In diesem Blogbeitrag beschäftigen wir uns mit Dichtheitsprüfungen mit gasförmigem Medium an erdverlegten Rohrleitungen. Hierbei konzentrieren wir uns auf den Einfluss der Lufttemperatur auf die Temperatur in unterschiedlichen Bodentiefen und den Einfluss der Temperaturänderung auf die Dichtheitsprüfung.
Temperatursensor
Die Temperaturverläufe wurden mit Erdspießen in unterschiedlichen Bodentiefen und in bodennaher Luft ermittelt. Die absolute Genauigkeit der Sensoren ist 0,1 °C, Messwertauflösung 0,01 K (Kelvin). Wir beobachten die Lufttemperatur über sechs Tage und die Bodentemperatur in unterschiedlichen Tiefen.
Um die Temperaturen in den unterschiedlichen Tiefen zu Messen wurde je ein Erdspieß 20, 40, 60 und 80 cm tief in den Erboden gerammt. Zur Dokumentation der Lufttemperartur war ein Anlegefühler auf Kniehöhe frei in der Luft hängend an einem Erdspieß befestigt. Die Messwerte wurden mit 5 TempTest Geräten alle 15 min. gespeichert.
Versuchsaufbau Temperaturmessung
Der Verlauf der Lufttemperatur über sechs Tage, die maximale Differenz beträgt ca. 10 °C (Tiefst- / Höchstwert).
Der Verlauf der Bodentemperatur in 20 cm Tiefe. Hier ist deutlich eine Dämpfung der Spitzen zu erkennen.
Die Differenz beträgt 1,44 °C vom Tiefst- bis zum Höchstwert.
Es folgt der Verlauf der Bodentemperatur in 40 cm Tiefe. Eine weitere Dämpfung der Spitzen ist deutlich zu erkennen.
Die Differenz beträgt noch 0,78 °C vom Tiefst- bis zum Höchstwert.
In der folgenden Grafik ist der Verlauf der Bodentemperatur in 60 cm Tiefe gemessen worden.
Die Differenz beträgt hier nur 0,48 °C zwischen dem Tiefst- und dem Höchstwert.
Die unten stehende Grafik zeigt den Verlauf der Bodentemperatur in 80 cm Tiefe. Die Differenz vom Tiefst- bis zum Höchstwert ist hier wesentlich geringer mit 0,39 °C.
Übersicht über alle Temperaturverläufe
Die Lufttemperatur ändert sich deutlich im Laufe eines Tages und bis zum folgenden Mittag. Der gewählte Beobachtungszeitraum: 26.1. ab 06:48 Uhr bis 27.1. um 13:48 Uhr. Erwartungsgemäß wirken sich die Temperaturänderungen der Luft mit zunehmender Tiefe immer weniger aus. Der Temperaturverlauf wird geglättet.
Übersicht über 6 Tage und Temperaturanstieg in einem Abschnitt
Wie wirkt sich die Änderung der Lufttemperatur im markierten Bereich (06:48-13:48) auf die Bodentemperatur aus? Da wir wissen, dass der Boden zeitverzögert ist, werden die Extremwerte bis zum 29.1. um 09:03 Uhr in der Tabelle dargestellt. Während die Temperaturänderung in der Luft 8,65 °C betrug, waren z. B. in 20 cm noch 1,36 °C und in 80 cm Tiefe nur noch 0,23 °C messbar.
Zeitverzögerung zwischen Luft und Bodentemperatur
Wie groß ist die Zeitverzögerung ungefähr?
Neben der Glättung des Temperaturverlaufes wirkt der Boden auch zeitlich verzögernd. Zwischen der maximalen Tagestemperatur (Luft) und dem Sensor in 60 cm Tiefe ist die Zeitverzögerung 33 h.
Was heißt das für die Druckprüfung?
Nicht nur kommende Temperaturschwankungen, die uns vielleicht die Wetterprognose gut vorher sagt, sind wichtig. Sind in den letzten 24 oder 48 Stunden starke Temperaturänderungen der Luft aufgetreten, so können sie sich später in einer laufenden Druckprüfung, also nachträglich noch auswirken.
Welche Rolle spielt nun die Temperaturänderung im Boden, die sich auf das Medium im Rohr (Luft) überträgt?
Dazu wird die Formel für die isochore Zustandsänderung von idealen Gasen (Gesetz von Amontons) herangezogen. Sie sagt aus, dass sich Temperatur und Druck zueinander proportional verhalten (p1/p2 = T1/T2), wenn sich das Volumen nicht ändert. Bei einem absoluten Prüfdruck von 8 bar (7 bar Prüfdruck) erhält man die Druckdifferenzen (dp) aus obiger Tabelle.
Im Beispiel 20 cm Bodentiefe also:
Die Temperatur der Luft im Rohr erhöht sich um 1,36 °C, dadurch steigt der Druck um 39,2 mbar.
Sehr schön erkennbar ist auch, dass mit zunehmender Tiefe jeder zusätzliche cm Überdeckung „unwichtiger“ wird. Der Zusammenhang ist nicht linear, sondern exponentiell. Das wirkt sich z. b. so aus: Zwischen 20 cm und 40 cm Tiefe ergibt sich noch ein Unterschied von 17 mbar, zwischen 60 und 80 cm Tiefe nur noch ein Unterschied von 2,9 mbar!
Ein Gedankenspiel zum Schluss: Wie bewertet man eigentlich den Fall, wenn der Erdspieß nicht ganz hinunter bis zur Leitung (Rohrscheitel) reicht, wenn also z. B. 40 cm oberhalb der Leitung die Temperatur gemessen wird? Tut man sich damit als Prüfer vor Ort einen Gefallen oder eher nicht?
Antwort: Eher nicht, denn grundsätzlich gilt die Ansage, dass Temperaturschwankungen zu vermeiden sind. Das wird durch das Messen der Bodentemperatur an geeigneter Stelle, also nahe der Leitung, nachgewiesen. Oder durch Messen an besonders dem Temperatureinfluss ausgesetzten Stellen der Leitung, nämlich den freiliegenden Enden der Leitung mit einem Anlegefühler. Warum wir Temperaturschwankungen an der Leitung vermeiden oder zumindest minimieren sollten, haben die Beispielrechnungen gezeigt. Falls aber bei einer Druckprüfung der maximale Druckabfall knapp überschritten wird, kann eine korrekte Temperaturmessung helfen die Situation zu beurteilen. Je besser die Messung die Änderung an der Rohrleitung wiedergeben kann, also es wird nahe der Leitung gemessen, desto einfacher lässt sich bewerten, ob die Änderungen der Temperatur für einen Druckabfall oder Druckanstieg die Ursache sein können.
Mit einer Berechnung der Auswirkung der gemessenen Temperaturänderungen auf den Druck besteht Klarheit ob ich eine Leitung abnehmen kann oder die Prüfung erneut durchzuführen ist.
Unsere Empfehlung: Aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge sollte eine Bewertung der Temperaturbeeinflussung nur durch besonders geschultes und erfahrenes Personal erfolgen.