Unter Wasser

Betriebsfestigkeitsuntersuchungen

Die Unterhaltung moderner meerestechnischer Bauwerke zur Gewinnung maritimer Rohstoffvorkommen ist verbunden mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand. Daher besteht großes Interesse an der Entwicklung von sicheren und zugleich wirtschaftlichen Inspektions-, Wartungs- und Reparaturverfahren.

Eine solche Möglichkeit bietet das Naßschweißen unter Wasser. Im Gegensatz zum bisher hauptsächlich eingesetzten hyperbaren Schweißen in einer Druckkammer, dem sog. Habitat, vereinfacht sich die Logistik, und die Flexibilität erhöht sich. Die Reparatur kann an Land vorbereitet und unverzüglich vor Ort durchgeführt werden. Damit ergibt sich ein Zeitvorteil, der in Schlechtwetterregionen wie der Nordsee wichtig ist.

Mit zunehmender Betriebsdauer der Konstruktionen wächst die Gefahr des Versagens aufgrund von Ermüdungsrissen oder Anfahrschäden durch Versorgungsschiffe. Die Reparatur muß den Anforderungen aus der Beanspruchung im weiteren Betrieb genügen.

Am Arbeitsbereich Schiffstechnische Konstruktionen und Berechnungen / 2 der TUHH (vormals zum Institut für Schiffbau der Universität Hamburg gehörig) wurden in Zusammenarbeit mit der GKSS und dem französischen Unternehmen Stolt-Comex Anwendungsfälle unter Wasser naßgeschweißter Reparaturverbindungen hinsichtlich ihres Verhaltens unter Schwingbeanspruchung untersucht. Dabei handelt es sich um Rohr-Muffen-Verbindungen (Bild 1) sowie Flicken-Reparaturschweißungen (Bild 2). Die Untersuchungen wurden im Rahmen eines von der EU finanzierten Vorhabens sowie als Teilprojekt der DFG-Forschergruppe „Schadensforschung und Schadensverhütung an Konstruktionen im Wasser” gefördert.

Besonderheiten des Unterwasser-Naßschweißens
Durch den direkten Kontakt von Elektrode, Lichtbogen und Schweißschmelze mit dem Wasser erfolgt ein hoher Eintrag von Wasser- und Sauerstoff in das flüssige Schweißgut. Die Folge des damit verbundenem erhöhten Gasanteils, Legierungsabbrandes sowie der Wasserstoffversprödung können Poren, Risse, Schlackeeinschlüsse und große Härte sein.

Das Unterwasser-Naßschweißen läßt sich für normalfeste Stähle in Tiefen bis 100m gut beherrschen [1,2 ]. Die in der Nordsee häufig eingesetzten höherfesten Stähle neigen jedoch zur Wasserstoffversprödung. Ihr Kohlenstoffäquivalent ist oft größer als 0,4% und damit Anlaß für eine erhöhte Kaltrißneigung. Besonders gefährdet sind Bereiche, in denen in Überkopfposition geschweißt werden muß, da hier das Entweichen der Schweißgase behindert wird. Daher ist eine Reihe von Maßnahmen erforderlich, um diesen unerwünschten Effekten entgegenzuwirken. Durch geeignete Elektroden mit desoxidierenden und dehydrierenden Elementen läßt sich der Wasserstoffgehalt um bis zu 40% verringern. Die Anwendung einer Mehrlagentechnik, der sog. Temper-Bead-Technik, begünstigt das Ausgasen von im Schweißgut gebundenem Wasserstoff. Ferner wird durch eine konstruktive Anpassung der Verbindungen die in Überkopfposition zu verschweißende Strecke minimiert. Die untersuchten Bauteile sind Beispiele für solche Verbindungsformen.

