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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur von Rissen in Stahlkonstruktionen mittels Schweißens unter Wasser, insbesondere in Meeren, und Verwendungen des Verfahrens.
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In den nächsten Jahren wird die Anzahl installierter Offshore-Windenergieanlagen stark ansteigen. Die Funktionssicherheit dieser Anlagen ist für eine zuverlässige und effiziente Energieversorgung unerlässlich. Die Baugruppen der Windenergieanlagen sind während ihres Einsatzes hohen chemischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, die einerseits in der korrosiven Umgebung durch das Salzwasser und andererseits in den permanent schwankenden Windbelastungen zu suchen sind. Insbesondere an den Schweißnähten können diese Belastungen zu Rissen führen, die durch die dynamischen Belastungen aufgrund des am Bauwerk angreifenden Windes weiter fortschreiten und letztendlich zum Bruch führen können. Aufgrund der hohen Kosten der Offshore-Windenergieanlagen ist ein Bauteilversagen unbedingt zu vermeiden und deswegen ein Rissfortschritt zu unterbinden.
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Aus dem Stand der Technik sind Verfahren zur Reparatur von Rissen mittels Schweißens unter Wasser bekannt, wie z. B. das Lichtbogen-Handschweißen (sog. E-Handschweißen) mit einer Unterwasser(UW)-Schweißelektrode (Verfahren 111) oder das Metall-Lichtbogenschweißen mit Fülldraht ohne Schutzgas (Verfahren 114) oder das Metall-Aktivgasschweißen (MAG) mit Drahtelektroden (Verfahren 135, 136 und 138); jeweils nach DIN EN ISO 4063.
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Für Arbeiten im Meer, insbesondere in größeren Tiefen, sind jedoch kostenintensive Zulassungsverfahren zu durchlaufen. So sind bislang Schweißelektroden nach DIN EN ISO 2302 nur für Wassertiefen von maximal 20 m zugelassen.
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Insbesondere beim Metall-Aktivgasschweißen führen außerdem die verwendeten Schutzgase zur Blasenbildung im Wasser, welche einen manuellen Prozess aufgrund der eingeschränkten Sicht auf das Schweißgut beeinträchtigen.
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Des Weiteren erschwert das umgebende Meerwasser beim Schweißen das Erreichen notwendiger Nahteigenschaften, da es aufgrund der hohen Temperaturdifferenzen zu einer raschen Abkühlung kommt, welche wiederum hohe Härten und geringe Zähigkeiten innerhalb der Schweißnaht zur Folge haben.
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Zum Fügen von Werkstücken aus niedrigschmelzenden Aluminiumlegierungen ist das Rührreibschweißen (englisch: Friction Stir Welding - FSW) bekannt. Das Verfahren basiert darauf, dass durch Reibung zwischen zwei Körpern Wärme erzeugt wird. Dabei kommt ein rotationssymmetrisches Werkzeug, bestehend aus einer Schulter und einem Pin, zum Einsatz. Dieses wird in Rotation versetzt, sodass es bei Kontakt mit den Fügepartnern unter Kraftaufbringung die zum Plastifizieren benötigte Wärme erzeugt. Das Material beginnt unter der aufgebrachten Kraft und der erhöhten Temperatur zu fließen und kann in diesem plastifizierten Zustand verrührt bzw. verformt werden. Somit erfolgt das Fügen bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur.
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CN 105921879 A beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reparieren von Unterwasser-Pipelines, wobei dem Rohrdurchmesser entsprechend gebogene Platten über dem Riss punktweise mittels Bolzen, die durch Reibstichschweißen eingebracht werden, befestigt werden. Nachteilig ist hierbei, dass entsprechend vorgefertigte Platten benötigt werden, die mittels einer Vielzahl von bereitzustellender Bolzen unter Wasser auf der Pipeline zu fixieren sind.
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Aus
US 2015/343558 A1 ist ein Verfahren zum Reibschweißen unter dem Meeresspiegel zu entnehmen, bei dem eine Plattform, auf welcher mehrere zylinderförmige Schweißstücke lagern, in die Tiefe an eine vorgegeben Position abgesenkt, ein Schweißkopf an einem Tauchroboter befestigt und der Tauchroboter ebenfalls an die vorgegebene Position abgesenkt wird, wobei der Roboter ausgebildet ist, die Schweißstücke von der Plattform in den Schweißkopf zu laden, den Schweißkopf an einem Bauteil auszurichten und das Schweißstück an das Bauteil zu reibschweißen. Somit kann das Bestücken des Schweißkopfes unter Wasser erfolgen.
