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Derzeitiger Stand von Wissenschaft und Technik:
Die Inspektion der Rotorblätter von Windenergieanlagen (WEA) erfolgt derzeit durch Sichtinspektion von außen und wenn möglich auch von innen. Das die Wartung ausführende Personal muss sich hierfür von der Gondel aus abseilen oder die Inspektion von einer speziellen Plattform aus durchführen. Dazu muss die WEA für die Dauer der Inspektion außer Betrieb gesetzt werden. Kleinere Schäden am Rotorblatt können sofort ausgebessert werden. In Deutschland ist ein zweijähriges Wartungsintervall vorgeschrieben.
Begründung/Zielsetzung der Untersuchung:
Das bisher angewandte Verfahren der individuellen Nahinspektion aller Rotorblätter lässt nicht ohne weiteres auf den Offshore-Bereich übertragen. Allein der notwendige Umstieg von einem Boot auf eine fest stehende Plattform bei geringem Wellengang von 1 m Wellenhöhe veranschaulicht die Schwierigkeiten. Weitere typische Probleme sind eingeschränkte Zugänglichkeit bei Schlechtwetterlagen, lange Anfahrtswege und das schlecht kalkulierbare Risiko der Seekrankheit. Es besteht daher Bedarf an neuen Inspektionsmethoden, bei denen die WEA nicht direkt begangen werden muss. Ein entsprechendes Verfahren könnte auch im onshore-Bereich eingesetzt werden, um Wartungsintervalle zu optimieren und Stillstandszeiten zu minimieren.
Methode:
Thermografische Verfahren sind berührungslos und werden bereits zur Rotorblattinspektion eingesetzt, allerdings nur während der Fertigung und dicht am Rotorblatt. Weiterhin ist bekannt, dass Thermografiekameras auch auf Hubschraubern eingesetzt werden, z.B. zur Personensuche. Im Rahmen des Projektes soll untersucht und evaluiert werden, ob Thermografie auf größere Entfernungen zur Untersuchung von Rotorblättern geeignet ist. Gemäß Projektplan sind vor allem Laboruntersuchungen an geeigneten Probekörpern sowie Außenmessungen an WEA geplant. Damit soll das Potenzial der thermografischen Ferninspektion von Rotorblättern evaluiert werden.
Ergebnis:
1. Die Untersuchungen an Rotorblattausschnitten mit verschiedenartigen Fehlern im Labormaßstab belegten die Eignung der Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode für Rotorblätter.
2. Langzeituntersuchungen an einem Teilbereich eines Rotorblatts in einer Freiluftanordnung zeigten, dass messbare thermische Kontraste an inneren Strukturen oder an inneren Fehlern unter verschiedenartigen Wetterbedingungen entstehen können.
3. Bei Messungen an Rotorblättern im montierten Zustand, d.h. an einer intakten WEA, treten entsprechende thermische Kontraste ebenfalls auf. Allerdings ist die Nachweisbarkeit erschwert durch Reflexionen aus der Umwelt sowie durch Wind, der zu charakteristischen thermischen Streifenmustern auf den Rotorblättern führt. Bei Messungen an ruhenden Rotorblättern dominiert der erste Effekt, während der Wind kaum stört. Bei sich drehenden Rotorblättern ist die Situation umgekehrt, störende Reflexionen können korrigiert werden, aber der Wind beeinflusst die thermischen Kontraste beträchtlich, vor allem in nabenfernen Bereichen der Rotorblätter.
Schlussfolgerung/Anwendungsmöglichkeit:
Eine abschließende Evaluierung der Eignung der Thermografie als Ferninspektionsmethode für WEA-Rotorblätter konnte nicht vorgenommen werden. Ursache hierfür sind sowohl die vielfältigen Störfaktoren bei einer Freiluftmessung als auch das Fehlen einer geeigneten Referenzanlage, an der typische Rotorblattfehler und –defekte während des Betriebs systematisch beobachtet werden können. Die Schlussfolgerung ist daher, dass weitere Forschungsarbeit notwendig ist, um Möglichkeiten und Einsatzgrenzen einer thermografischen Ferninspektion angeben zu können.
