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Kraftwerk am Kanzingbach (Tirol) mit hoher Leistungssteigerung - erhöhte Sicherheit durch bruchmechanische „Leck-vor-Bruch“-Auslegung der Turbinenrohre

27.06.2017

Die Anwendung duktiler Guss-Rohrsysteme für Triebwasserleitungen nimmt unter der Förderung erneuerbarer Energien stetig zu. In diesem Anwendungsbereich liegen die mechanischtechnologischen Anforderungen an die Rohrwerkstoffe und auch an das Sicherheitsbedürfnis deutlich höher als bei Rohren für die Trinkwasserverteilung. Es sind daher dringend Werkstoffmodifikationen zu entwickeln, die diesen gesteigerten Ansprüchen gerecht werden. Der vorliegende Bericht beschreibt das Sicherheitskonzept („Leck-vor-Bruch“-Kriterium), die zur praktischen Umsetzung erforderlichen werkstofftechnischen Modifikationen und Untersuchungen, die zu einer besseren Ausnutzung des Werkstoffes duktiles Gusseisen bei Hochdruckanwendungen führen sowie die besonderen Anforderungen an Mannschaften und Rohrsysteme beim Bau von Turbinenleitungen im alpinen Gelände. In Summe ein technischer Leckerbissen!

1 Einleitung

Bild 1: Anlieferung der duktilen Gussrohre für die Turbinenleitung des neuen Wasserkraftwerks am Kanzingbach (Tirol). [Foto: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

Wurden duktile Gussrohre in der Vergangenheit hauptsächlich für den Transport von Trink- und Abwasser eingesetzt, so eröffnen sich aktuell neue Einsatzfelder, z. B. als Triebwasserleitungen für Wasserkraftwerke. Besonders infolge der staatlichen Förderung der erneuerbaren Energien wird Bewegung in allen Bereichen sichtbar, bei Windkraft, Solarenergie und nicht zuletzt bei der Nutzung der Wasserkraft.

Beim derzeit vorhandenen Ausbau sind im alpinen Raum bereits viele Ressourcen belegt, jedoch liegen noch erhebliche Reserven in der Modernisierung und Leistungssteigerung vorhandener Anlagen, wie es z. B. bei der Erweiterung der bestehenden Anlagen der TIWAG (Tiroler Wasserkraft AG) in der Gemeinde Flaurling im Kanzingtal in Tirol geschehen ist.

Neueste Turbinen-, Generatoren- und Regelungstechnik sind wichtige Voraussetzungen für einen besseren Wirkungsgrad. Aber auch die Turbinenrohrleitungen können durch Weiterentwicklung zu einer besseren Ausbeute und vor allem zu einer erhöhten Sicherheit beitragen. Wegen der im Stausee oder Hochbehälter gespeicherten Energie würde das Versagen eines Rohres, z. B. in einem Steilhang, katastrophale Auswirkungen haben. Für Druckrohrleitungen von Wasserkraftwerken stehen deshalb Sicherheitsbetrachtungen an vorderster Stelle.

So ist die frühzeitige Erkennung von beginnenden Rohrschädigungen wichtig, welche besonders bei Hochdruckanwendungen ein erhebliches Risiko sein können. Kommt es zu einer Rissbildung im Rohr, so sollte sich ein wanddurchdringender Riss bilden können,bevor es zum Bersten der Leitung kommt. Man spricht hier von einem „Leck-vor-Bruch“-Verhalten der Rohrleitung, d. h. der Fehler geht durch die Wand und es werden Leckagen erkennbar, bevor das Rohr endgültig versagt. Somit kann der Defekt rechtzeitig und unkritisch durch Reparatur oder Austausch behoben werden. Komplizierte Leckwarneinrichtungen sind in sicherheitskritischen Bereichen überhaupt nur unter diesen Voraussetzungen sinnvoll.

Besonders in anspruchsvollen Lagen, wie z. B. der hochalpinen Topografie im Bereich von Turbinenleitungen, ist der Austausch einer fehlerhaften Leitung aber sehr aufwändig. Aus diesem Grund versucht man diese Leitungen bereits in der Planungsphase so auszulegen, dass ein instabiles Risswachstum unterbleibt. Hierfür gibt es allerdings noch keine normativen Vorgaben oder Auslegungsgrundlagen und man versucht häufig, sich mit anderen bekannten Größen, wie z. B. der Bruchdehnung A5, zu behelfen.