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Für das Unterwasserschweißen gibt es in Deutschland neben Merkblättern der Berufsgenossenschaften zum Schweißen in nasser Umgebung, die über die Technik und Ausrüstung der Arbeitsschritte informieren, unbedingt einzuhaltende Vorschriften und Normen. Hierzu zählen z. B. die o. g. Zulassungsverfahren für die Schweißvorrichtungen, wodurch Schweißelektroden nur in einer Wassertiefe von maximal 20 m eingesetzt werden dürfen. Zusätzlich müssen die Taucher, die die Schweißarbeiten unter Wasser durchführen, ein gültiges Unterwasserschweißzertifikat vorweisen können (siehe z. B. DIN EN ISO 15618-1: Unterwasserschweißer-Prüfbescheinigung).
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Unterwasser-Reparatur von Rissen in Stahlkonstruktionen mittels Schweißens zu schaffen, das von einem Taucher ohne Unterwasserschweißzertifikat auch bei schlechten Sichtverhältnissen sowie in Wassertiefen von mehr als 20 m zuverlässig ausführbar ist.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 8 beschrieben; besonders vorteilhafte Verwendungen der Erfindung werden in den Patentansprüchen 9 und 10 aufgezeigt
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterwasser-Reparatur von Rissen in einer Stahlkonstruktion, wobei das schweißzusatzwerkstofflose Rührreibschweißen eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß wird, nachdem auf der Oberfläche der Stahlkonstruktion an einer Position unter dem Wasserspiegel, z. B. mittels zerstörungsfreier Prüfverfahren, ein Riss festgestellt wurde, selbiger zur Reparatur markiert. Weiterhin wird ein vorzugsweise rechteckiger Bereich, im Folgenden Reparaturbereich genannt, eingegrenzt, der den Riss vollständig umschließt. Die Abmessungen dieses Reparaturbereiches werden dabei so gewählt, dass zu allen Seiten des Risses wenigstens einige Millimeter, bevorzugt 10 mm, Abstand zu den Rändern des Reparaturbereiches verbleiben. Somit ist der Reparaturbereich in seiner Längenausdehnung größer als die Längenausdehnung des Risses und in seiner Breitenausdehnung größer als die vom Riss entlang seines gesamten Verlaufes senkrecht zu seiner Längenausdehnung beanspruchte Breite.
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Zur Durchführung der Unterwasser-Reparatur mittels Rührreibschweißens ist eine Unterwasser-Rührreibschweißvorrichtung, aufweisend eine Haltevorrichtung, ein mittels einer Verfahreinrichtung in den drei Raumrichtungen bewegbares Rührreibschweißwerkzeug und eine Kamera, vorgesehen. Diese Rührreibschweißvorrichtung wird in die Tiefe herabgelassen, beispielsweise mittels einer Seilwinde von einer auf der Wasseroberfläche schwimmenden Plattform.
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Ein in die Tiefe zur Position des markierten Risses hinabgetauchter Taucher nimmt die Unterwasser-Rührreibschweißvorrichtung und drückt sie in etwa auf Höhe des Risses gegen die Stahlkonstruktion. Mittels der von der Kamera erfassten Markierung wird die Rührreibschweißvorrichtung schließlich manuell an dem zuvor eingegrenzten Reparaturbereich justiert, sodass der Reparaturbereich vollständig, d. h. in seiner gesamten Längen- und Breitenausdehnung, von dem Rührreibschweißwerkzeug erfassbar ist, welches bei fixierter Rührreibschweißvorrichtung mittels der Verfahreinrichtung in einer Ebene parallel zu der zu reparierenden Oberfläche um bevorzugt wenigstens 100 mm in einer ersten Richtung, z. B. parallel zum Rissverlauf, und um wenigstens 30 mm und in einer zweiten, zu der ersten senkrechten Richtung verfahrbar ist. Die nach der Justierung von der Unterwasser-Rührreibschweißvorrichtung eingenommene Position ist somit die Schweißposition für die nachfolgend durchzuführende Reparatur.
