Bauteilähnlicher Kaltrisstest für UP-Dickblechschweißungen unter Beachtung der Mindestwartezeit (MWZ) bis zur ZfP: a) Einflussfaktoren auf wasserstoffunterstützte Rissbildung, b) geometrische Abmessungen der Schweißprobe mit einem Gewicht von ca. 350 kg, c) Querschliff einer mehrlagig geschweißten 50 mm dicken Schweißprobe, ohne erkennbare Rissbildung.
Quelle: BAM
Offshore-Windkraftenergieanlagen (OWEA) sind ein zentrales Element der Energiewende zur Erzeugung grünen Stroms. Dabei werden OWEA immer größer und schwerer. Dementsprechend müssen geeignete Offshore-Gründungskonzepte wie Monopiles oder Jackets als Verankerungsstruktur fertigungstechnisch hergestellt werden. Letzte Entwicklungen gehen bei Monopiles in die Richtung 100 m Länge bei Durchmessern bis zu 8 m. Zur Beibehaltung der Knicksteifigkeit müssen Blechdicken von bis zu 200 mm verbunden werden, in der Regel durch hocheffizientes Unter-Pulver-(UP)-Schweißen. Eine damit verbundene Gefahr, ist die sogenannte verzögerte wasserstoffunterstützte Rissbildung (HAC). Durch in die Schweißnaht eingebrachten Wasserstoff, kann sich auch noch nach Tagen eventuell ein Riss bilden. Um dies auszuschließen, darf nach geltenden Regelwerken eine zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) der Schweißnaht erst teilweise nach 24 h erfolgen, der sogenannten Mindestwartezeit (MWZ).
Der Grund ist die langsame Wasserstoffdiffusion in anfällige Bereiche der Schweißnaht, wie die wärmebeeinflusste Zone (WEZ) unter gleichzeitiger Wirkung hoher (Schweiß-)Eigenspannungen. Aufgrund der großen Blechstärken kommt ausschließlich Mehrlagenschweißen zum Einsatz, welches die wiederholten Anlasseffekte eine komplexe Gefügestruktur und Eigenspannungsverteilung in der Schweißnaht erzeugt. Die großen Abmaße und Tonnagen der Monopiles erschweren zusätzlich die integrale Prüfung einer Komponente. Bisherige empirische Erfahrungen deuten darauf hin, dass das MWZ-Konzept kritisch diskutiert werden sollte. Aus diesem Grund wurde ein prototypischer Demonstrator eines realen Bauteils entwickelt, der durch seine spezielle Geometrie eine hohe Steifigkeit /mechanischen Beanspruchung ermöglicht, jedoch mit auf Werkstattebene händelbarer Dimensionen und Gewichte. Dazu wurde eine 1.000 mmm lange UP-Schweißnaht an 50 mm dicken Blechen der Offshore-Güte S420ML erstellt. Um möglichst kritische HAC-Bedingungen zu erreichen, wurde ein zweiter Demonstrator mit hoher Wasserstoffeinbringung geschweißt.
Anschließend wurden zum Ausschluss einer möglichen Rissbildung innerhalb der MWZ von 48 h beide Demonstratoren durch Ultraschallprüfung (PAUT) überwacht. Die Eigenspannungen wurden im Anschluss mit einem Roboter-XRD-Goniometer bestimmt. Dabei ergaben sich Zug-Eigenspannungen bis zur Streckgrenze des Materials sowohl im Schweißgut als auch in der WEZ. Die numerische Modellierung ermöglichte die qualitative Abschätzung der Wasserstoffdiffusion in der Schweißnaht. Die durch PAUT angezeigten, „interessanten“ Ereignisse wurden anhand von metallografischen Querschnitten weiter untersucht und ergaben ausschließlich innere Imperfektionen in der Schweißnaht (vornehmlich Poren oder vereinzelte Mikroheißrisse). Trotz der Wahl möglichst kritischer Parameter (hohe mechanische Beanspruchung, hohe Härte in der WEZ und hohe Wasserstoffkonzentration), wurde kein Auftreten von HAC festgestellt. Dies deutet auf die hohe Rissbeständigkeit des untersuchten Materials hin. Zusammengefasst hat das vorgestellte Konzept des Demonstrators großes Potential zur Kaltrissprüfung von Schweißverbindungen auf Komponentenebene. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass das MWZ-Konzept mit den heutigen zur Verfügung stehenden Werkstoffen kritisch diskutiert werden sollte.
Component test for the assessment of delayed hydrogen-assisted cracking in thick-walled SAW joints for offshore applications.
Michael Rhode, Arne Kromm, Tobias Mente, Daniel Brackrock, Denis Czeskleba & Thomas Kannengiesser
Welding in the World 68, 621–635, 2024