Zuweilen greift man auch auf die Bestimmung der verbrauchten Schlagenergie zurück, wie sie z. B. in den US-amerikanischen Normungswerken ANSI/AWWA C 151-09/A21.51-09 [1] gefordert wird. Aber auch die verbrauchte Schlagenergie ist nur eine Hilfsgröße, beschreibt sie doch das Verhalten nur bei schlagender, also kurzzeitiger, Belastung. Bei einem Druckrohr jedoch sind Rissbildung und Rissfortschritt Vorgänge, die mehrere Größenordnungen länger dauern als der Kraftstoß des Kerbschlagbiegeversuchs.

2 Turbinenleitungen – eine Domäne der duktilen Guss-Rohrsysteme

1997 nahm die Vorarlberger Kraftwerke AG mit dem Wasserkraftwerk „Klösterle“ eine Turbinenleitung aus duktilen Gussrohren DN 1400 in Betrieb, bei welchen das Prinzip „Leck-vor-Bruch“ erstmals praktisch umgesetzt wurde [2].

Auch für die neue Turbinenleitung am Kanzingbach stellte der Bauherr und Betreiber TIWAG die Forderung nach dem Sicherheitskonzept „Leck vor Bruch“, das in die Kriterien für die Wahl des Rohrwerkstoffes eingeflossen ist. Diese Wahl wird von mehreren Kriterien beeinflusst.

2.1 Sicherheit

Schon bisher galt der Werkstoff duktiles Gusseisen wegen seines besonderen Gefüges als hoch flexibel. Eine Vielzahl der Eigenschaften von duktilen Gussrohren für den Transport von Trinkwasser bzw. Abwasser sind in den bekannten Normen EN 545 [3] und EN 598 [4] definiert und werden von den Rohrherstellern routinemäßig überprüft. Gegenüber zusätzlichen ungeplanten Belastungen bei Gewalteinwirkungen, die nicht aus betrieblichen Ereignissen, wie etwa Hangrutschungen, Felssturz oder Erdbeben stammen, besitzt das duktile Gussrohr große Reserven. Zudem kann die Wanddicke der Gussrohre mit dem Schleudergießprozess fast beliebig an die auftretenden Drücke angepasst werden.

2.2 Handhabung duktiler Gussrohre im alpinen Gelände

Zum einen kann man sich die Anlieferung von Bettungsmaterial in das zum Teil schwer zugängliche Gelände sparen. Das vor Ort gelagerte Aushubmaterial reicht dafür hinlänglich. Zum anderen ist die bewährte Verbindungstechnik beim Einsatz duktiler Guss-Rohrsysteme im Steilhang von Vorteil: Mit der so genannten Auf-Zu-Methode wird der Graben nur für die Länge eines Rohres geöffnet und nach der Verbindungsmontage wieder verfüllt. Damit lassen sich die Risiken eines Wetterumschwungs in Grenzen halten.

Die duktilen Gussrohre werden mit einer Zementmörtel-Umhüllung nach EN 15542 [5] geliefert (Bild 1). Ihr Schutz wirkt zweifach, zum einen mechanisch und zum anderen auch gegen Korrosion. Der Rohrgraben kann mit steinigem und verdichtbarem Aushub wieder verfüllt werden.

Die Tiroler Wasserkraft AG als größter Betreiber von Wasserkraftwerken im österreichischen Bundesland Tirol setzt ebenfalls auf Sicherheit und Handhabung. Auch sie definiert die Zähigkeit ihrer Rohrwerkstoffe mit Hilfe bruchmechanischer Kriterien und legte im beschriebenen Projekt bestimmte Anforderungen fest.

