Ein Wasserstoff-Prüfstand wird nach dem Austausch mehrerer Rohrverschraubungen erneut auf Dichtheit geprüft. Während einer Druckhalteprüfung fällt der gemessene Druck geringfügig ab. Ist tatsächlich eine Verbindung undicht, hat sich lediglich die Gastemperatur verändert oder liegt die Ursache in einer anderen Komponente des Prüfaufbaus? Ein tragbares H₂-Lecksuchgerät zeigt an einer Verschraubung anschließend eine erhöhte Wasserstoffkonzentration. Doch reicht dieses Ergebnis bereits aus, um die zulässige Leckrate der gesamten Baugruppe nachzuweisen?
Bei der H₂-Lecksuche müssen unterschiedliche Prüfverfahren klar voneinander getrennt werden. Eine Druckabfallmessung kann Hinweise auf die Gesamtdichtheit eines abgeschlossenen Prüfvolumens liefern. Eine Schnüffelmessung dient dagegen vor allem dazu, austretendes Gas an einer bestimmten Stelle nachzuweisen und die Leckage zu lokalisieren. Der Einsatz eines geeigneten Prüfgases ermöglicht eine weitere Anpassung der Nachweisempfindlichkeit und der sicherheitstechnischen Prüfbedingungen.
Wasserstoff stellt besondere Anforderungen an diese Verfahren. Das Gas besitzt eine hohe Diffusionsfähigkeit, kann durch bestimmte Dichtungswerkstoffe permeieren und unter ungünstigen Bedingungen die mechanischen Eigenschaften metallischer Bauteile beeinflussen. Hinzu kommen die breite Entzündbarkeit in Luft, die geringe erforderliche Zündenergie und häufig hohe Betriebsdrücke in Speichern, Elektrolyseanlagen, Brennstoffzellensystemen und Prüfständen.
Dieser Fachbeitrag erläutert, wie Druckabfallprüfung, H₂-Schnüffelmessung und Tracergasverfahren fachgerecht kombiniert werden können. Im Mittelpunkt stehen die Definition einer zulässigen Leckrate, temperaturbedingte Druckänderungen, H₂-geeignete Werkstoffe und Verschraubungen sowie die Auswahl passender Drucksensoren und Gaslecksuchgeräte. Ein Rechenbeispiel zeigt, warum eine kleine Temperaturänderung bereits einen erheblichen scheinbaren Druckverlust verursachen kann.
Inhaltsverzeichnis
- Prüfziel, Prüfumfang und zulässige Leckrate definieren
- Wasserstoffspezifische Eigenschaften bei der Lecksuche berücksichtigen
- Druckabfall, Schnüffelmessung und Tracergasverfahren unterscheiden
- Prüfvolumen, Verschraubungen und Systemgrenzen festlegen
- Dichtprinzip und mechanischen Zustand der Verschraubung prüfen
- Werkstoffverträglichkeit, Permeation und Versprödung bewerten
- Eine Druckabfallprüfung richtig auswerten
- Temperaturänderungen und Druckstabilisierung berücksichtigen
- Rechenbeispiel: Druckabfall mit Temperaturkorrektur
- Druckverlust, Leckrate und Akzeptanzgrenze unterscheiden
- H₂-geeignete Drucksensoren und Messbereiche auswählen
- Leckstellen mit einer H₂-Schnüffelmessung lokalisieren
- Schnüffelabstand, Hintergrundkonzentration und Ansprechzeit bewerten
- Formiergas mit Wasserstoff als Tracergas einsetzen
- Helium als alternatives Prüfgas berücksichtigen
- Die drei Prüfverfahren sinnvoll miteinander kombinieren
- Betriebsdruck, Temperaturwechsel und dynamische Belastungen prüfen
- Explosionsschutz, Prüfgasführung und sichere Druckprüfung beachten
- Einen systematischen H₂-Leckprüfablauf durchführen
- Messunsicherheit, Kalibrierung und Nachweisgrenzen bewerten
- Typische Fehler und Fehlinterpretationen diagnostizieren
- Passende H₂-Mess- und Lecksuchtechnik von ICS Schneider
- Fazit: Gesamtdichtheit und lokale Leckortung getrennt nachweisen
- Häufige Fragen zur H₂-Lecksuche an Verschraubungen
1. Prüfziel, Prüfumfang und zulässige Leckrate definieren
Vor Beginn einer Dichtheitsprüfung muss eindeutig feststehen, welche Aussage benötigt wird. Soll nachgewiesen werden, dass eine komplette Wasserstoffleitung ausreichend dicht ist? Geht es um die Lokalisierung einer bereits vermuteten Undichtigkeit? Oder muss eine definierte maximale Leckrate für eine einzelne Verschraubung nachgewiesen werden?
Diese Prüfziele erfordern unterschiedliche Messverfahren und Akzeptanzkriterien.
Bei einer Druckhalteprüfung wird beispielsweise beurteilt, ob sich der Druck in einem abgeschlossenen Prüfvolumen innerhalb eines definierten Zeitraums verändert. Bei einer Schnüffelprüfung wird untersucht, ob an bestimmten Stellen austretendes Prüfgas nachgewiesen werden kann.
Ein negativer Schnüffelbefund bedeutet zunächst nur, dass unter den angewendeten Prüfbedingungen kein Signal oberhalb der relevanten Nachweis- beziehungsweise Bewertungsschwelle festgestellt wurde. Er stellt keinen allgemeinen Nachweis absoluter Dichtheit dar.
Für eine quantitative Dichtheitsanforderung muss dagegen eine zulässige Leckrate festgelegt werden. Diese kann beispielsweise in mbar·l/s, Pa·m³/s oder einer geeigneten Massenstrom- beziehungsweise Normvolumenstromeinheit angegeben werden.
Die Anforderungen hängen vom Einsatzfall ab. Eine Wasserstoffleitung in einem Prüfstand besitzt andere Randbedingungen als ein Speicher mit vielen Druckzyklen oder eine Verbindung innerhalb einer Brennstoffzellenanlage.
Auch die sicherheitstechnischen Folgen einer Undichtigkeit sind zu berücksichtigen. Besonders bei geschlossenen Gehäusen, schlecht belüfteten Bereichen oder möglichen Zündquellen kann bereits eine kleine Leckage relevant sein.
Vor der Geräteauswahl sollten deshalb Prüfobjekt, Prüfmedium, Prüfbedingungen, erforderliche Empfindlichkeit und zulässige Leckrate dokumentiert sein. Ohne diese Angaben lässt sich nicht zuverlässig entscheiden, ob eine einfache Druckabfallprüfung ausreicht oder ein empfindlicheres Tracergasverfahren erforderlich ist.
2. Wasserstoffspezifische Eigenschaften bei der Lecksuche berücksichtigen
Wasserstoff unterscheidet sich hinsichtlich seiner physikalischen Eigenschaften deutlich von vielen anderen technischen Gasen. Er ist farb- und geruchlos und besitzt eine sehr geringe molare Masse.
Unter atmosphärischen Bedingungen ist Wasserstoff wesentlich leichter als Luft. Austretendes Gas kann daher bei entsprechenden Strömungs- und Umgebungsbedingungen schnell aufsteigen. In geschlossenen Räumen oder unter Einhausungen können sich trotzdem gefährliche Konzentrationen ansammeln.
Hinzu kommt die hohe Diffusionsfähigkeit. Wasserstoff kann durch bestimmte Werkstoffe und Dichtungsmaterialien dringen, die gegenüber anderen Gasen vergleichsweise dicht erscheinen.
Metallische Werkstoffe können unter bestimmten Kombinationen aus Werkstoffzustand, Temperatur, Druck und mechanischer Spannung zusätzlich durch Wasserstoff beeinflusst werden. Dabei sind insbesondere wasserstoffunterstützte Schädigungs- und Versprödungsmechanismen relevant.
Für die Leckprüfung bedeutet das: Ein System, das mit einem anderen Gas eine geringe Leckage zeigt, muss nicht zwangsläufig dieselbe Leckrate mit Wasserstoff besitzen.
Besonders wichtig ist außerdem die Entzündbarkeit. Unter üblichen atmosphärischen Bedingungen liegt der Entzündbarkeitsbereich von Wasserstoff in Luft ungefähr zwischen 4 und 75 Vol.-%. Die konkrete Entzündbarkeit wird zusätzlich durch Temperatur, Druck, Sauerstoffgehalt und weitere Randbedingungen beeinflusst.
Die H₂-Lecksuche muss deshalb immer mit einer geeigneten Gefährdungsbeurteilung verbunden sein. Die Auswahl eines empfindlichen Messgeräts ersetzt weder sichere Prüfbedingungen noch eine geeignete Belüftung und Überwachung der Umgebung.
Auch bei sehr kleinen Leckstellen muss der Unterschied zwischen einer technisch zulässigen Leckrate und einer sicherheitstechnisch akzeptablen Freisetzung eindeutig bewertet werden.
