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Ringrauminjektor

( patentrechtlich geschützt)

zur

Herstellung hochwertiger Präzisionsabdichtungen

von Dipl. Ing. M. Thümler

Vortrag am 8.5.03 bei der Fachveranstaltung des DVGWs zum Stand der Technik bei der Ringraumverpressung aus der Sicht von Forschung und Praxis

Fachaustellung Brunnenbau am 9.5.03

1) Warum

2) Prinzip

3) Versuch

4) die wichtigsten Anwendungsgebiete

5) Vorteile unserer Ringrauminjektion

6) Nachteile

7) Stand der Technik ähnliche Systeme

8) weitere mögliche Anwendungsgebiete

10) Quellkörperzugabe

10) Injektoren Stand

1) Warum

"An zahlreichen Brunnenbauwerken wurde durch verbesserte Untersuchungsmethoden und Kontrollmessungen nachgewiesen, dass die Funktion der Ringraumabdichtung nicht sicher gewährleistet ist.... Sowohl die Unregelmäßigkeiten der Ringräume als auch der Zentrierungen bereiten bei geschütteten Abdichtungen mehr Probleme als mit Suspensionen ....."

( bbr Ausgabe 3/2002 Autor Herr Dipl. Geologe Bertholt Niehues )

D.h. die herkömmlichen Techniken (Schütten von Tonpellets) haben sich bei kritischen Fällen nicht bewährt. Sie haben Risiken und verfahrentechnische Mängel (schlechte Anbindung ans Erdreich durch Filterkuchen, nicht optimale Schüttdichte - Brückenbildung, Probleme bei unzentrischen Einbau -Verteilung, nachträgliches Setzen von Filterkies, Ausspülen etc.) die letztendlich zu Undichtigkeiten führen.

Heute stehen bessere Techniken (Injektion) zu Verfügung, die sichere und höherwertigere Ergebnisse erzielen.

Aber auch bei der Lanzeninjektion können geringe Hohlräume verbleiben, weil der Injektionsdruck nicht voll aufgebaut wird

Da der Ringraum in der Regel nach oben offen ist und daher nur der statische Druck wirkt, können unter ungünstigen Bedingungen Hohlräume verbleiben, sich Luftpolster bilden und kleine Spalten nicht voll ausgepresst werden und Reste des Filterkuchens eine Anbindung ans Erdreich verhindern.

( Dämmerdichte – Auftrieb Wasser bei 10m ergibt ca. 0.5 bar Überdruck )

( siehe auch Forschungsbericht „Qualitätskriterien für Abdichtungssuspensionen im Brunnenbau“ bbr 4/03“. )

Ergebnis: Für eine günstige Dichtwirkung ist eine gute Anbindung ans Erdreich maßgeblich, da diese Zone derzeit die Schwachstelle darstellt.

Ideal wäre es wenn ein hoher Druck im Ringraumbereich wirken könnte, die Injektion symmetrisch im Mittelbereich des Stauers eingeleitet werden würde, der Druck über längere Zeit erhalten bliebe, das Injektionsmaterial nicht schrumpfen würde.

Dieses erreichen wir durch unser System.

Der Ringrauminjektor injiziert symmetrisch in der Mitte der Sperre Dämmer.

Da sich das Material sowohl nach oben als auch nach unten durch den Filterkies zwängen muss und mit zunehmender Füllmenge und Abstand mehr Pressdruck notwendig ist um den Dämmer zu bewegen, entsteht lokal ein hoher Druck im Ringraum, der selbst kleinste Spalten füllt und die Reste des Filterkuchens in das Erdreich drängt.

Es kommt zu einer innigeren Verzahnung.

Elastizitäten weiten das Bohrloch auf und komprimieren das Vollrohr elastisch, so daß auch die Berührstrecke PVC-Rohr mit Bohrlochwandung hinterfüllt wird und geringe Schrumpfprozesse des Dämmers ausgeglichen werden.

Der Verbund Dämmer-Kies mit Zugabe von Polyaclyamiden bleibt der Druck erhalten.

All diese Faktoren führen letztendlich zu einer sehr sicheren und vollständigen Abdichtung.

