wissenschaftlichen
Erkenntnissen geht man heute von
der Vorstellung aus, dass die aufge-
schmolzenen Grenzbereiche der Füge-
flächen ineinander fließen und sich
die Makromoleküle in der viskoelasti-
schen Schmelze durchdringen und
verknäulen.
Die Güte einer Schweißverbindung ist
auch abhängig von der Qualifikation
des Schweißers, der Eignung der ver-
wendeten Maschinen und Vorrichtungen
sowie der Einhaltung der Schweißricht-
linien. Die Qualität von Schweißver-
bindungen kann durch zerstörungs-
freie und zerstörende Prüfungen
überprüft werden.
Rohrverbindungstechnik
Rohre und Rohrleitungsteile aus Polyolefinen lassen sichauf thermischem oder mechanischem Weg miteinanderverbinden. Die wichtigsten thermischen Verfahren sinddas Heizelement-Stumpfschweißen und das Heizwendel-schweißen.
Tab. 6-1: Anwendungsgebiete der mechanischen und thermischen Verbindungstechnik für Rohre aus HDPE und PP
Durchmesser Anwendungsgebiet Haupteinsatzgebiet
Klemmverbinder bis 250 mm Gas und flüssige Medien, niedere Drücke Hausanschlüsse
Steckverbinder bis 160 mm Gas und flüssige Medien, niedere Drücke Hausanschlüsse
Heizelement-Stumpf- bis 1.600 mm Gas und flüssige Medien, Gas-/Wasserleitungen
schweißen alle Druckstufen großen Durchmessers
Heizwendel- bis 500 mm Gas und flüssige Medien, Gas-/Wasserleitungen bis
schweißen alle Druckstufen d 500 mm, Mischwerkstoffe
(PE 63/80/100), Reparaturen
Heizelement- bis 160 mm bevorzugt Polypropylen, Hausinstallation, bis 10 bar
Muffenschweißen Heiß- und Kaltwasser
74
Für die Anforderungen an das
Schweißen und Prüfen von Rohr-
leitungssystemen, die nach deut-
scher Norm verlegt werden, gelten
die Richtlinien des DVS (Deutscher
Verband für das Schweißen und
verwandte Verfahren e.V.): DVS 2207
Teil 1, „Schweißen von thermoplasti-
schen Kunststoffen-Heizelement-
schweißen von Rohren, Rohrlei-
tungsteilen und Tafeln aus PE-HD“,
DVS 2207 Teil 11, „Schweißen von
thermoplastischen Kunststoffen –
Heizelementschweißen von Rohren,
Rohrleitungsteilen und Tafeln aus
PP“. Für den Praktiker werden Kurz-
fassungen dieser Merkblätter heraus-
gegeben. Weiterhin gelten die DVGW
Regelwerke.
6.1.1 Schweißeignung von
Hostalen und Lupolen
In der Richtlinie DVS 2207 Teil 1,
Fassung vom August 1995, ist die
Schweißeignung definiert. In dieser
Richtlinie ist im Hinblick auf die
Schweißeignung festgelegt:
Unter Beachtung der folgenden
Anweisungen kann von einer
Eignung innerhalb der Schmelz-
indexwerte MFR 190/5 von 0,3 bis
1,7 g/10 min ausgegangen werden.
Außerhalb des Schmelzindexberei-
ches ist der Eignungsversuch im
Zeitstand-Zugversuch nach DVS 2203
Teil 4 zu führen.
Alle PE 80-Werkstoffe der Basell
liegen innerhalb der Eignungsgrenzen.
Die Schweißeignung ist ohne geson-
derte Prüfung gegeben.
Für Hostalen CRP 100 mit einem MFR
190/5 von 0,22 g/10 min ist die
Schweißeignung gemäß DVS 2203
Teil 4 mit dem erforderlichen Schweiß-
faktor von > 0,8 nachgewiesen
(Bericht Nr. R 96 01 012 der Hessel
Ingenieurtechnik GmbH, Roetgen).
Der Nachweis ist erbracht für die Far-
ben black, blue und orange-yellow
sowie für die Verschweißbarkeit von
Hostalen CRP 100 mit Hostalen GM
5010 T3. Weitere Prüfungen über Ver-
schweißbarkeit mit PE-Werkstoffen
anderer Hersteller wurden ebenfalls
durchgeführt und können auf Anfra-
ge mitgeteilt werden.
6.1.2 Erläuterung der beim
Schweißen verwendeten
Begriffe
Angleichen
Beim Angleichen werden die zu schwei-
ßenden Fügeflächen so lange an das
Heizelement gedrückt, bis sie flächig
und planparallel am Heizelement an-
liegen. Dies ist an der Ausbildung
zweier umlaufender Wülste zu erken-
nen. Das Angleichen ist abgeschlos-
sen, wenn die Wulsthöhen am gesam-
ten Rohrumfang die spezifizierten
Werte erreicht haben. Die Wulsthöhen
gelten als Indiz dafür, dass die Füge-
flächen vollständig am Heizelement
anliegen.
Anwärmen
Zum Anwärmen müssen die Flächen
mit geringem Druck am Heizelement
anliegen. Beim Anwärmen dringt
die Wärme in die zu schweißenden
Flächen ein und bringt diese auf
Schweißtemperatur.
Umstellen
Nach dem Anwärmen sind die Füge-
flächen vom Heizelement zu lösen.
Das Heizelement ist ohne Beschädi-
gung und Verschmutzung der erwärm-
ten Fügeflächen herauszunehmen.
Die Fügeflächen sind sofort miteinan-
der in Berührung zu bringen. Die
Umstellzeit ist so klein wie möglich
zu halten, da sonst die Oberfläche
der plastifizierten, auf Schweißtem-
peratur gebrachten Fügeflächen
abkühlt. Dies ergibt eine schlechte
Schweißverbindung.
75
Fügen
Die plastifizierten Flächen werden zu-
sammengefügt. Die zu schweißenden
Flächen sollen bei Berührung mit einer
Geschwindigkeit nahe null zusammen-
treffen. Danach ist der Fügedruck zü-
gig auf den Endwert von 0,15 N/mm2
zu steigern. Der Fügedruck ist gemäß
DVS 2207 während der Abkühlzeit
aufrechtzuerhalten. Während dieser
Zeit darf die Verbindung nicht belastet
werden. Eine nennenswerte Belastung
ist erst nach einer verlängerten
Abkühlzeit zulässig, wenn die Werk-
stofftemperatur im Innern der Naht-
verbindung nahezu auf die Rohrwand-
temperatur abgesunken ist.
Nach dem Fügen soll auf dem ganzen
Umfang ein Doppelwulst vorhanden
sein. Die Wulstausbildung gibt erste
Hinweise auf die Gleichmäßigkeit
der Schweißung. Unterschiedliche
Wulstausbildungen können durch
verschiedenartiges Fließverhalten
(unterschiedliche Schmelzindizes) der
verbundenen Materialien begründet
sein.
6.1.3 Heizelement-Stumpf-
schweißen von Rohren
Das wichtigste Verfahren zum Verbin-
den von Rohren aus HDPE ist das Heiz-
element-Stumpfschweißen. Dieses
kostengünstige und einfache Verfah-
ren ist bei Großrohren mit mehr als
500 mm Durchmesser praktisch die
einzige Verbindungsmöglichkeit.
Beim Heizelement-Stumpfschweißen
(Abb. 6-1) werden die Fügeflächen
mit einem Heizelement auf Schweiß-
temperatur gebracht und die so pla-
stifizierten Rohrenden – nach Entfer-
nen des Heizelements – unter Druck
zusammengefügt. Die Heizelement-
temperatur beträgt 210 ± 10 °C.
Das Schweißen läuft in festgelegten
Verfahrensschritten ab. Sie sind in
Deutschland durch den DVS, in den
Niederlanden durch den NIL sowie
in Großbritannien durch den BGC
einheitlich beschrieben. Der Ablauf
eines Schweißzyklus ist in Abbildung
6-2 dargestellt.
Vorbereiten
Anwärmen
Fertige Verbindung
HeizelementRohr Rohr
Abb. 6-1: Prinzip des Heizelement-
Stumpfschweißens
Druck
Angleich undFügedruck
Anwärmdruck
Angleich-zeit Anwärmzeit
Umstellzeit
Füge- und Abkühlzeit
Zeit
Schweißzeit
HeizelementRohr Rohr
Abb. 6-2: Schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs des Heizelement-
Stumpfschweißens mit den entsprechenden Druckstufen nach DVS 2207 Teil 1
76
Abweichend von dem in den Normen
festgelegten Schweißzyklus hat WRC
(Großbritannien) in Zusammenarbeit
mit Pipeline Developments Ltd. in
einer Studie für Rohrleitungen mit
einer Wanddicke über 20 mm den in
Abbildung 6-3 dargestellten Schweiß-
zyklus ermittelt:
Das belgische Prüfinstitut Becetel
führte in Zusammenarbeit mit dem
Rohrhersteller Electrabel eine Unter-
suchung über neue Parameter für
das Heizelement-Stumpfschweißen
durch. Es ergab sich für Rohre mit
kleinem Durchmesser ein von Roh-
ren mit größerem Durchmesser
unterschiedlicher Schweißzyklus
(Abb. 6-4 und 6-5). Die empfohlenen
Drücke (D) und Zeiten (t) sind bei
den genannten Instituten zu erfragen.
Druck
Zeit
D1
D2
D52
D51
t1 t2 t3 t4 t51 t52
Abb. 6-3: Schweißzyklus WRC/Pipeline Developments,
prinzipielle Darstellung
Druck
Zeitt51t4t3t2
D51
D2
Abb. 6-4: Schweißzyklus Becetel/Electrabel für Rohre
110 mm < 0 < 250 mm, prinzipielle Darstellung
Zeitt52t51t3t2
Druck
D2
t4
D51
D52
Abb. 6-5: Schweißzyklus Becetel/Electrabel für Rohre
250 mm < 0 < 315 mm, prinzipielle Darstellung
77
enden mittels eines elektrischen
Schweißgeräts eine Spannung ange-
legt.
Der dadurch fließende Strom erwärmt
den Draht, der wiederum den ihn
umgebenden Kunststoff aufschmilzt.
Durch die Erwärmung schrumpft die
Muffe und bringt so den zum Schwei-
ßen erforderlichen Fügedruck auf.
Der für das Schweißen notwendige
Stromfluss ist am Schweißgerät in
Abhängigkeit von der Größe des
Formstücks einzustellen bzw. wird
vom Schweißgerät automatisch über-
nommen. Das Schweißen selbst läuft
automatisch ab. Eine nennenswerte
Belastung ist erst nach einer verlän-
gerten Abkühlzeit zulässig, wenn die
Werkstofftemperatur im Innern der
Nahtverbindung nahezu auf die Rohr-
wandtemperatur abgesunken ist.
Universell anwendbare Schweißgeräte,
die eine Schweißung von Formstücken
verschiedener Fabrikate ermöglichen,
sind inzwischen Stand der Technik.
6.1.5 Weitere Schweißverfahren
In der DVS-Richtlinie 2207 Teil 1 sind
folgende Schweißverfahren neben den
bereits erwähnten beschrieben:
• Heizelement-Stumpfschweißen
von Anbohrarmaturen,
• Heizwendelschweißen
von Anbohrarmaturen,
• Heizwendelschweißen
von Formstücken,
• Heizelement-Muffenschweißen.
Nicht als Standardverfahren ist das In-
frarotschweißen anzusehen. Experi-
mente zur Anwendung bei Gasrohren
sind u. a. vom Edison Welding Institute
Columbus, Ohio/USA, durchgeführt
worden.
6.1.6 Allgemein zu beachtende
Hinweise
Für die beschriebenen Schweißver-
fahren sind folgende allgemeine
Hinweise zu beachten:
• Mit Schweißarbeiten dürfen in
Deutschland nur solche Rohrlei-
tungsbaufirmen betraut werden,
die eine entsprechende Zulassung
besitzen (z.B. DVGW-Arbeitsblatt
GW 301) und über ausgebildete
und geprüfte Rohrschweißer ver-
fügen (z.B. DVGW-Arbeitsblatt GW
326 und GW 330). In anderen Län-
dern gelten ähnliche Richtlinien.
• Es muss sichergestellt sein, dass die
Werkstoffe untereinander schweiß-
bar sind. Dies ist innerhalb der ein-
zelnen Schmelzindexgruppen gemäß
der deutschen DVS-Richtlinie 2207,
Teil 1 gegeben (s. Abschnitt 6.1.1).
Die Werkstoffe von verschiedenen
Schmelzindexgruppen nach DIN
16776 Teil 1 sind auch untereinan-
der schweißbar. Hierbei kann es
vorkommen, dass durch das unter-
schiedliche Fließverhalten der mit-
einander schweißbaren Materialien
sich unterschiedlich große Schweiß-
wülste bilden.
• PE-Rohre vom Ringbund sind un-
mittelbar nach dem Abrollen meist
etwas oval. Die zu schweißenden
Rohrenden sind daher vor dem
Schweißen zu richten, beispielsweise
durch vorsichtiges Anwärmen auf
etwa 100 °C mit Hilfe eines Warm-
luftgeräts oder durch Einspannen in
passende Runddrückklemmen.
• Der Schweißbereich ist vor ungüns-
tigen Witterungseinflüssen (z.B.
Feuchtigkeitseinwirkung, Wind,
Temperatur unter 0 °C) zu schüt-
zen. Wenn durch geeignete Maß-
nahmen, wie Vorwärmen, Aufstel-
6.1.4 Heizwendelschweißen
Beim Heizwendelschweißen (Abb. 6-6)
verwendet man zum Verbinden der
Rohre Formstücke, deren Muffen Wider-
standsdrähte enthalten. Diese werden
bereits beim Fertigen der Formstücke in
das Werkzeug eingelegt und umspritzt.
Die Heizwendel-Muffenverschweißung
ist eine Verbindungsart für alle Kom-
binationen von PE 80 und PE 100. Sie
ergibt sehr stabile Verbunde, die, bei
korrekter Ausführung, keine Schwach-
stelle für das Rohrnetz bilden.
Für die Herstellung einwandfreier
Schweißverbindungen sind saubere
Oberflächen von entscheidender Be-
deutung. Die Rohroberfläche ist ent-
weder spanend oder mit einem Ent-
fettungsmittel zu reinigen. Damit keine
Undichtigkeit auftritt, darf die Rohr-
oberfläche keine Riefen aufweisen.
Nachdem das bearbeitete Rohr in die
Muffe eingeschoben wurde, sind die
zu schweißenden Teile durch geeig-
nete Maßnahmen bzw. Vorrichtungen
gegen Lageverschiebung zu sichern.
Beim Schweißen wird an die Draht-
Vorbereiten
Fertige Verbindung
Muffe Rohr
Abb. 6-6: Prinzip des Heizwendel-
schweißens
78
len eines Schutzzelts, Beheizen und
dergleichen, sichergestellt ist, dass
eine zum Schweißen ausreichende
und über den Rohrumfang gleich-
mäßige Rohrwandtemperatur im
Arbeitsbereich eingehalten wird,
kann auch bei niedriger Außentem-
peratur gearbeitet werden. Gege-
benenfalls ist durch Herstellen von
Probenähten unter den genannten
Bedingungen ein zusätzlicher Nach-
weis zu führen (s. u.).
• Falls die Gefahr besteht, dass sich
das Rohr infolge Sonneneinstrah-
lung ungleichmäßig oder zu stark
erwärmt, ist durch Sonnenschutz
im Bereich der Schweißstelle ein
Temperaturausgleich zu schaffen.
• Rohre und Rohrleitungsteile müssen
an ihren Fügeflächen zusammenpas-
sen. Rohre müssen an den Stirnseiten
eben und rechtwinklig zur Rohrachse
geschnitten sein. Die Rohrenden
sollten vor dem Schweißen axial-
symmetrisch zentriert werden. Zu
stark eingefallene Rohrenden sind
abzutrennen.
• Um ein Abkühlen durch Luftzug im
Rohr zu vermeiden, sind die den
Schweißstellen entgegengesetzten
Rohrenden zu verschließen.
• Die Fügeflächen der Rohre sind vor
dem Schweißen spanend zu bearbei-
ten. Die Verbindungsflächen der zu
schweißenden Teile dürfen nicht be-
schädigt und müssen frei von Verun-
reinigungen (Schmutz, Fett, Späne
usw.) sein. Sie dürfen daher auch
nicht mit den Händen berührt wer-
den. Die mechanische Bearbeitung
und Reinigung der Verbindungs-
flächen muss unmittelbar vor dem
Schweißen erfolgen. Heizelemente
sind vor und nach dem Schweißen
mit sauberem, nicht faserndem Pa-
pier und z.B. mit Spiritus zu reinigen.
• Heizelemente dürfen erst dann ein-
gesetzt werden, wenn sich in ihnen
ein thermisches Gleichgewicht einge-
stellt hat. Dies ist in der Regel erst
fünf Minuten nach Erreichen der vor-
geschriebenen Heizelement-Tempe-
ratur gegeben. Die Heizelement-Tem-
peratur ist im Arbeitsbereich des
Heizelements zu kontrollieren. Ein-
gebaute Thermometer dienen nur der
Orientierung. Der Schweißbereich
ist während des Schweißens und bis
zur völligen Abkühlung von äußeren
Spannungen freizuhalten. Schroffes
Abkühlen des Schweißnahtbereichs
oder die Anwendung von Kühlmitteln
ist unzulässig.
6.1.7 Prüfen der
Schweißverbindungen
Zum Prüfen von Schweißverbindungen
gibt es zerstörungsfreie und zerstö-
rende Prüfungen.
Zerstörungsfreie Prüfungen sind
visuelle Prüfung, Ultraschall- und
Röntgenprüfung.
Bei der visuellen Prüfung werden
die Schweißungen nach folgenden
Gesichtspunkten untersucht:
• Die Schweißwülste sollen gleichmä-
ßig, rund und überall sichtbar sein.
• Alle Wülste sollen annähernd gleich
groß sein.
• Die Wulstoberflächen sollen glatt
sein.
• Die Wülste sollen möglichst kerb-
frei sein.
• Der Rohrversatz darf 10 % der Rohr-
wanddicke nicht überschreiten.
Die Ultraschallprüfung arbeitet nach
dem Prinzip der Reflexion von Schall-
wellen. Durch Reflexionen an den
Grenzflächen können Bindefehler,
Risse und Lunker auf dem Bildschirm
sichtbar gemacht werden.
Bei der Röntgenprüfung macht man
sich die Absorption von Röntgenstrah-
len zunutze. Bindefehler, Risse und Lun-
ker lassen die Strahlung ungeschwächt
passieren und bilden so die Fehler als
Kontrast auf einem Film ab. Näheres
über Ultraschall- und Röntgenprüfung
siehe Merkblatt DVS 2206.
Zerstörende Prüfungen sind der Kurz-
zeitzugversuch, der so genannte
technologische Biegeversuch und der
Zeitstand-Zugversuch.
79
Der sich aus dem Kurzzeitzugversuch
ergebende Kurzzeitschweißfaktor gibt
einen ersten Anhalt für die Qualität der
Schweißnaht. Näheres hierzu s. Richt-
linie DVS 2203 Teil 1 Anforderungen,
Teil 2 Durchführung.