3. Druckabfall, Schnüffelmessung und Tracergasverfahren unterscheiden
Für die Untersuchung von Wasserstoff-Verschraubungen stehen unterschiedliche Prüfverfahren zur Verfügung. Sie ergänzen sich, weil sie verschiedene Eigenschaften der Dichtheit erfassen.
| Prüfverfahren | Messgröße / Aussage | Stärke des Verfahrens | Wichtige Einschränkung |
|---|---|---|---|
| Druckabfallprüfung | Druckänderung eines abgeschlossenen Prüfvolumens über die Zeit | Bewertung der Gesamtdichtheit unter definierten Bedingungen | Keine direkte Leckortung; empfindlich gegenüber Temperatur und Prüfvolumen |
| Lokale H₂-Schnüffelmessung | Nachweis einer erhöhten H₂-Konzentration an der Prüfsonde | Lokalisierung von Undichtigkeiten an Verschraubungen und Anschlüssen | Anzeige hängt von Gasverteilung, Messabstand und Geräteeigenschaften ab |
| Wasserstoff-Tracergasprüfung | Nachweis eines definierten H₂-Anteils in einem geeigneten Prüfgasgemisch | Gezielte Lecksuche bei definiertem Prüfmedium | Quantitative Leckrate nur bei geeignetem, entsprechend kalibriertem Verfahren |
| Helium-Tracergasprüfung | Heliumspezifischer Nachweis mit geeignetem Leckdetektor | Empfindliche Leckprüfung für geeignete Anwendungen | Eigenes Prüfmedium, geeignete Messtechnik und angepasste Bewertung erforderlich |
Ein Druckabfallversuch kann zeigen, dass die Gesamtdichtheit eines abgegrenzten Volumens auffällig ist. Er liefert aber normalerweise keine Information darüber, an welcher Verschraubung die Undichtigkeit sitzt.
Eine Schnüffelprüfung ermöglicht dagegen eine räumliche Zuordnung. Sie ist besonders nützlich, wenn mehrere Anschlüsse dicht nebeneinander liegen und eine bestimmte Verbindung überprüft werden soll.
Für den quantitativen Nachweis kleiner Leckraten können spezielle Tracergas-Leckdetektoren erforderlich sein. Solche Geräte sind auf ein definiertes Prüfgas und einen entsprechenden Messbereich ausgelegt.
Ein tragbares Gaslecksuchgerät, das eine H₂-Konzentration in ppm anzeigt, ist deshalb nicht automatisch ein kalibriertes Leckratenmessgerät mit einer Anzeige in mbar·l/s.
Die Auswahl erfolgt anhand des Prüfzwecks. Für eine belastbare Abnahme kann die Kombination mehrerer Verfahren sinnvoller sein als der Einsatz eines einzelnen Geräts.
4. Prüfvolumen, Verschraubungen und Systemgrenzen festlegen
Eine Druckabfallprüfung bewertet das Gasvolumen, das tatsächlich vom übrigen System getrennt wurde. Deshalb muss vor der Prüfung eindeutig feststehen, welche Rohrleitungen, Armaturen, Sensoren und Verbindungselemente Teil dieses Prüfvolumens sind.
Auch das Volumen von Prüfadaptern, Messleitungen und angeschlossenen Drucksensoren kann relevant sein.
Ein großes Prüfvolumen reagiert auf dieselbe kleine Leckrate mit einer langsameren Druckänderung als ein kleines Prüfvolumen. Die Größe des Prüfvolumens beeinflusst damit unmittelbar die Empfindlichkeit einer Druckabfallmessung.
Die verwendeten Absperrventile müssen für die Prüfaufgabe geeignet sein. Eine interne Undichtigkeit über ein Absperrventil kann beispielsweise einen Druckabfall erzeugen, obwohl die zu prüfenden Verschraubungen selbst dicht sind.
Auch die Druckversorgung muss während der eigentlichen Haltephase entsprechend dem gewählten Prüfverfahren sicher und eindeutig vom Prüfvolumen getrennt sein.
Besondere Aufmerksamkeit benötigen Prüfanschlüsse und temporäre Adapter. Sie können selbst zusätzliche Leckstellen einbringen.
Für eine systematische Untersuchung sollte deshalb eine eindeutige Prüfgrenze dokumentiert werden. Dazu gehören die Lage der Absperrungen, alle enthaltenen Komponenten und das angenommene beziehungsweise bestimmte Innenvolumen.
Bei umfangreichen Anlagen kann es sinnvoll sein, einzelne Prüfbereiche getrennt zu untersuchen. Dadurch lässt sich eine auffällige Druckänderung später leichter einem bestimmten Anlagenabschnitt zuordnen.
Die Aufteilung muss jedoch nach einem freigegebenen Prüfkonzept erfolgen. Insbesondere dürfen sicherheitsrelevante Druckgrenzen und die Funktion der Schutzarmaturen nicht durch improvisierte Absperrmaßnahmen verändert werden.
5. Dichtprinzip und mechanischen Zustand der Verschraubung prüfen
Eine Rohrverschraubung ist nicht allein deshalb dicht, weil ihr Gewinde fest angezogen wurde. Entscheidend ist, an welcher Stelle die Abdichtung konstruktiv vorgesehen ist.
Bei einer Schneidring- oder Klemmringverschraubung entsteht die Abdichtung durch das dafür vorgesehene Zusammenspiel aus Rohr, Verschraubungskörper und Klemm- beziehungsweise Dichtelement.
Bei anderen Anschlüssen kann die Dichtfunktion über einen metallischen Konus, eine definierte Dichtfläche, einen geeigneten O-Ring oder eine andere herstellerspezifische Konstruktion erfolgen.
Das Gewinde dient dabei häufig primär der mechanischen Verspannung. Es ist nicht automatisch die gasdichtende Fläche.
Für die H₂-Lecksuche sollte deshalb die Verbindung zunächst eindeutig identifiziert werden. Eine konische Gewindeabdichtung benötigt andere Voraussetzungen als ein parallelgewindiger Anschluss mit separater Dichtung.
Auch die Vorbereitung des Rohres ist wichtig. Ungeeignete Rohrabmessungen, beschädigte Oberflächen, fehlerhafte Einstecktiefen oder eine nicht bestimmungsgemäße Erstmontage können die Dichtfunktion beeinträchtigen.
Ein überhöhtes Anziehdrehmoment ist ebenfalls kein allgemeingültiges Mittel zur Beseitigung einer Leckage. Es kann Dichtflächen beschädigen, Gewinde überlasten oder eine Klemmverbindung dauerhaft verformen.
Deshalb darf eine auffällige Verschraubung nicht ohne entsprechende Herstelleranweisung unter Druck nachgezogen werden.
Die weiterführende Beurteilung von Gewindearten, Adaptern und Dichtprinzipien beschreibt der ICS-Fachbeitrag Wasserstoff-Messstelle auf Dichtheit prüfen: Gewinde, Adapter und Leckrate richtig bewerten.
6. Werkstoffverträglichkeit, Permeation und Versprödung bewerten
Für Wasserstoff-Anwendungen müssen alle medienberührten Komponenten hinsichtlich Werkstoff, Druck, Temperatur und Betriebsbedingungen geeignet sein.
Das betrifft nicht nur die Rohrleitung. Auch Verschraubungskörper, Dichtungen, Ventilsitze, Drucksensor-Membranen und Prüfanschlüsse gehören zur medienberührten Mess- und Prüfkette.
Bei elastomeren Dichtungen kann Wasserstoff abhängig vom Material und den Betriebsbedingungen durch den Werkstoff permeieren. Dieser Vorgang ist von einer punktuellen Undichtigkeit an einer beschädigten Dichtfläche zu unterscheiden.
Eine Permeation kann bei empfindlichen Leckprüfverfahren einen messbaren Gasaustritt verursachen, obwohl kein einzelner mechanischer Defekt vorliegt.
Bei metallischen Werkstoffen stehen andere Effekte im Vordergrund. Unter bestimmten Voraussetzungen kann Wasserstoff die mechanischen Eigenschaften beeinflussen und das Risiko wasserstoffunterstützter Rissbildung erhöhen.
Nicht jeder Edelstahl ist unter allen H₂-Betriebsbedingungen gleichermaßen geeignet. Selbst innerhalb einer Werkstoffgruppe können Festigkeit, Gefüge, Oberflächenzustand und mechanische Belastung die Eignung beeinflussen.
Eine pauschale Angabe wie „Edelstahl“ oder „FKM-Dichtung“ reicht deshalb für eine anspruchsvolle Hochdruck-Wasserstoffanwendung nicht aus.
Besonders kritisch sind wiederholte Druckwechsel und ungünstige Kombinationen aus hoher mechanischer Spannung und geeigneten Bedingungen für wasserstoffinduzierte Schädigung.
Auch die verwendete Prüfgasart beeinflusst die Beurteilung. Eine mit Stickstoff nachgewiesene Leckrate kann nicht ohne Weiteres als identischer Wert für Wasserstoff übernommen werden.
Die Eignung der medienberührten Werkstoffe muss anhand der konkreten Herstellerfreigabe und der tatsächlichen Einsatzbedingungen nachgewiesen werden.
7. Eine Druckabfallprüfung richtig auswerten
Bei einer Druckabfallprüfung wird ein definiertes Prüfvolumen unter dafür zugelassenen Bedingungen mit einem geeigneten Prüfmedium beaufschlagt. Anschließend wird die Druckänderung über eine festgelegte Zeit beobachtet.
Für die Auswertung wird häufig zunächst die Druckänderung zwischen Beginn und Ende der Haltezeit bestimmt:
Δp = p1 − p2
Die reine Druckänderung ist allerdings noch keine vollständige Leckrate. Sie muss im Zusammenhang mit dem Prüfvolumen, dem Zeitraum und den thermodynamischen Bedingungen bewertet werden.
