Erfahrungen mit ZfP bei der Abnahme von Komponenten für Wasserkraftanlagen am

Beispiel Kopswerk II

Felix SALZMANN, TU WIEN – TVFA, Wien, Österreich

Kurzfassung. Die Technische Universität WIEN, Technische Versuchs- und Forschungs-anstalt (TU WIEN – TVFA) war von der Vorarlberger Illwerke AG (VIW) mit der Überwachung von Material- und Schweißnahtprüfungen an den Maschinenbauteilen für das Kopswerk II beauftragt. Die Herstellung der Bauteile war nicht nur auf Europa beschränkt und auch an Fertigungsbetriebe vergeben, die mit den geforderten Qualitätsstandards ihre Mühe hatten. An verschiedenen Komponenten werden Art und Umfang von zerstörungsfreien Abnahmeprüfungen gezeigt und einzelne Ergebnisse und Erlebnisse beschrieben.

Beschreibung der Kraftwerksanlage Kopswerk II

Im September 2004 war Baubeginn. Es handelt sich um eine Pumpspeicherkraftwerks-anlage mit großteils unterirdischen Triebwasserführungen und mit einem Kavernenkraftwerk, siehe Abb. 1, bestehend aus 3 gleichen Maschinensätzen zu je 150 MW installierter Pump- und Turbinenleistung. Durch den sogenannten hydraulischen Kurzschluss, vgl. Abb. 2, kann die Anlage in idealer Anpassung an die Markterfordernisse Wälzpumpspeicherung mit einer Regelfähigkeit von +/- 100%der Leistung vornehmen. Dazu benutzt wird der bestehende Speicher „Kops“ bzw. das Ausgleichsbecken „Rifa“ im Montafon, Vorarlberg. Die Fertigstellung der Anlage ist 2008.

Maschinenkomponenten und Abnahmeumfang

Die maschinenbauliche Ausrüstung des Kraftwerkes besteht im Wesentlichen aus an jeweils vertikalem Wellenstrang (von oben nach unten) angeordneten 6-düsigen Freistrahlturbine, siehe Abb. 4 bzw. Abbildungen 9 und 10, Motorgenerator, vgl. Abb. 6, hydraulischer Synchronisierwandler und Pumpe (Abb. 3) mit den zugehörigen Trag- und Führungslagern. 6 Kugelschieber DN 1500 (Abb. 7 und 8), 3 Pumpenzulaufklappen DN 2200, 3 Turbinenauslaufschütze und 2 Rohrbruchklappen DN 4200 sowie Rechen und Notverschlüsse am Ein- und Auslauf komplettieren die notwendige maschinelle bzw. stahlbautechnische Kraftwerksausstattung. Alle aufgezählten Komponenten, ihre Einzelteile bzw. ihre Verbindungselemente und Schweißverbindungen wurden auftragsgemäß strengen Überwachungsprüfungen durch die TU WIEN – TVFA unterzogen. Zuvor galt es, die Werkstoffwahl der Konstrukteure sachverständig zu beurteilen und die Konstruktionszeichnungen auf ausreichende Berücksichtigung von schweiß- und prüftechnischen Belangen zu kontrollieren. Für sämtliche Komponenten waren vom Konstrukteur Technische Liefervorschriften auszufertigen, Prüfumfänge, Prüfverfahren und Annahmestandards auszuwählen sowie die

DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Mi.1.B.1

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Chronologie der Kontrollen an Hand von Prüffolgeplänen festzulegen. Als Überwachungsstelle oblag uns die Aufgabe, diese Spezifikationen auf Sinnhaftigkeit, auf Einhaltung von Vorschriften, Vereinbarungen und anderen Festlegungen zu kontrollieren und ausnahmslos zu überprüfen, ob alle Fertigungs- und Prüfmaßnahmen dem Stand der Technik entsprechen. Daher waren weitgehend EN-Normen und andere anerkannte Prüf- und Annahmevorschriften wie CCH 70-3 und RWhM (Richtlinie für Werkstoffe hydraulischer Maschinen) anzuwenden.