Bild 2: Zeitlicher Verlauf eines Risses. [Quelle: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

Bild 3:  Charakteristisches „Leck-vor-Bruch“-Diagramm: Ermüdungsbruch bei Wechselbeanspruchung und kritischen Rissgrößen für einen zähen Werkstoff und eine bestimmte Belastung. [Quelle: Westphal, Hahn, 1989]

3 Elastisch-plastische Bruchmechanik

Die elastisch-plastische Bruchmechanik, auch Fließbruchmechanik, beschreibt die Rissausbreitung unter einer statischen Belastung unter Berücksichtigung einer plastischen Verformung, wie sie in allen duktilen Werkstoffen vorkommt. Bevor ein bei der Fertigung, dem Einbau oder dem Betrieb gebildeter Riss eine kritische Größe erreicht wächst er während der Betriebszeit durch dynamische Belastungen (zyklisches Risswachstum, Ermüdung), Schwingungsrisskorrosion und/oder Spannungsrisskorrosion. Der zeitliche Verlauf eines Risses ist in Bild 2 dargestellt.

In Bild 3 ist ein typisches „Leck-vor-Bruch“- Diagramm mit den Stadien der Rissbildung dargestellt.

Bild 4: Ermittlung und Definition bruchmechanischer Kennwerte des J-Integral-Konzepts [Quelle: Pusch, G.: Konstruieren + Gießen, Heft 33 (2008), Nr. 4, S. 2 ff].

Die statische Rissausbreitung wird mit Hilfe von Risswiderstandskurven ermittelt. Die Bruchzähigkeit J0,2 ist dabei die Energie im Bereich der Rissspitze, die die Rissfortpflanzung auf einer Länge von 0,2 mm beschreibt. Sie stellt dabei die kritische Rissgröße und somit den Grenzwert der Auslegung dar. Diese Beschreibung ist stark vereinfacht, detailliertere Informationen dazu findet man z. B. in [6]. Der Aufbau der Risswiderstandsmessung und die daraus resultierenden Diagramme zeigt Bild 4.

Ein häufig verwendetes Prüfverfahren nutzt, wie in Bild 4 dargestellt, die Biegebelastung, in diesem Fall mit einer 4-Punkt-Biegung. Aber auch eine kombinierte Zug-Biege-Belastung mit Hilfe einer CT-Probe (CT = compact tension) ist möglich. Eine quaderförmige Probe wird ähnlich wie beim Kerbschlagbiegeversuch mit einer V-förmigen Kerbe versehen. Zusätzlich wird diese Probe zur Aufnahme von Risswiderstandskurven durch dynamische Belastung mit einem Anriss versehen. Dessen Länge wird vor dem Versuch bestimmt, weil sie eine zufällige Länge aufweist, die von Probe zu Probe unterschiedlich sein kann.

Bei Belastung dieser Probe im 4-Punkt-Biegeversuch (Bild 4, oben) wird die Kerbaufweitung bzw. die Durchbiegung bestimmt (Bild 4, unten links). Aus diesen Ergebnissen wird die für die Rissaufweitung Δa erforderliche physikalische Arbeit J berechnet (Bild 4, unten rechts). Der in diesen Untersuchungen interesante J0,2 - Wert kann dann bei Δa  = 0,2 mm abgelesen werden.

Bild 5: Erforderliche Bruchzähigkeit J0,2 in Abhängigkeit vom Verhältnis der Durchrisslänge zur Wanddicke für zwei Anwendungsbereiche. [Quelle: TIWAG]

Für die Auslegung von Rohrleitungen nach „Leck-vor-Bruch“-Kriterien spielt zusätzlich noch das Verhältnis des zulässigen Durchrisses zur Wanddicke eine wichtige Rolle. Die Durchrisslänge kann hierbei mit der längsten in der Produktion nicht detektierbaren Risslänge gleichgesetzt werden. Je größer dieses Verhältnis wird, desto höher muss auch J0,2 werden, um ein stabiles Leck zu erreichen. Bild 5 zeigt diese Abhängigkeit für unterschiedliche Anwendungsfälle.

4 Durchgeführte Untersuchungen

Für die Turbinenleitung des Wasserkraftwerks am Kanzingbach stellte der Bauherr und Betreiber TIWAG ebenfalls die Forderung nach dem oben vorgestellten Sicherheitskonzept namens „Leck-vor-Bruch“. Mit dieser Forderung ist eine Weiterentwicklung des bekannten Werkstoffes „duktiles Gusseisen“ verbunden, deren Ziel noch zu definieren war.

