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Orbitalschweißen Innovative Schweißtechnik für Kraftwerkskomponenten

Redakteur: Brigitte Michel

Für den französischen Schweißmaschinenhersteller Polysoude sind die Entwicklung und Herstellung von Maschinen für das Errichten und Instandhalten von Anlagen zum Erzeugen von Kernenergie nur ein Teil der umfangreichen Aktivitäten. Auch im herkömmlichen Kraftwerksbau bieten die Maschinen ein breites Anwendungsfeld.

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Rohr-Rohrboden-Einschweißungen mit oder ohne Zusatzwerkstoff durch entsprechende Orbitalschweißköpfe und Beschichten des Rohrbodens mit mechanisierten Schweißanlagen.
Rohr-Rohrboden-Einschweißungen mit oder ohne Zusatzwerkstoff durch entsprechende Orbitalschweißköpfe und Beschichten des Rohrbodens mit mechanisierten Schweißanlagen.
(Bild: Polysoude)

Schweißmaschinen sind beim Schwermaschinenbau kerntechnischer Komponenten ebenso unverzichtbar, wie bei den nichtnuklearen Anlagenteilen des Sekundärkreislaufes, wie Turbinen und Kondensatoren. Als Polysoude 1961 gegründet wurde, betrachtete man das WIG-Schweißen als äußerst exotisches Verfahren. Es ging nicht nur um die dazu notwendigen kostenintensiven Anlagen, sondern es waren auch die begrenzten Anwendungsmöglichkeiten, die sich auf das Fügen dünnwandiger Rohre in Einlagentechnik durch Strichraupen beschränkten und die geringe Produktivität des Verfahrens, die mögliche Investoren abschreckten. Letztlich waren es die einzigartige Verbindungsqualität der Schweißungen und der ungewöhnlich stabil verlaufende Prozess, die die frühen Pioniere dazu ermutigten, das Verfahren weiter zu entwickeln

Heute sind diese Vorbehalte längst überholt. Der Einsatz von gepulstem Schweißstrom ermöglicht das Schweißen in Zwangslagen und damit die Orbitaltechnik. Mit einer wirksamen Lichtbogenhöhensteuerung verbunden mit einem gependelten Brenner lassen sich mehrlagige Schweißungen ohne Unterbrechung ausführen. Die Weiterentwicklung der Stromquellen erschloss neue Anwendungsgebiete. So gehört das Schweißen von Aluminiumlegierungen mit Wechselstrom und Lichtbogenhöhensteuerung seit kurzer Zeit zum Stand der Technik. Mit dem Einsatz der Heißdrahttechnik endeten die Diskussionen um die niedrige Abschmelzleistung des WIG-Schweißens. Ergänzt durch eine Engspaltvorbereitung der Schweißfuge, kommen die Vorzüge des Verfahrens nun auch bei dickwandigen Werkstücke kostengünstig zum Tragen.

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Rohrverbindungen bei schwieriger Zugänglichkeit schweißen

Endlos drehbare Kollektorköpfe ermöglichen es, nicht nur Rohre innen und außen mit verschleißbeständigen Auftragschichten oder Pufferlagen zu versehen, sondern das Auftragschweißen auch an Werkstücken mit komplizierter Geometrie automatisch durchzuführen. Ausgestattet mit den unterschiedlichsten Kombinationen der vorgestellten technischen Möglichkeiten und oft ergänzt durch Videoüberwachung, Fernsteuerungen zum Bedienen der Anlagen aus sicherer Entfernung, Versorgung mit Verbrauchsmaterial durch Manipulatoren und Schweißdatenerfassungssysteme, sind exakt auf die Erfüllung der jeweiligen Schweißaufgaben ausgelegte Schweißanlagen in allen Bereichen der Kernenergieerzeugung im Einsatz.

Der größte Teil der Rohrverbindungen wird direkt vor Ort an der im Bau befindlichen Anlage hergestellt, wobei sich besondere Schwierigkeiten durch die oft stark eingeschränkte Zugänglichkeit der Arbeitsbereiche ergeben. Im Übrigen muss meist in Zwangslage geschweißt werden. Tragbare Schweißstromquellen sind für den rauen Baustellenbetrieb in feuchter Umgebung ausgelegt und verkraften auch die häufig nicht besonders stabile Stromversorgung. Mit offenen Orbitalschweißköpfen des Typs MU IV und extra flach ausgelegten Orbitalschweißfahrwerken der Polycar 30-Baureihe werden tausende von hochwertigen Schweißverbindungen automatisch hergestellt, ohne dass irgendwelche Schweißfehler zu verzeichnen wären.