Abb.1: Schnitt durch das Kavernen-kraftwerk

Abb.2: Hydraulischer Kurzschluss

Abb.3: Pumpe und Wandler in Endmontage Abb.4: Montage eines Peltonlaufrades

Rahmenbedingungen in der Überwachungstätigkeit

Die Projektabwicklung war einerseits durch das hohe Vertrauen des Auftraggebers VIW in die verantwortliche Tätigkeit der TU WIEN – TVFA und aus jahrzehntelanger Zusammenarbeit mit den beauftragten Firmen geprägt, anderseits stellten die kurze Bauzeit, die Lieferengpässe aus dem angestrengten Stahlmarkt, die Veränderungen im Bieterkreis für Walz-, Schmiede-, Guss- und Schweißprodukte, die Globalisierung von Konzernen und die Vergabe der Fertigung in Länder mit niedrigen Lohnkosten Herausforderungen dar. Besonders bei komplexen Gussstücken und bei Großschmiedestücken, wo für die Erreichung der verlangten Qualität viel Erfahrung des Herstellers nötig ist, waren die Anbieter und beauftragten Lieferanten nicht immer jene, deren Erfahrungen bekannt waren und in der Auftragsabwicklung erwünscht gewesen wären. Es erfolgten Fertigungen und Abnahmen in großem Ausmaß in Brasilien, Spanien und in der Slowakei, an Einzelstücken in USA, Großbritannien, Italien, Deutschland, Polen, Slowenien, Frankreich und natürlich

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auch in den Fertigungsstätten der in Österreich und Deutschland ansässigen Hauptauftragnehmer.

Blechabnahmen

Der Zugang zu Blechabnahmen wird immer schwieriger, weil viele Prüfungen in einem „qualitätsgesicherten“ Prozessablauf stattfinden und der Aufwand für Einzelblechabnahmen von manchen Walzwerken fast verweigert wird. Mit der Begründung, es sei viel zu aufwändig, Bleche für die Ultraschall-Abnahmeprüfung einzeln aufzulegen, werden solche Kontrollen und die visuelle Prüfung „behindert“. Im Zuge solcher Abnahmeprüfungen gegen den Willen des Herstellers wurden manche unzulässige Ultraschallbefunde erhoben und daher einige Bleche ausgeschieden! Die Stahlwerke in vielen Ländern außerhalb Mitteleuropas haben keinen sortenreinen Schrott verfügbar, weshalb Grobbleche aus Stählen mit besonderen Eigenschaften dort nicht machbar waren. In einem Einzelfall wurde von einem brasilianischen Betrieb europäischer Stahlschrott für die Fertigung von Blechen für Kopswerk II importiert und erfolgreich verarbeitet. In den Fällen von Nachprüfungen von Blechen aus Lagerbeständen in jenen Ländern, die durch ihre niedrigen Fertigungskosten hervorstechen, gab es einige Probleme mit den verfügbaren Prüfeinrichtungen: Die Prüfmaschinen für die zerstörenden Werkstoff-prüfungen waren veraltet, nicht qualitätsgesichert überprüft und konnten die Normerfordernisse hinsichtlich der Messwerterfassung nicht erfüllen. Viele Bleche konnten die Anforderungen an verbesserte Eigenschaften in Dickenrichtung nicht erfüllen und waren daher auszuscheiden.

Abnahme von Großschmiedestücken

Der Großteil dieser Komponenten wurde von renommierten Erzeugern in Europa gefertigt und mit Routine im Umgang mit Gerätschaft, Dokumentation und Abnahmeerfordernissen geprüft. Ein knappest dimensionierter Block führte allerdings bei der Fertigung einer Welle zu Formabweichungen und unzulässigen Befunden an einem Wellenende. Als Folge der Terminsituation und durch den Zufall, dass diese Welle aus besserem Werkstoff als spezifiziert und darüber hinaus aus einem schweißbaren Baustahl gefertigt war, wurde das schadhafte Wellenende durch Anschweißen eines geschmiedeten Ersatzstückes saniert.

