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UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 2
UnderwaterINSPECT Technologien zur zuverlässigen
und effizienten Prüfung von Unterwasser-
Tragstrukturen an Offshore-Windenergieanlagen
H. Friedmann
Wölfel Beratende Ingenieure GmbH + Co. KG
5. Rostocker Schweißtage:
Moderne Schweißtechnologien in der Offshore-Industrie
20. – 21. November 2012
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 3
Experten
Schwingungen
Struktur-
mechanik
Akustik
Ingenieur-
Dienstleistungen
Systeme
70+
Mitarbeiter
800+
Projekte/Jahr
Industrie-
orientiert
Europäische und
internationale
Projekte
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 4
1. Aufgabenstellung
2. Projektorganisation und Konsortium
3. UnterwaterINSPECT – hoch
gesteckte Projektziele
a) Lokale Schweißnahtprüfung
Geführte Ultraschallwellen
Time of flight Diffraction
Wirbelstrom
b) Globale Standfestigkeit
Boden-Bauwerk-Wechselwirkung
Modale Schwingungen
Strukturmechanik und
Lebensdauer
4. Versuche
a) Monopile
b) Rohrknoten
c) Geschweißte Platten
5. Demonstratoren
a) Messmanschette
b) Integriertes Messsystem
6. Praxistest im Meer
Gliederung
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 5
• Extrem hohe Belastung von Offshore-Gründungsstrukturen durch
komplexe Überlagerung zyklischer und stochastischer dynamischer
Lasten aus
Wind
Wellen
Betrieb der OWEA
• Auswirkungen auf
globale Standfestigkeit
Schweißnähte
• Versagen der Gründungsstruktur möglich
Vorschrift des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie, BSH:
• Tragstrukturen (Turm, Unterwasserstruktur, Gründung) sind auf
Korrosion, Risse, Vorspannung der Schraubverbindungen,
unzulässige Kolke und Lage zu prüfen
• jede 10. Anlage soll mit einem integrierten Messsystem ausgerüstet
werden
Aufgabenstellung
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 6
Gegenwärtig Überprüfung
der Offshore-Gründungen
durch Taucher
• einmal jährlich
• Wassertiefe bis zu 45 m
• schlechte Sicht
• Wechselnde Strömungs-
verhältnisse
• Strukturen mit sehr
komplexer Geometrie
• In der Nordsee max. 4 Tauchgänge à 30 min Arbeitszeit am
Prüfobjekt pro Tag möglich
• Prüfabschnitte von wenigen Metern pro Tag
Aufgabenstellung
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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• Viele Meter zu prüfende
Schweißnähte pro Tripod-
Struktur in stark begrenz-
ter Tauchzeit
• Magnet-Partikel-Inspektion
(MPI) mit visueller Bewer-
tung durch entsprechend
ausgebildete Taucher
• aufgrund der großen Naht-
länge keine 100%-Prüfung
möglich
• Ultraschallprüfung bedingt möglich, Röntgenprüfung theoretisch
möglich, aber nur im Habitat
• hoher Personal- und Technikaufwand, hohes Risiko
Aufgabenstellung
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 8
F+E-Projekt UnderwaterINSPECT
Projektorganisation und Konsortium
Assoziierter Partner
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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• SLV M-V - Vorhaben: Referenzobjekte und
Ermüdungsversuche für Schweißnahtrisse
• Fraunhofer IZFP – Vorhaben: Systementwicklung
für die Überwachung von Gründungsstrukturen
• Fraunhofer IWES - Vorhaben: Boden-Struktur-
Wechselwirkung an Offshore-Gründungen
• Wölfel – Vorhaben: Standfestigkeit von Offshore-
Gründungen und Systemintegration
• Baltic Taucher – Vorhaben: Marine System-
erprobung
Projektorganisation und Konsortium
5 Einzelvorhaben
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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• Projektstart: 01. November 2012
• Laufzeit: 3 Jahre
• 5 Kernpartner
• 2 assoziierte Partner
• 3 Großversuche plus marine Erprobung
• Projektsumme: 1,4 Mio. €
• Förderung vom BMWi : 1,08 Mio. €
• Projektträger Jülich
• Projektkoordination
F+E-Projekt UnderwaterINSPECT
Projektorganisation und Konsortium
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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• Erhöhung der Sicherheit von Offshore-Windenergieanlagen und anderen
Offshore-Strukturen
• Entwicklung von Methoden, Techniken und Verfahren für die Inspektion
und Überwachung von Offshore-Gründungsstrukturen
Für die lokale Prüfung von Schweißnähten stehen keine geeigneten Verfahren
und Messmethoden bzw. -geräte zur Verfügung, die die Durchführung solcher
Arbeiten durch Taucher im gebotenen Umfang ermöglichen
Für die dauerhafte Überwachung der globalen Standsicherheit der
