Die stetige Erneuerung des Trinkwasser-Fernleitungssystems „Auer Ring“ im Westerzgebirge – eine Zwischenbilanz

1 Werkstoffwahl

Das schwierige felsige Gelände des Westerzgebirges sowie die großen geodätischen Höhendifferenzen erfordern eine sorgfältige Auswahl des Rohrwerkstoffes. Nach Abwägung aller Vor- und Nachteile entschied sich der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge für den Einsatz duktiler Gussrohre DN 400 mit zugfesten Steckmuffen-Verbindungen. In einigen besonderen Abschnitten wurden Rohre mit Zementmörtel-Umhüllung vorgesehen.

Wegen der geringen Pufferung des Wassers und der technisch unvermeidbaren Stagnationen in einem Ringleitungssystem wurden die werksseitig mit Zementmörtel ausgekleideten Rohre abschnittsweise vor der Inbetriebnahme konditioniert. Damit sind mögliche pH-Wert- Beeinflussungen durch stagnierendes Wasser auszuschließen.

2 Einführung

Der in Südwestsachsen gelegene Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge (ZWW) wurde am 01. April 1993 von 39 Städten und Gemeinden der Altlandkreise Aue und Schwarzenberg gegründet und mit der Aufgabe der Trinkwasserversorgung bzw. Abwasserbehandlung betraut. Derzeit werden etwa 171.500 Einwohner durch den ZWW beliefert und entsorgt.

Das Verbandsgebiet des ZWW ist in drei Trinkwasser- und zwei Abwassermeisterbereiche unterteilt (Bild 1A bzw. Bild 1B). Ende 2013 belief sich der Anschlussgrad an das Trinkwassernetz auf beachtliche 98,9 %. Die Rohrnetzlänge im Bereich Trinkwasser summiert sich auf 1.717 km. Insgesamt verfügt der ZWW über eine Speicherkapazität der Hochbehälter von ungefähr 71.000 m³. Im Jahr 2013 konnten 4.554.160 m³ Trinkwasser an die Kunden des ZWW geliefert werden.

3 Vorhaben

Das Fernwasserleitungssystem „Auer Ring“ ist eines der Kernstücke der Trinkwasserversorgung in der Region Westerzgebirge. Auf einer Gesamtlänge von circa 22 km sind zehn Städte und Gemeinden angeschlossen; sie werden mit aufbereitetem Talsperrenwasser aus der Talsperre Sosa versorgt (Bild 2).

Das Fernwassersystem wurde in Verbindung mit dem Bau der Talsperre Sosa um 1950 errichtet. Zum damaligen Zeitpunkt setzten die Ingenieure vorwiegend ungeschützte metallische Rohre (Grauguss oder Stahl) bzw. Betonrohre der Dimensionen DN 350 bis DN 800 ein. Letztere kamen vorwiegend in den Niederdruckbereichen an den geodätisch höher gelegenen Abschnitten zum Einsatz.

Wegen des stellenweise hohen Betriebsdruckes bis zu 22 bar sowie aufgrund der eingesetzten Werkstoffe waren oft mehrere Rohrbrüche im Jahr zu verzeichnen. Besonders die Betonrohrleitungen DN 450 erwiesen sich als kritisch. Meist waren die Muffen undicht bzw. der Beton korrodiert.

3.1 Planung

Der  Reinwasserbehälter im Wasserwerk Sosa mit seinem Wasserspiegel von 602 m ü. NN bestimmt den Druck. Am Ring selbst sind drei weitere Hochbehälter mit einem Speichervolumen zwischen 4.000 m³ und 10.000 m³ angeschlossen. Sie sind annähernd auf der gleichen Höhenlinie um 565 m ü. NN angeordnet.

Damit der „Auer Ring“ auch in Zukunft seine Funktion uneingeschränkt erfüllen kann, hat der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge in den letzten Jahren etwa sechs Millionen Euro in das Versorgungssystem investiert. Umfangreiche hydraulische Berechnungen und Simulationen in Verbindung mit einer grundlegenden Wasserbedarfsanalyse führten zu einer Rohrleitung, die mit DN 400 für den gesamten Ring optimal ausgelegt ist. Dies wurde von einer Kostenvergleichsrechnung bestätigt.

Aufgrund der vorliegenden Ruhedrücke bis zu 22 bar und der teilweise extremen Druckstoßamplituden bis zu 33 bar entschloss sich der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge zum generellen Einsatz von Rohren und Formstücken aus duktilem Gusseisen entsprechend EN 545:2010 [1] mit der form- und längskraftschlüssigen BLS^® - Steckmuffen-Verbindung (Bild 3). Die Wanddicke der verwendeten BLS^® - Rohre entspricht dabei der Wanddickenklasse K 9 gemäß EN 545:2006 [2]. Damit weicht sie von den in Tabelle 17 der EN 545:2010 [1] angegebenen Mindestwanddicken ab. Die hier angegebenen Mindestwanddicken und Drücke (C-Klasse = PFA) gelten nur für duktile Gussrohre mit nicht längskraftschlüssigen Steckmuffen-Verbindungen (z. B. der TYTON^® - Steckmuffen-Verbindung).

