DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Die Wasserstoff-Methode zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung in Anlagenbau und Petrochemie.

Dipl. Ing. Matthias Block, Sensistor Technologies GmbH, Mühlheim am Main
E-mail: matthias.block@sensistor-technologies.de
Dipl. Ing. Werner Thom-Kallen, Veba Öl Verarbeitungs GmbH, Gelsenkirchen
E-mail: werner.thom-kallen@vvg.vorp.de
Kontakt: Block Matthias Dipl.-Ing.

Zusammenfassung

Anlagenbau und Petrochemie stellen, nicht zuletzt wegen der TA-Luft, besondere Anforderungen bezüglich der sicheren, schnellen und einfachen Lecksuche und Dichtheitsprüfung. Je nach Prüfaufgabe können auf Basis der Wasserstoff-Methode bessere und preiswertere Lösungen erzielt werden, als dies mit anderen Prüfgasen möglich ist. Denn Wasserstoff ist für diese Anwendungen wegen seiner physikalischen Eigenschaften besonders geeignet. Seine Molekulargeschwindigkeit ist größer und seine Viskosität ist geringer als die von irgendeinem anderen Gas. Wasserstoff ist einfacher als andere Prüfgase in Komponenten und Anlagen einzubringen, er vermischt sich schneller mit Luft und anderen Gasen, er hat eine höhere Leckagerate, und er ist wesentlich einfacher auszulüften.

Ein Unternehmen der petrochemischen Industrie hat wasserstoffhaltiges Prüfgas in verschiedenen Anwendungen eingesetzt. Im wesentlichen wurde ein preiswertes Standardgemisch aus 95% Stickstoff und 5 % Wasserstoff (Formiergas) verwandt. Diese Mischung ist umweltfreundlich, nachhaltig, ungiftig, nicht brennbar und nicht korrosiv. Die Messungen wurden mit selektiven Wasserstoff-Lecksuchgeräten durchgeführt. Die Detektion erfolgt über ein Halbleitersensorelement, das selektiv nur auf Wasserstoff anspricht. Die Hintergrundkonzentration von Wasserstoff in der Umgebungsluft ist mit 0,5 ppm sehr gering, so dass Leckageraten bis zu 5´10 -7 mbarl/s nachgewiesen werden können. Bei der Lokalisation wird das Sensorelement in einem Messkopf direkt an die potenziellen Leckstellen geführt. In den Lecksuchgeräten gibt es keine wartungsintensiven Komponenten wie Pumpen oder Filter. Die Geräte sind kompakt, handlich und netzunabhängig und eignen sich daher auch gut für den mobilen Einsatz.

Teilweise wurden auch vergleichende Messungen mit anderen Prüfgasen durchgeführt. Ergebnisse aus der Prüfung von Komponenten wie z.B. Flanschverbindungen, Armaturen und Wärmetauschern werden ebenso vorgestellt wie die Ergebnisse aus der Dichtheitsprüfung an einer petrochemischen Anlage. Schließlich wird gezeigt, dass der Einsatz der Wasserstoff-Methode den Anforderungen der TA-Luft genügt.