Der technologische Biegeversuch gibt
mit der Größe des erreichten Biege-
winkels und dem Bruchbild eine gute
Qualitätsbeurteilung der Verbindung
sowie Hinweise zur Verformbarkeit
der Naht. Näheres hierzu siehe Richt-
linie DVS 2203 Teil 1 Anforderungen,
Teil 5 Durchführung.
Der Zeitstand-Zugversuch besitzt die
größte Aussagekraft in Bezug auf die
Lebensdauer der Schweißverbindung.
Mit ihm wird der Langzeitschweißfak-
tor bestimmt. Die Langzeitfestigkeit
einer Schweißverbindung wird durch
den in der Richtlinie DVS 2203 Teil 4
beschriebenen Zeitstand-Zugversuch
nachgewiesen. Der Versuchsaufbau
geht aus Abbildung 6-7 hervor.
Die Probenkörper werden bei konstan-
ter Temperatur, gleich bleibender Zug-
kraft und konstanten Umgebungs-
bedingungen beansprucht. Im Zeit-
stand-Zugversuch wird die Zeitdauer
bis zum Bruch des Probekörpers
bestimmt. Der in Richtlinie DVS 2203
Teil 1 für das Heizelementschweißen
von HDPE geforderte Zeitstandzug-
Schweißfaktor von mindestens 0,8
wird nachgewiesen, indem man die
Zeitdauer bis zum Bruch von unge-
schweißten und geschweißten Probe-
körpern bei zwei Spannungen misst,
die im Verhältnis 1 : 0,8 stehen. Ist
die Standzeit der geringer belasteten
geschweißten Probekörper größer
als die der ungeschweißten, liegt ein
Schweißfaktor von über 0,8 vor.
Bei einem Rohr unter Innendruck wird
infolge der Rohrgeometrie (Axialspan-
nung etwa gleich der halben Tangen-
tialspannung) die Schweißnaht nur
mit der halben Tangentialspannung
beansprucht. Dies gibt eine weitere
Sicherheit im Hinblick auf zusätzliche
Spannungen, die auf das Rohrsystem
einwirken. Beim Zeitstand-Innendruck-
versuch darf daher die geschweißte
Rohrprobe nicht in der Schweißnaht
reißen (s. auch Abschnitt 2.2.1.2.
FNCT auf Seite 24).
6.2 Schweißen von
vernetzten PE-Rohren
Das Schweißen von vernetzten Rohren
ist heute im Wesentlichen nur für
erdverlegte Rohre von Interesse. Als
Verfahren eignen sich das Heizwendel-
schweißen und in Abhängigkeit vom
Vernetzungsverfahren auch das Heiz-
element-Stumpfschweißen.
6.2.1 Heizelement-
Stumpfschweißen
Bisher ist es nur bei peroxidisch
vernetzten Rohren (PEXa) gelungen,
gute Schweißverbindungen mit dem
Heizelement-Stumpfschweißen zu er-
reichen. Je ähnlicher der Vernetzungs-
grad der Schweißpartner ist, desto
besser hält die Schweißverbindung.
6.2.2 Heizwendelschweißen
(vorher Elektromuffen-
schweißen)
6.2.2.1 Verbindung zwischen
PEX-Rohren mit
unvernetzter Muffe
Mit herkömmlichen HDPE-Formstücken,
die zum Verbinden von unvernetzten
Rohren verwendet werden, lassen sich
auch vernetzte Rohre gut und sicher
miteinander verbinden: DVS 2007-1
Beiblatt 1; Schweißen von thermo-
plastischen Kunststoffen-Heizwendel-
schweißen von Rohren aus PE-X mit
Rohrleitungsteilen aus PE-HD.
Innendruck-Zeitstandprüfungen bei
20 bis 95 °C sowie Schäl- und Schlag-
versuche haben gezeigt, dass sich PEX-
Rohre zuverlässig mit unvernetzten
Formstücken verschweißen lassen.
Messuhr
Probekörper
Lasthebel mit Schneidenlagern
Prüfmedien
Medienbehälter Prüf-gewicht
Abb. 6-7: Zeitstand-Zugversuch nach
DVS 2203, Teil 4
80
6.2.2.2 Verbindung mit
anvernetzten Formstücken
Für Rohrleitungen unter extremen
Einsatzbedingungen, z.B. Betriebs-
temperaturen von -50 bis +80 °C und
Innendrücke bis zu 16 bar, wurden
spezielle HDPE-Formstücke (Silan-
vernetzung) entwickelt, die im un-
bzw. anvernetzten Zustand verschweißt
werden. Nach dem Schweißen errei-
chen sie durch 15- bis 30-stündiges
Tempern einen Vernetzungsgrad von
20 bis 30 % und besitzen daher eine
sehr hohe Festigkeit. Solche Form-
stücke lassen sich auch mit größeren
Nennweiten herstellen.
6.3 Klemm- und
Steckverbindungen
Neben Schweißverbindungen werden
für Druckrohre aus Hostalen und
Lupolen insbesondere im Sanitärbe-
reich auch Schraub-, Klemm- und
Steckverbindungen aus Kunststoff
und Metall eingesetzt.
6.3.1 Klemm- und Pressformstücke
aus Metall
In PE-Rohrsystemen für Gas und Trink-
wasser sind gemäß DVGW VP 600 nur
Klemmverbinder aus Metall zugelassen.
Metallformstücke eignen sich sowohl
für Rohre aus unvernetztem als
auch aus vernetztem Polyethylen. Sie
können verwendet werden, wenn
in den Rohrleitungen keine aggressi-
ven Medien zu fördern sind und
auch durch die Art des Erdreichs kein
chemischer Angriff erfolgt. Diese
Formstücke sind leicht montierbar
und im Falle der Verschraubungen
auch lösbar und wiederverwendbar,
da sie sich zerstörungsfrei von den
Rohrenden entfernen lassen.
6.3.1.1 Quick&Easy®-Verbindung für
peroxidisch vernetzte Rohre
Das Quick&Easy®-Verbindungssystem,
bestehend aus Fitting, PEXa-Rohr und
PEXa-Sicherheitsring, nutzt das so ge-
nannte „Memory“-Verhalten von ver-
netztem Polyethylen. Ein Rohrstück,
das – in gewissen Grenzen – auf einen
größeren Durchmesser expandiert wird,
ist bestrebt, auf seine ursprüngliche
Größe zurückzuschrumpfen.
Das Rohr wird bei Umgebungstempe-
ratur, d.h. im kalten Zustand, mittels
eines Konus aufgeweitet und anschlie-
ßend über das Verbindungsstück aus
Metall geschoben. Auf Grund des
Memory-Effektes schrumpft das Rohr
auf das Verbindungsstück auf. Dieses
Verbindungsstück hat denselben In-
nendurchmesser wie das Rohr und
einen größeren Außendurchmesser.
Dank der hohen Rückstellkraft des
vernetzten Polyethylens entsteht eine
dauerhaft dichte und zugfeste Verbin-
dung zwischen dem Rohr und dem
Verbindungsstück. Der freie Strömungs-
querschnitt ist im Verbindungsbereich
nicht reduziert. Zusätzliche Dicht-
elemente sind nicht erforderlich.
Außer im Bereich der Hausinstallation
ist das Quick&Easy®-Verbindungs-
verfahren im erdverlegten Rohrlei-
tungsbau für Gas und Wasser vom
DVGW zugelassen, und es erfüllt die
Prüfungsanforderungen aus der
DVGW VP 600 für Werkstoffüber-
gangsverbinder aus Metall für Rohre
aus HDPE.
6.3.2 Kunststoffformstücke:
Klemm-, Schraub-,
Pressformstücke
Vollkunststoffsysteme, die ohne Me-
tallverbinder auskommen, bieten eine
Reihe von Vorteilen, wie z.B. Korro-
sionssicherheit oder gute chemische
Widerstandsfähigkeit.
Klemm- und Steckverbindungen aus
Polypropylen sind z.B. in Deutschland
für den Anwendungsbereich Wasser
(DIN 8076-3 ; DVGW VP609) zugelas-
sen. Die entsprechende internationale
Norm ist ISO 14236. Abb. 6.8 zeigt
typische Kunststoff-Klemmfittings
für die Verbindung von PE oder PEX-
Rohren.
Für den Bereich der Heißwasser-Haus-
installation sind in den letzten Jahren
eine Reihe von Kunststoff-Fitting-
systemen entwickelt worden. Die
Werkstoffe, die hierbei in erster Linie
zum Einsatz kommen, sind Polyphenyl-
sulfon (PPSU) und Polyvinylidenfluorid
(PVDF).
Abb. 6.8: Kunststoff-Klemmfittings für die Verbindung von PE- und PEX-Rohren;
Fa. PLASSON
81
7.1 Gasleitungen
7.1.1 Unvernetzte Rohre für
Gasleitungen
In der Gasversorgung haben sich die
für Rohre und Fittings verwendeten
HDPE- und MDPE-Typen seit mehr
als 30 Jahren bewährt. Hauptanwen-
dungsgebiet ist die örtliche Gasver-
teilung, die mit Betriebsdrücken bis
1 bar bzw. bis 4 bar, z.T. auch bis
5 bar, arbeitet. Fernleitungen mit einem
Betriebsdruck bis 10 bar können aus
Hostalen CRP 100 hergestellt werden.
Gasrohre aus PE haben auf Grund
der Wirtschaftlichkeit und der tech-
nischen Vorteile gegenüber Rohren
aus herkömmlichen Werkstoffen
in den letzten Jahren zunehmend
an Bedeutung gewonnen.
Die Herstellung, Gütesicherung und
Prüfung der PE-Gasrohre einschließ-
lich der Verbindungen erfolgt z.B.
nach internationaler Normung durch
EN 1555 und ISO 4437. Speziell für
Deutschland gelten die DVGW-Arbeits-
blätter G 477, G 472, VP 608 und die
GKR-Richtlinie 14.3.1.G. Danach gelten
die in Tabelle 7-1 aufgeführten zu-
lässigen Betriebsdrücke für Bauteile:
Die Rohr-Außendurchmesser liegen
zwischen 20 und 400 mm. Sie sind
der in der Norm enthaltenen Maßta-
belle entnommen. Die Dimensionie-
rung der Rohrleitungen erfolgt nach
ISO 161-1 bzw. DIN 8074 (vgl. Ab-
schnitt 8.1 Rohrdimensionierung).
Hinsichtlich der Güteanforderungen
müssen die in Deutschland verwen-
deten PE-Gasrohre, wie andere HDPE-
Druckrohre ebenfalls, der DIN 8075
entsprechen.
Um eine deutliche Kennzeichnung als
Gasleitung sicherzustellen, wurden da-
für in den letzten Jahren überwiegend
gelbe PE-Rohre verwendet. Bei höhe-
ren Betriebsdrücken kommen PE-100-
Rohre mit orange-gelber Färbung
(Hostalen CRP 101 orange-yellow) zum
Einsatz. Die DVGW-Richtlinie G 472
(Stand 8/00) sieht 10 bar als höchsten
zulässigen Betriebsdruck für PE-100-
Rohrleitungen vor.
Anwendungsgebiete
In der Gasversorgung haben sich die für Rohre und Fittings verwendeten HDPE- und MDPE-Typen seit mehr als 30 Jahren sehr gut bewährt.
Tab. 7-1: Zulässige Betriebsdrücke für
Bauteile aus PE 80 und PE 100
Gas- und Wasserrohre aus Hostalen CRP
100; Hausanbindung
PE 80 PE 100
SDR 11 4 bar 10 bar
SDR 17 1 bar 4 bar
SDR 17,6 1 bar
82
Bei gelb oder orange-gelb durchgefärb-
ten Rohren ist bei einer Lagerung im
Freien die Beständigkeit gegenüber UV-
Einwirkung zu beachten. Innerhalb
eines Jahres ist in Mitteleuropa nicht
mit einer Schädigung zu rechnen. Das
entspricht einer Globalstrahlung von
3,5 GJ/m2.
Bei schwarzen Rohren, z.B. aus
Hostalen GM 5010 T3 black und
Hostalen CRP 100 black, besteht
dieses Problem nicht, da der dem
Material zugesetzte Ruß eine langjäh-
rige UV-Beständigkeit sicherstellt
(Abb. 2-31 in Abschnitt 2.8, S. 40).
Schwarze Gasrohre sind durch ein-
extrudierte gelbe Längsstreifen
gekennzeichnet.
Die früher geäußerte Befürchtung einer
mangelnden Beständigkeit von HDPE
gegenüber den im Erdgas enthaltenen
Aromaten (beispielsweise Tetrahydro-
thiophen (THT), Gasbegleitstoffe und
Kondensate) erwies sich nach Labor-
untersuchungen und Praxiserfahrungen
als unbegründet: Der Resistenzfaktor
fCRt für Erdgase der üblichen Zu-
sammensetzung mit einem THT-Gehalt
von 20 mg/m3 beträgt etwa 5. Dies
bedeutet, dass im Zeitstand-Innen-
druckversuch gegenüber Trinkwasser
mit keiner Verschlechterung des Verhal-
tens zu rechnen ist.
Die Extrapolationsmethode der ISO/TR
9080 errechnet für die von Basell für
Gasrohre empfohlenen PE-Typen eine
theoretische Lebensdauer / Extrapola-
tionszeitgrenze von über 100 Jahren
bei einer Dauertemperatur von 20 °C .
Erfahrungen aus der Praxis für diesen
langen Zeitraum liegen naturgemäß
nicht vor.
In ISO 1167, ISO 4437 und EN 921 ist
eine Zeitstandprüfung in Gegenwart
von Gasbegleitstoffen in Form einer
Mischung aus 50 % n-Dekan und 50 %
1,3,5-Trimethylbenzol vorgeschrieben
mit den Bedingungen
Diese Anforderungen erfüllen alle
von Basell für Gasrohre empfohlenen
Hostalen- und Lupolen-Typen.
Hostalen CRP 100 erreicht Werte über
100 h.
Gasverluste durch Permeation sind bei
Rohren aus HDPE ohne Bedeutung.
Nach den an HDPE-Rohren vorgenom-
menen Messungen betragen die durch
Permeation entstehenden Gasverluste
nur Bruchteile der in älteren Gasver-
sorgungsnetzen aus herkömmlichen
Werkstoffen auftretenden Verluste.
Auch die bei Prüfinstituten gemesse-
nen Gasdurchlässigkeiten bestätigen,
dass die bei PE-Rohren auftretenden
Verluste so gering sind, dass sie wirt-
schaftlich und sicherheitstechnisch
sowie hinsichtlich des Umwelt-
schutzes unbedenklich sind (vgl.
Abschnitt 2.7, S. 39).
Bei PE-Gasrohren mit einem Durch-
messer bis 250 mm wird die sog.
Abquetschtechnik (Squeeze off) be-
nutzt, um während der Dauer von
Wartungsarbeiten und Reparaturen
den Gasfluss zu unterbrechen, ohne
einen größeren Bereich des Netzes
außer Betrieb nehmen zu müssen
(DVGW GW 332). Die Abquetschstelle
muss von Verbindungsstellen mindes-
tens einen Abstand vom fünffachen
Nenndurchmesser des Rohrs haben
und gekennzeichnet werden. Selbst-
verständlich darf dieses Abquetschen
und Wiederrundmachen die Zeit-
standfestigkeit nicht beeinträchtigen
(EN 12106). Zeitstandversuche haben
gezeigt, dass dies bei den für Druck-
rohre verwendbaren Hostalen-Typen
erreicht wird und diese die einschlä-
gigen Anforderungen von ISO 1167
und ISO 4437 Annex A erfüllen. Beim
Abquetschen ist es unzulässig, die
Abquetschstelle thermisch nachzu-
behandeln, auch nicht mit den dafür
unzulässigerweise angebotenen
Schweißmuffen.
Rohre und Formstücke werden auch
bei PE-Gasleitungen mit den üblichen
Schweißverfahren, wie Heizelement-
Stumpfschweißen, Heizwendelschwei-
ßen und Muffenschweißen, verbunden.
Für Hausanschlüsse wurden spezielle
Anbohrschellen sowie die so ge-
nannte Sattelschweißung entwickelt.
Beides stellt eine Abwandlung der
genannten Schweißmethoden dar. Die
hierfür verwendeten Formstücke sind
so konstruiert, dass ein Anbohren
bei bereits in Betrieb befindlichen
Leitungen unter Druck möglich ist.
80 °C, 2 MPa, ≥ 20 h
83
7.1.2 Vernetzte PE-Rohre für
Gasleitungen
Der Einsatz von vernetzten Rohren
für Gasleitungen bei der lokalen Ver-
sorgung sowie als Metallverbund-
rohre für Hausinstallationen nimmt
zu. Rohre aus PEX besitzen einen
sehr hohen Widerstand gegen lang-
sames und schnelles Risswachstum
und ein hervorragendes Zeitstand-
verhalten. Veröffentlichte Ergebnisse
von FNCT-Ergebnissen sowie von S4-
Tests nach ISO 13477 an PEXa-Rohren
(Ø 110 – SDR 11) belegen dies. Selbst
bei -34 °C und einem Innendruck von
9 bar konnte im S4-Test bei diesen
Rohren keine schnelle Rissfortpflan-
zung festgestellt werden. PEX-Rohre
sind zudem besonders unempfindlich
gegen lokale Spannungsüberhöhun-
gen. Sie lassen sich einpflügen sowie
grabenlos durch Einspülen oder Ein-
ziehen verlegen. Eine Sandbettung
ist nicht erforderlich. Vernetzte Rohre
eignen sich für Druckleitungen mit
Betriebstemperaturen von -50 bis
+60 °C und Betriebsdrücken bis 16 bar.
Die Rohre werden mit den üblichen
Verfahren miteinander verbunden
(Kapitel 6). Eine Norm für Gasrohre
aus PEX liegt als ISO 14531 vor.
7.2 Trinkwasserleitungen
Rohre aus Hostalen und auch PEX-
Rohre aus Lupolen haben sich in der
Trinkwasserversorgung für Hausan-
schlußleitungen, Hauptleitungen und
Düker bewährt. In Deutschland wur-
den bisher überwiegend PE-80-Rohre
mit dem Durchmesser-Wanddicken-
Verhältnis SDR 11 eingesetzt. Der
Nenndruck reicht bis 10 bar.
7.2.1 Unvernetzte PE-Rohre
für erdverlegte
Trinkwasserleitungen
Rohrleitungen aus HDPE und MDPE für
die Trinkwasserversorgung sind in
ISO 4427 (Ausgabe 12/96) international
genormt. Im Rahmen der europäischen
Normung wurde ein Systemstandard
für Trinkwasserleitungen aus Poly-
ethylen geschaffen, der nun als
EN12201 Teil 1-5 vorliegt. Diese
Norm ist in allen Ländern, die dem
Europäischen Komitee für Normung
(Comité Européen de Normalisation,
CEN) angehören, verbindlich und löst
die einschlägigen nationalen Nor-
menwerke ab. Grundsätzlich finden
sich in der EN 12 201 die gleichen
Anforderungen an Rohstoff und Fertig-
teile wie in der ISO 4427.
