Prüfung einer einzelnen Schweißnaht und Dichtheitsprüfung der gesamten Anlage
Die nach Abschluss der Montage durchgeführte Dichtheitsprüfung dient dazu, das Verhalten des gesamten Rohrleitungsabschnitts unter Druck zu überprüfen. Dieser Test deckt Undichtigkeiten an Verbindungsstellen, Flanschen oder Dichtungen auf, sagt jedoch wenig über die Materialstruktur innerhalb einer einzelnen Schweißnaht aus. Eine Schweißnaht kann die Druckprüfung bestehen und dennoch innere Mängel aufweisen, die sich erst nach Monaten oder Jahren des Betriebs unter dem Einfluss von Materialermüdung oder langanhaltender Belastung zeigen.
Die Verbindung selbst wird mit Methoden untersucht, die in zwei Gruppen unterteilt sind: zerstörende Verfahren, bei denen die Probe während der Messung dauerhaft beschädigt oder zerlegt wird, und zerstörungsfreie Verfahren, mit denen sich ihr Zustand ohne Eingriff in die Struktur überprüfen lässt. Die Wahl der Technik hängt von der jeweiligen Arbeitsphase ab und davon, welches Maß an Sicherheit hinsichtlich der Ausführungsqualität in der jeweiligen Situation erforderlich ist.
Die Sichtprüfung als erster Schritt der Kontrolle
Die Sichtprüfung ist eine Untersuchung, die an jeder Schweißnaht durchgeführt wird, unabhängig davon, ob weitere Prüfungen geplant sind. Die Grundsätze dieser Prüfung sind in der Norm PN-EN 13100-1 beschrieben, die die Prüfung von Verbindungen in Halbzeugen aus thermoplastischen Kunststoffen durch Sichtprüfung regelt. Bei einer Stossschweissnaht wird vor allem die Form des am Rohrumfang entstehenden Schweisswulstes geprüft.
Ein korrekt geformter Ausguss bildet zwei nahe beieinander liegende Wülste, die gleichmäßig über den gesamten Umfang der Verbindung verteilt sind. Der Unterschied zwischen der maximalen und der minimalen Breite der Ausgussnaht sollte etwa 20% des Mittelwerts nicht überschreiten, und der Versatz der Achsen der zu verbindenden Elemente sollte 10% der Rohrwandstärke nicht betragen. Die Nut zwischen den Wülsten sollte über die Außenfläche des Rohrs hinausragen – wenn sie darunter liegt, kann dies auf einen zu geringen Anpressdruck oder eine falsche Temperatur der Heizplatte hindeuten.
Die Sichtprüfung hat ihre Grenzen. Sie ermöglicht es zwar, geometrische Fehler und sichtbare Unregelmäßigkeiten zu erkennen, übersieht jedoch Verunreinigungen im Inneren der Schweißnaht sowie lokale Bereiche mit unzureichender Durchschmelzung. Im Zweifelsfall sieht die industrielle Praxis vor, den äußeren Schweißüberlauf abzuschneiden und ihn einer zusätzlichen Biege- oder Torsionsprüfung zu unterziehen.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren – Ultraschall und Röntgenstrahlung
Die Sichtprüfung ist jedoch nicht alles, was die Norm PN-EN 13100 umfasst. Sie beschreibt auch die radiografische Prüfung mit Röntgenstrahlung (Teil 2), die Ultraschallprüfung (Teil 3) sowie Hochspannungsprüfungen (Teil 4), die hauptsächlich zur Überprüfung der Isolierung des Widerstandsdrahts in Elektroheizformstücken eingesetzt werden. Alle diese Verfahren ermöglichen es, das Innere der Schweißnaht zu beurteilen, ohne die Verbindung zu beschädigen.
Bei der Röntgenprüfung wird ein Bild der durchleuchteten Verbindung auf Film oder in digitaler Form aufgezeichnet, wodurch Risse, Poren oder Bereiche mit mangelnder Durchschmelzung im Inneren des Materials erkannt werden können. Bei der Ultraschallprüfung wird eine Schallwelle in das Material eingeleitet – die Welle wird von Unregelmäßigkeiten reflektiert und kehrt zum Messkopf zurück, woraufhin das Messergebnis auf dem Bildschirm des Fehlerdetektors angezeigt wird.
Beide Verfahren haben in Polen eine längere Tradition bei Stahlverbindungen als bei Polyethylen-Rohrleitungen. Die inhomogene Struktur des Kunststoffs und die geringen akustischen Unterschiede zwischen dem Grundmaterial und der Schweißzone erschweren eine eindeutige Interpretation der Ergebnisse, weshalb diese Untersuchungen häufiger in spezialisierten Labors und im Rahmen von Unfallanalysen durchgeführt werden als bei der routinemäßigen Abnahme von Bauleistungen. Forschungsinstitute führen jedoch systematische Tests zur Eignung von Röntgen- und Ultraschallverfahren auch für Kunststoffverbindungen durch, was den Umfang ihrer praktischen Anwendung schrittweise erweitert.