Zwei ca. 100 t schwere Rotorkörper für die Motorgeneratoren wurden in USA gefertigt, vgl. Abb. 5. Es war dies für die TU WIEN – TVFA die erste Abnahme einer Komponente für Wasserkraftanlagen in diesem Land und gab beim ersten Termin Anlass zum Kennenlernen einer anderen „Abnahmekultur“ als jener, die wir in Europa „leben“ und die wir mitgeprägt haben: Von der fehlenden Bereitschaft zur Akzeptanz von Vorschreibungen auf Basis von EN-Normen für Werkstoffe, Prüfungsdurchführung und Annahmestandards über die Notwendigkeit zur Erstellung eigener Fertigungszeichnungen wegen der Unterschiede in den Maßeinheiten bis zur Verweigerung von Prüfungen in Anwesenheit der europäischen Abnahmeorgane wurden drastische Unterschiede im Verständnis einer „Inspektion“ erlebt. Im Verlauf von drei Abnahmeterminen bot sich aber ausreichend Gelegenheit zum Kennenlernen der gegenseitigen Motivationen und nach zufriedenstellendem Abschluss der Überwachungsprüfungen war eine freundschaftliche Atmosphäre hergestellt, der Beginn allerdings war schwierig: Alle vorgeschriebenen Prüfungen (beim ersten Stück und bezogen auf den Fertigungsstand) waren intern bereits

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erfolgt und attestiert. Auf ein völliges Unverständnis des Herstellers stieß unsere Forderung, die Prüfungen nunmehr in unserem Beisein zu wiederholen, soweit noch Probenmaterial für die Werkstofferprobungen vorlag und in Bezug auf die ZfP-Verfahren ohnedies uneingeschränkt möglich sei. Nach schwierigen Gesprächen, mit Druck vom Besteller und mit der Bereitschaft der Abnehmer, die ZfP-Prüfungen selbst vorzunehmen, kamen die Überwachungsprüfungen zum Laufen. Die Gerätschaften wurden anstandslos beigestellt, periphere Maßnahmen zur Herstellung ausreichender Beleuchtung und Belüftung wurden mit einer Akribie getroffen, wie wir sie nirgends in Europa kennengelernt haben. Nur bei den eigentlichen UT- und MT-Prüfungen gab es zunächst noch keine Unterstützung. Aus der Beobachtung anderer „inspections“, die während unserer Tätigkeiten stattfanden, war zu erkennen, dass sich die amerikanischen Abnahmekollegen bestenfalls und aus Entfernung der Existenz ihres Abnahmegegenstandes vergewissern und offenbar den Schwerpunkt ihrer Aktivität der Dokumentation widmen. Mit dieser Erkenntnis war die Prüfverweigerung des Herstellers als Antwort auf das, seinem Eindruck nach, große Misstrauen der Abnehmer gegenüber seinen bisherigen Prüfleistungen zu sehen. Mit diesem Verständnis und durch Gespräche mit den Verantwortungsträgern wurde die Atmosphäre zunehmend entspannt und führte schließlich zu Abläufen, die sich nicht mehr von unserem Gewohnten unterschieden.

Auf der fachlichen Seite, bei der Ultraschallprüfung und bei den Zug- und Kerbschlagprüfungen wurden die Unterschiede zwischen ASTM und EN erkannt, berücksichtigt bzw. in Zweifelsfällen experimentell abgeklärt. Es konnte schließlich bestätigt werden, dass die Vorschreibungen auf Basis EN erfüllt waren.

Abb.5: Rotorkörper „made in USA“ Abb.6: Montage des Motorgeneratorrotors

Gussabnahmen

Wie schon früher erwähnt, hat sich der Kreis der Lieferanten dadurch geändert, dass manche ihre Fertigung schon früher eingestellt haben, andere in Folge völliger Auslastung keinen Auftrag aus Kopswerk II annehmen konnten und dass einer der Hauptauftragnehmer seine Konzerngießerei in Brasilien unterhält. Die Stahlgussabnahmen fanden daher zum Teil bei fachlich erfahrenen, mit Wasserkraftkomponenten und mit den Prüfanforderungen vertrauten, nahegelegenen (Europa) oder weit entfernten Gießereien (Brasilien) und auch bei solchen, die sich erstmals auf diesem Produktsegment versuchten (Deutschland, England).

