Druckrohre im Wasserkraftwerks-Bau

Endlos-Rohre in beliebigem Durchmesser: Die FLOWTITE Wickelrohrtechnik

Glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) verfügt als Rohrwerkstoff über eine Reihe von Eigenschaften, die ihn zu einer wichtigen Werkstoffoption in Sachen Neubau und Sanierung von Wasser-Transportleitungen machen und zwar gleichermaßen für Freigefälle- wie für Druckleitungen. Dies sind:

• hohe Korrosions- und Abrasionsfestigkeit
• hohe Ringsteifigkeit
• sehr geringes Metergewicht auch bei Rohren großer Nennweite
• Baulängen, nur begrenzt durch Rohr-Transportmöglichkeiten
• schnelle und leichte Verarbeitung auch mit konventionellem Baugerät
• Kombination der GFK-Rohrleitungssysteme mit anderen bereits vorhandenen Rohrwerkstoffen
• praktisch unbegrenzt gestaltbare Sonderbauteile ("Spools") auf der Basis der GFK-Laminattechnik

Seit Produktionsstart Mitte 1994 hat sich das GFK-Wickelrohr der Marke FLOWTITE der Amitech Germany GmbH fest in den Märkten für Versorgungs- Entsorgung und Transportrohre etabliert. Das FLOWTITE -Rohrsystem basiert auf der Technologie des Rohrwickelns um eine "wandernde Form" für Nennweiten DN 300 bis DN 3000. Rohre der Nennweiten DN 100 bis DN 250 werden nach dem Prinzip des traditionellen Wickelns auf einen rotierenden Festkern produziert.

Zentrales Element des FLOWTITE- Know-how und verfahrenstypisches Merkmal der Wickelrohr-Herstellung ist die "wandernde" Wickelform. Sie besteht aus einem in Längsachse drehbaren, zylindrischen Käfig aus parallelen Aluminiumschienen. Dieser Käfig ist bündig umwunden von einem endlosen, flexiblen Stahlband. So entsteht eine kreisrunde Form mit glatter Oberfläche als eigentliche Wickelform. (Bild 1) Der Durchmesser dieser Wickelform kann nach Vorgabe durch die jeweils zu fertigenden Rohre stufenlos verändert werden. Das Stahlband sorgt für die Bewegung der Form, indem die Wicklung bei jeder Umdrehung über einen mechanischen Vorschub um eine Stahlbandbreite in Richtung Kernende bewegt wird. Am Ende des Käfigs läuft Band ab, wird innerhalb des Käfigs an den "Start" zurückgeführt, und dort neuerlich in die Oberfläche der Form eingebunden. So entsteht eine Wickelform, die zwar fest im Raum steht, deren Oberfläche jedoch in ständiger, exakt definierter Geschwindigkeit vorwärts "wandert".

Auf diesem Vorschub basiert der Wickelprozess. Die Materialkomponenten des Rohrs werden der rotierenden Form von außen radial zugeführt (Bild 2) und bewegen sich dann auf ihrer Oberfläche in Vorschubrichtung fort. In der Material-Applikationsstrecke werden endlose Glasfäden, geschnittene Glasfasern, ungesättigte Polyesterharze (für besondere Anwendungen ggf. Vinylesterharz) und inerter Füllstoff eingebracht. Werkstoffe, die im Wickelprozess zeitlich nacheinander zugegeben werden, finden sich deshalb im Querschnitt des Rohrs von innen nach außen wieder.

Jedem Rohrtyp entspricht eine eigene Maschineneinstellung und Materialkonfiguration; diese hängt von der gewünschten Druck- und Steifigkeitsklasse, von zu erwartenden chemischen und statischen Belastungen und nicht zuletzt vom speziellen, projektbezogenen Kundenwunsch ab. So können FLOWTITE Wickelrohre nach den individuellen Anforderungen des Einsatzfalles hergestellt werden. Nachdem das Rohr mit Verlassen der Applikationszone seine Designvorgaben erreicht hat, durchläuft es die Härtungsstrecke; hier wird durch koordinierte Zufuhr von Wärme in Kombination mit der exothermen Polymerisations-Reaktion des Harzes die Verfestigung des Laminates ausgelöst. Diese "organisierte" und daher absolut vollständige Polymerisation hat unter anderem eine wichtige Folge: FLOWTITE Rohre sind absolut trinkwassertauglich und daher auch für einen ökologisch unbedenklichen Wassertransport ideal.

