Lang­zeit-EKG für Wind­an­la­gen

Mit der Sensor­manschette lassen sich Risse in Funda­menten von Offshore-Wind­anlagen aufspüren. (Bild: FhG IKTS)

Mit der Sensor­manschette lassen sich Risse in Funda­menten von Offshore-Wind­anlagen aufspüren. (Bild: FhG IKTS)

Offshore-Wind­anlagen müssen vieles aushalten – das gilt vor allem für die Fundamente, die im Meeres­boden verankert sind. Von Zeit zu Zeit untersuchen Taucher diese Gründungs­strukturen auf Mängel. Mit einer Sensor­manschette lassen sich die Kontrollen künftig schneller und einfacher durchführen. Ein solches System präsentieren die Wissen­schaftler auf der Hannover-Messe Ende April 2016.

Die Wellen peitschen gegen die Masten der Offshore-Wind­anlagen, der Wind rüttelt an den Rotoren. Der Fuß der Anlage – unter Wasser, nahe dem Meeres­­boden – muss daher starke Bean­­spruchungen überstehen. Auch aggres­sives Salzwasser schädigt die Fundamente. In regelmäßigen Abständen begeben sich Taucher hinab in die Tiefe und überprüfen die besonders gefährdeten Schweiß­­nähte an diesen Ver­ankerungen. Sind sie nach wie vor intakt? Oder haben sich Risse oder andere Fehlstellen gebildet, die die Sicherheit gefährden? Um diese Frage zu beantworten, befreien die Taucher die Schweißnaht zunächst mit einem Hochdruck-Gerät von Bewuchs wie Algen und Muscheln. Anschließend legen sie ein elektro­magnetisches Feld an die Schweißnaht an und geben Eisen­späne darauf. Ist irgendwo ein Riss, dringt das Feld verstärkt nach außen – die Eisen­späne lagern sich dort an. Eine schwierige Arbeit für die Taucher: Sie müssen viele Geräte mit in die Tiefe nehmen, starken Strömungen standhalten und genügend Zeit einplanen, um sich an die jeweiligen Wasser­drücke auf dem Tauchgang zu gewöhnen. Die Inspektion einer Anlage dauert bislang etwa einen Tag.

Künftig kann ein Roboter diese langwierige und mitunter riskante Aufgabe übernehmen – genauer gesagt ein kasten­förmiges Remote Operating Vehicle, kurz ROV. Die Basis dafür haben Forscher am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden gelegt, gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern. „Wir haben eine Sensor­manschette entwickelt, mit der sich diese Messungen vereinfachen und künftig automatisiert durchführen lassen“, sagt Andreas Schnabel, Projekt­manager am IKTS. Das System bietet zahlreiche Vorteile. Es ist weitaus genauer als die bis­herigen Methoden: Es analysiert beispielsweise auch die Ausmaße und die Tiefe des Risses, was bislang nicht möglich war. Zudem geht die Unter­suchung sehr viel schneller vonstatten als die mühselige Handarbeit – bereits nach zehn Minuten ist sie abge­schlossen.

Doch wie funktioniert das System? »Das Herzstück bildet eine Sensor­manschette, die um die Schweißnaht gelegt wird und über die Anlagen­lebensdauer dort verbleibt«, erläutert Schnabel. Diese Manschette besteht aus zahlreichen Sensorelementen, die in Abständen von fünf bis sieben Zenti­metern wie an einer Perlen­schnur aufgereiht sind. Für die Messung koppelt zunächst der Taucher ein Handgerät über eine Schnitt­stelle an die Manschette an und startet die Unter­suchung per Knopfdruck. Künftig soll der Roboter diese Aufgabe übernehmen. Gleich­zeitig sorgt das Handgerät über Akkus für die nötige Energie. Das aufwändige Reinigen mittels Hochdruck entfällt. Reihum fungiert nun eines der Sensor­elemente als Aktor. Sprich: Es bringt Ultraschall­wellen in die Schweiß­naht ein, die die gesamte Struktur durchdringen.

Befindet sich irgendwo ein Riss, werden die Wellen an dieser Störstelle reflektiert, während sie durch die intakten Bereiche unge­hindert hindurch­gehen. Die anderen Sensoren detektieren die Signale und spüren Fehler­stellen auf diese Weise auf. Anschließend dient der nächste Sensor als Aktor. Er überträgt die Daten per Kabel auf das Handlese­gerät, das am PC ausgelesen wird. Auf diese Weise erhalten die Forscher Daten, die denen einer Computer-Tomo­graphie beim Arzt ähneln. Der End­anwender, also der Prüfer der Offshore-Anlage, erhält ein Bild der Schweiß­naht, auf dem Fehl­stellen je nach Relevanz farbig markiert sind.

In einem Vor-Ort-Test im Offshore-Windpark Baltic 1 konnten die Forscher gemeinsam mit ihren Kollegen von Baltic Taucher aus Rostock bereits zeigen, dass das Verfahren funktio­niert. Dazu versahen sie ein ver­zweigtes Metall­rohr mit einem 0,9 Milli­meter breiten, 45 Milli­meter langen und 7 Milli­meter tiefen Riss und brachten es auf den Meeres­grund der Ostsee in 18 Metern Tiefe. Mit Erfolg: Das System konnte den Riss sehr genau detektieren und sowohl seine Länge, seine Höhe als auch seine Tiefe bestimmen. In etwa fünf Jahren könnte das System zerti­fiziert und per Roboter einsatz­bereit sein, hoffen die Forscher. Somit wollen sie die Lebens­dauer der Anlagen nachhaltig sichern und die Energie­wende unterstützen. (Quelle: FhG IKTS)

Link: Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS, Dresden

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