Speicherkraftwerkwerke: High-end Technik im Gebirge

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.

Teil 1: Bewährte Technologie für die Energiewende

Teil 2: High-End Anforderungen bei Werkstoffen und Technik für Druckrohrleitungen

Teil 3: Auf die Mitarbeiter kommt es an

Extreme Beanspruchungen
„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."

Stichwort Overmatching
„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."

Geringer Kohlenstoffgehalt
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.

Innovationen bei Stahl
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. „Das sind die kleinen Schrauben, die wir drehen, um am Schluss die vollkommene Spezifikation zu erfüllen", verrät Leidinger aus der Praxis. „Eine neue Entwicklung ist daher nicht zwingend notwendig, jedoch eine maßgeschneiderte Adaptierung der Parameter in der Stahlerzeugung." … Lesen Sie bitte mehr auf https://www.kremsmueller.com/wasserkraft/

Fotos: Kremsmüller