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- 9.0 Abteilungsleitung und andere (11)
- 5 Werkstofftechnik (10)
- 9.3 Schweißtechnische Fertigungsverfahren (10)
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Die BAM wird kurz mit ihren Eckdaten als Ganzes vorgestellt und dann der Einstieg in die besonderen Möglichkeiten der Versuchsplattform "Wasserstofftankstelle" erläutert. Nach kurzen Vorstellung der Struktur der Tankstelle wird erläutert, wie drei Methoden der ZfP für das Structural Health Monitoring in Verbindung mit KI zur Anwendung kommen werden.
Liebe Leser*innen,
vom Umbau des Energiesystems über die Nachhaltigkeit der Wirtschaft bis hin zu den Veränderungen unserer Städte und der Mobilität: Das Wort Transformation ist wohl neben der "Zeitenwende" das derzeit mit am häufigsten gebrauchte. Wir sind zweifellos in einer neuen Wirklichkeit angekommen, die sich nicht umdeuten lässt, sondern die aktiv von uns gestaltet werden muss.
Aber sind wir überhaupt in der Lage, unsere ökonomische Basis zu schützen und gleichzeitig unsere Aufmerksamkeit auf den Erhalt von Ressourcen statt deren Ausnutzung zu richten? Ich glaube fest daran, dass wir das können. Produzieren hieße dann z. B., Lösungen im Sinne einer zirkulären Wirtschaft zu finden. Zur grünen Transformation leistet die BAM, deren Auftrag es ist, die deutsche Wirtschaft zu fördern, bereits heute vielfältige Beiträge: durch Grundlagenforschung, die den schnellen Weg in die Anwendung findet. Aber auch durch unsere Vielfalt und Spezialisierung, die es uns erlauben, eine übergreifende Perspektive zu entwickeln. Denn: Lösungen für den Wandel zu finden, bedeutet auch eine Veränderung des Denkens.
So sind wir z. B. beteiligt an der Entwicklung smarter Tools bei der Qualitätssicherung moderner Wasserstofftechnologien, nachhaltiger Batteriematerialien für leistungsstarke E-Akkus oder sicherer Konstruktionen für noch größere und effizientere Windenergieanlagen. Langfristig erfolgreich werden wir dabei nur sein, wenn wir uns selbst transformieren.
So sind wir in der BAM dabei, unsere Expertisen in weiteren disziplin- und branchenübergreifenden Kompetenzzentren zu bündeln, neue ganzheitliche Formate der Zusammenarbeit zu erproben und unsere Vernetzung mit relevanten Akteur*innen aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik weiter auszubauen.
Im neuen BAM Report 2022/23 möchten wir Ihnen gern eine Auswahl unserer aktuellen Projekte vorstellen. Idealerweise ergeben sich aus der Lektüre für Sie Anknüpfungspunkte für gemeinsame Vorhaben und Initiativen, mit denen wir zusammen die Transformation sicher gestalten können. Lassen Sie uns darüber ins Gespräch kommen!
PS: Erstmals erscheint unsere Jahrespublikation übrigens rein digital, als kleiner Beitrag zu mehr Nachhaltigkeit.
Die Korrosion in ihren zahlreichen Erscheinungsformen beschäftigt Fachleute und Laien. Um-so wichtiger ist es, die einzelnen Phänomene korrekt und eindeutig zu benennen. Nur so kann man eine saubere Beschreibung der Korrosionsvorgänge erreichen und damit in der wörtlichen und schriftlichen Kommunikation richtig verstanden werden. An zahlreichen Beispielen wird der richtige und normgemäße Sprachgebrauch beschrieben.
A great deal is possible, even on the seabed. Together, wind and waves shake the foundations of the offshore wind turbines. "ere is also the “normal” current and ebb and #ow of the tides that are so distinctive in the North Sea. Pore water pressure can also occur on the seabed, loosening it. Where monopiles are involved, the worst case is that the stability of the whole turbine can be altered – even if such a monopile rammed into the seabed has a diameter of up to eight metres. Over half the planned offshore wind turbines in the North and Baltic Seas are to have monopile foundations, and over 40 % are to have multi-pile foundations, designed for example as a tripod. "is is why pile foundations and their loads deserve special attention. For one thing above all is to be avoided in plant operations, and that is the risk of turbine tilt.
Vorschlag zur möglichen Lebensdauerverlängerung einzelner Bauteile einer im Betrieb befindlichen Offshore-Windenergieanlage durch Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeiten
Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeit durch geeignete Schädigungsmodelle
Aktualisierung der Versagenswahrscheinlichkeiten aufgrund von Inspektionsergebnissen und möglichen Reparaturen auf Basis der Bayes‘schen Entscheidungstheorie
Quantifizierte Bewertung von Inspektionsmethoden und Reparaturmaßnamen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Bauteile
Grundlage für Entscheidungen für Inspektionen und Reparaturen
Offshore wind turbines (OWT) are a major goal of the energy strategy of Germany encompassing the increase of the installed wind power. OWT components are manufactured from welded steel plates with thicknesses up to 200 mm. The underlying standards and technical recommendations for construction of OWTs encompass specifications of so-called minimum waiting time (MWT) before non-destructive testing of the weld joints is allowed. Reason is the increased risk of time-delayed hydrogen assisted cold cracking as hydrogen diffusion is very slow due to the very thick plates. The strict consideration of those long MWT up to 48 h during the construction of OWTs leads to significant financial burden (like disproportionately high costs for installer ships as well as storage problems (onshore)). In this study, weld joints made of S355 ML were examined in comparison with the offshore steel grade S460 G2+M. The aim was to optimize, i.e., reduce, the MWT before NDT considering varied heat input, hydrogen concentration and using self-restraint weld tests. This would significantly reduce the manufacturing time and costs of OWT construction. To quantify the necessary delay time until hydrogen-assisted cold cracks appear, acoustic emission analysis was applied directly after welding for at least 48 h.