Wasserstoff als Prüfgas

Wasserstoff besitzt einige Eigenschaften, die ihn als Prüfgas auszeichnen. Er hat eine sehr geringe Viskosität, und die Hintergrundkonzentration in der Umgebungsluft ist sehr gering. Zur Lecksuche und Dichtheitsprüfung wird bei der Wasserstoff-Methode üblicherweise ein Standardgemisch aus Stickstoff und Wasserstoff (Formiergas) in der Zusammensetzung von 5% Wasserstoff (H2) und 95% Stickstoff (N2) verwendet. Dieses Gemisch ist entsprechend internationalen Normen (ISO 10156) als nicht brennbar klassifiziert. Damit bestehen beim Einsatz dieses Gasgemischs keine Sicherheitsrisiken. Das Gemisch wird hauptsächlich als Schutzgas bei Schweiß- und Lötprozessen verwendet. Es ist bei Lieferanten von technischen Gasen in der Regel ab Lager in 200 bar bzw. 300 bar Druckgasflaschen verfügbar und kostet nur einen Bruchteil von Helium. Gerade in letzter Zeit ist der Preis von Helium wegen der erhöhten Nachfrage deutlich gestiegen. Da die weltweiten Heliumvorräte begrenzt sind, ist hier von einem weiteren Anstieg des Preises auszugehen. Wasserstoff hingegen wird wegen seiner zunehmenden Verwendung als Energieträger immer preiswerter angeboten. Wasserstoff ist im Gegensatz zu Helium eine erneuerbare Ressource, was besonders im Hinblick auf ein Umweltaudit nach ISO 14001 von Interesse ist. Weiterhin ist er ungiftig und nicht korrosiv. Die Unterschiede in den physikalischen Daten zwischen Helium und Wasserstoff führen auch zu einigen Unterschieden und Vorteilen im praktischen Einsatz. Wasserstoff breitet sich deutlich schneller aus. Dieser Effekt trägt dazu bei, dass bereits nach kurzer Zeit im Inneren eines Prüfteils eine gleichmäßige Konzentration erreicht ist. In der Regel muss das Prüfteil dazu vorab nicht evakuiert werden. Probleme, die durch eine erhöhte Hintergrundkonzentration ("Verseuchung") entstehen, sind bei Wasserstoff sehr viel geringer. Zudem haftet Wasserstoff nicht an Oberflächen und lässt sich deutlich schneller auslüften. Zusammenfassend kann man Wasserstoff als das ideale Prüfgas bezeichnen.

Wasserstoff-Lecksuchgerät

Wir haben gesehen, warum Wasserstoff als Prüfgas sehr gut geeignet ist. Für die Wasserstoff-Methode ist aber auch ein Lecksuchgerät mit entsprechendem Messbereich und hoher Selektivität notwendig.

Das hier eingesetzte Lecksuchgerät (Abb. 1) basiert auf einem Halbleitersensor, der ähnlich einem Feldeffekttransistor aufgebaut ist. An der Oberfläche des Sensorelements lagern sich Wasserstoffmoleküle an, die dort zu Wasserstoffionen (Protonen) dissoziieren. Diese können durch die Gitterstruktur des Sensorelements hindurchtreten und verursachen damit eine Änderung eines elektrischen Felds. Das dadurch entstehende elektrische Signal wird über eine geeignete Signalverarbeitungskette aufbereitet und am Lecksuchgerät angezeigt. Das Sensorelement spricht selektiv auf Wasserstoff an, die Nachweisgrenze wird durch die natürliche Wasserstoff-Hintergundkonzentration in Luft (0,5 ppm) bestimmt. Zur Messung wird das in die Messkopfspitze integrierte Sensorelement direkt an das Leck gebracht. Es sind daher keine Pumpen notwendig, um das Gas in das Gerät einzusaugen. Das Sensorelement ist mit dem Lecksuchgerät nur über ein Kabel verbunden. Deshalb sind auch keine Filter und andere wartungsintensive Komponenten notwendig. Ein weiterer positiver Effekt der direkten Messung ist eine unabhängig von der Kabellänge sehr kurze Ansprechzeit und eine ebenfalls kurze Erholdauer. Zur Anpassung an unterschiedliche Leckageraten wird die Empfindlichkeit über einfachen Tastendruck schrittweise in einen Bereich von 1 zu 4.000 an die aktuelle Messaufgabe angepasst.


Abb 1: Wasserstoff-Lecksuchgerät H2000 Quelle: Sensistor Technologies GmbH.

