Windenergie
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Die Offshore-Windenergie spielt in den kommenden Jahrzehnten eine entscheidende Rolle für die Erreichung eines kohlenstoffdioxidfreien Industriesektors. Allerdings haben Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen einen erheblichen Einfluss auf den gesamten Installationsprozess und bringen sowohl technische als auch regulatorische Herausforderungen mit sich. Die Anwendung von Leichtbauprinzipien im Stahlbau, beispielsweise durch lastauflösende Tragstrukturen in Jacket-Gründungen, bietet ein großes Potenzial zur Reduzierung des Ressourcenverbrauchs, insbesondere des Stahlbedarfs.
Dieser Vortrag befasst sich mit der vollständigen Digitalisierung von schweißtechnischer Fertigung und Prüfung, wodurch eine vollautomatisierte Produktion sowie eine datengetriebene Qualitätsbewertung von Rohrknoten ermöglicht werden, die wesentliche Komponenten von Jacket-Gründungen darstellen. Darüber hinaus wird der Zusammenhang zwischen Nahtgeometrie und Ermüdungsfestigkeit untersucht, wobei bionische Konstruktionsprinzipien als Vorbild dienen.
Die Ergebnisse zeigen, dass Rohrknoten unter Berücksichtigung geometrischer Toleranzen vollständig automatisiert geschweißt werden können und dass sich Nahtgeometrien präzise entsprechend Vorgaben herstellen lassen, die beispielsweise aus numerischen Modellen oder anderen Quellen abgeleitet werden. Diese Fortschritte tragen wesentlich zur Steigerung der Ermüdungsfestigkeit und der Lebensdauer von Tragstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen bei.
This study examines the susceptibility of two filler materials (T46 6 M M21 1 H5 and G46 4 M21 4Si1, Ø 1.2 mm each) to solidification cracking, using an externally loaded hot cracking test. Although these filler materials are usually not critical in terms of hot cracking in engineering applications, cracking occurs when external loading is applied during welding. This was observed during welding under service conditions, e.g., repair welding of highway bridges under traffic loads. In order to characterize this behavior further, experiments were conducted on highly restrained fillet welds in an overlap configuration with 8 mm thick base material (S355J2 + N, 1.0570). The modified approach of the Transverse Motion Weldability (TMW) test is based on the transverse displacement of the lower plate relative to the welding direction at a controlled speed, corresponding to the induced deformation rate v in the mushy zone, initially set to 0.5 mm/s to initiate a crack and then linearly reduced to 0 mm/s. Gas metal arc welding was employed in this study, investigating energy per unit lengths of 0.8, 1.2, and 1.6 kJ/mm. The objective was to find and validate a critical deformation rate (vcr ), below which solidification cracking stops occurring. Therefore, a new force-based evaluation method is presented. While both filler materials exhibited low susceptibility to solidification cracking under standard welding conditions, an increase in cracking tendency was observed with higher energy per unit lengths. The externally loaded test provides a quantitative assessment of hot cracking susceptibility. The results enhance the understanding of solidification cracking mechanisms and provide valuable insights for welding applications under high restraint, including repair welding of loaded structures such as bridges.
LTT-Schweißzusätze (Low Transformation Temperature) mit niedriger Martensitstarttemperatur reduzieren Schweißeigenspannungen in der Schweißnaht sowie in der angrenzenden Wärmeeinflusszone (WEZ). Dies kann zu einer Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit führen. Zur quantitativen Bewertung wurden Längssteifen aus hochfesten Baustahl als Versuchsproben verwendet. An den Stirnseiten wurden zusätzliche LTT-Schweißnähte aufgetragen. Zusätzlich wurden gehämmerte Proben (HFMI) als Vergleich herangezogen. Diese Proben wurden auf Eigenspannungen und Ermüdungsfestigkeit geprüft. In Abhängigkeit von der Nahtausführung und der XRD-bestimmten Eigenspannungen zeigte sich eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit von bis 140% im Vergleich zu Referenzproben mit herkömmlichen Schweißzusätzen. Außerdem stellte sich tendenziell eine lineare Abhängigkeit der Ermüdungsfestigkeit zu den Eigenspannungen heraus. LTT-Schweißzusätze sind somit grundsätzlich geeignet, um die Ermüdungsfestigkeit geschweißter Strukturen zu verbessern.