Standardmäßig sind Rohre und Formstücke nach EN 545 [1], [2] mit Zementmörtel auf Basis von Zementen nach EN 197-1 [3] für Anwendungsbereiche nach DIN 2880 [4] ausgekleidet, wobei der Anhang E der EN 545 [1] auch andere Zementsorten zulässt. Im konkreten Fall wurde aber von der Wahl der alternativen Zementsorten abgesehen.

Rohre der Nennweite DN 400 mit BLS^® - Steckmuffen-Verbindung und einer Mindestwanddicke von 6,4 mm können nach Herstellerangaben für einen PFA von 30 bar eingesetzt werden. Der Sicherheitsfaktor gegen Versagen der Verbindung beträgt gemäß EN 545 [2] 1,5 + 5 bar (Typprüfdruck). Dabei ist unter PFA der höchste hydraulische Druck, dem die Rohrleitung standhält, zu verstehen (EN 805 [5]). Der höchste zulässige Bauteilbetriebsdruck PMA für kurze Zeit, z. B. durch Druckstoß, errechnet sich zu:

Der höchste zulässige Bauteilprüfdruck auf der Baustelle ist wie folgt festgelegt:

Im vorliegenden Anwendungsfall weist das ausgewählte Rohrleitungsmaterial sehr hohe Sicherheitsreserven auf. Das Leitungssystem ist durchgehend mit der längskraftschlüssigen BLS^® - Steckmuffen-Verbindung ausgestattet. Deshalb entfallen Betonwiderlager an Krümmern und Abzweigen sowie an den Leitungsenden zur Druckprüfung. Außerdem ermöglicht dieses System die problemlose Demontage einzelner Baugruppen. Diese Eigenschaften sind u. a. bei der Konditionierung der Zementmörtel-Auskleidung (ZM-A) sowie bei der Druckprüfung von Vorteil.  

3.2 Bauausführung

Bislang sind sechs Einzelabschnitte fertiggestellt. Je nach Schwierigkeitsgrad und örtlicher Lage betragen die Längen der einzelnen Bauabschnitte zwischen 0,5 km und 2,8 km. Insgesamt konnte der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge ungefähr 10,8 km Fernwasserleitung DN 400 GGG erneuern. Gleichzeitig konnten Synergien bei der Auswechselung von etwa 3.1 km Ortsnetzleitungen genutzt werden.

Größtenteils ließ sich das Vorhaben auf der vorhandenen Trasse umsetzen. An Einzelpunkten weicht die Trassierung jedoch auf Alternativen aus, weil die Bebauung zu dicht angrenzt bzw. logistische Vorteile vor allem bei den Überlandabschnitten vorlagen. Besonders beim späteren Betrieb muss die Rohrleitung stets uneingeschränkt zugänglich sein.

Bei trassengleichem Einbau der neuen Leitung DN 400 wurden zunächst die alten Stahl-, Grauguss- oder Stahlbetonrohre DN 350 bis DN 500 aufgenommen und ausgebaut (Bilder 4 und 5). Je nach Material der Altleitung wurde der Rohrgraben auf einer Länge bis zu 12 m oder 14 m geöffnet, das Altmaterial geborgen und danach die Grabensohle hergestellt. Daraufhin ließen die Monteure die neuen duktilen Gussrohre DN 400 in den Rohrgraben ab und stellten mit dem Einbaugerät V 302 die längskraftschlüssige BLS^® - Steckmuffen-Verbindung her.

In den Ortslagen bei Parallelführung der Ortsnetzleitung aus PE musste ohnehin Sand als Rohrbettung eingebracht werden, sodass der Standard -Überzug "Zink mit der Deckbeschichtung" für die Fernwasserleitung ausreichte. Vor allem in den Bauabschnitten außerhalb der Ortslagen erwies sich die Baustellenlogistik als große Herausforderung, weil zur Trasse nur wenige Querstraßen führen, bzw. diese erst aufwendig als Baustraßen hätten errichtet werden müssen.  Somit lag es nahe, durch Einsatz zementmörtelumhüllter Rohre auf die Sandbettung zu verzichten (Bilder 6 und 7).