Während der Übergangszeit gelten in
den einzelnen Ländern die entsprechen-
den nationalen Vorschriften, die sich
in vielen Details aber bereits an den
europäischen Normenentwürfen orien-
tieren. Beispielhaft seien für Deutsch-
land die Richtlinien des DVGW (z.B.
VP 607 und VP 608) und des DIN
CERTCO (z.B. R 14.3.1 TW) genannt.
Trinkwasserleitungen aus Hostalen un-
terliegen ebenso wie das zu ihrer Her-
stellung verwendete Granulat einer
laufenden Prüfung auf Geschmacks-
neutralität, die das Technologiezen-
trum Wasser TZW als DVGW-Prüfstelle
durchführt.
Für Trinkwasserleitungen wird von Ge-
meinden und Städten üblicherweise
eine Betriebszeit von mindestens 50
Jahren verlangt, da die jährliche Ab-
schreibung solcher Anlagen 2 % be-
trägt. Bei Kunststoffrohren, die einem
bestimmten Innendruck ausgesetzt
sind, muss berücksichtigt werden,
dass die Zeitstandfestigkeit des Rohrs
von Temperatur und Zeit abhängt
(siehe Abschnitt 2.1.1.1, S. 19).
Für die Festigkeit von Werkstoffen für
Trinkwasserrohre gilt heute in Europa
eine Bezugstemperatur von 20 °C. Da-
bei handelt es sich um eine willkürliche
Festsetzung. In Deutschland liegen die
Brunnenwassertemperaturen erheblich
unter 20 °C, im Durchschnitt bei 10
bis 12 °C. Es wäre daher naheliegend,
die Bezugstemperatur für die Festig-
keit der Werkstoffe tiefer zu wählen.
Das ist jedoch nicht möglich, weil der
Trinkwassermangel dazu zwingt,
neben Brunnenwasser auch Ober-
flächenwasser zu verwenden, dessen
Jahresdurchschnittstemperatur höher
liegt.
Die Extrapolation der Zeitstander-
gebnisse gemäß ISO/TR 9080 ergibt
für die von Basell für Trinkwasser-
rohre empfohlenen PE-Typen eine
zu erwartende Lebensdauer von über
100 Jahren. Erfahrungen aus der
Praxis für diesen langen Zeitraum
liegen naturgemäß nicht vor.
84
7.2.2 Vernetzte PE-Rohre für
die Hausinstallation
PEX-Rohre sind für die Kaltwasser- und
für die Warmwasserversorgung zuge-
lassen. Sie müssen üblicherweise
Drücken bis 10 bar über 50 Jahre bei
70 °C standhalten. In den letzten
Jahren wurde auf europäischer Nor-
mungsebene eine System-Norm für
PEX-Rohre in der Warm- und Kaltwas-
serinstallation erarbeitet. Diese liegt
nun als EN ISO 15875, Teil 1-5 vor.
Die Rohre werden meist in einem
Schutzrohr verlegt, damit die Längen-
änderung bei wechselnden Betriebs-
temperaturen nicht zu Reibung und
Beschädigung führt. Das Schutzrohr
hat außerdem den Vorteil, dass sich
die Rohre leichter austauschen lassen.
Wegen ihrer Oberflächeneigenschaf-
ten bilden sich in PEX-Rohren keine
Ablagerungen. Bei Hausinstallationen
ist es besonders wichtig, dass mög-
lichst keine Fließgeräusche auftreten.
Auch diese Anforderung erfüllen PEX-
Rohre, da sie kaum Schall übertragen.
Die wesentlichen Merkmale und Vor-
teile der PEX-Rohre sind in Tabelle 7-2
zusammengefasst.
Tab. 7-2: Hausinstallation-Merkmale und Vorteile von PEX-Rohren
Tab. 7-3: Fußbodenheizung und Radiatoranbindung-Merkmale und Vorteile von
PEX-Rohren
Zugelassen für Kalt- und Warmwasserversorgung
Hervorragende Zeitstandfestigkeit
Sehr gute Wärmealterungsbeständigkeit
Lange Lebensdauer und hohe Betriebsbelastbarkeit
(bis 10 bar bei 70 °C nach EN ISO 15875)
Ausgezeichnete Spannungsrissbeständigkeit
Keine Korrosion und Inkrustation der Rohre
Kaum Schallübertragung sowie geringe Fließgeräusche
Geringe Druckverluste auf Grund glatter Innenoberflächen
Hygienisch unbedenklich
Einfache Wärmedämmung
Einfache Montage (kein Löten)
Problemlose Auswechselung durch „Rohr-im-Rohr-System“
(Verlegung im Schutzrohr)
Hervorragende Zeitstandfestigkeit
Sehr gute Wärmealterungsbeständigkeit
Lange Lebensdauer und hohe Betriebsbelastbarkeit
(7 bar bei 70 °C / 50 Jahre nach DIN 16893)
Ausgezeichnete Spannungsrissbeständigkeit
Hohe Schlagzähigkeit auch bei tiefen Temperaturen
Keine Korrosion der Rohre
Geringe Druckverluste auf Grund glatter Innenoberflächen
Hohe Abriebfestigkeit
Einfache Verlegung und Montage (endlos vom Ringbund)
Alternativ können auch Rohre aus
PP-B oder PP-R als Fußbodenheizungs-
rohre oder zur Radiatoranbindung
eingesetzt werden.
Die EN ISO 15875 (für PEX) und EN
ISO 15874 (für PP) erfassen auch
diesen Anwendungsbereich.
Beim Verlegen von Fußbodenheizun-
gen müssen die Verlegerichtlinien der
jeweiligen Systemhersteller sowie die
geltenden Normen beachtet werden.
85
7.2.3 PP-Rohre für die
Hausinstallation
Für die Kaltwasser- und Warmwasser-
versorgung können Systeme aus
Polypropylen eingesetzt werden. Der
Systemstandard EN ISO 15874, Teil 1-5
beschreibt die Anforderungen und
Prüfungen. Für dieses Anwendungs-
gebiet hat sich der Einsatz von PP-R
durchgesetzt. PP-R verbindet her-
vorragende Zeitstandfestigkeit mit
guter Schlagzähigkeit. Die Systeme
bestehen aus Rohren von Ø 16 bis
max. Ø 160 und dazu passenden
Formstücken. Mittels Heizelement-
Muffenschweißen lassen sich homo-
gene dauerhaft dichte Verbindungen
aus einem Werkstoff herstellen.
Zum Übergang auf Armaturen und
Apparate stehen Formstücke mit
Metalleinlegeteilen zur Verfügung.
Abbildung 7-1 zeigt ein typisches
Installationssystem.
Abb. 7-1: Installationssystem aus Hostalen PP für Kalt- und Warmwasser
(Foto: Fa. Ekoplastik)
7.3 Rohre für Fußbodenheizung
und Radiatoranbindung
Rohre aus PEX werden seit mehr als
30 Jahren mit gutem Erfolg für Warm-
wasser-Fußbodenheizungen eingesetzt.
Sie besitzen eine hervorragende Zeit-
standfestigkeit und eine sehr gute Wär-
mealterungsbeständigkeit. Gegenüber
Metallrohrleitungen haben PEX-Rohre
zudem den Vorteil, dass sie flexibel
sind und daher einfach endlos vom
Ring verlegt und montiert werden kön-
nen. Außerdem korrodieren sie nicht.
Auf Grund der glatten Innenoberflächen
treten nur sehr geringe Druckverluste
und keine Ablagerungen auf. Da PEX-
Rohre nicht diffusionsdicht gegenüber
Sauerstoff sind, müssen Heizungs-
rohre i.d.R. mit einer zusätzlichen
Sauerstoffbarriere ausgerüstet werden.
Üblicherweise geschieht dies durch
die Aufbringung einer Polyvinyl-
alkohol-(EVOH)-Außenschicht. Die
Barriereschicht kann aber auch mittig
ins Rohr eingebunden sein. Zur Ver-
bindung von PEX und EVOH ist ein
Haftvermittler notwendig.
86
7.4 Mehrschicht- bzw.
Metallverbundrohre
Metallverbundrohre erfreuen sich seit
einigen Jahren zunehmender Beliebt-
heit mit stark wachsenden Marktantei-
len. Den typischen Aufbau eines sol-
chen 5-Schichtrohres zeigt Abbildung
7-2. Als Sauerstoff-Diffusionssperre
dient bei den Metallverbundrohren
eine im Rohr eingekapselte Aluminium-
schicht. Man unterscheidet zwischen
Rohren bei denen die Kunststoff-
schicht dominiert und solchen bei
denen die Aluminiumschicht dominiert
(Abb. 7-3).
Je nach Hersteller, Rohrdimension und
Auslegungskonzept ist diese Alumini-
umschicht zwischen 0,2 und 2,0 mm
dick. Als Material für die Außenschicht
wird sowohl unvernetztes PE als auch
PEX verwendet. Die Rohre sind form-
stabil und die Wärmeausdehnung
ist deutlich geringer als bei reinen
PEX-Rohren.
Das Aluminium wird auf großen Rol-
len angeliefert (Abb. 7-4) und durch-
läuft einen sogenannten Speicher
(Abb. 7-5), der es ermöglicht, dass
fliegend zwischen zwei Aluminium-
rollen gewechselt werden kann ohne
Tab. 7-4: Schweißarten für Alu (Bild: Fa. Maillefer SA)
Schichtdicke Produktions-(mm) geschwindigkeit
Ultraschall Schweißen 0,05 – 0,50 ~ 20 m/min.(überlappend)
Laser Schweißen 0,15 – 0,60 < 36 m/min.(stumpfgeschweißt)
TIG-AC Schweißen 0,15 – 0,50 20 – 45 m/min.(stumpfgeschweißt)
TIG-DC Schweißen 0,30 – 1,50 3 – 40 m/min.(stumpfgeschweißt)
2 W0
ZR
2rf
∆Z
PE-dominiert Al-dominiert
Metall-Schicht
PEX-Rohr
Abb. 7-3: Querschnitt durch ein Verbundrohr (Bild: Fa. Maillefer SA)
das Rohr neu einzufädeln. Bevor das
Aluminium um das Rohr gebogen
wird (Abb. 7-7), wird der Aluminium-
streifen nochmals geglättet und die
Ränder abgeschnitten (Abb. 7-6).
Somit wird gewährleistet, dass nach
dem Biegeprozess die beiden Kanten
sauber aufeinander stoßen. Anschlie-
ßend erfolgt das Verschweißen des
Aluminiummantels. Dies erfolgt bei
Foliendicken größer als 0,15 mm in
der Regel durch ein Stumpfschweiß-
verfahren. Hierzu zählen zum einen
das Laserschweißen und zum anderen
das TIG-Schweißen mit Wolframelek-
troden. Bei sehr dünnen Aluminium-
schichten wird mit Hilfe von Ultra-
schall überlappend geschweißt, wobei
dieses Verfahren seltener zum Einsatz
kommt. Die verschiedenen Schweiß-
verfahren sind in Tabelle 7-4 einander
gegenübergestellt.
PEX-Rohre werden heute nicht allein
in der Hausinstallation und für Gas-
bzw. Trinkwasserleitungen einge-
setzt, sondern auch für spezielle
Industrierohreoder als Bestandteil von
Fernwärmeleitungen (z.B. Fa. Brugg
Rohrsysteme, Fa. Uponor u.a.). Solche
Fernwärmeleitungen bestehen aus
Abb. 7-2: Metallverbundrohr für die
Hausinstallation (Bild: Fa. Maillefer SA)
PE oder PEX
Haftvermittler
Aluminium
Haftvermittler
PEX
87
Abb. 7-6: Glätten des Alustreifens (Bild: Fa. Maillefer SA) Abb. 7-7: Profiliereinheit (Bild: Fa. Maillefer SA/Dreistern)
Abb. 7-4: Rolle mit Aluminium (Bild: Fa. Maillefer SA) Abb. 7-5: Speichereinheit (Bild: Fa. Maillefer SA)
einem EVOH beschichteten PEX-Medi-
umrohr, welches zur Vermeidung von
Wärmeverlusten mit PU-Hartschaum
ummantelt ist, und einem HDPE-Rohr
als äußere Schutzhülle. Solche Fern-
wärmeleitungen werden bis 95 °C
und Drücken von 10 bar eingesetzt,
wobei PEX-Mediumrohre mit bis
zu 250 mm Außendurchmesser zum
Einsatz kommen.
88
7.5 Rohre und Formstücke für
Hausabflussleitungen
Gemäß EN 1451 hergestellte Abfluss-
rohre und Formstücke aus Poly-
propylen können zum Ableiten von
Abwässern niedriger und hoher Tem-
peratur innerhalb von Gebäuden ein-
gesetzt werden. Es sind Temperaturen
bis zu 70 °C zugelassen, kurzzeitig
auch bis zu 95 °C. Länderspezifisch
können zusätzliche Anforderungen
an den Brandschutz gestellt werden,
so dass dann die Rohre und Form-
stücke mit Hilfe von Flammschutz-
mitteln schwerentflammbar ausgerü-
stet werden müssen.
Geringes Gewicht der Rohre sowie
funktionssichere Steckverbindungen
mit eingelegtem Gummidichtring
ermöglichen einfache und schnelle
Montage auf der Baustelle. Die glatte
Wandung verhindert Ablagerungen.
Im Wohnungsbau ist außerdem ein
wesentlicher Gesichtspunkt, dass
aufgrund der guten Dämpfung von
Hostalen PP Körperschall nur in ge-
ringem Maß am Rohr entstehen und
sich ausbreiten kann. Um die Schall-
ausbreitung noch weiter zu reduzieren,
werden auch Rohre aus Polypropylen
mit Bariumsulfat als Füllstoff an-
geboten. Die höhere Dichte bewirkt
dabei eine bessere Dämmung des
Luftschalls.
7.6 Kanalrohre für drucklose
Abwasserleitungen
Kanäle sind Rohrleitungssysteme,
die aus Rohren mit Formstücken,
Schächten und Schachtauskleidun-
gen bestehen und Abwasser im
Freigefälle ableiten.
7.6.1 Polyethylen
Gegenwärtig stehen für erdverlegte
Abwasserleitungen extrudierte Rohre
aus Hostalen bis zu 1.600 mm Durch-
messer zur Verfügung. Bei den im
Wickelverfahren hergestellten Rohren
reicht der Durchmesser bis 3.000 mm.
Coextrudierte Doppelwand-Profil-
rohre gibt es mit Durchmessern bis
zu 400 mm, für spezielle Anwendun-
gen auchgrößer. Für alle Rohrarten
sind Systemstandards auf europäi-
scher Ebene in Arbeit (TC 155; Norm-
Entwürfe EN 12666 und EN 13476).
In Deutschland gilt DIN 19 537 für
extrudierte Kanalrohre aus Hostalen,
für Profilrohre gilt DIN 16 961.
Wegen der hohen chemischen Bestän-
digkeit, der hohen Steifigkeit sowie der
Kerbunempfindlichkeit von Hostalen
bietet es sich an, Rohre für Abwasser-
leitungen daraus herzustellen. Deshalb
werden Großrohre aus HDPE in zuneh-
mendem Maße selbst bei aggressiven
Abwässern bzw. Dämpfen in den hoch
beanspruchten Abwassersystemen der
chemischen Industrie sowie in aggres-
siven Böden als erdverlegte Kanalrohre
und als korrosionssichere Schächte
eingesetzt.
Da sich Rohre aus Hostalen sehr
gut verschweißen lassen, sind keine
separaten Dichtelemente erforderlich.
Diese Rohrleitungen sind dauerhaft
dicht und lassen kein Abwasser aus-
treten oder Fremdwasser eindringen.
Diesem Gesichtspunkt kommt wegen
der Reinhaltung von Boden und
Grundwasser sowie der Belastung der
Kläranlagen durch Fremdwasser eine
immer größere Bedeutung zu. Auch
für Kanalrohre wird das bewährte
Heizelement-Stumpfschweißen ange-
wandt (Abb. 6-2, S. 73). Für Rohre bis
zurzeit 700 mm Durchmesser gibt
es Heizwendel-Schweißmuffen mit
geringerer Wanddicke. Wegen des
Abb. 7-8: Nahtlos gezogener Rohr-
bogen aus Hostalen
Abb. 7-9: Segmentbogen
89
geringeren Platzbedarfs im Vergleich
zum Stumpfschweißen genügen
engere Gräben für das Verlegen
der Rohre. Als lösbare Verbindung
sind Losflanschverbindungen mit
Vorschweißbund gebräuchlich.
Die Herstellung von reduzierten Ab-
zweigen beruht auf dem Aushalsen
von Rohren unter Erwärmung. Gleich-
seitige Abgänge erfordern segment-
geschweißte Abzweige. Bögen bis
450 mm Rohrdurchmesser formt man
aus Rohren unter Wärmeeinwirkung
(Abb. 7-8). Darüber hinaus stehen
segmentgeschweißte Krümmer zur
Verfügung (Abb. 7-9).
Bei Wickel- und Profilwickelrohren
werden die Abzweigstutzen durch
Extruder- oder Heizkeilschweißung
am Hauptrohr angebracht. Auf diese
Weise sind auch nachträgliche An-
schlüsse von Entwässerungsleitungen
aus Hostalen an Sammelkanäle aus
HDPE jederzeit möglich. Bei Schächten
werden im Extrusions- oder Wickel-
verfahren gefertigte Rohre mit
angeschweißten Schachtböden und
Rohrstutzen verwendet (Abb. 7-10).
Da HDPE mit Beton keine feste Verbin-
dung eingeht, erfolgt die Anbindung
der Rohre aus Hostalen an Beton-
schächte über einen auf das Rohr
geschweißten PE-Mauerring, der mit
Rippen versteift ist und einbetoniert
wird. Dafür sind spezielle Schacht-
muffen im Handel erhältlich. Bei
Forderung nach Wasserdichtheit
wird eine Bandage aus geschlossen-
zelligem Moosgummi angeordnet,
die entweder separat oder zwischen
zwei Mauerringen zur Anwendung
kommt.
Abb. 7-10: Regenwasserrückhaltetank aus Hostalen GM
5010 T3 black, Durchmesser 3000 mm, Länge 320 m
(Foto: Fa. Henze GmbH)
Abb. 7-11: Erdverlegte Tanks (800 m3 Volumen) für konzen-
triete Salzsäure aus Hostalen GM 5010 T3 black,
Durchmesser 3000 mm, Länge 60 m (Foto: Fa. Henze GmbH)
Ein Gleit- oder Loslager besteht aus
einem Schachtfutter mit Rollgummi-
ring. Wegen der zu erwartenden
Bodensetzungen im Schachtbereich
sind Gleitlager vorzusehen.
Abbildung 7-11 zeigt einen erdver-
legten Salzsäuretank. Die beiden
60 m langen Behälter liegen unter
dem Grundwasserspiegel und verfü-
gen über ein Doppelwandprofil mit
integrierter Leckkontrolle mittels
Vakuum.
7.6.2 Polypropylen
Erdverlegte Abwasserleitungen
werden in zunehmenden Umfang
auch aus Polypropylen hergestellt.
Aufgrund der höheren Steifigkeit
gegenüber HDPE wird eine höhere
Nenn-Ringsteifigkeit (SN) bei gleicher
Rohrdimension erzielt. Es kommen
Propylen-Blockcopolymere zum
Einsatz, um die Anforderungen an
die Kälteschlagzähigkeit zu erfüllen.