The development within the offshore wind energy sector towards more powerful turbines combined with increasing water depth for new wind parks is challenging both, the designer as well as the manufacturer of support structures. Besides XL-monopiles the jacket support structure is a reasonable alternative due to the high rigidity combined with low material consumption. However, the effort for manufacturing of the hollow section joints reduces the economic potential of jacket structures significantly. Therefore, a changeover from an individual towards a serial production based on automated manufactured tubular joints combined with standardized pipes must be achieved. Hence, this paper addresses the welding process chain of automated manufactured tubular joints including digitization of the relevant manufacturing parameters such as laser scanning of the weld seam geometry. Additionally, a methodology for the computation of the notch radius as well as the weld seam angle is presented based on the scanned profiles of three analysis points of an automated manufactured tubular X-joint. Subsequently, these parameters are considered within the notch stress approach based fatigue design and their impact is quantified by a comparison with the structural stress approach using equivalent stress concentration factors.
Mit der Errichtung und der Inbetriebnahme des Windpark alpha ventus wurden umfangreiche Messungen an den Tragstrukturen und den Umgebungsparametern durchgeführt. Im Projekt Gigawind life wurde im TP1 ein Datenmanagementsystem zur kontinuierlichen und periodisch fortgeführten Datenauswertung für große Datenbestände (Big Data) entworfen und realisiert. Anhand von Performanceuntersuchungen konnte eine Verkürzung der Rechenzeit um den Faktor 10 in einem Rechencluster erreicht werden. Unter Anwendung einer Datenpipeline nach dem Publish/Subscribe Prinzip wird eine skalierbare Datenschnittstelle für Monitoringdaten vorgeschlagen.
BAM Update #1/2023
(2023)
Der Fachbereich Mechanik der Polymerwerkstoffe befasst sich mit der Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften und der Degradation von Polymeren und Faserverbundwerkstoffen, die in hochbeanspruchten, sicherheitsrelevanten Konstruktionen wie jenen des Flugzeugbaus, des Automobilbaus und der Windenergie-Industrie eingesetzt werden. Auch die Analyse der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Polymeren zählt zu unserem Aufgabenbereich.
Das Spektrum reicht von der statischen Festigkeit über die Betriebsfestigkeit, die Messung bruchmechanischer und viskoelastischer Parameter bis hin zur Formulierung molekularer Schädigungsmechanismen.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
In-situ and ex-situ NDT give a better understanding from degradation processes in composite materials.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Due to the fibre-composite nature NDT techniques have to be suitable to a wide length scale to image micro cracking as well as bigger defects. Therefore different techniques have to be applied and developed.
Support structures of wind turbines in German offshore wind farms are regularly inspected. Currently, inspection outcomes are generally not systematically recorded. This prevents their consistent handling and processing, which is a key requirement to enable an efficient structural integrity management. As part of the DiMoWind-Inspect project, a data model and reference designation system for such inspection results is developed to facilitate their identification, localization, quantification, tracing and linking throughout the lifetime of a wind farm and beyond. The inspection results together with structural health monitoring results and information on repairs form the basis for assessing and predicting the structural condition, estimating the remaining lifetime, and planning of future inspections, structural health monitoring, and repairs. As a basis for developing a digital structural integrity management, a generic framework is proposed in this paper, which describes the stakeholders, data, models, processes and workflows of the integrity management of support structures in offshore wind farms and their interrelations. The framework adopts a building information modelling approach to describe the information relevant to the structural integrity management. The central digital space of the framework is a common data environment. An implementation of the framework will enable a digital structural integrity management in which inspection, structural health monitoring, repair, assessment and planning outcomes generated throughout the life cycle of a wind farm can be consistently collected, managed, shared and processed by the relevant shareholders.
Die Versalzung und Verunreinigung von Metalloberflächen durch chloridhaltige Aerosole hat eine große Bedeutung für das Korrosionsverhalten von beschichteten Metalloberflächen im maritimen Bereich und bei Offshore-Anwendungen. So ist z. B. zu klären, ob und in welchem Maße eine Versalzung der Oberfläche Einfluss auf die Haftung und Dauerhaftigkeit von Beschichtungen hat. Dafür sind Detailfragen zu klären, etwa mit welcher Versalzung nach welchem Zeitraum zu rechnen ist oder wie für systematische Untersuchungen eine definierte und reproduzierbare Versalzung im Labor nachgestellt werden kann. Der Beitrag widmet sich diesen Fragestellungen. Es werden Ergebnisse eines Feldversuches auf Helgoland gezeigt und ein einfaches Verfahren zur definierten Beladung von Metalloberflächen mit Chloriden im Labormaßstab vorgestellt.
To cope with the increase in the manufacturing and operation of wind turbines, wind farm operators need inspection tools that are able to provide reliable information while keeping the downtime low. Current inspection techniques require to stop the wind turbine. This work presents the current progress in the project EvalTherm, in which passive thermography is evaluated as a possible non-destructive inspection tool for operational wind turbine blades (WTBs). A methodology to obtain thermal images of rotating WTBs has been established in this project. However, the quality of the results is heavily dependent on various aspects such as weather conditions, information on the inspected WTB, damage history, etc. In this work, a section of a used WTB is simulated using finite-element modelling (FEM) as well as experimentally tested for evaluating the accuracy of the model. Such a model will provide insight into the potential thermal response of a certain structure (with specific material properties) in given weather (boundary) conditions. The model is able to provide satisfactory predictions of the thermal response of the structure, as well as indicate what thermal contrast(s) result from artificial defects introduced in the structure.