Nach Vorgesprächen mit der TIWAG wurde schließlich eine Anforderung formuliert, die tolerierbare Durchrisslängen im Ausmaß der sechsfachen Wanddicke vorsah. Daraus ergeben sich Bruchzähigkeitswerte von KJ0,2 = 1.900 N/mm3/2 bzw. Risswiderstandsenergien von J0,2 = 19,3 kJ/m².

Vom Prüfzentrum für Werkstoffe und Maschinenbau in Innsbruck (V.A.M.) wurden die Bruchzähigkeitswerte direkt an aus den Rohren und Formstücken entnommenen Proben ermittelt. Dazu wurden in den Prüfkörpern mit einer Resonanzprüfmaschine ein definierter Riss eingeleitet („angeschwungen“). Anschließend wurden die Bruchzähigkeit sowie die Risswiderstandskurve an einer 3-Punkt-Biegeprobe mit dem Teilentlastungsverfahren (auch als Compliance-Methode bekannt) nach ISO 12135 [8] bestimmt.

Bild 6: Verbrauchte Schlagarbeit ISO-V im Temperaturbereich – 40 °C bis Raumtemperatur. [Quelle: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

Erreicht wurden die geforderten Eigenschaften im Zuge einer gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsarbeit der beiden Rohrhersteller TIROLER ROHRE GmbH – TRM und Duktus Rohrsysteme Wetzlar GmbH zusammen mit dem Auftraggeber TIWAG und dem Prüfzentrum V.A.M. in Innsbruck. Die Entwicklung umfasst eine Modifikation des Werkstoffs. Dies bedeutet in der Praxis, dass spezielle Roheisen- und Schrottsorten für die neue Zusammensetzung eingesetzt werden mussten. Damit ließ sich das gewünschte ferritische Gefüge mit seinen extrem bruchzähen Eigenschaften erzeugen.

Der herkömmliche, für duktile Gussrohre verwendete Werkstoff nach EN 545 [3] (ähnlich wie GJS 450-10 nach EN 1563 [9], [10]) kann am Ende der Untersuchungen mit dem für die Anforderungen der TIWAG modifizierten Werkstoff anhand der unterschiedlichen mechanisch-technologischen Eigenschaften verglichen werden.

In Tabelle 1 ist der Vergleich bei Raumtemperatur dargestellt. Zusätzlich wurde die verbrauchte Schlagbiegeenergie im Temperaturbereich zwischen -40 °C und Raumtemperatur bestimmt. Die Messergebnisse sind in Bild 6 grafisch aufgetragen.

Tabelle 1: Ergebnisse des Zugversuchs und der bruchmechanischen Untersuchungen an GJS 450-10 und dem modifizierten Werkstoff. [Quelle: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

  GSJ 450-10 Modifizierter Werkstoff
Zugfestigkeit Rm [MPa] 420* 429**
Technische Streckgrenze Rp0,2 [MPa] 270* 279**
Bruchdehnung A5 [%] 10* 17,9**
Verbrauchte Schlagenergie KV2 [J] 5,8** 11,8**
J0,2 [kJ/m2] 14** 23**
* Mindestwerte nach EN 545 [3]      ** Gemessene Werte

Auf den ersten Blick werden die großen Unterschiede der beiden Werkstoffe sichtbar. Während GJS 450-10 bereits ausgereizt bzw. überreizt ist, übertrifft der modifizierte Werkstoff die Anforderungen an die Bruchdehnung > 10 % deutlich, was aber zu Lasten der Zugfestigkeit und der technischen Streckgrenze geht. Auch die verbrauchte Schlagarbeit ist bei dem modifizierten Werkstoff über den gesamten untersuchten Temperaturbereich erheblich verbessert.

Die Versuche zeigen jedoch auch, dass eine Abschätzung mit Hilfe der elastisch-plastischen Bruchmechanik allein über die verbrauchte Schlagarbeit nicht möglich ist, weil dabei der Werkstoff GJS 450-10 erheblich unterbewertet wäre. Somit ist die verbrauchte Schlagarbeit als Messgröße für die Langzeitbelastung des Rohres sehr kritisch zu bewerten.

