Druckrohrleitungen sind systemkritische Teile bei Speicherkraftwerken: Dynamischer Lastwechsel, besondere geologische und klimatische Verhältnisse und der Anspruch der Betreiber an eine Lebensdauer bis zu hundert Jahren, fordern sowohl Material und Schweißtechnik.
„Die große Herausforderung im Kraftwerk Kaunertal war es, die extremen Beanspruchungen in den Druckschacht-Panzerungen und Verteilrohre in den Griff zu bekommen“, erklärt Rainer Maldet, ehemals Tiroler Wasserkraft AG. Darüber hinaus gilt die 1.440 Meter lange Druckschacht-Panzerung bzw. -Leitung, als eine der Höchstbelasteten in den Alpen: „Nicht nur aufgrund der Geologie ist das Kaunertal für Kraftwerksbauer besonders fordernd, sondern auch wegen der rauen klimatischen Bedingungen in den Alpen.“ Um einen verlässlichen Betrieb für mindestens 100 Jahre zu gewährleisten, gingen die Beteiligten daher neue Wege – sowohl hinsichtlich der Stahlwerkstoffe als auch bei deren Verarbeitung. Die geplante hohe Lebensdauer der Druckschacht-Panzerungen und Verteilrohre beim Ausbau des Kraftwerkes Kaunertal bewirkte nämlich erhebliche Konsequenzen: Der Zielvorgabe von 100 Jahren entspricht im dynamisch belasteten Druckrohr mindestens acht Millionen Lastwechsel. „Wie im Straßenbau entstehen letztlich durch laufende Lastwechsel die Probleme“, sagt Maldet. „Klarer Anspruch der TIWAG war es, die dynamischen Beanspruchungen schon in der Planung – also Dauerfestigkeits- und Zeitstandfestigkeitsprobleme und dergleichen – zu berücksichtigen. Bei dynamischen Beanspruchungen hilft nämlich eine noch höhere Festigkeit überhaupt nichts, deshalb sind Überlegungen in Richtung Betriebsfestigkeit vorzunehmen. Gemeinsam mit der voestalpine Grobblech GmbH hat sich die TIWAG daher neue Werkstoffkonzepte für das Kaunertal überlegt, die nach wie vor Gültigkeit haben.“
„Am Berg haben wir eine Beanspruchung, die sich wie ein Strudelteig zieht“, verdeutlicht Maldet. „Dann lebt der Bauteil mit Gleichmaßdehnung. Auf der anderen Seite benötigt man natürlich diese Dehnung im Grundwerkstoff, weil der 99 Prozent vom Gesamtrohr ausmacht Eine der wesentlichen Forderungen der TIWAG im Kaunertal bestand daher darin, dass das Schweißgut eine höhere Zugfestigkeit aufweisen muss als der Grundwerkstoff. Das heißt, dass ein Overmatching der Schweißnaht notwendig ist.“
Eingesetzt im Kaunertal wurde dann, auf Basis der TIWAG Vorversuche, ein von der voestalpine entwickelten Stahl, den es bisher in diesem Materialdesign noch nicht gab: alform plate 580/820M (thermisch gewalzt und beschleunigt abgekühlt) mit mindestens 580 MPa als 0,2 %-Dehngrenze (für die Streckgrenze) und maximal 820 MPa Zugfestigkeit. Diese Deckelung der Zugfestigkeit bildet die Voraussetzung, dass der Stahlverarbeiter beim Schweißen das von der TIWAG geforderte Overmatching mit allen eingesetzten Schweißverfahren in allen Schweißpositionen realisieren konnte. Dieser Stahl besitzt einen Kohlenstoffgehalt unter 0,05 %. Bei den typischen handelsüblichen Stählen dieser Festigkeitsklasse S690Q (vergütet) beträgt der Kohlenstoffgehalt ca. 0,16 %. Daraus resultieren auch die erforderlichen metallurgischen Eigenschaften des Schweißgutes der in Frage kommenden Schweißverfahren: UP(Unterpulver)-, MAG(Metall-Aktivgas)-, E(Elektroden)-Hand- sowie automatisierte WIG-Heißdraht Prozesse. Dabei galt es, praktikable Parameter für die aus der Geometrie resultierenden Schweißpositionen zu finden. Für dieses Projekt hat die TIWAG mit einem Vorlauf von zwei Jahren umfangreiche technische Versuche und Erprobungen durchgeführt.