Wir betrachten daher den Ringrauminjektor als Weiterentwicklung der Injektionstechnik, die insbesondere bei kritischen Fällen, wo es auf eine sichere und druckfeste Abdichtung ankommt, Vorteile hat.

2) Prinzip

Der Injektor besteht hier aus dem Korpus, 2 Kolben, 2 Düsen, einer speziellen Rückzugsfeder und dem Injektionsschlauch.

Wird Suspension eingepresst, dann fahren die beiden Kolben durch den Suspensionsdruck radial aus.

Die Düsen durchschneiden und durchstoßen die Wandung.

Lochbild im Vollrohr einer Düse mit Doppelspitze

Die Wandung wird je nach Düsenform dabei aufgedrückt und aufgerissen, so dass eine konische Öffnung entsteht.

Hat die Düse Ihre Endstellung erreicht wird die Suspension in den Ringraum gepresst bis der Maximaldruck erreicht wird.

3) Versuch

Um die Wirkung des Ringrauminjektors zu demonstrieren haben wir hier in einem Versuchsaufbau einen künstlichen Ringraum hinter einem Plexiglasrohr geschaffen:

Ein Rohr wird in ein Plexiglasrohr gestellt und mit Filterkies aufgefüllt.

Dann wird der Injektor in das Filterrohr geschoben und die Suspension wird mittig eingespritzt.

die Injektion beginnt an 2 Stellen und breitet sich kreisförmig aus

Die beiden Flächen berühren sich

Ist der Ringraum mit Filterkies gefüllt so breitet sich die Injektion radial aus, umhüllt das Vollrohr und zwängt sich dann gegen den Widerstand im Kies nach oben und unten.

die Suspension wird aufgrund der hydraulischen Gesetzmäßigkeiten in beiden Richtungen gleichmäßig nach oben und unten gepresst

der Doppelbauch der noch am Anfang die Injektionsstellen darstellt verschwindet und es bildet sich ein gleichmäßiger Zylinderrand aus

Nach ca. 30 Sekunden ist hier eine Sperre von ca. 1m errichtet.

Je nach Körnung, Druck und Viskosität sind somit Injektionsstrecken von 10 m und mehr möglich.

Mit der hier dargestellten Anordnung erreichen wir eine Injektionsleistung von 400 l/Std.

Druckverlauf:

in den ersten 30 Sekunden werden die Düsen ausgefahren und die Wandung
durchstoßen.

Danach fällt der Druck ca. um 2 bar ab, weil der Strahl frei in den Ringraum eindringen kann.

Mit zunehmender Auffüllung muss zunehmender Druck aufgewandt werden um den Dämmer durch den Kies nach oben und unten zu durchdringen.

Ist der maximal zulässige Außendruck des PVC Vollrohres erreicht, ist die Injektion beendet.

Der Schrumpfprozess des Verbundes Dämmer-Kies sowie die Leckage durch die Injektionsdüse führen zu einem spontanen Druckabbau.

Auch nach Aushärtung des Dämmers bleibt jedoch noch ein Überdruck von mehreren Bar bedingt durch die Elastizitäten des Bodens, des Vollrohres und der Quellfähigkeit des Injektionsmaterials lange Zeit erhalten.

4) Die wichtigsten Anwendungsgebiete

- hochwertige Präzisionsabdichtungen bei Brunnenbauwerken

- nachträgliche Korrektur falsch ausgebauter Brunnen

- Sanierung schadhafter Abdichtungen

- Herstellung sequenzieller Abdichtungen in 1m Abstand

- Beseitigung von Hohlräumen nach Setzung oder Auswaschungen

- Sperrung von starken vertikalen Grundwasserströmungen

- Rückbau von Brunnenbauwerken und Messstellen

5) Vorteile unserer Ringrauminjektion

- selbst kleinste Hohlräume werden horizontal

und vertikal bis in die kleinsten Ritzen auch unter Wasser ausgepresst

- der Kies kann durch Vibration vorverdichtet werden,

- Setzungen durch Pumpbetrieb oder Endsandung können abgewartet

- werden da die die Ringraumsperre erst danach eingebracht.

eingebracht wird. D.h. die typische Hohlraumbildung unterhalb

der Sperren werden vermieden

( Schüttdichte Kies 2-3 trocken 1.6 ins Wasser 1.4 )

- der exzentrische Ausbau der Verrohrungen und die damit

verbundene geringe Spalten an Anlagestellen werden sicher

abgedichtet.