Neuentwickelte Werkstoffe für dieses
Anwendungsgebiet verbinden hohe
Steifigkeit mit guter Kälteschlag-
zähigkeit. Es kann ein Biege-E-Modul
von über 1800 MPa erreicht werden.
Abhängig von der Steifigkeit des
Werkstoffes lassen sich verschiedene
Ringsteifigkeiten erzielen. Die Tabelle
7-5 stellt die mit verschiedenen Mate-
rialien erreichbaren Ringsteifigkeiten
von Rohren dar.
Die Ringsteifigkeit nimmt linear mit
der Steifigkeit des Materials zu.
Abbildung 7-12 zeigt die Ringsteifig-
keiten von vollwandigen Rohren in
Abhängigkeit der Rohrserie und des
E-Moduls. Vollwand-Abwasserrohre
aus Polypropylen sind in EN 1852-1
und der Änderung A1 genormt. Dort
wird zwischen „herkömmlichem PP“
und „PP mit höherem E-Modul (PP-HM)“
unterschieden.
90
Tab. 7-5: Rohrserien und Ringsteifigkeiten von vollwandigen Abwasserrohren aus
PE und PP
SDR Rohrreihe S Werkstoff Ringsteifigkeit Norm
SN [kN/m2]
41 20 PP-B 2 DIN EN 1852-1
33 16 HDPE 2 DIN EN 12666-1
33 16 PP-B 4 DIN EN 1852-1
26 12,5 HDPE 4 DIN EN 12666-1
27,6 13,3 PP-HM 8 DIN EN 1852-1A
23,4 11,2 PP-B 8 DIN EN 1852-1
21 10 HDPE 8 DIN EN 12666-1
17,6 8,3 HDPE 8 DIN 19537
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Ringsteifigkeit SN [kN/m2]
1000 1800800 1200 1400 1600E-Modul [MPa]
2000 2200
S=8 / SDR=17
S=8,3 / SDR=17,6
RohrserieS=10 / SDR=21
S=11,2 / SDR=23,4
S=12,5 / SDR=26
S=13,3 / SDR=27,6
S=16 / SDR=33
S=20 / SDR=41
HDPE Standard PP-B PP–HM
Abb. 7-12: Ringsteifigkeit von Vollwand-Rohren in Abhängigkeit von Rohrserie S
und E-Modul des Werkstoffes (Berechnungsformel: siehe Kap. 8.3)
Abb. 7-14: Typische Rohrwandprofile von Abwasserleitungen (prEN 13476)
91
Mit diesen hochsteifen PP-Typen kann
die Wanddicke reduziert werden
bei gleichbleibender Ringsteifigkeit
(Abb. 7-13).
Um die Ringsteifigkeit weiter zu er-
höhen, werden die Rohrwandungen
profiliert in Form von umlaufenden
Rippen oder Wellkonturen (Abb. 7-14).
Dadurch wird das Flächenträgheits-
moment der Rohrwandung und die
Materialausnutzung verbessert. Die
Ringsteifigkeiten von profilierten
Rohren sind nicht mehr einfach rech-
nerisch zugänglich. Die Ringsteifig-
keiten müssen an jeder einzelnen
Rohrdimension nach ISO 9969/EN
29969 gemessen werden. Die prEN
13476-1 sieht die Ringsteifigkeits-
klassen SN 2, SN 4, SN 8 und SN 16
vor. Je nach Gestaltung der profilier-
ten Rohrwandung können sehr hohe
Ringsteifigkeiten bei geringem Meter-
gewicht der Rohre erreicht werden
(Abb. 7-15).
Übliche kommunale Abwässer sind
in der Temperatur auf maximal 40 °C
begrenzt.
Abwässer von Industriebetrieben
können deutlich höhere Temperaturen
aufweisen. In diesem Fall können
Abwasserleitungen und Schächte aus
Polypropylen verwendet werden:
Abbildung 7-16.
Abb. 7-15: Verlegung eines Abwasser-
rohres mit gerippter Wandung aus
Polypropylen (Ultrarib 2, Foto: Fa. Wavin)
Abb 7-16: Verlegung einer Abwasser-
leitung aus PP-H 100 für heiße Brauerei-
abwässer (Foto: Fa. SIMONA AG)
Abb. 7-13: Vollwandige Abwasserrohre aus PP-HM, Ø 400, SN10 (Foto: Fa. REHAU)
92
7.8 Sanierung von Rohrleitungen
Bei schadhaften Rohrleitungen hat
sich zur Sanierung das Einziehen von
Rohren aus Hostalen und Lupolen als
Kosten sparendes Verfahren bewährt.
Bei diesem „Relining“ dient die alte
Rohrleitung als Leerrohr für die neue
Rohrleitung. Das Verfahren ist für Ab-
wasserkanäle, Trinkwasserleitungen,
Gasleitungen sowie Düker anwendbar
(DVGW-Richtlinie GW 320/1). Durch
Relining entsteht ein neues, in sich
geschlossenes, dichtes Rohrleitungs-
system. Einsetzbar sind die Werk-
stoffe Hostalen GM 5010 T3 für die
Klasse PE 80, Hostalen CRP 100 für
die Klasse PE 100 sowie PEX-Rohre
aus Lupolen.
Das Relining mit HDPE-Rohren bietet
vielfältige Anwendungsmöglichkei-
ten. Dies zeigen die hier aufgeführten
Beispiele:
• Sanierung korrodierter Gas- und
Wasserleitungen bei Rohren unter
Innen- und Außendruck,
• Umstellung von Gasleitungen auf
höhere Betriebsdrücke
• Sanierung undichter Kanalleitungen,
Abdichten gegen Fremdwasser und
Versickerung,
• Stabilisierung statisch instabiler
Rohrleitungen,
• Korrosionsschutz gegen besonders
aggressive Medien in Abwasserlei-
tungen,
• Umstellung von Freispiegelleitun-
gen auf Druckleitungen.
Vorteile bei Relining-Maßnahmen
bietet der bimodale Werkstoff
Hostalen CRP 100. Durch seinen
hohen Widerstand gegen langsame
Rissfortpflanzung ist die Möglichkeit
eines Spätschadens durch Beschädi-
gung der Oberfläche während des
Einziehens noch weiter minimiert.
Zur Sanierung von Rohrleitungen
eignen sich auch Systeme auf Basis
von PEX-Rohren. Beispielhaft werden
zwei Verfahren zum Relining mit PEX-
Rohren genannt und beschrieben:
das HOT-PIPES-Verfahren und das
SPEX-Verfahren.
Das HOT-PIPES-Verfahren zur Sanierung
von Gasleitungen, entwickelt von Trans-
co und BG Technology in Zusammen-
arbeit mit Uponor und Alhco, arbeitet
mit PEXa-Rohren, die nach dem Engel-
Verfahren (s. Kapitel 4, S. 55) herge-
stellt werden. Bei diesem Verfahren
wird in einem ersten Schritt der Durch-
messer des PEX-Rohres, der ursprüng-
lich etwas größer ist als der Innen-Ø
der zu sanierenden Leitung, mecha-
nisch auf ein Maß kleiner als dieser
Innen-Ø reduziert. Dies wird erreicht,
indem das Ausgangsrohr mittels einer
Abzugseinheit durch eine Kalibrier-
vorrichtung gezogen wird. Das so im
Durchmesser reduzierte PEX-Rohr kann
anschließend problemlos in die zu
reparierende Leitung eingezogen wer-
den. Nach dem Einführen in die alte
Leitung wird eine gasbefeuerte Lanze
mit konstanter Geschwindigkeit durch
das PEX-Rohr hindurch gezogen. Diese
7.7 Abwasser-Druckrohre
Zunehmende Bedeutung haben Abwas-
ser-Druckrohrleitungen erlangt. Sie sind
durch braune Längsstreifen gekenn-
zeichnet. Um den gesetzlichen Vorga-
ben bei der kommunalen Entwässerung
zu genügen, müssen auch Häuser
und Siedlungen in ländlich struktu-
rierten Bereichen an Kläranlagen
angeschlossen werden. Besonders
wirtschaftlich ist es, solche Gebiete
über Druckleitungen an entfernte,
zentrale Kläranlagen anzuschließen.
Druckrohrleitungen werden auch
eingesetzt, um Abwasser in topogra-
fisch schwierigen Geländen bergauf zu
transportieren oder um die Kapazität
gegenüber einer drucklosen Leitung
zu erhöhen. Typische Einsatzgebiete
von Abwasser-Druckrohrleitungen
sind z.B. Seeauslaufleitungen (Abb.
7-17) und Ringleitungen in und um
Seen.
In Deutschland werden auch Abwasser-
Druckrohrleitungen durch DIN CERTCO
überwacht (Richtlinie R 14.3.1. AW).
Eine Sonderanwendung sind mit Unter-
druck betriebene Abwasserleitungen.
Abb. 7-17: Aus Hostalen CRP 100 hergestellte Rohrleitung für Abwasser,
Durchmesser 1.600 SDR 26
93
erwärmt das PEX-Rohr auf Temperatu-
ren oberhalb von 140 °C, der Um-
wandlungstemperatur von PEX. Das
PEX-Rohr „erinnert“ sich an seine
ursprüngliche Größe, dehnt sich aus
und schmiegt sich – unter Einwir-
kung eines geringen Innendrucks –
an die Innenwand des alten Rohrs an.
Beispielsweise wird für das Relining
eines Gussrohrs mit einem Innen-
durchmesser von 98 mm ein PEX-
Rohr mit einem Außendurchmesser
von 104 mm (SDR 26) extrudiert und
dann auf 76 mm zusammengedrückt.
Mit diesem Verfahren können Biegun-
gen, Verschiebungen sowie Hinder-
nisse, die in das Rohr hinein ragen,
überwunden werden. Ein weiterer
Vorteil ist, dass der Fließquerschnitt
nur minimal reduziert wird, da sehr
dünnwandige PEXa-Rohre eingesetzt
werden können (Beispiel oben: 4 mm).
Beim patentierten SPEX-Verfahren
der Firmen AES Ltd. und Colin Burley
Association werden silanvernetzte
Rohre, hergestellt nach dem Zweistu-
fen-Verfahren, verwendet. Nach der
Extrusion hat das noch nicht vernetzte
Ausgangsrohr einen geringeren
Durchmesser als die zu sanierende
Leitung. Das Rohr kann somit pro-
blemlos in die alte Leitung einge-
führt werden. Sobald das Rohr
vollständig eingezogen ist, wird es
mittels Innendruck, i.d.R. heißes
oder kaltes Wasser, an die Innen-
wand der defekten Leitung ange-
presst. Die Vernetzung erfolgt erst
nach der Aufweitung. Je höher die
Wassertemperatur, um so schneller
läuft der Vernetzungsprozess ab.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt
insbesondere darin, dass die unver-
netzten Liner-Abschnitte einfach mit
anderen Liner-Abschnitten bzw. PE-
Rohrleitungselementen verschweißt
werden können.
Der Durchmesser der flexiblen Relining-
Rohre reicht zurzeit bis 1.200 mm. Die
Länge, über die sich ein Rohr einziehen
lässt, richtet sich nach
• dessen Laufmetergewicht,
• nach der zulässigen Zugspannung
und
• nach der Reibungszahl, die bei bis-
herigen Verlegungen zwischen 0,4
und 0,8 lag.
Rohre aus Hostalen CRP 100 können
mit einer Zugspannung von 10 N/mm2
30 Minuten eingezogen werden.
Erfahrungsgemäß lassen sich je nach
Zustand und Trasse des alten Kanals
Rohre bis 600 m Länge einziehen.
Die zulässigen Einzugskräfte können
auf Anforderung mitgeteilt werden.
Für das Einziehen und Verbinden der
einzelnen Stränge sind Baugruben aus-
zuheben, in denen mit Hilfe von Los-
flanschen die Rohrenden nach dem
Relining verschraubt werden. Mit be-
sonderer Sorgfalt ist der Zugkopf an-
zubringen, der die gesamte Zugkraft
aufnehmen muss. Vor dem Relining ist
das Altrohr zu reinigen und zu kali-
brieren. Um Längenänderungen des
Rohrs durch wechselnde Temperatu-
ren zu verhindern, kann der Raum zwi-
schen altem und neuem Rohr zum
Beispiel mit dünnflüssigem Beton als
Dämm-Material gefüllt werden. Falls
dieser Beton gepumpt werden muss,
darf der Pumpendruck den Beuldruck
des Rohres nicht überschreiten. Der
entsprechende Rechengang für diese
Druckbestimmung ist in Abschnitt
8.3 „Rohrstatik“ beschrieben. Durch
geeignete Maßnahmen – z.B. Füllen
des Kunststoff-Rohrs mit Wasser und
Aufbringen eines inneren Überdrucks
– ist zu verhindern, dass Auftriebs-
kräfte und Einfülldruck des Dämm-
Materials das Rohr einbeulen.
Weitere Verfahren zur Sanierung von
Rohrleitungen mit Rohren aus HDPE
sind
• Kurzrohrrelining
• Swage-Lining
• Roll-down
• Berstlining
• Close-fit-Verfahren
Beim Kurzrohrrelining werden Rohre
der Standardlänge von 0,7 m mit einem
speziellen Stecksystem in den Schäch-
ten zusammengefügt und in die Kanal-
leitung eingeschoben. Eine Baugrube
entfällt. Mit diesem für drucklose Rohr-
leitungen anwendbaren Reliningverfah-
ren lassen sich Hausanschlüsse – auch
im nicht begehbaren Kanalbereich –
ohne Erdarbeiten herstellen.
Swage-Lining und Roll-down-Verfahren
ähneln dem beschriebenen Langrohr-
Relining-Verfahren, jedoch wird zusätz-
lich das Rückstellvermögen von PE
genutzt. Für das Einziehen wird der
Durchmesser der PE-Rohre entweder
durch Walzenpaare (Roll-down) oder
im Gesenk thermisch unter Zugkraft
(Swage-Lining) verkleinert. Die so vor-
bereiteten Rohre lassen sich leicht in
das vorher gereinigte und von Quer-
schnittsverengungen befreite Altrohr
einführen. Bei beiden Verfahren soll
nach Abschluss der Relining-Maßnah-
me das eingezogene PE-Rohr eng am
zu sanierenden Rohr anliegen, so dass
eine Verdämmung entfällt und der vor-
handene Durchmesser optimal genutzt
wird. Beim Roll-down-Verfahren wei-
tet ein pulsierender Innendruck das
eingezogene Rohr. Beim Swage-Lining
reversiert das Rohr durch eine ther-
mische Behandlung.
Wegen ihrer hohen Abrasionsbestän-
digkeit und der hervorragenden
Beständigkeit gegen korrosive Medien
werden in sehr salzhaltigen Gewäs-
sern PEX-Rohre verlegt. Leitungen im
Toten Meer bestehen ausschließlich
aus PEX, da kein anderes Material
diesen aggressiven Bedingungen
über längere Zeit standhält (Abb.7-19).
Im Erdreich verlegte Kabelschutzrohre
müssen während ihrer Lebensdauer nur
kurzfristig einem inneren Überdruck
standhalten. Diese Beanspruchung tritt
auf, wenn die Kabel (z.B. auch Licht-
wellenleiter) durch das Rohr geblasen
werden. Üblicherweise sieht man heute
bereits beim Bau neuer Verkehrstrassen
eine genügende Anzahl von Kabel-
schutzrohren als Leerrohre vor.
Bei späteren Erweiterungen des Kabel-
netzes lassen sich weitere Kabel ohne
neue Erdarbeiten einziehen. Ein gro-
ßer Vorteil von Hostalen und Lupolen
ist die Möglichkeit, das Rohr in sehr
7.9 Spezielle Anwendungs-
beispiele für Druckrohre
und drucklose Rohre
Werkstoffe der Basell haben sich
für Rohre seit vielen Jahren in ver-
schiedensten Anwendungsbereichen
bewährt, wie der folgende kurze
Überblick zeigt:
Wegen der guten chemischen Bestän-
digkeit eignen sich Rohre aus Hostalen
hervorragend als Hausabflussrohre,
und zwar sowohl bei Wohnhäusern als
auch im gewerblichen Bereich (z.B.
Laborbauten, Krankenhäuser, Fabri-
kationsanlagen). Für Abzweige, Bögen
usw. stehen handelsübliche Form-
stücke zur Verfügung, die meist mit
dem Rohr verschweißt werden (vgl.
Kapitel 6, S. 73).
Eine weitere Anwendung von Rohren
aus Hostalen sowie PEX-Rohren sind
z.B. Kabelkühlrohre und Rohre für die
Nutzung der Erdbodenwärme mit Hilfe
von Wärmepumpen. Diese Wärme-
austauschrohre sind im Betrieb einer
Dauertemperatur von maximal 40 °C
ausgesetzt.
Als besonders vorteilhaft haben sich
Rohre aus Hostalen und PEX-Rohre
beim Feststofftransport erwiesen. Sie
besitzen hohe Verschleißfestigkeit
und Korrosionsbeständigkeit, im Be-
trieb verursachen sie geringe Druck-
verluste. Diese Voraussetzungen müs-
sen erfüllt sein beim hydraulischen
Transport von Sand in Nassbaggereien
und Quarzwerken sowie von Erzauf-
schlämmungen in der Erzaufbereitung,
bei Förderleitungen für Pumpbeton
oder als Spülversatz im Bergbau. Ver-
schleißmessungen in Anlehnung an
DIN 58 836 (Methode Sand-Slurry)
haben für Hostalen GM 5010 T3 black
und Hostalen CRP 100 black ähnliche
Werte wie für Hostalen GM 5010 T2
(Werte in Abb. 7-18) ergeben.
94
Das Close-fit-Verfahren beruht auf dem
Einziehen eines U-förmig gefalteten PE-
Rohrs. Solche Rohre werden unter den
Bezeichnungen Compact Pipe oder U-
Liners angeboten. Diese Rohre werden
mit speziellen Verfahren beim Herstel-
len U-förmig „gefaltet“ und danach
auf Rohrtrommeln an die Baustellen
gebracht. Beim Einziehen in das zu
sanierende Rohr sind nur geringer
Platzbedarf und minimale Einzugs-
kräfte erforderlich. Nach dem Einzie-
hen werden die Rohre mit Dampf be-
aufschlagt. Dadurch springen sie in
die ursprüngliche Kreisform zurück
und legen sich – ggf. mit Unterstüt-
zung von Druckluft – eng an die vor-
handene Rohrwand („close-fit“) an.
Das Verdämmen des Ringspalts kann
entfallen. Der offene Rohrquerschnitt
verringert sich weniger als bei den
zuvor beschriebenen Verfahren.
Beim Berstverfahren zerstört ein Berst-
bzw. Verdrängungskörper durch stati-
sche oder dynamische Kräfte die alte
Rohrwandung der zu erneuernden Lei-
tung und verdrängt die Bruchstücke
in das Erdreich. Die neue Rohrleitung
– sie kann gleiche oder größere Nenn-
weite als das alte Rohr haben – läuft
unmittelbar hinter dem Berst- bzw. Ver-
drängungskörper in den Hohlraum ein.
Im Horizontal-Bohrverfahren lässt sich
bei drucklosen Rohren ein Hausan-
schluss auch im nicht begehbaren
Bereich herstellen. Dabei wird gleich-
zeitig die gesamte Hausanschluss-
leitung an den Kanal erneuert.