Gesamtstruktur bezüglich einer Veränderung der Anbindung an das umgebende
Sediment z. B. durch Bodendegradation bis hin zur Bodenverflüssigung infolge
zyklischer und stochastischer Belastung fehlt es an Monitoringsystemen und
geeigneten Überwachungsverfahren
• Realisierung von zuverlässigen Unterwasserapplikationen der
Sensorsysteme zur halbautomatischen Schweißnahtuntersuchung für die
Anwendung durch Taucher
• Entwicklung eines robusten Monitoringsystems (Sensoren für
Beschleunigungen plus Neigung, Health Monitoring Verfahren) zur
globale Überwachung der Standsicherheit für den Langzeiteinsatz unter
Wasser
UnterwaterINSPECT –
hoch gesteckte Projektziele
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 12
Lokale Schweißnahtprüfung
Geführte Ultraschallwellen
S0: Symmetrischer Mode
(auch “Quasilongitudinale Welle” )
A0: Asymmetrischer Mode
(auch “Biegewelle”)
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 13
Geführte Ultraschallwellen
(L0,1)
(L0,2) f [MHz] x d [cm] Gru
ppengeschw
indig
keit [m
/ms]
(L0,2)
(L0,1)
(L0,3)
L(0,2) S0
L(0,1) A0
T(0,1) SH0
Rohr Platte
Aktuator
Sensor
Signalweg < 1 m Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
• Integrales Verfahren für Bereich zwischen
Aktuator und Sensor
• Wandabtrag, Rissen, Unregelmäßigkeiten
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 14
Time of flight diffraction
• Erprobt für Schweißnahtprüfung
• Lokales Verfahren
• Sehr genau bezüglich der Fehlerdimensionen
• Beschreibt Lage und Ausdehnung des Fehlers
Quelle: Wikipedia
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 15
Wirbelstromverfahren - Einführung
Vorteile
• Hohe Sensitivität
• Schnell und gut
automatisierbar
• Relativ günstig
Nachteile
• Geringe Eindringtiefe
• Hohe Materialsensitivität
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
Einsatzgebiete
• Rissprüfung
• Schichtdickemessung
• Prüfung der
Materialeigenschaften
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 16
16
Wirbelstromverfahren - Eindringtiefe
• Die Eindringtiefe ist frequenzabhängig
• Größe des Messfleckes ist frequenzabhängig
Fe
lde
indrin
gtiefe
Einfache Eindringtiefe:
ω – Kreisfrequenz σ – elektrische Leitfähigkeit des Materials
f – Frequenz μ – Permeabilität
μ0 – Permeabilitätskonstante μr – relative
Permeabilitätszahl des Materials
3
1
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
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Praxistest
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Wirbelstromprüftechnik am IZFP -
Industrieanlagen
• Schnelles, einfaches
Verfahren zum
automatisierten Scan
großer Oberflächen
• Prüfung auf Risse und
Oberflächenfehler
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
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Praxistest
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Globale Standfestigkeit
Boden-Bauwerk-Wechselwirkung
• Besonders zyklische Belastungen mit f < 0,2 Hz führen zu einer Akkumulation des
Porenwasserdrucks im Sediment
• Besonders Monopiles, die in Wassertiefen bis 40 m mit einem Durchmesser bis 8 m als
Gründungsstruktur verwendet werden, sind wegen des unter offenen Rohrs und dem
dadurch langen Abströmweg des Wassers besonders gefährdet bezüglich
Druckakkumulation
• Die Scheerfestigkeit des Bodens
wird dadurch reduziert; damit
besteht die Gefahr der Boden-
degradation bis hin zur Boden-
verflüssigung
• Strömung führt zur Kolkbildung
• Schiefstellung, Gefährdung der
Standfestigkeit einer Gründungs-
struktur
• Entwicklung eines komplexen
numerischen Modells
• Abgleich mit einem Versuch
• Ableitung eines vereinfachten
nichtlinearen Modells der
Boden-Bauwerk-Wechselwirkung
• Ableitung von Parametern zur
Früherkennung von Schäden
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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Die Dynamik einer Struktur wird messtechnisch primär erfasst durch die modalen
Parameter
• Eigenfrequenzen
• Eigenformen
• Dämpfung
Diese modalen Parameter ändern sich durch
• Veränderungen der Umwelt
• Veränderungen der Betriebsparameter
• Schädigung
Aufgabe der Signalverarbeitung
ist die sicher Unterscheidung
der EOCs (environmental and
operational conditions) von
Schädigungsvorgängen
Structural Health Monitoring ist die
messtechnische Erfassung geeig-
neter Parameter, die Trennung von Veränderungen aus EOCs von Schadens-
indikatoren und die frühzeitige Identifikation von Schädigungsvorgängen.