Offshore wind turbines enter unknown territory, especially where the foundations are concerned. This is because offshore wind power can only make use of the experience from the common offshore constructions used by the oil and gas industry to a limited extent. The offshore wind industry has tried to reduce foundation dimensions, especially the pile lengths, as much as possible compared with those of the oil and gas industry. This is because with the large number of wind turbines involved it can provide considerable economic advantages. On the other hand, the stability of the foundations is additionally at risk because due to the much larger number of cyclic loads they are subjected to it is very difficult to predict how they will behave. Since offshore wind farms are manufactured in series, every systematic fault in the foundation acts as a series fault for a large number of turbines. This calls for monitoring – and the right dimensions of pile foundation, the most common type of foundations used for wind turbines
Unterraumbasierte Detektion von Strukturschäden an Jacket-Gründungen von Offshore-Windenergieanlagen
(2018)
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Adaption eines globalen, schwingungsbasierten Verfahrens zur frühzeitigen Erkennung von Strukturschäden an Gründungsstrukturen offshore installierter Windenergieanlagen (OWEA). Damit soll es, Betreibern von Offshore-Windparks ermöglicht werden, im Rahmen periodisch durchgeführter messtechnischer Überwachungsmaßnahmen mit einem gegenüber wiederkehrender Inspektionen wesentlich geringen Aufwand auftretende Schäden an der Struktur zuverlässig zu delektieren.
Das untersuchte und implementierte Verfahren basiert auf der Methode der stochastischen unterraumbasierten Schadensdetektion. Dabei erfolgt eine statistische Analyse des wiederkehrend messtechnisch aufgenommenen dynamischen Antwortverhaltens des mechanischen Systems. Mittels statistischem Test werden signifikante Änderungen in dessen Eigenstruktur und damit Schäden delektiert.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden umfangreiche experimentelle als auch numerische Untersuchungen zur Sensitivität und Robustheit des beschriebenen Schadensindikators durchgeführt. Dazu sind zunächst an einem Labormodell mittels künstlich und reversibel eingebrachter Schäden grundlegende Analysen zu den Einflüssen signal- und verfahrensinhärenter Kenngrößen durchgeführt worden. Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde im Anschluss mittels numerischer Analysen das Antwortverhalten von OWEA simuliert und der entwickelte Algorithmus zur Schadensdetektion an den so realisierten Datensätzen angewendet.
Anhand der Ergebnisse der Arbeit wird aufgezeigt, dass, vorausgesetzt die Windenergieanlage befindet sich in Parkposition, eine Detektion von schon geringen Schäden an Gründungs-strukturen mit dem beschriebenen Verfahren, auch unter Einsatz weniger Messaufnehmer, zuverlässig möglich ist.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicate the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam / layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled more than 20 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simulated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of 48 h after welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
Mit der Errichtung und der Inbetriebnahme des Windpark alpha ventus wurden umfangreiche Messungen an den Tragstrukturen und den Umgebungsparametern durchgeführt. Im Projekt Gigawind life wurde im TP1 ein Datenmanagementsystem zur kontinuierlichen und periodisch fortgeführten Datenauswertung für große Datenbestände (Big Data) entworfen und realisiert. Anhand von Performanceuntersuchungen konnte eine Verkürzung der Rechenzeit um den Faktor 10 in einem Rechencluster erreicht werden. Unter Anwendung einer Datenpipeline nach dem Publish/Subscribe Prinzip wird eine skalierbare Datenschnittstelle für Monitoringdaten vorgeschlagen.
The presentation introduces the BAM as well as the experimental possibilites at the BAM TTS in the first part. The general possibilities regarding Power2Gas with respect to hydrogen production by electrolysis are preseneted. Furthermore the Hydrogen Strategy of Germany and the status quo regarding grenn energy solutions in the transport sector are given. In the last part of the presentation a short overview of relevant investigations in the field of hydrogen safety and alternative fuels for cars as well as perspectively planned investigations of the BAM in this area are presented.
Ermittlung von Beanspruchung und Verformungen von Pfahlgründungen - Messverfahren und Applikation
(2014)
Vor dem Hintergrund einer angestrebten größeren Unabhängigkeit der Energieversorgung von fossilen Energieträgern hat die Windenergie in den letzten Dekaden zunehmend an Bedeutung gewonnen. Dabei wird insbesondere die Energiegewinnung offshore in der Deutschen Nordsee, auf Grund dort vorhandener stetiger Winde und sinkender Akzeptanz von Windkraftanlagen an Land, forciert. Im Hinblick auf die Gründung dieser Anlagen wird technisches Neuland betreten.
Angesichts von Wassertiefen bis über 25 m erhalten aufgelöste Gründungsstrukturen wie Tripod und Jacket oft den Vorzug vor Monopiles. Letztere waren wegen der geringen Produktions- und Installationskosten, der bisher am häufigsten angewandte Gründungstyp in flacheren Gewässern.
Monopile- und Mehrpfahlgründung unterscheiden sich wesentlich im Abtrag der Belastung durch Beanspruchungen aus Wind und Wellen in den umgebenden Baugrund. Während beim Monopile die zyklischen Momente über laterale Bettung abgetragen werden, entstehen an den Mehrpfahlgründungen axiale Zug- und Druckbelastungspaare in gegenüberliegenden Pfählen. Die zyklischen Belastungen von Monopiles sind demnach hauptsächlich in lateraler Richtung zu erwarten, während für Mehrpfahlgründungen die zyklische Belastung einen überwiegend axialen Charakter aufweist. Die zyklischen axialen Lasten in den Pfählen der Mehrpfahlgründungen können die axialen Tragfähigkeiten insbesondere am Pfahlmantel reduzieren und damit evtl, zu einem Versagen der Gründung führen.