Bei Druckrohren muss jeder Anschluss
in offener Bauweise hergestellt werden.
Dazu wird im Einmündungsbereich
ein HDPE-Stutzen eingesetzt oder ein
Aufschweißsattel verwendet und mit
dem Inliner aus HDPE verschweißt.
Abrieb [Am]
Lastenwechselzahl [n]200.000 800.000
5,0
4,5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
00 400.000 600.000
Steinzeugrohre
Bereich der Messungenan Faserzementrohren
Bereich der Messungenan GFK-Rohren
Rohre aus HDPE(Hostalen GM 5010 T3)
Bereich der Messungenan Betonrohren(Rüttelpresse-Schleuder-stampfbetonrohren)
Bereich der Messungenan PVC-Rohren
Abb. 7-18: Verschleißmessungen in
Anlehnung an DIN 58836, Methode
Sand-Slurry für Hostalen GM 5010 T3
black und Hostalen CRP 100 black
Rohrleitungen (Abb. 7-20). Beispiele
sind Auslauf- und Ansaugleitungen
sowie Ringleitungen für die Abwas-
serbeseitigung. An vielen Stellen in
Europa und Übersee (Australien, Afrika)
wurden Düker bereits unter Flüssen,
Kanälen, Seen oder Meeresarmen mit
Erfolg verlegt. Bei Rohren aus HDPE
können für die Dükeräste, die sog.
Schwanenhälse, aufwendige Konstruk-
tionen aus Formstücken entfallen, da
sich die Rohre durch ihre natürliche
Flexibilität im Rahmen bestimmter
Mindestradien (in Abhängigkeit vom
Innendruck) den Geländegegebenhei-
ten anpassen.
Bewässerungsrohre haben für die Land-
wirtschaft große Bedeutung. Seit meh-
reren Jahren haben sich Rohre aus den
Werkstoffen der Basell in diesem An-
wendungsgebiet sehr gut bewährt.
Wegen des geringen Gewichts ist kein
großer Aufwand an Arbeitskräften für
großer Länge herstellen zu können.
Das reduziert die Anzahl an Schweiß-
verbindungen und minimiert die
Kosten, da vermehrt automatisierte
Verlegeverfahren eingesetzt werden
können.
Rohre für moderne Fernheizungen be-
sitzen einen mehrschichtigen Aufbau.
Als Material für das Mantelrohr hat sich
seit vielen Jahren HDPE durchgesetzt.
Zur Wärmedämmung ist der Zwischen-
raum zum Heißwasser führenden Stahl-
rohr mit Polyurethan ausgeschäumt.
Für die Erdverlegung stehen verlege-
fertig konfektionierte Systeme mit
Rohren in Fixlängen zur Verfügung.
Bei flexiblen Fernwärmeleitungen
haben sich PEX-Rohre als Alternative
zu Stahl als Medienrohr durchgesetzt.
Ein besonders interessantes Anwen-
dungsgebiet für Rohre aus Hostalen
sind Dükerleitungen und seeverlegte
95
Transport und Verlegung notwendig.
Speziell entwickelte Schnellkupplungen
ermöglichen eine leichte Montage. Da
Bewässerungsanlagen in der Regel als
„fliegende“ Leitungen erstellt werden,
sind kurze Auf- und Abbauzeiten sehr
wichtig.
Für die Beregnung haben sich auch An-
lagen bewährt, die aus einer Trommel,
einem bis etwa 400 m langen, auftrom-
melbaren Rohr bis 110 mm Durchmes-
ser und einem Regnerschlitten beste
hen. Die Beregnung geschieht während
des Aufwickelns des PE-Rohrs durch
Einziehen des Regnerschlittens.
Dränagerohre aus Hostalen mit vielen
Öffnungsschlitzen wirken als Wasser-
sammler in nassen Böden. Ihre Haupt-
anwendung ist das Abführen von Re-
genwasser an Autobahnen, Straßen
und Bahndämmen. Diese gewellten
Rohre mit glatter Innenwand sind sehr
leicht, schlagzäh und formsteif. Die
glatte Innenwand bewirkt ein schnelles
Abfließen des durch die Schlitze auf-
genommenen Wassers.
Für die Entwässerung von Mülldeponien
werden spezielle nicht gewellte Rohre
mit hoher Ringsteifigkeit verwendet.
Bei der Versickerung von Regenwas-
ser, einem relativ jungen Anwendungs-
gebiet, finden geschlitzte oder
gelochte Rohre aus HDPE ebenfalls
ihre Verwendung.
Abb. 7-20: Rohrleitung, 1.000 mm
Durchmesser, aus Hostalen mit
Beschwerungselementen
Abb. 7-19: PEXa-Rohrleitung, 450 mm
Durchmesser (SDR 17), Totes Meer
(Foto: Fa. Golan)
Die zulässige Berechnungsspannung
s berücksichtigt den Sicherheitsbei-
wert C durch den Zusammenhang:
MRS = minimum required strength
(s. Tab. 8-1)
Die Sicherheitsbeiwerte können nur aus
der praktischen Erfahrung heraus fest-
gelegt werden. Der Sicherheitsbeiwert,
in ISO 12 162 als „Gesamtbetriebsko-
effizient“ bezeichnet, hat mehrere Auf-
gaben. Er soll zunächst sicherstellen,
dass Rohre, die gemäß den Eigenschaf-
ten des Werkstoffs richtig dimensio-
niert sind, auch bei Beanspruchung
mit Nenndruck noch eine Sicherheits-
reserve haben. Zusätzlich soll er alle
im Betrieb vorkommenden unkontrol-
lierbaren Zusatzbeanspruchungen (z.B.
Druckstöße, Wärmespannungen bei
Temperaturwechsel, Erschütterungen
und Bodensenkungen bei erdverlegten
Leitungen) berücksichtigen.
96
Berechnungen an Rohren
Rohrdimensionierung und Normung.
8.1 Rohrdimensionierung
und Normung
Zur Dimensionierung von Rohren
dient die Rohrformel (ISO 161-1),
Gleichung 8-1
mit
PN = Nenndruck,
dm = mittlerer Rohrdurchmesser,
de = Rohraußendurchmesser,
e = Wanddicke,
S = dm/2e = Rohrreihe,
SDR = Standard Dimension Ratio
= de/e = 2 S + 1,
s = zulässige Berechnungs-
spannung
(1 MPa = 1 N/mm2 = 10 bar).
8-1
8-2
Tab. 8-1: Rohrreihen von PE-Druckrohren
PE 80 PE 100
MRS = 8 MPa MRS = 10 MPa
C 1,25 1,6 2 4 1,25 1,6 2 4
s [MPa] 6,3 5 4 2 8 6,3 5 2,5
PN [bar] S
2,5 25 20 16 12,5 32 25 20 16
3,2 20 16 12,5 10 25 20 16 12,5
4 16 12,5 10 8 20 16 12,5 10
5 12,5 10 8 6,3 16 12,5 10 8
6,3 10 8 6,3 5 12,5 10 8 6,3
(8) 8 6,3 5 4 10 8 6,3 5
10 6,3 5 4 3,2 8 6,3 5 4
(12,5) 5 4 6,3 5
16 4 3,2 5 4
Für PE 80 und PE 100 sind in Tabelle
8-1 beispielhaft für einige Werte von
C die Werte für s und die für den
vorgesehenen Nenndruck PN sich
ergebende Rohrreihe S aufgeführt.
Ersetzt man in der Definition von S =
dm/2e den mittleren Durchmesser dm
durch den üblicherweise benutzten
Außendurchmesser de, ergibt sich:
und durch Umstellung:
Nach dieser Formel sind die Dimensio-
nen von Rohren in ISO 4065 berechnet.
Bei der Berechnung wurden die exak-
ten und nicht die gerundeten Werte
von S eingesetzt. Die Zahlenwerte für
die Wanddicken sind auf 0,1 mm auf-
gerundet. Aus Sicherheitsgründen kön-
nen in den einzelnen Systemnormen
(Anwendungsnormen) hiervon abwei-
chend für die kleinen Durchmesser
größere Mindestwanddicken festgelegt
sein. Die oft benutzte Nenndruckstufe
PN = 6 bar stellt wegen ihrer Abwei-
chung von der R-10-Zahl 6,3 einen Son-
derfall dar. Hierfür enthält ISO 4065
eine eigene Dimensionstabelle.
Die Toleranzen für die Außendurchmes-
ser, die Wanddicke und die Unrundheit
(Ovalität) sind in ISO 11 922 festgelegt.
Die zulässigen Betriebsdrücke sind
bei Betriebstemperaturen über 20 °C
reduziert. Die Abminderungsfaktoren
sind in ISO 13761 aufgeführt. In DIN
8074 sind für unterschiedliche Gesamt-
betriebskoeffizienten bei Temperaturen
bis 70 °C die zulässigen Betriebs-
drücke und Betriebsjahre festgelegt.
Für PEX-Rohre enthält DIN 16 892
eine Tabelle mit diesen Werten.
Betriebsdrucktabellen für PP-Rohre
sind in DIN 8077 zu finden.
97
8-4
8-5
C und s sind ebenfalls nach Renard-
Zahlen kategorisiert. Die EN-System-
standards für Trinkwasser und Gas
geben lediglich einen mindestens
anzusetzenden Gesamtbetriebs-
koeffizienten Cmin vor und zwar:
für Wasserrohre Cmin = 1,25
für Gasrohre Cmin = 2,0
Die Verantwortung für die Wahl des
tatsächlich anzusetzenden Gesamtbe-
triebskoeffizienten obliegt dem planen-
den Ingenieur. Er muss dabei die jewei-
ligen Betriebsbedingungen und örtli-
chen Gegebenheiten berücksichtigen.
Umgeformt ergibt sich aus Gleichung
8-1 die Dimensionsgleichung zur Be-
rechnung der Rohrreihe S, die bei einer
zulässigen Berechnungsspannung s
für einen vorgesehenen Nenndruck
auszuwählen ist:
8-3
8.2 Hydraulische Bemessung
der Rohrdurchmesser
Die Berechnungen von Durchfluss-
menge, Fließgeschwindigkeit und
Druckabfall bei Rohren basieren auf
der Formel für den Energiehöhen-
verlust hv einer Rohrleitung:
oder für den Druckverlust p (Glei-
chung 8-7):
mit
di = Innendurchmesser in mm,
l = Länge der Rohrleitung in mm,
v = mittlere Fließgeschwindigkeit
in m/s,
= Dichte des durchfließenden
Mediums in kg/m3,
= Reibungszahl,
g = 9,81 m/s2, Erdbeschleunigung.
Der Energiehöhenverlust hv ist die
Höhendifferenz der Gefällestrecke,
die erforderlich ist, um die Fließ-
geschwindigkeit v zu erzeugen.
Die Reibungszahl ist in der Gleichung
(8-8) nach Colebrook enthalten:
mit
Re = Reynoldszahl = v · di/,
= 1,31 · 10-6 m2/s,
kinematische Zähigkeit von
Wasser,
k [mm] = von Unebenheiten der
Rohrwandung abhängige,
hydraulisch wirksame
Rauigkeit.
Durch Umformen erhält man
Es wird zwischen der normalen, hy-
draulisch wirksamen Wandrauigkeit k
und einer sog. Betriebsrauigkeit kb
unterschieden.
Die Betriebsrauigkeiten kb sind
erhöhte Rauigkeitsmaße zur Be-
rücksichtigung z.B. von Schiebern,
Krümmern u.ä., deren Anwendung
in einem Pauschalkonzept rechne-
risch zu gleichen Gesamtverlusten
führt wie eine Summierung ge-
trennt ermittelter kontinuierlicher
und lokaler Energiehöhenverluste.
In einem Individualkonzept sind die
Verluste infolge Wandrauigkeit und lo-
kaler Strömungswiderstände (Einzel-
verlust) nachzuweisen. Für die Verluste
infolge Wandrauigkeit darf als niedrigs-
ter Wert im Neuzustand eine effektive
Wandrauigkeit k = 10-4 m = 0,1 mm
eingesetzt werden. Zusätzlich sind
die Einzelverluste zu berücksichtigen.
Die Berechnung der Durchflussmenge
Q und der Fließgeschwindigkeit v für
Rohre bis 1.000 mm Durchmesser für
Gefälle von 15 % bis 0,15 ‰ und für die
effektive Wandrauigkeit k = 0,1 mm
sowie die Betriebsrauigkeiten kb = 0,25;
0,50; 0,75; 1,50 mm enthält das Buch
„Tabellen zur hydraulischen Dimen-
sionierung von Abwasserkanälen und
Abwasserleitungen“ (Ingwis-Verlag,
Lich). Grundlage bildet das ATV-
Arbeitsblatt A 110 „Richtlinien für
die hydraulische Dimensionierung und
den Leistungsnachweis von Abwasser-
kanälen und Abwasserleitungen“ der
Abwassertechnischen Vereinigung
(ATV).
Für Abwasserleitungen aus HDPE sind
effektive Wandrauigkeiten k von deut-
lich unter 0,1 mm nachgewiesen wor-
den. Die hydraulischen Bemessungen
mit den in dem ATV-Arbeitsblatt A 110
genannten Rauigkeiten enthalten daher
hohe Reserven.
Die hydraulische Bemessung von
Trinkwasserleitungen kann zum Bei-
spiel nach den Richtlinien des DVGW,
Arbeitsblatt W 302 durchgeführt wer-
den. Hierbei wird die Rauigkeit k in
der Gleichung 8-8 für Rohre aus HDPE
bzw. MDPE je nach Leitungsführung
mit k = 0,1 mm bis k = 1,0 mm
angegeben. Zusätzliche Hinweise
enthalten die vom Kunststoffrohr-
verband herausgegebenen Druckver-
lust-Tabellen.
Das DVGW-Arbeitsblatt W 403
empfiehlt für Trinkwasserleitungen
Fließgeschwindigkeiten, die je nach
Anwendung maximal 2,0 m/s betra-
gen sollen.
98
8-6
8-7
8-8
8-9
8.3 Rohrstatik
Bei erdverlegten drucklosen Abwasser-
leitungen muss die erforderliche Wand-
dicke nach der äußeren Belastung in-
folge Erddruck und Verkehr festgelegt
werden. Bei diesen Beanspruchungen
eines Rohrs aus Polyolefinen sind
die Besonderheiten eines viskosela-
stischen Werkstoffs zu berücksichti-
gen, auf den die gewohnten Berech-
nungsmethoden der Statik „biege-
steifer“ Rohre (Steinzeug und Beton)
nicht ohne weiteres anwendbar sind.
Die Ringsteifigkeit SN hängt bei Voll-
wandrohren von der Rohrserie S und
der Steifigkeit des Rohrmaterials,
charakterisiert durch den E-Modul ER,
ab:
Als Dimensionsgleichung:
Für weitere Informationen siehe auch
Kap. 7.6.2, S. 90. In Tabelle 7-4, S. 90,
ist die Ringsteifigkeit für verschiedene
Kanalrohrleitungen aus Polyolefinen
aufgelistet. Diese Anforderungen er-
füllen die für Kanalrohre empfohlenen
Werkstoffe der Basell.
Bei einem Scheiteldruckversuch geht
ein Rohr aus Hostalen nicht zu Bruch.
Es verformt sich unter wachsendem
Scheiteldruck, bis im Extremfall der
Rohrscheitel die Rohrschale ohne Riss-
bildung berührt. Bei Festigkeitsrech-
nungen für erdverlegte HDPE-Rohre
muss das flexible Verhalten berück-
sichtigt werden.
Ein Teil der unter Last eintretenden Ver-
formung ist elastisch (reversibel), ein
anderer Teil plastisch (irreversibel). Der
Scheiteldruckversuch lässt nur erken-
nen, wie groß die Verformbarkeit des
Materials ist. Er entspricht jedoch kei-
neswegs den Belastungsbedingungen,
denen das Rohr im verfüllten Rohrgra-
ben tatsächlich unterworfen ist. Hier
tritt eine wesentlich geringere Verfor-
mung ein, weil das Erdreich das Rohr
seitlich stützt. Ein Werkstoff mit sol-
chem Verhalten wird als biegeweich
bezeichnet. Rohre aus herkömmlichen
Werkstoffen wie Beton oder Steinzeug
verhalten sich biegesteif: das Rohr
nimmt die aufgebrachte Last auf und
versagt.
Grundsätzlich muss bei allen Kanalroh-
ren der Boden in der Umgebung der
Leitungen nach EN 1610 sehr gut ver-
dichtet werden, um die gewünschte
Stützwirkung zu erreichen, also das
System Boden-Rohr zu aktivieren.
Europaweit einheitliche Rechengrund-
lagen für die statische Berechnung von
drucklosen erdverlegten Vollwand-
rohren existieren zurzeit noch nicht.
EN 1295-1 legt bisher nur allgemeine
Anforderungen fest. Die statische
Berechnung erfolgt weiterhin nach
länderspezifischen Verfahren.
Beispielhaft wird hier auf die Berech-
nung nach ATV-Arbeitsblatt A 127
„Richtlinie für die statische Berech-
nung von Entwässerungskanälen und
Entwässerungsleitungen“ hingewiesen.
Den Besonderheiten der statischen Be-
rechnung von Entwässerungsleitungen
für Sickerwasser aus Deponien trägt
die Richtlinie ATV M 127 Rechnung.
Im Rahmen der Rohrstatik ist eine Be-
rechnung der Rohrverformung (Verfor-
mungsnachweis) und eine Berechnung
gegen Beulen (Stabilitätsnachweis)
durchzuführen. Die folgenden Ausfüh-
rungen zeigen einen Überblick über
den Rechenweg. Einzelheiten sind dem
ATV-Arbeitsblatt A 127 zu entnehmen.
99
8.4 Stabilitätsnachweis (Beulen)
Unter Beulen versteht man die durch
äußeren Überdruck hervorgerufene Ver-
formung des Rohrquerschnitts in eine
nierenförmige Gestalt. Grundsätzlich
sind Rohre, die im Wasser oder im Bo-
den unterhalb des Grundwasserspie-
gels verlegt werden und bei denen der
hydrostatische Druck des Grundwas-
sers größer als der Innendruck ist, ge-
gen Beulen zu berechnen. Das gilt auch
für Rohre mit einem inneren Unterdruck
(Rohr-Innendruck 1 N/mm2). Für den
kritischen äußeren Wasserdruck bzw.
Unterdruck (Beuldruck) krit. pa [kN/m2]
eines unverformten und nicht im Boden
eingebetteten Rohrs gilt:
mit:
ER = Elastizitätsmodul des
Rohrmaterials [N/mm2]
rm = mittlerer Rohrradius [mm]
e = Wanddicke des Rohres [mm]
Darin ist µ = 0,4 die Querkontraktions-
zahl des Werkstoffs.
Die nach Gleichung 8-11 berechneten
Langzeit-Beuldrücke für Rohre aus
Hostalen sind in Abbildung 8-1 (Seite
100) dargestellt. Die Werte sind durch
Versuchsergebnisse bestätigt. Der
zulässige Beuldruck ergibt sich unter
Berücksichtigung eines Sicherheitsfak-
tors von 2.
