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Inspektion eines Abwasserdükers nach 44 Betriebsjahren

30.09.2019

Moseldüker am „Deutschen Eck“ in Koblenz

Dükerquerschnitt: oben links vier Trinkwasserrohrleitungen, darunter die Abwasserrohrleitung DN 800, rechts daneben die Leerrohre der Bundespost sowie die Abwasserrohrleitung DN 1250. [Quelle: EADIPS®]

Die Historie

Die Stadt Koblenz liegt am Zusammenfluss von Rhein und Mosel. Wahrzeichen der Stadt ist das „Deutsche Eck“ mit dem Reiterstandbild des ersten deutschen Kaisers, Wilhelm I, an der Mündung der Mosel in den Rhein. Bedingt durch diese schwierige topographische Lage der Stadt Koblenz ergeben sich Erschwernisse sowohl bei Planung und Bau als auch beim Betrieb der abwassertechnischen Anlagen. Somit stellt die Abwasserentsorgung eine besonders große Herausforderung für die Stadtentwässerung Koblenz (SEK) dar.

Anfang der 1970-iger Jahre entstand in unmittelbarer Nähe vom „Deutschen Eck“ eines der wichtigsten Abwasserbauwerke im Stadtgebiet: der Moseldüker [1]. Durch ihn werden ca. 70 % des Koblenzer Abwassers unterhalb der Moselsohle nach Koblenz-Lützel geleitet und von dort aus über ein Abwasserpumpwerk zum Zentralklärwerk nach Koblenz-Wallersheim.

Bei der Planung des Projekts wurden neben den Belangen der Abwasserentsorgung auch die Anforderungen des damaligen städtischen Wasserwerks, heute Energieversorgung Mittelrhein AG, und der damaligen Deutschen Bundespost berücksichtigt.

Der Moseldüker wurde daher als Paket, bestehend aus zwei Abwasserrohrleitungen DN 800 und DN 1250, vier Trinkwasserrohrleitungen NW 450 (PE) und sechs Kabelschutzrohren NW 125 (PE) ausführungsreif geplant. Besonderes Augenmerk legte man auf den Werkstoff für die Abwasserrohre. Er sollte folgende Kriterien erfüllen:

  • Beständigkeit gegenüber häuslichem Abwasser
  • absolute Dichtheit der Rohrverbindungen 
  • Elastizität der Verbindungen und des Werkstoffs, um Setzungen im Flussbereich aufzunehmen 
  • Abriebfestigkeit 
  • Einbaumöglichkeit nach dem Einzugsverfahren ohne Störung der Schifffahrt

Sicherung der Rohre mit dem Stahlrahmen und Absenkung ins Flussbett. [Quelle: EADIPS®]

Nach [1] konnten Steinzeug und Beton „aufgrund ihres Gewichts“ nicht in Betracht gezogen werden. PE- und PVC-Rohre schieden aus, „da für die in Frage kommenden Nennweiten kostspielige Ummantelungen gegen Deformierung erforderlich geworden wären.“ Duktiles Gusseisen erschien den Verantwortlichen für die geforderten Kriterien am geeignetsten; vor allem an stark beanspruchten Steilstrecken im Koblenzer Stadtgebiet hatten sich Rohre aus duktilem Gusseisen bereits sehr bewährt.

Um Abriebfestigkeit und Beständigkeit der duktilen Abwasserrohre nochmals zu erhöhen, wurde jeweils eine Innenbeschichtung vorgesehen: Die Rohre DN 800 erhielten eine 6,4 mm dicke Auskleidung aus Spezialmörtel und die Rohre DN 1250 eine Auskleidung mit einer 1 mm dicken Epoxidharzschicht, da aus produktionstechnischen Gründen eine Mörtelauskleidung nicht aufgebracht werden konnte. Die Länge des zu errichtenden Dükers zwischen Auslauf- und Einlaufbauwerk beträgt 294 m.

Um die Schifffahrt im Arbeitsbereich nicht zu behindern, teilte man seine Montage in drei Abschnitte auf: zu zwei jeweils 119 m und einen zu 56 m. Der Zusammenbau erfolgte auf einer so genannten Helling (Bauplatz auf einer Werft), parallel zur landseitigen Dükertrasse. Die Rohre wurden mit 4 m breiten Stahlrahmen gesichert und mit Hilfe von Schuten in die bereits vorgefertigte Rinne im Flussbett abgesenkt. Die Druckprüfung erfolgte bereits in den Teilstücken an Land.