Unter vereinfachten, isothermen Bedingungen bei konstantem Prüfvolumen kann eine äquivalente Druck-Volumen-Rate abgeschätzt werden:
QpV ≈ V · Δp / Δt
Dabei ist V das Prüfvolumen und Δt die betrachtete Zeit.
Wird der Druck in mbar, das Volumen in Litern und die Zeit in Sekunden eingesetzt, ergibt sich der Wert in mbar·l/s.
Diese Beziehung beschreibt eine vereinfachte Bewertung unter den genannten Voraussetzungen. Der Wert ist nicht automatisch ein unmittelbar übertragbarer Normvolumenstrom oder eine H₂-Massenleckrate unter anderen Betriebsbedingungen.
Für anspruchsvolle Prüfungen müssen zusätzlich Veränderungen der Temperatur, des Umgebungsdrucks und gegebenenfalls des Prüfvolumens berücksichtigt werden.
Auch die Messwerterfassung spielt eine Rolle. Kurzzeitige Druckschwankungen, eine ungeeignete Mittelung oder ein nicht ausreichend stabilisiertes Prüfsystem können zu falschen Schlussfolgerungen führen.
Die Druckabfallprüfung ist daher besonders aussagekräftig, wenn das gesamte Prüfvolumen und die relevanten Betriebsbedingungen bekannt sind und die verwendete Druckmesstechnik eine ausreichende Auflösung und Unsicherheit besitzt.
8. Temperaturänderungen und Druckstabilisierung berücksichtigen
Ein Gas verändert seinen Druck nicht nur durch eine Leckage, sondern auch durch Temperaturänderungen. In einem abgeschlossenen Volumen kann bereits eine geringe Abkühlung einen messbaren Druckabfall erzeugen.
Für eine vereinfachte Betrachtung mit idealem Gas, konstantem Volumen und unveränderter Gasmenge gilt:
p · V / T = konstant
Bei konstantem Volumen folgt daraus:
p2 / p1 = T2 / T1
Dabei müssen absolute Drücke und absolute Temperaturen in Kelvin verwendet werden.
Die Temperaturänderung wird besonders dann relevant, wenn das Prüfobjekt kurz zuvor mit Gas befüllt wurde. Während der Befüllung können Temperaturunterschiede zwischen dem zugeführten Gas, der Rohrleitung und der Umgebung entstehen.
Die anschließende thermische Angleichung kann eine Druckänderung verursachen, ohne dass eine Undichtigkeit vorhanden ist.
Auch Sonnenstrahlung, Luftströmungen oder wechselnde Raumtemperaturen können eine längere Druckhalteprüfung beeinflussen.
Eine reine Messung der Umgebungstemperatur genügt nicht unter allen Umständen. Für eine präzise Korrektur muss die relevante Gastemperatur beziehungsweise eine geeignete, repräsentative thermische Beschreibung des Prüfvolumens verfügbar sein.
Bei einem großen Prüfobjekt können unterschiedliche Temperaturzonen entstehen. Dann ist die Verwendung einer einzigen Temperaturmessstelle möglicherweise unzureichend.
Für einen einfachen, annähernd homogenen Zustand kann der gemessene Enddruck auf die Anfangstemperatur bezogen werden:
p2,T1 = p2 · T1 / T2
Die temperaturbezogene Druckdifferenz ergibt sich anschließend aus:
ΔpT-korr = p1 − p2,T1
Diese Korrektur setzt voraus, dass das vereinfachte Gasmodell und die angenommene Temperaturbeschreibung für den Prüfaufbau ausreichend geeignet sind.
Bei hohen Drücken können Abweichungen vom idealen Gasverhalten relevant werden. In solchen Fällen ist gegebenenfalls ein realgasbasiertes Modell erforderlich.
9. Rechenbeispiel: Druckabfall mit Temperaturkorrektur
Ein vereinfachtes Rechenbeispiel betrachtet ein abgeschlossenes Prüfvolumen von 10 Litern. Zu Beginn der Beobachtung beträgt der absolute Druck 6,000 bar bei einer Gastemperatur von 20,0 °C.
Nach 20 Minuten werden 5,990 bar absolut und 19,6 °C erfasst.
Der direkt beobachtete Druckabfall beträgt somit 10 mbar. Ohne Berücksichtigung der Temperatur könnte dieser vollständige Wert fälschlich einer Leckage zugeschrieben werden.
| Parameter | Anfangswert | Endwert |
|---|---|---|
| Prüfvolumen | 10,0 l | 10,0 l |
| Absolutdruck | 6,000 bar | 5,990 bar |
| Gastemperatur | 20,0 °C | 19,6 °C |
| Absolute Temperatur | 293,15 K | 292,75 K |
| Beobachtungszeit | 0 min | 20 min |
| Beobachteter Druckabfall | 10,0 mbar | |
Zunächst wird berechnet, welcher Enddruck bei der Anfangstemperatur von 20,0 °C dem gemessenen Endzustand entspricht:
p2,T1 = 5,990 bar · 293,15 K / 292,75 K
Gerundet ergibt sich:
p2,T1 ≈ 5,9982 bar
Die temperaturbezogene Druckdifferenz beträgt damit nur noch ungefähr:
ΔpT-korr = 6,0000 bar − 5,9982 bar ≈ 0,0018 bar
Das entspricht rund 1,8 mbar.
Unter der vereinfachten Annahme, dass dieser verbleibende Druckverlust tatsächlich auf eine Leckage zurückzuführen ist, ergibt sich folgende äquivalente Druck-Volumen-Rate:
QpV ≈ 10 l · 1,8 mbar / 1.200 s
QpV ≈ 0,015 mbar·l/s
Ohne Temperaturkorrektur hätte dieselbe überschlägige Rechnung ergeben:
QpV,unkorr = 10 l · 10 mbar / 1.200 s
QpV,unkorr ≈ 0,083 mbar·l/s
Die Differenz ist erheblich. Ein großer Teil des beobachteten Druckabfalls kann im Beispiel bereits durch die geringe Abkühlung erklärt werden.
Das Ergebnis beweist jedoch noch keine tatsächliche Leckage. Der verbleibende Druckunterschied kann auch durch Messunsicherheit, eine unzureichende Temperaturbeschreibung oder weitere Einflüsse entstehen.
Die Zahlen dienen ausschließlich der Veranschaulichung des Messprinzips. Sie stellen weder eine Vorgabe für einen zulässigen Prüfdruck noch eine allgemeingültige Leckage-Akzeptanzgrenze dar.
Für eine reale H₂-Dichtheitsprüfung müssen Prüfvolumen, Druck, Temperaturverteilung, Gasart und Messunsicherheit entsprechend der vorgesehenen Anwendung berücksichtigt werden.
10. Druckverlust, Leckrate und Akzeptanzgrenze unterscheiden
Die Begriffe Druckverlust und Leckrate werden im betrieblichen Alltag häufig gleichgesetzt. Messtechnisch beschreiben sie jedoch unterschiedliche Größen.
Ein Druckverlust beschreibt die Änderung eines Druckwerts. Eine Leckrate beschreibt dagegen die Menge eines Gases, die unter definierten Bedingungen pro Zeiteinheit durch eine undichte Stelle strömt.
Für gasförmige Medien wird häufig eine Druck-Volumen-Leckrate in mbar·l/s oder Pa·m³/s angegeben.
Bei der Umrechnung zwischen diesen Einheiten gilt:
1 mbar·l/s = 0,1 Pa·m³/s
Daneben werden Leckraten auch als Masse pro Zeit oder als Volumenstrom unter festgelegten Bezugsbedingungen angegeben.
Ein in ml/min angegebener Volumenstrom ist nur dann eindeutig mit einer Leckrate vergleichbar, wenn Druck, Temperatur und gegebenenfalls die Norm- beziehungsweise Referenzbedingungen bekannt sind.
Besonders wichtig ist die Abhängigkeit von der Gasart. Ein definierter Leckpfad kann bei Wasserstoff, Stickstoff oder Helium unterschiedliche Gasströme verursachen.
Auch die Druckdifferenz über der Leckstelle beeinflusst den tatsächlichen Durchsatz. Bei hohen Druckverhältnissen können andere Strömungsbedingungen auftreten als bei einer Prüfung mit geringem Differenzdruck.
Deshalb darf eine mit Stickstoff oder Formiergas ermittelte Leckrate nicht pauschal als identische H₂-Leckrate unter Betriebsdruck angegeben werden.
Die zulässige Akzeptanzgrenze muss sich auf die tatsächlich festgelegten Prüfbedingungen und das verwendete Verfahren beziehen.
Für quantitative Nachweise sind außerdem geeignete Referenzlecks, Kalibrierverfahren oder andere dafür vorgesehene Prüfmittel erforderlich.
11. H₂-geeignete Drucksensoren und Messbereiche auswählen
Die Druckmesstechnik einer H₂-Dichtheitsprüfung muss sowohl für das eingesetzte Prüfmedium als auch für die vorhandenen Druck- und Temperaturbedingungen geeignet sein.
Bei einer Druckabfallmessung sind insbesondere Auflösung, absolute Messunsicherheit, Langzeitstabilität und temperaturbedingte Signaländerungen relevant.
Ein Drucksensor mit einem sehr großen Messbereich kann für die Überwachung hoher Betriebsdrücke geeignet sein. Für den Nachweis einer äußerst kleinen Druckänderung über längere Zeit ist seine absolute Auflösung oder Unsicherheit jedoch möglicherweise unzureichend.