Die Rohrsteifigkeit SR [N/mm2]
berechnet sich zu
8-11
8-12
8-10a
8-10b
Bei Stoßbeanspruchung muss für den
Elastizitätsmodul ER des Rohrs der
Kurzzeitwert eingesetzt werden.
Abhängig von der Temperatur gelten
für Hostalen GM 5010 T3 die in
Tabelle 8-3 angegebenen Werte.
Druckstöße sind für HDPE-Rohre grund-
sätzlich nicht schädlich, solange der
Nenndruck bei Druckschwankungen
und Druckstößen mittel- bis langfristig
nicht überschritten wird. Bei einzelnen
kurzzeitigen Beanspruchungen (im
Bereich von Sekunden) können die
Festigkeitsreserven des Rohrs bis zu
der tatsächlichen unteren Vertrauens-
grenze bei den entsprechenden kur-
zen Zeiten genutzt werden. Abhängig
von dem Gesamtbetriebskoeffizienten
C verkraftet ein Rohr die in Tabelle
8-4 angegebenen Druckspitzen bei
Temperaturen bis 20 °C ohne Schäden.
Schlagartige Druckabfälle sind unter
Berücksichtigung des Beulverhaltens
theoretisch bis 0 barabsolut (Vakuum)
möglich.
Zusätzliche Sicherheit bieten die
modernen bimodalen Werkstoffe
Hostalen GM 5010 T3 und Hostalen
CRP 100 wegen ihres hohen Wider-
stands gegen schnelles Risswachstum.
Durch Einsetzen der Rohrsteifigkeit
SR in Gleichung 8-11 ergibt sich
Versuche mit ungebetteten HDPE-
Rohren unter hydrostatischem Druck,
d.h. im Grundwasser ohne Boden-
verfestigung, haben gezeigt, dass
die Gleichung
das Beulverhalten hinreichend be-
schreibt. Daher dient diese Gleichung
8-14 im ATV-Arbeitsblatt A 127 dazu,
den Grenzwert des kritischen Beul-
druckes unter äußerem Wasserüber-
druck zu ermitteln.
8.5 Druckstöße
Beim Betätigen von Absperrarmaturen
oder Pumpen können in den Rohrleitun-
gen Druckstöße auftreten. Für deren
maximale theoretische Größe ps gilt
mit
a = Fortpflanzungsgeschwindig-
keit der Druckwelle [m/s],
v0 = Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums [m/s],
= Dichte des Mediums [kg/m3].
Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit a
errechnet sich aus (Gleichung 8-16):
mit
Em = Elastizitätsmodul des
Mediums
(EWasser = 2.100 · 106 N/m2),
= Dichte des Mediums
(Wasser = 1.000 kg/m3),
Er = Elastizitätsmodul des
Rohrs [N/m2],
dm = mittlerer Durchmesser des
Rohrs [m],
e = Wanddicke des Rohrs [m].
100
Beuldruck Pk [bar]
Beanspruchungsdauer
10-1
3 6 min
1060,05
0,1
15
10-2 100 101 102 103 105104
1 10 50 Jahre
0,12
0,21
0,87
3,2
barÜber-druck
Über-druck
10
0,2
0,30,5
1
2
3
5
SDR 17,6
SDR 11
SDR 41
SDR 33
SDR 26
Abb. 8-1: Beuldruck von Rohren aus
Hostalen bei äußerem Wasserdruck und
20 °C. Die eingezeichneten waagerech-
ten Strecken geben Verformungsbeginn
und Beulende an
Tab. 8-3: Elastizitätsmodul bei ver-
schiedenen Temperaturen
Tab. 8-4: Nenndruck-Überschreitung bei kurzen Druckstößen
Temperatur (°C) ER [N/m2]
20 1.680 · 106
40 1.230 · 106
60 760 · 106
Gesamtbetriebskoeffizient C Kurzzeitig zulässige
Überschreitung des Nenndrucks
1,25 50 %
1,6 100 %
8-13
8-14
8-15
8-16
101
8.6 Schadensakkumulation
Den bisherigen Betrachtungen über
die Dimensionierung von Druckrohren
liegt eine kontinuierlich wirkende,
konstante Beanspruchung zugrunde.
Treten Perioden von unterschiedlichen
mechanischen und/oder thermischen
Beanspruchungen auf, spricht man von
einer intermittierenden Beanspruchung.
Für diesen Fall ist zu prüfen, wie sich
die Beanspruchungen während der
einzelnen Laststandzeiten akkumulie-
ren und welchen Wert die zu erwar-
tende Gesamtlebensdauer erreicht.
Zur Klärung dieser Frage wurden HDPE-
Rohre der Abmessung 32 mm x 3 mm
aus dem unimodalen Typ Hostalen GM
5010 bei einer konstanten Temperatur
von 80 °C über 6 h mit einer Spannung
von 3 N/mm2 belastet und anschlie-
ßend 18 h entlastet. Dieses Lastspiel
wurde bis zum Bruch der Proben
wiederholt. Die aus sechs Versuchen
erhaltene mittlere Bruchzeit unter
Last (integrale Laststandzeit) betrug
310 h. Ein Vergleichsversuch mit
konstanter Beanspruchung (ohne Ent-
lastung) ergab eine mittlere Bruchzeit
von 275 h. Die intermittierende
Beanspruchung hatte unter diesen
Versuchsbedingungen also praktisch
keinen Einfluss auf die bei konstanter
Beanspruchung ermittelte Zeitstand-
festigkeit der Rohre.
Damit ist die Theorie der linearen Scha-
densakkumulation („Minersche Regel“,
Superpositionsprinzip, ISO 13 760)
anwendbar. Sie basiert auf der An-
nahme, dass sich die Auswirkungen
von wechselnden Belastungen antei-
lig addieren, bis die bei konstanter
Last zu erwartende Standzeit erreicht
ist. Für die Umrechnung der Lebens-
dauerwerte unter konstanter Bean-
spruchung auf die Lebensdauer unter
zeitlich veränderter Beanspruchung
gilt näherungsweise:
Darin ist ti die Zeitdauer der Bean-
spruchung i bei der Temperatur i
und tB die bei gleich hoher, konstanter
Beanspruchung im Zeitstandversuch
gemessene Bruchzeit.
Abbildung 8-2 zeigt die Superposition
der Schädigungsgeraden bei verschie-
denen Temperaturen.
Temperatur []
0
1=4
Zeit [t]
2
3
∆t2
∆t1 ∆t4
∆t3
tB(2)
tB(1) = tB(4)
tB(3)
Zeitbruch bei konstanter Beanspruchung
Bei Bruch gilt:m
∑i = 1
tB(i)∆ti = 1
Abb. 8-2: Lineare Schadensakkumulation bei verschiedenen Temperaturen
8-17
Aus dem Zeitstanddiagramm für PE-
80-Rohre nach DIN 8075 erhält man
bei einer konstanten Spannung von
4,8 N/mm2 folgende Bruchzeiten:
Bei 50 °C: tB (1) = 13 Jahre,
bei 30 °C: tB (2) > 100 Jahre
(extrapoliert).
Die anteiligen Schädigungen betragen
dann:
t1/tB (1) = 6,25/13 = 0,48 = 48 %,
t2/tB (2) = 43,75/100 = 0,44 = 44 %.
Nach Gleichung 8-17 ergibt sich:
Der nach Gleichung 8-17 errechnete
Wert muss 1 bzw. 100 % sein.
Das gewählte Durchmesser-Wand-
dicken-Verhältnis mit SDR 11 ist
für diesen Einsatzfall richtig.
Für teilkristalline Thermoplaste wie
HDPE erhält man bei intermittieren-
der Beanspruchung nach gleichen
akkumulierten Laststandzeiten eine
geringere Gesamtverformung als
bei konstanter Beanspruchung. Die
Verformung lässt sich näherungs-
weise nach dem Prinzip der linearen
Superposition ermitteln.
Beispiel:
In einer Druckleitung wird Wasser
gefördert. Der Betriebsdruck beträgt
konstant 6 bar bei folgendem Tempe-
ratur-Zeit-Verlauf:
50 °C während 3 h pro Tag,
30 °C während 21 h pro Tag.
Welche SDR-Klasse nach DIN 8074
muss ein PE-80-Rohr haben, damit
eine 50-jährige Betriebsfähigkeit
sichergestellt ist?
Der Gesamtbetriebskoeffizient wird
mit 1,6 angenommen.
Bei der Gesamtbetriebszeit von 50
Jahren ergeben sich aufaddiert die
Temperatur-Zeit-Anteile
bei 50 °C zu t1 = 6,25 Jahren,
bei 30 °C zu t2 = 43,75 Jahren.
Gewählt wird zunächst ein Rohr
mit dem Durchmesser-Wanddicken-
Verhältnis SDR = 11.
Die Betriebsspannung beträgt:
Damit beträgt
8.7 Rohreigenspannungen
Eigenspannungen in der Rohrwand
entstehen während der Formgebung
des Rohrs beim Abkühlen der Poly-
ethylenschmelze. Dabei ist wesent-
lich, mit Hilfe einer Außenkühlung
des extrudierten Rohres die gesamte
Wärme nach außen abzuführen. Dann
ist die Rohraußenwand bereits er-
starrt, wenn im Rohrinneren noch
Schmelze vorliegt. Bei fortschreiten-
der Abkühlung will das Material in-
nen kontrahieren. Dies verhindert
jedoch die bereits verfestigte Außen-
schicht. Als Folge dieser Zwangsdeh-
nung der Rohrinnenwand entstehen
dort Zugspannungen. Entsprechend
bilden sich in der Rohraußenwand
Zwangsstauchungen.
Überhöhte Rohreigenspannungen kön-
nen die Ursache für eine Rissbildung
bei der Lagerung bzw. dem Transport
der Rohre sein. Beim Ablängen
eines Rohrs werden die Zwangsverfor-
mungen frei. Dadurch verringert
sich der Durchmesser am Rohrende.
Eine Beeinflussung des Zeitstand-
verhaltens durch sehr hohe Eigen-
spannungen konnte bisher nicht
nachgewiesen werden. Bei der Zeit-
standprüfung, beispielsweise mit
einer Prüftemperatur von 80 °C,
werden die Eigenspannungen durch
Tempern relativ schnell abgebaut.
Sie relaxieren über entsprechend
längere Zeiträume bei den tieferen
Betriebstemperaturen in einer in-
stallierten Rohrleitung.
102
s = · C = 3 · 1,6 = 4,8 N/mm2
t1/tB (1) + t2/tB (2) = 92 %
103
Exakte Eigenspannungsmessungen
sind aufwendig. Eine einfache Mess-
methode gibt es nur für Rohre mit
sehr geringer Wanddicke und linearer
Biegespannungsverteilung. Bei einer
praktikablen Methode sind zwei Rohr-
abschnitte von 10 bis 20 cm Länge
(mindestens das 12fache der Wand-
dicke) erforderlich, um aussagefähi-
ge Zwangsverformungsprofile zu
erhalten. Zunächst misst man mit
einem dimensionsstabilen, glasfaser-
verstärkten Klebeband als Maßband
an dem einen Ring den Außenumfang
Ua (Abb. 8-3 oben links, Messmarke A)
und am zweiten Ring entsprechend
den Innenumfang Ui.
Anschließend dreht man den einen
Ring von innen nach außen auf ea ab
(ca. 10 % der Rohrwanddicke e) und
den zweiten Ring von außen nach
innen auf ei (Abb. 8-3 oben rechts).
Nach 3 Tagen misst man erneut den
Außenumfang ua (Abb. 8-3 unten
links, Messmarke B) und entsprechend
den Innenumfang ui. Außerdem misst
man die mittleren Ringdurchmesser
Da und Di (dazu legt man die Ringe
zweckmäßigerweise auf Millimeter-
papier).
Hiermit errechnen sich die Umfangs-
änderungen:
Abb. 8-3: Orientierende Messung von Rohreigenspannungen
Oben links: Messung des Rohrumfangs mit einem dimensionsstabilen, glasfaserverstärkten Klebeband als Maßband
Oben rechts: Durch Abdrehen von außen und innen erhaltene Rohrringe
Unten links: Messung des Rohrumfangs mit dem Klebeband als Maßband.
A, B: Messmarken
A
ui
ua
ei
ea
Di
2
Da
2
BA
di
2
da
2
8-18
Wegen der vom Kalibrieren herrüh-
renden Zwangsstauchung will sich
der Außenring vergrößern, entspre-
chend will sich der Innenring wegen
der Zwangsdehnung verkleinern.
Nun schneidet man die beiden Ringe
auf, wobei sich normalerweise der
Außenring zusammenzieht (negativer
Gradient), während sich der Innenring
aufweitet (positiver Gradient) (Abb.
8-3 unten rechts).
Nach weiteren drei Tagen misst man
erneut die mittleren Durchmesser da
und di. Mit da < Da zieht sich der Ring
zusammen, mit di > Di weitet sich der
Ring auf. Man errechnet nun die Ände-
rung der Krümmung der Ringe, die
gleich dem Gradienten der Umfangs-
dehnung (Randfaserdehnung) ist
Mit den Größen
Mit den Größen
kann man das Zwangsverformungspro-
fil (Abb. 8-4 und 8-5) zeichnen. Mit den
gerechneten Größen für die Ringzonen
ist das Gesamtprofil recht genau zu er-
halten. Die Summe aller Verformungen
über die Rohrwand muss gleich null
sein, d.h. die Kurvenfläche über der
Nulllinie muss gleich der Fläche unter
der Nulllinie sein.
Um die Zwangsverformung in Eigen-
spannungen umzurechnen, müsste
man gemäß dem Hookeschen Gesetz
noch mit dem E-Modul multiplizieren.
Da es jedoch problematisch ist, den
„richtigen“ E-Modul zu verwenden,
begnügt man sich mit dem Zwangs-
verformungsprofil. Man kann an-
nehmen, dass der E-Modul über die
Wanddicke nahezu konstant ist.
Abbildung 8-4 zeigt ein typisches
Zwangsverformungsprofil, wie es
an einem Rohr 90 SDR11 gemessen
wurde. Auch Profile wie das in Ab-
bildung 8-5 für ein Rohr 200 SDR11
werden gefunden. Hierbei ist die
maximale Zwangsdehnung innerhalb
der Rohrwandung, auch der Innen-
ring besitzt nun einen negativen
Gradienten, d.h. beim Aufschneiden
zieht er sich wie der Außenring
zusammen.
104
0,8
0,4
0
0,4
0,8
1,2
1,4
Stau
chung [
%]
Rohrwandaußeninnen
e = 8,2 mm
Deh
nung [
%]
Abb. 8-4: Zwangsverformungsprofil
eines Rohrs 90 x 8,2 mm SDR11 aus
Hostalen
0,8
0,4
0
0,4
0,8
1,2
Stau
chung [
%]
Rohrwandaußeninnen
e = 18,5 mm
Deh
nung [
%]
Abb. 8-5: Zwangsverformungsprofil
eines Rohrs 200 x 18,5 mm SDR11 aus
Hostalen
8-19
105
9.1 Lieferung, Transport,
Lagerung
Je nach den Transportmöglichkei-
ten werden Rohre aus Hostalen und
Lupolen auf Trommeln oder in Rohr-
bunden, in Fixlängen oder für den
Transport auf Rungenwagen mit bis
zu 600 m Länge geliefert. Ferner
lassen sich Rohre mit einer mobilen
Rohrextrusionsanlage vor Ort in be-
liebigen Längen produzieren. Beson-
ders vorteilhaft ist der Transport in
Rohrbunden oder auf Trommeln, da
sich dann je nach Abmessung des
Rohrs Längen bis zu mehreren tau-
send Metern ohne Verbindungsele-
mente oder Schweißstellen verlegen
lassen (Abb. 9-1). Der Wickelradius
sollte nicht kleiner als der 12fache
Rohrdurchmesser sein. Standardmä-
ßig werden heute Rohre bis 160 mm
SDR 11 aufgewickelt. Kein anderer
Werkstoff ermöglicht es, die daraus
hergestellten Rohre derartig zügig
zu verlegen wie PE-Rohre.
Hinweise zu Transport und Verlegung
Je nach den Transportmöglichkeiten werden Rohre ausHostalen und Lupolen auf Trommeln oder in Rohrbunden,in Fixlängen oder für den Transport auf Rungenwagen mit bis zu 600 m Länge geliefert.
Abb. 9-1: Ringbunde aus Hostalen CRP 100 black (Foto: Fa. Frank GmbH)
Rohre mit größerer Nennweite lassen
das Aufwickeln in der Regel nicht zu.
Sie werden in standardmäßigen Fix-
längen von 6 und 12 m gefertigt. In
Sonderfällen sind je nach Transport-
möglichkeiten auch größere Längen
möglich (Abb. 9-2). Nach dem Abladen
sind solche Rohre gerade auf ebener
Fläche zu lagern. Die einzelnen Lagen
sollen ohne Zwischenhölzer versetzt
angeordnet sein. Ab 500 mm Durch-
messer sollten nur zwei Lagen gesta-
pelt werden.
Für bestimmte Anwendungen sollen
möglichst lange Rohrabschnitte ohne
Fügenaht eingesetzt werden, auch
wenn das Auftrommeln wegen der
großen Abmessungen ausscheidet.
Dann gibt es drei unterschiedliche
Liefermöglichkeiten. Erstens lassen
sich Rohre aus Hostalen und Lupolen
mit mehreren hundert Metern Länge
auf Rungenwagen der Eisenbahn
transportieren (Abb. 9-3). Zweitens
ist auf dem Wasserweg der Transport
solcher Rohre als Floß möglich
(Abb. 9-4). Drittens können Rohre
auf mobilen Extrusionsanlagen
direkt vor Ort extrudiert werden.
106
Abb. 9-2: Auch 25 m lange Rohrab-
schnitte lassen sich gut transportieren
Abb. 9-3: Rohre aus Hostalen großer Länge beim Transport
auf Rungenwagen der Bahn
Abb. 9-4: Rohrtransport als Floß auf dem Wasserweg
Als rationelle Verlegemethode bietet
sich das Einpflügen der PE-Rohre an
(Abb. 9-5). Dabei werden die Rohre ent-
weder von einer auf dem Verlegegerät
montierten oder von einer stationär
aufgestellten Trommel abgewickelt.
Durch ständige Weiterentwicklung
dieser Technik ist es heute möglich,
eingepflügte Rohre im Sandbett zu
verlegen. Das Einpflügen ist auch
bei Gasleitungen anwendbar. Mit
Hilfe der Einpflüg-Technik sind Verle-
geleistungen von bis zu 5 km pro Tag
bei kleinen Durchmessern möglich.
Zur Zeit können Rohre mit einem
Außendurchmesser von bis zu 355 mm
eingepflügt werden.
Bei der Erdverlegung von Kanalrohren
aus Hostalen sind, wie für Kanal-
rohre aus allen anderen Werkstoffen
auch, die Verlegevorschriften von
DIN EN 1610 und DIN 18 300 zu
beachten.
107
9.2 Verlegen von Rohrleitungen
Für die Verlegung von Gas-, Wasser-
und Abwasserdruckrohren gelten in
Deutschland die Verlegerichtlinien
DIN 19 630 sowie die Verlegeanlei-
tungen des Kunststoffrohrverbands
und des DVGW. Lassen die örtlichen
Verhältnisse es zu, die Rohre außer-
halb des Grabens komplett zur Leitung
zu verschweißen, ist nur ein schmaler
Graben erforderlich. Anschließend
muss die Leitung nur noch in den vor-
bereiteten Graben eingezogen werden.
