Wasserstoffversprödung an einer Erdöl-Leitung

(Rohrreißer unter der Autobahn A9, August 1993)

1. Vorgeschichte

Den Ausgang des Ersten Weltkrieges kommentierte der britische Außenminister George Curzon im November des Jahres 1918 mit: "The Allied cause had been floated to victory on a wave of oil" (Die Verbündeten wurden von einer Woge aus Öl zum Sieg getragen) [1].

Als sich in 1930iger Jahren das Deutsche Reich auf einen weiteren Krieg vorbereitete, war zu erkennen, dass das Petroleum eine noch viel größere Rolle spielen würde. Da es an natürlichen Ölquellen mangelte, kam nur eine Hydrierung von Kohle in Frage. Zur Verfügung standen zwei chemische Verfahren, die Fischer-Tropsch-Synthese und die Bergius-Pier-Synthese. Das erstere Verfahren beruht primär auf der Anwendung hoher Temperaturen, das letztere auf der Anwendung hoher Drücke.

Als Grundlage beider Verfahren dient die Braunkohle. Diese war in Mitteldeutschland reichlich vorhanden. Entsprechend wurden drei Anlagen erbaut, und zwar in Leuna an der Saale, Zeitz an der Weißen Elster (Ort Tröglitz) und Böhlen an der Pleiße. Es wurde vor allem Flugbenzin hergestellt. Die Leuna-Werke waren schon im Ersten Weltkrieg errichtet worden, als das Schießpulver auszugehen drohte. Hier produzierte man Salpeter, den man bis Kriegsbeginn aus Chile bezogen hatte, mittels der Ammoniak-Synthese nach Haber-Bosch. Bei den beiden anderen Anlagen handelt es sich um Neugründungen.

Unter dem Volk wurde die Losung von der "Autarkie" verbreitet und von diesem auch geglaubt (vgl. [2]). Am 12. Mai 1944 erschienen alliierte Flugzeuge über diesen Werken. Mit ihren Bomben beendeten sie alle Siegesträume.

Nach dem Krieg gelang es, die Anlagen wieder in Gang zu setzen. Die russische Besatzungsmacht betrachtete bald Ostdeutschland als Hauptfront gegen den westlichen Imperialismus (die westliche Seite sah es analog) und verlegte eine Erdölleitung in die DDR. Die Leitung namens "Freundschaft" führte zunächst nach Schwedt an der Oder (1963) und erreichte schließlich die Leuna-Werke (1967).

In unmittelbarer Nachbarschaft, beim Dorf Spergau errichtete man ein Tanklager. Dieses befindet sich auf einer Höhe über dem Meeresspiegel von 107 m. Von dort legte man eine Stichleitung zum Hydrierwerke in Böhlen (1970). Der Verlauf der Leitung schwenkt etwas nach Süden aus, was dadurch bedingt ist, dass der Tagebau Zwenkau umgangen werden muss (4 km breit).

Im Jahre 1974 wurde das Zeitzer Werk durch eine Anlage zur Raffination von Dieselkraftstoff erweitert. Um das benötigte Rohöl heran zu schaffen, teilte man die Böhlener Leitung im Elstertal bei Zwenkau-Löbschütz auf. Schließlich trennte man das Böhlenwerk ab, so dass das Öl nur noch nach Zeitz gelangte. Bei der Dieselraffination bleibt Rohbenzin übrig. Dieses wurde über eine "Produktleitung" nach Böhlen gepumpt.

Da die Leitung ursprünglich auf das Böhlenwerk zielte, war sie mit 50 km nun deutlich länger als der Luftweg von etwa 30 km.

Die Leitung querte die Saale mittels eines Dükers (Höhe 94 m) und stieg dann zu einer (Hoch-)Ebene auf. Nach 2 km traf sie auf die Autobahn A9 (bei Kilometer 141,5 und Höhe 127 m). Die nächstgelegene Gemeinde war das Dorf Rippach am gleichnamigen Flüsschen (Höhe 112 m), die nächste Stadt war Weißenfels an der Saale.

Die Autobahn verläuft dort etwa ebenerdig. In den Untergrund wurde ein Tunnel gebohrt und ein Schutzrohr in der Länge von 45 m eingebracht. In das Schutzrohr wurde die Öl-Leitung eingeschoben. Der Abstand zur Straßenoberkante betrug etwa 3,6 m; man musste also deutlich von der normalen Verlegetiefe (etwa 1 m) abweichen.

Die Landschaft östlich der Autobahn ist eben wie ein Tisch. Sie fällt von Südost nach Nordwest ab und geht in die Leipziger Tieflandsbucht über. Als Namensgeber dieser "Platte" dient die Stadt Lützen (vgl. [3]). Im Jahre 1632 kämpften hier die Protestanten unter König Gustav II. Adolf von Schweden gegen die Katholiken unter Wallenstein. Die Protestanten siegten insoweit, als der Gegner das Feld räumte, verloren jedoch ihren Feldherren.

Napoleon kam im Jahre 1813 nach Lützen. Die Nacht vom 1. zum 2. Mai verbrachte er am Denkmal des Schwedenkönigs. Dann begab er sich etwa 6 km bergauf nach Südosten zum Dorf Großgörschen und stieß dort auf preußisch-russische Armee. Diese Bataille de Lützen endete mit leichtem Vorteil für Napoleon.

Hinter der Autobahn trifft die Ölleitung auf eine Erdgasleitung (aus der Sowjetunion kommend), welcher sie bis in die Elsteraue folgt. Zunächst verlaufen beide Leitungen in einer Stufe der Wasserscheide bei Kleingörschen (Höhe von 145 m). Diese wird auch von einem Floßgraben genutzt, den man im Mittelalter von der Elster zur Saale gegraben hatte, um Holz für die Salinen aus dem Gebirge heran zu führen.