One approach to increase the service life of welded structures is the use of so-called Low Transformation Temperature (LTT) welding consumables. By reducing the martensite start temperature, the volume expansion from the austenite-martensite transformation is efficiently utilized to reduce residual stresses in weld and heat affected zone (HAZ). This article focuses on the use of LTT in transverse stiffeners. Hardness mapping results showed increased hardness in the LTT weld metal. The residual stress analysis in the HAZ using X-ray diffraction indicated a tendency that the LTT filler could reduce the residual stresses in fatigue test direction. Fatigue tests showed a 50% improvement at 2 million cycles when using LTT welding consumables.
In this study, the authors investigate the detection of fatigue crack initiation from corrosion pits in offshore structural steel. Fatigue tests were conducted on corroded steel specimens that were previously exposed to a marine environment inside the monopiles of two offshore wind farms. The temperature evolution of the test specimens was monitored using infrared thermography. The moment of crack initiation was determined using thermoelastic amplitude and phase signals derived from a thermographic analysis. A thresholding method was applied to identify this moment for each specimen individually, accounting for variability caused by corrosion severity, loading conditions, and thermography configurations. Fractographic analysis was performed to characterize the pits from which fatigue cracks were initiated, revealing strong correlations between pit morphology, corrosion stage, and fatigue crack initiation. To further quantify the role of pit geometry, stress concentration factors (SCFs) were estimated based on pit dimensions, showing systematic trends with exposure height and confirming that sharper isolated pits act as stronger stress raisers than wide valleys. Results show that the proposed approach can reliably detect the onset of stress redistribution in the sample upon crack initiation. The methodology demonstrates high sensitivity to early-stage structural changes under challenging surface conditions and strengthens the understanding of how corrosion pit morphology influences fatigue crack initiation.
Mikrolegierungselemente wie Niob (Nb) und Titan (Ti) spielen eine entscheidende Rolle bei der Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften vergüteter hochfester Feinkornbaustähle mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen der chemischen Zusammensetzung definieren für diese Elemente lediglich Obergrenzen und gewähren den Herstellern damit einen gewissen Spielraum. Bereits geringfügige Abweichungen in den Legierungskonzepten können jedoch die resultierenden mechanischen Eigenschaften erheblich beeinflussen. Infolgedessen wird die zuverlässige Vorhersage der Schweißeignung sowie der Integrität geschweißter Verbindungen aufgrund von Zusammensetzungsvariationen und den damit verbundenen mikrostrukturellen Veränderungen erschwert oder sogar unmöglich. Mögliche nachteilige Effekte umfassen eine Aufweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder umgekehrt lokale Aufhärtungsphänomene. Zur Bewältigung dieser Herausforderungen werden erstmals verschiedene Mikrolegierungsstrategien mit unterschiedlichen Ti- und Nb-Gehalten systematisch anhand speziell hergestellter, im Labor gegossener Legierungen untersucht. Jeder Legierungsansatz basiert auf dem häufig verwendeten Stahl S690QL, wobei eine konsistente chemische Zusammensetzung sowie identische Wärmebehandlungsparameter beibehalten werden.
Zur Bewertung der Schweißeignung wurden dreilagige Schweißverbindungen mittels Metall-Schutzgasschweißen durchgeführt und kritische mikrostrukturelle Bereiche – insbesondere solche innerhalb der Wärmeeinflusszone (WEZ) mit ausgeprägter Aufweichung oder Aufhärtung – identifiziert. Der Einfluss der aufgeweichten WEZ-Bereiche auf das Versagensverhalten wurde durch Querzugversuche untersucht. Zur In-situ-Analyse lokaler Dehnungsverteilungen in verschiedenen WEZ-Regionen wurde die digitale Bildkorrelation (DIC) eingesetzt. Darüber hinaus wurden Kerbschlagbiegeversuche (Charpy) an Grundwerkstoff, Schweißgut und WEZ durchgeführt, um die Kerbschlagzähigkeit zu bestimmen.
Microalloying elements such as niobium (Nb) and titanium (Ti) play a crucial role in tailoring the mechanical properties of high-strength, quenched and tempered fine-grained structural steels with yield strengths ≥ 690 MPa. While current standards typically specify only upper limits for these elements, different microalloying strategies provide significant flexibility in alloy design. However, even minor variations in Nb and/or Ti content can substantially alter transformation kinetics, precipitation behavior, and tempering response, thereby significantly affecting weldability.