Rohr-Muffen-Verbindung
Sind in Konstruktionen Rohre auszuwechseln, werden beim Einsetzen des neuen Rohres sog. Rohr-Muffen-Verbindungen verwendet. BildÊ1 zeigt eine solche Verbindung mit einer extrem langgezogenen Zunge an der Muffe. Die Muffe wurde aus einem zugeschnittenen Blech der Dicke 15mm gewalzt und an Luft mit einer Längsnaht geschlossen. Bei den Versuchskörpern wurde die Muffe an ihrer flachen Seite bereits mit einem Rohr verbunden. In Wassertiefen zwischen 20 und 100m erfolgte das Einschweißen des zweiten Rohrendes auf der Seite der Zunge. Die verwendeten Rohre hatten einen Durchmesser von 406mm und eine Wandstärke von 22mm. Das Material für Flicken und Rohre entsprach den Anforderungen eines St52-3N, das Kohenstoffäquivalent war >0,4%. Zur Prüfung der Schwingfestigkeit wurden die Modelle in eine Festigkeitsversuchsanlage eingebaut. Die Länge der Bauteile betrug ca. 6m. Bild 3 zeigt die untersuchten Reparaturverbindungen während des Versuches. Die Versuchsanordnung ermöglicht eine 4-Punkt-Biegung. Die interessierende Rohr-Muffen-Verbindung bleibt dabei querkraftfrei und wird durch reine Biegung beansprucht. Das Modell wurde so gelagert, daß Einspanneffekte vermieden wurden. Zur Ermittlung von globalen und lokalen Beanspruchungen sowie zum Registrieren von Anrissen sind die Modelle vor dem Einbau mit Dehnmeßstreifen (DMS) versehen worden. Die Zylinderkräfte wurden so gewählt, daß die Beanspruchungen im linear-elastischen Bereich lagen.

Zur Versuchsvorbereitung wurden statische Messungen vorgenommen. Die Ermüdungsversuche erfolgten bei Schwellbeanspruchung. Die Schwingbreite der Last betrug 140 bzw. 200kN. Die Testfrequenz lag mit 0,3 Hz in dem für Bauteilversuche üblichen Bereich.
Der Versuchsdurchführung an Luft liegt die Annahme zugrunde, daß die Schwingfestigkeit unter atmosphärischen Bedingungen und in Seewasser bei kathodischem Korrosionsschutz äquivalent ist [3]. Unter Verwendung des Farbeindring-Verfahrens und unter Zuhilfenahme von Vergrößerungsgläsern konnten von geübtem Personal Risse mit einer Länge ab 1,0mm entdeckt werden. Weiterhin konnten die Risse durch ein Abfallen der Dehnungen der DMS erkannt werden.

Die Bewertung der Versuchsergebnisse erfolgte nach dem Strukturspannungskonzept (engl. hot-spot). Es handelt sich dabei um ein Konzept auf der Grundlage örtlicher Beanspruchungen, in dem unter Verwendung vorliegender Richtlinien [4] die Spannungen auf den Nahtübergang extrapoliert werden.
In Ergänzung dazu wurden umfangreiche Finite-Elemente-Berechnungen vorgenommen. Entsprechend [4] wurden isoparametrische 20-Knoten-Volumenelemente mit reduzierter Integrationsordnung verwendet. Die mittels DMS gemessenen Spannungen wurden mit den errechneten Hauptspannungen verglichen. Der Unterschied zwischen beiden Ergebnissen war geringer als 7%. Es ergibt sich damit eine gute Übereinstimmung. Die Versuchsergebnisse wurden statistisch ausgewertet und in einem Wöhlerdiagramm dargestellt. Diese sind Strukturspannungswöhlerlinien aus dem Regelwerk [5] gegenübergestellt worden. Eine detaillierte Darstellung findet sich in [6]. Die untersuchten Verbindungen lassen sich damit gemäß den geltenden Vorschriften bewerten und die Lebensdauer nach der Reparatur kann abgeschätzt werden.