In den offiziellen Kartenwerken der DDR (Schulatlas) ist der Verlauf der Leitung nur grob dargestellt; in Bild 1 wird er genauer wieder gegeben.

Karte mit Fernrohrleitungen im Zentrum der DDR;
Verlauf der Erdölleitung Spergau-Zeitz als schwarze Linie eingetragen; die Autobahndurchörterung ist mit L (wie Leck) markiert,  die Wasserscheide mit W
Bild 1: Karte mit Fernrohrleitungen im Zentrum der DDR, Ausschnitt aus [4]; Verlauf der Erdölleitung Spergau-Zeitz als schwarze Linie eingetragen; die Autobahndurchörterung ist mit L (wie Leck) markiert, die Wasserscheide mit W

Der gesamte Ausstoß von Dieselkraftstoff, den das Hydrierwerk Zeitz erzeugte, wurde als "leichtes Heizöl" nach West-Berlin geliefert. Die monatliche Abnahme erfolgte unregelmäßig. Dementsprechend ergaben sich für die Anlage längere Pausen, wonach sich auch der Betrieb der Pumpe im Tanklager Spergau richtete.

Als dieses Geschäft der Führung in Moskau bekannt wurde, verringerte sie die Liefermenge und erhöhte den Preis mit der Folge, dass Earl Curzon zum dritten Mal Recht bekam (vgl. [5]).

Der Unterbrecherbetrieb der Zeitzer Anlage blieb auch nach der Wiedervereinigung Deutschlands erhalten.

Technische Daten:

Rohrstrang längs geschweißt jeweils in Längen von 6 m, zwei dieser Abschnitte werden im Werk durch eine Rundnaht verbunden
Schweißverfahren im Werk Unter-Pulver-Schweißen
Montageschweißung Lichtbogen-Handschweißen (Rundnaht)
Rohrabmessung 530 x 8 mm
Werkstoff 14 Ch G S nach GOST 5058-65 entspricht StE360.7 nach DIN 17172
Auslegungsdruck 64 bar
Betriebsdruck 33 bar
Betriebsweise diskontinuierlich (mehrstündige Zyklen)
Prüfung auf Dichtheit monatlich als Differenzdruckmessung

Die Prüfung auf die Dichtheit bzw. Leckverhalten bestand darin, dass die Leitung gegen den geschlossenen Schieber des Abnehmers (Zeitz) auf Druck gebracht wurde. Danach schloss man auch auf der Pumpenseite den Schieber. Nach einer Haltezeit von einem Tag wurde der Abfall des Druckes bestimmt.

Zwischen dem 3. und dem 6. Juni 1993 hatte der Förderbetrieb geruht. Anschließend fand eine Dichtheitsprobe statt.

An 26. August 1993 schaltete sich um 20.30 Uhr die Ölpumpe ab. Als Ursache war ein Abfall des Druckes zu erkennen. Man setzte die Pumpe mehrmals wieder in Gang, ohne den Betriebsdruck zu erreichen. Drei Stunden später gab man diese Versuche auf.

Am nächsten Morgen entdeckte die Polizei beidseitig der Autobahn Teiche in der Größe von bis zu 50 m, von denen ein strenger Geruch ausging. Man erkannte, dass die Teiche nicht mit Wasser, sondern mit Öl gefüllt waren. Etwa 1 Million Liter Öl hatten sich in die Landschaft ergossen. Das Öl begann, über Dränagekanäle allmählich in Richtung Saale abzufließen.

Die Leitung wurde ausgegraben und das Rohr von der Talseite her aus seiner Schutzhülle gezogen (Bild 2).

Bild 2:

Havariestelle von der Zeitzer Seite her gesehen;
das leckbehaftete Rohrstück wurde bereits gezogen; es ist nur noch das Schutzrohr zu sehen (Pfeil). Verlegungstiefe etwa das Doppelte der größeren Personen (ca. 2 * 1,8 m = 3,60 m), Aufnahme aus [6]
Bild 2: Havariestelle von der Zeitzer Seite her gesehen; das leckbehaftete Rohrstück wurde bereits gezogen; es ist nur noch das Schutzrohr zu sehen (Pfeil). Verlegungstiefe etwa das Doppelte der größeren Personen
(ca. 2 * 1,8 m = 3,60 m), Aufnahme aus [6]
Es trat ein axialer Riss in der Länge von 1,9 Meter zu Tage. Der Bruch war neben der Schweißlängsnaht erfolgt (Bild 3).
Rohr mit klaffendem Riss an Schweißnaht, Aufnahme aus [6]
Bild 3: Rohr mit klaffendem Riss an Schweißnaht, Aufnahme aus [6]
Der Riss fand sich in der 6.30 Uhr-Position, also ungefähr in der Sohle des Rohres. Dort war es rinnenförmig zum Abtrag gekommen. Dabei hatte sich ein dichter, schwarzer Belag ausgebildet (Bild 4).
Bruchkante;
Rohrinnenwand mit schwarzem Belag, Restbruch hell (mit Pfeil markiert), Aufnahme aus [6]
Bild 4: Bruchkante; Rohrinnenwand mit schwarzem Belag, Restbruch hell (mit Pfeil markiert), Aufnahme aus [6]
Schon von der Färbung her war zu erkennen, dass es sich nicht um Rost, sondern um Eisensulfid handelt und somit ein Angriff durch Schwefelwasserstoff erfolgt war, welcher im Rohöl grundsätzlich vorhanden ist. Organische Schwefelverbindungen (Mercaptane) als Abkömmlinge des Schwefelwasserstoffs wirken in gleicher Weise und werden hier nicht gesondert behandelt.