Biege- und Zugversuch
Der Biegeversuch ist in der Norm PN-EN 12814-1 beschrieben. Die Schweißnahtprobe wird auf zwei in einem bestimmten Abstand voneinander angeordneten Stützen platziert und anschließend mit konstanter Geschwindigkeit belastet, ohne dass die Biegerichtung während der Messung verändert wird. Dieses Verfahren wird vor allem bei Stumpfverbindungen angewendet, deren flacher, symmetrischer Querschnitt eine solche Anordnung des Prüfstücks erleichtert – Elektroschweißformstücke werden aufgrund ihrer komplexeren Geometrie in der Regel mit einem anderen Verfahren geprüft, das im weiteren Verlauf des Textes beschrieben wird. Das Ergebnis zeigt, ob die Verbindung innerhalb oder außerhalb der Schweißnaht bricht – ein Bruch außerhalb der Schweißzone deutet in der Regel auf eine korrekt ausgeführte Verbindung hin.
Der Zugversuch ist in der Norm PN-EN 12814-2 beschrieben. Dabei wird das Bauteil auf einer Prüfmaschine axial belastet, bis es bricht. Anhand der Messung lassen sich die Festigkeit der Verbindung sowie die Bruchstelle bestimmen. Bei niedrigen Temperaturen kommt die in Teil 6 derselben Norm beschriebene Variante zur Anwendung, bei Bauteilen mit Verjüngung Teil 7. Die Normenreihe PN-EN 12814 umfasst auch die Kriechprüfung der Verbindung (Teil 3), die bei der laufenden Kontrolle seltener zum Einsatz kommt, da sie bis zu mehreren Dutzend Stunden dauert. Die Ergebnisse der Biege- und Zugversuche werden mit den Anforderungen des Materialherstellers oder den Ergebnissen früherer Schweißverbindungen verglichen, die auf derselben Anlage hergestellt wurden.
Abziehversuch an Elektroschweißverbindungen
Bei elektroschweißbaren Formstücken wird zusätzlich die in der Norm PN-EN 12814-4 beschriebene Abziehprüfung durchgeführt. Dabei werden mehrere Varianten unterschieden: die T-Abziehprüfung, die Dekohäsionsprüfung und die Quetschprüfung. Mit dieser Methode lässt sich die Qualität der Verbindung zwischen Formstück und Rohr bestimmen und es können Bereiche erkannt werden, in denen das Material nicht vollständig verschmolzen ist.
Die Auswertung des Ergebnisses basiert auf der Beobachtung der Art des Bruchs. Die Trennfläche sollte ein gleichmäßiges, faseriges Erscheinungsbild aufweisen, ohne glatte, glänzende Bereiche, die auf eine mangelnde Durchmischung des Materials hindeuten. Das Ergebnis wird unmittelbar nach Durchführung des Versuchs abgelesen, ohne dass eine zusätzliche mechanische Bearbeitung oder die Vorbereitung eines Querschnitts erforderlich ist.
Makroskopische Untersuchung des Querschnitts
Die in der Norm PN-EN 12814-5 festgelegte makroskopische Prüfung besteht darin, die Schweißnahtprobe zu durchtrennen und den Querschnitt auf Risse, Einschlüsse, Poren oder Bereiche mit mangelnder Durchschmelzung zu untersuchen. Dieses Verfahren zeigt die Materialstruktur an Stellen, die bei einer äußeren Sichtprüfung nicht zugänglich sind, weshalb es häufig zusammen mit einem Biege- oder Schälversuch durchgeführt wird, um das Ergebnis durch ein Bild des Inneren der Verbindung zu ergänzen.
Klassifizierung von Fehlern an Schweißverbindungen
Die Ergebnisse der einzelnen Prüfungen beziehen sich auf die in der Norm PN-EN 14728 enthaltene Klassifizierung, die die Arten von Abweichungen bei geschweißten und heißverschweißten Verbindungen aus thermoplastischen Kunststoffen beschreibt. Die Norm klassifiziert Abweichungen wie Achsversatz der Rohre, unregelmäßige Schweißnaht, Poren oder Bereiche mit mangelnder Einschmelzung und ordnet ihnen je nach Verwendungszweck der Rohrleitung bestimmte Toleranzstufen zu. Das Ergebnis einer zerstörenden oder zerstörungsfreien Prüfung wird somit mit einem konkreten Annahmekriterium abgeglichen, das unabhängig von der Erfahrung des Ausführenden festgelegt wurde.
Wann werden zerstörende Prüfungen in der Praxis angewendet?
Die tatsächlich auf der Baustelle hergestellten Schweißnähte werden selten einer zerstörenden Prüfung unterzogen, da die Zerstörung der Probe die Entfernung eines Teils der in Betrieb befindlichen Anlage bedeutet. Zerstörungsprüfungen werden hauptsächlich an Referenzproben durchgeführt – an Testschweißnähten, die parallel mit denselben Geräteeinstellungen, demselben Material und unter ähnlichen Umgebungsbedingungen hergestellt wurden. Das gleiche Verfahren wird bei Qualifikationsprüfungen für Schweißmaschinenbediener sowie bei der Abnahme neuer Geräte angewendet, wobei die Testprobe die Prüfung eines tatsächlichen Netzabschnitts ersetzt.