Eine thermografische Rotorblattinspektion ist unter günstigen Witterungsbedingungen anwendbar und kann wahrscheinlich innere Defekte aufdecken, auch wenn der direkte Nachweis innerhalb des Projektes nicht geführt werden konnte. Wenn ein Rotorblatt-Thermogramm Auffälligkeiten aufweist, vor allem im Vergleich zu den beiden anderen Rotorblättern der gleichen Anlage, ist eine nähere Untersuchung der entsprechenden Stelle zu empfehlen. Das Auftreten solcher Kontraste, deren räumliche Ausdehnung und Ausprägung hängen jedoch von vielfältigen Faktoren ab und sind gemäß jetzigem Kenntnisstand noch nicht voll verstanden.
Der vorliegende Fachartikel stellt die wichtigsten zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Qualitätssicherung von dünnen Strukturklebungen vor. Auf diese Weise wird ersichtlich, welche Methoden neben der zerstörenden Prüfung von dünnen Strukturklebungen eingesetzt werden können, um einen Haftfestigkeitsverlust zu detektieren. Steigende Leichtbau- und Dämpfungsanforderungen an großflächige Blechbauteile sorgen trotz erhöhter Kosten für einen zunehmenden Einsatz von modernen hybriden Schichtverbundwerkstoffen in zahlreichen Konstruktionsanwendungen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie gehören solche Werkstoffe seit geraumer Zeit zum aktuellen Stand der Technik, wohingegen diese Werkstoffkonzepte in der mobilen Großserie derzeit nur selten zum Einsatz kommen. Neben dem Materialversagen der einzelnen Schichten von Schichtverbundwerkstoffen spielt das interlaminare Versagen der Schichten untereinander eine entscheidende Rolle. In der Umformtechnik ist es möglich, dass die polymere Zwischenschicht und das Deckblech nach der Umformung noch in Kontakt stehen, obwohl die Scherfestigkeit bereits überschritten wurde. Dieser Kraftschluss der beiden Fügepartner resultiert aus den schwachen Van-der-Waals-Kräften, die eine eindeutige Detektion mit Hilfe von zerstörungsfreier Prüfung erschweren. Die vorliegende Publikation soll die Eignung diverser zerstörungsfreier Prüfverfahren auf die Detektion von sogenannten „kissing bonds“ (schwaches Anhaften der Schichten nach Versagen der Verbindung) überprüfen.
Mit zunehmenden Alter und wachsenden Verkehr treten vermehrt Verschleißerscheinungen an Brückenbauwerken auf. Um in der Zukunft dem weiter steigendem Straßenverkehr gewachsen zu sein, muss besonders der Zustand der Bestandsbrücken vor 1985 erfasst und beurteilt werden.
Im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie von Straßenbrücken können genauere Kenntnisse über das Eigengewicht eines Brückenbauwerks dazu genutzt werden, um den entsprechenden Teilsicherheitsbeiwert auf der Einwirkungsseite der statischen Berechnung abzusenken und dadurch die Realität genauer abzubilden. Mit Hilfe des Ultraschallechoverfahrens wurden die Bauteildicken an einem Brückensegment der Spandauer-Damm-Brücke auf dem TTS der BAM ermittelt und zur Berechnung des Eigengewichtes weiter verwendet. Zeitgleich wurde dabei untersucht, wie dicht das Messraster gewählt werden muss, damit bei einem möglichst geringen Messaufwand dennoch zuverlässig Bauteildicken abgeschätzt werden können. Auf Grundlage der ausgewerteten Messdaten wurde für die verschiedenen Messpunktabstände die jeweilige Masse des Bauteils berechnet. Zur Überprüfung der Genauigkeit der Ergebnisse wurde das Brückensegment als Ganzes gewogen. Des Weiteren wurden die ermittelten Bauteildicken und Massen des Brückensegmentes nach der Methode des GUMs (Guide to the Expression of uncertainty in measurement) statistisch bewertet.