Das völlig ausgehärtete Laminat verlässt die Wickelform und erreicht die computergesteuerte Säge. (Bild 3) Diese gibt dem Rohr die gewünschte Länge, ohne dass der Wickelprozess unterbrochen werden muss. Das können Standardmaße von 1m –, 3m –, 6m –, 12m oder 18 Metern oder beliebige, vom Kunden bestellte Sondermaße sein. Theoretisch könnten endlose Rohre gewickelt werden, jedoch sind Längen über 21 Meter meist rein transporttechnisch nicht mehr praktikabel. Nach dem Ablängen der Rohre sind diese schon einsatzbereit.

Alle als Druckrohr spezifizierten Rohre, und das ist im Wasserkraft-werksbau der Normalfall, werden nachfolgend in einer Drucktest-Maschine vollständig mit Wasser gefüllt, mit doppeltem Nenndruck belastet und einer Sichtkontrolle (Bild 4) unterzogen. So ist sichergestellt, dass nur zuverlässig dichte Rohre das Werk verlassen.

Der Wickelprozess bringt in zwei wichtigen Aspekten besondere Flexibilität mit sich: Zum einen lassen sich mit dieser Technik bei entsprechender Einstellung der Wickelform millimetergenaue Innen- und Außendurchmesser bis DN3000 fertigen. Gleiches gilt für die Nennweiten von Rohren; hier können nicht nur Standardmaße produziert werden, sondern alles, was im Einzelfalle an Zwischengrößen benötigt wird. Das bringt vor allem bei Sanierungsvorhaben Vorteile. So können Rohre genau dem an bautechnischen Zwangspunkten verfügbaren Platz angepasst werden – es ist quasi ein "bauwerksorientiertes Rohrdesign" möglich. Der Einbausituation auf der Baustelle Rechnung tragend, kann das Wickelrohr in allen beliebigen Wunschlängen geliefert werden.

In Transportleitungen von Wasserkraftwerken herrschen naturgemäß Druckrohr-Bedingungen. Das FLOWTITE System bietet nicht nur, wie oben ausgeführt, die erforderlichen Wandstärken, sondern vor allem unterschiedliche technische Varianten zugfester Rohrverbindungen für den Fall, dass konstruktiv keine Betonwiderlager vorgesehen sind.

– REKA-Kupplungen mit eingeschobenem Scherstab
– REKA-Kupplungen mit Injektionskupplung
– GFK-Laminatverbindung der Rohre

Ein wichtiger Pluspunkt des Rohrwerkstoffs GFK gerade im Wasserkraftwerks-Bau ist, dass mit ihm nicht nur Rohre, sondern auch beliebig gestaltete Sonderbauteile, die sogenannten "Spools", hergestellt werden können. Das geschieht in der Regel durch aneinander Fügen von unterschiedlichen GFK-Rohrsegmenten in Laminat-Verbindungstechnik: Es entsteht ein bedarfsgerecht designter Baukörper, in den -ein weiterer Systemvorteil- auch andere Werkstoffe eingebunden werden können. (Bild 5) Auf diese Weise werden problemlos Übergänge zu anderen Bauelementen geschaffen.

Klassische Spools sind Einstiege und Dome mit Flansch- oder anderen Verschlüssen, Zuläufe und Verzweigungen. Problemlos sind auch Dimensionswechsel gestaltbar. (Bild 6) Kurz gesagt: Alles, was an Bauelementen hydraulisch sinnvoll und notwendig ist, ist mit dem FLOWTITE System auch produktionstechnisch machbar.