Neben den Dükerleitungen (zwei Abwasserrohrleitungen DN 800 und DN 1250, vier Trinkwasserrohrleitungen NW 450 und sechs Kabelschutzrohren NW 125) gehören das Düker-Oberhaupt und das Düker-Unterhaupt (Pumpwerk Schartwiesenweg) mit seinen vier Regenwasser- und vier Schmutzwasserpumpen zu den komplexen Komponenten des Dükers.

Der Düker und seine Bauwerke. [Quelle: EADIPS®]

Der Anlass zur Dükerinspektion

Die rechtliche Grundlage für die Inspektion des Moseldükers bildete und bildet Anlage 3 (zu § 4) gemäß der Verordnung des Landes Rheinland- Pfalz über die Eigenüberwachung von Abwasseranlagen, EÜVOA/SÜVOA, [2]. Danach sind

  • „Abwasserkanäle und -leitungen mindestens alle zehn Jahre durch optische Untersuchungen auf ihren ordnungsgemäßen Zustand zu überprüfen. 
  • In Wasser- und Heilquellenschutzgebieten gelten die sich aus den allgemein anerkannten Regeln der Technik ergebenden kürzeren Fristen. 
  • Für neue oder neuwertige Abwasserkanäle und -leitungen sind die ersten beiden Wiederholungsprüfungen nach der Inbetriebnahme nach jeweils 15 Jahren durchzuführen.“

Abgesehen von dem erforderlichen Nachweis der Dichtigkeit der Dükerleitungen gegenüber der Aufsichtsbehörde befanden sich die Betonkonstruktionen im Düker-Oberhaupt in einem kritischen Zustand. An den Pumpen im Pumpwerk Schartwiesenweg erhöhte sich die Wartungsfrequenz aufgrund von Verzopfungen durch Feuchttücher gravierend. Eine Sanierung tat hier also ganz offensichtlich Not.

Aber für das Gesamtbauwerk Düker standen natürlich auch die beiden Dükerrohrleitungen DN 800 und DN 1250 zur Diskussion. Hier stellte sich die Stadtentwässerung Koblenz eine ganz entscheidende Frage mit weitreichenden Konsequenzen: Ist die Investition zur Sanierung der angrenzenden Bauwerke Düker-Oberhaupt und Düker-Unterhaupt samt Pumpwerk im Hinblick auf die fehlenden Kenntnisse über den Zustand der beiden seit 44 Jahren in Betrieb befindlichen Dükerrohrleitungen überhaupt noch wirtschaftlich? Denn: Sollte der Düker für die weitere Nutzung unbrauchbar, bzw. nicht mehr sanierungsfähig sein, müssten definitiv ganz andere planerische Überlegungen angestellt werden.

Unbekannte Größen: Restwanddicke s und das Kräftespiel aus Auftrieb und Auflager. [Quelle: EADIPS®]

SLOFECTM-Funktionsprinzip. [Quelle: EADIPS®]

Es galt also, auch den Zustand der beiden Dükerrohrleitungen zu beurteilen und das im Rahmen einer Inspektion.

Die Voraussetzungen zur Inspektion der Dükerrohrleitungen

Da die EÜVOA/SÜVOA lediglich eine optische Untersuchung fordert, kam in den ersten Überlegungen eine wechselseitige Reinigung der Dükerrohrleitungen mit anschließender Inspektion mit einem herkömmlichen Kanalfernauge in Betracht. Dabei muss eine Rohrleitung immer in Betrieb bleiben, um den Trockenwetterabfluss zu sichern. Diese Art der Inspektion bedingt jedoch eine vollständige Entleerung der jeweiligen Leitung im Wechsel, was als nicht realisierbar erschien.

Eine weitere Voraussetzung für die optische Inspektion ist die Gewährleistung der Auftriebssicherheit. Eine turnusmäßig durchgeführte Peilung im Jahr 2014 ergab zwar eine ausreichend hohe Überdeckung der Dükerrohrleitungen, so dass die Auftriebssicherheit gegeben war. Den Verantwortlichen der Stadtentwässerung erschien aber dennoch das Risiko zu groß, die beiden Rohrleitungen in Unkenntnis der verbliebenen Restwanddicke nach mehr als 40 Jahren Dauerbetrieb dem Kräftespiel aus Auftrieb und Auflager auszusetzen. Somit wurde die optische Inspektion als zu unsicher und zu riskant bewertet.

