Wasserschlag

Eine strömende Flüssigkeitssäule hat Schwung. Schließt eine Armatur schnell, wird die Flüssigkeit unmittelbar davor angehalten, während die Säule dahinter noch nachdrängt. Die Bewegungsenergie wird zu Druck. Die Druckerhöhung läuft als Welle mit Schallgeschwindigkeit gegen die Strömungsrichtung durch die Leitung, wird am nächsten Behälter zurückgeworfen und pendelt, bis die Reibung sie aufgezehrt hat.

Hinter der Armatur geschieht das Gegenteil: Die Flüssigkeit läuft weiter, der Druck fällt. Hörbar ist der Vorgang als Schlag – daher der Name.

Die Höhe des Druckanstiegs bei plötzlicher Geschwindigkeitsänderung gibt die Joukowsky-Gleichung an:

Δp = ρ · a · Δv

Darin ist ρ die Dichte der Flüssigkeit, a die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Druckwelle und Δv die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit. Für Wasser in Stahlrohren liegt a in der Größenordnung von 1000 m/s und darüber; sie sinkt mit der Nachgiebigkeit der Rohrwand und ist in Kunststoffrohren deutlich kleiner.

Ein Beispiel: Wasser, a = 1200 m/s, Strömung von 2 m/s auf null gebremst. Der Druckanstieg beträgt 1000 · 1200 · 2 = 2,4 · 10⁶ Pa, also 24 bar – zusätzlich zum Betriebsdruck und unabhängig davon, wie hoch dieser ist.

Der volle Joukowsky-Stoß entsteht, wenn die Armatur schneller schließt, als die Druckwelle zum Reflexionspunkt und zurück braucht. Diese Reflexionszeit beträgt 2 · L / a. Bei einer 600 m langen Leitung und a = 1200 m/s ist das eine Sekunde: Jede Armatur, die schneller schließt, wirkt wie eine schlagartig geschlossene.

Schließt sie langsamer, trifft die zurücklaufende Entlastungswelle ein, bevor der Vorgang abgeschlossen ist, und der Druckanstieg fällt kleiner aus. Dabei zählt nicht die Nennschließzeit: Viele Armaturen drosseln die Strömung erst auf dem letzten Teil ihres Stellwegs, die wirksame Schließzeit ist dann viel kürzer.

Der Druckanstieg ist nur die halbe Belastung. Während die Druckwelle einen geraden Abschnitt zwischen zwei Bögen durchläuft, herrscht an seinen beiden Enden kurzzeitig unterschiedlicher Druck. Die Differenz mal Strömungsquerschnitt ergibt eine Kraft in Rohrachsrichtung, die den Abschnitt verschieben will.

Diese Kräfte reißen Leitungen von ihren Auflagern und Halterungen aus dem Stahlbau. Sie werden über Festpunkte und axiale Anschläge aufgenommen und in einer dynamischen Berechnung ermittelt – oder vereinfacht als statische Ersatzlast mit einem Stoßfaktor, der für eine schlagartig aufgebrachte Last bis zu 2 beträgt.

Schnell schließende Armaturen sind nicht die einzige Ursache. Fällt eine Pumpe aus, reißt hinter ihr die Flüssigkeitssäule ab; beim Wiederzusammentreffen entstehen hohe Druckspitzen. In Dampfleitungen erzeugt mitgerissenes Kondensat Schläge. Die Maßnahmen setzen an der jeweiligen Ursache an.