Wasserschlag in geschlossenen Rohrsystemen: Ursachen, Auswirkungen und Lösungen

Was ist Wasserschlag?

Wasserschlag ist ein plötzlicher Druckanstieg in einer Rohrleitung, der durch schnelle Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeit hervorgerufen wird. Dieses Phänomen tritt auf, wenn eine bewegte Flüssigkeit in einem geschlossenen System dazu gezwungen wird, abrupt zu stoppen oder ihre Richtung zu ändern. Dieser Druckstoß erstreckt sich über das ganze System und wird zunächst vervielfacht, was zu einem Druckanstieg in einem für die Komponenten nicht mehr zulässigen Grenzbereich führt. Darüber hinaus erhöht sich die Fließgeschwindigkeit um ein Vielfaches und kann unter ungünstigen Bedingungen bis zu 1.200 m/s erreichen. 

Wasserschlag tritt nicht nur bei Wasser, sondern auch bei anderen inkompressiblen Flüssigkeiten (die ihre Dichte auch unter Druck nicht maßgeblich ändern) oder bei Gasen auf. Der Druckstoß geht oft mit Vibrationen oder einem klopfenden Geräusch einher, das sich wiederholt, bevor der Druck nachlässt. Deshalb spricht man manchmal auch von Wasserhammer.

Obwohl man die Druckschläge deutlich hören kann, sind sie schwierig zu messen, da sich der Druckschlag innerhalb einer extrem kurzen Dauer im Millisekundenbereich auf- und wieder abbaut. Elektronische Messgeräte sind für derartige Messungen oft nicht geeignet, bzw. der Druckstoß übersteig den Messbereichsendwert.

Ursachen von Wasserschlag

Es gibt mehrere Ursachen von Wasserschlag, z.B. schnelles Öffnen und Schließen von Ventilen, schnelles Anlaufen oder Abschalten von Pumpen, zu schnell schließende Rückschlagventile und plötzliche Unterbrechungen der Stromversorgung. Auch eine Trennung der Wassersäule oder Druckpuffer begünstigen die Entstehung.

Aber auch die Konstruktionsweise hat Einfluss auf das Auftreten von Wasserschlag. In Systemen mit großen Höhenunterschieden ist das Risiko besonders hoch, da zur Überwindung der Höhenunterschiede höhere Drücke erforderlich sind.

Systemkonstruktionen, die eine gleichmäßige Strömung unterbrechen, bergen ebenfalls ein erhöhtes Risiko. Krümmungen und starke Druckschwankungen sollten daher möglichst vermieden werden.

Direkte Auswirkungen von Wasserschlag

Wasserschlag kann schwere Schäden verursachen:

• Undichtigkeiten an Komponenten.
• Verformung oder Zerstörung des Ventilsitzes.
• Verformung der Rückschlagventilscheiben.
• Gebrochene oder verbogene Pumpenschäfte.
• Vorzeitiges Abflachen von Dichtungen und O-Ringen.
• Gebrochene Laufräder.
• Undichte oder gebrochene Rohrleitungen.

Mögliche Langzeitfolgen für Leitungssysteme

Neben den Schäden an einzelnen Instrumenten und Komponenten wirken sich Wasserschläge oft auch negativ auf die Lebensdauer des gesamten Systems aus. Die Gefahr steigt dabei mit zunehmender Stärke der Wasserschläge an. Häufig kommt es auch zu Leckagen der Rohleitungen, die dazu führen, dass das System über längere Zeit nicht mehr effizient arbeitet und Medium oder Produkt verloren gehen. 

Wasserschlag vermeiden

Korrekte Ventilauswahl in der Planungsphase

Optimal ist es, wenn das System bereits so geplant wird, dass die Gefahr von Wasserschlägen von Anfang an minimiert wird. Die Auswahl geeigneter Ventile spielt dabei eine entscheidende Rolle. Anwender sollten in der Planungsphase darauf achten, hochwertige Ventile auszuwählen, die entsprechende Funktionalität mitbringen, um das Entstehen von Wasserschlägen von vornherein zu verhindern. Pneumatisch oder elektrisch angesteuerte Ventile sind in geeigneten Varianten erhältlich. Auch handbetätigte Ventile können verwendet werden. Hier ein kurzer Überblick darüber, welche Anforderungen Ventile erfüllen sollten.

Pneumatisch betätigte Prozessventile mit einstellbarer Öffnungs- oder Schließzeit

Bei den Pneumatisch betätigten Prozessventilen bieten sich Schrägsitzventile (auch als Y-Ventil bekannt) oder Durchgangsventile (auch als gerades Ventil bekannt) an. Wichtig ist, dass die Ventile so konfiguriert werden, dass sie gegen die Strömungsrichtung der Flüssigkeit schließen. Dadurch wird die Schließfunktion mit der Trägheit des Mediums in Einklang gebracht und Druckstöße werden auf natürliche Weise vermieden. Sowohl Ventile mit Federrückstellung als auch doppeltwirkende Ventile können auf diese Weise konfiguriert werden.