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Die Rührreibschweißvorrichtung wird nunmehr in dieser Schweißposition mittels der Haltevorrichtung an der Stahlkonstruktion befestigt und fixiert. Die Befestigung ist hierbei von der Art, dass die Rührreibschweißvorrichtung selbst bei auf das Rührreibschweißwerkzeug wirkenden Kräften von 40 kN senkrecht bzw. 10 kN parallel zu der zu bearbeitenden Oberfläche unbewegt an der Stahlkonstruktion haftet.
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Sodann wird der Rührreibschweißprozess gestartet, der völlig autonom, d. h. ohne Eingriff durch den Taucher, sowie unter Verzicht auf Schweißzusatzwerkstoffe und Schutzgase abläuft. Hierbei wird der gesamte, zuvor eingegrenzte Reparaturbereich von dem mittels der Verfahreinrichtung bewegten Rührreibschweißwerkzeug abgefahren, d. h., es wird der Reparaturbereich vollständig bearbeitet, wobei der tatsächliche Verlauf des Risses - da er vollständig innerhalb des Reparaturbereiches verläuft - unberücksichtigt bleiben kann.
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Erfindungsgemäß wird ein Rührreibschweißwerkzeug verwendet, dessen Pin bevorzugt eine maximale Länge von 10 mm aufweist. Somit wird, wenn das Stahlblech der zu reparierenden Stahlkonstruktion, eine Stärke besitzt, die größer als die Länge des Pins ist, lediglich bis zu einer der Pinlänge entsprechenden Tiefe geschweißt, d. h. das Blech nicht komplett durchgeschweißt.
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Nachdem der gesamte Reparaturbereich geschweißt wurde, erfolgt - vorzugsweise mit der Kamera - eine Qualitätskontrolle der Schweißung. Diese Kontrolle kann auch von einer oberhalb des Meeresspiegels tätigen Schweißfachkraft erfolgen, indem die Bilder der Kamera zu diesem, z. B. über eine Datenleitung, übertragen werden.
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Nach erfolgter Reparatur und bestandener Qualitätskontrolle wird die Haltevorrichtung von dem Taucher gelöst und die Rührreibschweißvorrichtung abgenommen.
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Falls der Riss in der Stahlkonstruktion noch nicht vollständig geschlossen wurde oder eine Nachreparatur, z. B. aufgrund eines beim Schweißvorgang entstandenen Defekts, erforderlich ist, können die oben beschriebenen Verfahrensschritte für die dann ggf. neu zu markierende Reparaturstelle wiederholt werden.
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Indem der Schweißprozess automatisiert auf dem gesamten, zuvor eingegrenzten Reparaturbereich abläuft, ist der aus dem Stand der Technik bekannte Nachteil der Sichtbehinderung beim Schweißvorgang irrelevant. Da der Taucher den Rührreibschweißprozess nicht aktiv durchführt, ist auch kein Unterwasserschweißzertifikat für die Durchführung der Reparaturarbeiten erforderlich. Außerdem muss der Taucher nicht unter Wasser verweilen, bis der Schweißvorgang vollendet ist; er kann zwischenzeitlich auftauchen, um die durch einen längeren Aufenthalt in der Tiefe notwendige, lange Dekompressionszeit zu vermeiden. Jedoch beansprucht der Vorgang des Schweißens durch den hohen Grad an Automatisierung nur wenige Minuten, sodass ein Taucher, z. B. bei der Reparatur eines Risses in geringeren Tiefen, auch die entsprechend kurze Zeit vor Ort verweilen kann.