This article presents a cost-effective and reliable method for welding 30 mm thick sheets of shipbuilding steel EH36. The method proposes to perform butt welding in a two-run technique using hybrid laser arc welding (HLAW) and submerged arc welding (SAW). The HLAW is performed as a partial penetration weld with a penetration depth of approximately 25 mm. The SAWis carried out as a second run on the opposite side. With a SAWpenetration depth of 8 mm, the weld cross-section is closed with the reliable intersection of both passes. The advantages of the proposed welding method are: no need for forming of the HLAW root; the SAW pass can effectively eliminate pores in the HLAWroot; the high stability of the welding process regarding the preparation quality of the weld edges. Plasma cut edges can be welded without lack of fusion defects. The weld quality achieved is confirmed by destructive tests.
BAM Update #4/2021
(2021)
Innovative Design- und Fertigungsstrategien zur Steigerung der Leichtbaupotenziale im Stahlbau
(2022)
Offshore wind energy plays an important role for the desired transition towards a carbon dioxide free industry within the next decades. However, the grounding of the offshore wind plants governs the overall installation process besides bureaucratic bottlenecks.
The application of lightweight principles in steel construction, e.g. the usage dissolved load-bearing structures, so called Jackets foundations, offer great potential in reducing the resource consumption, especially with respect to the needed amount of steel.
In this context this presentation focuses on a fully digitalization of the welding manufacturing and as well as testing chain to enable a fully automated manufacturing as well as quality assessment of tubular nodes as key element of Jackets foundation structures. Furthermore, the relationship between the seam shape geometry and resulting fatigue strength is evaluated by numerical methods incorporating bionic principles. It is shown that tubular nodes can be welded fully automatically taking geometry tolerances into account. Moreover, the seam shape could be manufactured as requested by the numerical models which offers great potential for an extended lifetime. Subsequently, the improvements in resource efficiency and reduction of carbon dioxide emissions are evaluated by a life-cycle-assessment.
BAM Inside #2/2023
(2023)
Die vorliegende Präsentation fasst die Ergebnisse von drei laufenden bzw. beendeten AiF/IGF-Projekten zusammen, die über die Forschungsvereinigung Stahlanwendung FOSTA e.V. an der BAM bearbeitet wurden zum Thema: Bewertung und Vermeidung von schweißverarbeitungsbedingten Rissen in hochfesten Baustählen.
Dieser Kurzvortragg erläutert nichtlineare Phänomene die angesichts der aktuell wachsenden Dimensionen von Monopfahlgründungen für Offshorewindenergieanlagen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Insbesondere wird dabei auf das Pfahlfußbeulen sowie das Schalenbeulen des bereits installierten Pfahles eingegangen.
A steady increase of wind energy infrastructure [1] brings along a challenge of maintaining and operating wind turbines (WT) with its multiple components. Inspection of wind turbine rotor blades (WTB) is an important part of maintaining the overall health and safety of a WT. It involves visually or mechanically examining the blades for signs of damage or wear that could affect their performance and structural integrity of the entire WT. A WTB is a complex structure due to its ever-increasing scale (going beyond 100 m for a 16 MW WT [2]) as well as multi-material construction. Passive infrared thermography offers an alternative to contact- or proximity-based inspection techniques currently in use such as visual inspection performed by technical personnel (using a lift or a drone) and involves looking for signs of damage on the surface of the blades, and ultrasonic testing to detect internal defects. In contrast to active thermography, passive thermography uses the sun as source of heat, instead of conventional heat lamps, flash, or laser. An inspection technique to (semi-autonomously) inspect the WTBs of an operating WT from the ground has been developed [3]. Given the optimum thermal contrast (weather conditions for field measurements), external as well as internal features of the WTB can be visualised with appropriate post-processing. The work presented here is part of an ongoing multi-partner project titled “EvalTherm”: the evaluation of passive thermography as a non-destructive inspection tool of WTBs in operation. In this work, artificial defects representative of realistic defects in glass fibre reinforced plastic (GFRP) WTBs are introduced in out-of-service WTB pieces. These are scanned using X-ray computed tomography to obtain a three-dimensional reconstruction to be used as input for finite-element based thermal simulation using COMSOL Multiphysics. The simulation data is compared with infrared thermal inspection of the same WTB section, in order to compare the effect of thermal contrast caused in certain weather conditions. In addition, the influence of defect characteristics such as defect size, morphology, and location on detectability is investigated. Validated simulation models are used to predict thermal signatures of defects along with the optimal thermal contrast. Such simulation models in combination with weather forecast data can assist operators of wind turbine infrastructure to plan passive thermography inspection without the need of dangerous inspection procedures and associated shutdown of energy production.
Large scale hydrogen assisted cracking test for thick walled SAW joints for offshore applications
(2023)
Offshore wind turbines continuously increase in size and weight and demand adequate offshore foundations concepts like monopiles, tripods or jackets. These components are typically submerged arc welded (SAW) high-strength thick steel plates like the S420ML. During welding, the occurrence of delayed hydrogen assisted cracking (HAC) must be anticipated. HAC is a critical combination of the local hydrogen concentration within a susceptible microstructure under certain mechanical load, i.e., the occurring (welding) residual stresses. The welding sequence of the thick-walled plates complicate the residual stress distribution due to the necessary repeated thermal cycling, i.e., welding seam / layer deposition to fill the joint. For that purpose, SAW with two-wire-technique was used to weld a specially designed and prototype-like mock-up of a real component with a thickness of 50 mm, filled with 22 passes and a seam length of 1,000 mm. Additional welded stiffeners simu-lated the effect of a high restraint, to stimulate critical HAC conditions. The necessity of a minimum waiting time (MWT) before the NDT can be conducted (to exclude HAC) was critically verified by the application of ultrasonic testing of the welded joint at different time-steps of the NDT of 48 h after welding. The residual stresses were determined by a robot XRD goniometer. Tensile residual stresses up to the yield limit are found both in the weld metal and in the heat-affected zone. Numerical modelling allowed the qualitative estimation of the hydrogen diffusion in the weld. A remarkable HAC occurrence was not identified and proves both, a certain resistance of the weld joint to HAC and the (questionable) duration of the MWT.
