Konzept zur Nachweisführung für Nutzungsdauer und Sicherheit von PE-Druckrohren bei beliebiger Einbausituation

摘要

The current discussion and future situation in the field of polyethylene (PE) pressure pipes for water and gas supply may be characterized by the following aspects and topics: Continuous developments by polymer suppliers in the last decades have resulted in improved PE material grades, which in turn led to a significant rise in maximum operating pressures for pipes, with further enhancements perhaps to be expected. Moreover, based on cost reasons an increase in minimum service life from currently 50 to possibly 100 years has been proposed most recently by some for the last generation PE materials of the PE 100 type. Simultaneously, and also due to increasing cost pressure, considerations have been put forth for the installation of buried PE pressure pipes without sand embedding, which have led to some controversy. A main problem in this regard concerns the reliability of such pressure pipes with significant additional local or regional loads, particularly the safety against the formation and slow growth of cracks which may induce ultimate pipe failure. The present paper describes the main elements of a novel concept for lifetime and safety assessment of PE pressure pipes for arbitrary installation conditions based on modern methods of fracture mechanics. It is considered as proposal by the authors to the PE pipe community, which needs further refinement and development. At the core of the proposed concept is the accelerated generation of so-called "synthetic" crack growth curves and corresponding material laws for crack growth initiation and slow crack growth for service-near temperature conditions without the use of stress cracking liquids.%Die aktuelle Diskussion und die gegenwärtige und künftige Situation auf dem Gebiet der Druckrohre aus Polyethylen (PE) für die Wasser- und Gasversorgung wird wesentlich durch folgende Aspekte und Themen mitbestimmt: Zunächst haben die Entwicklung neuer und weiter verbesserter PE-Werkstoffe in den letzten Jahrzehnten zu deutlichen Erhöhungen in den zugelassenen Betriebsdrücken geführt, mit weiteren Verbesserungen in den kommenden Jahren in Aussicht. Darüber hinaus wird aus Kostengründen die Forderung nach einer Erhöhung der Nutzungsdauer von Rohrleitungssystemen mit PE-Werk-stoffen der Kategorie PE 100 von mindestens 50 auf 100 Jahre artikuliert. Gleichzeitig gibt es für den Bau erdverlegter Rohrleitungen, ebenfalls aufgrund des zunehmenden Kostendruckes, neuerdings Überlegungen in Richtung einer „sandbettlosen" Verlegung von PE-Druckrohren, die in Fachkreisen zu kontroversen Diskussionen geführt haben. Ein zentrales Problem dabei betrifft die Zuverlässigkeit derartiger Druckrohre mit lokalen bzw. regionalen Zusatzlasten, insbesondere die Sicherheit gegen die Initiierung und das langsame Wachstum von Rissen, die Totalversagen eines Rohres auslösen könnten. Der vorliegende Beitrag beschreibt die wesentlichen Elemente eines neuartigen Konzeptes zur Nachweisführung für Nutzungsdauer und Betriebssicherheit von PE-Druckrohren für beliebige Einbausituationen basierend auf modernen Methoden der Bruchmechanik. Er ist als weiter zu entwickelnder Vorschlag der Autoren an die „PE pipe Community" gedacht. Dabei steht die Frage der beschleunigten Generierung sogenannter „synthetischer" Risswachstumskurven und geeigneter Werkstoffgesetze für Rissbildung und langsames Risswachstum unter möglichst realitätsnahen Temperaturbedingungen und ohne Einwirkung spannungsrissbildender Medien im Vordergrund.