WeldScanPro: Reduzierung der Fertigungs- und Wartungskosten von Offshore Windenergieanlangen mittels Inline-Inspektion und Analyse der Ermüdungslebensdauer von Schweißverbindungen durch maschinelle Lernverfahren

Projektbeschreibung

Fest im Meeresboden verankerte geschweißte maritime Tragstrukturen sind für die europäische Industrie und Gesellschaft vor allem in Bezug auf Energieerzeugung und als Navigationshilfen wichtig. Sie werden beispielsweise für die Förderung von Öl und Gas benötigt, für die Produktion von Offshore-Windenergie, für Navigationshilfen wie Leuchttürme und Kanalmarkierungen sowie in Häfen. Rund 30 Prozent der Investitionskosten für die Errichtung eines Offshore-Windparks stellen die Herstellungskosten für die Fundamente dar. Diese Fundamente werden in der Regel als so genannte Monopiles konzipiert. Bei der rechnerischen Auslegung (Bemessung) der Monopiles spielt die Ermüdungsfestigkeit eine entscheidende Rolle. Festigkeitsbestimmend sind hier insbesondere die Umfangsschweißnähte, da Wind- und Wellenlasten hier aufgrund der den Schweißnähten eigenen Spannungsüberhöhungen während der Nutzungsdauer von ca. 25 Jahren am ehesten Schäden in Form von Ermüdungsrissen verursachen.

Im Projekt wird ein automatisiertes und anwenderunabhängiges Vorgehen zur lokalen Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Schweißnähten durch den gezielten Einsatz optischer 3D-Messsysteme entwickelt. Besonderes Augenmerk wird auf die Erarbeitung einer technischen Lösung zur Erstellung und Auswertung hochwertiger 3D-Scans von Umfangsschweißnähten an Monopiles gelegt. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem Einsatz künstlicher neuronaler Netze (KNN) zur Ermittlung einer lokalen und ortaufgelösten Nahtqualität entlang der gesamten Schweißverbindung, repräsentiert durch die lokale Spannungskonzentration (Kerbformzahl).

Im Rahmen dieses Projekts werden folgende, grundlegende Arbeiten des Projektkonsortiums durchgeführt: Entwicklung und technische Umsetzung einer geeigneten Vorgehensweise zur Erstellung von hochaufgelösten digitalen Oberflächenmodellen von Schweißverbindungen, inklusive Ableitung von Empfehlungen hinsichtlich der Wahl von Scanparametern (u.a. Auflösung, etc.), sowie die Erfassung lokaler und global wirkender Eigenspannungen an Klein- und Großstrukturen (Monopiles). Im Anschluss erfolgt die Entwicklung eines Auswertealgorithmus zur Entwicklung von Software-Tools zur automatischen Ableitung von Nahtgeometrieparametern (Nahtübergangsradius und Flankenwinkel) und Einstufung in Bewertungsgruppen nach DIN EN ISO 5817 aus dem Oberflächenmodell bzw. den 3D-Scandaten. Zur direkten Ableitung von Kerbformzahlenaus 3D-Rohdaten wird ein künstliches, neuronales Netz trainiert und validiert. Die lokal erfassten Einflussgrößen (Eigenspannung, Gefüge, Kerbformzahl) werden im weiteren Verlauf des Projekts mit den Rissausgangsorten an kleinskaligen Probekörpern und repräsentativen Schweißverbindungen korreliert. Im letzten Teil des Projekts erfolgt die Entwicklung eines Konzepts zur ortaufgelösten Lebensdauerbewertung über die gesamte Nahtlänge an linienförmigen Schweißverbindungen unter Berücksichtigung der lokalen Geometrie und Kerbwirkung und die Übertragung auf geschweißte Bauteile mit komplexen Nahtverläufen. Diese Verknüpfung wird dabei mittelts Machine Learning Methoden generiert. Der entwickelte Algorithmus zur Lebensdauerbewertung soll sowohl für die in-line Lebensdauerbewertung (Bewertung der Umfangsschweißverbindung während der Fertigung) als auch zur Inspektion bereits bestehender Offshore Windenergieanlagen einsetzbar sein.

Teilvorhaben Fraunhofer IWM

Das Fraunhofer IWM ermittelt im Rahmen des Projekts durch 3D-Scans sowie röntgenografische Analysen die ortaufgelöste Geometrie sowie Eigenspannungs- und Gefügezustand der Schweißverbindung. Diese Faktoren werden anschließend mit lokalen Rissausgangsorten aus Ermüdungsversuchen an kleinskaligen Probekörpern durch optische Dehnungsfeldmessung korreliert.