Wegen der hohen Flexibilität von Roh-
ren aus Hostalen und Lupolen lassen
sich größere Hindernisse, wie Baum-
wurzeln, Felsriegel oder kreuzende
Rohrleitungen, umgehen. Daher sind
beispielsweise im Waldgelände oder
bei felsigem Untergrund Sprengungen
nicht notwendig.
Das Rohr muss gerade vom Bund oder
von der Trommel abgewickelt werden.
Das Abziehen in einer Spirale ist zu
Abb. 9-5: Einpflügen einer 17,5 km langen Mineralwasserleitung aus Hostalen CRP 100 black, simultane Verlegung von vier
Rohren (125 mm, SDR 11), (Fotos: Fa. FRANK GmbH)
vermeiden. Auf keinen Fall dürfen die
Rohre geknickt werden. Ferner ist es
wichtig, beim Abrollen und Verlegen,
wie zuvor schon bei Transport und La-
gerung, äußere Beschädigungen, etwa
durch spitze Steine, zu vermeiden.
Unebenheiten in der Grabensohle soll-
ten vor dem Verlegen durch Sand bzw.
Kies ausgeglichen werden. Dabei sind
DIN 19 630, DIN 4124, DIN 4022,
DIN 18 196 sowie die 97 (ZTVA-Stb)
zu beachten.
Die Verlegetiefe richtet sich nach der
Verkehrsbelastung und dem Rohrau-
ßendurchmesser. Sie sollte mindestens
der Frosttiefe entsprechen (beispiels-
weise gemäß DIN 1998 bei Gas: 0,6
bis 1,0 m und Wasser: 1,0 bis 1,8 m).
Zur Grabenverfüllung eignet sich am
besten steinfreies Material. Einschläm-
men ist zu vermeiden, da die Rohre
durch ihre niedrige Dichte auch im
wassergefüllten Zustand aufschwim-
men. Bei felsigem Untergrund müs-
sen die Rohre auf einem Sandbett
verlegt werden.
Das Auflager im Leitungsgraben ist
in einer Höhe von 0,1 · d + 10 cm in
steinfreiem Material auszuführen und
vor dem Verlegevorgang mit leichtem
Verdichtungsgerät abzurütteln.
Die Einbettung der Leitung bis 15 cm
(nach EN 1610) über Rohrscheitel muss
mit verdichtungsfähigem, steinfreiem
Material erfolgen. Sie wird in einzel-
nen Lagen ausgeführt, wobei diese
Einzellagen sorgfältig zu verdichten
sind. Wegen der Wärmeausdehnung
müssen die Rohre zügig angedeckt
werden. Nach der Verfüllung und Ver-
dichtung verhindern die Reibungs-
kräfte zwischen Rohr und Einbettung
Wärmedehnungen durch Temperatur-
schwankungen bzw. es stellt sich eine
konstante Temperatur ein.
In der Regel dürfen Entwässerungsroh-
re in Deutschland nur geradlinig verlegt
werden. Ist in besonderen Fällen
eine Richtungsänderung notwendig,
sollte die Trasse so gewählt werden,
dass sich Richtungsänderungen in der
Horizontalen durch Biegen der Rohre
erzie-len lassen. Da sich Rohre aus
Hostalen und Lupolen mit relativ
kleinen Biegeradien verlegen lassen,
entfällt der Einbau von Formstücken,
z.B. Krümmern, oder von Schächten.
Eine Randfaserdehnung von 2,5 %
sollte langfristig nicht überschritten
werden.
Es wird empfohlen, die in Tabelle 9-1
angegebenen Biegeradien bei 20 °C
nicht zu unterschreiten.
Bei einer Verlegetemperatur von 0 °C
sind die angegebenen Biegeradien um
den Faktor 2,5 zu erhöhen. Zwischen
0 und 20 °C kann der Biegeradius durch
lineare Interpolation ermittelt werden.
Die Rohre werden durch gefrierendes
Wasser nicht beschädigt. Das Einfrieren
des Wassers selbst können Rohre aus
Hostalen und Lupolen nicht verhindern,
sie müssen frostsicher verlegt werden.
Alle Verlege- und Schweißarbeiten sind
einer Qualitätskontrolle zu unterziehen.
Für die Ausführung und Überprüfung
der Schweißarbeiten gelten die im
Merkblatt DVS 2207 angegebenen
Richtlinien. Weiterer Bestandteil der
Prüfung ist die Druckprobe als Dicht-
heitsprüfung nach dem Verlegen.
Richtlinien hierfür sind in DIN 4279
(Wasser-Druckleitungen) und in DVGW
G 469 (Gas) zu finden.
108
Tab. 9-1: Zulässige Biegeradien für Rohre aus Polyethylen
Das Kriterium für den zulässigen
Biegeradius ist bei kleinem Verhältnis
von Rohrwanddicke zu Durchmesser,
also bei niedrigen Druckstufen, die
Knickung. Bei großem Verhältnis, d.h.
bei höheren Druckstufen, ist die Rand-
faserdehnung zu betrachten. Zur Be-
rechnung der Biegeradien gelten bei
Vernachlässigung der durch das Bie-
gen entstehenden Ovalität des Rohrs
näherungsweise folgende Formeln:
Biegeradius RK gegen Knicken:
mit
rm = mittlerer Rohrradius [mm],
e = Wanddicke [mm].
Biegeradius Rs gegen Dehnung:
mit
ra = Rohraußenradius [mm],
= Randfaserdehnung [%].
Rohrreihe S SDR Zulässiger Biegeradius
(d = Rohraußendurchmesser)
1 20 41 50 d
2 16 33 40 d
3 12,5 26 30 d
4 8,3 17,6 20 d
5 5 11 20 d
6 3,2 7,4 20 d
9-1
9-2
109
Rohre aus Hostalen und Lupolen haben
sich wegen ihrer einfachen und schnel-
len Verlegeweise, ihres geringen Ge-
wichts, der hohen Korrosionsbestän-
digkeit sowie der unverändert guten
Eigenschaften auch bei Frost zuerst in
Skandinavien durchgesetzt. Dies ist
ohne Zweifel auf die dort herrschenden
geographischen und klimatischen
Verhältnisse zurückzuführen. So
findet man neben gebirgigem Gelände
(Norwegen) auch ausgedehnte Sumpf-
und Seengebiete (Finnland), also für
metallische Werkstoffe ausgesprochen
schwierige bzw. aggressive Gegeben-
heiten. Darüber hinaus ist man in
Skandinavien gezwungen, auch in der
langen Winterzeit Verlegearbeiten
durchzuführen. Dabei erweist sich die
hohe Zähigkeit der Werkstoffe der
Basell auch bei tiefen Temperaturen
als Vorteil.
Flexibilität, Zähigkeit, Dichtheit und
Längskraftschlüssigkeit der Schweiß-
verbindungen lassen die Verlegung
in unwegsamem Gelände, an Steil-
hängen, in Gebieten mit Bodenver-
schiebungen, in moorigem Gelände, in
Wasserschutzgebieten sowie in grund-
wasserhaltigen und korrosiven Böden
ohne besondere Maßnahmen zu.
Selbst unter extremen und irregulären
Bedingungen wie in Bergsenkungsge-
bieten und bei Erdbeben haben sich
Rohre aus Polyethylen auf Grund ihrer
hohen Zähigkeit bewährt.
10.1 Normen und Richtlinien
für Rohre
Nachfolgend wird eine Auswahl der
wichtigsten internationalen und natio-
nalen Vorschriften gegeben. Für die
Anwendung der Normen und Richt-
linien ist jeweils das neueste Aus-
gabedatum maßgebend.
Die Einführung des europäischen
Binnenmarkts bringt auch im Rahmen
der Normung entscheidende Verände-
rungen mit sich.
Gegenwärtig ist eine Vielzahl von Be-
stimmungen im „Europäischen Komitee
für Normung (Comité Européen de
Normalisation = CEN)“ in Arbeit, die
dann zumindest für alle europäischen
Länder, die der jeweiligen Norm zuge-
stimmt haben, verbindlich sein und
die einschlägigen nationalen Normen-
werke ablösen werden.
110
Weiterführende Informationen
Nachfolgend wird eine Auswahl der wichtigsten inter-nationalen und nationalen Vorschriften gegeben. Für die Anwendung der Normen und Richtlinien ist jeweils das neueste Ausgabedatum maßgebend.
Bei Rohren aus Kunststoffen wird für
jede einzelne in Frage kommende Kom-
bination von Kunststoffsorte und An-
wendungsgebiet (u.a. für Hausabfluss,
Abwasser-, Trinkwasser-, Gas- und
Chemieleitungen) ein Systemstandard,
z.B. EN 1555 für Gasrohre aus PE, ge-
schaffen, der die Normung wie folgt
umfassen wird:
Teil 1: Allgemeines
Teil 2: Rohre
Teil 3: Fittings
Teil 4: Armaturen
Teil 5: Gebrauchstauglichkeit
Teil 6: Empfehlungen für die
Verlegung
Teil 7: Beurteilung der Konformität
10.1.1 Grundnormen
ISO 161-1
Thermoplastische Rohre zum Trans-
port von Flüssigkeiten – Nominaler
Außendurchmesser und Nenndrücke
– Teil 1: Metrische Reihe
ISO 161-2
Thermoplastische Rohre zum Trans-
port von Flüssigkeiten – Nominaler
Außendurchmesser und Nenndrücke
– Teil 2: Inch-Reihen
ISO 4065
Rohre aus Thermoplasten; Universelle
Wanddickentabelle
ISO 10508
Thermoplastische Rohre und Form-
stücke für Heiß- und Kaltwasser-
Systeme (Anwendungsklassen,
Anforderungen, Dimensionierung)
ISO 11922
Thermoplastische Rohre für den
Transport von Fluiden – Maße und
Toleranzen
ISO 12162
Thermoplastische Werkstoffe für Rohre
und Formstücke bei der Anwendung
unter Druck – Klassifizierung und Werk-
stoffkennzeichnung – Gesamtbetriebs-
(berechnungs)koeffizient
DIN 8074
Rohre aus Polyethylen hoher Dichte
(PE-HD); Maße
DIN 8075
Rohre aus Polyethylen hoher Dichte
(PE-HD); Allgemeine Güteanforderun-
gen; Prüfungen
DIN 8077
Rohre aus Polypropylen (PP)–PP-H
100, PP-B 80, PP-R 80-Maße
DIN 8078
Rohre aus Polypropylen (PP)–PP-H
(Typ 1), PP-B (Typ 2), PP-R (Typ 3);
Allgemeine Güteanforderungen,
Prüfung
DIN 16833
Rohre aus Polyethylen erhöhter Tem-
peraturbeständigkeit – Allgemeine
Güteanforderungen, Prüfung
DIN 16834
Rohre aus Polyethylen erhöhter
Temperaturbeständigkeit – Maße
DIN 16892
Rohre aus vernetztem Polyethylen
hoher Dichte (PE-X); Allgemeine
Güteanforderungen, Prüfung
DIN 16893
Rohre aus vernetztem Polyethylen
hoher Dichte (PE-X); Maße
DIN 16894
Rohre aus vernetztem Polyethylen
mittlerer Dichte (PE-MDX); Allgemeine
Qualitätsanforderungen, Prüfung
DIN 16895
Rohre aus vernetztem Polyethylen
mittlerer Dichte (PE-MDX) – Maße
DIN 16961
Rohre und Formstücke aus thermo-
plastischen Kunststoffen mit
profilierter Wandung und glatter
Rohrinnenoberfläche
ASTM D 3350
Standard Specification for Poly-
ethylene Plastics Pipe and Fittings
Materials
ASTM F 412
Standard Terminology Relating to Pla-
stic Piping Systems
ASTM F 714
Standard Specification for Polyethy-
lene (PE) Plastic Pipe (SDR-PR) Based
on Outside Diameter
ASTM F 876
Standard Specification for Cross-
linked Polyethylene (PEX) Tubing
ASTM D 1281
Standard Specification for Crosslinked
Polyethylene/Aluminum/Crosslinked
Polyethylene (PEX-AL-PEX) Pressure Pipe
ASTM D 1282
Standard Specification for Polyethy-
lene/Aluminum/Polyethylene
(PE-AL-PE) Composite Pressure Pipe
ASTM D 1335
Standard Specification for Pressure-
Rated Composite Pipe for Elevated
Temperature Service
10.1.2 Prüfverfahren
ISO 1167
Rohre aus Thermoplasten für den
Transport von Fluiden – Zeitstand-
Innendruckverhalten – Prüfverfahren
ISO 4433
Thermoplastische Rohre – Widerstand
gegen chemische Fluide – Einteilung
ISO 6259
Thermoplastische Rohre – Bestimmung
der Eigenschaften im Zugversuch
ISO 6964
Polyolefin-Rohre und Fittings; Bestim-
mung des Rußgehaltes durch pyroly-
tische Zersetzung, Prüfverfahren und
geforderte Werte
111
EN ISO 9080
Kunststoff-Rohrleitungs- und Schutz-
rohrsysteme – Bestimmung des Zeit-
stand-Innendruckverhaltens von
thermoplastischen Rohrwerkstoffen
durch Extrapolation
ISO 9854
Thermoplastische Rohre für den
Transport von Flüssigkeiten –
Bestimmung des Schlagbiegever-
suches nach Charpy
ISO 9967
Thermoplastische Rohre –
Bestimmung des Kriechverhaltens
ISO 9969
Thermoplastische Rohre –
Bestimmung der Ringsteifigkeit
ISO 10146
Vernetzte Polyethylen(PE-X)-Rohre –
Einfluss von Zeit und Temperatur auf
die zu erwartende Festigkeit
ISO 10147
Rohre und Fittings aus vernetztem
Polyethylen (PE-X) – Berechnung
des Grades der Vernetzung bei der
Bestimmung des Gel-Gehaltes
ISO 13477
Rohre aus Thermoplasten für den
Transport von Fluiden; Bestimmung
des Widerstandes gegenüber schnel-
ler Rissfortpflanzung – Labortest an
kleinen Rohrproben (S4)
ISO 13478
Rohre aus Thermoplasten für den
Transport von Fluiden; Bestimmung
des Widerstandes gegenüber schnel-
ler Rissfortpflanzung – Praxistest
(FST)
ISO 13479
Rohre aus Thermoplasten für den
Transport von Fluiden – Bestimmung
des Widerstandes gegen Rissfort-
pflanzung – Prüfverfahren für lang-
sames Risswachstum an gekerbten
Rohren (Kerbprüfung)
ISO 13480
Polyethylenrohre – Beständigkeit
gegenüber verzögernder Rissbildung
– Kegelprüfung
ISO 16770
Kunststoffe – Bestimmung der Span-
nungsrissbeständigkeit unter Medien-
einfluss – Kriechversuch an Probekör-
pern mit umlaufender Kerbe (FNCT)
ISO 18553
Methode zur Bestimmung der Pig-
ment- oder Rußverteilung in Rohren,
Formstücken und Compounds aus
Polyolefin
EN 578/ISO 7686
Kunststoff-Rohrleitungssysteme;
Rohre und Formstücke aus Kunst-
stoffen; Bestimmung der Opazität
EN 579
Kunststoff-Rohrleitungssysteme;
Rohre aus vernetztem Polyethylen
(PE-X); Bestimmung des Vernetzungs-
grades durch Lösemittelextraktion
EN 728
Kunststoff-Rohrleitungs- und Schutz-
rohrsysteme; Rohre und Formstücke
aus Polyolefinen; Bestimmung der
Oxidations-Induktions-Zeit
EN 743
Kunststoff-Rohrleitungs- und
Schutzrohrsysteme; Rohre aus
Thermoplasten; Bestimmung
des Längsschrumpfes
EN 744
Kunststoff-Rohrleitungs- und
Schutzrohrsysteme – Rohre aus
Thermoplasten – Prüfverfahren
für die Widerstandsfähigkeit gegen
äußere Schlagbeanspruchung im
Umfangsverfahren
EN 921
Kunststoff-Rohrleitungssysteme –
Rohre aus Thermoplasten – Bestim-
mung des Zeitstand-Innendruckver-
haltens bei konstanter Temperatur
EN 1055
Kunststoff-Rohrleitungssysteme –
Rohrleitungssysteme aus Thermopla-
sten für Abwasserleitungen innerhalb
von Gebäuden – Prüfverfahren für die
Temperaturbeanspruchbarkeit
EN 1056
Kunststoff-Rohrleitungs- und Schutz-
rohrsysteme – Rohre und Formstücke
aus Kunststoffen – Verfahren für die
Bewitterung im Freien
EN 1411
Kunststoff-Rohrleitungs- und
Schutzrohrsysteme – Rohre aus
Thermoplasten – Bestimmung
der Widerstandsfähigkeit gegen
äußere Schlagbeanspruchung im
Stufenverfahren
EN 1420-1
Einfluss von Werkstoffen auf Trink-
wasser – Organische Werkstoffe;
Rohre, Formstücke und deren Be-
schichtungen in Rohrleitungssys-
temen; Beurteilung von Geruch und
Geschmack – Teil 1: Prüfverfahren
EN 1622
Wasseranalytik – Geruch und
Geschmack von Trinkwässern –
Quantitatives Verfahren; Verfahren
zur Bestimmung der Geruchs- und
Geschmacksschwellenwerte (TON
und TFN)
112
EN 12106
Kunststoff-Rohrleitungssysteme –
Rohre aus Polyethylen (PE) Bestim-
mung der Widerstandsfähigkeit
gegen Innendruck nach Abquetschen
DIN V 4279-7
Innendruckprüfung von Druckrohr-
leitungen für Wasser –
Druckrohre aus Polyethylen geringer
Dichte PE-LD, Druckrohre aus Poly-
ethylen hoher Dichte PE-HD (PE 80
und PE 100), Druckrohre aus vernetz-
tem Polyethylen PE-X, Druckrohe aus
weichmacherfreiem Polyvinylchlorid
PVC-U
DIN 16887
Prüfung von Rohren aus thermopla-
stischen Kunststoffen, Bestimmung
des Zeitstand-Innendruckverhaltens
DIN 16888-1
Bewertung der chemischen Wider-
standsfähigkeit von Rohren aus Ther-
moplasten; Rohre aus Polyolefinen
DIN 16889-1
Bestimmung der chemischen Resi-
stenzfaktoren an Rohren aus Thermo-
plasten; Rohre aus Polyolefinen
ASTM D 2765
Standard Test Methods for Determina-
tion of Gel Content and Swell Ratio of
Crosslinked Ethylene Plastics
ASTM D 2837
Standard Test Method for Obtaining
Hydrostatic Design Basis for Thermo-
plastic Pipe Materials
10.1.3 Anwendungsnormen
10.1.3.1 Allgemeine Druckleitungen
ISO 8584-1
Druckrohre aus Thermoplasten für
die industrielle Anwendung; Bestim-
mung der chemischen Beständigkeits-
faktoren und der Basisspannung:
Teil 1: Rohre aus Polyolefinen
ISO 13760
Kunststoffrohre für den Transport
von Fluiden unter Druck –
Minersches Gesetz – Berechnungsver-
fahren für kumulative Beschädigung
ISO 13761
Kunststoffe und Formstücke –
Druckminderungsfaktoren für Poly-
ethylen-Rohrleitungssysteme für den
Einsatz bei Temperaturen über 20 °C
ISO 14236
Kunststoffrohre und Formstücke –
Mechanische Klemmverbinder für
Polyethylen – Druckrohre in der
Wasserversorgung
ISO 15494-1
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
industrielle Anwendungen –
Polybuten (PB), Polyethylen (PE),
Polypropylen (PP) – Anforderungen
an Rohrleitungsteile und das Rohr-
leitungssystem –