Elektromotorische Ventile

Auch elektromotorische Ventile werden, ebenso wie pneumatisch betätigte Prozessventile mit geeigneten Gehäusevarianten als Schräg- oder Geradsitzventil angeboten. Motorventile von Bürkert zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus, die sich im Zusammenhang mit der Thematik rund um Wasserschlag positiv auswirken:

• Starrer Antriebsstrang, der nicht reaktiv sowie unabhängig vom Mediendruck ist. Druckschwankungen oder -stöße im Medium übertragen sich daher nicht auf die Ventilstellung. Empfehlenswert sind beispielsweise Kompaktventile (Typ 3280 / 3281 / 3285). 
• Der spezifische mechanische Aufbau des Ventils kommt im Vergleich zu pneumatisch betätigten Prozessventilen ohne Federlagerung aus und bietet eine hohe Stoß- und Schwingungsunempfindlichkeit.
• Die Stellgeschwindigkeit von Bürkert-Motorventilen lässt sich durch eine Softwarefunktion präzise einstellen. So können Ventile bewusst langsam geöffnet bzw. geschlossen werden, um den Druck im System nicht unnötig zu erhöhen und die damit verbundenen Auswirkungen zu minimieren.

Elektromotorisches 2/2-Wege Membranventil (Auf/Zu)

Typ 3323

• Sicherheitsstellung durch Energiespeicher
• Einstellbare Antriebskraft
• Diagnose Funktionen und Feldbusanbindung
• Produktberührte Oberflächen von Ra ≤ 0.38 µm…1.6 µm (wahlweise elektropoliert)
• Verfügbar in Anschlussnennweiten DN 06…DN 100

Membranventile

Speziell im Bereich der Pharma- und Biotechproduktion können außerdem pneumatisch oder elektromotorisch gesteuerte Membranventile eingesetzt werden. Diese Ventilart kann im Gegensatz zu Sitzventilen, unabhängig von der Strömungsrichtung eingesetzt werden, unterliegt aber bei der Auslegung den gleichen Kriterien (kV-Wert, maximaler Druck...) wie die Sitzventile.
Für Membranventile gilt zu beachten, dass es bei Wasserschlägen zu einer kurzfristigen Undichtigkeit nach außen kommen kann (nicht nur über den Steg) welche sich zunächst einmal nur während des kurzen Moments des Wasserschlags zeigt. Sollte die Membrane nicht beschädigt sein, kann das das Ventil bestenfalls weiterhin seine normale Funktion erfüllen.  

2/2-Wege-Membranventil mit pneumatischem Antrieb aus Edelstahl (Typ ELEMENT) für dezentrale Automatisierung

Typ 2103

• Ventilgehäuse und Membran in verschiedenen Materialien und Ausführungen erhältlich
• Medienberührende Oberflächen von Ra ≤ 0.38 µm...≤ 1.6 µm (wahlweise elektropoliert)
• Verfügbar in allen gängigen Anschlussgrößen und -varianten

Optimierungsmöglichkeiten bei bestehenden Systemen

Bei bestehenden Systemen, gibt es verschiedene Ansatzpunkte, um nachträglich die Gefahr von Wasserschlag zu verringern. Diese Art der systemweiten Anpassung sollte nur von einem Verfahrenstechniker in Betracht gezogen werden, der über ein umfassendes Verständnis des gesamten Prozesses verfügt. 

Mögliche Maßnahmen sind:

• Austausch einzelner Ventile gegen Ventile mit einstellbarer Öffnungs- und Schließzeit.
• Einbau von Drosseln und Rohrstufen, um die Durchflussmenge der Flüssigkeit durch das Ventil zu verringern damit Ventile langsamer schließen. 
• Verlangsamung der Schließgeschwindigkeit von pneumatischen Prozessventilen durch Drosselung der pneumatischen Be- oder Entlüftung des Pneumatikantriebs. 
• Verwendung von elektromotorischen Antrieben mit Öffnungs- und Schließzeit Set-Up.
• Begrenzung der Geschwindigkeitsänderung im System.
• Einsatz von doppelwirkenden Antrieben incl. entsprechender Ansteuerung.

Fazit

Wasserschlag ist ein ernstzunehmendes Problem in Rohrsystemen. Er kann Systeminstrumente und Rohrleitungen beschädigen. Die richtige Auswahl von Ventilen, die Anpassung der Schließgeschwindigkeit, der Einbau von Drosseln oder Rückschlagklappen sowie weitere Anpassungen am System durch erfahrene Fachleute können Wasserschlag in den meisten Fällen verhindern.

Sie haben Probleme mit Wasserschlägen oder wollen sie vermeiden?

Die Fluidik-Experten von Bürkert beraten Sie in der Planungsphase und stehen Ihnen auch bei der Auswahl geeigneter Komponenten zu Seite.

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