Die Geräte sind robust aufgebaut und einfach zu bedienen. Damit eignen sie sich besonders für den Einsatz in industrieller Umgebung. Die Kalibrierung kann vom Bediener über ein Kalibriergas schnell und einfach durchgeführt werden. Bei jedem Kalibriervorgang wird der aktuelle Status des Sensorelements angezeigt. Alternativ kann die Kalibrierung auch über ein Testleck (Abb. 2) erfolgen. Mit einer akkubetriebenen Variante des Lecksuchgeräts ist der netzunabhängige Einsatz über mehrere Stunden möglich.


Abb 2: Zertifiziertes Testleck zur Kalibrierung Quelle: Sensistor Technologies GmbH.

Verfahren

In Abhängigkeit von der Prüfaufgabe werden bei der Wasserstoff-Methode in der Praxis im wesentlichen zwei Verfahren eingesetzt.

Lokalisierung

Diese Art der Messung wird häufig auch als Schnüffelprüfung (siehe DIN EN 1779, Verfahren B4) bezeichnet. Im genauen Sinn trifft dies hier nicht zu, da zur Messung kein Prüfgas angesaugt werden muss. Bei der Verwendung von Formiergas 95/5 liegt die Nachweisgrenze für die Leckagerate bei 5´10-7 mbarl/s. Im Bereich der Wasserstofftechnologie wird - bei entsprechenden Sicherheitseinrichtungen - teilweise auch mit höheren Konzentrationen oder auch mit reinem Wasserstoff gearbeitet. Die Nachweisgrenze verschiebt sich dadurch entsprechend der Konzentration hin zu kleineren Leckageraten.

Überdruckverfahren

Wie bei der Lokalisierung wird das Prüfteil mit dem Prüfgas befüllt. In einem um das Prüfteil geschaffenen Kontrollvolumen wird der Anstieg der Wasserstoffkonzentration gemessen. Die Messdauer hängt von der zulässigen Grenzleckrate und der Größe des Kontrollvolumens ab. Als Kontrollvolumen dient je nach Anwendung eine flexible Hülle oder eine feste Kammer (Verfahren B3 nach DIN EN 1779).

Anwendungsbeispiele:

1. Turnusmäßige Überholung einer petrochemischen Anlage.
An einem Hydrocracker waren im Rahmen von geplanten Wartungsarbeiten mehre hundert Flanschverbindungen auf Dichtheit zu überprüfen. Man hat dazu Kontrollvolumina um die Flansche geschaffen, indem sie mit einem Klebeband mit geringer Permeationsrate für Wasserstoff abgeklebt wurden (Abb. 3).


Abb 3: Schematischer Aufbau eines Flansch mit Kontrollvolumen.

Die Messung erfolgte mittels eines mobilen, akkubetriebenen Wasserstoff-Lecksuchgeräts. (Abb. 4). Vorteile gegenüber der Verwendung von Helium und einem Massenspektrometer ergeben sich aus der handlichen und mobilen Ausführung der Messgeräte, der einfacheren Bedienung und aus der geringen Anfälligkeit gegenüber eventuell vorhandenen Groblecks. Die Prüfgaskosten sind im Vergleich zu Helium deutlich geringer, und es sind betriebsbegleitende Messungen möglich.

Abb 4: Durchführung der Dichtheitsprüfung an Flanschdichtungen einer petrochemischen Anlage, Quelle: Veba Öl Verarbeitungs GmbH.