Mit einer negativ gepolten Wolframelektrode und Helium als Schutzgas werden Rohre aus Aluminium und den entsprechenden Legierungen bis zu Wandstärken von 6,5 mm im Stumpfstoß verschweißt, bei größeren Rohrwandstärken wird auf eine Tulpennahtvorbereitung zurückgegriffen.

Kürzlich abgeschlossene Entwicklungsarbeiten erlauben es nicht nur, die Lichtbogenhöhensteuerung erfolgreich beim Wechselstromschweißen von Aluminiumwerkstoffen einzusetzen, man kann diese Anlagen sogar mit einer Leistungsgarantie ausstatten. Somit lassen sich Mehrlagenschweißungen automatisch durchführen, ohne dass eine Unterbrechung zu Beginn jeder neuen Lage stattfinden muss, was mit einer bedeutenden Produktivitätssteigerung verbunden ist. Die Lichtbogenhöhensteuerung wird gewöhnlich beim Schweißen mit Gleichstrom eingesetzt.

Schweißfehler und Schäden sind ausgeschlossen

Als Hülle für die Brennelemente werden dünnwandige Rohre aus einer Zirkonlegierung eingesetzt. Die beiden Rohrenden müssen mit aufgeschweißten Kappen gasdicht verschlossen werden. Zum Anbringen der ersten Verschlusskappe hat Polysoude eine besondere Präzisionsrundnahtschweißmaschine im Programm, bei der der Stopfen in der richtigen Lage zugeführt und vollautomatisch angeschweißt wird. Die Schweißung erfolgt ohne Zusatzwerkstoff, das Rohr wird in horizontaler Lage gespannt und in eine Rotationsbewegung versetzt. Der WIG-Brenner bleibt in der 1G (12 h) Position und wird während der Schweißoperation nicht bewegt. Durch das präzise Einhalten sämtlicher im voraus programmierter Schweißparameter werden jegliche Schweißfehler und Schäden an der dünnen Rohrwand durch zu starken Einbrand ausgeschlossen. Für die umfassende Qualitätssicherung sorgt das eingebaute Schweißdatenerfassungssystem.

Beim Verschließen des zweiten Endes ist der Brennstab bereits mit den Uranoxid-Pellets befüllt. Deshalb ist für das Bedienungspersonal ein entsprechender Sicherheitsabstand einzuhalten. Um ein Herausfallen der Pellets zu verhindern, wird der an einer Seite noch offene Brennstab von der Schweißvorrichtung in vertikaler Lage gespannt. Der WIG-Schweißbrenner ist über dem oberen Brennstabende angeordnet, beim dem Schweißvorgang selbst werden weder der Brenner noch das Werkstück bewegt. Bei diesem Fügevorgang ist es der Lichtbogen selbst, der durch besondere, in Brennernähe angebrachte stromdurchflossene Spulen mit einem magnetischen Feld auf einer Kreisbahn an der Außenkante von Rohr und Verschlusskappe entlang geführt wird und so die Verbindung herstellt.

Nachdem sie die Qualitätskontrolle ohne Beanstandung durchlaufen haben, werden die Brennstäbe in besondere Rahmen, die so genannten Brennelementekästen, eingesetzt und gebündelt. Zu einem Brennstabbündel gehören üblicherweise 200 bis 300 Brennstäbe mit einer Länge von 4 m. Während des Einsatzes sind Brennstäbe und Rahmen großen Beanspruchungen ausgesetzt, die von den im Reaktorkern herrschenden hohen Drücken und Temperaturen sowie die starke radioaktive Strahlung verursacht werden. Nur durch eine präzise Auslegung der Komponenten und eine qualitativ hochwertige Fertigung kann ein sicherer Betrieb der Baugruppen über lange Zeiträume gewährleistet werden. Zu den versagenssicher zu gestaltenden Konstruktionselementen eines Brennstabbündels gehören der Führungsdorn an seinem unteren Ende, der für die einwandfreie Positionierung beim Einsetzen der Baugruppe in den Reaktor sorgt, ein zentral angeordneter Träger und eine Spitze, an der die Hebezeuge befestigt werden können. Auch diese Teile lassen sich mit den Schweißanlagen in der geforderten hohen Qualität zusammenfügen.

Spezielle Anwendungen erfordern angepasste Methoden

Die beschriebenen Prozesse sind gleichermaßen für verschiedene Kraftwerksbauarten geeignet. Alle Komponenten des Primärkühlkreislaufes gehören zu dem so genannten nuklearen Teil. Im Reaktordruckbehälter befinden sich Brennstäbe die bei der exothermen Kernspaltungsreaktion Wärmeenergie abgeben. Das im Reaktordruckbehälter befindliche Wasser wird so auf sehr hohe Temperaturen erwärmt. Ein Druckhaltesystem mit eingebauten elektrischen Heizelementen sorgt für einen stabilen Betriebsdruck der Anlage.