Ein Fehlschlag der Referenzprobe bedeutet, dass die Parameter vor der Fortsetzung der Arbeiten korrigiert werden müssen und – je nach dem angewandten Verfahren – auch eine erneute Überprüfung der seit dem letzten positiven Ergebnis hergestellten Schweißnähte erforderlich ist. Bei Verdacht auf einen Schweißnahtfehler oder nach einem Ausfall einer in Betrieb befindlichen Rohrleitung wird ein Abschnitt, der die Verbindung umfasst, herausgeschnitten und an ein Labor weitergeleitet, wo eine vollständige Reihe von Prüfungen durchgeführt wird – von der makroskopischen Untersuchung bis hin zur Zugprüfung.
FAQ:
Wird jede auf der Baustelle hergestellte Schweißnaht einer zerstörenden Prüfung unterzogen?
Schweißnähte, die in eine fertige Rohrleitung eingebaut sind, werden nur in Ausnahmefällen solchen Prüfungen unterzogen – bei der Aufklärung von Störungsursachen oder im Rahmen einer vom Auftraggeber in Auftrag gegebenen Stichprobenkontrolle, bei der ein zusätzlicher Rohrabschnitt noch vor dem Verfüllen der Baugrube herausgeschnitten wird. In allen anderen Fällen wird die Qualität des Schweißprozesses dadurch bestätigt, dass die Parameter der Referenzprobe mit den bei den tatsächlichen Schweißnähten verwendeten Einstellungen übereinstimmen, was in der laufenden Schweißdokumentation festgehalten wird.
Wie oft werden Referenzproben für zerstörende Prüfungen vorbereitet?
Die Häufigkeit hängt von den Anforderungen des Bauvorhabens, den Vorgaben des Bauherrn sowie den Qualitätsverfahren des Auftragnehmers ab. In der Praxis werden Referenzproben häufig vor Beginn der eigentlichen Arbeiten sowie nach jeder wesentlichen Änderung des Materials, der Schweißparameter oder der Anlage und nach einem Wechsel des Schweißmaschinenbedieners angefertigt. Der Umfang einer solchen Kontrolle wird durch die Projektanforderungen oder interne Qualitätsverfahren festgelegt. Bei kleineren Projekten werden zerstörende Prüfungen in der Regel seltener durchgeführt, während die Kontrolle im Wesentlichen auf Sichtprüfungen und anderen in der festgelegten Vorgehensweise vorgesehenen Methoden basiert.
Werden Ultraschall- und Röntgenuntersuchungen bei PE-Rohren allgemein eingesetzt?
Sie gehören nicht zu den Routineuntersuchungen, vor allem aufgrund der Kosten für die Ausrüstung und des Zeitaufwands für die Durchführung der Messung unter Baustellenbedingungen, wo eine einfachere Sichtprüfung und zerstörende Prüfungen wesentlich schneller zu einem Ergebnis führen. Die Auswertung von Ultraschall- oder Röntgenbildern erfordert zudem einen Spezialisten, der mit den Besonderheiten von Kunststoffen vertraut ist, da die Standardauswertungskriterien ursprünglich für Metalle entwickelt wurden. Aus diesen Gründen werden beide Methoden häufiger für Forschungs- und Analysezwecke als für die tägliche Abnahme von Anlagen eingesetzt.
Wer darf zerstörende Prüfungen an Schweißverbindungen durchführen?
Zerstörende Prüfungen, wie Biege-, Zug- oder Schälversuche, werden von Laboren durchgeführt, die über die entsprechende Ausrüstung verfügen und Verfahren anwenden, die den Normen der Reihe PN-EN 12814 entsprechen. Dabei kann es sich um Labore handeln, die bei technischen Überwachungsstellen, Forschungsinstituten, Zertifizierungsstellen oder Unternehmen tätig sind, die Materialprüfungen durchführen. Bei Bauvorhaben, die eine unabhängige Bewertung erfordern, werden die Prüfungen von akkreditierten Laboren durchgeführt, die in den Unterlagen oder vom Bauherrn benannt sind.
Was bedeutet es, wenn die Probe bei einem Biegeversuch außerhalb des Schweißbereichs bricht?
Ein solcher Rissverlauf bedeutet, dass die Schweißnaht einer höheren Belastung standgehalten hat als das sie umgebende Grundmaterial des Rohrs, was als positives Ergebnis gewertet wird. Ein Riss, der genau entlang der Schweißnaht verläuft, deutet hingegen auf eine Schwächung an der Verbindungsstelle hin, was in der Regel mit einer falschen Temperatur, einer Verunreinigung der Oberfläche oder einer zu kurzen Aufheizzeit zusammenhängt. Die Bruchstelle der Probe wird im Prüfprotokoll als einer der Parameter zur Qualitätskontrolle des technologischen Prozesses vermerkt.
