Schweißnahtfehler an einem PP-Rohrleitungssystem
Ein Anlagenbauer fertigt Rohrleitungen aus PP-H (Polypropylen-Homopolymer) für eine Chemieanlage. Die Rohre werden im Heizelementstumpfschweißverfahren gefügt. Bei der Druckprüfung mit Wasser treten an drei von 40 Schweißnähten Undichtigkeiten auf. Die betroffenen Nähte zeigen eine ungleichmäßige Wulstbildung und eine sichtbare Kaltverschweißung. Die Schweißparameter wurden mit einem Schweißprotokoll dokumentiert: Heizelementtemperatur 210 °C, Schweißdruck 0,15 MPa, Fügezeit 12 s, Kühlzeit 10 min. Die Umgebungstemperatur betrug 12 °C, die Luftfeuchtigkeit 65 %. Der ausführende Schweißer ist seit zwei Jahren im Betrieb und hat eine gültige Schweißerprüfung nach DVS 2212-1. Der Kunde verlangt eine Ursachenanalyse und eine Nachbesserung innerhalb von 7 Tagen.
1. Analysieren Sie die möglichen Ursachen für die Undichtigkeiten. Gehen Sie auf die Schweißparameter, die Umgebungsbedingungen und die Werkstoffeigenschaften ein.
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Die Undichtigkeiten an drei von 40 Nähten mit ungleichmäßiger Wulstbildung und Kaltverschweißung deuten auf mehrere mögliche Ursachen hin:
- Schweißparameter: Die Heizelementtemperatur von 210 °C liegt für PP-H im empfohlenen Bereich (ca. 200–220 °C). Der Schweißdruck von 0,15 MPa könnte jedoch zu niedrig sein; für PP-H werden häufig 0,1–0,2 MPa angegeben, aber der optimale Druck hängt von der Wanddicke ab. Die Fügezeit von 12 s ist sehr kurz und könnte zu einer unzureichenden Durchmischung führen. Die Kühlzeit von 10 min ist bei PP-H mit hoher Wanddicke möglicherweise zu kurz, was zu Spannungen und Kaltverschweißung führen kann.
- Umgebungsbedingungen: Die Umgebungstemperatur von 12 °C liegt unter dem idealen Bereich (20 °C). Bei niedrigen Temperaturen kühlt die Schweißnaht schneller ab, was die Durchdringung und Diffusion beeinträchtigt. Die Luftfeuchtigkeit von 65 % ist für PP-H unkritisch, da PP kaum Wasser aufnimmt, aber Kondensation auf dem Heizelement kann die Wärmeübertragung stören.
- Werkstoffeigenschaften: PP-H ist ein teilkristalliner Thermoplast mit hoher Schmelztemperatur und geringer Wärmeleitfähigkeit. Die Kaltverschweißung deutet auf eine unzureichende Erwärmung des Fügebereichs hin. Eine zu kurze Heizzeit oder ein zu geringer Anpressdruck können die Ursache sein. Zudem kann eine ungleichmäßige Wulstbildung auf eine Schrägstellung der Rohre oder eine unzureichende Ausrichtung der Schweißmaschine hinweisen.
- Schweißerqualifikation: Der Schweißer hat eine gültige Prüfung, aber die Prüfung bezieht sich auf Standardbedingungen. Bei 12 °C Umgebungstemperatur sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Die Antwort muss die Parameter, Umgebungsbedingungen und Werkstoffeigenschaften verknüpfen und die Kaltverschweißung als zentrales Symptom erklären.
2. Welche Maßnahmen empfehlen Sie für die Nachbesserung und zur Vermeidung künftiger Fehler? Berücksichtigen Sie dabei die DVS-Regelwerke und die Anforderungen an die Dokumentation.
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Sofortmaßnahmen zur Nachbesserung:
- Die drei undichten Nähte müssen entfernt und durch neue Schweißnähte ersetzt werden. Dazu sind die Rohrenden neu zu bearbeiten und die Schweißparameter an die Umgebungsbedingungen anzupassen.
- Die Schweißnahtprüfung ist zu wiederholen, idealerweise mit zerstörungsfreien Verfahren (z. B. Ultraschall) oder einer erneuten Druckprüfung.
- Die Nachbesserung muss innerhalb von 7 Tagen erfolgen; dazu ist ein Zeitplan zu erstellen und die Ressourcen sind zu reservieren.
Ursachenbezogene Maßnahmen:
- Schweißparameter: Die Parameter sind an die Wanddicke und die Umgebungstemperatur anzupassen. Bei 12 °C sollte die Heizzeit verlängert und die Kühlzeit erhöht werden. Der Schweißdruck ist zu überprüfen und gegebenenfalls zu erhöhen. Die Parameter sollten in einer Schweißanweisung (WPS) nach DVS 2212-1 festgelegt und dokumentiert werden.
- Umgebungsbedingungen: Bei Temperaturen unter 15 °C sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich, z. B. Vorwärmen der Rohre oder Schweißen in einer beheizten Schutzhütte. Die Luftfeuchtigkeit ist zu überwachen, Kondensation auf dem Heizelement ist zu vermeiden.
- Schweißer: Der Schweißer sollte für das Schweißen bei niedrigen Temperaturen geschult werden. Die Schweißerprüfung nach DVS 2212-1 ist gültig, aber die Qualifikation muss auf die spezifischen Bedingungen erweitert werden.
- Dokumentation: Jede Schweißnaht ist mit Parametern, Datum, Schweißer und Prüfergebnis zu protokollieren. Die Dokumentation ist dem Kunden zu übergeben.
Qualitätssicherung: Es sollte eine statistische Auswertung der Schweißnähte erfolgen, um die Fehlerrate zu senken. Zudem ist eine Sichtprüfung aller Nähte durchzuführen. Die Antwort muss die DVS-Regelwerke als Grundlage nennen und die Maßnahmen konkret und umsetzbar beschreiben.