Randbedingungen für das Prüfverfahren

Sehr zeitaufwändig: Die intensive Rohrreinigung mit dem Molch (pro Rohr arbeitete das Team vier Tage im 24-Stunden-Betrieb). [Quelle: EADIPS®]

Da also eine optische Inspektion obsolet war, musste ein anderes Verfahren gesucht und gefunden werden. Um die gesamte Problematik zu erfassen und festzuhalten, was das Inspektionsverfahren leisten muss, schien es den Verantwortlichen der Stadtentwässerung Koblenz (SEK) sinnvoll, dafür zunächst die wesentlichen Randbedingungen zu definieren. Das Prüfverfahren sollte:

  • unter Vollfüllung der Dükerleitungen funktionieren 
  • Aussagen über die Gebrauchsfähigkeit liefern 
  • Daten über die Restlebensdauer übermitteln 
  • Daten über die Lage der Dükerleitungen übertragen 
  • in einem akzeptabel kalkulierbaren Zeitraum durchführbar sein
Anforderungen an das Prüfsystem

Der Kanalbetrieb der Stadtentwässerung Koblenz hatte damit die wesentlichen Randbedingungen für das Prüfverfahren definiert. Darauf aufbauend musste ein Prüfsystem mit besonderen Merkmalen gefunden werden. Gemeinsam mit der Ingenieurgesellschaft für Wasser-, Abwasser- und Energiewirtschaft mbH Tuttahs & Meyer, Andernach, die mit der Planung und Ausschreibung beauftragt wurde, präzisierte man nun die Anforderungen an das zu wählende Prüfsystem, die sich nahezu ausschließlich aus der Zugänglichkeit zum Prüfobjekt ergaben:

  • Die Dükerleitungen sind nicht für eine Molchung vorgesehen. Molchschleusen sind nicht vorhanden. Die Einschleusung muss über das Düker-Unterhaupt erfolgen. 
  • Der Zugang zu den Dükerleitungen ist nur von einem Ende möglich. Das Prüfsystem muss eine bi-direktionale Verfahrbarkeit ermöglichen. 
  • Die Dükerleitungen sind auf ihrer Innenfläche beschichtet. Das Prüfsystem muss für eine Prüfung der Leitungswand durch die Beschichtung anwendbar sein. 
  • Eine umfassende Reinigung vor der Inspektion ist nicht möglich. Die Oberflächen können noch Rückstände oder Ablagerungen aufweisen. Die Prüfung muss auch bei Vorhandensein von geringfügigen Rückständen oder Ablagerungen möglich sein. 
  • Die Rohrleitung soll im gefüllten Zustand geprüft werden, wobei eine vollständige Füllung ohne Luftblasen nicht gewährleistet werden kann. Das Prüfsystem muss unabhängig von Koppelmedien unter Wasser und unter Atmosphärenumgebung anwendbar sein.
Lösungsansatz für die Inspektion

Als Lösung für die komplexe Inspektion der beiden Dükerleitungen schlug die Ingenieurgesellschaft Tuttahs & Meyer ein Prüfsystem vor, das metallische Rohrsysteme mit Wirbelstrom nach der SLOFECTM (Saturation LOw Frequency Eddy Current)-Technologie auf Korrosion untersucht. Neben anderen in Frage kommenden Systemen hatte sich nur dieses für diesen Einsatzfall als praktikabel erwiesen.

Der SLOFEC® Internal Pipe Scanner Typ PLS. [Quelle: EADIPS®]

Hinablassen des SLOFEC® Scanners im Düker-Unterhaupt. [Quelle: EADIPS®]

SLOFECTM basiert auf der Technik des Wirbelstromverfahrens, wobei der jeweils erfasste Bauteilbereich vormagnetisiert und mit relativ niederfrequenten Wirbelstromsignalen geprüft wird. Durch örtliche Inhomogenitäten in der Rohrwand (z. B. Folgen von Korrosion) wird das eingebrachte Magnetfeld gestört. Und genau diese Störung wird anhand des gleichzeitig induzierten Wirbelstromfeldes zur Anzeige gebracht. Die angeordneten Wirbelstromsonden, die sich zwischen den Polen der Magnete befinden, sind lückenlos aneinander gefügt, woraus sich eine engmaschige Messbreite des modular aufgebauten Systems ergibt.

