Leckagerate, Dichheits- und Druckprüfung von Rohrleitungen

Leckagearten

Ein Leck ist eine „Öffnung“ in einem abgeschlossenen Raum, durch die Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase unerwünscht austreten können (bei Vakuum eintreten können).

Man unterscheidet folgenden Leckarten:
- Lecks in lösbaren Verbindungen - Flansche, Schliffe, Deckel
- Lecks in nicht lösbaren Verbindungen - Löt-/Schweiß-Nähte, Klebestellen.
- Porenlecks - mechanischer Verformung oder thermischer Bearbeitung von Werkstoffen und Gussteilen.
- Kalt-/Warmlecks - öffnen sich reversibel bei extremer Temperatur-Beanspruchung.
- Scheinbare Lecks - Gas-Mengen werden aus inneren Hohlräumen, Sacklöchern und Spalten frei.
- Ventil-Lecks - Undichtigkeit bei geschlossenem Ventil.
- Permeation - natürliche Durchlässigkeit von Werkstoffen für Gase, z. B von Gummi-Schläuchen, Elastomer-Dichtungen, etc.

Leckagerate – Definition

Keine Apparatur oder Anlage ist absolut dicht. Sie braucht es prinzipiell auch nicht zu sein. Es kommt darauf an, dass die Lecks entsprechend klein sind und somit auf den Arbeitsprozess keinen Einfluss haben.
Um Undichtheiten quantitativ erfassen zu können, wurde der Begriff der „Leckagerate“ mit dem Formelzeichen q_L und der Einheit mbar·l/s eingeführt.
Die Leckagerate von qL = 1 mbar·l/s ist gegeben, wenn in einem abgeschlossenen, Behälter mit dem Volumen 1 Liter der Druck in 1 Sekunde um 1 Millibar bei Überdruck im Behälter abfällt.
Zu beachten ist dabei, dass die mit einem Leck verbundene Leckagerate Gas-Art-abhängig ist.

Einteilung der Leckagerate

Die Leckrate wird wie unten aufgeführt in folgende Kategorien eingeteilt.

Lecksuch-Methoden

Druckabfall-Prüfung

Bei dieser Art der Lecksuche wird bei einem Behälter unter Druck, der Druckabfall über einen längeren Zeitraum gemessen. Die Druckabfall-Prüfung ist im Behälterbau eine oft angewandte Lecksuch-Technik. Bei größeren Behältern und den damit oft verbundenen langen Messzeiten für den Druckabfall muss unter Umständen mit Temperatur Änderungen gerechnet werden. Als Folge davon kann etwa bei Abkühlung der Sättigungs-Dampfdruck des Wasserdampfes unterschritten werden, so dass Wasser kondensiert und die Messung damit verfälscht wird.

Druckanstieg-Prüfung

Bei Vakuumanlagen wird meist die Druckanstiegs-Prüfung durchgeführt. Hier wird der Druckanstieg über einen längeren Zeitraum gemessen.

Blasen-Tauch-Prüfung (Bubble-Test)

Der Prüfling wird mit Überdruck in ein Flüssigkeitsbad getaucht. Aufsteigende Gas-Bläschen (bubbles) zeigen die Undichtheiten an. Die Leckfindung ist stark von der Aufmerksamkeit der prüfenden Person abhängig und bei kleinen Leckraten sehr zeitraubend.

Blasen-Sprüh-Prüfung

Bei Überdruck führende Behälter oder Gas-Leitungen lassen sich besonders gut auf Dichtheit prüfen, indem sie mit einem Lecksuch-Spray angesprüht werden. Austretendes Gas bildet an den Leckstellen Seifen-Blasen.