Flicken-Reparaturschweißungen
Einen typischen Schadensfall an Offshore-Konstruktionen stellen Schäden durch das Anfahren von Versorgungsschiffen dar. Für die Versuche wurden in Anlehnung an Hauptrohre meerestechnischer Bauwerke ausgesteifte Rohre einer Länge von 5,2m mit einem Durchmesser von 1,5m konstruiert und gefertigt. Zur Simulation der Kollisionsschäden wurden plastische Vorverformungen durch Eindrücken eines Stempels in den lokal erwärmten Mantel des Rohres erzeugt. Acht Schäden ließen sich auf einem Rohr anordnen, zwei in Längsflucht jeweils im Abstand eines Viertels des Umfanges. Auf die Schäden wurden rautenförmige Reparaturflicken einer Größe von 200 x 400mm und einer Dicke von 10 bzw. 15mm geschweißt. Die Ecken sind mit einem Radius von 25mm abgerundet worden. Die Reparaturschweißungen wurden von ausgebildeten Schweißtauchern in einem Süßwasserbassin in einer Wassertiefe von 4m ausgeführt. Dies entspricht der Tiefe, in der häufig die Schäden an Offshore-Bauwerken auftreten. Zur Versuchsdurchführung wurden die Rohre anschließend an Luft durch Brennschnitte zerlegt. Die Teile wiesen den Querschnitt eines Viertelsegmentes auf. Sie wurden auf eine Mittelplatte geschweißt und auf der Gegenseite durch eine gleichartiges unbeschädigtes Gegenstück ergänzt (Bild 2).

Die Durchführung der Versuche erfolgte analog zu den Rohr-Muffen-Verbindungen. Die Risse traten bei allen Modellen an den Flickenspitzen auf. Die ersten Risse bildeten sich an der in Überkopfposition geschweißten Seite. Die Auswertung der Versuche vollzieht sich wie bei den Rohr-Muffen-Verbindungen. Es zeigt sich dabei, daß die untersuchten Verbindungen unter Anwendung von Korrekturfaktoren gemäß den existierenden Vorschriften bewertet werden können. Im weiteren wurden gleichartige Untersuchungen für nachbehandelte Reparaturnähte vorgenommen. Für eine Nahtnachbehandlung unter Wasser kamen das Schleifen und das Hämmern der Nahtübergänge in Frage. Es zeigt sich dabei u.a. die längere Lebensdauer der gehämmerten Proben.

Schlußbemerkungen
Im Ergebnis der durchgeführten Versuche wurde gezeigt, daß die Schwingfestigkeit unter Wasser naßgeschweißter Verbindungen mit dem örtlichen Konzept auf der Basis der Strukturspannung bewertet werden kann. Es ergibt sich die Möglichkeit, die Lebensdauer reparierter Bauwerke genauer vorherzusagen. Dies erhöht die Sicherheit der unter den rauhen Bedingungen der Nordsee arbeitenden Konstruktionen.

Literatur
1. P. Szelagowski, V. Osthus, H. Petershagen,
R. Pohl, G. Lafaye: Konstruktive Gestaltung von Schweißverbindungen in nasser Umgebung,
Sonderdruck der GKSS Geesthacht, GKSS 96/E/71, 1996
2. C. Tsai: Underwater Wet Welding, Cuting and Inspektion, Welding Journal, 1995
3. A. Almar-Naess: Fatigue Handbook Offshore Steel Structures. Tapir, 1985
4. H. Petershagen, T. Massel: Systematische Sammlung und Auswertung von Schwingfestigkeitsdaten schiffbaulicher Konstruktionen, Abschlußbericht zum Vorhaben MTK 0441 8, 1990
5. Germanischer Lloyd: Klassifikations- und Bauvorschriften, I - Schiffstechnik, Teil 1: Seeschiffe, Kapitel 1 - Schiffskörper, Selbstverlag des Germanischen Lloyd, 1997
6. R. Pohl: Schwingfestigkeit unter Wasser naßgeschweißter Reparaturverbindungen, IfS-Bericht Nr. 589, 1997

Prof. Dr.-Ing. Hansjörg Petershagen, Dipl.-Ing. Robert Wernicke