Der Vortrag führt kurz in die Entwicklung der Primärenergiequellen in D und die Bedeutung der Energie für Mobilität und deren Speichermöglichkeiten ein. Er greift kurz den geschlossenen Charakter des H2-Kreislaufes auf, und stellt die Universalität des Wasserstoffs in der Energieversorgung dar. Er zeigt die Entwicklung der Speichermethoden auf und stellt deren Leistungsfähigkeit gegenüber.
Am Beispiel wird der Aufbau eines modernen CGH2-Hochdruckspeichers erläutert und die von der Entwicklung bis zum Lebensende erforderlichen Arbeitsschritte dargelegt. Darauf aufbauend wird für jeden Arbeitsschritt dargestellt, welche zugehörigen Kompetenzen über die gesamte BAM verteilt verfügbar sind. Ergänzend werden die zerstörenden und die nicht zerstörenden Prüfverfahren gegenübergestellt, die gemeinsam ihren Beitrag zur Betriebssicherheit leisten. Analog werden die Bewertungsverfahren klassischer Art (deterministisch) und das der BAM (probabilistisch) verglichen und das Entwicklungspotential des letzteren bzgl. der Effizienz im Wasserstofftransport am Beispiel der Wasserstoffbatteriefahrzeuge aufgezeigt.
Der Vortrag endet mit drei Fragen an die Beiräte.
Schweißeigenspannungen - im Besonderen infolge von Strahlschweißprozessen - annähernd der werkstoffspezifischen Streckgrenze können durch eine mögliche Spannungsrelaxation oder verstärkte Spannungsrisskorrosion lebensdauerreduzierende Konsequenzen mit sich ziehen. Aus diesem Grund wurden viele Verfahren entwickelt, welche diese Eigenspannungen reduzieren können. Jedoch sind diese Verfahren kostenintensiv oder nur für breite Schweißnähte und einfache Bauteilgeometrien anwendbar. Die in dieser Arbeit dargestellte Methode nutzt den Schweißstrahl für den Schweißprozess sowie in defokussierter Form für eine thermische Nachbehandlung des Bauteils. Hierfür läuft der defokussierte Strahl durch hochfrequente Strahlablenkung beidseitig der Schweißnaht mit einer bestimmten zeitlichen Distanz dem Schmelzbad nach und wird zum Aufheizen dieser Materialbereiche genutzt. Mit dieser Prozedur ist es möglich die Spannungen in schmalen Schweißnähten mit großen Spannungsgradienten im Vergleich zu anderen spannungsreduzierenden Verfahren ohne Kontaktflächen oder zusätzlichem Equipment effizient zu reduzieren. Abhängig von der Bauteilgeometrie und der Strahlleistung können unterschiedliche Prozessparameter für dieses Verfahren angewandt werden. Es werden die Mechanismen der Eigenspannungsreduzierung in diesem Prozess und deren Abhängigkeit von den Prozessparametern anhand von Ergebnissen aus FEM-Simulationen diskutiert. Zudem wird in einer Reihe von experimentellen Ergebnissen die Anwendbarkeit von bereits für lineare Schweißnähte ermittelte Verfahrensparameter auf axiale und radiale Rundnähte nachgewiesen. Hierbei zeigen die besten experimentellen Ergebnisse für Elektronenstrahl- sowie für Laserstrahlschweißnähte Spannungsreduktionen größer als 90 %.
This presentation deals with the phenomenology and design of pile foundations for offshore wind turbines, and is divided into two lectures.
The first lecture presents a brief introduction to the context and peculiarities of such foundations, and then focuses on the particular case of axially loaded piles. This part is most relevant for the relatively slender piles of the multi-pile substructures (i.e. jackets and tripods). A clear distinction between physical phenomenology and practical design is drawn here.
The second lecture continues with the case of lateraly loaded offshore piles, which bears most relevance for the case of the monopile foundations. Here again, a clear separation between physical reality and design methods is intended.
Finally, the last part of the second lecture introduces several advanced topics which lie outside the classical design approaches, namely the hydromechanical coupling effects (i.e. the excess pore-pressure generation around the monopiles), the cyclic pile fatigue and the so-called pile Setup (i.e. the time effects on the axial pile capacity). The relevance of the latter two topics is illustrated with experimental results from a field testing campaign on real large-scale piles.
BAM Inside #7/2021
(2021)
Zum Schutz vor Korrosionsprozessen werden metallene Werkstoffe in der Automobilindustrie üblicherweise mit komplexen Beschichtungssystemen versehen. Durch eine Beschädigung des Beschichtungssystems kann bei Zutritt von Feuchtigkeit und korrosionsstimulierenden Ionen das Metallsubstrat korrodieren und unter Umständen die Beschichtung im Bereich neben der Verletzung enthaften. Dabei gibt es verschiedene Mechanismen, die zu einer Unterwanderung und Enthaftung der Beschichtung führen können. In jedem Fall wird aber die Dauerhaftigkeit des Korrosionsschutzes negativ beeinflusst und die Lebensdauer des Bauteils herabgesetzt.