GFK-Wickelrohr im Praxiseinsatz Kraftwerk Alpsteg/Brixlegg: Bauvorteile im Stollen

Zu den in jüngster Zeit in Österreich gebauten Wasserkraftwerks-Leitungen gehört die Druckrohrleitung DN 1300 des Kraftwerks Alpsteg/Brixlegg, das im Auftrag der Montanwerke Brixlegg errichtet wurde und auf Ausbauwassermenge von 2500 Liter pro Sekunde berechnet ist. Dieses strömt bei einer Fallhöhe von 58 Metern durch eine Druckleitung DN 1300 von der Druckkammer bis zum Krafthaus, wo die kinetische Energie in 1210 KW Turbinenleistung umgewandelt wird.

Mehr als ein Drittel der 920 Meter Leitungslänge ist dabei in einem Stollen verlegt und dort in GFK-Wickelrohr des FLOWTITE Systems ausgeführt. In dem 360 Meter langen Stollen wurden die Rohre mit Stahlbändern auf Edelstahl-Rohrsätteln fixiert. Unter den Einbaubedingungen im Stollen erwies sich der spezifisch leichte Rohrwerkstoff GFK einmal mehr als bautechnisch optimal: So konnten im Berg problemlos Einzelrohrlängen von 6 Metern installiert und durch REKA-Kupplungen verbunden werden.

WKA Kainischtraun: 3633 Meter DN 1800

Rund viermal so lang als die GFK-Leitung in Alpsteg, ist die FLOWTITE Druckrohrleitung des Kraftwerks Kainischtraun bei Bad Aussee im Salzkammergut, mit dessen Bau im Auftrag der Österreichischen Bundesforste im September 2008 begonnen wurde. Von der Wasserfassung Fischereizentrum Kainisch fließen pro Sekunde bis zu 5000 Liter über 82 Meter Fallhöhe zu den drei Turbinen, die bei 3,5 MW Leistung jährlich 12,5 GWh Strom erzeugen werden. Zwischen Wasserfassung und Turbinen liegt erdverlegt einer der bisher umfangreichsten Druckrohr-Aufträge für die ETERTEC GmbH und Co KG, die in Österreich die Produkte der Amitech Germany betreut: 3633 Meter GFK-Wickelrohr in der Nennweite DN 1800 auf Druckstufe PN 6 und PN 12 ausgelegt – eine der längsten GFK-Druckrohrleitungen Österreichs. (Bild 7) Die 6 bzw. 12 Meter langen Rohre sind durch REKA-Druckkupplungen verbunden. Hinzu kommen rund 40 nach Maß gefertigte Formstücke wie Bögen und T-Stücke.

Künsten am Schöderbach

Dass mit GFK-Wickelrohr sehr schnell gebaut werden kann, belegt das erfolgreich realisierte Projekt des Kraftwerks Künsten am Schöderbach. Hier wurden innerhalb von nur 6 Monaten rund 2650 Meter FLOWTITE Druckrohrleitung der Nennweite DN 900 (Druckstufen PN 6, 10 und 16) in schwierigem Gelände mit mehreren Straßen bzw- Bachquerungen verlegt. (Bild 8) Hinzu kamen 20 GFK-Formteile.

Märzenbach

Technologisch besonders interessant waren jene 1250 Meter GFK-Druckleitungen des FLOWTITE Systems, die beim Bau des Wasserkraftwerks Märzenbach installiert wurden. Da das Baugelände extrem schwer erreichbar ist und zudem schärfste Naturschutz-Restriktionen zu berücksichtigen waren, mussten sämtliches Baugerät und natürlich auch die Rohre mit einer Materialseilbahn zur Baustelle geschafft werden. Die Verlegung erfolgte in zwei Abschnitten: 390 Meter der Rohre in Druckstufen PN 6 und 10 wurden erdverlegt; für den Rest der Trasse trieb man unterirdisch 860 Meter Stahlbeton-Rohre vor; in diese wurden anschließend die GFK-Rohre als eigentliche Transportleitung im Relining-Verfahren eingeschoben und durch REKA-Kupplungen miteinander verbunden. Diese waren auf die Druckstufen PN 10, 16 und 20 ausgelegt. Als Sonderbauteile kamen 12 Bögen und ein Kontrollschacht-Bauwerk zum Einsatz.