Zur Optimierung der hyraulischen Verhältnisse wurden Zwischenhochpunkte bis 5 m Höhendifferenz eingeebnet. Die dadurch anfallenden enormen Mengen an Erdaushub vergrößerten zusätzlich die logistischen Herausforderungen, die wiederum durch die Verwendung von zementmörtelumhüllten Rohren gemeistert werden konnten. Die Steckmuffen-Verbindungen wurden nach der Verbindungsmontage mit ZM-Schutzmanschetten geschützt.

An den verbleibenden Hoch- und Tiefpunkten wurden seitlich verzogene Entlüftungs- bzw. Entleerungsarmaturen angeordnet  (Bild 8). Dazu eignen sich am besten T-Stücke mit exzentrisch angeordnetem Abzweig (Bild 9). Die Be- und Entlüftungsventile sind zur besseren Wartung in Schächten untergebracht.

An ausgewählten Punkten im „Auer Ring“ wurden Abzweige installiert. Hier zog der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge Absperrklappen und Schieberarmaturen vor. Für eine erleichterte Inbetriebnahme des Leitungssystems wurden Umgehungen mit Spüleinrichtung eingerichtet (Bild 10).

Bei erforderlichen Rohrschnitten an der Baustelle ist ein erhöhter Überwachungsaufwand erforderlich. Nur ausgewählte DVGW-zertifizierte Unternehmen sind in der Lage, die Schweißraupe der BLS^® - Steckmuffen-Verbindung unter Baustellenbedingungen sachgerecht herzustellen (Bild 11). Sie wird gegen eine Kupferlehre geschweißt. Dabei ist auf die vom Rohrhersteller vorgegebene Nachbehandlung mit Korrosionsschutzanstrichen zu achten.

3.3 Inbetriebnahme

Das durch das Fernleitungssystem „Auer Ring“ zu transportierende Wasser ist sehr weich und wenig gepuffert. Die Säurekapazität K_{S 4,3} beträgt weniger als 1,0 mmol/L. Der pH-Wert liegt bei etwa 8,3.

Bei dem vorhandenen Ringleitungssystem sind Stagnationen nicht auszuschließen. Konkret muss mit Stagnationszeiten bis zu sechs Stunden gerechnet werden. Die für das Bauvorhaben eingesetzten Rohre aus duktilem Gusseisen nach EN 545 [1], [2] sind mit einem Mörtel auf Basis von Hochofen-Zement (HOZ) ausgekleidet. Das bei der Hydratation des Zements gebildete Calciumhydroxid Ca(OH)₂ erhöht den pH-Wert des Porenwassers im Mörtel stark. Je nach Zusammensetzung des zu transportierenden Wassers kann sein pH-Wert auch über den Grenzwert der Trinkwasserverordnung [6] von 9,5 ansteigen.

Nach dem DVGW-Arbeitsblatt W 346 [7] ist das vorliegende Wasser als Typ W_KS II einzustufen. Danach können Gegenmaßnahmen zur Vermeidung von hohen pH-Werten erforderlich sein. Zur Orientierung wurde dazu eine Rohrprobe im Labor mit dem konkreten Wasser im Becherglas versetzt. Nach 24 Stunden stieg der pH-Wert auf 10,9 an. Deshalb entschloss sich der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge, die Zementmörtel-Auskleidung der Rohre vor Inbetriebnahme nach dem DVGW-Arbeitsblatt W 346 [7] zu konditionieren.

Dabei kommen vier Verfahren in Betracht:

• Vorcarbonatisierung durch Spülen mit härteren Wässern,
• Vorcarbonatisierung durch mit Zusätzen verändertem weichen Wasser,
• Behandlung der Zementmörtel-Auskleidung auf der Baustelle mit CO₂,
• werksseitige Behandlung der Zementmörtel-Auskleidung.

Die Varianten 1 und 2 scheiden aufgrund der fehlenden Verfügbarkeit von härteren Wässern bzw. ausreichenden Spülwasserbehältern aus. Sie sind in der Regel nur für kleinere Nennweiten und Rohrlängen geeignet. Ebenso wenig ließ sich Variante 4 anwenden. Der Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge entschied sich für den Einsatz des in der Praxis bewährten Verfahrens der bauseitigen Behandlung mit gasförmigem Kohlenstoffdioxid. Dazu muss die Auskleidung der Rohre trocken und möglichst im Anlieferungszustand bleiben. Somit bedarf es der größtmöglichen Sorgfalt bei Lagerung, Transport und Einbau der Rohre.

