Prozessautomation & Messtechnik Sicher vor Blitz und Funken

Immer häufiger werden Öl und Gas mittels Pipelines zwischen den Förderstellen, Raffinerien und Verbrauchstellen transportiert. Die erforderliche Rohrleitungs-Infrastruktur ist aber nur dann rentabel, wenn ein langfristiger Betrieb mit überschaubaren Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen möglich ist. In der Vergangenheit verursachte insbesondere die Korrosion der metallischen Rohrleitungen große Probleme. Daher spielt das Thema Korrosionsschutz eine zentrale Rolle bei der Planung neuer Versorgungsleitungen, aber auch bei der Ertüchtigung bestehender Systeme werden neue Ansätze verfolgt.

Elektrochemische Korrosion eindämmen

Den Basisschutz vor Rost bietet meist eine Schutzschicht aus Kunststoff – das sogenannte Coating. Insbesondere bei erdverlegten Teilen der Pipeline besteht allerdings die Gefahr elektrochemischer Korrosion, wobei kleinste Fehlstellen oder Beschädigungen sich schnell vergrößern. Verstärken kann sich dieser Effekt, wenn zusätzlich Spannungsbeeinflussungen aus Energienetzen auftreten. Die Wechselströme im Bereich der Schadstellen begünstigen dann noch die schnelle Ausbreitung der Korrosionsstellen.

Um die Ausbreitung der Schadstellen einzudämmen, ist ein Korrosionsschutz sinnvoll. Aktive kathodische Korrosionsschutz(KKS)-Systeme arbeiten mit einem dauerhaften Gleichstrom dem schädlichen Ionenstrom der Korrosion entgegen. Dazu wird der negative Pol des KKS-Gleichrichters direkt mit dem Metall der Pipeline verbunden. Der positive Pol wird als Anode in das Erdreich nahe der Pipeline eingebracht, und über die Schadstelle und das Erdreich wird dann ein Gleichstromkreis geschlossen.

Da die aktiven KKS-Systeme die Rohrleitung nur auf eine begrenzte Länge schützen, werden die Pipelines segmentiert. In Abschnitten bestimmter Länge muss eine galvanische Trennung vorgenommen werden. Dazu sind am Markt Isolier-Sets erhältlich, die sowohl die eigentlichen Rohrelemente an den Flanschstellen als auch die Verschraubungen berücksichtigen. Diese Isolier-Sets sorgen dafür, dass die KKS-Systeme auf den jeweiligen Teilabschnitten korrekt arbeiten und sich nicht gegenseitig beeinträchtigen.

Wie Trennfunkenstrecken funktionieren

Weil die Rohrtrassen aufgrund des aktiven Korrosionsschutzes isoliert gegenüber dem Erdpotenzial verlegt werden, bestehen besondere Anforderungen an den Blitzschutz-Potenzialausgleich. Eine direkte Erdung der metallischen Rohrteile würde zu einem großen Fehlstrom im KKS führen – daher sind die Pipeline-Segmente indirekt zu erden.

Zu diesem Zweck werden Trennfunkenstrecken eingesetzt. Im normalen Betriebsfall verhalten sich diese hochohmigen Bauteile wie ein offener Schalter und sorgen dabei für die galvanische Trennung zwischen Rohrsegmenten und Erdpotenzial. Im Falle einer Spannungserhöhung werden die Funkenstrecken sehr niederohmig – ab einer bestimmten Ansprechspannung wird der „Schalter“ geschlossen.Derartige Spannungserhöhungen treten bei direkten Blitz­einschlägen auf. Aber auch elektromagnetisch eingekoppelte Spannungen bei Blitzeinschlägen in der näheren Umgebung oder bei Schalthandlungen und Kurzschlüssen in parallel liegenden Hochspannungs- oder Bahntrassen werden wirksam begrenzt.

