P 1080 – Erweiterung des Werkstoff- und Verarbeitungsspektrums im Windenergieanlagenbau durch konsistente Bauteilsicherheitsnachweise und schweißtechnische Prozessoptimierung

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Beschreibung

P 1080 – Erweiterung des Werkstoff- und Verarbeitungsspektrums im Windenergieanlagenbau durch konsistente Bauteilsicherheitsnachweise und schweißtechnische Prozessoptimierung

Kurzdarstellung
Die Motivation des Projekts entsprang der Tatsache, dass Schweißnähte für Windenergieanlagen derzeit überwiegend im Unterpulververfahren hergestellt werden, obwohl das Elektronenstrahlschweißen (EB) für große Blechdicken, wie sie in solchen Anlagen auftreten, wesentlich besser geeignet ist.
Das Ziel des vorgestellten Projekts war daher, die notwendigen Maßnahmen zu erarbeiten, damit das EB-Schweißen in Zukunft in Offshore-Windenergieanlagen ein- gesetzt werden kann. Um dies zu erreichen wurden drei Forschungsschwerpunkte verfolgt. Untersucht wurde, wie durch metallurgische und prozesstechnische Maßnahmen ein verbessertes Zähigkeitsangebot von EB-Schweißnähten bereitgestellt werden kann. Um die notwendigen Zähigkeitsanforderungen besser definieren zu können, wurden außerdem schädigungsmechanische Modelle weiterentwickelt, um durch die Simulationen von Kerbschlagbiegeversuchen und Bauteilen gezielt die benötigte Zähigkeit ableiten zu können. Der dritte Untersuchungsschwerpunkt resultierte aus der Motivation, die Zähigkeitsanforderungen nicht für die gesamte Lebensdauer einer Windenergieanlage zu definieren, sondern durch die Definition gezielter Inspektions- und Reparaturintervalle eine gesteigerte Materialausnutzung mit dem sicheren Betrieb zu verbinden. Dies stellt insbesondere für schwer zugängliche Offshore-Windenergieanlagen einen attraktiven innovativen Ansatz dar, um die Herstellung und den Betrieb der Anlagen effizienter zu gestalten.
Die Untersuchungen zur Verbesserung der Zähigkeitseigenschaften verdeutlichten, dass die chemische Zusammensetzung der Grundwerkstoffe für die Nahtherstellung beim Schweißen mit Leistungsüberschuss irrelevant ist, jedoch die mechanischen Eigenschaften der Verbindung deutlich beeinflusst. Ein deutlich positiver Einfluss auf die Zähigkeitseigenschaften wurde durch die Zugabe von Aluminiumoxid oder Aluminiumband als Zusatzwerkstoff erreicht.
Die schädigungsmechanischen Untersuchungen konnten erfolgreich ein lokales, probabilistisches, spannungszustandsabhängiges Spaltbruchkriterium etablieren. Die probabilistische Beschreibung des Versagensverhaltens beruht hierbei auf Weibull-Verteilungen. Das Modell wurde an Kerbschlagbiegeversuchen im unteren Übergangsbereich validiert. Es kann in Kombination mit duktilen Versagenskriterien zur Ableitung von Zähigkeitsanforderungen eingesetzt werden.
Die bruchmechanischen Betrachtungen erfolgten anhand der simulierten Belastung einer 3-MW Onshore WEA unter verschiedensten Situationen im Lebenszyklus der Anlage. FE-Berechnungen zur Quantifizierung des durch die Flanschgeometrie entstehenden Krempelmoments führten zu plausiblen Ergebnissen der Spannungsverteilung im Nahtquerschnitt. Die Rissfortschrittseigenschaften der EB-Schweißnaht wurden dabei anhand der in Großzugversuchen untersuchten Eigenschaften definiert. Es konnte gezeigt werden, dass der gewählte Ansatz geeignet ist, um Inspektionsintervalle zu definieren. Erste Ergebnisse deuten auf gute Eigenschaften der EB-Schweißnähte für diese Anwendungen hin.
Die drei Forschungsschwerpunkte haben das notwendige Wissen sowie die not-wendigen Methodiken bereitgestellt, um den Einsatz von EB-Schweißverbindungen in
Windenergieanlagen zu befördern. Aufgrund nicht öffentlicher zugänglicher Daten über die Betriebslasten von Offshore-Windenergieanlagen konnte keine Ableitung konkreter Zähigkeitsanforderungen und Inspektionsintervalle erfolgen. Diese sollten in Zusammenarbeit mit Herstellern, Auslegern und Betreibern solcher Anlagen erarbeitet werden.

FOSTA – Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V.

Veröffentlichung:
Januar 2019