Nach dem Einbau der Leitung wird sie an den Bauenden gasdicht verschlossen und zuerst mit Luft auf Dichtheit geprüft. Dazu ist z. B. das Verfahren LFu (Unterdruckprüfung) nach DWA-A 139 [8] geeignet. Es ersetzt jedoch nicht die in EN 805 [5] geforderte Druckprüfung vor Inbetriebnahme. Nach der Dichtheitsprüfung mit Luft wird von dem am tiefstgelegenen Punkt aus die Leitung mit CO₂-Gas gespült. Wenn das an den Leitungsenden austretende Gas eine CO₂-Konzentration von über 90 Vol.-% erreicht hat, werden die Leitungsenden verschlossen und ein Druck von 4 bar aufgebaut. Duktile Gussrohre sind in diesem Druckbereich für Gase und Wasser gleichermaßen geeignet.

Das in Wasser unter pH-Wert-Anhebung lösliche Calciumhydroxid Ca(OH)₂ des Zementmörtels reagiert mit dem gasförmigen Kohlenstoffdioxid CO₂ und wird in unlösliches Calciumcarbonat CaCO₃ umgewandelt, wobei die Dichte des Mörtels zunimmt und CO₂ verbraucht wird (Gleichung 3).

Dadurch sinkt der Gasdruck im Rohrinneren. Damit genügend Kohlenstoffdioxid nachströmen kann, bleibt die Verbindungsleitung zur CO₂-Quelle, meist Flaschenbündel (Bild 12) oder Verdampferanlage (Bild 13), geöffnet. In der Rohrleitung muss ein konstanter Gasdruck sichergestellt sein. Bei Bedarf ist die CO₂-Quelle zu erneuern. Die Rohrleitung gleicht nun einem gefüllten Gasbehälter. Die geltenden Sicherheits- und Unfallverhütungsvorschriften müssen unbedingt beachtet werden.

Während der Konditionierungsmaßnahme ist der Rohrinnendruck zu überwachen und aufzuzeichnen. Wird der CO₂-Nachschub durch Abschieberung unterbrochen, so sinkt der Rohrinnendruck durch den Verbrauch an CO₂ infolge der Carbonatisierung des Ca(OH)₂ ab. Die Konditionierung der Rohre ist beendet, wenn der Druckabfall durch die CO₂-Zehrung weniger als 0,1 bar/h beträgt. Das Kohlenstoffdioxid findet dann also praktisch keinen Reaktionspartner mehr. Auf der Zementmörteloberfläche ist eine dauerhafte schwer lösliche Deckschicht entstanden. Sie verhält sich neutral gegenüber dem zu transportierenden Wasser: Sein pH-Wert wird nicht mehr bzw. nur noch unwesentlich beeinflusst.

Die beschriebene Behandlung der Zementmörtel- Auskleidung gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 346 [7] hat keinen Einfluss auf die Haltbarkeit und Nutzungsdauer der Auskleidung. Eher wird der natürliche Konditionierungsprozess junger Zementmörtel-Auskleidungen beschleunigt. Je nach Witterung dauert diese Behandlung 4–7 Tage; in Ausnahmefällen kann sie jedoch auch eine längere Zeit in Anspruch nehmen.

Nach der geschilderten CO₂-Behandlung erfolgte die Dichtheitsprüfung nach EN 805 [5] und meist gleichzeitig die Desinfektion. Bei dieser ist zu beachten, dass nach dem DVGWArbeitsblatt W 346 [7] Wasserstoffperoxid und Natriumhypochlorit (Chlorbleichlauge) bei weichen Wässern eine nur mäßige Desinfektionswirkung besitzen. Wesentlich besser als Desinfektionsmittel wirkt bei derartigen Wässern Chlordioxid und Wasserstoffperoxid mit 1 % Phosphorsäure [9].

4 Schlussbemerkung

Die in das gewählte Rohrmaterial in punkto Wirtschaftlichkeit und technische Sicherheit gesetzten Erwartungen wurden voll erfüllt. In enger Zusammenarbeit von Auftraggeber, Planer, ausführenden Firmen und Rohrlieferanten wurde in kurzen Bauzeiten ein anspruchsvolles Bauwerk abschnittsweise erneuert. Mit dieser Verfahrensweise sollen die weiteren Bauabschnitte durch den Zweckverband Wasserwerke Westerzgebirge in Angriff genommen werden (Bild 14).

Literatur

[1] EN 545: 2010
[2] EN 545: 2006
[3] EN 197-1: 2014
[4] DIN 2880: 1999-01
[5] EN 805: 2003
[6] Bekanntmachung der Neufassung der deutschen Trinkwasserverordnung vom 2. August 2013 Bundesgesetzblatt Teil I Nr. 46 vom  07.08.2013
[7] DVGW-Arbeitsblatt W 346: 2000-08
[8] DWA-Arbeitsblatt A 139: 2010-01
[9] E-Book 10.2015, Kapitel 21 Download: www.eadips.org/e-book-d/

(Erstveröffentlichung in: GUSS-ROHRSYSTEME - Information of the European Association for Ductile Iron Pipe Systems • EADIPS^®)

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