Nach Abschluss der metallurgischen und fertigungstechnischen Entwicklungsarbeiten konnten verbesserte Werkstoffkennwerte erzielt werden: Die für Wasserleitungen in EN 545 [3] genormten Rohre und Formstücke aus duktilem Gusseisen müssen Bruchdehnungswerte von mindestens 12 % aufweisen, wenn Rp0,2 ≥ 270 MPa ist. Das bruchmechanisch optimierte Material besitzt im Vergleich dazu Werte bis zu 20 % und erreicht unter Einhaltung der in EN 545 [3] geforderten mechanischen Kennwerte (Zugfestigkeit ≥ 420 MPa und 0,2 % Dehngrenze ≥ 270 MPa) die geforderten Bruchzähigkeitswerte.

Bild 7: Einbau der Rohre mit TYTON® - Steckmuffen-Verbindung vor dem Einlaufbauwerk mit Hosenrohr. [Foto: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

5 Rohrleitungsbau

Vor dem Bau des Krafthauses stand der Bau der 4,5 km langen Druckrohrleitung. Die dafür eingesetzten duktilen Gussrohre DN 600 wurden vom Tiroler Traditionshersteller TRM gemeinsam mit der Duktus Rohrsysteme Wetzlar GmbH entwickelt und durch TRM geliefert. Im obersten Streckenbereich verläuft die Rohrtrasse – von etwa 300 m abgesehen – in bestehenden Almwegen. Hier wurden formschlüssige zugfeste Steckmuffen-Verbindungen (PFA = 25 bar) aus dem System BLS®/VRS®-T eingesetzt, wodurch der Bau von betonierten Fixpunkten entfiel.

Im darunter liegenden Abschnitt, in dem auch zahlreiche Rohrbögen verbaut wurden, war die Errichtung von dauerhaften Ankern in Form von betonierten Festpunkten unumgänglich. In diesem Trassenbereich verwendeten die Bauherren duktile Gussrohre mit der herkömmlichen TYTON® - Steckmuffen-Verbindung (Bild 7). 

Bild 8: Bauarbeiten im Fels. [Foto: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

Für die neue Leitung wurde bewusst nicht die alte Rohrtrasse gewählt. Damit konnten die alten Kraftwerke über die gesamte Bauzeit von anderthalb Jahren in Betrieb bleiben und Strom produzieren. Dies brachte wegen der schwierigen topografischen Bedingungen aber zum Teil erhebliche Herausforderungen mit sich. So durfte zurzeit des Almbetriebs zwischen 15. Juni und 15. September kein Rohr in diesem Bereich eingebaut werden. Wegen des sehr spät einsetzenden Winters konnten die Arbeiten trotzdem an der Rohr- und Kabeltrasse noch bis Mitte Dezember 2014 weiterlaufen.

Eine weitere Herausforderung für das beauftragte Bauteam war der felsige Untergrund im oberen Almweg. Der Vorteil einer Rohrkünette im Fels (Bild 8) liegt vor allem darin, dass die Standfestigkeit einer darin eingebauten Druckrohrleitung markant erhöht wird. Allerdings war die Herstellung alles andere als einfach.

Bild 9: Einsatz der Baggerfräse. [Foto: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

Die Baumannschaft setzte dafür eine Baggerfräse (Bild 9) ein, zudem weitere Bagger, die das ausgefräste Material entfernten und welche, die für den Rohreinbau herangezogen wurden.

Auf diese Weise waren zeitgleich nicht selten sechs bis acht Bagger an der Trasse im Einsatz, um die Einbauarbeiten in den engen Terminvorgaben zu halten. Insgesamt erstreckten sich die Fräsarbeiten für die Rohrtrasse über eine Länge von 2 km.