Schliffe wurden u. a. quer durch das Zentrum des Leckbereiches gelegt. Die Höhe der Rohrkanten und der beiden Schweißlagen sind zueinander leicht versetzt. Die Ränder der Innenlage wurden furchenartig abgezehrt. Von einer solchen Furche ist der Riss gestartet (Bild 5).
Schliff durch Zentrum des Lecks;
leichter Versatz sowohl in der Höhe der Rohrkanten als auch an beiden Schweißlagen,
Abtragsfurchen an den Rändern der Innenlage, Aufnahme aus [6]
Bild 5: Schliff durch Zentrum des Lecks; leichter Versatz sowohl in der Höhe der Rohrkanten als auch an beiden Schweißlagen, Abtragsfurchen an den Rändern der Innenlage, Aufnahme aus [6]

Rohre mit Längsnaht neigen zu einer sogenannten Aufdachung, die sich ebenfalls im gezeigten Schliffbild andeutet. Diese betrug hier 2,3 mm [6].

Der Verkehr auf der Autobahn hatte seit der Wiedervereinigung stark zugenommen und man vermutete, dass dadurch das Rohr zu Schwingungen angeregt wurde und somit unter zyklische Biegung stand. Ein solcher Riss hätte allerdings quer liegen müssen, während Risse, die sich aus dem Innendruck ergeben, längs orientiert sind (Ausnahme: Kriechrisse an Rundschweißnähten nahtloser Rohre im Dampfkraftwerk).

Es drang nun an die Öffentlichkeit durch, dass Korrosion beim Schaden im Spiel ist. Das führte zur Vermutung, dass das gesamte Leitungssystem Ostdeutschlands verrottet ist, vgl. [7] und [8].

2. Untersuchungen

2.1. Analyse des Belags

Die Röntgenanalyse ergab neben Eisen und Chlor die Anwesenheit von Schwefel, siehe Bild 6.
Röntgenanalyse
(energiedispersiv) des Belages auf der Rohrinnenwand: Eisen, Schwefel und Chlor
Bild 6: Röntgenanalyse(energiedispersiv) des Belages auf der Rohrinnenwand: Eisen, Schwefel und Chlor
Beim Reinigen der Proben mit inhibierter Salzsäure entwickelte sich ein auffällig fauliger Geruch, wie er für Schwefelwasserstoff typisch ist:

FeS + 2HCl = FeCl2 + H2

Es hatte sich also tatsächlich eine Schicht aus Eisensulfid gebildet.

2.2. Lichtoptische Makroaufnahmen

Probe I

Die Probe I wird zunächst so gelegt, dass die Innenwand zu sehen ist. Es finden sich starke Auswaschungen, so dass die Naht selbst kaum hervortritt. Von der Bruchfläche ist der Einlaufbereich insofern sichtbar, als er stark von der Senkrechten abweicht (Bild 7).

Probe I, Blick auf die Innenwand, Auswaschungen; Übergang zur Bruchfläche markiert
Bild 7: Probe I, Blick auf die Innenwand, Auswaschungen; Übergang zur Bruchfläche markiert B
Nach Aufrichtung der Proben lässt sich eine Dreiteilung der Bruchfläche erkennen.

Der Bereich A liegt unter der Innenwand und nimmt etwa 40% des Querschnittes ein. Die Bruchfläche erscheint weitgehend strukturlos; der Riss war durch Korrosion stark verbreitert worden, wie schon in Bild 5 erkennbar war.

Der Bereich B ist streng senkrecht zur Rohrwand orientiert; seine Bruchstrukturen sind gut erhalten. Der Riss-Start erfolgte an Zone A. Die Bruchfläche hat sich in viele Einzelfronten aufgeteilt. Es deutet sich eine quer orientierte Lamellierung an.

Der Restbruch R hebt sich hell ab und ist unter 45° zur Rohrwand orientiert, d. h., es handelt sich um eine Scherlippe. Diese ist etwa 1 mm breit (Bild 8).

Probe I, aufgestellt,
Bruchfläche unterteilt in drei Zonen (A, B, R);
A - auskorrodiert (alt)
B - lamelliert (frisch)
R - hell (Restbruch)
Bild 8: Probe I, aufgestellt, Bruchfläche unterteilt in drei Zonen (A, B, R);
A – auskorrodiert (alt); B – lamelliert (frisch); R – hell (Restbruch)

Probe II (nur liegend dargestellt)

Das Ausmaß der Auswaschung wird hier anhand des Schattenwurfes besonders deutlich. Die Kante des frischen Bruchbereiches erscheint aufgefasert (Bild 9).

Probe II, Innenwand; frische Bruchkante aufgefasert (links). Der vertikale Schattenwurf in der Probenmitte verdeutlicht dieAbtragung.
Bild 9: Probe II, Innenwand; Der vertikale Schattenwurf in der Probenmitte verdeutlicht die Abtragung; frische Bruchkante aufgefasert (links)

2.2 REM-Aufnahmen

Probe I

Die Übersichtsaufnahme beschränkt sich auf die frischen Bruchbereiche. Auffällig ist wiederum die Lamellierung der Bruchfläche, sowohl im "Betriebsbruch" (Bereich B) als auch im Restbruch R (Bild 10).

frischer  Bruchbereich, allgemeine Lamellierung (Bereich A als
Bild 10 frischer Bruchbereich, allgemeine Lamellierung (Bereich A als "alter" Betriebsbruch und Bereich R als Restbruch; Ausschnitt aus Bild 8)

In Bild 11 wird der jüngste Bruchbereich (Riss-Spitze) betrachtet. Im Bereich B (betrieblich bedingt) finden sich Facettenmuster. Der Restbruch R wirkt faserig.

Übergang vom Anrissbereich B zum Restbruch R;
Facetten im Anriss
(Ausschnitt aus Bild 4, linker Bildbereich, um 90<sup>+</sup><sup>o</sup> nach links gedreht)
Bild 11: Übergang vom Anrissbereich B zum Restbruch R; Facetten im Anriss
(Ausschnitt aus Bild 10, linker Bildbereich, um 90° nach links gedreht)

Die Facettenbahnen der Anrisse nehmen ihren Ausgang an Spalten, deren Ursache durch die Anwesenheit von Einschlüssen gegeben ist (Bild 12).