2. Vergleichende Messungen zwischen Helium und Wasserstoff
Der TÜV Süddeutschland hat eine Versuchsreihe zur Bestimmung von Leckageraten an Dichtungen durchgeführt. Man hat dazu zwei in der Praxis häufig vorkommende Dichtsysteme, einen Kugelhahn und eine Flanschdichtung, gewählt. Es wurden vergleichende Messungen mit Helium und einem Massenspektrometer sowie mit Wasserstoff und einem Wasserstoff-Lecksuchgerät (Abb. 1) durchgeführt. Die gemessenen Leckageraten sind in Tabelle 1 dargestellt. Die Angabe der Leckagerate erfolgt analog zur VDI 2440 in einer auf die Dichtungslänge bezogenen Einheit. Es zeigt sich, dass die Messwerte unabhängig vom verwendeten Prüfgas und Leckdetektor sind. Die Abweichungen zwischen den gemessenen Werten liegen im Rahmen der Messgenauigkeit der verwendeten Geräte und können daher vernachlässigt werden. Dieses Resultat hat den TÜV Süddeutschland dazu veranlasst, das Wasserstoff-Lecksuchgerät vom Typ H2000 für Messungen auf Basis der TA-Luft zu zertifizieren.

  PTFE Flachdichtung Armatur BBTKV-FS
Helium Massenspektrometer 5,7 ´ 10-5 mbar ´ l / [s ´ m] 5,2 ´ 10-5 mbar ´ l / [s ´ m]
Formiergas 95/5 H2000 5,4 ´ 10-5 mbar ´ l / [s ´ m] 5,6´ 10-5 mbar ´ l / [s ´ m]
Tabelle 1: Ergebnisse der vergleichenden Messungen Quelle: Untersuchungsbericht Nr. 116047 TÜV Süddeutschland Alle Messungen erfolgten bei einem Überdruck von 10 bar Verfahren B3 Nach DIN EN 1779.

3. Unzugängliche Bereiche
Im Gegensatz zu den beiden vorangegangenen Beispielen ist heier vor Beginn der Messungen bekannt, dass ein Leck vorhanden ist. Die Aufgabenstellung lautet deshalb, Lecks mit möglichst geringem Aufwand genau zu lokalisieren. In der Praxis treten im wesentlichen zwei unterschiedliche Typen von Anwendungsfällen auf:

Unterirdisch verlegte Kabel und Rohrleitungen

Unterirdisch verlegte Systeme werden mit dem Prüfgas befüllt. Nach einer Wartezeit, die im wesentlichen von der Bodenbeschaffenheit und dem Oberflächenaufbau abhängt, kann mit der Lecksuche begonnen werden. Dazu werden spezielle Leckortungsgeräte eingesetzt, die mit einem Messkopf in Art eines Spazierstocks ausgerüstet sind (Abb. 5). Neben der Leckortung an im Freien verlegten Leitungen wird dieses Verfahren auch zur Leckortung im Gebäudebereich eingesetzt. Dabei werden sowohl Leckagen an Wasser- und Heizungssystemen als auch an Flachdächern geortet.


Abb 5:
Leckortung an unterirdisch verlegten Systemen - schematisch und in der praktischen Durchführung.

Abb 6: Kanalmesskopf zur Leckortung in Doppelrohrleitungen Quelle. Sensistor Technologies GmbH.

Doppelmantelrohre

Für einige Medien ist die Verwendung von Doppelmantelsystemen vorgeschrieben. Dies gilt z.B. für unterirdisch verlegte Kraftstoffleitungen oder für oberirdisch verlegte Leitungen, die betriebsmäßig toxische Stoffe enthalten. Der äußere Mantel ist als Überwachungsraum ausgebildet. Bei einer Leckage tritt das Medium aus der inneren Leitung in den Überwachungsraum. Damit wird zwar das Vorhandensein einer Leckage angezeigt, über den Ort kann jedoch keine Aussage gemacht werden. Zur Leckortung wird der Überwachungsraum mit Formiergas gefüllt und es wird ein spezieller Messkopf (Abb. 6) in die zuvor entleerte Medienleitung eingeführt. Der Messkopf besteht aus einer flexiblen Glasfiberstange, an deren Spitze das eigentliche Sensorelement sitzt. Über eine Längenmessvorrichtung wird die exakte Position des Lecks bestimmt . Dabei wird zur genauen Ortung in der Medienleitung über einen Ventilator eine definierte Durchströmung erzeugt.

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