Windenergie: Verlängerung der Lebensdauer von Offshore-Türmen durch innovative Schweißzusätze
Die Schweißnähte an Offshore-Windenergieanlagen sind besonders hohen Belastungen ausgesetzt. Wissenschaftler der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) konnten nachweisen, dass der Einsatz spezieller Schweißzusätze die Ermüdungsfestigkeit dieser Nähte signifikant verbessert. Je nach Ausführung und Nahtgeometrie erhöhte sich die Festigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Schweißverfahren um 50 bis 140 Prozent.
Belastungen und Herausforderungen bei Offshore-Windanlagen
Offshore-Windenergieanlagen bestehen aus zahlreichen verschweißten Komponenten, die durch Wind und Wellen zyklisch beansprucht werden. Diese Belastungen wirken sich besonders auf die Schweißnähte aus. Bei hochfesten Stählen gilt der Schweißprozess als kritischer Faktor, da er das Gefüge des Werkstoffs verändert und schädliche Zugeigenspannungen erzeugt. Aufgrund dieser Risiken werden die Potenziale dieser Stähle im Leichtbau bisher nur eingeschränkt genutzt.
Untersuchung neuartiger Schweißzusätze
Im Rahmen eines von der BAM koordinierten Kooperationsprojekts wurden sogenannte Low Transformation Temperature (LTT) Zusatzwerkstoffe erforscht. Diese speziellen Legierungen beeinflussen das Gefüge der Schweißnaht beim Abkühlen so, dass die schädlichen Zugeigenspannungen deutlich reduziert werden. In einigen Fällen entstehen sogar förderliche Druckeigenspannungen, die der Entstehung von Ermüdungsrissen entgegenwirken.
Ergebnisse an hochfesten Stahlbauteilen
Getestet wurden typische hochfeste Stahlkomponenten mit zusätzlicher struktureller Verstärkung, wie sie in Türmen und Tragwerken von Windenergieanlagen zum Einsatz kommen. Diese Bauteile gehören zu den am stärksten beanspruchten Elementen der Anlagen. Die Anwendung der LTT-Schweißzusätze führte je nach Ausführung und Nahtgeometrie zu einer Steigerung der Ermüdungsfestigkeit um 50 bis 140 Prozent gegenüber herkömmlichen Schweißungen. Besonders effektiv war eine gezielt platzierte zusätzliche LTT-Schweißlage im hochbelasteten Nahtbereich.
Praktische Bedeutung und Vorteile
Martin Hübner vom Kompetenzzentrum Wind@BAM betont, dass die Ermüdungsfestigkeit der Schweißnähte entscheidend für die Lebensdauer von Offshore-Windenergieanlagen ist. Die Forschungsergebnisse eröffnen Möglichkeiten zur sicheren Realisierung höherer Lasten und größerer Anlagen ohne aufwändige Nachbehandlungen. Ein wesentlicher Vorteil der LTT-Zusatzwerkstoffe besteht darin, dass die Verbesserung direkt während des Schweißprozesses erzielt wird, wodurch zusätzliche Arbeitsschritte entfallen. Dies macht das Verfahren für die Industrie besonders attraktiv.
Darüber hinaus bieten die LTT-Zusatzwerkstoffe perspektivisch Chancen für die Reparatur und Verstärkung bestehender Schweißnähte.
Übertragung der Ergebnisse und Anwendungsbereiche
Die Resultate werden aktuell in Fachgremien und Ausschüssen diskutiert, um eine Integration in bestehende Regelwerke zu ermöglichen. Die Relevanz der Erkenntnisse erstreckt sich nicht nur auf den Bau von Windenergieanlagen, sondern betrifft auch den Maschinenbau, Stahlbau, Fahrzeugbau sowie den Einsatz großer Spezialkräne, die für die Errichtung zukünftiger Anlagen erforderlich sind.
Projektpartner und Förderung
Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik (IWM) sowie der Forschungsvereinigung des Deutschen Verbands für Schweißen und verwandte Verfahren (DVS) durchgeführt. Die Finanzierung erfolgte durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie im Rahmen der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF).
