Beschreibung
P 863 – Qualifizierung des Elektronenstrahlschweißens im Dickblechbereich für Anwendungen im Windenergieanlagenbau
Im Einklang mit den klima- und energiepolitischen Zielen der EU hat sich die deutsche Bundesregierung zum Ziel gesetzt, den Anteil der erneuerbaren Energien bis 2020 auf 20% zu erhöhen. Um dieses Vorhaben zu unterstützen, sollen unter anderem neue Windparks in der Nordsee entstehen.
Der Bau der Windparks stellt den Stahlbau vor eine große Herausforderung, da die bei Wassertiefen von bis zu 50 m im Meeresboden verankerten Gründungsstrukturen nicht nur dynamischen Belastungen durch die Drehung des Windrades ausgesetzt sind, sondern auch der Wellengang und die Tide die Strukturen beansprucht. So wird eine schwere Struktur mit bis zu 900 t gewählt. Das Fügen der einzelnen Rohrsegmente der Gründungsstrukturen fällt unter Anwendung der gängigen Richtlinien demnach mit bis zu 1230 m Schweißnaht umfangreich aus.
Das Fügen der Rohrsegmente der Gründungsstrukturen solcher Windenergieanlagen (WEA) erfolgt nach den bestehenden Richtlinien mit dem Uunter-Pulver-Schweißverfahren (UP). Im Gegensatz zu diesem Schweißverfahren bietet das Elektronenstrahlschweißen (EB) hohe Einschweißtiefen bei hoher Energieausnutzung. Die bis zu 100 mm dicken Rohrsegmente der Gründungsstrukturen können dabei in einem einzigen Prozessschritt gefügt werden, wodurch gegenüber
dem UP-Schweißen ein großer zeitlicher Vorteil gegeben ist. Im Rahmen des Projektes wird das EBSchweißverfahren optimiert, indem ein wirtschaftliches Prozessfenster erarbeitet wird. Des Weiteren wird für einen weiteren Anstieg der Zähigkeit der Schweißnähte die Verwendung von Schweißzusatz wie Aluminium und Nickel untersucht, wobei insbesondere Aluminium die Entwicklung der Tieftemperaturzähigkeit positiv beeinflusst.
Darüber hinaus wird die Bauteilsicherheit der Gründungsstrukturen der WEA anhand bruchmechanischer Konzepte untersucht. In einem ersten Schritt wird überprüft, ob die von den Schweißnähten gewährleistete Zähigkeit den an die Konstruktion gestellten Anforderungen genügt. Neben den Schweißnähten von Baustählen moderater Festigkeit, bspw. der Stahlsorte S355, werden hier auch die Schweißnähte hochfester Sorten (S460) überprüft. Der Vorteil hochfester Sorten gegenüber den herkömmlich verwendeten Stählen ergibt sich hierbei in der Möglichkeit einer Auslegungin geringeren Blechdicken. Die dadurch zustande kommende Materialersparnis kommt dabei einer schnelleren Prozessführung des EB-Schweißens zu Gute. Zusätzlich zur Prozessoptimierung kann somit EBSchweißnahtqualität erhöht werden. Neben der Verbesserung der Schweißnahtqualität wird zusätzlich die Dauer zur Herstellung der Gründungsstrukturen reduziert.
Die von den Schweißnähten der verwendeten Stahlsorten gewährleisteten Zähigkeiten dienen als Anregung, die herkömmliche Auslegung der Gründungsstrukturen anhand einer historisch gewachsenen Mindestzähigkeit und einer festgelegten Materialdicke zu überdenken. So ist es auch aus ökonomischen Gründen essentiell für die zukünftige Konstruktion von Gründungsstrukturen in WEA, das EB-Schweißverfahren sowie hochfeste Stähle in den bestehenden deutschen sowie europäischen Richtlinien zu etablieren.
Das IGF-Vorhaben 372 ZN der FOSTA-Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Institut für Eisenhüttenkunde, RWTH Aachen und dem Institut für Schweiß- und Fügetechnik, RWTH Aachen, durchgeführt.
Autoren:
U. Reisgen, S. Olschok, S. Ufer, W. Bleck, S. Münstermann, G. Golisch
Veröffentlichung:
2016