- Reste des Filterkuchens werden mit hohem Druck in die

Bohrlochwandung gedrückt. Die Anbindung Bohrlochwandung

und damit verbundenen Spalteindringung ist daher sehr gut

- der Verbund Dämmer Kies ist stabiler als die reine Dichtmasse und hat

geringen Schwund

- durch die Fähigkeit der Mehrschichtsilikate Wasser aufzunehmen und zu quellen und so Druck aufzubauen, dem tixotropen Verhalten, der Elastizitäten der gedehnten Bohrlochwandung und des gestauchten PVC Rohrs bleibt nach der Injektion der Druck im Ringraum länger erhalten.

6) Nachteile

Es sind technische Einrichtungen für die Verpressung notwendig

Das Rohr wird lokal durch die Störstelle geringfügig geschwächt.

( geringer jedoch als die Störstelle durch Filterschlitze )

höhere Kosten

7) Stand der Technik ähnliche Systeme

Ein ähnliches Verfahren ist der Injektionsschuh, (SBF Verpressschuh).

Bekannt ist die Verpressung mit dem Packer nach vorheriger Lochung durch Sprengung oder Wasserstrahlschnitt.

Ähnliche Prinzipien werden bei der Erdölgewinnung angewandt wo es aufgrund der sehr hohen Gasdrücke auf höchste Wirksamkeit ankommt.

8) weitere mögliche Anwendungsgebiete

- kurze Sperrschichten für Probenahmen injizieren

- lokales Sperren von Filterbereichen

- Rückbau von Brunnen

( siehe auch unseren Bericht Rückbau DN50 Mess-Stelle in Lüneburg )

- Einsatz im Kontaminationsbereich

9) Quellkörperzugabe

Durch gezielte Zugabe hochquellfähiger Materialien ( Superabsorber )

können die Injektionsstellen lokal einfach abgedichtet werden, Überdrücke eingestellt und sehr lang gehalten werden.

Suberaborber ( Quellkörper auf Acrylatbasis ) lagert extrem viel Wasser ein

Testgerät TH 2460 für Quellköper ( Einsatz bei DOW-Corning )

Unsere Apparatur zur Messung der Kompressibilität und Wasseraufnahme von

Superabsorber

Der lang anhaltende Überdruck hat große Vorteile. Er führt zu aufgrund der

zu einer besseren Anbindung auch an die PVC-Wandung.

Entstehen Hohlräume, so sind Polyacrlyte in der Lage, federnd nachzuquellen,

soweit Wasser vorhanden ist.

Ausspüleffekte werden durch die Kornstruktur vermieden. Anbindung an PVC

ist besser als mit nichtorganischen Materialien. Durch den Druck und die

Zeitdauer können sich leichter zwischenmolekulare Bindungen bilden

( Adhäsion = Aneinanderhaften von Molekülen an Phasengrenzflächen

infolge zwischenmolekularer Anziehungskräfte deren Wirkung wiederum

vom Andruckdruck und der Zeitdauer abhängig ist)

10) Injektoren Stand

Entwicklung der Injektordüsen

Ermittlung der Durchstoß- und der Rückzugskräfte

Berechnung des dynamischen Druckverlustes

Berechnung des dynamischen Druckverlusts bei einer Injektion

2 Zoll Injektor

2 Zoll Injektor mit Düsen und Anschlussfittings

2-Zoll Injektor im 2 Zoll Rohr

Anwendungsfall: Rückbau einer 200m tiefen Grundwassermessstelle

3 Zollinjektor

3-Zoll Injektor Ausführung

4 Zoll Injektor

Pumpe + Dämmer Vorbereitung

4 Zoll Injektor nach Injektion

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Erstmals publiziert anlässlich eines Vortrags am 22.5.02 DVGW Ausschuss in Rostrup

Vorstellung des Systems bei Meisterkursen

Vorstellung des Systems bei der Fachmesse Stand der Verpresstechnik in Rostrup am 8.5.03 und 9.5.03

MT 20.12.2021