Facetten im Anriss B starten an Einschluss-Spalten
(Ausschnitt aus Bild 5
Bild 12: Facetten im Anriss B starten an Einschluss-Spalten (Ausschnitt aus Bild 11)

Im Bereich B sind die lokalen Rissfelder durch Scherkämme von einander getrennt (Bild 13).

Start der Bruchfächer an Einschluss-Spalten, dazwischen Scherkamm (Ausschnitt aus Bild 6, Mitte
Bild 13: Start der Bruchfächer an Einschluss-Spalten, dazwischen Scherkamm (Ausschnitt aus Bild 12, Mitte)

Der Riss-Start eines vertieft liegenden Facettenfeldes ("Rosette") erfolgte an einem schmalen Einschlusshohlraum, welcher beim Bruch aufgezogen wurde (Bild 14).

einseitige Rosette an aufgezogenem Einschlusshohlraum; Facettenfelder durch Scherkämme getrennt
Bild 14: einseitige Rosette an aufgezogenem Einschlusshohlraum; Facettenfelder durch Scherkämme getrennt
(Ausschnitt aus Bild 13, rechts unten)

Bei höherer Vergrößerung wird in Bild 9 eine weitere Rosette dargestellt. Die Strukturen sind gut erhalten.

vertiefte Rosette
Bild 15: vertiefte Rosette (Ausschnitt aus Bild 13, links oben)

Eine symmetrisch ausgebildete Rosette war deutlich vor der Hauptrissfront entstanden. Die Facetten strahlen symmetrisch ab, also auch auf die Hauptfront zurück (Bild 16 und Bild 17).

vorgelagertes Facettenfeld
Bild 16: vorgelagertes Facettenfeld (Ausschnitt aus Bild 11, Rissvorsprung)

symmetrische Abstrahlung der Facetten von Einschluss-Spalte
Bild 17: symmetrische Abstrahlung der Facetten von Einschluss-Spalte (Ausschnitt aus Bild 16)

Probe II

Erwartungsgemäß fanden sich auch hier isolierte Rosetten (Bild 18 und Bild 19).

Facettenfelder
Bild 18: Facettenfelder
symmetrische Abstrahlung der Facetten von Einschluss-Spalte (Ausschnitt aus Bild 18, links)
Bild 19: symmetrische Abstrahlung der Facetten von Einschluss-Spalte (Ausschnitt aus Bild 18, links)

3. Diskussion

3.1. Vorläufige Zusammenfassung

  • Der Riss lag neben der Längsschweißnaht, welche eine Aufdachung bedingte.
  • Der geschädigte Abschnitt der Rohrleitung war so angeordnet, dass sich die Schweißnaht in der Rohrsohle befand.
  • Die Rohrsohle war stark angegriffen worden und von Eisensulfid bedeckt.
  • Ein (älterer) Anrissbereich wurde auskorrodiert.
  • Im frischen Teil des Risses fand sich eine feine Facettenstruktur (Rosetten), die von Einschluss-Spalten ausgingen.

    3.2. Diskussion der einzelnen Punkte

    Eine Schweißnaht stellt durch ihre beidseitige Überhöhung eine natürliche Kerbe dar. Beim Zurechtbiegen der Platten besteht die Schwierigkeit darin, die Flanken voll auszurunden, so dass sich eine Aufdachung ergibt. Dadurch wird die Umfangsspannung erhöht.

    Die Tatsache, dass die Rohrsohle stark angegriffen wurde, verweist darauf, dass sich dort die aggressiven Bestandteile des Öles sammeln konnten. Die Ausbildung eines solchen Sumpfes verlangt wiederum, dass der Rohrbereich dort vertieft liegt, sich also ein Sack gebildet hat.

    Als man die Leitung verlegte, hätte man die Talseite ziemlich tief aufgraben müssen, um die Steigung gleichmäßig zu halten. Stattdessen war man unter der Autobahn einfach etwas abgetaucht (von ca. 1 m auf 3,6 m Verlegungstiefe). Man hat also einen Düker gelegt.

    Bei Stillstand entmischt sich das Öl. Wasser sinkt nach unten und fließt von der Bergseite zum tiefsten Punkt ab. Das Wasser führt alle Verunreinigungen mit sich, so auch den Schwefelwasserstoff. Dieser regiert mit dem Eisen nach der Formel:

    Fe2+ + H2S = FeS + 2H+


    Der Schwefelwasserstoff greift den Stahl nicht nur stark an, sondern behindert auch die Wasserstoffatome an der Rekombination, so dass der Wasserstoff ungehemmt in dem Stahl eindringen kann (Rekombinationsgift). Entsprechend stark verunreinigte Rohprodukte (neben Öl auch Erdgas) werden als "sauer" bezeichnet.

    Von der Unfallstelle bis zur Wasserscheide bestand ein Anstieg (Stauhöhe) von ca. 20 m bei einer Staulänge von etwa 9 km. Der Wert des Anstieges war an sich gering, er verlief aber stetig (keine Quertäler). Der Einzugsbereich des Rohrsumpfes unter der Autobahn war also erheblich.