Das erhitzte Wasser zirkuliert im Primärkreislauf und wird durch die Dampferzeuger gepumpt. Diese Dampferzeuger sind große Kessel, deren Innenraum von einer großen Anzahl von Rohren durchzogen wird. Das Wasser des Sekundärkreislaufes wird durch diese Rohre geleitet, nimmt dabei die Wärme auf und wird zu Dampf. Den Dampf des Sekundärkreislaufes nutzt man zum Antrieb von Turbinen, die wiederum mit Generatoren gekoppelt sind, die zur Stromerzeugung dienen. Turbinen und Generatoren gehören zum nicht-nuklearen Teil des Kernkraftwerkes.

Möglichst viele der Schweißoperationen an den schweren Baugruppen werden direkt beim jeweiligen Hersteller mit stationären Fertigungsanlagen ausgeführt. So wird beispielsweise der zentrale Druckbehälter des Kernreaktors auf einem Drehtisch positioniert, der ihn während des Schweißens in eine kontrollierte Rotationsbewegung versetzt. Zwei an Automatenträgern aufgehängte Schweißbrenner stehen sich gegenüber und arbeiten simultan. Die dazu notwendige Ausrüstung einschließlich der Steuerung für die Bewegungsabläufe und der Komponenten für das Engspaltschweißen werden ebenfalls von dem Schweißmaschinenhersteller entworfen und gefertigt.

Reaktordruckbehälter und Dampferzeuger werden als Schmiedeteile hergestellt, die bereits mit den notwendigen Anschluss-Stutzen für die späteren Rohrverbindungen des Primärkühlkreislaufes ausgestattet sind. Der Stahl, aus dem die Behälter geschmiedet werden, unterscheidet sich allerdings von dem Werkstoff der anzuschließenden Rohre. Die Herstellung der dadurch notwendig werdenden heterogenen Verbindung ist aus schweißtechnischer Sicht auf der Baustelle schwierig zu verwirklichen. Deshalb werden die Stutzen der Schmiedeteile im Rahmen einer Auftragschweißoperation bereits beim Hersteller mit einer Pufferschicht versehen, die als Übergangszone zwischen den unterschiedlichen Werkstoffen dient. Die endgültige Verbindung wird schließlich vor Ort fertig gestellt. Die Schweißnaht liegt dann zwischen der Pufferschicht und dem anzuschließenden Rohr und es kann wie beim Fügen artgleicher Werkstoffe vorgegangen werden.

Die Innenflächen des Reaktordruckbehälters und der Dampferzeuger schützt man durch eine korrosionsbeständige Plattierung gegen chemische Angriffe des Kühlmittels. Das großflächige Aufbringen derartiger Schichten lässt sich durch Unterpulverauftragschweißen mit bandförmigem Zusatzwerkstoff erledigen.

Diese Methode kann allerdings nur bei größeren Flächen angewendet werden. Die Innenflächen der Anschluss-Stutzen und die Übergänge zum Behälter sind so nicht erreichbar. Die für diesen spezifischen Einsatzbereich entwickelten WIG-Heißdrahtschweißanlagen sind mit speziellen Kollektorköpfen ausgestattet, die eine endlose Drehbewegung ermöglichen und es gestatten, Plattierungen auch bei kleiner und komplexer Werkstückgeometrie automatisch aufzubringen.

Auch beim Herstellen der Dampferzeuger kommen Polysoude-Schweißanlagen zum Einsatz. Um die geforderte hohe Qualität der Plattierung des Rohrbodens zu erreichen, ist nur ein äußerst geringer Aufmischungsgrad zwischen Auftragwerkstoff und Rohrbodenlegierung zugelassen und die Wärmeeinbringung bei der Auftragschweißung muss so gering wie möglich gehalten werden. Hier kommen die Vorteile des WIG-Auftragschweißens voll zum Tragen, denn es können Wärmeeinbringung und Aufmischungsgrad präzise gesteuert werden. Darüber hinaus bietet das Verfahren eine besonders große Wiederholgenauigkeit.