Die Druckmessung sollte daher so ausgelegt werden, dass der erwartete Druckverlust mit ausreichender Sicherheit von Messrauschen, Nullpunktdrift und thermischen Einflüssen unterschieden werden kann.
Wichtig ist auch die Unterscheidung zwischen Relativdruck und Absolutdruck.
Ein Relativdrucksensor misst gegenüber dem Umgebungsdruck. Verändert sich der atmosphärische Druck während einer längeren Prüfung, kann dies den angezeigten Relativdruck beeinflussen.
Für eine thermodynamische Berechnung wird dagegen der absolute Gasdruck benötigt. Bei Verwendung einer Relativdruckmessung muss der zeitlich zugehörige Umgebungsdruck geeignet berücksichtigt werden.
Der bei ICS angebotene Druck UNIK 5000H ist speziell für anspruchsvolle Wasserstoffanwendungen ausgelegt. Er besitzt H₂-geeignete medienberührte Werkstoffe und ist für verschiedene Druckbereiche und Ausgangssignale erhältlich.
Die verfügbaren Messbereiche reichen von 700 mbar bis 700 bar. Je nach Ausführung wird eine Genauigkeit bis ±0,04 % des Endwerts nach BSL angegeben.
Diese Eigenschaften können für die Drucküberwachung in Wasserstoff-Prüfständen interessant sein. Ob der konkrete Sensor für eine bestimmte Leckrate und Haltezeit ausreichend empfindlich ist, muss jedoch separat anhand der Messunsicherheit und des Prüfvolumens bewertet werden.
Ein geeigneter H₂-Drucksensor ist somit eine wichtige Komponente des Prüfaufbaus, aber für sich allein noch kein vollständiges Leckratenmesssystem.
12. Leckstellen mit einer H₂-Schnüffelmessung lokalisieren
Eine Schnüffelmessung dient dazu, austretendes Gas an bestimmten Stellen der Baugruppe nachzuweisen. Sie ist besonders bei Rohrverschraubungen, Flanschen, Ventilsitzen und Prüfanschlüssen hilfreich.
Das verwendete Gerät besitzt einen Sensor beziehungsweise eine Sonde, mit der die Umgebung einer möglichen Leckstelle untersucht wird.
Bei einer aktiven Schnüffelsonde wird die Gasprobe über eine kleine Pumpe zum Sensor geführt. Andere Gaslecksuchgeräte arbeiten mit einer dafür vorgesehenen direkten Gaserfassung im Bereich der Messspitze.
Ein örtlich erhöhtes H₂-Signal kann auf austretenden Wasserstoff hinweisen. Die Interpretation hängt jedoch von der Gasart, dem Hintergrundsignal und der Eignung des Detektors ab.
Für die praktische Leckortung wird die Sonde entsprechend den Herstelleranweisungen an den relevanten Verbindungen entlanggeführt. Die Messstelle muss dabei ausreichend zugänglich sein, ohne dass Personen gefährlichen Druckgasstrahlen oder möglichen Zündquellen ausgesetzt werden.
Bei eng beieinanderliegenden Verbindungen kann austretendes Gas durch Luftbewegungen auch an benachbarten Stellen nachweisbar sein. Deshalb muss die örtliche Zuordnung eines Signals gegebenenfalls durch eine wiederholte und kontrollierte Messung bestätigt werden.
Das bei ICS gelistete testo 316-2 besitzt eine integrierte Pumpe und einen biegsamen Messfühler. Es ist für die Erkennung von Methan, Propan und Wasserstoff vorgesehen.
Für Wasserstoff nennt die ICS-Produktbeschreibung einen Messbereich von 10 ppm bis 4,0 Vol.-% und eine gerätespezifische Ansprechzeit von t₉₀ unter 2 Sekunden.
Eine lokale Konzentrationsanzeige erlaubt jedoch nicht automatisch die direkte Bestimmung der austretenden Gasmenge pro Zeiteinheit. Dafür sind ein entsprechend geeignetes quantitatives Leckprüfverfahren und definierte Prüfbedingungen erforderlich.
13. Schnüffelabstand, Hintergrundkonzentration und Ansprechzeit bewerten
Das Ergebnis einer Schnüffelmessung hängt nicht allein von der Größe der Leckstelle ab.
Ein wichtiger Einfluss ist die Position der Sonde. Je größer der Abstand zur Austrittsstelle, desto stärker kann das Gas durch die Umgebungsluft verdünnt werden.
Auch Luftströmungen beeinflussen die Verteilung. In der Nähe eines Lüfters oder einer offenen Tür kann die lokale Gaskonzentration anders ausfallen als in einem weitgehend strömungsarmen Bereich.
Bei einer aktiven Sonde spielt zusätzlich der angesaugte Volumenstrom eine Rolle. Ein verstopfter Sondenfilter oder eine beschädigte Ansaugleitung kann die Empfindlichkeit beeinträchtigen.
Die Bewegungsgeschwindigkeit der Sonde muss zur Ansprechzeit des Detektors passen. Wird sie zu schnell über die Verbindung geführt, kann ein kurzzeitiges lokales Gasmaximum unzureichend erfasst werden.
Auch das Hintergrundsignal muss berücksichtigt werden. In einer Umgebung, in der bereits geringe Wasserstoffkonzentrationen vorhanden sind, kann die Unterscheidung zwischen dem allgemeinen Hintergrund und einer kleinen örtlichen Leckage schwieriger werden.
Der Hersteller INFICON weist bei empfindlicher Wasserstoff-Schnüffelprüfung unter anderem darauf hin, dass ausgeatmete Luft den H₂-Hintergrund beeinflussen kann.
Deshalb müssen Nullabgleich, Hintergrundbewertung und die vom Hersteller vorgesehene Prüfmethode aufeinander abgestimmt sein.
Für eine quantitative Schnüffelprüfung kommen zusätzlich Kalibrierung mit geeigneten Referenzlecks, definierte Sondenführung und eine entsprechende Auswertung hinzu.
Eine hohe Empfindlichkeit laut Datenblatt allein ist noch kein Nachweis dafür, dass unter allen Umgebungsbedingungen jede Leckstelle zuverlässig erkannt wird.
14. Formiergas mit Wasserstoff als Tracergas einsetzen
Für bestimmte Leckprüfaufgaben wird Wasserstoff nicht als reines Gas, sondern als Bestandteil eines definierten Prüfgasgemischs verwendet.
Ein verbreitetes Beispiel ist Formiergas mit 5 Vol.-% H₂ und 95 Vol.-% Stickstoff.
Dieses Gasgemisch wird in geeigneten Leckprüfsystemen eingesetzt, weil der Wasserstoffanteil mit entsprechend empfindlichen Detektoren nachgewiesen werden kann.
Der Hersteller INFICON beschreibt entsprechende Anwendungen zur Leckprüfung von Wasserstoffkomponenten und Behältern.
Die Verwendung eines solchen Gasgemischs muss jedoch auf die konkrete Prüfanlage und das zugelassene Prüfverfahren abgestimmt sein. Die Einordnung eines definierten Gemischs hinsichtlich seiner Entzündbarkeit und die sichere Verwendung ergeben sich aus seiner Zusammensetzung, den maßgeblichen Sicherheitsdaten und den tatsächlichen Betriebsbedingungen.
Die Bezeichnung Formiergas allein stellt keine universelle Sicherheitsfreigabe dar.
Bei einer Tracergasprüfung ist außerdem entscheidend, dass der eingesetzte Detektor für den Wasserstoffanteil und die vorgesehene Messmethode geeignet ist.
Ein Detektor reagiert grundsätzlich auf den nachweisbaren Tracergasanteil. Die Anzeige darf nicht ohne geeignete Kalibrierung und Umrechnung als Leckrate von reinem Wasserstoff unter späterem Betriebsdruck interpretiert werden.
Der Unterschied betrifft sowohl die Konzentration des Prüfgases als auch dessen Strömungseigenschaften.
Für eine quantitative Prüfung muss daher dokumentiert sein, welches Gasgemisch verwendet wurde, welche Konzentration vorlag, wie das Messsystem kalibriert wurde und auf welche Leckrate beziehungsweise Bezugsbedingungen sich das Akzeptanzkriterium bezieht.
Formiergas kann die lokale Lecksuche ergänzen. Ob es für den geforderten finalen Dichtheitsnachweis der jeweiligen Wasserstoffanlage ausreicht, muss gesondert festgelegt werden.
15. Helium als alternatives Prüfgas berücksichtigen
Helium wird häufig als Tracergas für empfindliche Leckprüfverfahren eingesetzt.
Für die Lecksuche stehen besondere Helium-Leckdetektoren zur Verfügung, die auf das Prüfgas und das jeweilige Verfahren abgestimmt sind.
Das Verfahren ist insbesondere dann interessant, wenn kleine Leckraten zuverlässig nachgewiesen werden müssen oder eine H₂-Prüfung unter den vorgesehenen Bedingungen nicht die geeignete erste Prüfstufe darstellt.
Die European Industrial Gases Association (EIGA) beschreibt für gasförmige Wasserstoffinstallationen ausdrücklich die Möglichkeit einer Helium-Leckprüfung, beispielsweise mit einem geeigneten Stickstoff-Helium-Gemisch.
Hintergrund ist, dass eine bestandene Stickstoff-Dichtheitsprüfung allein nicht in jedem Fall ausreicht, um die erforderliche Wasserstoffdichtheit nachzuweisen.
