Steigerung der Festigkeit und Dauerhaftigkeit von Stahl-Klebungen im Offshorebereich (P 1393)

  • Ansprechpartner:

    Jakob Boretzki, M.Sc., Dr.-Ing. Matthias Albiez

  • Projektgruppe:

    Kleb- und Fügetechnik

  • Förderung:

    FOSTA, AiF

  • Partner:

    Fraunhofer-Einrichtung für Großstrukturen in der Produktionstechnik IGP

    Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM

  • Laufzeit:

    2019 - 2022

Offshore-WEAKIT Stahl- und Leichtbau

Offshore-Windenergieanlagen verfügen neben den Hauptkomponenten Turm, Gondel und Rotorblatt über zahlreiche weitere Sekundärstrukturen wie Boat-Landings, Plattformen, Kabelschutzohre (J-Tubes) etc., die durch stahlbauliche (i.d.R. geschweißte oder geschraubte) Anschlüsse mit der Primärtragstruktur verbunden sind. Darüber hinaus sind des Weiteren Anschlüsse deutlich kleinerer Abmessungen wie Kabel- und Beleuchtungshalterungen oder Halter für Korrosionsschutzsysteme vorhanden.

Die Offshore-Windenergie ist eine junge und dynamische Branche. Regelmäßig werden neue Technologien entwickelt und erprobt, sodass viele der gebauten Strukturen Unikate darstellen und die Tragstrukturen von Windpark zu Windpark variieren können. Aufgrund dieser hohen Dynamik im Anlagendesign kommt es häufig zur Nachrüstung der eingangs genannten Anbauteile im Feld. Schadensfälle erfordern zudem geeignete Reparaturkonzepte unter rauen Offshore-Bedingungen.

Problematisch an den genutzten Fügeverfahren ist die Schädigung der Grundstruktur. Die Fügeverfahren Schrauben oder Schweißen bringen geometrische bzw. metallurgische Kerben ein. Diese führen zu einer Herabstufung der Kerbfallklasse und damit zu einer reduzierten Ermüdungsfestigkeit. Ist das Anbringen von Sekundärstrukturen durch die genannten Fügeverfahren planmäßig vorgesehen, muss dies bereits bei der Dimensionierung der Primärstruktur berücksichtigt werden. Eine dadurch notwendige Wanddickenerhöhung führt zu einer reduzierten Ressourceneffizienz. Nachträglich offshore angebrachte Strukturen sorgen häufig dafür, dass der Ermüdungsnachweis nicht mehr erfüllt und die rechnerische Lebensdauer nicht mehr erreicht werden kann. Zusätzlich wird der Korrosionsschutz durch die Anbindung lokal zerstört. Zusammenfassend besteht großer Bedarf nach einer Lösung zum Anschluss von sekundären Bauteilen ohne Schädigung des Grundmaterials.

Ziel des Forschungsprojektes ist es eine klebtechnische Anbindung von Sekundärstrukturen an die Primärstruktur systematisch zu untersuchen. Das Kleben geht mit keiner Schädigung der Primärstruktur einher. Weder tritt eine hohe Wärmeeinwirkung auf, noch muss die Grundstruktur durch Schraubenlöcher geschwächt werden. Die Verklebung erfolgt flächig zwischen Stirnplatten, welche an die Sekundärsturkturen angebracht sind, und der Primärsturkur. Sowohl eine klebtechnische Fertigung im Werk, als auch ein offshore erfolgtes Kleben und die jeweils anschließende Nutzung unter Offshore-Bedingungen sollen versuchstechnisch abgebildet werden.

Im Einzelnen werden dafür die nachfolgenden Untersuchungsschwerpunkte gesetzt:

  • Auswahl und Charakterisierung geeigneter Klebstoffe und Beschichtungssysteme
  • Entwicklung und Erprobung von Fertigungskonzepten für die Offshore-Anwendung (Oberflächenbehandlung, Injektion, Schnellhärtung)
  • Untersuchungen zur Alterung sowohl unter Freibewitterung als auch im Labor unter genormten Umgebungsbedingungen
  • Entwicklung, Optimierung und experimentelle Untersuchungen von bauteilähnlichen Proben