Die Ergebnisse zeigen, das Bauteildicken bis auf 96 % genau mit dem Ultraschallechoverfahren ermittelt werden können. Dabei offenbarte die statistische Auswertung, dass das Eigengewicht von der Rohdichte des Betons und den mit Ultraschallechoverfahren ermittelten Bauteildicken maßgebend beeinflusst werden. Daher sollte einer genaueren Bestimmung der Rohdichte zur Abschätzung des Eigengewichts nach der vorgestellten Methode besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden.
Die Masterarbeit (Titel s.o.) entstand im Sommersemester 2015 an der HTW Berlin in Kooperation mit der BAM und ist in der Bibliothek der HTW Berlin verfügbar.
Die zerstörungsfreie Prüfung von Eisenbahnschienen wird mit Schienenprüfzügen durchgeführt. In den Prüfsystemen liegen alle Messdaten und Ortskoordinaten in digitaler Form vor. Mithilfe einer automatisierten Auswertung und Standardisierung der Datenformate ist eine Einbindung der Prüfergebnisse in Instandhaltungskonzepte möglich, die auf den Ideen von Industrie 4.0 bzw. Bahn 4.0 basieren. Für die Erhöhung der passiven Sicherheit der Komponente Schiene durch die automatisierte Klassifizierung von Anzeigen, deren Bewertung und Verortung kann eine moderne zerstörungsfreie Prüfung einen signifikanten Beitrag leisten. Dieser Grundgedanke wurde bereits bei der technischen Auslegung der Prüfsysteme in den Schienenprüfzügen berücksichtigt. In diesem Vortrag wird dargestellt, welche Möglichkeiten die installierte Technik bereits heute bereitstellt und welche Synergien mit einer automatisierten auf bildgebenden Methoden basierenden Bewertung in Zukunft möglich sind.
Mobile Röntgenfluoreszenzanalyse und begleitende Methoden zur Bestimmung von Bioziden in Artefakten
(2016)
Der Schädlingsbefall durch Insekten stellt eines der großen Probleme in vielen Museen und historischen Bauten dar. Daher wird seit dem 18. Jahrhundert durch Einbringung von toxischen Wirkstoffen versucht, den Schädlingsbefall zu verhindern. Die verwendeten Wirkstoffe umfassen ein weites Spektrum unterschiedlicher Substanzen: Dazu gehören Arsen-, Quecksilber- und Bleiverbindungen; jedoch auch chlororganische Verbindungen, wie DDT, PCP, Lindan, Eulan , Methoxychlor sowie Triphenylmethan, Permethrin, Sulfonamid-Derivate, Diphenyl-Harnstoff-Derivate und Phosphoniumsalze. Wann und welche Mengen tatsächlich eingesetzt wurden, ist selten dokumentiert und daher die Risiken für die Gesundheit der Beschäftigten bzw. eventuelle Beeinträchtigungen für die Kunstwerke nach bisherigem Kenntnisstand nicht abzuschätzen.
Zur Ermittlung des Gefahrenpotentials der Biozide und zur Einschätzung der Wirksamkeit von Auswaschverfahren sind schnelle, effiziente und kostengünstige Methoden notwendig. Da es in vielen Sammlungen nicht möglich ist, Objektproben zu entnehmen, sollen die Nachweisverfahren zudem zerstörungsfrei sein. Aufgrund der der verwendeten unterschiedlichen Biozide und der Vielfältigkeit der damit kontaminierten Objekte existiert bislang keine universelle Methode, die dieses leisten kann.