Ein Helium-Lecktest besitzt eigene Prüfparameter. Dazu gehören der Heliumanteil, die Druckbedingungen, der Detektortyp und die erforderliche Empfindlichkeit.
Die mit Helium ermittelte Leckrate ist nicht automatisch identisch mit derjenigen von Wasserstoff unter späteren Betriebsbedingungen.
Besonders bei anspruchsvollen quantitativen Prüfungen muss deshalb die Umrechnung beziehungsweise Bewertung anhand eines geeigneten Modells oder des entsprechenden Prüfstandards erfolgen.
Die ISO 20485:2017 beschreibt Verfahren der zerstörungsfreien Dichtheitsprüfung mit Tracergas und einem dafür geeigneten gasartspezifischen Leckdetektor.
Die Norm kann damit eine methodische Grundlage für entsprechend definierte Prüfverfahren bilden. Die konkrete Anwendbarkeit hängt weiterhin vom Prüfobjekt und den jeweiligen technischen Anforderungen ab.
Für die Geräteauswahl muss deshalb geklärt werden, ob eine qualitative Leckortung ausreicht oder ob eine quantitative Tracergasprüfung mit definierter Nachweisgrenze benötigt wird.
16. Die drei Prüfverfahren sinnvoll miteinander kombinieren
Eine Kombination von Druckabfallprüfung und lokaler Schnüffelmessung kann die Aussagekraft einer Dichtheitsprüfung deutlich verbessern.
Die Druckabfallmessung betrachtet zunächst das Verhalten eines abgegrenzten Volumens. Wird eine auffällige Druckänderung festgestellt, kann eine geeignete lokale Gasleckprüfung helfen, die Ursache räumlich einzugrenzen.
Ein Tracergasverfahren kann insbesondere dann ergänzend eingesetzt werden, wenn die erforderliche Nachweisempfindlichkeit mit einer einfachen Druckabfallmessung nicht zuverlässig erreicht wird.
Eine mögliche Prüfstrategie besteht deshalb aus mehreren fachlich getrennten Stufen:
Prüfobjekt und Akzeptanzkriterien festlegen → geeignete Vorprüfung mit freigegebenem Prüfmedium → gegebenenfalls quantitative Gesamtdichtheitsprüfung → lokale Leckortung mit geeignetem Tracergas → Instandsetzung → erneute Abnahmeprüfung
Diese Reihenfolge ist ein allgemeines Konzept und keine universell freigegebene Druckprüfanweisung.
Insbesondere darf aus der Kombination verschiedener Messverfahren nicht abgeleitet werden, dass jede Anlage in jeder Stufe mit Wasserstoff beaufschlagt werden soll.
Die Auswahl und Reihenfolge der Prüfmedien richten sich nach der sicherheitstechnischen Auslegung und dem freigegebenen Prüfverfahren.
Ein wichtiger Vorteil der Kombination besteht darin, dass eine rechnerisch auffällige Druckänderung nicht vorschnell einer bestimmten Verschraubung zugeschrieben wird.
Auch ein positives Schnüffelsignal muss durch die geeignete Bewertung des Prüfobjekts eingeordnet werden. Eine erkannte lokale Undichtigkeit sagt noch nicht allein aus, ob die gesamte Baugruppe ihr quantitatives Dichtheitskriterium erfüllt.
Nach einer Reparatur sollte deshalb nicht nur die unmittelbar bearbeitete Verbindung erneut untersucht werden. Auch die für den Prüfumfang erforderliche Gesamtdichtheit muss entsprechend dem Prüfplan wieder nachgewiesen werden.
17. Betriebsdruck, Temperaturwechsel und dynamische Belastungen prüfen
Eine Verschraubung kann unter statischen Prüfbedingungen unauffällig sein und sich im realen Betrieb dennoch anders verhalten.
Einflussgrößen sind insbesondere die Druckdifferenz, Temperatur, mechanische Bewegung, Vibration und die Anzahl der Belastungszyklen.
Bei Wasserstoff-Prüfständen und Brennstoffzellensystemen können beispielsweise wiederholte Druckwechsel auftreten. Solche Belastungen beeinflussen die mechanische Beanspruchung der Verschraubung und gegebenenfalls den Zustand ihrer Dichtelemente.
Auch Temperaturänderungen können die Kontaktpressung verändern. Metallische und nichtmetallische Komponenten besitzen unterschiedliche thermische Ausdehnungseigenschaften.
Eine bei Raumtemperatur unauffällige Verbindung muss deshalb nicht automatisch unter allen vorgesehenen Hoch- oder Tieftemperaturbedingungen dieselbe Leckrate besitzen.
Bei hohen Betriebsdrücken ist zusätzlich die Druckabhängigkeit des Gasstroms durch einen vorhandenen Leckpfad zu beachten.
Ein mit geringem Prüfdruck ermittelter Leckagezustand lässt sich nicht in jedem Fall linear auf deutlich höhere Betriebsdrücke übertragen.
Auch die Eigenschaften der Dichtung können sich unter Druck verändern. Bei Elastomeren sind unter anderem Kompression, Quellung, Permeation und Alterungszustand relevant.
Für dynamisch beanspruchte Anlagen können deshalb zusätzliche Prüfungen oder eine Bewertung unter repräsentativen Betriebsbedingungen erforderlich sein.
Das Prüfkonzept muss dabei stets innerhalb der freigegebenen Belastungsgrenzen aller Komponenten bleiben.
Eine Dichtheitsprüfung ersetzt außerdem nicht automatisch einen mechanischen Festigkeitsnachweis oder eine erforderliche Druckprüfung nach der anzuwendenden technischen Regel.
18. Explosionsschutz, Prüfgasführung und sichere Druckprüfung beachten
Die H₂-Lecksuche besitzt ein besonderes sicherheitstechnisches Risikoprofil. Neben der möglichen Entzündung austretenden Wasserstoffs muss die gespeicherte Energie eines unter Druck stehenden Gassystems berücksichtigt werden.
Prüfungen an druckbeaufschlagten Wasserstoffsystemen dürfen deshalb nur nach einem geeigneten, freigegebenen Verfahren und durch entsprechend qualifiziertes Personal durchgeführt werden.
Vor der Prüfung müssen die Grenzen der Anlage, der zulässige Prüfdruck, die verwendeten Gase, die Druckentlastung und die erforderlichen Schutzmaßnahmen festgelegt werden.
Insbesondere bei pneumatischen Prüfungen kann ein plötzliches Versagen von Komponenten eine erhebliche Gefährdung durch freigesetzte Druckenergie verursachen.
Auch die sichere Ableitung von Prüfgas muss Bestandteil des Prüfplans sein. Wasserstoff darf nicht unkontrolliert in geschlossene Bereiche oder in die Nähe möglicher Zündquellen freigesetzt werden.
Für Arbeiten an bestehenden H₂-Anlagen sind außerdem geeignete Verfahren zum Absperren, Entleeren, Inertisieren und zur Wiederinbetriebnahme notwendig.
Die EIGA-Leitlinie DOC 15/21 beschreibt für gasförmige Wasserstoffinstallationen unter anderem Anforderungen an Druckprüfung, Dichtheitsprüfung und Spülung vor der Einführung von Wasserstoff.
Die Leitlinie macht insbesondere darauf aufmerksam, dass eine Stickstoffprüfung allein für den endgültigen Nachweis der Wasserstoffdichtheit unzureichend sein kann.
Bei der Leckortung ist außerdem die Eignung des verwendeten Messgeräts für die jeweilige explosionsgefährdete Umgebung zu prüfen.
Eine vorhandene Ex-Kennzeichnung muss zur tatsächlichen Gerätekategorie, Gasgruppe, Temperaturklasse und vorgesehenen Einsatzsituation passen.
Ein Gaslecksuchgerät ist zudem nicht automatisch ein vollständiges System zur Überwachung und Absicherung der Arbeitsumgebung.
Für notwendige Schutzfunktionen können zusätzlich geeignete stationäre oder tragbare H₂-Gaswarngeräte, Lüftungseinrichtungen und weitere Schutzmaßnahmen erforderlich sein.
Die Anforderungen an stationäre Wasserstoffdetektoren werden unter anderem in ISO 26142:2010 behandelt. Die Auswahl des Gesamtsicherheitssystems muss darüber hinaus anhand der konkreten Anlage erfolgen.
19. Einen systematischen H₂-Leckprüfablauf durchführen
Ein reproduzierbarer Leckprüfablauf muss sowohl die Messaufgabe als auch die sicherheitstechnischen Anforderungen berücksichtigen.
Die folgenden Schritte beschreiben eine allgemeine Prüfstruktur. Die konkreten Drücke, Gase, Haltezeiten, Anschlussverfahren und Sicherheitsmaßnahmen müssen aus einem für das jeweilige Prüfobjekt freigegebenen Verfahren stammen.
- Prüfobjekt identifizieren: Baugruppe, Verschraubungen, Werkstoffe, Dichtprinzipien und zulässige Betriebsbedingungen erfassen.
- Prüfziel festlegen: Entscheiden, ob eine Gesamtdichtheitsprüfung, lokale Leckortung oder ein quantitativer Leckratennachweis benötigt wird.
- Akzeptanzkriterien bestimmen: Zulässige Leckrate, erforderliche Empfindlichkeit und anzuwendende Prüfanforderungen dokumentieren.
- Gefährdungsbeurteilung durchführen: Druckenergie, Wasserstofffreisetzung, Zündquellen, Lüftung und notwendige Schutzfunktionen bewerten.