Ãœbersicht der verschiedenen Leckagesuch-Methoden

Leckagerate

Die Leckagerate ist der Druck mal Volumendurchsatz pro Zeiteinheit eines bestimmten Fluides durch ein Leck unter definierten Bedingungen (DIN EN 1330-08).

q_L = Leckagerate (Pa*m³/s)
p  = Druck (Pa)
V  = Volumen (m³)
t  = Zeit (s)

q_L = Leckagerate (Pa*m³/s)
p  = Druck (Pa)
V  = Volumen (m³)
t  = Zeit (s)

Leckagerate umrechnen in andere Einheiten

Die gängige Einheit für die Leckagerate ist mbar * l / s
1 Pa*l/s = 0,01 mbar*l/s
100 Pa*l/s = 1,0 mbar*l/s
1 Torr*l/s = 1,33 mbar*l/s
1 kg Luft 20° /h =233 mbar*l/s
1 g Kältemittel R12 / Jahr = 6,4*10^-6 mbar*l/s

Strömungsarten bei einer Leckage

Bei der Lecksuch werden meistens Gase als Prüfmedium verwendet.
Je nach Größe der Leckage treten folgende Strömungsarten auf:
- Turbulente Strömung
- Laminare Strömung
- Strömung im Übergangsbereich
- Molekulare Strömung
Zur Abschätzung, welche Strömungsart in einem Leck zu erwarten ist, kann die folgende Tabelle dienen:

Leckagerate bei turbulenter Strömung

Die turbulente Strömung tritt nur bei größeren Lecks auf und bei höheren Drücken. Ebenfalls ist eine hohe Geschwindigkeit des Gasstromes erforderlich. Lecks mit turbulenter Gasströmung können mit der folgenden Formel berechnet werden. Es wird eine einfache Düsenströmung angenommen.

Massenstrom

Leckagerate

m  = Massenstrom (Kg/s)
d  = Durchmesser Leckkanal (m)
m_Mol = Masse eines Moleküls (kg)
p_i = Innendruck (Pa)
p_a = Außendruck (Pa)
η  = Dynamische Viskosität (Pa*s)
l  = Länge Leckkanal (m)
k_B = Bolzmann Konstante (J/K)
T  = Temperatur (K)
R  = Gaskonstante (J/(K*mol))
M  = molare Masse (kg/mol)

m  = Massenstrom (Kg/s)
d  = Durchmesser Leckkanal (m)
m_Mol = Masse eines Moleküls (kg)
p_i = Innendruck (Pa)
p_a = Außendruck (Pa)
η  = Dynamische Viskosität (Pa*s)
l  = Länge Leckkanal (m)
k_B = Bolzmann Konstante (J/K)
T  = Temperatur (K)
R  = Gaskonstante (J/(K*mol))
M  = molare Masse (kg/mol)

Leckagerate bei laminarer Strömung

Für die Leckagerate bei laminarer Strömung wird die Formel von Poisseuille zu grunde gelegt.

q_L = Leckrate (Pa*m³/s)
r  = Radius der Kapillare (m)
p₁ = höherer Druck (Pa)
p₂ = niedriger Druck (Pa)
η  = Dynamische Viskosität (Pa*s)
l  = Länge Kapillar (m)

q_L = Leckrate (Pa*m³/s)
r  = Radius der Kapillare (m)
p₁ = höherer Druck (Pa)
p₂ = niedriger Druck (Pa)
η  = Dynamische Viskosität (Pa*s)
l  = Länge Kapillar (m)

Änderung Leckrate bei laminarer Strömung mit geändertem Differenzdruck

Wenn sich bei gleichbleibender Gasart der Differenzdruck über einem Leck sich ändert, so ändert sich die Leckagerate quadratisch zum Druck nach der folgenden Formel:

q_L,A = Leckagerate Zustand A (Pa*m³/s)
p_1,A = höherer Druck Zustand A (Pa)
p_2,A = niedriger Druck Zustand A (Pa)
q_L,B = Leckagerate Zustand B (Pa*m³/s)
p_1,B = höherer Druck Zustand B (Pa)
p_2,B = niedriger Druck Zustand B (Pa)

q_L,A = Leckagerate Zustand A (Pa*m³/s)
p_1,A = höherer Druck Zustand A (Pa)
p_2,A = niedriger Druck Zustand A (Pa)
q_L,B = Leckagerate Zustand B (Pa*m³/s)
p_1,B = höherer Druck Zustand B (Pa)
p_2,B = niedriger Druck Zustand B (Pa)

Umrechnungsfaktoren von Helium Leckrate bei laminarer Strömung auf eine andere Gasart

Ändert sich die Gasart, so ändert sich die Leckrate umgekehrt proportional zur Viskosität der Gase.