    3.3. Zum Bruchmechanismus

    Mit feinen Fächerstrukturen, die teilweise vom Hauptriss isoliert sind und auf ihn zurück strahlen (Rosetten), findet sich ein Bruchbild, wie es bei weicheren Stählen (Festigkeit unter 1000 MPa) durch Wasserstoff hervorgerufen wird. Wie groß der Bruchhof wird, hängt von der Entfernung zum nächsten Einschluss ab. Auch die Menge des Wasserstoffes, die in dem jeweiligen Hohlraum gespeichert ist, ist von Einfluss. Beim Schweißen kann sich an Poren oder Bindefehlern eine solche Menge an Wasserstoff sammeln, dass die Bruchhöfe dem bloßen Auge sichtbar werden. Bild 20 zeigt einen solchen Fall an einer Schweißbiegeprobe.

    zwei makroskopische Fischaugen auf der Bruchfläche einer Schweißbiegeprobe
(als Beispiel)
    Bild 20: zwei makroskopische Fischaugen auf der Bruchfläche einer Schweißbiegeprobe (als Beispiel)

    Das Bruchgefüge hebt sich deutlich vom umliegenden Sprödbruch ab; man spricht von "Fischaugen". Die Feinheit des Bruchgefüges ergibt sich aus der Tatsache, dass der Riss nicht den Spaltebenen ({100}-Ebenen), sondern den Gleitebenen ({110}-Ebenen) folgt, siehe [9].

    Im Stahl diffundiert der Wasserstoff atomar durch das Gitter. Wegen der Kleinheit seines Atoms erreicht der Wasserstoff beträchtliche Diffusionsgeschwindigkeiten, etwa l Mikrometer pro Sekunde.

    Auf ihrem Weg durch den Stahl treffen die Wasserstoffatome auf Hohlräume. Dort werden sie gesammelt und rekombinieren zum Gas. Besonders stark wird der Wasserstoff von Gebieten der Matrix angezogen, die bereits verspannt sind. Je räumlicher die Spannung ausgeprägt ist, umso schneller werden sie vom Wasserstoff aufgesucht.

    Durch Überlagerung der Innenlast mit einer Außenlast wird irgendwann der Werkstoff ins Fließen gebracht. An den Hohlraumwänden wird der Wasserstoff in den atomaren Zustand zurückversetzt und regelrecht von der Matrix angesaugt (Tribosorption).

    In deformationsinduzierten, submikroskopischen Hohlräumen rekombiniert der Wasserstoff wieder. In Form kleinster Druckbläschen hemmt der Wasserstoff die Gleitung, wobei, wie schon gesagt, die Gleitebenen aufreißen.

    Zunächst werden auf diese Weise die Stege zwischen den Einschlüssen aufgetrennt, und das makroskopische Risswachstum kommt in Gang.

    Der Druck, welcher in den Einschlusshohlräumen entsteht, reicht also nicht aus, allein den Bruchvorgang einzuleiten, von einer Ausnahme abgesehen: Das ist die so genannte Blasenbildung (engl.: Blistering), die nur bei sehr starker Beladung möglich ist. Im technischen Bereich ergibt sich eine solche Beladung, wenn Säure oder Schwefelwasserstoff anliegen. Die Risse liegen in der Walzebene, da die Einschlusshohlräume für diese Ebene bzw. für die Dickenrichtung ihren maximalen Querschnitt haben und außerdem als Kerben wirken.

    Diese Blasenbildung erfolgt allerdings nur dann, wenn der Schwefelwasserstoff oder die Säure dauernd anliegen [10]. Eine solche Dauerbeaufschlagung war im vorliegenden Fall nicht gegeben.

    3.4. Ursache und Ablauf des Schadens

    Im vorliegenden Fall konnten sich Wasser und Schwefelwasserstoff örtlich anreichern. Dies ergab sich aus dem Umstand, dass in eine lange Steigung der Rohrleitung eine kurze Absenkung eingefügt war.

    Mit dem Anfahren der Pumpen beginnt das Öl allmählich zu fließen und spült den Sumpf weg, d. h., in dem Moment, in dem der Betriebsdruck erreicht wird, wird die Wasserstoffaufnahme beendet. Der Wasserstoff braucht jedoch eine gewisse Zeit, um in die hochverspannten Gebiete zu diffundieren und dort an den Einschlüssen kritische Innenlasten aufzubauen (Inkubationszeit). Es scheint daher für die Auslösung des Schadens notwendig gewesen zu sein, dass sich die Beladung mit Wasserstoff und die mechanische Belastung zeitlich überlagerten.

    Wenn die Pumpe gegen den geschlossenen Schieber der Abnehmerseite arbeitet, bleibt der Sumpf erhalten. Dieser Fall könnte im Juni des Schadensjahres vorgelegen haben, als man aus einer mehrtägigen Pause heraus in die Dichtheitsprüfung ging. Ein Risskeim entstand. Um den Riss weiter zu treiben, waren nur noch geringe Wasserstoffeinträge notwendig, wie sie sich bei den zwei weiteren Dichtheitsproben und schließlich auch beim normalen Betrieb ergeben haben.

    Im vorliegenden Fall war die Naht maschinell geschweißt worden (Unter-Pulver-Schweißung). Wegen des starken Wärmeeintrages fällt hierbei, im Gegensatz zur Handschweißung, die Aufhärtung gering aus, die Eigenspannungen sind aber hoch; d. h., die geringere Empfindlichkeit des Werkstoffes wird durch ein höheres Spannungsniveau kompensiert.

    Der vorgefundene Altriss ist wahrscheinlich während einer früheren Dichtheitsprobe entstanden. Obwohl durch Korrosion abgestumpft, wirkte er als Startkerbe.

    Da Schwefelwasserstoff die treibende Kraft liefert, hat sich für diese Art des Schadens im Englischen die Bezeichnung "sulphide stress cracking" eingeführt, was man im Deutschen mit "Schwefelwasserstoff-Spannungsbruch" wieder geben könnte.

    Durch die vorliegende Diagnose wurde der Verdacht der allgemeinen Verrottung der Pipeline ausgeräumt. Die Reparatur konnte sich darauf beschränken, den Anlass für die Sumpfbildung zu beseitigen, also das Rohrgefälle gleichmäßig zu gestalten.