Sowohl als Folge der strengen Annahmevorschriften als auch wegen der komplexen Formgebung, wie sie Komponenten von Strömungsmaschinen eigen sind, war von einigen Gießereien der Aufwand für Prüfungen und Fertigungsschweißungen unterschätzt, vornehmlich von jenen, die bisher andere Branchen belieferten. Manche

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Abnahmeprüfungen standen daher unter Zeitdruck und wurden teilweise in Betrieben vorgenommen, in die Schweißarbeiten oder mechanische Fertigungen ausgelagert waren. Einen wesentlichen Anteil an der Erfüllung von Lieferterminen unter Wahrung der Produktqualität hatten die Abnahmeprüfungen zur Freigabe von Fertigungsschweißungen.

Hinsichtlich der Abnahmen in Brasilien stellte sich zu Beginn der Fertigung die Frage, inwieweit der Überwachungsauftrag der TU WIEN – TVFA durch Untervergabe an eine örtliche Organisation bei gleicher Qualität Kosten sparend erfüllt werden könnte. Es war bald zu erkennen, dass die spartenspezifischen Erfahrungen der TVFA-Mitarbeiter bei den brasilianischen Kollegen nicht annähernd gegeben waren, liegen deren Schwerpunkte doch auf ganz anderen Gebieten. Zu dem war das Abnahmevolumen durch weitere Aufträge in Guss- und Stahlbauteilen so groß, dass die Präsenz des TVFA-Personals in Brasilien ausreichend gegeben war. Es kam daher zu keiner Untervergabe der Überwachungstätigkeit, sieht man von vereinzelten Probenanstempelungen ab.

Abb.7: Kugelschiebergehäusehälfte während der Schweißgenehmigungsprüfung

Abb.8: fertig montierter Kugelschieber

Schweißabnahmen

Hier waren im Vergleich zu den Projekten der Vergangenheit die größten Veränderungen in der Marktsituation gegeben. War früher Österreich mit namhaften und zahlreichen Betrieben „autark“ in der Fertigung der Stahlbaukomponenten für in- und ausländische Wasserkraftwerksanlagen, so wurden diese Fertigungskapazitäten im Inland stark reduziert und in Niedriglohnländern etabliert. Daher war der Großteil der geschweißten Maschinenkomponenten und der Stahlbau- bzw. Stahlwasserbauteile in den Ländern Spanien, Slowenien und Slowakei zu kontrollieren. Es gilt festzustellen, dass es dabei, aber leider in deutlicher Minderheit, zu anstandslosen Abnahmen gekommen ist. In der Mehrzahl mussten bei den Überwachungsprüfungen Ausführungsmängel in den Schweißnähten, unsachgemäße Durchführung von Schweißungen und mangelnde bzw. inkompetente Schweißaufsicht erkannt werden. Weiters war festzustellen, dass geeignete Werkzeuge zur Umformung der Grobbleche fehlten oder zu klein bzw. zu schwach dimensioniert waren, so dass zahlreiche Behelfe an die Bauteilrohlinge angeschweißt waren. Die Zwischen- und Endprüfungen nach den Methoden der ZfP erfolgten vor den Abnahmeprüfungen, obwohl vorgeschrieben, entweder gar nicht oder durch unqualifizierte Prüfer, oftmals deshalb, weil das Personal dazu fehlte. Zu Beginn der Abnahmeaktivitäten bei den jeweiligen Herstellern, es gab ja drei Maschinensätze auszustatten, war oftmals das Erstaunen der Ausführenden zu bemerken, dass entsprechende Abnahmeprüfungen vorgenommen werden und die Qualität der