Ertüchtigung des Wasserkraftwerks Imst

Das Kraftwerk Imst befindet sich seit 2006 im Besitz der WEB Wind Energie AG. Im Zuge der Sanierung und Erweiterung des Kraftwerks im Jahre 2008 mussten 749 Meter GFK-Rohr verlegt werden. Dabei kamen 374m Druckrohr DN 1600 / SN 5000 / PN 6 sowie ca. 375 m Druckrohr DN 1800 / SN 5000 / PN 6 zur Installation. Die Leitungen sorgen dafür, dass bis zu 5 m³ Wasser pro Sekunde eine Fallhöhe von 23 Metern überwinden. Die GFK-Druckleitung musste dabei durch dicht besiedeltes Gebiet verlegt werden. Außer den FLOWTITE Rohren selbst wurden 31 GFK-Sonderformteile einschließlich eines Übergangs auf eine Stahlrohrleitung eingebaut. (Bild 9)

Sanierung im Bestand: Wasserkraftwerk Gütle

Ein anspruchsvoller Fall von Sanierung im vorhandenen Gebäude-Bestand war die Erneuerung der Rohrleitungen des Wasserkraftwerks Gütle. Hier wurden 104 Meter Stahlleitungen DN 800 durch GFK-Wickelrohre der gleichen Nennweite ersetzt. Erschwert wurde das Vorhaben durch den Umstand, dass die vorhandene Leitung auf einem Betonwiderlager durch die Kellergeschosse eines örtlichen Rolls-Royce-Museums verläuft (Bild 10) und man somit unter extrem beengten Verhältnissen arbeiten musste. Auch hier zahlte sich letztlich die leichte Handhabbarkeit der GFK-Rohre aus. Die schwierige Örtlichkeit spiegelt sich auch in der Tatsache, dass auf "nur" 104 Meter Leitungslänge insgesamt 22 GFK-Formteile eingesetzt werden mussten.

GFK-Wickelrohr als "Casing": Das Feldsee-Projekt

Eines der wohl technologisch interessantesten Anwendungen von GFK-Wickelrohr der letzten Jahre fand 2008 beim Bau des Pumpspeicher-Kraftwerks Feldsee der Kärntner Elektrizitäts-Aktiengesellschaft (KELAG) statt. Der Kraftwerksneubau fand zwischen 2006 und 2008 im Bereich der Kraftwerksgruppe Fragant (Nordwest-Kärnten) statt. Zum System gehört unter anderem das Speicherbecken Feldsee, das 524 Meter über dem zugehörigen Krafthaus Feldsee und dem Speicherbecken Wurten liegt. Das Kraftwerk ist auf eine Leistung von 70 MW konzipiert; um diese bei Vollast zu realisieren, werden bis zu 17 Kubikmeter Wasser pro Sekunde erst lotrecht durch einen 450 Meter tiefen Betonschacht stürzen, um dann durch einen 1370 Meter langen Schrägstollen zum Krafthaus zu strömen. Stollen und Triebwasserleitung sollten nach den ursprünglichen Plänen durch eine durchgehende Stahlpanzerung gegen die aufliegenden Gebirgslasten gesichert werden. Wie sich bei den Ausschreibungen bald herausstellte, war das wirtschaftlich nicht realisierbar: Angesichts der exorbitanten Stahl-Weltmarktpreise drohte das gesamte Vorhaben ökonomisch zu scheitern. Also suchten die Planer intensiv nach technischen Alternativen zur Sicherung des Bauwerks, mir denen sich der Stahleinsatz reduzieren ließ. Den rettenden Lösungsansatz boten schließlich die exzellenten statischen Eigenschaften des Rohrwerkstoffs GFK. "Zufolge des im Vergleich zu Stahl deutlich kleineren E-Moduls nimmt dieser Werkstoff bei Zugbelastungen und mittlerem Gebirgsverhalten (V-Modul >4000 MPa) nur geringe Kräfte auf; im Falle von nicht erwarteten großen Gebirgsverformungen unter Innendruck ist er jedoch in der Lage, einen wesentlichen Teil dieses Drucks als Ringzugbelastung aufzunehmen." [ 1 ]. Die bis Ende 2008 tatsächlich realisierte Triebwasserleitung im Feldsee-Stollen sieht aufgrund dessen nun so aus: Ein GFK-Wickelrohr DN 2900 dient einerseits als Schalung ("Casing") für eine Beton-Verfüllung des Ringraums zur Stollenwand. Andererseits nimmt das GFK-Rohr nach innen hin ein vorgespanntes, passgenau gefertigtes Betonrohr als eigentliche Triebwasser-Transportleitung auf. (Bilder 11,12)

