Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchungen zur Ermüdungsfestigkeit von nass geschweißten Offshore-Stählen

Kommt es im Offshore-Windkraftbereich zum Schadensfall an unter Wasser liegenden Schweißnähten, werden verlässliche Kenntnisse über die möglichen Folgen einer schweißtechnischen Reparatur benötigt. Um eine Reparatur in die Restlebensdauer-Berechnung einer Struktur einzubeziehen, werden valide Ermüdungsfestigkeitswerte der Reparaturschweißungen als Datenbasis benötigt. Die erreichbaren Ermüdungsfestigkeiten entscheiden schlussendlich über die jeweilige Kerbfallklasse, welche den charakteristischen Bezugswert darstellt, um den Ermüdungsnachweis nach anerkannten Regeln der Technik zu führen. Für die im modernen Offshore-Bau verwendeten Stähle sind solche Kennwerte nicht bekannt. Die Einordnung einer hyperbar nass geschweißten Verbindung in die Kerbfallklassen und die resultierende Betriebsdauer einer Struktur aus thermomechanisch gewalztem Stahl wurde bislang nicht untersucht. Dies stellt eine große Hemmschwelle für Reparaturen unterhalb der Wasserlinie dar.

Ziel des beantragten Forschungsprojektes ist es darum, valide Ermüdungsfestigkeitswerte für hyperbar nass geschweißte Offshore-Stähle zu ermitteln. Dabei soll neben dem Einfluss der Wassertiefen auch der Wasserstoffgehalt als möglicher Einfluss auf den Rissstart untersucht werden.

Die zwei beantragenden Forschungsstellen ergänzen sich bezüglich des Projektziels hervorragend. So hat das Fraunhofer IGP bereits Erfahrungen im Bereich von Schwingversuchen mit den im Offshore-Bereich relevanten großen Prüfkörpern. Am Institut für Werkstoffkunde in Hannover hingegen wurde in langjähriger Arbeit die Expertise zum hyperbar nassen Schweißen und der Analyse des Wasserstoffgehalts in hyperbar nass geschweißten Proben aufgebaut.

Die Einordnung hyperbar nass geschweißter Konstruktionsdetails in erreichbare Kerbfallklassen ist ein wichtiger Schritt, um nasse Schweißverfahren als Reparaturmethode zu qualifizieren. Die Profitierenden sind Ingenieursbüros und Tauchfirmen, welche fast ausschließlich den kmU zuzuordnen sind.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde eine Charakterisierung der Schwingfestigkeit von nass geschweißten Konstruktionsdetails durchgeführt. Mit diesem Wissen kann eine Einordnung in die Kerbfallklassen nach Eurocode 3 vorgenommen werden. Verschiedene Einflussfaktoren des Unterwasserschweißens auf die Ermüdungsfestigkeit wurden untersucht.

Die Proben zur Ermüdungsfestigkeitsuntersuchung wurden in einer Druckkammer voll-mechanisiert geschweißt und mittels durch Schweißtaucher manuell angefertigte Schweißungen bestätigt. Die gewonnenen Erkenntnisse bieten einen Schritt zur Qualifizierung des nassen Unterwasserschweißens als Reparaturverfahren und zyklisch beanspruchten Stahlstrukturen.

Folgende Ergebnisse wurden erzielt:

- Die Schwingfestigkeit für verschiedene Konstruktionsdetails wurden untersucht.

- Für zwei untersuchte Baustahlsorten wurde die Schweißeignung untersucht, das Kohlenstoffäquivalent bestimmt und der Grundwerkstoff bzgl. der mechanisch-technologischen Eigenschaften charakterisiert.

- Für die untersuchte Probengeometrie „unbelastete Kehlnaht am Parallelstoß“ wurde eine vergleichbare Ermüdungsfestigkeit, wie im Eurocode angenommen, erreicht.

- Für andere Konstruktionsdetails mit belasteter Schweißnaht müssen infolge der nassen Ausführung geringere Schwingfestigkeiten angenommen werden.

- Eine Charakterisierung der Schweißnähte zeigt typische Fehlstellen, die in einen Zusammenhang mit der Schwingfestigkeit gebracht werden können.

- Bruchflächenuntersuchungen zeigen charakteristische Schlauchporen im Schweißgut, die als Rissausgangsort identifiziert werden konnten.

- Eine praktische Umsetzbarkeit und die Validierung der Ergebnisse konnte durch Unterwasserschweißer aufgezeigt werden.