    Die Reinigung des verseuchten Erdreiches übertrug man Bakterien, vgl. [11], [12]. Dafür wurden vier Jahre benötigt. Die Kosten betrugen etwa 63 Millionen Deutsche Mark [13]. Bei der Beseitigung von Umweltschäden stieß man damit in neue Dimensionen vor.

    Gegen das Personal der Pumpstation wurde ein Gerichtsverfahren eröffnet. Der Vorwurf bestand darin, dass der Zeitraum, in dem versucht wurde, die Pumpe wieder anzufahren, mit 3 Stunden relativ groß war. Es stellte sich die Frage, wie man erkennen kann, dass der Fehler nicht an der Pumpe, sondern in der Leitung liegt. Man hätte auf der Empfängerseite ein Gerät installieren müssen, welches die ankommende Menge misst. Das war aber zu damaliger Zeit nicht üblich. In Deutschland hatte es einen solchen Leckfall an Leitungen für Öl – im Gegensatz zu solchen für Gas – noch nicht gegeben. Das Personal war mit der Situation überfordert, und man stellt das Verfahren ein. Immerhin ist der Begriff "wasserstoffinduzierte Rissbildung" gefallen [14].

    Mit der Zeit wurde das gesamte Fernrohrleitungssystem Ostdeutschlands einem sogenannten Stresstest unterworfen. Dabei füllt man die Leitung abschnittsweise mit Wasser auf und belastet den Stahl bis etwa an seine Streckgrenze. Neben dem Druck misst man auch die zugegebene Wassermenge und erhält eine Art Kraft-Weg-Kurve. Nach einer Haltezeit 60-90 Minuten fährt man ab und wiederholt die Druckaufbringung [15], [16].

    Gleich im DPA 0 (DPA=Druckabschnitt) ergab sich ein "Ausreißer" (Platzer bei einem Druck von 86 bar statt jeweils 125 und 129 bar in der Nachbarschaft. Es fanden sich Sulfidbeläge und wiederum Minifischaugen auf der Bruchfläche. Dieser Rohrabschnitt führt nordwärts von der Oder zur Raffinerie Schwedt. Zwischen den Orten Crussow und Schöneberg überquert die Leitung einen Hügel in der Höhe von 67 m. Auf ihrem weiteren Weg nach Berkholz fällt sie ab mit Tiefpunkten bei einer Höhe von 40 m, um dann noch einmal anzusteigen. Einer dieser Tiefpunkte war der Ort des Platzers (Springsee?). Offenbar hat auch die Zufuhr des Öls aus Russland hin und wieder gestockt.

    Die Fachleute der DDR hätten es vorgezogen, nahtlos gewalzte Rohre aus Westdeutschland (z. B. von der Fa. Mannesmann) anstelle von selbst gebogenen und geschweißten Blechen im Boden zu versenken. Doch die USA unterbanden den Handel. Dieses "Röhrenembargo" währte von 1963-66. Dass man kurzsichtig gehandelt hatte, beweist der vorliegende Fall. In den 1980iger Jahren kam das Geschäft "Großröhren für Erdgas" in Gang. Der Versuch der USA, auch hier ein Embargo zu verhängen, wurde von der Regierung Westdeutschlands abgewehrt.

    3.5. Vorsichtsmaßnahmen

    Der Wasserstoffeintrag ergibt sich als die Folge einer Korrosion und diese wiederum aus einer Entmischung. Solange das Öl fließt, ist die Pipeline weitgehend vor Korrosion geschützt. Anderweitige Havarien, wirtschaftliche und politische Krisen können dazu führen, dass der Ölfluss unterbrochen wird. Der kritische Moment ist das Wiederanfahren. Wie bei allen medieninduzierten Brüchen muss eine bestimmte Schwelle aus Konzentration des Wasserstoffs und der Höhe der mechanischen Belastung überschritten werden. Wasserstoffrisse wachsen relativ schnell.

    Was die Spannung angeht, so kommt es auf den Grad der Dreiachsigkeit an, ausgedrückt durch den sogenannten Spannungsintensitätsfaktor. Insofern sind geschweißte Rohre anfälliger als nahtlos gewalzte.

    Das Wasserstoffangebot ergibt sich aus dem Verhältnis der Längen von Einzugsbereich und Stauzone (Senke) bei einem Mindestmaß an Gefälle. Deshalb sollte die Höhenlage der Leitung nur allmählich verändert werden. Es liegt in der Natur des Dükers, dass die Höhe abrupt wechselt. Er stellt somit eine Schwachstelle dar und sollte nur sparsam eingesetzt werden, also nicht bei Straßen-, sondern nur bei Flussquerungen. Bei Molchfahren ist nach Sulfidbelägen zu suchen; unter ihnen können sich Risse verbergen.

    Ist ein längerer Stillstand zu erwarten, sollte man die Leitung leeren, ausspülen und trocken blasen ("konservieren").

    Der Aussetzerbetrieb der Dieselkraftstoffraffination in Zeitz hatte schon einmal für eine wasserstoffbedingte Havarie gesorgt (im Jahre 1978). Nachdem die Anlage eine längere Zeit geruht hatte, wurde sie einer Druckprobe unterworfen. Anschließend ging man in Betrieb. Wenige Tage später warf ein Behälter (B204) seinen Deckel ab, vgl. [17]. Die Anlage war feucht abgestellt worden, wodurch sich eine Dauerbeladung mit Wasserstoff ergab. Man nahm diesen Schaden zum Anlass, Druckproben an H2S-belasteten Anlagen zu verbieten.

    4. Zusammenfassung

    Während die Förderung des Rohöles längere Zeit ruhte, hatten sich Wasser und Schwefelwasserstoff aus dem Öl abgeschieden, in einer Rohrsenke unter der Autobahn gesammelt und einen entsprechenden Sumpf gebildet. Als Folge wurde die Rohrsohle stark flächig angegriffen und mit Wasserstoff beladen. Bei einer anschließenden Dichtheitsprobe blieb der Sumpf erhalten, so dass sich die betriebliche Beanspruchung und die Zufuhr von Wasserstoff zeitlich überlagerten. Es entstand ein Risskeim an der Schweißnaht (Längsnaht), welcher in den folgenden drei Monaten wuchs.