Bei einem direkten Blitzeinschlag muss ein hoher Strom von bis zu 200 kA zum Erdpotenzial abgeleitet werden. Dabei rechnet man mit einer Aufteilung des Blitzstromes in zwei Richtungen. Somit besteht für einen Strompfad die Maximalanforderung, 100 kA tragen zu können.

Anforderungen an Isolierflansch-Klassen

Sobald die Trennfunkenstrecke anspricht und leitet, kann der Blitzstrom auf diesem definierten Weg zur Erde abfließen. Dieser Vorgang dauert nur einige Mikrosekunden. Nach dem Ableitvorgang geht die Funkenstrecke wieder in den hochohmigen Zustand zurück. Grundsätzlich ist der Betrieb der Trennfunkenstrecke wartungsfrei. Die Produkte sind für das Ableiten einer Vielzahl von Impulsen ausgelegt. In regelmäßigen Abständen sollte allerdings überprüft werden, ob der hochohmige Grundzustand vorhanden ist.

Kompatibel mit allen Isolierflansch-Klassen

Eine besondere Anforderung aus Sicht des Überspannungsschutzes resultiert aus der begrenzten Isolationsfestigkeit der Coatings. Außerdem weisen die Isolier-Sets für die Flansche relativ geringe Spannungsfestigkeiten auf, die meist im Bereich von wenigen kV liegen. In der technischen Regel GW 24 des DVGW (Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.) wird folgender Zusammenhang zwischen der Isolierfestigkeit der Flansche und der Ansprechspannung der Trennfunkenstrecken beschrieben: Isolierflansche der Klasse 1 haben eine Prüfwechselspannung von 5 kV, und Isolierflansche der Klasse 2 von 2,5 kV. Es wird empfohlen, die Ansprechstoßspannung U_as der Funkenstrecke so zu wählen, dass zur Prüfwechselspannung des zu schützenden Objektes ein „Betriebssicherheitsfaktor“ von 2 besteht.

Somit erfüllen Trennfunkenstrecken mit einer U_as von 1,25 kV die Anforderungen an alle Isolierflansch-Klassen. Die Ansätze des DVGW sind im europäischen Raum in einer Empfehlung des Ceocor (European Commitee for the study of corrosion and protection of pipes and pipeline systems) zu finden. Sie werden inzwischen weltweit genutzt und sind vollumfänglich dokumentiert.

Spezielle Eigenschaften der Lösung

Neben dem Ansprechbereich haben die Trennfunkenstrecken einen definierten unteren Sperrbereich. Erdströme oder nahe liegende Hochspannungstrassen können beispielsweise permanent 50/60 Hz-Wechselspannungen in die Pipeline-Segmente induzieren. Damit die Funkenstrecke nicht in jedem Scheitelpunkt der Spannung leitend wird – und folglich das KKS-System beeinflusst, ist eine sogenannte AC-Stehwechselspannung definiert, die eingehalten werden sollte.

Auch dazu spricht die DVGW in ihrer GW 24 eine Empfehlung aus: unterhalb von 250 V AC und 50/60 Hz muss die Funkenstrecke isolierend bleiben. Somit ergibt sich für den geforderten Trenn- und Ansprechspannungsbereich der Funkenstrecke ein aus der Applikation genau definierter und verbindlicher Rahmen.

Trennfunkenstrecke und Zubehörmaterial werden meist in der Ex-Zone 1 installiert. In der unmittelbaren Umgebung von Gas- und Öl-Pipelines ist damit zu rechnen, dass gelegentlich eine explosionsfähige Atmosphäre auftritt. Daher wurde die Funkenstrecke in der Zündschutzart „Druckkapselung“ ausgeführt. Die Materialien der Anschlusstechnik wurden so entwickelt, dass auch beim maximalen Blitzstrom und einer explosionsfähigen Umgebungsatmosphäre kein Zündfunke auftritt, der eine Explosion auslösen kann. Zudem sind alle Materialien für langfähigen Betrieb selbst in rauer Umgebung ausgelegt.