Die Industrie versucht deshalb, Beschichtungssysteme zu entwickeln, die dem Vorgang der kathodischen Enthaftung bestmöglich widerstehen können. Einen kritischen Entwicklungs- und Qualifizierungsschritt stellt dabei die geeignete Prüfung auf kathodische Unterwanderung und Enthaftung dar, da eine Prüfung der Beschichtung möglichst schnell und kosteneffizient zu belastbaren Ergebnissen führen soll. Neben den industriell üblichen Salzsprühnebeltests kommen häufig elektrochemische Polarisationstests zur Anwendung. Verschiedene Automobilherstellerhaben verwenden jeweils angepasste Tests, die sich bezüglich der Prüfparameter unterscheiden. Bei allen Testvarianten wird aber versucht, durch Verschärfung der Prüfparameter kurze Prüfzeiträume zu erreichen. Dabei kann es aber dazu kommen, dass die real ablaufenden Mechanismen der Unterwanderung beeinflusst und verändert werden und das Prüfergebnis von Ergebnissen im Feld zum Teil stark abweicht.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem ausgewählten Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Qualitätsprüfungen betrachtet. Durch den Ansatz der statistischen Versuchsplanung wird der Einfluss einzelner Prüfparameter auf die Enthaftung und das Ergebnis des Kurzzeittests gezeigt.
Polymer electrolyte membranes (PEM) are polymers which act as separator in an electrochemical cell and allow ionic charge flow to close the circuit. Widely used membranes are perfluorinated sulfonic-acid (PFSA) ionomers (e.g. Nafion™), a class of ion-conducting polymers with remarkable ion conductivity and chemical-mechanical stability. A nanoscopic water system around the sulfonic acid capped side-chains of the otherwise hydrophobic polymer allows the ion transport. Only approx. 14 molecules of water per sulfonic group are present in the fully hydrated state. In vanadium redox flow batteries (VRFB) ideally only protons are transported. The weak ion selectivity of Nafion™ is the main cause for the transportation of vanadium, briefly vanadium crossover, in VRFBs a system we have investigated more closely, lately. The consequences of crossover are a concentration imbalance and a self-discharge of the battery, which leads to a decrease of the capacity. The development of efficient energy storage systems is crucial for the transformation towards a renewable energy based economy. The VRFB has a great potential as a commercial electrochemical energy storage system due to properties including, but not limited to, no cross-contamination, a long cycle-life and a theoretically unlimited capacity. VRFB consists of two half-cells, which are linked to electrolyte tanks and separated by a membrane. The membrane plays a major role in overall cell performance. So far, vanadium transportation models, which include diffusion, migration, electroosmotic convection and pressure gradients, are inconsistent. There is no agreement in the literature on the diffusion coefficients of vanadium species (e.g. published diffusion coefficients of V2+ are located between 3.13·10-12 m²s-1 and 9.44·10-12 m²s-1) indicate that thevanadium crossover is not well understood and there is a lack on a more fundamental level. Since the membrane transport is the rate-determining step of the crossover as well as of the proton exchange it is extremely important to understand these phenomena on a fundamental level. This will eventually allow us to design better membranes. Alternative materials need to show equivalent performance compared with Nafion™ and ideally be more selective regarding ion cross-membrane transport.There are several options to approach the chemistry i.e. the interaction of dissolved and bound ions inside the confined water body of ionomeric membranes. Vanadium ions are a versatile model as UV/VIS data can be used to distinguish between the 5 species V2+, V3+, VO2+, VO2+ and V2O33+ of the electrolyte. Infrared spectroscopy has been applied to study the interaction of sulfonic groups and the ions. Molecular dynamic modeling is another approach to study the distribution and distances of ions. We now introduce X-ray absorption near edge structure spectroscopy (XANES) to study species and species changes inside Nafion™ and a novel membrane based on poly(1,1-difluoroethylene) (PVDF). We evaluated the methods and investigated the influence of irradiation, temperature and hydration on the measurements.
Einleitend wird im Vortrag das Aktivitätsfeld Elektrische Energiespeicher und -umwandlung vorgestellt sowie eine kurze Einführung in die Terminologie der elektrischen Energiespeicher gegeben. Im Folgenden wird das BMBF-Vorhaben SEE-2L vorgestellt. Hier wird der Schwerpunkt auf die Entwicklung und den Aufbau eines Großversuchsstand für das thermische Durchgehen von Lithium-Batterien auf Modul- und Batterieebene gelegt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse einer ersten Versuchsserie vorgestellt. Zum Abschluss wird ein kurzer Ausblick zu weiteren anstehenden Versuchen gegeben.
Even for the basic measurements of material data for design and engineering of composite structures there is a need to upgrade standards. With a new shear frame test rig more precise values can be obtained.
With advanced methods in the research on the fatigue behaviour of FRP it was found a load level of infinite life for GFRP and CFRP. This is in the range of typical strain values of airliners and rotor blades in normal operation.
Statistically the mean time between damage events on rotor blades is 6 years (Deutscher Windenergie Report 2006). Due to imperfection in the production the shell structures get cracks after a few years fare before the designed life time. A shell test rig was built at BAM for efficient research on the effects of defects in production.
Test blades of ~10m are an efficient way for SHM research and evaluation of NDT-methods and blade geometry.
BAM Inside #5/2023
(2023)
High-strength steels have great potential for weight optimization due to reduced wall thicknesses in many modern steel constructions. Further advances in efficiency can be achieved through the application of additive manufacturing processes, such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). These technologies enable the sustainable and resource-efficient manufacturing of high-strength steels into near-net-shape, efficient structures. During the production of steel structures, unacceptable defects may occur in the weld area or in the WAAM component, e.g., due to unstable process conditions. The economical solution for most of the cases is local gouging or machining of the affected areas and repair welding. With respect to the limited ductility of high-strength steels, it is necessary to clarify the effects of machining steps on the multiaxial stress state and the high design-induced shrinkage restraint. In this context, the component-related investigations in two research projects are concerned with the residual stress evolution during welding and slot milling of welds and WAAM structures made of high-strength steels with yield strengths ≥790 MPa. In-situ digital image correlation (DIC) and ex-situ X-ray diffraction (XRD) were used to analyse the stresses and strains induced on specimens during and after milling. The systematic analyses revealed a significant interaction of the stiffness and relaxation of the specimens with the initial residual stresses induced by welding.