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Ausführung tatsächlich überprüft wird. Daher enthielten diese ersten Abnahmeprüfungen auch die meisten Überraschungsmomente: Die Komponenten waren noch nicht fertig, entweder im Wissen des Herstellers oder auch in dessen Unkenntnis, dass Schweißungen noch fehlten. Vorbereitungsmaßnahmen zur Prüfungsdurchführung fehlten gänzlich, manchmal auch die qualifizierten Prüfer. Die ersten MT- und/oder UT-Prüfungen zeigten vielfach unzulässige Befunde, weil (aus Kostengründen?) die internen Prüfungen nicht gemacht waren oder weil die Prüfer Fehleranzeigen als formbedingte Erscheinungen abtaten. Da diese Schweißbetriebe nicht das Potential zu relevanten Verbesserungen hatten, wurde ein massiver Personaleinsatz von Seite der beauftragenden Firmen nötig: Ganze Prüferteams hatten die Versäumnisse der Hersteller nachzuholen und weil die Qualität der Schweißungen nicht wesentlich besser wurde, galt es zahlreiche Reparaturen anzuordnen und beinahe unzählige registrierpflichtige, aber nach Annahmestandard zulässige Anzeigen zu protokollieren. Darüber hinaus waren zahlreiche Verletzungen der Oberflächen durch abgeschlagene, erst angeschweißte Montagebehelfe zur Nacharbeit anzuzeichnen und danach zu kontrollieren. Im Zuge der visuellen Abnahmeprüfungen wurden in Einzelfällen unplanmäßige und nicht deklarierte Schweißnähte entdeckt. Zur Ablenkung des kritischen Abnehmerauges waren an den Sollstellen Attrappen von UP-Decklagen geschweißt! An anderer Stelle wurde, ebenfalls unplanmäßig und undeklariert ein nicht identifizierbares eingeschweißtes Blech gefunden, was aufwändige Untersuchungen und bruchmechanische Versagens-abschätzungen nötig machte. Aus Sorge um die Einhaltung der Liefertermine hat VIW den Abnahmeumfang in diesem Bereich auf Prüfungen vor dem Glühen, die sonst ausschließlich in der Verantwortung der Hersteller liegen, erweitert. Damit konnten wenigstens Wiederholungsglühungen vermieden werden.

Sämtliche Dichtflächen an allen Maschinenbauteilen des Kopswerkes II sind im Bereich der O-Ringnut und der zugehörigen Gegenfläche mit korrosionsbeständigen Auftragschweißungen ausgestattet. Die Qualität dieser Schweißungen war über alle Fertigungsbetriebe verbesserungswürdig, wobei jene Hersteller, die auf Gusswerkstoff zu schweißen hatten, das Problem „geliefert“ bekamen.

Abb.9: Ringdüsenleitungssegment bei der Baustellenanlieferung

Abb.10: fertig montierte Ringdüsenleitung vor dem Einbetonieren.

Zusammenfassung

Die Abnahmeprüfungen an den Komponenten des Kopswerkes II wurden termingerecht abgeschlossen. Die Überwachung von Fertigungen in Übersee waren für den Bauherrn und

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für das Abnahmeteam der TU WIEN – TVFA in diesem Umfang neu aber relativ problemlos, weil kompetente Hersteller beauftragt waren. In USA prallten zunächst zwei unterschiedliche Sichtweisen von „Inspektion“ aufeinander; die gute Qualität der Schmiedestücke und das Gespräch halfen beim Abbau von Hemmnissen im Vollzug von Kontrollen. Die Gießereien, die sich mit Komponenten des Kopswerkes II erstmals auf dem Sektor hydraulischer Strömungsmaschinen beteiligten, waren bemüht und konnten die Teile in vorgeschriebener Qualität abliefern, manchmal mit einem größeren Aufwand als erwartet. Die größten Probleme lieferten Schweißbetriebe, die offenbar durch günstige Angebote den Zuschlag zur Fertigung bekamen, mit ihren Schweißern und Prüfern aber nicht im Stande waren, die geforderte Qualität zu erzeugen. In diesen Fällen mussten die Besteller eingreifen und umfangreiche Reparaturen und Kontrollen veranlassen und teilweise selbst vornehmen. Schließlich wurden im Wesentlichen nur spezifikationsgerechte Bauteile freigegeben; Abweichungen wurden nur begründet toleriert.

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