Für die Rohr-Rohrbodeneinschweißoperationen bei Wärmetauschern kommen Orbitalschweißköpfe zum Einsatz, die in dem jeweils einzuschweißenden Rohr gespannt werden. Verschiedene Modelle erlauben das Schweißen mit oder ohne Zusatzwerkstoff. Besondere Gasschutzglocken werden montiert, wenn der Rohrboden mit sauerstoffempfindlichen Plattierungswerkstoffen beschichtet ist. Je nach gefordertem Automatisierungsgrad kann die Ausstattung der Anlage erweitert werden. Bei entsprechender Konfigurierung der Stromquellen ist auch der gleichzeitige Einsatz mehrerer Orbitalschweißköpfe an einem Werkstück möglich.

Besondere Sorgfalt ist bei der Konstruktion und Herstellung des Deckels für den Reaktordruckbehälter geboten, denn er ist mit zahlreichen Anschlüssen für Kontroll- und Regeleinrichtungen versehen und trägt den Steuerstabantrieb CRDM.

Bei modernen Konstruktionen wird die Gefahr der Spannungsrisskorrosion durch geänderte Fertigungsmethoden ausgeschlossen. Um einen der vier Führungsstutzen des Steuerstabantriebs mit dem Reaktordruckbehälterdeckel zu verbinden, wird an dessen Außenseite eine Auftragschweißung mit arteigenem Material so angebracht, dass ein Zapfen mit ebener Oberfläche entsteht. Während der folgenden Schweißoperation wird die Zapfenoberfläche mit niedriglegiertem Stahl beschichtet, bis die vorgesehene Höhe des Anschlusses erreicht ist. In den Zapfen mit der darunter liegenden Deckelwand wird nun eine axiale Bohrung eingebracht, so dass eine durchgehende Öffnung entsteht. Durch eine Auftragschweißoperation mit korrosionsbeständigem Zusatzwerkstoff wird die Innenseite der Öffnung plattiert. Schließlich wird das Herstellen einer heterogenen Schweißverbindung mit dem anzuschließenden Rohr durch Aufbringen einer Pufferschicht auf die Stirnseite des entstandenen Stutzens vorbereitet. Beim letzten Arbeitsgang verbindet man Rohr und Stutzen mit der Orbitalschweißtechnik. Durch diese Vorgehensweise erreicht man, dass keine Schweißnaht mit dem Kühlmittel in Berührung kommt und die Oberflächen der aus niedrig legiertem Stahl bestehenden Bereiche durch Plattierungen geschützt sind

Während die beschriebenen Arbeitsschritte mit stationären Fertigungsanlagen beim Hersteller durchgeführt werden können, müssen die Verbindungsrohre zwischen den Komponenten des Primärkreislaufes vor Ort mit mobilen Gerätschaften eingesetzt werden

Produktivität erhöhen mit Zusatzeinrichtungen

Wurzel- und Decklagen werden mit offenen Orbitalschweißfahrwerken mit niedriger Bauhöhe eingebracht, die sich auf Zahnkränzen um die Rohre mit Außendurchmessern von 862 mm oder 976 mm und zugehörigen Wanddicken von 69 mm oder 96 mm herum bewegen. Durch die niedrige Bauhöhe der Orbitalschweißfahrwerke wird der zum Betrieb notwendige radiale und axiale Freiraum drastisch reduziert, so kann das mechanisierte Schweißen auch an Abzweigungen oder in der Nähe von Hindernissen, wie Trennwänden oder Zwischendecken, eingesetzt werden.

Die gesteigerte Produktivität spielt bei Einsätzen auf der Baustelle eine nicht zu unterschätzende Rolle. Als Ergänzung zu den Arbeitszeit sparenden Ausstattungsmerkmalen, wie automatischem Ablauf des gesamten Schweißzyklus mit Hilfe der Steuerung der Stromquelle, motorisch bewegten Schlitten für die Lichtbogenhöhensteuerung und Brennerpendelung sowie Heißdrahttechnik, kann eine bessere Ausnutzung der Ressourcen erreicht werden, wenn statt einer konventionellen Schweißnahtvorbereitung die Engspaltvariante gewählt wird.

Sowohl beim Herstellen der Komponenten für den nichtnuklearen Teil des Kraftwerkes mit Hilfe stationärer Fertigungsanlagen, als auch bei der Montage des sekundären Kühlkreislaufes vor Ort mit mobiler Ausrüstung kommen in großem Umfang Polysoude-Schweißausrüstungen zum Einsatz. Der zum Sekundärkreislauf gehörige Dampferzeuger, die Turbinen und der Kondensator müssen durch Rohre verbunden werden, die auf der Baustelle zusammen zu fügen sind.