Leckagerate bei molekularer Strömung

Molekulare Strömung herrscht bei kleinen Leckagen und bei niedrigen Drücken.

q_L = Leckrate (Pa*m³/s)
R  = Gaskonstante (J/(K*mol)) - 8,31448 (J/(K*mol))
T  = absolute Temperatur (K)
M  = Molare Masse (kg/mol)
p₁ = höherer Druck (Pa)
p₂ = niedriger Druck (Pa)
d  = Durchmesser Leckage (m)
l  = Länge Kapillar (m)

q_L = Leckrate (Pa*m³/s)
R  = Gaskonstante (J/(K*mol)) - 8,31448 (J/(K*mol))
T  = absolute Temperatur (K)
M  = Molare Masse (kg/mol)
p₁ = höherer Druck (Pa)
p₂ = niedriger Druck (Pa)
d  = Durchmesser Leckage (m)
l  = Länge Kapillar (m)

Änderung der Leckrate bei molekularer Strömung mit geändertem Differenzdruck

Im Gegensatz zur laminaren Strömung, ändert sich die Leckrate in Abhängigkeit vom Druck linear proportional.

q_L,A = Leckagerate Zustand A (Pa*m³/s)
p_1,A = höherer Druck Zustand A (Pa)
p_2,A = niedriger Druck Zustand A (Pa)
q_L,B = Leckagerate Zustand B (Pa*m³/s)
p_1,B = höherer Druck Zustand B (Pa)
p_2,B = niedriger Druck Zustand B (Pa)

q_L,A = Leckagerate Zustand A (Pa*m³/s)
p_1,A = höherer Druck Zustand A (Pa)
p_2,A = niedriger Druck Zustand A (Pa)
q_L,B = Leckagerate Zustand B (Pa*m³/s)
p_1,B = höherer Druck Zustand B (Pa)
p_2,B = niedriger Druck Zustand B (Pa)

Umrechnungsfaktoren von Helium Leckrate bei molekularer Strömung auf eine andere Gasart

Leckagerate bei Strömung im Übergangsbereich

Die mathematische Beschreibung dieses Zustandes ist schwierig. Die einfachste Formel stammt von Burrow. Er hat die Formeln für laminare und molekulare Strömung miteinander kombiniert. Hier sind beide Strömungsarten vorhanden, wobei erst die eine und dann die andere Strömungsart überwiegt. Man kann dies so verstehen, dass beide Strömungsarten gemischt vorkommen, oder dass am Eintritt des Gases in die Leckkapillare laminare Strömung herrscht, die dann zum Austritt aus der Leckkapillare in molekulare Strömung übergeht.

q_L = Leckrate (Pa*m³/s)
r  = Radius der Kapillare (m)
p₁ = höherer Druck (Pa)
p₂ = niedriger Druck (Pa)
η  = Dynamische Viskosität (Pa*s)
l  = Länge Kapillars (m)
R  = Gaskonstante (J/(K*mol)) - 8,31448 (J/(K*mol))
T  = absolute Temperatur (K)
M  = Molare Masse (kg/mol)
d  = Durchmesser Leckage (m)
l  = Länge Kapillar (m)

q_L = Leckrate (Pa*m³/s)
r  = Radius der Kapillare (m)
p₁ = höherer Druck (Pa)
p₂ = niedriger Druck (Pa)
η  = Dynamische Viskosität (Pa*s)
l  = Länge Kapillars (m)
R  = Gaskonstante (J/(K*mol)) - 8,31448 (J/(K*mol))
T  = absolute Temperatur (K)
M  = Molare Masse (kg/mol)
d  = Durchmesser Leckage (m)
l  = Länge Kapillar (m)

