TWI: Offshore Windturbinen

• Kurzvorstellung des TWI (1:44)
• Einführung (2:43)
• Herausforderungen bei der Strukturintegrität von Offshore-Windturbinen (5:52)
• Strukturintegrität an Verbindungsstellen (11:08)
• Normen zur Strukturintegrität an Verbindungsstellen (13:17)
• Integrität von Schweißungen: Eigenspannungen (15:34)
• Schnappschuss der am TWI durchgeführten Forschungsprogramme (20:19)
• Fragen und Antworten (23:34)
• Zusammenfassung und Ausblick (34:52)

• Verbinden, Testen, Inspektion, Beratung, Forschung und Entwicklung, Innovation und NSIRC sowie Training und Zertifikation
• Materialprüfung
• Engineering Critical Assessment
• Fehlerbegutachtung
• Schweißtechnische Beratung
• • Lichtbogenschweißen
  • Laserschweißen und -schneiden
  • Elektronenstrahlmaterialbearbeitung
  • Reibschweißen
  • Rührreibschweißen
• Zerstörungsfreie Prüfung
• Oberflächentechnik und Beschichtungstechnik
• Additive Fertigung
• Finite Elemente Analyse für die Prozessoptimierung

Der Begriff "Windturbine" beschreibt die Gesamtstrukur oberhalb und unterhalb der Wasseroberfläche: Rotor, Gondel (englisch: Nacelle), Rotorblätter, Verkabelung sowie der Turm, das Übergangsstück und das Fundament.

Die Konstruktion muss die strukturellen Belastungen berücksichtigen, sowohl durch den Wind als auch durch die Wellen. Sie muss den oft extrem hohen Kräften und Momenten standhalten sowie der Korrosion durch das Seewasser.

Der Turm ist eine große Schweißkonstruktion mit etwa 50 mm Wandstärke das unten am Übergangsstück über M64 oder M72 Bolzen mit dem Fundament verschraubt ist. Neben den bisher üblichen Monopile-Fundamenten werden am Meeresgrund verankerte Ponton-Fundamente immer üblicher, die die Installation von Windturbinen bei großer Wassertiefe ermöglichen.

• Sehr große Strukturen
• • Größer als die bei der Erstellung von Konstruktionsregeln in Normen zugrunde gelegten Strukturen
• Eingeschränkte Zugangsmöglichkeiten auf See
• • Daher ist hohe Zuverlässigkeit erforderlich
  • Korrekte Daten werden für die Auslegung benötigt
  • Die Betriebsdatenerfassung kann die Inspektions- und Wartungsintervalle reduzieren
• Eine sich schnell entwickelnde Industrie mit neuen Konzepten und Konstruktionen
• • Know-how aus anderen Industriezweigen, z.B. Ölbohrinseln und Schiffbau
  • Kostengünstige Fertigungsverfahren werden angestrebt
  • Unerwartete Herausforderungen bei Neukonstruktionen

• Schweißungen sind häufig das schwächste Glied einer Konstruktion, insbesondere wenn Fehler wie Porosität oder Bindefehler vorliegen
• Lichtbogenschweißen kann zu Schlackeeinschlüssen an der Schweißnahtwurzel führen
• Ermüdungsbruch einer Schweißverbindung aufgrund von wechselnder Wandstärke
• Auch geschraubte Verbindungen sind bezüglich der Bruchgefahr kritisch 

• BS7608 ('Guide to fatigue design and assessment of steel products') ist eine Richtlinie zur Ermüdungsbruch-gerechten Konstruktion von Stahlprodukten
• BS7910 ('Guide to Methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures') ist eine Richtlinie zur Bewertung der Zulässigkeit von Fehlern in Metallstrukturen

• Schweißungen enthalten oft hohe Zugeigenspannungen
• High-Low-Fehlausrichtung führt zu sekundären Biegebelastungen
• Eine Nachbearbeitung der Einbrandkerben an der Nahtraupe kann die Schweingfestigkeit steigern

• Ermüdungsbruchverhalten von Ankerketten
• Industrielles Gemeinschaftsprojekt zur Ermittlung von Daten
• Unterstützt durch Doktorarbeiten