Teil 1: Metrische Reihen
DIN 8076-3
Druckrohrleitungen aus thermo-
plastischen Kunststoffen – Teil 3:
Klemmverbinder aus Kunststoffen
für Rohre aus Polyethylen (PE);
Allgemeine Güteanforderungen,
Prüfung
DIN 16962
Rohrverbindungen und Formstücke
für Druckrohrleitungen aus Poly-
propylen (PP), PP-H 100, PP-B 80 und
PP-R 80
DIN 16963
Rohrverbindungen und Formstücke
für Druckrohrleitungen aus Poly-
ethylen (PE), PE 80 und PE 100
10.1.3.2 Gasrohre
ISO 4437
Kunststoffrohre und Formstücke –
Erdverlegte Polyethylen(PE)-Rohre
für gasförmige Brennstoffe –
Metrische Reihen; Spezifikationen
ISO/TS 10839
Polyethylen-Rohre und -Formstücke
für die Gasversorgung – Praxisanlei-
tung für Design, Handhabung und
Installation
ISO 14531
Rohre und Formstücke aus Kunst-
stoffen – Rohrleitungssysteme aus
vernetztem Polyethylen für den
Transport von gasförmigen Brenn-
stoffen – Festlegung metrischer
Reihen
EN 1555
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
die Gasversorgung – Polyethylen (PE)
EN 12007-2
Gasversorgungssysteme –
Rohrleitungen mit einem maximal
zulässigen Betriebsdruck bis ein-
schließlich 16 bar –
Teil 2: Besondere funktionale
Empfehlungen für Polyethylen
(MOP bis einschließlich 10 bar)
113
10.1.3.3 Trinkwasserrohre
ISO 4427
Polyethylen(PE)-Rohre für die Wasser-
versorgung; Spezifikationen
EN 12201
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für die
Wasserversorgung – Polyethylen (PE)
10.1.3.4 Hausinstallation,
Druckrohre
EN ISO 15874
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
die Warm- und Kaltwasserinstallation
– Polypropylen (PP)
EN ISO 15875
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
Warm- und Kaltwasserinstallation –
Vernetztes Polyethylen (PE-X)
ENV 12108
Kunststoff-Rohrleitungssysteme –
Empfehlungen zum Einbau von Druck-
rohrleitungssystemen für die Ver-
sorgung innerhalb von Gebäuden mit
Warm- und Kaltwasser, das für den
menschlichen Gebrauch bestimmt ist
DIN 4721
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
Warmwasser-Fußbodenheizung und
Heizkörperanbindung – Polyethylen
erhöhter Temperaturbeständigkeit
(PE-RT)
DIN 4724
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
Warmwasser-Fußbodenheizung und
Heizkörperanbindung – Vernetztes
Polyethylen mittlerer Dichte (PE-MDX)
DIN 4726
Warmwasser-Fußbodenheizungen und
Heizkörperanbindungen – Rohrleitun-
gen aus Kunststoffen
DIN 4729
Rohrleitungen aus vernetztem Poly-
ethylen hoher Dichte für Warmwas-
ser-Fußbodenheizngen; Besondere
Anforderungen und Prüfung
ASTM F 877
Crosslinked Polyethylene (PEX)
Plastic Hot- and Cold-Water Distri-
bution Systems
10.1.3.5 Abwasserdruckleitungen
EN 13244
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für erd-
und oberirdisch verlegte Druckrohr-
leitungen für Brauchwasser, Entwässe-
rung und Abwasser – Polyethylen (PE)
10.1.3.6 Drucklose Abwasser-
leitungen
ISO 8770
Rohre und Formstücke aus Polyethy-
len hoher Dichte (PE-HD) für Hausab-
flussleitungen; Spezifikationen
ISO 8772
Rohre und Formstücke aus Polyethylen
hoher Dichte (PE-HD) für erdverlegte
Abwassersysteme; Spezifikationen
EN 1519
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
Abwasserleitungen (niederer und
hoher Temperatur) innerhalb der
Gebäudestruktur – Polyethylen (PE)
EN 1852
Kunststoff-Rohrleitungssysteme
für erdverlegte Abwasserkanäle
und -leitungen – Polypropylen (PP)
EN 12666-1
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
erdverlegte Abwasserkanäle und
-leitungen – Polyethylen (PE) – Teil 1:
Anforderungen an Rohre, Formstücke
und das Rohrleitungssystem
EN 13476 (Normentwurf)
Kunststoff-Rohrleitungssysteme
aus Thermoplasten für drucklose
erdverlegte Abwasserkanäle und
-leitungen – Rohrleitungssysteme
mit strukturierter Wandung aus
weichmacherfreiem Polyvinylchlorid
(PVC-U), Polypropylen (PP) und
Polyethylen (PE)
EN 13598-1
Kunststoff-Rohrleitungssysteme für
erdverlegte drucklose Abwasser-
kanäle und Abwasserleitungen –
Weichmacherfreies Polyvinylchlorid
(PVC-U), Polypropylen (PP) und Poly-
ethylen (PE) –
Teil 1: Anforderungen an Schächte
und Zubehörteile
EN 1451-1
Kunststoff-Rohrleitungssysteme
zum Ableiten von Abwasser (niedri-
ger und hoher Temperatur) innerhalb
der Gebäudestruktur - Polypropylen
(PP) – Teil 1: Anforderungen an Rohre,
Formstücke und das Rohrleitungssy-
stem
DIN 19535
Rohre und Formstücke aus Polyethylen
hoher Dichte (PE-HD) für heißwasser-
beständige Abwasserleitungen (HT)
innerhalb von Gebäuden
DIN 19537
Rohre und Formstücke aus Polyethy-
len hoher Dichte (PE-HD) für Abwas-
serkanäle und Abwasserleitungen
DIN 19560
Rohre und Formstücke aus Polypro-
pylen (PP) mit Steckmuffe für heiß-
wasserbeständige Abwasserleitugen
(HT) innerhalb von Gebäuden
114
10.1.3.7 Sonstige Rohrleitungs-
baunormen
ISO 8779
Rohre aus Polyethylen (PE) für Bewäs-
serungssysteme; Spezifikationen
ISO/TR 11295
Techniken für die Sanierung von
Rohrleitungssystemen unter Ver-
wendung von Plastikrohren und
ihren Bestandteilen
EN 253
Werksmäßig gedämmte Verbund-
mantel-Rohrsysteme für erdverlegte
Fernwärmenetze; Verbund-Rohr-
system bestehend aus Stahl-Medium-
rohr, Polyurethan-Wärmedämmung
und Außenmantel aus Polyethylen
hoher Rohdichte
EN 1295-1
Statische Berechnung von erdverleg-
ten Rohrleitungen unter verschiede-
nen Belastungsbedingungen – Teil 1:
Allgemeine Anforderungen
EN 1610
Technische Regeln für die Bauaus-
führung von Abwasserleitungen
und Abwasserkanälen
10.1.4 Sonstige Normen
und Richtlinien
Weiter sei verwiesen auf die Richt-
linien der verschiedenen Verbände,
Vereinigungen und Zertifizierungs-
organisationen. Für Deutschland
sollen exemplarisch genannt werden:
• Technische Regeln und Technische
Mitteilungen des DVGW (Deutscher
Verein des Gas- und Wasserfaches
e.V.), zu beziehen durch Wirtschafts-
und Verlagsgesellschaft Gas und
Wasser mbH, Josef-Wirmer-Straße 3,
D-53123 Bonn
• Zertifizierungsprogramme für
Abwassertechnik und industrielle
Anwendungen der DIN CERTCO
Gesellschaft für Konformitätsbewer-
tung mbH, Burggrafenstraße 6;
D-10787 Berlin
(Frühere Güterichtlinien der GKR)
• Richtlinien des DVS (Deutscher
Verband für Schweißtechnik e.V.),
zu beziehen durch den DVS-Verlag
GmbH, Postfach 10 19 65,
D-40010 Düsseldorf
• Regelwerk Abwasser – Abfall der
ATV (Deutsche Vereinigung für
Wasserwirtschaft, Abwasser und
Abfall), zu beziehen durch GFA
(Gesellschaft zur Förderung der
Abwassertechnik e.V.), Theodor-
Heuss-Allee 17, 53773 Hennef
• Medienlisten 40 für Behälter, Auf-
fangvorrichtungen und Rohre aus
Kunststoff, zu beziehen durch
Deutsches Institut für Bautechnik,
Kolonnenstraße 30L, D-10829 Berlin
10.2 Maschinenhersteller und
Prüfinstitute
Maschinen und Nachfolgeeinrich-
tungen zur Produktion von Kunst-
stoffrohren und Formteilen sowie
Zubehörteilen zur Bearbeitung und
Verlegung von Kunststoffrohren
werden von einer Vielzahl von Her-
stellern produziert. Eine Auswahl
von Anschriften wird auf Wunsch
zur Verfügung gestellt.
Zahlreiche Institute haben sich auf die
Prüfung und Überwachung von Kunst-
stoff-Rohrsystemen spezialisiert.
Auch hier können die entsprechenden
Informationen angefordert werden.
Zwischenzeitlich sind die meisten
Rohrhersteller, Zulieferer, Institute
und Vereinigungen mit eigenen Home-
pages im Internet vertreten. Aktuelle
Informationen können dort kurzfristig
mit geeigneten Suchprogrammen ab-
gerufen werden.
115
116
11.1 Verwertung
Zum Deponieren sind Altkunststoffe
zu schade, denn Kunstststoffe sind
auch nach ihrer Verwendung wert-
volle Materialien, die durch moderne
Verwertungsverfahren genutzt wer-
den können. Das spart fossile Roh-
stoffe und schont die Umwelt. Für
die Verwertung von Polyethylenrohren
wie auch für andere Kunststoffabfälle
bestehen prinzipiell drei Möglich-
keiten (sofern nicht von dem Gesetz-
geber begrenzt):
• Das Werkstoff-Recycling –
Umschmelzen von Altkunststoffen
zu neuen Formteilen
• Das Rohstoff-Recycling – Umwand-
lung der Altkunststoffe in chemi-
sche und petrochemische Rohstoffe
• Die energetische Verwertung –
Verbrennung mit Energiegewinnung
Welcher dieser drei Wege sinnvoller-
weise beschritten wird, hängt von
der Art der Altkunststoffe ab.
Das Werkstoff-Recycling erfordert
sortenreine, saubere und in großen
Mengen an wenigen Orten anfallende
Altkunststoffe. Dann halten sich die
unvermeidlichen Eigenschaftsverluste
beim Recyclingprozess in Grenzen,
der energetische Aufwand ist niedrig,
die Aufbereitungskosten sind vertret-
bar und die Rezyclate finden einen
Markt.
Umwelt
117
Durch Rohstoff-Recycling werden
gebrauchte Kunststoffe in ihre Aus-
gangssubstanzen oder in chemische
oder petrochemische Rohstoffe
gespalten, die wieder zur Herstellung
neuer Kunststoffe oder anderer Pro-
dukte eingesetzt werden können. Auf
diese Weise lassen sich auch große
Mengen vermischter und verschmutz-
ter Altkunststoffe stofflich verwerten.
Die so erhaltenen Produkte zeigen
keinerlei Qualitätseinbußen und
unterliegen daher keinen Anwen-
dungseinschränkungen. Gängige Ver-
fahren des rohstofflichen Recyclings
in Deutschland sind die Synthese-
gaserzeugung zu Methanol nach
dem Verfahren der SVZ Schwarze
Pumpe sowie der Hochofenprozess
bei der Eisenerzeugung.
In modernen Verbrennungsanlagen
wie Kraftwerken und anderen in-
dustriellen Feuerungsanlagen z.B.
Zementöfen kann Polyethylen in
komplexer Mischung mit anderen
Materialien, besonders solchen mit
kritischen Anhaftungen und Inhalts-
stoffen, schadstoffarm und umwelt-
freundlich energetisch verwertet
werden. Die saubere Verbrennung
von Altkunststoffen in geeigneten
Anlagen ist ein Beitrag zur Schonung
fossiler Brennstoffvorräte.
Ökobilanzen zeigen: Die drei Wege
tragen zur Ressourcenschonung bei.
Die Lösung der Verwertungsfrage
liegt somit im gleichwertigen Neben-
einander aller Alternativen unter
Berücksichtigung ökologischer und
volkswirtschaftlicher Aspekte.
11.2 Beseitigung
Polyethylen kann unter Beachtung
der örtlichen Vorschriften z.B. zusam-
men mit Hausmüll abgelagert werden.
Die Polyethylen-Marken der Basell
sind nach VwVwS, Anhang 1 als nicht
wassergefährdend eingestuft worden.
Von ihnen geht keine Grundwasser-
gefährdung aus. Sie sind nicht
wasserverunreinigend nach RID/ADR
(Klasse 9).
Infolge der geringen Wasserlöslich-
keit sind granulat- oder grießförmige
Polyethylen-Marken der Basell in Klär-
anlagen mechanisch abzutrennen.
Auf Grund der Konsistenz sowie der
geringen Wasserlöslichkeit ist eine
Bioverfügbarkeit nicht wahrschein-
lich. Negative ökologische Wirkungen
sind nach heutigem Kenntnisstand
nicht zu erwarten. Bei Einleitung in
adaptierte biologische Kläranlagen
sind Störungen der Abbauaktivität
von Belebtschlamm nicht zu erwar-
ten.
Nach EG-Richtlinie 93/21/EWG sind
die Produkte der Basell nicht als
„umweltgefährlich“ einzustufen.
11.3 Ökobilanz, Ökoprofil und
Ökoeffizienzanalyse
Ökobilanzstudien analysieren ganz-
heitlich die Umweltauswirkungen, die
durch Erfüllung einer spezifischen
Anforderung – etwa der Bereit-
stellung von einem Liter Milch oder
der Versorgung einer Siedlung mit
Trinkwasser – hervorgerufen werden.
Hierzu definiert man so genannte
Systeme, die den gewünschten Nut-
zen erbringen können, z.B. verschie-
dene Verpackungen für Milch oder
den Verkauf von Milch zum Selbst-
abfüllen. Insofern kann es sich bei
einem System nicht nur um den
Lebensweg eines greifbaren Pro-
dukts, z.B. einer Milchverpackung
handeln. Im gegebenen Beispiel wäre
dies die Bereitstellung von Milch
beim Verbraucher.
Das System wird dabei von der
Gewinnung der Rohstoffe, über die
Herstellung der Produkte und ihrer
Nutzung bis hin zur Verwertung und
Entsorgung, d.h. „von der Wiege
bis zur Bahre“ beschrieben und die
dadurch hervorgerufene Umweltbe-
lastung in Zahlen erfasst. Betrachtet
werden dabei die Mengen an ver-
brauchten Rohstoffen und Energie-
trägern, an Emissionen in die Luft
und das Wasser sowie an Abfällen
zur Deponierung.
118
Die Ergebnisse einer Ökobilanz zei-
gen Schwerpunkte des Rohstoff- und
Energiebedarfs sowie der Emissionen
und Abfälle im Gesamtsystem auf.
Daraus lassen sich Hinweise auf die
Auswirkung von Prozessveränderun-
gen ableiten und Rückschlüsse auf
ökologisch zweckmäßiges Verhalten
bei der Nutzung der Ressourcen
ziehen.
Bereits 1991 haben die europäischen
Kunststoffhersteller über die Associa-
tion of Plastics Manufacturers (APME)
begonnen, für die wichtigsten ther-
moplastischen Kunststoffe umfang-
reiche Basisdaten für die Berechnung
von Ökobilanzen bereitzustellen.
Diese so genannten Ökoprofile sind
beschränkt auf den Lebensweg-
abschnitt von der „Wiege bis zum
Werkstor“. Für Polyethylen liegen
Ökoprofile für LDPE, LLDPE und HDPE
sowie die Produkte der wichtigsten
Verarbeitungsverfahren vor. Die
Daten zu Polyethylen wie auch zu
anderen Kunststoffen, die in der
Reihe „Ecoprofiles of the European
Plastic Industry“ veröffentlicht wurden,
haben Eingang in zahlreiche Öko-
bilanzstudien gefunden.
Viele Ökobilanzstudien zeigen:
Auch unter ökologischen Gesichts-
punkten ist Kunststoff ein vorteil-
hafter Werkstoff. Betrachtet man
den gesamten Lebensweg von der
Herstellung, über den Gebrauch bis
zur Verwertung, so tragen Kunst-
stoffe bereits heute wesentlich zur
Entlastung der Umwelt, zur Schonung
der Ressourcen und zur Klimavor-
sorge bei, z.B. als leichte Bauteile
im Automobil oder als effiziente
Verpackungswerkstoffe. So belegt
z.B. eine vom Umweltbundesamt
erstellte Bilanz zum Vergleich von
Kunststofftragetaschen mit Papier-
tüten die Vorteilhaftigkeit der Kunst-
stoffvariante.
Darüber hinaus greift Basell zu
kombinierten ökologischen und
ökonomischen Bewertungen auf die
Ökoeffizienzanalyse zurück. Diese
Methode wurde von der BASF als
Instrument zur besseren Einschät-
zung von Produkten und Verfahren
für die interne Entscheidungsfindung
entwickelt.
Eine Ökoeffizienzanalyse berücksich-
tigt gleichermaßen ökologische und
ökonomische Gesichtspunkte. Hierbei
werden neben Daten aus Ökobilanzen
weitere Parameter einbezogen und
insbesondere auch die Kosten über
den gesamten Lebensweg betrachtet.
Durch Aggregation der gewichteten
Kenngrößen erhält man ein Öko-
effizienzportfolio, das auf einfache
Art und Weise die Ökoeffizienz eines
Produktes erkennen lässt: Am öko-
effizientesten ist ein Produkt dann,
wenn es einen bestimmten Nutzen
mit geringerer Umweltbelastung und
zu niedrigeren Kosten als alternative
Produkte einbringt.
Mittels einer solchen Ökoeffizienz-
analyse in enger Zusammenarbeit
zwischen BASF und BASELL wurden
beispielhaft die unterschiedlichen
Verwertungswege von Kunststoff-
kraftstoffbehältern betrachtet.
119
Literatur Basell
Aktuelle Informationen zu den
Produkten von Basell sind auf der
Internetseite „www.basell.com“
erhältlich.
Dies sind insbesondere:
– Produktdatenblätter (PDS)
– Sicherheitsdatenblätter (MSDS)
– Regulatory Affairs Product
Stewardship Information
Data Sheets (RAPIDS)
– Sortimentsübersichten
– Broschüren zu verschiedenen
Anwendungsgebieten
– Beständigkeit gegen Chemikalien
und andere Medien
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