Against this background, the present study investigates the influence of various microalloying strategies (Nb-microalloyed, Ti-microalloyed, and combined Nb+Ti microalloyed concepts) on the development and interpretative value of welding Continuous Cooling Transformation (weld CCT) diagrams for high-strength structural steels, using an S690QL-type alloy concept as a model system. The objective is to assess the extent to which microalloying-induced differences in phase transformation behavior and precipitation dynamics necessitate alloy-specific adaptation of weld CCT diagrams.
Conventional weld CCT diagrams are typically established for single-pass weld simulations and represent the phase transformation behavior for a defined heat input or cooling time (e.g., Δt8/5-time). In practical applications, however, welded joints are predominantly produced using multi-pass welding procedures, resulting in repeated thermal cycling of the heat-affected zone (HAZ). These complex thermal histories significantly modify phase transformation sequences, tempering reactions, and precipitation phenomena compared to single-pass conditions. Consequently, the direct transferability of classical weld CCT diagrams to real multi-pass welding scenarios is limited and must be critically evaluated.
Die Werkstoffauswahl und der Korrosionsschutz zur Sicherstellung der Dauerhaftigkeit stellen für den Offshore Bereich noch immer eine Herausforderung dar. Erfahrungen und Regelwerke liegen insbesondere aus dem Bereich von Offshore Windenergieanlagen vor. Diese Regelwerke befinden sich in einem stetigen Prozess der Anpassung an aktuelle Erkenntnisse und Erfahrungen, da es sich noch um relativ neue Anwendungen handelt. Für Offshore-Prozessanlagen, wie diese im H2Mare-Projekt betrachtet werden, sind die Anforderungen wesentlich komplexer, da Anlagenkomponenten den Beanspruchungen aus den Prozessen im Inneren der Anlagen ebenso genügen müssen, wie den Beanspruchungen aus der maritimen Umgebung. Hier kommen im Vergleich zu Windkraftanlagen eine größere Palette von Werkstoffen insbesondere aus dem Bereich der rost- und säurebeständigen Stähle sowie höhere Prozesstemperaturen zum Tragen, die für Windkraftanlagen keine Relevanz haben.
Im Teilvorhaben „Untersuchung zu bauseitigen Fragestellungen der Korrosion und des Korrosionsschutzes mit Fokus auf die Außenkorrosion von Bau- und Anlagenteilen“ standen korrosionstechnische Untersuchungen zum Einfluss maritimer Exposition für großtechnische Offshore-Power-to-X-(PtX-) Anlagen im Mittelpunkt. Die Planung und der Betrieb solcher OffshoreProzessanlagen stellen aufgrund der vorherrschenden Umweltbedingungen hohe Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit der eingesetzten Materialien, wobei dem wirksamen Korrosionsschutz eine zentrale Rolle für einen wartungsarmen, langlebigen und umweltverträglichen Anlagenbetrieb zukommt.
Vor diesem Hintergrund wurde das Korrosionsverhalten metallischer Werkstoffe und Korrosionsschutzsysteme unter realen maritimen und Offshore-Bedingungen systematisch untersucht. Durch die Verknüpfung normativer und wissenschaftlicher Literaturrecherchen mit kontrollierten Laboruntersuchungen sowie mehrjährigen Expositionsversuchen an ausgewählten maritimen Standorten wurden grundlegende Zusammenhänge zwischen Umweltparametern, Werkstoffeigenschaften, konstruktiven Randbedingungen und Korrosionsmechanismen analysiert. Die gewonnenen Ergebnisse stellen eine repräsentative Datengrundlage zur Charakterisierung der Korrosivitätsbedingungen im maritimen Umfeld dar und bilden eine wissenschaftlich fundierte Basis für die Bewertung, Auslegung und Optimierung von Werkstoffen, Beschichtungen und Korrosionsschutzkonzepten für maritime und Offshore-Anwendungen.
The milling process significantly influences the surface integrity of metallic components through machining induced near surface residual stresses. Modern hybrid machining processes, such as ultrasonic-assisted milling (USAM), offer the potential to induce beneficial near-surface compressive residual stresses compared to the near-surface tensile residual stresses typically resulting from conventional milling (CM). This study investigates the effects of USAM compared to CM on the near-surface residual stress state and fatigue performance of a S355J2C low-alloy steel. Milling experiments and subsequent rotating bending tests revealed that USAM significantly reduces cutting force by approximately 45% and induces near-surface compressive re sidual stresses as low as −733MPa. This leads to a significant improvement in fatigue strength estimated in approximately 34% compared to polished specimens and 11% compared to the CM. These findings highlight the potential of USAM to enhance the fatigue performance of components made of steel.