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Da der Rührreibschweißprozess unter Verzicht auf Schutzgase und Schweißzusatzwerkstoffe durchführbar ist, gelangen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Schadstoffe ins Meer.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Reparaturbereich geschweißt, indem das Rührreibschweißwerkzeug zur Erzeugung einer Mehrzahl einzelner Schweißnähte entlang zueinander paralleler Linien in Längserstreckung des Reparaturbereiches geführt wird. Hierbei wird das Rührreibschweißwerkzeug zunächst an einem der beiden Randbereiche des Reparaturbereichs über die gesamte Länge hin und wieder zurück geführt, sodann z. B. um die Breite der erstellten Schweißnaht versetzt, abermals über die gesamte Länge hin und wieder zurück geführt, etc., bis der gesamte Reparaturbereich geschweißt wurde. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich die einzelnen Schweißnähte überlappen, d. h. das Rührreibschweißwerkzeug wird nach dem Erstellen einer Schweißnaht z. B. um nur 80% der Schweißnahtbreite versetzt.
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Dadurch, dass die Schweißnähte zueinander parallel angeordnet werden, ist ein schnelles und zuverlässiges Schweißen des gesamten Reparaturbereiches ermöglicht.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, den Schweißprozess zusätzlich mittels einer Infrarotkamera zu überwachen und/oder zu steuern, wobei auch eine Bildauswertung von Bildern, die von der Kamera von dem mittels einer Lichtquelle beleuchteten Reparaturbereich aufgenommen werden, zur Kontrolle und Steuerung des Schweißprozesses herangezogen werden kann. Zum Beispiel kann hierdurch der Versatz der einzelnen Schweißnähte zueinander adaptiv eingestellt werden, um ungeschweißte Bereiche zu vermeiden und/oder Schweißdefekte bei der Erstellung der nachfolgenden Schweißnaht sofort zu reparieren.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, das dem Rührreibschweißen verfahrensimmanente Endloch zu schließen, indem ein Reibelement, d. h. ein Verschlussbolzen aus Stahl, in das Endloch eingearbeitet wird.
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Beispielsweise wird nach dem Reparaturprozess das aus einem verschleißbeständigen Werkstoff bestehende Werkzeug vom Taucher gelöst und durch einen Stahlbolzen ersetzt. Dieser Bolzen besitzt dabei gleiche chemische und mechanische Eigenschaften wie die zu reparierende Stahlkonstruktion. Nach der Befestigung innerhalb der Werkzeugaufnahme der Spindel wird eine „Verschlussroutine“ gestartet, welche dem bekannten Reibbolzenschweißen entspricht. Nachdem ein entsprechendes Abbruchkriterium erreicht ist, wird der Prozess bis zum vollständigen Abkühlen der Verbindung unterbrochen. Sobald 100% der möglichen Festigkeit erreicht sind, wird durch eine steile Anfahrrampe der Spindel ein entsprechendes Drehmoment erzeugt, die in einer Sollbruchstelle im Bolzen zu einem Versagen führt, sodass der im Endloch verbleibende Teil des Bolzens bündig zur Bauteiloberfläche abschließt.
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Bei einer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Befestigen und Fixieren der Rührreibschweißvorrichtung an der Stahlkonstruktion durch magnetische Kräfte, z. B. mittels aus Permanentmagneten bestehenden Haltefüße der Rührreibschweißvorrichtung, und mittels wenigstens eines um die Stahlkonstruktion oder einen Teil derselben geschlungenen Halteseiles, das beispielweise mittels einer Spanneinrichtung der Rührreibschweißvorrichtung festgezurrt wird, erfolgt.
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Bei dieser Ausführung ist es vorteilhaft, zwei Halteseile zu verwenden, die an einander gegenüberliegenden Ecken bzw. Randbereichen der Rührreibschweißvorrichtung befestigt werden und zueinander parallel jeweils in einer Schlaufe um z. B. einen rohrförmigen Teil der Stahlkonstruktion geführt werden.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei, an der Rührreibschweißvorrichtung befestigte, unmagnetische, mit einem Hebel bedienbare Abstandshalter zu verwenden, um die Rührreibschweißvorrichtung beim Justieren auf Abstand zu der Stahlkonstruktion zu halten und nach dem Abschluss der Reparatur die magnetische Halterung wieder lösen zu können.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Dokumentation der Unterwasser-Reparatur durchgeführt wird, indem mittels der Kamera vor dem, während des und nach dem Rührreibschweißen aufgenommene Bilder mit entsprechendem Zeitstempel in einer Datenspeichereinrichtung abgelegt werden.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Rührreibschweißvorrichtung mit einer oberhalb des Meeresspiegels angeordneten, z. B. auf einem Boot untergebrachten, Kontrolleinrichtung verbunden ist. Diese Kontrolleinrichtung kann den oben genannten Datenspeicher zur Speicherung der vom Reparaturbereich aufgenommenen Bilder umfassen. Weiterhin kann die Kontrolleinrichtung sowohl zur manuellen und/oder automatisierten Steuerung der Rührreibschweißvorrichtung als auch zur Überwachung des Schweißvorganges verwendet werden.