Da viele Biozide entweder anorganischer Natur sind oder charakteristische Markerelemente wie Brom oder Chlor aufweisen, bietet sich die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) als Nachweismethode an. Allerdings ergeben sich einige Probleme, welche die Aussagekraft des analytischen Verfahrens beeinflussen. Zunächst einmal handelt es sich um eine reine Elementanalyse, d. h. aus dem Vorhandensein eines bestimmten Elementes lässt sich nicht von vorne herein auf ein bestimmtes Biozid zurückschließen. Eine weitere Schwierigkeit liegt in der exakten Quantifizierung des jeweiligen Elementes. Die zu untersuchenden Objekte sind u. U. sehr heterogen zusammengesetzt; es ist nicht bekannt, ob das Biozid nur auf der Oberfläche aufliegt oder ob es tiefer in die Matrix eingedrungen ist und inwieweit es gleichmäßig auf das Objekt aufgetragen wurde. Diese Schwierigkeiten sind bereits in einigen Publikationen allgemein thematisiert worden und sollen anhand eines Fallbeispiels konkreter ausgeführt werden. In dieser Feldstudie soll weiterhin deutlich gemacht werden, dass zusätzliche analytische Verfahren notwendig sind, um exakte Angaben über die Art und die Konzentration der verwendeten Biozide zu machen.
Rekonstruktion des Bestandsplans im Zuge der Nachrechnung der Brücke über die Leine bei Schwarmstedt
(2016)
Der aktuell im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie geforderte Nachweis von Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ermüdung der Brückenbauwerke im Bestand der Länder und des Bundes stellt eine enorme Herausforderung dar. Insbesondere bei unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen der Bauwerke sind Maßnahmen erforderlich, um die erforderlichen Informationen zu beschaffen. Ein wirkungsvolles Instrument können hierfür die zerstörungsfreien Prüfverfahren des Bauwesens sein. In dem präsentierten Forschungsprojekt erfolgte die Rekonstruktion eines Bestandsplanes direkt auf die Anforderungen des mit der Nachrechnung beauftragten Ingenieurbüros. Darüber hinaus wurde der Entwurf eines Leitfadens erstellt, der im Falle von unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen die Grundlagen für die Beauftragung und Durchführung der Nachrechnung schafft.
Rekonstruktion des Bestandsplans im Zuge der Nachrechnung der Brücke über die Leine bei Schwarmstedt
(2016)
Der aktuell im Rahmen der Nachrechnungsrichtlinie geforderte Nachweis von Tragfähigkeit, Gebrauchstauglichkeit und Ermüdung der Brückenbauwerke im Bestand der Länder und des Bundes stellt eine enorme Herausforderung dar. Insbesondere bei unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen der Bauwerke sind Maßnahmen erforderlich, um die erforderlichen Informationen zu beschaffen. Ein wirkungsvolles Instrument können hierfür die zerstörungsfreien Prüfverfahren des Bauwesens sein. In dem präsentierten Forschungsprojekt erfolgte die Rekonstruktion eines Bestandsplanes direkt auf die Anforderungen des mit der Nachrechnung beauftragten Ingenieurbüros. Darüber hinaus wurde der Entwurf eines Leitfadens erstellt, der im Falle von unvollständigen oder fehlenden Bestandsplänen die Grundlagen für die Beauftragung und Durchführung der Nachrechnung schafft.
The combination of tomographic, microstructural data with other experimental techniques and with modeling is paramount, if we want to extract the maximum amount of information on material and component properties. In particular, quantitative image analysis, statistical approaches, direct discretization of tomographic reconstructions represent concrete possibilities to extend the power of the tomographic 3D representation to insights into the material and component performance. This logic thread equally holds for industrial and academic research, and valorizes expensive experiments such as those carried out at synchrotron sources, which cannot be daily repeated.
I will show a few examples of possible use of X-ray tomographic data for quantitative assessment of damage evolution and microstructural properties, as well as for non-destructive testing. Examples of micro-structured inhomogeneous materials will be given, such as Composites, Ceramics, Concrete, and Additively manufactured parts. I will also show how X-ray refraction computed tomography (CT) can be highly complementary to classic absorption CT, being sensitive to internal interfaces.
Additionally, I will present a new technique in our portfolio, Neutron Diffraction, which is extremely well suited to the study of internal stresses, both residual and under external load.