Die Andernacher Ingenieure überzeugten die Verantwortlichen der Stadtentwässerung Koblenz von Einsatz und Erfolg dieser bis dahin nur in Industrieanlagen genutzten Inspektionstechnik, die somit erstmals in Deutschland zur Inspektion eines Abwasserdükers Anwendung finden sollte. Die öffentliche Ausschreibung erfolgte dann nach getrennten Losen: Dükerreinigung und Dükerinspektion.

Durchführung

Die Ausschreibung für die Reinigung gewann die Norand Industrieservice GmbH, Löbnitz, Gewinner der Ausschreibung für die Inspektion waren die 8SEAS consulting engineers – water + energy, Nackenheim. Als ausführendes und bauüberwachendes Unternehmen beauftragte 8SEAS die erfahrene und auf Inspektionsverfahren spezialisierte Kontroll- Technik GmbH aus Schwarmstedt, die für die Prüfung von erdverlegten Rohrleitungen in Industrieanlagen verschiedene SLOFEC® Internal Pipe Scanner Typen entwickelt hat.

Rohrreinigung

Da das gewählte Inspektionssystem absolut saubere Rohre bedingt, bestand der erste Schritt in der intensiven Reinigung der beiden Dükerrohrleitungen. Die Norand Industrieservice GmbH, Löbnitz, benötigte im 24-Stunden-Betrieb vier Arbeitstage pro Rohrleitung, um den jeweils entsprechend groß gewählten Molch mit einer Seilwinde und hydraulischer Unterstützung durchzuziehen.

Die Feuchttuchproblematik meldete sich auch hier zu Wort: Während des Molchens klebten sich die Feuchttücher breitflächig an die Rohrwand; erst unter Einsatz von Spüldüsen ließen sie sich von der Rohrwand lösen und konnten dann abgesaugt werden. Nach der vollständigen Reinigung wurden die Rohre mit Frischwasser gefüllt.

3D-Lagevermessung

Nach der sehr zeitintensiven Reinigung der Dükerrohrleitungen musste ihre Lage in der XYZ-Position unter dem Fluss ermittelt werden. Dazu bedienten sich die 8SEAS consulting engineers im Auftrag der Stadtentwässerung Koblenz der 3D-Kreiselmessung mit dem Ductrunner-Messverfahren.

Die zur Messung der dreidimensionalen Lagedaten erforderlichen Sensoren, die Energieversorgung und die Datenspeichereinheit sind in die Messsonde integriert. Die Sensoren bestehen aus Kreiselkompassen und Beschleunigungsmessern. In jedem Messpunkt werden die Änderung der Richtung und die Geschwindigkeit erfasst. Da diese Technologie nicht auf die GPS-Technologie angewiesen ist, eignet sie sich besonders für Einsätze unter Tage.

Inspektion

Die zerstörungsfreie Prüfung der Rohrwandungen erfolgte dann mit dem SLOFEC® Internal Pipe Scanner Typ PLS. Sie startete im Pumpwerk Schartwiesenweg im Düker-Unterhaupt, durchlief die Dükerrohrleitungen (DN 800 ZM-Auskleidung, DN 1250 Epoxidharz-Auskleidung) und endete am Düker-Oberhaupt.

Der kabelgebundene Scanner wurde an die Dükeröffnung in ca. 15 m Tiefe hinabgelassen und dann in den Düker eingesetzt. Der SLOFEC®-Scanner hatte für diese Inspektion keinen eigenen Antrieb, sondern wurde mit einer Seilwinde durch den Düker gezogen. Zur Datenerfassung wurde er von der Winde in axialer Richtung positioniert, der Sensorkopf gegen die Rohrwand „gedrückt“ und in Umfangsrichtung bewegt; der entsprechende Prüfabschnitt betrug 150 mm. Nach Abschluss einer vollständigen Umfangsabtastung durch die rotierende Sensoreinheit wurde der Scanner um weitere 150 mm in axialer Richtung nach vorne gezogen und eine neue Messung gestartet bis die gesamte Datenaufnahme über beide Dükerrohrleitungen vollständig war.