Druckprüfungen

Hier wird nur eine allgemeine Übersicht der Druckprüfungen vorgestellt, da auf Grund der Vielfalt der verschiedenen Anwendungsfälle jeweils spezielle Besonderheiten gelten. In diesen Fällen ist die jeweilige Vorschrift maßgebend.
Aufgeführte Vorschriften:
- Richtlinie 97/23/EG über Druckgeräte (Druckgeräterichtlinie – DGRL),
  als erstmalige Druckprüfung von Druckbehältern und Rohrleitungen
- Richtlinie 2009/105/EGim Bereich der Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) wiederkehrenden
  Festigkeitsprüfung von Druckbehältern und Rohrleitungen
- AD 2000 Merkblatt HP 30
- Trinkwasserinstallationen nach DIN EN 806-4

Begriffsbestimmung

PS - Maximal zulässiger Druck

Der maximal zulässige Druck der vom Hersteller angegebene wird.

TS - Zulässige minimale/maximale Temperatur

Die zulässige minimale/maximale Temperatur die vom Hersteller angegebene wird.

P_B - Zulässiger Betriebsdruck

Der zulässige Betriebsdruck ist der höchste bzw. niedrigste Druck der aus Sicherheitsgründen festgelegte wird. Dieser darf im Betrieb nicht über- bzw. unterschritten werden.

F_PPrüfdruckfaktor (nach AD 2000-Merkblatt HP 30)

Der Prüfdruckfaktor ist ein Faktor größer als 1, der durch Multiplikation mit
- dem maximal zulässigen Druck PS
- dem zulässigen Betriebsdruck P_B
den Wert des Prüfdrucks bestimmt.

Druckprüfung nach Richtlinie 97/23/EG (Druckgeräterichtlinie – DGRL)

Flüssigkeitsdruckprüfungen

Die Flüssigkeitsdruckprüfung wird in der Regel mit Wasser durchgeführt.

Prüfdruck

Der Prüfdruck muss dem höheren der folgenden Werte entsprechen:

Prüfdruckfaktor nach DGRL

Prüfdruckfaktor nach AD 2000 Merkblatt HP 30

P_P = Prüfdruck (bar)
F_P = Prüfdruckfaktor (-)
p  = Druck im höchsten Punkt des Druckgerätes
- PS bei einer Druckprüfung nach DGRL (bar)
- PB bei einer Druckprüfung nach Betriebssicherheitsverordnung (bar)
f₂₀ = Berechnungsspannung für Prüftemperatur 20 °C (N/mm²)
f_t = Berechnungsspannung für Berechnungstemperatur (N/mm²)
K₂₀ = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Prüftemperatur 20 °C, (N/mm²)
K_t = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Berechnungstemperatur (N/mm²)

P_P = Prüfdruck (bar)
F_P = Prüfdruckfaktor (-)
p  = Druck im höchsten Punkt des Druckgerätes
- PS bei einer Druckprüfung nach DGRL (bar)
- PB bei einer Druckprüfung nach Betriebssicherheitsverordnung (bar)
f₂₀ = Berechnungsspannung für Prüftemperatur 20 °C (N/mm²)
f_t = Berechnungsspannung für Berechnungstemperatur (N/mm²)
K₂₀ = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Prüftemperatur 20 °C, (N/mm²)
K_t = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Berechnungstemperatur (N/mm²)

Prüfdruck nach der Betriebssicherheitsverordnung

Bei einer wiederkehrenden Druckprüfung beträgt der Prüfdruckfaktor
F_P ≥ 1,3 bezogen auf den zulässigen Betriebsdruck P_B

Gasdruckprüfung

Die Gasdruckprüfung wird in der Regel mit Druckluft bzw. Stickstoff durchgeführt.
Gasdruckprüfungen beinhalten gegenüber Flüssigkeitsdruckprüfungen ein erhöhtes Gefahrenpotenzial infolge der höheren Spannungsenergien im kompressiblen Gas. Die Gasdruckprüfung ist unter Einhaltung besonderer Personenschutzmaßnahmen durchzuführen.