• Was ist der Unterschied zwischen Öl- und Gas- und Windfarm-Konstruktionen?
• • Unterschiedliche Konsequenzen bei Schadensfällen, da Windturbinen normalerweise nicht bemannt sind
  • Es gibt aber eine viel größere Anzahl von Windturbinen als Bohrinseln, was beim Asset Management berücksichtigt werden muss
  • Die Zuverlässigkeit von Offshore-Windturbinen muss hoch sein, da sie schwer zugänglich sind
• Gibt es eine Norm für die Inspektionsintervalle von Bolzen und Schweißungen?
• • Die Grundlage für die Inspektionsintervalle bilden normalerweise risikobasierte Kriterien
• Was wären die Auswirkungen von Hi-Lo-Fehlausrichtung oberhalb der zulässigen Toleranzen? 
• • Fehlausrichtung führt zu einer überlagerten Belastungskonzentration
  • In dadurch besonders belasteten Bereichen besteht ein höheres Risiko für Ermüdungsbrüche als in anderen Bereichen
  • Es ist wichtig, zu verstehen, welche zusätzliche Belastung dadurch entsteht
• Wie lange kann eine Struktur einer korrosiven Umgebung wie Seewasser ausgesetzt sein, bevor der Lochfraß einen Abschlag der S-N-Kurven verlangt? 
• • Das wird zur Zeit in den Forschungsprojekten am TWI bewertet
• Gibt es bei verschraubten Verbindungen einen Versagensmodus, der besonders kritisch zu betrachten ist, z.B. Festfressen?
• • Die Bolzen werden normalerweise mit einer Mindestspannung angezogen. Es muss darauf geachtet werden, dass sie sich nicht lockern.
• Können Ermüdungsbrüche in der Industrie darauf zurückgeführt werden, dass Normen außerhalb ihres vorhergesehenen Einsatzbereichs eingesetzt werden?
• • Die traditionellen Konstruktions-Normen sind für Offshore-Windturbinen nicht unhinterfragt einsetzbar.
  • Es ist möglich, dass bestehende Normen nicht für die Auslegung von Offshore-Windturbinen geeignet sind
  • Weitere Forschung ist in diesem Gebiet erforderlich, um nachzuweisen, dass die Konstruktionsregeln anwendbar sind. 
• Führt TWI Ermüdungsuntersuchungen an Bolzen in voller Größe durch, und bis zu welcher Größe kann das in Seewasser durchgeführt werden? 
• • Im Grundlagenforschungsprogramm des TWI werden M72-Bolzen untersucht, allerdings voraussichtlich nicht in einer Seewasserumgebung. 
• Hat TWI Erfahrung mit der zerstörungsfreien Prüfung von Windturbinen während des Betriebs, und gegebenenfalls mit welchen Verfahren?
• • Ja, es wurden unter anderem die Rotorblätter der Windturbinen untersucht.
  • Es gibt keinen offensichtlichen Grund, warum Schweißnähte im Turm nicht untersucht werden könnten.
• Warum werden Werkstoffe verwendet, von denen bekannt ist, dass sie für Materialermüdung empfindlich sind, und gibt es Werkstoffe, die weniger anfällig für Ermüdungsrisse sind?
• • Das Problem ist vermutlich, dass eine Schweißnaht in jedem Werkstoff zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Ermüdungsrissen führt.
  • Wenn man eine Struktur aus einem einzigen Stück fertigen könnte, wie z.B. bei Einkristall-Turbinenschaufeln, wäre das sicher vorteilhaft, um die Ermüdungseigenschaften zu verbessern.
  • Aber alles was Kerben, Fehler und andere belastungsrelevante Eigenschaften hat, unterliegt der Materialermüdung.
• Welchen Einfluss hat der Korrosionsschutz auf Lochfraß und die allgemeine Korrosion?
• • Ein geeignetes Korrosionsschutzsystem minimiert sicherlich die Auswirkungen von Korrosion.
  • Das ist eine Frage, mit der sich die Korrosionsschutzexperten am TWI befassen.

Dies Webinar ist Teil einer Serie von Webinars, die am TWI zum Thema Offshore-Windturbinen durchgeführt wurden und werden, z.B. zu den werkstoffspezifischen Herausforderungen in diesem Sektor. TWI freut sich über Vorschläge zu weiteren Themen, die von Interesse sind, z.B. Zustandsüberwachung und Strukturintegritätsüberwachung von Offshore-Windturbinen.

Für Unternehmen in Süddeutschland, Österreich und der Schweiz stellt AluStir auf Anfrage gerne weitere Informationen zu Offshore-Windturbinen zur Verfügung. Bitte kontaktieren Sie uns per Telefon (+49 6024 636 0123) oder E-Mail (stephan.kallee@alustir.com).