BAM Inside #5/2022
(2022)
Forschung zur zivilen Sicherheit: Homemade Explosives besser erkennen und Anschläge verhindern
(2022)
Terroranschläge stellen nach wie vor eine stete Bedrohung für Gesellschaften weltweit dar. Häufig bedienen sich Terroristen*innen dabei selbsthergestellter Explosivstoffe, auch als homemade explosives (HMEs) bezeichnet, die aus alltäglichen Chemikalien in improvisierten Laboratorien hergestellt werden. Anleitungen für die Herstellung solcher Explosivstoffe werden im Internet geteilt und setzen meist kein oder nur ein rudimentäres Verständnis der Chemie voraus. Um geplante Terroranschläge schon während der Phase der Herstellung zu vereiteln, werden Methoden entwickelt, die frühzeitig Hinweise auf solche Aktivitäten geben. In dem EU-geförderten Projekt ODYSSEUS wird in enger Zusammenarbeit zwischen Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) sowie Partnern aus Industrie und Forschung an der Entwicklung neuer Methoden zur Erkennung von HMEs und ihrer Ausgangsstoffe gearbeitet.
Die Betriebsbeanspruchung für Rotorblätter ist aus Messungen bekannt. Schäden an Rotorblättern treten im Betrieb meistens an der Blattschale nach 4-5Jahren, weit vor der projektierten Lebensdauer von 20 Jahren auf und führen zum Anlagenstillstand, wenn sie nicht repariert werden. Mittels eines an der BAM entwickelten FKV-Sandwich-Schalenprüfkörpern kann effizient die Betriebs-festigkeit von Imperfektionen und Reparaturstellen studiert werden. Fertigungsbedingte Imperfektionen (Lagenstöße, Schaumstöße) verkürzen die Lebensdauer ggf. erheblich und führen zu Reparaturen. Experimentell konnte gezeigt werden, dass ein(e) aus-reparierte(r) Schaden/Imperfektion die Betriebsbeanspruchung deutlich besser erträgt, als die schadhafte Struktur.Die numerische Betriebsfestigkeitsvorhersage für FKV ist Gegenstand der Forschung. Gleiches gilt für die Abschätzung der Lebensdauerverkürzung infolge bekannter Fertigungsabweichungen.
Offshore-Windenergieanlagen bilden einen zentralen Bestandteil der zukünftigen Energieerzeugung. Hierzu notwendige Gründungs- und Turmstrukturen werden vorrangig aus UP-geschweißten Blechen aus hochfesten niedriglegierten Stählen mit Dicken bis zu 200 mm hergestellt. Die großen Blechdicken begünstigen hohe Schweißeigenspannungen und lange Diffusionswege für z.B. über den Schweißprozess eingebrachten Wasserstoff. Damit steigt das Risiko für eine wasserstoffunterstützte Kaltrissbildung (WKB) an. Zum sichereren Ausschluss von WKB in den geschweißten Komponenten wird in Abhängigkeit der Nahtgröße, Wärmeeinbringung und Stahlsorte eine Mindestwartezeit (MWZ) von bis zu 48 h empfohlen, bevor die zerstörungsfreie Prüfung durchgeführt wird. Es ist allerdings offen, ob die empfohlene MWZ zu konservativ ist. Einflüsse sind hier bspw. die schwierige Bewertung des Wasserstoffdiffusionsverhaltens im heterogenen UP-Mehrlagen-Schweißgut (SG) im Vergleich zum Grundwerkstoff (GW). Zudem sind nur sehr begrenzt H-Diffusions-koeffizienten für UP-Mehrlagen-SG als Grundlage zur Abschätzung des Zeitintervalls einer möglichen verzögerten Kaltrissbildung (somit MWZ) oder auch für Nachwärmprozeduren zur Wasserstoffreduktion (keine MWZ) verfügbar. Verlässliche H-Diffusionskoeffizienten sind daher ein adäquates Tool zur Bewertung des Risikos einer verzögerten WKB. Dieser Beitrag beschreibt Untersuchungen zur Charakterisierung der Wasserstoffdiffusionsverhalten in UP-Mehrlagen-SG eines 60 mm dicken Bleches einer Offshore-Stahlgüte. Dazu wurden Proben unterschiedlicher Dicke aus dem reinen Schweißgut extrahiert und über elektrochemische Permeation und Trägergasheißextraktion im Temperaturbereich bis 400 °C sehr interessante Ergebnisse zu den korrespon-dierenden Diffusionskoeffizienten erarbeitet. Es zeigte sich, dass:
1. Diffusionskoeffizienten bei Umgebungstemperatur als Tool zur Bewertung einer MWZ geeignet sind. Jedoch veränderte sich der Diffusionskoeffizient mit der untersuchten Probendicke um bis zu einer Größenordnung, d. h. daraus abgeleitete Wartezeiten differieren dementsprechend.
2. Dies deutet darauf hin, dass MWZs von bis zu 48 h einerseits möglicherweise zu konservativ gewählt sind, da der Wasserstoff schneller aus der Naht diffundiert. Andererseits muss aber auch die schnellere Diffusion in weitere potenziell risskritische Nahtbereiche, wie die WEZ, berücksichtigt werden. Daher ist noch keine direkte Aussage auf eine verallgemeinerte WKB-Anfälligkeit (ja/nein) innerhalb der MWZ möglich.
3. Im Fall einer konservativen Prävention der WKB durch Wasserstoffarmglühen (Vermeidung der MWZ) sind die Diffusionskoeffizienten bei erhöhten Temperaturen bis 400 °C zur Abschätzung der notwendigen Haltezeiten geeignet, z. B. über die numerische Simulation der Wasserstoffdiffusion.