- Prüfverfahren freigeben: Prüfmedium, Druckstufen, Prüfzeiten und sichere Durchführung anhand der geltenden Vorgaben festlegen.
- Prüfgrenzen dokumentieren: Alle enthaltenen Leitungen, Ventile, Sensoren, Adapter und das relevante Prüfvolumen erfassen.
- Verbindungen kontrollieren: Verschraubungen, Rohrgeometrie, Dichtflächen und vorhandene Montageinformationen überprüfen.
- Messmittel vorbereiten: Drucksensoren, Temperaturmessung und gegebenenfalls Leckdetektoren hinsichtlich Eignung und Kalibrierstatus kontrollieren.
- Geeignete Vorprüfung durchführen: Die für die Anlage festgelegte erste Prüfung unter den freigegebenen Bedingungen ausführen.
- Stabilisierung berücksichtigen: Vorgesehene thermische und messtechnische Ausgleichszeiten einhalten.
- Druck- und Temperaturverlauf erfassen: Relevante Messwerte mit ausreichender zeitlicher Auflösung dokumentieren.
- Druckabfall bewerten: Die gemessene Druckänderung unter Berücksichtigung von Temperatur, Prüfvolumen und Unsicherheit auswerten.
- Lokale Lecksuche vorbereiten: Gegebenenfalls ein geeignetes Tracergasverfahren nach dem freigegebenen Prüfplan verwenden.
- Verschraubungen untersuchen: Leckdetektor entsprechend dem Herstellerverfahren einsetzen und auffällige Verbindungen eindeutig kennzeichnen.
- Befunde plausibilisieren: Hintergrundsignal, mögliche Permeation und benachbarte Gasquellen berücksichtigen.
- Notwendige Instandsetzung veranlassen: Fehlerhafte Verbindungen nur nach sicherer Druckentlastung und gemäß Herstelleranweisung bearbeiten.
- Erneute Prüfung durchführen: Den vorgeschriebenen Dichtheitsnachweis nach der Instandsetzung wiederholen.
- Prüfung abschließen: Prüfgas sicher abführen, den vorgesehenen Anlagenzustand wiederherstellen und Messergebnisse sowie Freigaben dokumentieren.
Die genaue Reihenfolge kann je nach Anlagentyp und anzuwendender Prüfvorschrift abweichen.
Bei Hochdruck-Wasserstoffsystemen dürfen die genannten Schritte nicht als eigenständige Freigabe für die Beaufschlagung mit Gas interpretiert werden. Die sichere Prüfmethodik ist durch die zuständigen Fachverantwortlichen festzulegen.
Besonders wichtig ist, dass die Prüfung nicht durch ein bloßes Verschwinden eines lokalen Schnüffelsignals als abgeschlossen betrachtet wird.
Die vollständige Abnahme muss die vorher definierten Akzeptanzkriterien erfüllen.
20. Messunsicherheit, Kalibrierung und Nachweisgrenzen bewerten
Die Aussagekraft einer Leckprüfung hängt wesentlich von den verwendeten Messmitteln und ihrer Eignung für das konkrete Prüfverfahren ab.
Bei einer Druckabfallmessung können insbesondere Drucksensorunsicherheit, Nullpunktdrift, Temperaturmessung, Prüfvolumen und Beobachtungszeit zur Gesamtunsicherheit beitragen.
Hinzu kommen gegebenenfalls Umgebungsdruckänderungen und Unterschiede zwischen der gemessenen Bauteiltemperatur und der tatsächlichen Gastemperatur.
Ist der erwartete Druckabfall kleiner oder ähnlich groß wie die relevanten Unsicherheitsbeiträge, kann aus der Druckkurve möglicherweise kein belastbarer Nachweis der geforderten Leckrate abgeleitet werden.
Für solche Aufgaben kann ein empfindlicheres Leckprüfverfahren erforderlich sein.
Bei einer Schnüffelmessung sind dagegen Detektorempfindlichkeit, Kalibrierung, Hintergrundgas, Prüfgasanteil, Sondenposition und Messdauer wichtige Einflussgrößen.
Ein tragbarer H₂-Detektor mit ppm-Anzeige kann für die Lokalisierung gut geeignet sein. Eine quantitative Leckrate in mbar·l/s erhält man daraus jedoch nicht ohne ein dafür vorgesehenes Kalibrier- und Auswerteverfahren.
Für die Kalibrierung quantitativer Tracergas-Leckdetektoren werden geeignete Referenzlecks oder vom Hersteller festgelegte Prüfverfahren verwendet.
Die resultierende Messunsicherheit muss zur geforderten Akzeptanzgrenze passen.
Auch die Prüfbedingungen müssen vergleichbar sein. Eine bei niedrigem Prüfdruck ermittelte Leckrate darf nicht ohne geeignete Bewertung mit einem Grenzwert für deutlich andere Betriebsdrücke verglichen werden.
Eine vollständige Dokumentation enthält daher nicht nur den Zahlenwert, sondern auch die verwendete Gasart, Konzentration, Druckdifferenz, Temperatur und den relevanten Mess- beziehungsweise Kalibrierumfang.
Bei einer qualitativen Leckortung ist stattdessen eindeutig festzuhalten, welche Nachweisgrenze beziehungsweise welches Entscheidungskriterium mit dem Verfahren verbunden ist.
Die Angabe „keine Leckage festgestellt“ ist ohne Beschreibung der Prüfempfindlichkeit und Bedingungen nur eingeschränkt aussagekräftig.
21. Typische Fehler und Fehlinterpretationen diagnostizieren
Auffällige Ergebnisse bei einer H₂-Leckprüfung können aus tatsächlichen Undichtigkeiten, aus der Messanordnung oder aus der Interpretation des Prüfverfahrens entstehen.
Eine systematische Diagnose trennt deshalb die mechanische Verbindung, das verwendete Prüfmedium und die eingesetzte Messtechnik.
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Druck fällt während der Halteprüfung geringfügig ab | Temperaturänderung, tatsächliche Leckage oder Messwertdrift | Absolutdruck, relevante Gastemperatur und Prüfbedingungen gemeinsam auswerten |
| Druckabfall tritt nur unmittelbar nach dem Befüllen auf | Thermische Angleichung oder noch nicht stabilisierter Zustand | Stabilisierungsverhalten anhand des vorgesehenen Prüfplans bewerten |
| Druckabfall ohne erkennbares lokales H₂-Signal | Leck außerhalb des untersuchten Bereichs, ungeeignete Schnüffelbedingungen oder anderer Druckeinfluss | Prüfgrenzen, vollständigen Gasweg und Nachweisempfindlichkeit überprüfen |
| H₂-Schnüffelgerät zeigt Signal an mehreren benachbarten Verschraubungen | Gasverteilung durch Luftbewegung oder mehrere Leckstellen | Hintergrund und örtliche Zuordnung mit geeignetem Prüfverfahren kontrollieren |
| Lecksignal steigt an, wenn die Sonde länger an einer Stelle verbleibt | Gasansammlung, Ansprechzeit des Detektors oder lokale Freisetzung | Gerätespezifische Sondenführung, Hintergrundsignal und Messdauer beurteilen |
| Stickstoffprüfung bestanden, H₂-Leckprüfung auffällig | Gasartspezifisch andere Leckage- oder Permeationseigenschaften | Prüfgasabhängigkeit und H₂-Eignung der Komponenten überprüfen |
| Drucksignal schwankt trotz unveränderter Anlage | Temperaturdrift, elektrisches Rauschen oder ungeeigneter Druckmessbereich | Drucksensor und Messkette mit geeigneter Referenz prüfen |
| Lecksignal an einer Elastomerdichtung ohne erkennbare Beschädigung | Mögliche Permeation oder lokale Undichtigkeit | Werkstoff, Prüfmedium, Betriebszeit und Dichtkonzept bewerten |
| Leck tritt nach mehreren Druckzyklen erneut auf | Mechanische Beanspruchung, Setzverhalten oder ungeeignete Verbindung | Belastungshistorie, Montagevorgaben und Dichtungszustand untersuchen |
| Verschraubung bleibt nach Nachziehen weiterhin auffällig | Beschädigte Dichtfläche, ungeeignete Montage oder überlastetes Dichtelement | Verbindung nach sicherer Druckentlastung fachgerecht beurteilen |
| Quantitative Leckrate weicht deutlich von ppm-Schnüffelanzeige ab | Unterschiedliche Messgrößen und Prüfverfahren | Leckrate und lokale Gaskonzentration getrennt bewerten |
| Lokale Lecksuche nach Reparatur unauffällig, Gesamtdruckprüfung weiterhin auffällig | Weitere Leckstelle, undichte Prüfarmatur oder andere Druckeinflüsse | Gesamtes Prüfvolumen und die dazugehörigen Prüfanschlüsse untersuchen |
Die Tabelle enthält mögliche Ursachen und geeignete Prüfansätze. Sie ersetzt keine vollständige Diagnose am tatsächlichen Prüfobjekt.
Besonders wichtig ist, dass eine geringe Druckänderung nicht automatisch einen mechanischen Defekt nachweist.
Ebenso darf ein lokal erhöhtes H₂-Signal nicht ohne geeignete Kalibrierung direkt als quantitative Leckrate interpretiert werden.
Für die technische Bewertung müssen die Ergebnisse auf das festgelegte Prüfverfahren, die zulässige Leckrate und die tatsächlichen Betriebsbedingungen bezogen werden.
