Straßen.NRW verzeichnet Forschungserfolg im Tunnel:

Gemeinsam mit mehreren Kooperationspartnern forscht Straßen.NRW seit 2017 an einem innovativen Material, das die Lebensdauer von Betriebsanlagen in Tunneln - Lüftern oder Beleuchtungsanlagen etwa - erhöhen soll. Erfolgreiche Langzeitversuche mit dem so genannten Duplexstahl laufen derzeit auf wissenschaftlichem Niveau in zwei Tunneln in Nordrhein-Westfalen.

Der Hintergrund: Die Atmosphäre in Tunneln ist deutlich aggressiver als an normalen Straßen, sogar korrosiver als im Offshore-Bereich wie etwa auf Bohrinseln im Meer. Neben so genanntem "Tunneldreck" (Staub, Reifen- und Bremsabrieb) befinden sich auch Chemikalien aus den Abgasen in der Luft. Klimatische Umwelteinflüsse wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur sowie Immissionen durch Industrie (z. B. Schwefelsäure, Nitrat, Chlor) und ein zunehmend höheres Verkehrsaufkommen führen zudem zu steigenden Anforderungen an die Bauteiloberflächen der betriebs- und sicherheitstechnischen Ausstattung in Straßentunneln.

Straßen.NRW als Förderer bei der Materialforschung

Der Landesbetrieb Straßenbau Nordrhein-Westfalen, die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die Informationsstelle Edelstahl Rostfrei (ISER) und die Modersohn GmbH testen derzeit im Tunnel Wersten (Düsseldorf, A 46) und im Tunnel Burgholz (Wuppertal, L 418) das Materialverhalten von verschiedenen Duplexstählen im Vergleich zu den bislang gebräuchlichen rostfreien Edelstählen unter extremer Belastung. Dafür werden seit Dezember 2017 Proben in speziell dafür konzipierten Racks in den Tunneln gelagert. Installiert werden konnte die Vielzahl an verschiedenen Probenracks durch die Kooperation mit den Technischen Diensten Ratingen, die bei Straßen.NRW der Autobahnniederlassung in Krefeld zugeordnet sind.

Die Versuche seien vielversprechend, erklärt Uwe Köstermann, Verantwortlicher Ingenieur für Grundsatzfragen bei Maschinenbauthematiken bei Straßen.NRW: Tatsächlich wird das Material als so geeignet eingeschätzt, dass seitens der Forschungsnehmer geplant ist, die Versuchsreihen Ende 2019 auch auf den Elbtunnel in Hamburg auszuweiten. Hier kämpft man noch zusätzlich gegen den Einfluss des Brackwassers der Elbe auf die Tunnelatmosphäre. "Wir freuen uns, der Forschung im allgemeinen Interesse der Öffentlichkeit dienlich zu sein", so Köstermann. Sein Ausblick: "Wir erhoffen uns, sowohl den Zeit- als auch den Personalaufwand für die Instandhaltungsarbeiten in den Tunneln zukünftig deutlich zu reduzieren und somit eine höhere Tunnelverfügbarkeit für den Verkehrsteilnehmer sicherzustellen."

Wartungs- und Instandsetzungsmaßnahmen reduzieren

Für die aktuellen Versuche wurden zwei Tunnel ausgewählt, in denen die "kritische atmosphärische Belastung" besonders repräsentativ ist. Zur betriebs- und sicherheitstechnischen Ausstattung - deren Oberfläche heute meist aus rostfreien Edelstählen der so genannten austenitischen rostfreien Stähle (Chrom-Nickel-Molybdän Stahl) hergestellt wird - gehören auch die Ventilatoren, die für die gute Luftqualität im Tunnel sorgen und bei einer etwaigen Brandbekämpfung einwandfrei funktionieren müssen. Die derzeit noch immer notwendige Reinigung der Bauteiloberflächen dieser Ventilatoren bedarf neben einem hohen Zeitaufwand auch besonderer personeller Ressourcen. Denn die "Waschaktionen" mit einer umweltfreundlichen Lauge werden bewusst von Hand durchgeführt. Im Tunnel Wersten mit einer Länge von 860 Metern und im benachbarten Tunnel Universität mit einer Länge von 1050 Metern sind insgesamt 51 Ventilatoren im Einsatz; die Instandhaltung dieser Tunnel dauert rund vier Nächte, wobei die Fahrbahn mindestens einseitig gesperrt werden muss. In dieser Zeit wird ein Großteil der betriebs- und sicherheitstechnischen Ausstattung (BTA) gewartet, die Reinigung selbst hat dabei einen hohen Anteil am Gesamtzeitaufwand.

Der Einsatz von Duplexstahl, so hofft Köstermann, soll diesen Zeitaufwand zukünftig reduzieren und gleichzeitig die Lebensdauer der BTA erhöhen, sofern sich der Werkstoff für den Einsatz in Tunneln tatsächlich qualifiziert. Denn, so Köstermann, es ist nach der jetzigen Erkenntnislage wahrscheinlich, dass Bauteile und Komponenten aus diesem Material seltener ausgetauscht werden - trotz gleicher Bedingungen vor Ort.

Forschungsergebnisse sollen zum Umdenken führen

Duplexstähle verbinden schmelzmetallurgisch ein so genanntes ferritisches und austenitisches Gefüge (kennzeichnet den unterschiedlichen inneren Aufbau, die Struktur und die Ordnung der Atome im Stahl), was dem Werkstoff neben einer hohen Korrosionsbeständigkeit auch zusätzlich deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften gibt. Insbesondere der erhöhte Chromgehalt macht sie etwa gegenüber Säure widerstandsfähiger als andere nichtrostende Edelstähle, gleichzeitig sind sie unempfindlicher gegenüber Loch- und Spaltkorrosion. Köstermann: "Kombiniert mit ihren hervorragenden mechanischen Eigenschaften - etwa gute Schweißbarkeit und eine hohe Festigkeit - sind sie ein ideales Material, wenn hohe Lebensdauer unter besonderen Bedingungen gefordert wird."

Dies setzt jedoch voraus, dass auch die Hersteller von betriebs- und sicherheitstechnischer Ausstattung zu einem Umdenken beim Materialeinsatz bewegt werden. Denkbar sei zukünftig auch der Einsatz im Brückenbau oder für Tragwerke im Tunnel. Köstermann: "Es ist wegen der aufschlussreichen ersten Zwischenbilanz geplant, dass Straßen.NRW das Forschungsvorhaben mit den Kooperationspartnern bis Ende 2022 fortführt. Die Ergebnisse könnten dann sogar eine Auswirkung auf den Normenausschuss der EU haben und den Duplexstahl zum neuen Standard machen."

Die positiven Eigenschaften stellen im Umkehrschluss die industrielle Bearbeitung des Materials mitunter vor ernsthafte Herausforderungen. Um das Material durch Zerspanung oder Umformung in die gewünschte Form zu bringen sind weitere Optimierungen in der Werkzeug- und Maschinenauslegung erforderlich. Köstermann: "Hier ist tatsächlich noch weiterer Entwicklungsbedarf und ein am Markt orientiertes Umdenken notwendig."