Vor einer schweißtechnischen Instandsetzung sollten stets die Ursachen der Riss- und/oder Bruchentstehung ermittelt werden, um die fachlich optimalen Maßnahmen für eine schweißtechnische Reparatur treffen zu können. Solange die Schadensursache nicht eindeutig geklärt ist, stehen sowohl das herstellende Unternehmen als auch der geschädigte Betreiber häufig auf dem Standpunkt, dass sie selbst keine Schuld an dem Schaden tragen, sondern die Ursachen bei Fehlern des anderen liegen – es sei denn, die Schadensursachen werden so drastisch und zweifelsfrei aufgedeckt, wie in den Bildern 1 und 2. Letztendlich geht es immer darum, wer der Verursacher ist, und wer für die entstandenen Kosten aufkommen muss.
Wird eine schweißtechnische Reparatur, ohne die Schadensursachen zu kennen, durchgeführt nach dem Motto „…na, das kriegen wir durch Schweißen schon wieder hin!“ und treten danach wiederum Risse oder Brüche am instandgesetzten Bauteil auf, lautet das Urteil des Auftraggebers in der Regel: Das wurde schlecht geschweißt! – Dieser Kunde ist mit Recht verärgert. Zusätzliche Kosten entstehen, und der gute Ruf des Schweißbetriebs ist gefährdet. Das kann bei Kenntnis der Schadensursache vermieden werden.
Obwohl das technische Wissen über die von vielen Einflüssen geprägte Eigenschaft „Tragfähigkeit von geschweißten Metallkonstruktionen“ heute im Wesentlichen als gesichert gilt, nehmen Schäden an geschweißten Konstruktionen in fast allen Anwendungsbereichen leider nicht ab. Die Ursachen dafür sind sehr vielfältig [1] und treten häufig gleichzeitig auf:
In der Summe ist es stets Missachtung und/oder Unkenntnis bewährter Regeln und Vorschriften, an denen es für Planung, Konstruktion, Berechnung und Ausführung von Schweißkonstruktionen wahrlich nicht mangelt. Weil man aus Fehlern lernen kann und weil jeder Schaden Kosten verursacht, ist die Kenntnis der Schadensursache sowohl für den Hersteller als auch den Betreiber unerlässlich.
Beweissicherung und Bestandsaufnahme
Einem Schweißbetrieb, der dem Vorwurf ausgesetzt ist, Bauteile aus seiner Fertigung haben durch Risse oder Brüche den Ausfall der Konstruktion verursacht, wird empfohlen, möglichst viele Informationen über das geschädigte Bauteil oder die geschädigte Anlage und den Schadensablauf zu sammeln. Mit Kenntnis der Ursache des Bauteil- bzw. des Schweißnahtversagens kann gegebenenfalls nachgewiesen werden, dass von seiner Seite nichts falsch gemacht wurde. Bei einer Bestandsaufnahme sind möglichst alle Informationen über die Anlage bzw. das Bauteil, die Vorgeschichte und den Schadenshergang zu sammeln. Eine Checkliste [4] kann dabei helfen, alles Wesentliche zu erfassen. Auch wenn ein Schweißbetrieb nur mit der Reparatur beauftragt wurde und nicht direkt in die Schadensfallanalyse einbezogen war, sollte der Auftraggeber vor Auftragsannahme befragt werden, welche Kenntnisse er zur Schadensursache besitzt, weil das für den Aufwand und den Ablauf einer fachgerechten schweißtechnischen Reparatur für das ausführende Unternehmen von entscheidender Bedeutung ist.
Informationen in Checkliste sammeln
Die bis dahin gesammelten Daten können nun bewertet und die Schadensbilder zum Beispiel mit bekannten Versagensformen verglichen werden. Dazu gehört die Auswertung charakteristischer Schadensmerkmale, zum Beispiel Bruchart, Bruchlage und Bruchaussehen. Die Beurteilung der Bruch- und/oder Rissstelle an Schweißverbindungen stellt einen äußerst wichtigen Untersuchungsschritt bei der Aufdeckung möglicher Schadensursachen dar. Bei der Beurteilung der Bruchfläche nach der Bruchart lässt sich ablesen, ob es zum Beispiel ein
ist.
Metallografische Untersuchungen decken auf, ob es sich um inter- oder transkristalline Bruchverläufe handelt. Hinsichtlich von Bruch- und Risslage ist bei Schweißverbindungen zu unterscheiden, ob das Versagen eingetreten ist durch Längs- oder Querrisse, offene oder verdeckte Risse. Weiterhin ist zu untersuchen, ob die Rissenden eindeutig erkennbar sind und ob die Risse von den Schweißnähten, der Wärmeeinflusszone, vom Grundwerkstoff, von Unregelmäßigkeiten der Schweißnaht, zum Beispiel Einbrandkerben, von der Schweißnahtwurzel, zum Beispiel bei Kehlnähten, oder von innen liegenden Bindefehlern oder Einschlüssen ausgehen.