Die Doppelrolle des GFK-Rohrs im Einsatzbeispiel Feldsee zeigt eindrucksvoll, welches Potential an technisch kreativen Anwendungen dem GFK-Wickelrohr innewohnt. Zusammen mit der Möglichkeit, solche Rohre auch im Druckrohrbereich bis DN 3000 und in bedarfsgerechten Längen fertigen zu lassen, verspricht dies eine dynamische Entwicklung dieses modernen Rohrwerkstoffs speziell im Bereich der Wasserkraftanlagen.

Lückenloser Service als Bestandteil des Systems

Eine wesentliche Erklärung für den wachsenden Erfolg der GFK-Wickelrohre im österreichischen Wasserkraftwerksmarkt ist der lückenlose Begleitservice, mit dem Etertec den Vertrieb des FLOWTITE Systems flankiert. Das beginnt bei der umfassenden technischen Beratung durch die hauseigenen Service-Ingenieure, die neben der Ausschreibungsunterstützung auch die technische Entwicklung von Sonderausführungen und Alternativlösungen beinhaltet, und hört mit der Durchführung statischer Modellrechnungen für den Kunden keineswegs auf. Auch bei der technischen Ausführung der GFK-Baustellen wird der Kunde in keiner Phase allein gelassen. Nicht nur gründliche Einweisungen und ggf. Schulungen von Personal sind selbstverständliche Leistungen für den Kunden; wo nötig, werden von Etertec bzw. Amitech Germany auch auch Spezialisten auf die Baustelle geschickt, um bestimmte Leistungen fachgerecht durchzuführen, etwa vor Ort notwendige Laminierungsarbeiten. Und schließlich gehört auch die Überwachung von Qualitätsvorschriften durch Experten des Rohrherstellers zum Standard-Begleitservice "rund ums GFK-Wickelrohr". Amitech Germany-Geschäftsführer Thomas Stender bringt die FLOWTITE Erfolgsphilosophie kurz auf den Punkt: "Unser Service rund ums GFK-Wickelrohr ist eben genauso lückenlos wie unsere Produktpalette."

GFK-Rohre des Systems FLOWTITE von Amitech Germany, Mochau, weisen eine Reihe markanter Eigenschaften aus, die sie zu einem Idealen Werkstoff speziell für den Druckrohrleitungsbau machen. Das gilt vor allem unter bautechnisch schwierigen Bedingungen, wie sie im Wasserkraftwerkbau praktisch die Regel sind. Klassische Eigenschaften der FLOWTITE Wickelrohre von Amitech sind:

• hohe statische Belastbarkeit
• hohe Innendruckfestigkeit (Druckstufen PN 1 bis PN 32)
• geringe Wandstärke, gemessen an statischen Leistungsdaten
• zugfeste Kupplungssysteme
• geringes Metergewicht
• einfaches Handling mit konventionellem Baugerät
• schnelle Bauabwicklung durch einfache Verlegung (Bild13)
• passgenaue Maßfertigung von Wandstärken sowie Innen- und Außendurchmessern nach Bedarf
• Fertigung beliebiger Rohrlängen (3,6,12 m und Zwischenmaße)
• werkseitige Qualitätssicherung jedes einzelnen Rohrs
• minimaler Verschleiß, lange Lebensdauer
• Systemkonforme GFK-Sonderbauteile und Spools beliebiger Art und Geometrie, problemlose Übergänge zu anderen Werkstoffen
• Nennweiten bis DN 3000 lieferbar
• umfassendes Servicepaket des Anbieters in allen Projektphasen

[1]: Nackler, K. , Heigerth, G. :
Optimierung von Wasserkraftwerken – die Einbindung einer neuen Pumpspeicheranlage in eine bestehende Kraftwerksgruppe mittels innovativer Ausbautechnik – "Das Projekt Feldsee" in: Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 5/6 2007, Seite 55 ff.