22. Passende H₂-Mess- und Lecksuchtechnik von ICS Schneider
22.1 testo 316-2: Gaslecksuchgerät mit integrierter Pumpe
Das testo 316-2 ist ein tragbares Gaslecksuchgerät zur Lokalisierung von Leckagen an geeigneten Gasleitungen, Verschraubungen und Armaturen.
Es besitzt eine integrierte Pumpe, einen biegsamen Messfühler und eine Balkenanzeige zur Unterstützung der örtlichen Lecksuche.
Das Gerät kann Methan, Propan und Wasserstoff erfassen. Für H₂ wird auf der ICS-Produktseite ein Messbereich von 10 ppm bis 4,0 Vol.-% angegeben.
Die Ansprechzeit beträgt nach der dokumentierten Gerätespezifikation t₉₀ unter 2 Sekunden.
Damit ist das testo 316-2 besonders interessant, wenn an einer zugänglichen Verschraubung eine örtlich erhöhte Wasserstoffkonzentration nachgewiesen werden soll.
Bei der Geräteauswahl ist zu beachten, dass das testo 316-2 eine lokale Konzentrations- beziehungsweise Leckortungsfunktion bereitstellt und nicht automatisch einen quantitativen Leckratennachweis in mbar·l/s ersetzt.
Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen müssen die dafür erforderlichen Zulassungen separat geprüft werden. Eine allgemeine H₂-Nachweisfähigkeit bedeutet nicht automatisch, dass das Gerät für jede Ex-Zone zugelassen ist.
22.2 testo 316-EX: Gaslecksuchgerät für geeignete explosionsgefährdete Bereiche
Das testo 316-EX dient ebenfalls zur Leckortung an Gasleitungen und technischen Anlagen.
Die ICS-Produktbeschreibung nennt die Erkennung von Methan, Propan und Wasserstoff sowie eine Ausführung mit ATEX-Zulassung.
Das Gerät besitzt einen biegsamen Messfühler und zeigt Gaswerte im ppm- beziehungsweise Volumenprozentbereich an.
Für die dokumentierte Ausführung nennt ICS eine Ansprechzeit von t₉₀ ungefähr 14 Sekunden.
Damit unterscheidet sich das zeitliche Verhalten vom testo 316-2. Die vorgesehene Sondenführung muss jeweils zur gerätespezifischen Ansprechzeit passen.
Bei Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen ist die genaue Ex-Kennzeichnung des vorhandenen Geräts mit den Anforderungen des Einsatzortes abzugleichen. Die auf der Produktseite genannte frühere ATEX-Richtlinienbezeichnung ersetzt nicht die Prüfung der gültigen Kennzeichnung und Einsatzfreigabe.
Auch das testo 316-EX dient der lokalen Gasdetektion und darf nicht ohne weitere Nachweise als vollständiges quantitatives Leckratenmesssystem betrachtet werden.
22.3 Druck UNIK 5000H: Präzise Druckmessung in Wasserstoffanwendungen
Der Druck UNIK 5000H ist ein speziell für Wasserstoffanwendungen optimierter Drucksensor.
Er besitzt geeignete medienberührte Werkstoffe und ist für unterschiedliche Druckbereiche sowie elektrische Ausgangssignale erhältlich.
Die verfügbaren Messbereiche reichen von 700 mbar bis 700 bar. Die dokumentierten Genauigkeitsausführungen ermöglichen je nach Konfiguration Werte bis ±0,04 % FS nach BSL.
Der Sensor kann in geeigneten Prüfständen, Speichern und anderen wasserstoffführenden Anlagen eingesetzt werden.
Für Druckhalteversuche ist besonders die Kombination aus H₂-Eignung, geeigneter Messspanne und stabiler Signalverarbeitung interessant.
Allerdings muss die Eignung für eine bestimmte Leckrate gesondert bewertet werden. Eine hohe Genauigkeit der normalen Druckmessung ist nicht automatisch gleichbedeutend mit einer ausreichend niedrigen Messunsicherheit für sehr kleine Druckänderungen über lange Haltezeiten.
Die konkrete Prozessanschlussausführung, das Dichtprinzip und die vorhandenen Zulassungen müssen ebenfalls zur Anwendung passen.
22.4 HT-H2-Serie: Wasserstoffgeeignete Drucksensoren für unterschiedliche Druckbereiche
Die HT-H2-Serie umfasst Drucksensoren für Wasserstoffanwendungen wie Speicherung, Betankung, Erzeugung und Brennstoffzellentechnik.
Die bei ICS dokumentierten Messbereiche umfassen Ausführungen bis 1.000 bar.
Je nach Variante stehen unterschiedliche elektrische Signale und mechanische Prozessanschlüsse zur Verfügung. Zusätzlich werden für entsprechende Ausführungen spezifische Zulassungsoptionen angeboten.
Die Sensoren können für die Drucküberwachung in H₂-Prüfsystemen interessant sein, wenn Messbereich, Werkstoffausführung und elektrische Integration zur Aufgabe passen.
Auch hier ist zwischen allgemeiner Prozessdrucküberwachung und einer empfindlichen Druckabfallmessung zu unterscheiden.
Für einen quantitativen Leckratennachweis müssen Drucksensor, Temperaturmessung, Prüfvolumen und Auswerteverfahren gemeinsam betrachtet werden.
22.5 MINIMESS 1215 DVGW: Prüf- und Serviceanschlüsse für geeignete Gasdrucksysteme
Das Original MINIMESS 1215 Gasfüllventil mit DVGW-Zulassung ist als Systemzugang für geeignete Gasdruckanlagen vorgesehen.
Es ermöglicht entsprechend der freigegebenen Ausführung den Anschluss geeigneter Prüf- und Kontrollmessgeräte sowie die Gasentnahme und weitere Servicefunktionen.
Die bei ICS dokumentierte Gasfüllventilausführung ist für Betriebsdrücke bis 250 bar beschrieben. Zusätzlich stellt ICS Herstellerunterlagen für Anwendungen mit gasförmigem Wasserstoff bereit.
Für H₂-Prüfstände kann ein geeigneter Prüfanschluss dazu beitragen, eine definierte und reproduzierbare Druckmessstelle bereitzustellen.
Entscheidend sind jedoch die konkrete Bestellvariante, der freigegebene Gasdienst, die Dichtungswerkstoffe und die zulässigen Druck- beziehungsweise Temperaturbedingungen.
Die allgemeine MINIMESS-Bezeichnung oder eine DVGW-Zulassung allein darf nicht als pauschale Freigabe für jede Wasserstoffanwendung interpretiert werden.
Auch das Anschließen, Trennen und Entlasten von Prüfkomponenten muss nach dem für die verwendete Kupplung und das vollständige System vorgesehenen sicheren Verfahren erfolgen.
Weitere geeignete Sensoren und Komponenten sind in den Kategorien H₂ Wasserstoff-Anwendungen und Leckageortung / Leckagemessgeräte von ICS Schneider erhältlich.
23. Fazit: Gesamtdichtheit und lokale Leckortung getrennt nachweisen
Eine zuverlässige H₂-Lecksuche an Verschraubungen benötigt eine klare Trennung zwischen dem Nachweis der Gesamtdichtheit und der Lokalisierung einzelner Leckstellen.
Die Druckabfallprüfung bewertet das Verhalten eines definierten Prüfvolumens. Sie kann Hinweise auf eine Undichtigkeit liefern, ist aber empfindlich gegenüber Temperaturänderungen, Prüfvolumen und Eigenschaften der Druckmesstechnik.
Die Schnüffelmessung ermöglicht eine örtliche Zuordnung von austretendem Wasserstoff. Eine erhöhte H₂-Konzentration an der Prüfsonde ist jedoch nicht automatisch mit einer quantitativ bestimmten Leckrate gleichzusetzen.
Tracergase wie Wasserstoff-Stickstoff-Gemische oder Helium können eine sinnvolle Ergänzung darstellen, wenn Prüfmedium, Detektor und Nachweisempfindlichkeit zur Aufgabe passen.
Besonders wichtig ist die Gasartspezifik. Eine erfolgreiche Stickstoffprüfung garantiert nicht in jedem Fall die erforderliche Dichtheit im späteren Wasserstoffbetrieb.
Auch Werkstoffe, Dichtprinzipien, Temperatur und dynamische Druckbelastungen müssen gemeinsam betrachtet werden. Eine Verschraubung kann nur dann zuverlässig bewertet werden, wenn ihre tatsächlichen Betriebsbedingungen bekannt sind.
Für den quantitativen Nachweis sind schließlich die zulässige Leckrate, das verwendete Prüfverfahren und die zugehörige Messunsicherheit entscheidend.
Prüfziel und Akzeptanzgrenze festlegen → H₂-Eignung der Komponenten prüfen → Prüfvolumen und Gaswege definieren → Geeignetes Prüfmedium wählen → Druck- und Temperaturverlauf bewerten → Leckstellen mit geeigneter Schnüffelmessung lokalisieren → Befunde plausibilisieren → Erforderliche Instandsetzung durchführen → Gesamtdichtheit erneut nachweisen → Ergebnisse dokumentieren
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Eine Druckabfallprüfung beantwortet zunächst die Frage nach dem Verhalten der gesamten geprüften Baugruppe. Die Schnüffelmessung hilft, eine konkrete Undichtigkeit zu lokalisieren. Erst ein geeignetes, auf die Anwendung abgestimmtes Prüfkonzept verbindet beide Ergebnisse zu einem belastbaren Dichtheitsnachweis.
