Druckstoß

Strömendes Medium hat Bewegungsenergie. Wird es plötzlich abgebremst oder beschleunigt – durch eine schließende Armatur, eine ausfallende Pumpe, eine zuschlagende Rückschlagklappe –, wandelt sich diese Energie in Druck um. Die Druckänderung läuft als Welle mit Schallgeschwindigkeit durch die Leitung und wird an Behältern, Abzweigen und geschlossenen Enden reflektiert.

Druckstoß ist der Oberbegriff für solche Vorgänge. In Flüssigkeitsleitungen spricht man auch vom Wasserschlag; in Dampfleitungen können Kondensatpfropfen ähnlich heftige Schläge auslösen.

Die Höhe des Druckstoßes bei schlagartiger Geschwindigkeitsänderung beschreibt die Joukowsky-Gleichung: Δp = ρ · a · Δv. Darin ist ρ die Dichte des Mediums, a die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit in der Leitung und Δv die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit.

Ein Beispiel: Wasser mit 1000 kg/m³, eine Wellengeschwindigkeit von 1000 m/s und eine Geschwindigkeitsänderung von 2 m/s ergeben 2.000.000 Pa – also 20 bar zusätzlich zum Betriebsdruck. Die Wellengeschwindigkeit hängt von Medium, Rohrwerkstoff und Wanddicke ab; in Stahlleitungen mit Wasser liegt sie in der Größenordnung von 1000 m/s, in Kunststoffleitungen deutlich darunter.

Ob der volle Joukowsky-Stoß auftritt, hängt von der Schließzeit ab. Die Druckwelle läuft von der Armatur zum nächsten Reflexionspunkt und zurück; dafür braucht sie die Reflexionszeit 2 · L / a, mit L als Leitungslänge. Schließt die Armatur schneller, entsteht der volle Stoß. Schließt sie deutlich langsamer, entlastet die zurückkehrende Welle bereits, während noch geschlossen wird.

Lange Leitungen sind deshalb empfindlicher als kurze: Eine Schließzeit, die auf zwanzig Metern harmlos ist, kann auf zwei Kilometern den vollen Stoß auslösen.

Die Druckspitze belastet die Rohrwand – das ist der offensichtliche Teil. Der gefährlichere ist oft die Kraft auf die Leitung selbst: Solange die Welle einen geraden Abschnitt zwischen zwei Bögen durchläuft, herrscht an beiden Enden unterschiedlicher Druck. Die Differenz wirkt als unausgeglichene Kraft in Rohrachse, verschiebt die Leitung und belastet Halterungen und Festpunkte.

Nachgewiesen wird das in zwei Schritten: Eine strömungstechnische Berechnung liefert den Druckverlauf über die Zeit, eine dynamische Strukturberechnung daraus Spannungen und Halterungslasten.

Die wirksamste Maßnahme setzt an der Ursache an, nicht an den Folgen.