UnderwaterINSPECT - slv-halle.de · Struktur und umgebendem Sediment • Signalverarbeitung • Entwurf SHM-Algorithmus • Trennung von EOCs und Schadensindikatoren • Simulationsmodelle

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


Experten

Schwingungen

Struktur-

mechanik

Akustik

Ingenieur-

Dienstleistungen

Systeme

70+

Mitarbeiter

800+

Projekte/Jahr

Industrie-

orientiert

Europäische und

internationale

Projekte


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


• 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


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-

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Projektorgani-

sation und

Konsortium

Underwater-

INSPECT –

Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


• 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

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Konsortium

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


F+E-Projekt UnderwaterINSPECT

Projektorganisation und Konsortium

Assoziierter Partner

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


• 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


5 Einzelvorhaben

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


• 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


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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


• 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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


Lokale Schweißnahtprüfung


S0: Symmetrischer Mode

(auch “Quasilongitudinale Welle” )

A0: Asymmetrischer Mode

(auch “Biegewelle”)

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest



(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-

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest

• Integrales Verfahren für Bereich zwischen

Aktuator und Sensor

• Wandabtrag, Rissen, Unregelmäßigkeiten


Time of flight diffraction

• Erprobt für Schweißnahtprüfung

• Lokales Verfahren

• Sehr genau bezüglich der Fehlerdimensionen

• Beschreibt Lage und Ausdehnung des Fehlers

Quelle: Wikipedia

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


Wirbelstromverfahren - Einführung

Vorteile

• Hohe Sensitivität

• Schnell und gut

automatisierbar

• Relativ günstig

Nachteile

• Geringe Eindringtiefe

• Hohe Materialsensitivität

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest

Einsatzgebiete

• Rissprüfung

• Schichtdickemessung

• Prüfung der

Materialeigenschaften


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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


Wirbelstromprüftechnik am IZFP -

Industrieanlagen

• Schnelles, einfaches

Verfahren zum

automatisierten Scan

großer Oberflächen

• Prüfung auf Risse und

Oberflächenfehler

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

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Praxistest


Globale Standfestigkeit


• 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


• Ableitung von Parametern zur

Früherkennung von Schäden

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


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.


Modale Schwingungen

Quelle: Worden, K.; Farrar, C. R.; Manson, G.; Park, G., 2005

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


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


Modale Schwingungen



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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

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Praxistest


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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

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Praxistest


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

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INSPECT –

Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


• 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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


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

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Projektziele

- Lokale Schweiß-

nahtprüfung

- Globale

Standfestigkeit

Versuche

Demonstra-

toren

Praxistest


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Für eventuelle Fragen stehe ich gern zur

Verfügung.

Vibration Experts

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Max-Planck-Str.15

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Dr. Herbert Friedmann

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[email protected]

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