24. Häufige Fragen zur H₂-Lecksuche an Verschraubungen
24.1 Welche Verfahren eignen sich zur H₂-Lecksuche an Verschraubungen?
Geeignet sind je nach Prüfaufgabe Druckabfallverfahren, H₂-Schnüffelmessungen und spezielle Tracergasverfahren. Die Druckabfallprüfung bewertet ein abgeschlossenes Prüfvolumen. Die Schnüffelmessung hilft bei der örtlichen Lecksuche. Für sehr kleine quantitative Leckraten können empfindlichere, entsprechend kalibrierte Tracergasverfahren erforderlich sein.
24.2 Kann ich eine Wasserstoffleitung allein mit einer Druckabfallprüfung auf Dichtheit prüfen?
Eine Druckabfallprüfung kann unter geeigneten Bedingungen einen Nachweis der festgelegten Gesamtdichtheit ermöglichen. Ihre Eignung hängt jedoch von Prüfvolumen, Prüfgas, Temperaturstabilität, Messunsicherheit und zulässiger Leckrate ab. Für besonders kleine Leckraten oder eine lokale Fehlerzuordnung können weitere Verfahren erforderlich sein.
24.3 Warum fällt der Druck manchmal ab, obwohl keine Leckage vorhanden ist?
Eine Abkühlung des Gases kann bei konstantem Prüfvolumen bereits einen messbaren Druckabfall erzeugen. Auch Messwertdrift, Änderungen des Umgebungsdrucks oder eine unzureichende thermische Stabilisierung können das Ergebnis beeinflussen. Diese Ursachen müssen vor der Bewertung als Leckage untersucht werden.
24.4 Wie wird der Druckabfall bei einer H₂-Dichtheitsprüfung temperaturkorrigiert?
Unter vereinfachten Bedingungen wird der Druck mithilfe des Verhältnisses aus absolutem Druck und absoluter Temperatur bewertet. Ein gemessener Enddruck kann beispielsweise auf die Anfangstemperatur bezogen werden. Dabei sind absolute Drücke und Kelvin zu verwenden. Bei hohen Drücken oder komplexen Temperaturverteilungen können weiterführende Modelle notwendig sein.
24.5 Wie lässt sich aus einem Druckabfall eine Leckrate berechnen?
Für ein konstantes Prüfvolumen unter vereinfachten isothermen Bedingungen kann die äquivalente Druck-Volumen-Rate aus Prüfvolumen, Druckänderung und Zeit berechnet werden. Diese Größe kann beispielsweise in mbar·l/s angegeben werden. Für einen belastbaren quantitativen Nachweis müssen die tatsächlichen thermodynamischen Bedingungen und die Messunsicherheit berücksichtigt werden.
24.6 Was ist der Unterschied zwischen ppm und mbar·l/s bei der Lecksuche?
ppm beschreibt eine Konzentration des Gases am Messort. mbar·l/s ist dagegen eine Einheit der Druck-Volumen-Leckrate. Eine lokale ppm-Anzeige lässt sich ohne ein geeignetes Kalibrier- und Messverfahren nicht direkt in eine Leckrate umrechnen.
24.7 Kann ich Wasserstoff-Leckagen mit einem tragbaren Schnüffelgerät finden?
Ja, wenn das Gerät ausdrücklich zur Erkennung von Wasserstoff geeignet ist und unter den vorgesehenen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden darf. Bei ICS sind beispielsweise das testo 316-2 und das testo 316-EX gelistet. Beide dienen der lokalen Gasleckortung, unterscheiden sich aber in Ausstattung und Einsatzbedingungen.
24.8 Ist das testo 316-2 für Wasserstoff geeignet?
Ja. Die ICS-Produktinformationen nennen Wasserstoff als detektierbares Gas. Für H₂ wird ein Messbereich von 10 ppm bis 4,0 Vol.-% angegeben. Das Gerät besitzt eine integrierte Pumpe und einen biegsamen Messfühler. Die Eignung für die konkrete Lecksuchaufgabe muss anhand der erforderlichen Nachweisempfindlichkeit und Einsatzumgebung geprüft werden.
24.9 Welchen Vorteil bietet das testo 316-EX?
Das testo 316-EX ist für die Erkennung von Wasserstoff, Methan und Propan vorgesehen und besitzt eine dokumentierte Ex-Ausführung. Für den Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen muss die konkrete Kennzeichnung mit der jeweiligen Zone und den relevanten Einsatzbedingungen abgeglichen werden.
24.10 Kann ich mit Stickstoff prüfen und damit die Wasserstoffdichtheit nachweisen?
Eine Stickstoff-Dichtheitsprüfung kann Teil eines geeigneten Prüfkonzepts sein. Sie stellt jedoch nicht unter allen Umständen einen ausreichenden Nachweis für die spätere Wasserstoffdichtheit dar. Die EIGA empfiehlt für entsprechende Anwendungen je nach Prüfkonzept ergänzende Verfahren mit Helium oder eine kontrollierte H₂-Prüfung nach vorheriger Inertgasprüfung.
24.11 Was ist Formiergas bei der Wasserstoff-Lecksuche?
Als Formiergas wird in der Leckprüftechnik häufig ein definiertes Gemisch aus 5 Vol.-% Wasserstoff und 95 Vol.-% Stickstoff bezeichnet. Der Wasserstoffanteil dient als Tracergas und kann mit einem geeigneten H₂-Detektor nachgewiesen werden. Die sichere Anwendung und die Bewertung der Messergebnisse hängen von der konkreten Gaszusammensetzung und dem freigegebenen Prüfverfahren ab.
24.12 Warum wird für kleine Leckraten häufig Helium eingesetzt?
Helium kann mit geeigneten Tracergas-Leckdetektoren sehr empfindlich nachgewiesen werden. Deshalb ist es für bestimmte quantitative Dichtheitsprüfungen geeignet. Die ermittelte Helium-Leckrate muss jedoch entsprechend den definierten Prüfbedingungen und der vorgesehenen H₂-Anwendung bewertet werden.
24.13 Kann Permeation durch eine Dichtung wie eine Undichtigkeit aussehen?
Ja. Wasserstoff kann abhängig vom Material und den Betriebsbedingungen durch bestimmte Dichtungen permeieren. Ein empfindliches Messverfahren kann dadurch einen Gasaustritt erkennen, ohne dass zwingend ein einzelner mechanischer Defekt vorhanden ist. Ob dieser Zustand zulässig ist, hängt von der festgelegten Dichtheitsanforderung ab.
24.14 Darf ich eine undichte Verschraubung unter Druck nachziehen?
Ein Nachziehen unter Druck darf nicht als allgemeine Reparaturmethode betrachtet werden. Es kann zu mechanischen Schäden oder gefährlichen Freisetzungen führen. Die Vorgehensweise richtet sich ausschließlich nach der konkreten Herstellerfreigabe und dem zugelassenen Sicherheitsverfahren. Im Regelfall muss die Verbindung vor einer entsprechenden Instandsetzung sicher drucklos gemacht werden.
24.15 Welche Rolle spielen Temperaturwechsel und Druckzyklen bei H₂-Verschraubungen?
Temperaturänderungen können die Kontaktpressung und das Verhalten der Dichtelemente beeinflussen. Wiederholte Druckwechsel verursachen zusätzliche mechanische Beanspruchungen. Deshalb kann eine Verbindung unter Betriebsbedingungen ein anderes Leckageverhalten zeigen als bei einer einzelnen statischen Prüfung.
24.16 Welcher Drucksensor eignet sich für die H₂-Druckabfallprüfung?
Ein Drucksensor muss für Wasserstoff, den vorgesehenen Druckbereich und die tatsächlichen Einbaubedingungen geeignet sein. Für die Auswertung kleiner Druckänderungen sind zusätzlich Auflösung, Drift, Unsicherheit und die erforderliche Temperaturbewertung wichtig. Bei ICS stehen unter anderem der Druck UNIK 5000H und die HT-H2-Serie zur Verfügung.
24.17 Welche Normen und technischen Regeln sind für die H₂-Leckprüfung relevant?
Für Tracergasverfahren ist unter anderem ISO 20485:2017 relevant. Die EIGA-Leitlinie DOC 15/21 behandelt Prüfungen gasförmiger Wasserstoffinstallationen. Für Wasserstoff-Betankungsanlagen kann ISO 19880-1:2020 relevant sein. Die konkret anzuwendenden Anforderungen hängen von Anlagentyp, Einsatzbereich und vereinbartem Prüfverfahren ab.
24.18 Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl der Prüftechnik?
Benötigt werden die Art der Wasserstoffanlage, das zu prüfende Bauteil, die Anzahl und Ausführung der Verschraubungen sowie das vorgesehene Prüfmedium. Besonders wichtig sind Betriebs- und Prüfdruck, Temperaturbereich, Prüfvolumen, zulässige Leckrate und geforderte Nachweisempfindlichkeit. Zusätzlich werden Angaben zu vorhandenen Drucksensoren, Dichtungswerkstoffen, Prüfanschlüssen, Ex-Anforderungen, verfügbaren Gasen, Prüfzeit und Dokumentationsanforderungen benötigt. Für eine quantitative Leckprüfung sollte außerdem feststehen, ob die Abnahme mit Druckabfall, H₂-Tracergas oder Helium erfolgen soll und auf welche Bezugsbedingungen sich die zulässige Leckrate bezieht.