Positionierung des Scanners an der Dükeröffnung. [Quelle: EADIPS®]

Darstellung der Messdaten und Ergebnisse am Beispiel des Abwasserdükers DN 800. [Quelle: EADIPS®]

Auswertung

Die Datenaufnahme respektive die Analyse der Inspektion lieferten überraschende Ergebnisse: Auch nach 44 Jahren dauerhaften Betriebs, starker Strömung und Hochwasser zeigten die Dükerleitungen aus duktilem Gusseisen an ihrer Rohraußenseite insgesamt nur wenig Korrosion: Im „Vorland“ wurden überwiegend Bereiche mit nur geringfügigen lokalen Inhomogenitäten (schwacher Korrosion) detektiert; lediglich am Beginn der Prüfstrecke, nahe dem Pumpenhaus (Düker-Unterhaupt), bildeten sich Bereiche mit stärkeren Inhomogenitäten ab. In der Moselsohle zeichneten sich an der Rohrinnen- und -außenwand überhaupt keine Inhomogenitäten ab, d. h., dass hier die Rohrwand nach 44 Jahren Betrieb unverändert ist!

Mit Auswertung und Analyse der gewonnenen Daten bestand (und besteht) für die Dükerrohrleitungen keinerlei Sanierungsbedarf, da eine signifikante Beeinträchtigung der Wanddicke durch Korrosion und/oder andere Alterungsschäden, auch in den Bereichen des Düker-Unterhauptes, definitiv ausgeschlossen werden konnten.

Ausblick

Das erstmals in Deutschland zur Inspektion eines Abwasserdükers eingesetzte Prüfsystem, das mit Wirbelstrom nach der SLOFECTM (Saturation LOw Frequency Eddy Current)-Technologie auf Korrosion untersucht, hatte seine Premiere in Koblenz mit großem Erfolg bestanden. Mit den Ergebnissen über den guten Zustand der Dükerrohrleitungen war der Weg für die Investitionen zur Sanierung der maroden Betonkonstruktionen der angrenzenden Bauwerke Düker-Oberhaupt und Düker-Unterhaupt frei und damit eine weitere lange Nutzung des gesamten Dükerbauwerks gegeben.

Die Sanierung der Betonkonstruktionen im Düker-Oberhaupt wurde im Jahr 2017 fertiggestellt, das Pumpwerk „Schartwiesenweg“ im Düker-Unterhaupt steht ab 2020 zur Sanierung auf dem Plan.

Für künftige Inspektionen dieser Art besteht nach den gemachten Erfahrungen mit den Rohrleitungen des Koblenzer Moseldükers noch Optimierungsbedarf in zwei Punkten:

  • wegen der Verschmutzungsmatrix sollte zur Molchreinigung ein zusätzliches Verfahren, wie z. B. das Impuls- Spülverfahren, zur Unterstützung eingesetzt werden 
  • das Inspektionstool sollte für den Einsatz im Abwasserbereich besser gegen Feststoffe geschützt sein (Problematik Feuchttücher)

Der Erfolg dieser Dükerinspektion baut nicht nur auf die ausgefeilte Technik der Verfahren, sondern auch auf den Mut aller Beteiligten, gemäß Ernst Ferstl, österreichischer Lehrer, Dichter und Aphoristiker: „Wer neue Wege gehen will, muss ohne Wegweiser auskommen.“

 
Literatur

[1] Weber, H.: Abwasser-Düker aus duktilen Gußrohren NW 1250 und NW 800 durch die Mosel. fgr Fachgemeinschaft Gußeiserne Rohre Jahresheft 6 (1972), S. 18-20

[2] EÜVOA/SÜVOA Landesverordnung über die Eigenüberwachung von Abwasseranlagen vom 27. August 1999, GVBI. S. 211, zuletzt geändert am 14. Juli 2015, GVBI. S. 127, 160. Ministerium für Umwelt, Energie, Ernährung und Forsten. PDF-Dokument der Wasserwirtschaftsverwaltung Rheinland-Pfalz

 

Für dieses Projekt hat der Auto Hans-Jörg Schulz den diesjährigen Goldenen Kanalgipfel vom IKT erhalten. UNITRACC gratuliert herzlich.
Autoren
Hans-Jörg Schulz
Eigenbetrieb Stadtentwässerung
Koblenz/Kanalbetrieb
Kammertsweg 82
D-56070 Koblenz
Tel.: +49(0)261 129-4039
Wilhelm Kelb
Kontrolltechnik GmbH
Im Laab 23
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Tel.: +49(0)5071 981511

 

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