Im Vortrag werden mit Blick auf die geltenden Regelwerke und Normen die Unterschiede verschiedener Prüfmethoden zur kathodischen Enthaftung bei organischen Beschichtungen vorgestellt und deren Aussagekraft kritisch betrachtet. Am Beispiel von systematischen Versuchsreihen an einem Kurzzeittest werden die Grenzen einiger Methoden herausgearbeitet und die Anwendbarkeit für Reparaturbeschichtungen in Offshore-Bereich ausgelotet.
Carbonfaser verstärkte Kunststoffe (CFK) sind aus dem Leichtbau nicht mehr wegzudenken. Da die Produktion der Fasern viel Energie benötigt ist deren Recycling anzustreben. Durch Bearbeitung und Handling während des Recyclings verkürzen sich die Carbonfasern (CF) analog zur Papierfaser. Zu kurze Fasern können nicht mehr in eine Flächenstruktur eingebracht werden und müssen daher aus dem Kreislauf ausgeschleust und einer Verwertung zugeführt werden. Untersuchungen des Lehr- und Forschungsgebiets Technologie der Energierohstoffe (TEER) der RWTH Aachen University haben gezeigt, dass die Bedingungen für eine energetische Nutzung von CF-Abfällen in Abfallverbrennungsanlagen nicht geeignet sind. Zudem können CF Betriebsprobleme verursachen. Des Weiteren können bei einer unzureichenden thermischen Behandlung sogenannte WHO-Fasern entstehen, die als gesundheitsschädlich einzustufen sind. Eine Alternative können Hochtemperaturverfahren mit höheren Verweilzeiten sein. Es kommt die Herstellung von Calciumcarbid in Frage, bei der CF als Kohlenstoffträger und der Kunststoff als Energieträger genutzt werden. Eine weitere Verwertungsoption stellt die Stahlproduktionsroute dar. Erste Untersuchungen der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) und TEER am kleintechnischen Lichtbogen der BAM zeigen, dass CF-Abfälle potentiell als Reduktionsmittel und Energieträger eingesetzt werden können.
Der Vortrag stellt das Kompetenzzentrum H2Safety der BAM vor und zeigt Aspekte besonderer Kompetenz des Zentrums mit Blick auf das Kompetenzfeld TestCert.
Beginnend mit dem H2-Unfall auf dem Tempelhofer Feld in 1894 wird dargestellt welche Bedeutung Sicherheitsfragen zu Wasserstoff für das Kompetenzzentrum H2Safety haben. Danach wird die Struktur und die Arbeitsschwerpunkte erläutert und die verantwortlichen Personen kurz vorgestellt. Das Kompetenzfeld TestCert wird vertieft erläutert und hier insbesondere auf Sicherheitsaspekte des Markthochlaufes hingewiesen. Darauf aufbauend werden die statistischen Aspekte eines Markthochlaufes wie auch die der Streuung einer Population und deren Alterung dargelegt. Zuletzt kommt der Hinweis auf das Potential der Bewertung von Baumusterprüfkriterien mithilfe der Monte-Carlo-Simulation.
Hochfeste Feinkornbaustähle verfügen über großes Potenzial für gewichtsoptimierte, effiziente Strukturen in vielen modernen Stahlkonstruktion. Weitere Effizienzsteigerungen können durch additives Fertigen sowie bionische Bauweisen erreicht werden. Hochfeste Zusatzwerkstoffe für additives MSG-Schweißen (engl.: Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) sind bereits von den Schweißzusatzherstellern lieferbar. Eine breite industrielle Anwendung insbesondere für KMU ist aufgrund fehlender quantitativer Erkenntnisse und Richtlinien bezüglich schweißbedingter Beanspruchungen und Bauteilsicherheit während der Herstellung und des Betriebs derzeit stark limitiert. In einem gemeinsamen Forschungsprojekt (FOSTA-P1380/IGF21162BG) der BAM und der TU Chemnitz werden daher die mit Eigenspannungsausbildung und der Gefahr einer Kaltrissbildung verbundenen prozess- und werkstoffbedingten sowie konstruktiven Einflüsse beim WAAM hochfester Stähle untersucht. Der vorliegende Beitrag fokussiert die Analyse der Auswirkungen von Schweißwärmeführung und Design der WAAM-Bauteile auf die Abkühlbedingungen, Gefüge, mechanisch-technologischen Eigenschaften und Eigenspannungen. Hierfür werden geometrisch definierte Probenkörper (Hohlquader) vollautomatisiert mit einem speziellen, hochfesten WAAM-Massivdraht (Streckgrenze >790 MPa) geschweißt. Die Wärmeführung und Probenabmessungen werden innerhalb eines statistischen Versuchsplans variiert. Die Schweißwärmeführung wird dabei so eingestellt, dass die t8/5-Abkühlzeiten im empfohlenen Verarbeitungsbereich (ca. 5 s bis 20 s) sichergestellt sind. Hierzu ließen sich über zusätzliche thermo-physikalische Umformsimulationen mittels Dilatometer die komplexen Wärmezyklen abbilden und die resultierende Zugfestigkeit des Schweißgutes bestimmen. Das WAAM-Schweißen komplexer Geometrien mit variierenden Schweißwärmeführungen und geometrischen Verhältnissen bzw. Wanddicken bedingt neben den Auswirkungen auf die Abkühlbedingungen, Abkühlzeiten und Gefüge deutliche Einflüsse auf die konstruktiven Steifigkeitsverhältnisse beim Schweißen. Es zeigen sich anhand der Schweißexperimente signifikante Auswirkungen durch Probenskalierung und Wärmeeinbringung auf die resultierenden lokalen Eigenspannungen. Die Folge können ungünstige Bauteileigenschaften und risskritische Zugeigenspannungen sein.
Im vorliegenden Beitrag werden einige Verarbeitungsempfehlung auf Basis der Ergebnisse für den Arbeitskreis des DVS AG V 12 (Additive Fertigung) abgeleitet.