Als renommierter Hersteller hat die voestalpine Grobblech GmbH, eine Tochtergesellschaft der Steel Division der voestalpine AG, schon in den Nullerjahren begonnen Ansätze zu entwickeln, um Stahl sicher, kostengünstig und effizient, für die speziellen Bedingungen des alpinen Kraftwerkbaus, verarbeiten zu können. „Wenn Rohrleitungen geschweißt werden, egal ob Druckrohrleitung oder Line Pipe, dann ist ausschlaggebend für die Auswahl vom Stahl, dass er möglichst gut, schnell und gutmütig schweißbar ist“, sagt Regina Leidinger, voestalpine Grobblech GmbH. „Gerade für Druckrohrleitungen gilt, sie mit geringem Aufwand im Berg montieren zu können. Heute sind Stähle im Vergleich zu den Vorgenerationen niedrig legiert, weisen einen geringeren Kohlenstoffanteil auf und besitzen damit deutlich verbesserte Eigenschaften. Dies bedeutet, dass Spannungsarmglühen (zum Abbau innerer Spannungen im Werkstück) nach dem Schweißen bei gewissen Stählen nicht mehr notwendig ist.“ Die Entwicklungserfahrungen und die erfolgreiche Umsetzung im Kaunertal bilden die Basis für eine neue Ära des Stahldesigns, nicht nur in dieser Nische. Neue Projekte lassen sich damit durch Adaptierungen im Walz- und Temperaturführungsprozess mit geringer Vorlaufzeit realisieren.
Joachim Zuschrader, ebenfalls voestalpine Grobblech GmbH.
Für Zuschrader gehen alle effizienzsteigernden Maßnahmen Hand in Hand mit den Materialdesign: „Die voestalpine Grobblech GmbH hat in den letzten fünf bis zehn Jahren gelernt, dass sich auch die Positionierung des Blechlieferanten verändert hat. Oftmals werden wir aber leider erst eingebunden, wenn das statische Design und die Diskussionen über Machbarkeiten schon definiert wurden.“ Klar ist für die voestalpine Grobblech GmbH, dass vor Ort keine Labormaßstäbe gelten, daher gibt es Abweichungen in den Temperaturen und in den Haltezeiten zu berücksichtigen auf denen das Material abgestimmt ist. Daraus resultiere ein Mix aus Grundmaterial, Schweißzusatz, Schweißverfahren und Schweiß-Know-how, der von allen Beteiligten in der Planung zu beachten ist. „Letztgültiges Ziel kann es nur sein, den Kollegen beim Schweißen einen genügend großen Handlungsrahmen zu ermöglichen.“ Ein positives Beispiel war für Zuschrader die Zusammenarbeit mit der TIWAG im Kaunertal, bei der schon früh die voestalpine Grobblech GmbH in den Planungsprozess eingebunden wurde.
Kritisch reflektierten die Experten die Vergabe von Normen bei Stahl. „Viele Normen stammen noch aus der Zeit der Liberty-Schiffe und sind somit in den 40er Jahren steckengeblieben“, schildert Maldet. Die logische Konsequenz daraus ist für Leidinger, von der voestalpine Grobblech GmbH, „eigene Stähle zu entwickeln, um mit den Anforderungen und Bedürfnissen des Marktes und der Verarbeiter Schritt halten zu können“. Ebenfalls kritisch äußert sich Meusburger zu den Regelwerken: „Normen sind eher Marksteuerungselemente als technische Dokumente und kommen aufgrund des Einstimmigkeitsprinzips im Normungsausschuss zustande. Das bedeutet, dass praktisch jeder eine Einspruchsmöglichkeit hat, der ein Interesse beim Entstehen hat.“ Nachvollziehbar sei, dass damit niemals der aktuelle technische Stand der Technik abgebildet wird. Druckschachtpanzerungen hingegen sind technologische Speerspitzen. „Gerade im Panzerungsbau bewegt man sich außerhalb der technischen Regelwerke und der Normen. Was Vorschreibungen durch Gutachter mit Expertise im Genehmigungsprozess notwendig macht“, resümiert Meusburger.