Prüfdruck

Für Druckbehälter und Rohrleitungen, die nicht für den Zeitstandbereich ausgelegt sind, darf der Prüfdruckfaktor den höheren der folgenden beiden Werte nicht unterschreiten.

Prüfdruckfaktor nach DGRL

Prüfdruckfaktor nach AD 2000 Merkblatt HP 30

P_P = Prüfdruck (bar)
F_P = Prüfdruckfaktor (-)
p  = Druck im höchsten Punkt des Druckgerätes
bezogen auf den max. zulässigen Druck PS (bar)
f₂₀ = Berechnungsspannung für Prüftemperatur 20 °C (N/mm²)
f_t = Berechnungsspannung für Berechnungstemperatur (N/mm²)
K₂₀ = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Prüftemperatur 20 °C, (N/mm²)
K_t = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Berechnungstemperatur (N/mm²)

P_P = Prüfdruck (bar)
F_P = Prüfdruckfaktor (-)
p  = Druck im höchsten Punkt des Druckgerätes
bezogen auf den max. zulässigen Druck PS (bar)
f₂₀ = Berechnungsspannung für Prüftemperatur 20 °C (N/mm²)
f_t = Berechnungsspannung für Berechnungstemperatur (N/mm²)
K₂₀ = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Prüftemperatur 20 °C, (N/mm²)
K_t = Festigkeitskennwert AD 2000-Merkblättern Reihe W für Berechnungstemperatur (N/mm²)

Prüfdruck nach der Betriebssicherheitsverordnung

Bei einer wiederkehrenden Druckprüfung beträgt der Prüfdruckfaktor
F_P = 1,1 bezogen auf den zulässigen Betriebsdruck P_B

Dichtheits- und Belastungsprüfung von Trinkwasserinstallationen

Bei Trinkwasserinstallationen nach DIN EN 806-4 wird die Dichtheits- bzw. Belastungsprüfung wie folgt durchgeführt.

Dichtheitsprüfung mit inerten Gasen

In Gebäuden, in denen erhöhte hygienische Anforderungen bestehen, wie bei medizinischen Einrichtungen, Krankenhäusern, kann die Verwendung von inerten Gasen erforderlich sein, um eine Kondensation der Luftfeuchtigkeit in der Rohrleitung auszuschließen.

Dichtheitsprüfung mit Druckluft

Die Dichtheitsprüfung ist mit Luft durchzuführen, wenn
- eine längere Stillstandszeit von der Dichtheitsprüfung bis zur Inbetriebnahme,
   insbesondere bei durchschnittlichen Umgebungstemperaturen >25°C,
   zu erwarten ist, um mögliches Bakterienwachstum auszuschließen, oder
- die Rohrleitung von der Dichtheitsprüfung bis zur Inbetriebnahme, z. B. wegen einer Frostperiode,
   nicht vollständig gefüllt bleiben kann, sodass die Korrosionsbeständigkeit eines Werkstoffes
   in einer teilentleerten Leitung gefährdet ist.

Dichtheitsprüfung mit Luft oder inerten Gasen

Belastungsprüfung mit Luft oder inerten Gasen

Dichtheitsprüfung Trinkwasserinstallation mit Wasser

Die Dichtheitsprüfung mit Wasser kann durchgeführt werden, wenn vom Zeitpunkt der Dichtheitsprüfung bis zur Inbetriebnahme der Trinkwasserinstallation in regelmäßigen Abständen, spätestens nach sieben Tagen, ein Wasseraustausch sichergestellt wird. Außerdem, wenn
- sichergestellt ist, dass der Haus- oder Bauwasseranschluss gespült
   und dadurch für den Anschluss und Betrieb freigegeben ist,
- die Befüllung des Leitungssystems über hygienisch einwandfreie Komponenten erfolgt,
- von der Dichtheitsprüfung bis zur Inbetriebnahme die Anlage vollgefüllt
   bleibt und eine Teilbefüllung vermieden werden kann

Dichtheitsprüfung mit Wasser