Globale Standfestigkeit
Modale Schwingungen
Quelle: Worden, K.; Farrar, C. R.; Manson, G.; Park, G., 2005
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 20
Operational/Ambient
Excitation
Test
Excitation
Environmental &
Operational Conditions
Offshore
Structure
(System)
Response
Feature
Extraction
(e.g. Modal Data)
Reference
Features
(e.g. Modal Data)
Differences, Projections, ...
Residuals
(Symptoms)
Residuals evaluation:
• Damage Indicators
• Statistics,Thresholds
Decision
Measurements Pattern Recognition
Decision
Globale Standfestigkeit
Modale Schwingungen
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Globale Standfestigkeit
Strukturmechanik und Lebensdauer
Erkannter Schaden
• Weitergehende
Datenauswertung
• Untersuchung vor
Ort durch Taucher
• Schadens-
modellierung möglich?
• Schadensbeurteilung
• Welche Aktionen
werden notwendig
• Prognose der
Restlebensdauer?
Stuctural
performance of
a bride Quelle: Wenzel, VCE
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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Versuche
Großversuch zur Standfestigkeit
• Versuchstechnische Nachbildung
des Verhaltens einer OWEA mit
Hilfe hydraulischer und elektro-
dynamischer Aktoren
• Veränderung von
Umweltbedingungen und
Einbringung von Schäden
• Welche Messsignale liefern die
Sensoren?
• Analyse der Messsignale aus
Struktur und umgebendem
Sediment
• Signalverarbeitung
• Entwurf SHM-Algorithmus
• Trennung von EOCs und
Schadensindikatoren
• Simulationsmodelle bilden den
Versuch nach
• Vergleich der Simulationser-
gebnisse mit den Messergebnissen
• Modelvalidierung, ggf. Update
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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Versuche
Versuch zur Schweißnahtüberprüfung
• Recherche und Analyse zu
erwartender Fehler an
Gründungsstrukturen aus
schweißtechnischer und
werkstofftechnischer Sicht
• Definition von Testfehlern
und Referenzstrukturen
• Präparation von Testfehlern, Bereitstellung von
Referenzstrukturen
• Ermüdungsversuch mit Durchführung von Referenzmessungen
an Testfehlern zum Fehlernachweis und zur Bewertung der
entwickelten Prüfverfahren
• Testmessungen zur Entwicklung der Messmanschette
• Ermüdungsberechnung, FEM nach regionalem Konzept
• Vergleich von Mess- und Simulationsergebnissen
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 24
Versuch zur
Schweißnahtüberprüfung
• Auslagerungsversuche von Stahlblechen in mariner Umgebung in der
Nordsee an mehrere Auslagerungsstandorte.
• Die Stahloberfläche einer neu in die Nordsee eingebrachten Gründung
bzw. Tragstruktur wird im Unterwasserbereich innerhalb eines sehr kurzen
Zeitraumes flächig besiedelt
• Innerhalb dieses Teilprojektes sollen die Materialproben mit organischem
Bewuchs als Musterproben für die Eignungstests der neuartigen
Messtechnik an Verbundpartner übergeben werden
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
UnderwaterINSPECT 5. Rostocker Schweißtage Friedmann, 2012/11/21, page 25
• Messmanschette zur halbautomatischen
Schweißnahtuntersuchung mittels Wirbelstrom und geführter
Ultraschallwellen
• Robuste Sensor- und Datenübertragungseinheit zur dauerhaften
Überwachung von Offshore-Gründungen
• Verfahren zum structural health monitoring, SHM, von Offshore-
Gründungsstrukturen
• Baltic Taucher und Wölfel beabsichtigen, die Demonstratoren und
Verfahren nach einem erfolgreichen Projektabschluss zu
Dienstleistungen bzw. Produkten weiter zu entwickeln.
Demonstratoren
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
toren
Praxistest
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Praxistest im Meer
• Spezifikation der geplanten Demonstratoren unter besonderer Berücksichtigung
des Einsatzes durch Taucher
• Entwicklung einer Schutzmanschette (Bewuchs)
• Durchführung von Testmessungen mit unterschiedlichen Entwicklungszuständen
• Systemerprobung unter realen Einsatzbedingungen
• Nachweis von Fehlern in realen Offshore-Strukturen
Aufgaben-
stellung
Projektorgani-
sation und
Konsortium
Underwater-
INSPECT –
Projektziele
- Lokale Schweiß-
nahtprüfung
- Globale
Standfestigkeit
Versuche
Demonstra-
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Praxistest
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Für eventuelle Fragen stehe ich gern zur
Verfügung.
Vibration Experts
Woelfel Beratende Ingenieure GmbH + Co. KG
Max-Planck-Str.15
97204 Hoechberg
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E-Mail: [email protected]
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Dr. Herbert Friedmann
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