Ein nicht unwesentlicher Synergieeffekt wurde im Zuge des Rohreinbaus zugunsten der Gemeinde genutzt. Von einem Hochbehälter aus führte eine ältere, drucklose Leitung zu den Trinkwasserquellen auf der Flaurlinger Alm, welche die TIWAG ohnehin hätte ersetzen müssen. Aus diesem Grund wurde eine kleine Druckrohrleitung DN 200 – ebenfalls aus duktilem Gusseisen – im Rohrgraben mit eingebaut (Bild 10), wodurch die Gemeinde Flaurling die Option auf ein Trinkwasserkraftwerk bekommt, das heute bereits in Umsetzung ist.

Bild 10: Parallel-Einbau der duktilen Gussrohre DN 200 und DN 600. [Foto: Tiroler Rohre GmbH - TRM]

Nicht nur auf die Lebensdauer und die Robustheit der neuen Kleinkraftanlage wurde großer Wert gelegt, sondern auch auf eine möglichst naturverträgliche Umsetzung: So wurde im Bereich des Krafthauses ein circa 150 m2 großes Feuchtbiotop errichtet. Dieses Feuchtbiotop wurde nach ökologischen Gesichtspunkten gestaltet und dient mittlerweile vor allem Amphibien, aber auch anderen Tier- und Pflanzenarten als Lebensraum. Von der Projektumsetzung wurden keinerlei Schutzgebiete berührt. Die Teile der Altanlage werden rückgebaut, derzeit ist ein so genanntes „Auflassungsoperat“ in Ausarbeitung.

Hinzu kommt, dass nun eine den strengen gewässerökologischen Vorgaben entsprechende Restwasserabgabe in die Restwasserstrecke des Kanzingbachs sichergestellt ist. Dies stellt eine markante Verbesserung gegenüber dem Altbestand dar. Konkret werden nun 15 % des natürlichen Aufkommens, mindestens aber 100 L/s in der Niederwasserzeit, an die Restwasserstrecke abgeführt. Die Regelung des Dotierwassers erfolgt vollautomatisch.

6 Terminablauf und Schlussbetrachtung

Startschuss für die Bauarbeiten war Anfang Oktober 2013, wobei das Querbauwerk für die Wasserfassung noch im selben Jahr fertiggestellt werden konnte. Mit dem Bau der Druckrohrleitung konnte die beauftragte Baufirma im Frühjahr 2014 beginnen, nachdem die Natur im Flaurling Tal ausgeapert war. Nach einem zügigen Bauverlauf in den folgenden Monaten fand Anfang Oktober 2014 das Richtfest statt. Mit der feierlichen Inbetriebnahme am 11. Juni 2015 fand das Bauprojekt nach einer Bauzeit von rund anderthalb Jahren einen würdigen Abschluss.

Mit dem Ersatz der beiden alten Kraftwerke durch einen Neubau ermöglicht die TIWAG die effizientere Nutzung des Kanzingbachs und sichert die Stromversorgung von immerhin 4.000 Haushalten. Das neue Wasserkraftwerk leistet einen Beitrag zum ökologischen, effizienten und nachhaltigen Ausbau der heimischen Wasserkraft. Es lohnt sich auch ein sorgsamer Umgang mit kleinen Wasserressourcen!

Literatur

[1] ANSI/AWWA C 151-09/A21.51-09: 2009
[2] Fussenegger, F., Mathis, R., Titze, E., Rammelsberg, J. und Schütz, M.: Planung und Bau einer Turbinenrohrleitung aus duktilen Gußrohren unter Berücksichtigung bruchmechanischer Bemessungsverfahren, GUSSROHR-TECHNIK Heft 32 (1997), S. 58 ff Download: http://eadips.org/project/jahresheft-32-1998/
[3] EN 545: 2010
[4] EN 598: 2007+A1:2009
[5] EN 15542: 2008
[6] Homepage: http://bruchmechanik.info/ bruchmechanik-themen/grundlagen/kennwerte-der-bruchmechanik/
[7] Pusch, G. Konstruieren + Gießen Heft 33 (2008), Nr. 4, S. 2 ff
[8] ISO 12135: 2002-12
[9] EN 1563: 2011
[10] prEN 1563: 2015

Autoren:
Ing. Christian Auer
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E-Mail: oswin.schueller@tiwag.at
 

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

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