    Der Wasserstoff hat den Stahl von den Einschlusshohlräumen her, unter Bildung mikroskopischer Fischaugen, aufgebrochen.

    Eine Voraussetzung für den Schaden bestand darin, dass das Rohr so angeordnet war, dass die Schweißnaht unten lag. Bei einem der früheren Stillstände war bereits eine Rissbildung abgelaufen. Dieser Riss blieb hängen und wurde breit auskorrodiert; er diente nun als Startkerbe.

    Es liegt eine Wasserstoffversprödung vor. Unter Bezug auf das angreifende Mittel kann man auch von einem Schwefelwasserstoff-Spannungsbruch sprechen.

    Literatur

    1. Address to Inter-Allied Petroleum Council, London, Nov. 21, 1918 (zitiert nach: The NewYork Times, November 23 [1918])
    2. Walser, Martin: Ein springender Brunnen. Suhrkamp Verlag Frankfurt am Main 1998, S. 289 (Textausschnitt im Anhang)
    3. Ausflugsatlas Bezirke Leipzig . Halle. VEB Touristverlag Berlin/Leipzig 1978. S. 158
    4. Schulatlas der DDR. VEB Hermann Haak Gotha 1988, S. 10
    5. Tellkamp, Uwe: Der Turm – Geschichte aus einem versunkenen Land. suhrkamp taschenbuch 4160. Suhrkamp Verlag Frankfurt am Main 2010, S. 930 (Textausschnitt im Anhang)
    6. Bericht des Technischen Überwachungsvereins Hannover/Sachsen-Anhalt vom 17.09.1993, Aktenzeichen: MPL 143/93 (eigener Bericht vom 15.09.1993 als Zuarbeit)
    7. Bild am Sonntag vom 12.09.1993, S. 14/15 (Verf. Markus Walter): Ölpipeline – die Zeitbombe tickt. Jahrzehntealte Rohre, Leitungen angerostet. Katastrophenschutz ist mangelhaft ausgerüstet.
    8. STERN, 26.9.1993: Umweltrisiko"Rund 1000 Kilometer Ölpipelines in den neuen Bundesländern entsprechen nicht den westlichen Sicherheitsstandards und gefährden die Umwelt. Obwohl die Leitungen erst in den 70er Jahren gezogen wurden, weisen sie bereits Löcher und Risse auf. ..."
    9. Kikuta, Y.; Araki, T.; Kuroda, T.: Analysis of fracture morphology of hydrogen assisted cracking in steel and its welds. ASTM STP 645, Philadelphia 1978, pp. 107-127
    10. Möser, M.: Zum Wasserstoffbruch niedrigfester Stähle – Fischaugen und Blasenrisse. Neue Hütte, Leipzig 29 (1984) 6, S. 229-234
    11. Mitteldeutsche Zeitung 07.08.1994 (Verf. Bärbel Schmuck): Umwelt. Wo Bakterien das Öl wegfressen können. Heute vor einem Jahr an der A 9 bei Weißenfels: Größte Ölhavarie Sachsen-Anhalts.
    12. Daei, B.; Schmitz, J.; Stölting, K.; Patzig, D.: Ökologisch sinnvolle Verfahren zur Wiederherstellung der Funktionalität belasteter Flächen im Hinblick auf eine Folgenutzung, dargestellt an Beispielen aus der Praxis. Landesumweltamt Brandenburg, Studien und Tagungsberichte, Band 4: Abfallwirtschaft und Bergbau, S. 55-59
    13. LOBBE TatSachen Nr. 13/1998, S. 16
    14. Hallesches Tageblatt vom 18.05.1995: Gerichtsverfahren nach Pipelinebruch bei Weißenfels eingestellt. Kein menschliches Versagen bei Ölhavarie an der A9 festgestellt / Aufwendige Analyse ergab Korrosionsursachen. (Textausschnitt im Anhang)
    15. Dechant, K.-E. Stresstest – Prüfziel und bisherige Erfahrungen. 3R International 15 (1976) S. 26-30
    16. Leipnitz, R.; da la Camp, H.-J.; Kuhn, G.; Dube, R.: Inspektion und Rehabilitation von Rohrfernleitungen. Rehabilitation mittels Stresstest – ein praktikabler Weg zur Erhöhung der Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Sicherheit von bestehenden Rohrfernleitungen. Workshop on the prevention of water pollution due to pipeline accidents, Berlin 2005 (Veröffentlichungen des Umweltbundesamtes)
    17. Möser, M.:Schäden an einem Rohrbogen einer Äthylenanlage. VDI Berichte Nr. 902, 1991; S. 281-304

    Weiterhin aus dem Hydrierwerk Zeitz stammt der Fall:
    Rissbildung an einem Rohrbogen durch Schwefelwasserstoff – Wasserstoffversprödung

    Als ähnlicher Fall sei die Havarie einer Stadtgasleitung mit ruhender Gas-Säule durch Wasseransammlung in einem Talbereich aufgeführt:
    Bruch einer Ferngasleitung infolge Wasserstoffversprödung
    (beide Fälle in dieser Homepage)

    Martin Möser, 03. Dezember 2012, erweitert: 24.03.2013





    Anhang mit den Zitaten [1], [2], [5] und [14] in wörtlicher Wiedergabe (ausschnittsweise)

    Zitat [1] zur Rede von Curzon mit Übersetzung:

    Earl Curzon Tells How Allied Ingenuity Overcame Petroleum Crisis of 1916 Earl Curzon berichtet, wie die Findigkeit der Alliierten die Petroleum-Krise von 1916 überwand
    LONDON, November 21 – Earl Curzon, member of the British War Cabinet, presided tonight at a dinner given by the British Government to the Interallied Petroleum Conference. LONDON, November 21 – Earl Curzon, Mitglied des britischen Kriegskabinetts, präsidierte heute Abend bei einem Essen, welches die britische Regierung der Interalliierten Petroleum-Konferenz gab.
    In toasting the French, American and Italian delegates, Earl Curzon declared that the Allied cause had been "floated to victory on a wave of oil" because if it had not been for the great fleets of motor trucks the war could not have been won. In the late eighteen months the Council has dealt with 13,000,000 tons of oil. In einem Toast auf die französischen, amerikanischen und italienischen Delegierten erklärte Earl Curzon, dass die Verbündeten "von einer Woge aus Öl zum Sieg getragen wurden.". Das Öl war nötig, um die großen Flotten von Lastkraftwagen am Laufen zu halten. Anderenfalls hätte man den Krieg nicht gewonnen. In den letzten achtzehn Monaten hat der Kriegsrat 13.000.000 Tonnen Öl beschafft.
    In December 1916, Earl Curzon said, the oil situation was critical. Stocks were so depleted that the British fleet was obliged to restrict operations. Im Dezember 1916, sagte Earl Curzon, war die Öl-Situation kritisch. Die Vorräte waren so erschöpft, dass die britische Flotte gezwungen war, ihre Operationen zu beschränken.
    At the time when tank ships were being sunk in increasing numbers the idea was conceived of carrying oil in the double bottoms of ordinary cargo vessels, and 1.000,000 tons were transported in this manner. In dieser Zeit waren Tankschiffe in einem wachsenden Umfang versenkt worden. Man kam auf die Idee, Öl in den doppelten Böden der normalen Frachtschiffe zu befördern. Auf diese Weise gelang es, 1.000.000 Tonnen zu transportieren.



    Zitat [2](Walser, ein springender Brunnen) zu Autarkie:
    Johann, die zentrale Figur des autobiographischen Romans, befindet sich auf der Heimfahrt von der Insel Dänholm bei Stralsund nach Wasserburg am Bodensee. Auf dem Dänholm hat er an der Reichsmeisterschaft der Marine-HJ teilgenommen und das Signalwinken gewonnen. Seine Freunde haben in Berlin den Zug verlassen, um sich die dortige Trümmerlandschaft anzuschauen. Der Zug hat Mitteldeutschland erreicht:
    "Leuna, sagten die Soldaten, als der Zug eine halbe Stunde lang an einer Röhren- und Gestängewildnis entlang fuhr. Da werde Benzin gemacht. Aus Kohle. Sobald wir autark sind, ist der Krieg gewonnen. Einer grölte: Heute nacht oder nie. Ein anderer fiel ein: Autarkie, Autarkie."

    Zitat [5](Tellkamp, Turm) zur Ölwirtschaft der DDR in ihren letzten Jahren:
    Der Held der Romans, Christian, hat zwei Onkels, Meno (Bruder der Mutter) und Ulrich (Bruder des Vaters). Ersterer ist Lektor in einem Verlauf, letzterer arbeitet als technischer Direktor in einem Betrieb und ist außerdem das einzige Parteimitglied der Familie. Meno schreibt in sein Tagebuch:
    "Ulrich sorgenvoll. Gealtert. Schwierigkeiten im Betrieb. ... Da die Weltmarktpreise für Rohöl und infolgedessen auch für Industrieprodukte auf Erdölbasis seit `86 stark gesunken seien, liege der Preis, den wir nach RGW-Abkommen an die SU für Öl zu zahlen hätten, weit über dem Weltmarktniveau. Das verteuere unsere Produkte – wir könnten sie nicht mehr mit den notwendigen Gewinnen in den Westen verkaufen."

    Zitat [14] zum Gerichtsverfahren:
    Mit Verfügung vom 13. April 1995 wurde das Verfahren eingestellt. Das teilte Oberstaatsanwalt Ingo Sierth von der Zweigstelle Naumburg der Staatsanwaltschaft Halle mit.
    Die Ermittlungen wurden in zwei Richtungen geführt, einerseits wurde geprüft, ob die Schadensursache schuldhaft herbei geführt worden ist, andererseits wurde dem Verdacht nachgegangen, dass der Umweltschaden durch verspätete Abschaltung des Pumpbetriebes schuldhaft vergrößert worden ist. Sachverständiger: Der Bruch wurde durch wasserstoffinduzierte Rissbildung hervorgerufen, die von Korrosionsfurchen und auskorrodierten Anrissen im Schweißnahtübergang ausging. Diese Anrisse könnten von einer vorangegangenen Spannungsrisskorrosion oder einer dehnungsinduzierten Risskorrosion stammen. Ein Riss im Fernleitungssystem Spergau-Zeitz sei wenige Minuten nach dem Anfahren der Hauptpumpe am 26. August 1993 um 20.30 Uhr aufgetreten. Der Pumpbetrieb sei um 23.50 Uhr wegen des Verdachts auf eine Undichtheit eingestellt worden. Nach der zeitaufwendigen Analyse der Situation und einer Abwägung der Einflussfaktoren kommt der Gutachter zu der Auffassung, dass bereits um 23.10 Uhr Verdachtsmomente für eine Undichtheit des Fernleitungssytems vorlagen, die die Einstellung des Betriebes gerechtfertigt hätten. Hierbei müsse jedoch bedacht werden, dass dem Bedienungspersonal in der Praxis für das Erkennen und die Entscheidung im Gegensatz zum Gutachter nur kurze Zeit zur Verfügung gestanden hätten. Veraltete und wenig zuverlässige Kontroll- und Überwachungseinrichtungen sind ein Grund dafür, dass es für das Bedienungspersonal nicht möglich gewesen [sei], den Schaden an der Pipeline schnell zu erkennen.

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