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Massive Herausforderung: Bei Segmenten von Windkraftanlagen mit bis zu zehn Metern Durchmesser und Wandstärken bis zu zwölf Zentimetern ist der Einsatz vollautomatischer Schweißsysteme eine neue Herausforderung. Bild: Linde
Erneuerbare Energien

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Leistungsfähige Schweißtechnik für Windkraftanlagen

Text: Susan Brownlow, Linde
Offshore-Windkraftanlagen sind auf hoher See außergewöhnlichen Belastungen ausgesetzt. Besonders leistungsfähige Schweißverfahren gewährleisten dennoch einen langen und sicheren Betrieb. Ein neues Verfahren nutzt innovative Acetylen-Druckluftbrenner zum Vor- und Nachwärmen.

Offshore-Windkraftanlagen werden in der Regel weit draußen im Meer errichtet. Dort müssen sie enormen Belastungen standhalten: riesigen Wellen und heftigem, dauerhaftem Seegang. Moderne Herstellungsverfahren stellen sicher, dass die Windparks auch unter den widrigsten Wetter­verhältnissen ihren Betrieb aufrechterhalten können. In diesem Zusammenhang kommt der Schweißtechnik eine wichtige Rolle zu: Die mächtigen stählernen Türme und ihre Stützpfeiler werden aus einzelnen Segmenten zusammengebaut. Eine einzige fehlerhafte Schweißnaht eines einzelnen Bauteils kann zu katastrophalen Folgen führen. Kleine Risse oder gefährliche Korrosion durch Salzwasser können zu schweren Beschädigungen in einem oder mehreren der Stahlsegmente führen.

Anspruchsvolle Qualitätsnormen

Qualitätsnormen für Bauteile von Windkraftanlagen – vor allem von Segmenten, die in Offshore-Anlagen eingesetzt werden – stellen die Hersteller vor große Herausforderungen. Für Linde ist dieser Sachverhalt im Geschäftsbereich Gas eine „neue Dimension“: Bei der Fertigung von konventionellen Stahlkonstruktionen kommen seit geraumer Zeit vollautomatische Systeme bei der Herstellung von Schweißnähten zum Einsatz. Aber für die Segmente von Windkraftanlagen, die einen Durchmesser von bis zu zehn Metern und eine Wandstärke von bis zu zwölf Zentimetern haben, ist dies eine neue Herausforderung.

Hier ist das Schweißen ein komplexer Vorgang. Zuerst einmal müssen die schweren Metallteile vorgewärmt werden. Geschieht das nicht, erreichen die großen kalten Stahlplatten an den Schweißstellen nicht die erforderliche Temperatur. Die Folge: Das Metall wird nur unzureichend aufgeschmolzen. Eine sichere, widerstandsfähige Verbindung der Metallteile kann dadurch nicht erreicht werden. Ein vorheriges Erwärmen verhindert zugleich Kaltrisse im Werkstoff, die beim Schweißen entstehen können. Das Erwärmen ist gerade im Umgang mit hochfesten Stählen ein zentraler Punkt: Nach dem Schweißvorgang muss das Material für zwei bis drei Stunden warm bleiben, um die Wasserstoffversprödung in der Schweißnaht zu verhindern. Für Hersteller mit einem hohen Produktionsdurchsatz ist es aus Gründen der Zeitersparnis ganz entscheidend, dass beim Vorwärmen möglichst rasch eine Temperatur von etwa 100 Grad Celsius erreicht wird.

Innovatives Verfahren

Das Lindoflamm-Verfahren, bei dem ein innovativer Acetylen-Druckluftbrenner zum Einsatz kommt, hat sich als ideale Technologie für diesen Anwendungsbereich herausgestellt: Das Verfahren bietet Stahl- und Metallverarbeitern Lösungen zur Vor- und Nacherwärmung der Werkstoffe. Ein ganz wesentliches Merkmal des Brenngases Acetylen ist die besonders hohe Leistung in der Primärflamme. Hierdurch entsteht eine konzentrierte Flamme zur punktgenauen Vorwärmung an der Schweißstelle.

Die Schweißstelle wird somit äußerst rasch erwärmt – um bis zu zwei Drittel schneller als mit anderen Brenngasen. Dies sorgt zugleich für erhebliche Einsparungen bei den Gesamtherstellungskosten. Im Vergleich beispielsweise zur Propanflamme verbrennt Acetylen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit und führt so zu einer schnellen und konzentrierten Wärmeeinbringung ins Metall. Zugleich sind die Flammentemperaturen, die mittels des Acetylen-Druckluft-Brenners erzeugt werden – etwa 2400 Grad Celsius – deutlich höher als diejenigen Temperaturen, die mit anderen Brenngasen und Druckluft erzeugt werden können. Mit dem neuen Lindoflamm-Brenner kann der Stahl bis zu zwei Mal so schnell erhitzt werden als es mit konventionellen Brennern möglich ist.

Auf der Grundlage des neuen Verfahrens ist Linde in der Lage, Vor- und Nacherhitzen beim Schweißen von Windkrafttürmen und Offshore-Fundamenten einzusetzen. Dafür arbeitet das Unternehmen mit dem Stahlrohrhersteller EEW Special Pipe Constructions in Rostock zusammen: Gemeinsam wurden neue Wärmtechniken für Windkraftanlagenfundamente entwickelt (siehe Kasten). EEW stellt seit vielen Jahren Spezialrohre für Offshore-Anlagen von Gas- und Ölförderern her. Die Fertigung von Windparkkomponenten, die für einen Lebenszyklus von 30 Jahren ausgelegt sind, stellte das Unternehmen jedoch vor gänzlich neue Herausforderungen.

Der neue Brenner, den Linde für den Rostocker Hersteller entwickelt hat, besitzt eine Vielzahl von Brennerdüsen. Sie sind auf einem Rohr von fünf Metern Länge in Abständen von wenigen Zentimetern angebracht. Die zentrale Herausforderung bei der Entwicklung dieses Wärmbrenners sah folgendermaßen aus: Wie lässt sich erreichen, dass aus jeder Brennerdüse gleich viel Gas strömt, um eine gleichmäßige Temperatur vom Anfang bis zum Ende der Schweißnaht zu erreichen? Darüber hinaus sollte die Anzahl der Brennerdüsen niedrig gehalten werden, um den Aufbau des Schweißbrenners nicht zu komplex und den Gasverbrauch nicht zu hoch werden zu lassen.

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