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Die Erfindung kann weiter derart ausgebildet sein, dass eine Rührreibschweißvorrichtung mit hydraulisch angetriebenem Rührreibschweißwerkzeug verwendet wird.
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Vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Reparatur von Rissen in Stahlbauteilen, die unter Wasser, z. B. im Meer, in einer Wassertiefe von 50 m und mehr liegen, verwenden. Dies betrifft z. B. Pipelines, d. h. Rohrleitungen zum Transport von Öl oder Gas, die durch die Ost- oder Nordsee verlegt wurden. Auch können mit dem Verfahren die unter dem Meeresspiegel liegenden Tragkonstruktionen von Windkraftanlagen in Offshore-Windparks repariert werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figuren 1 bis 6 näher erläutert; hierbei zeigen:
- 1 eine vereinfacht schematische Darstellung einer Stahlkonstruktion mit Riss;
- 2 die Stahlkonstruktion mit Riss gemäß der 1 mit eingegrenztem Reparaturbereich;
- 3 eine schematische Darstellung der Positionierung einer Rührreibschweißvorrichtung;
- 4 eine schematische Darstellung der Fixierung der Rührreibschweißvorrichtung;
- 5 eine schematische Darstellung des Rührreibschweißvorganges; und
- 6 eine schematische Darstellung des reparierten Risses.
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In der 1 ist vereinfacht ein Ausschnitt der Stahlkonstruktion 1 mit dem unter Wasser liegenden Riss 2 dargestellt.
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Wie aus der 2 erkennbar ist, wird der rechteckige Reparaturbereich 3 eingegrenzt, welcher den Riss 2 vollständig umschließt.
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In der 3 ist eine Ausführungsform der Rührreibschweißvorrichtung 4 schematisch vereinfacht dargestellt, die auf dem Reparaturbereich 3 positioniert und dort justiert wurde.
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In der 4 sind in ebenfalls stark vereinfachter Form die um die Stahlkonstruktion 1 geschlungenen Halteseile 5 dargestellt, die zur Fixierung der Rührreibschweißvorrichtung 4 dienen. Mittels der Spanneinrichtung 7 der Rührreibschweißvorrichtung 4 werden die Halteseile 5 festgezurrt.
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Nach dem verrutschsicheren Fixieren der Rührreibschweißvorrichtung 4 kann mit dem mittels der Verfahreinrichtung 8 in den drei Raumrichtungen bewegbaren Rührreibschweißwerkzeug 9 der Reparaturbereich 3 automatisiert, d. h. ohne Eingriff durch den anwesenden Taucher (nicht dargestellt), geschweißt werden.
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Eine Ausführungsform des Schweißvorganges gemäß der Erfindung ist stark vereinfacht in den 5 und 6 dargestellt.
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In der 5 ist eine erste Schweißnaht 6 zu sehen, die am oberen Rand des Reparaturbereiches 3 über seine gesamte Länge gesetzt wurde. Da der Reparaturbereich 3 breiter als die vertikale Ausdehnung des Risses 2 ist, tangiert die erste Schweißnaht 6 den Riss 2 nur an einer Position.
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6 zeigt drei Schweißnähte 6, die den Reparaturbereich 3, und damit auch den Riss 2 (nicht dargestellt), vollständig abdecken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stahlkonstruktion
- 2
- Riss
- 3
- Reparaturbereich
- 4
- Unterwasser-Rührreibschweißvorrichtung
- 5
- Halteseil
- 6
- Reibrührschweißnaht
- 7
- Spanneinrichtung
- 8
- Verfahreinrichtung
- 9
- Rührreibschweißwerkzeug
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 105921879 A [0008]
- US 2015343558 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 4063 [0003]
- DIN EN ISO 2302 [0004]
- DIN EN ISO 15618-1 [0010]