Der Kondensator wird mit Hilfe stationärer Fertigungsanlagen in einer entsprechend ausgestatteten Fabrik hergestellt. Er fungiert als Wärmetauscher und besteht aus einem durch einen Rohrboden unterteilten Kessel, der von zahlreichen Rohren durchzogen wird. Die Rohre müssen in den Rohrboden eingeschweißt werden. Der Rohrboden selbst ist oft durch eine auftraggeschweißte Plattierung geschützt. Aus schweißtechnischer Sicht stellen sich die gleichen Anforderungen wie bei der Fertigung der Dampferzeuger für den Primärkreislauf.

Als zentrales Bauteil moderner Dampfturbinen ist der bis zu 20 m lange und bis zu 350 t schwere Rotor oft aus zwei oder mehr Segmenten zusammengesetzt. Die Segmente selbst werden als Schmiedeteile gefertigt und können aus unterschiedlichen Legierungen bestehen. Zum Vorbereiten einer heterogenen Schweißverbindung wird auf die obere Stirnfläche eines jeden aufrecht auf einem Drehtisch positionierten Segmentes eine Pufferschicht aufgetragen. Um die heterogene Schweißverbindung zu vollenden werden die Segmente so übereinander gestellt, dass sich die Pufferschichten gegenüberliegen, und mit WIG-Heißdraht-Engspaltschweißen zusammengefügt.

Unerlässliche Voraussetzungen zum sicheren und kontinuierlichen Betrieb der Kraftwerke sind vorbeugende Instandhaltung und fachgerecht durchgeführte Reparaturen. Mit ausgefeilten Fertigungsmethoden, wie die beschriebenen Herstellungsprozeduren beim Anschluss der Führungsstutzen des Steuerstabantriebs an den Reaktordruckbehälterdeckel, wurde es möglich, die Zahl ungeplanter Stillstandzeiten stark zu verringern. Gleichzeitig wurden Reparaturkonzepte und die zu ihrer Umsetzung notwendigen Anlagen entwickelt und zugelassen, die es erlauben, geschädigte Komponenten auf zuverlässige Weise dauerhaft in ihren funktionsfähigen Zustand zurückzuversetzen. Die von Polysoude entwickelten und bereitgestellten Anlagen zum mechanisierten Schweißen sind für derartige Reparaturen zertifiziert und so ausgelegt, dass den festgelegten Schweißanweisungen in allen Punkten Folge geleistet werden kann.

Sehr häufig mussten in der Vergangenheit an dem unteren Deckelbereich des Reaktordruckgefäßes angebrachte Anschlüsse für Steuerelemente instand gesetzt werden. Spannungsrisskorrosion führte hier zu schweren Schäden und sogar Leckagen des Primärkreislaufes. Die in Mitleidenschaft gezogenen Stutzen wurden in diesen Fällen bündig mit der Deckeloberfläche abgeschnitten. Um die entstandene Öffnung herum wurde dann durch Auftragschweißen eine Pufferschicht aufgebracht, die eine dauerhafte Schweißverbindung mit dem Ersatzstutzen aus hochlegiertem Stahl ermöglichte. Die Schweißverbindung des ursprünglichen Stutzens an der Innenseite des Deckels bleibt bei dieser Reparaturmethode intakt, aber sie muss nun nicht mehr den Innendruck des Reaktors aufnehmen. Diese Aufgabe wird von der neuen Schweißverbindung an der Außenseite der Deckelwand übernommen.

Ähnliche Korrosionsprobleme traten auch an den Stutzen zur Einleitung von Borsäure in das Kühlmittel des Primärkreislaufes auf. Hier wird ein WIG-Orbitalschweißkopf in das Rohr eingeführt, um den geschädigten Bereich instand zu setzen. Das Bedienpersonal kann den Vorgang über ein eingebautes Endoskop aus sicherer Entfernung verfolgen. Der Kollektorkopf der Schweißanlage gestattet eine endlose Drehbewegung des Schweißwerkzeuges, so dass die Plattierung der Innenwand des Anschlusses in einem Zug ohne Unterbrechung nach jeder Umdrehung des Kopfes durchgeführt werden kann.

Mehrere am Deckel des Reaktordruckgefäßes angebrachte Stutzen erlauben das Einführen von Elementen zur Steuerung und Kontrolle der Anlage. Der Innendruck des Primärkreislaufes wird hier von metallischen Kegeldichtungen aufgenommen. Diese Dichtungen müssen jedes Mal demontiert werden, wenn am Reaktor ein Austausch der Brennstäbe erforderlich wird, zusätzlicher Verschleiß kann durch routinemäßige Wartungsarbeiten entstehen. Als Hersteller von Anlagen, die zum mechanisierten Auftragschweißen bestimmt sind und über eine Fernbedienung betrieben werden können, bietet Polysoude auch eine speziell zur Aufarbeitung dieser Dichtungen konzipierte Ausrüstung an. (bm)

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