Hinsichtlich der Rissarten ist bei Schweißverbindungen zu unterscheiden zwischen:
Das Bruchaussehen lässt Schlüsse zu, ob es fertigungsbedingte und/oder beanspruchungsbedingte Risse sind. Die Bruchflächen können zum Beispiel folgende Merkmale haben:
Das Größenverhältnis der Ermüdungs- und Gewaltbruchflächen zueinander (Bild 8) schließt hier sowohl eine Überbeanspruchung als auch eine Unterdimensionierung aus. Eventuell wurde etwas angeschweißt, was ursprünglich gar nicht vorgesehen war.
Am Kehlnahtübergang gab es vermutlich einen Anriss, der sich bei veränderlichen Beanspruchungen nach und nach immer weiter ausbreitete.
Rastlinien sind ein Indiz dafür, dass die veränderlichen, meistens schwingenden Belastungen sich hin und wieder abschwächten und der Ermüdungsbruch zeitweilig ruhte, rastete. Erst mit dem weiteren Auftreten der veränderlichen Belastungen vergrößerte sich die Ermüdungsbruchfläche so weit, bis der Restquerschnitt so klein geworden war, dass er durch Gewaltbruch endgültig versagte.
Um weitere Belege für die Ursachen des eingetretenen Schadens zu sammeln, kann es erforderlich werden,
Weitere dahingehend zu beachtende Punkte:
Mit den bis dahin gesammelten Erkenntnissen lässt sich meistens eine Versagenshypothese für die Schadensursache aufstellen bzw. ein Plan für notwendig erscheinende weitere Untersuchungen erarbeiten. Es geht darum, die Versagenshypothese beweiskräftig zu untermauern und die Schadensursache eindeutig zu benennen (Bild 9). Das ist die Grundlage für die Entscheidung, ob der Hersteller oder der Betreiber den Schaden verursacht hat bzw. wessen Versicherung die Kosten für Produktionsausfall, Reparatur oder Ersatzleistungen trägt. Bestehen darüber noch immer Zweifel oder unterschiedliche Auffassungen, sind weitere Untersuchungen – wie beschrieben – in die Wege zu leiten.
Es ist im ureigenen Interesse sowohl des herstellenden Schweißbetriebs als auch des Betreibers herauszufinden, welches die Hauptursachen für den eingetretenen Schaden waren und wer damit der Hauptverursacher ist, der dann auch die Kosten zu tragen hat. In der Praxis führt häufig die Überlagerung von mehreren sich gegenseitig beeinflussenden Ursachen zum Bauteilversagen. Die Kenntnis der Hauptursachen von Schäden ermöglicht die fachgerechte schweißtechnische Instandsetzung, weil zum Beispiel Schäden infolge von Ermüdungsbelastungen oder Korrosion aufwendigere Reparaturlösungen erfordern als Schäden infolge von statischen Überbelastungen. Auch notwendige konstruktive Änderungen von Querschnitten und Schweißnahtdetails zur Verbesserung der Beanspruchbarkeit bei schwingender Belastung bzw. des Werkstoffeinsatzes für eventuelle Ersatzkonstruktionen können damit begründet werden. Nach erfolgter schweißtechnischer Instandsetzung kann durch zusätzliches Einebnen der Schweißnahtoberflächen bei Stumpfnähten bzw. Nachbehandeln der Nahtübergänge durch Kugelstrahlen, Nadelhämmern oder Ultraschallhämmern zum Beispiel die Lebensdauer der reparierten Bauteile bei schwingender Beanspruchung verlängert werden.
Die Kenntnis der Schadensursache im Zusammenhang mit der Reparaturlösung ist die Voraussetzung zur Abschätzung der verbleibenden Restlebensdauer der instandgesetzten Bauteile. Weil man aus Fehlern lernen kann, sind die teuer erkauften Kenntnisse des Bauteilversagens sowohl für den Hersteller als auch für den Betreiber wertvoll und hilfreich. Nicht zuletzt ist die ermittelte Schadensursache Grundlage für versicherungstechnische bzw. juristische Entscheidungen zur Schadensregulierung.
Solange die Schadensursache nicht eindeutig geklärt ist, vertreten sowohl der herstellende Betrieb als auch der geschädigte Betreiber häufig die Position, dass sie selbst keine Schuld an dem Schaden tragen, sondern die Ursachen bei Fehlern des anderen liegen. Vor einer schweißtechnischen Reparatur sollten möglichst viele Informationen über das zu Schaden gekommene geschweißte Bauteil und den Schadensablauf eingeholt werden, um die Schadensursachen objektiv aufzudecken.
Die Schadensursache entscheidet, ob und wie eine schweißtechnische Instandsetzung erfolgen sollte, um einen dauerhaften Weiterbetrieb der Anlage oder des Bauteils zu gewährleisten, und wer die Kosten für Produktionsausfall, Reparatur oder Ersatzleistungen trägt; für wen also die Schadensfallanalyse „zum Segen oder zum Fluch“ wird.
Eine objektive Schadensanalyse führt zur Aufklärung des vorliegenden Schadensfalls und eventuell zu fallbezogenen Verbesserungsmaßnahmen. Davon profitieren sowohl Hersteller als auch Betreiber. Für den Schweißbetrieb erweitern sich die Erfahrungen zur beanspruchungsund fertigungsgerechten Bauteilgestaltung und -herstellung. Aber auch der Betreiber profitiert nicht nur von der technischen Optimierung der Bauteile oder Anlagenkomponenten, sondern auch von erforderlichen Maßnahmen zur Verbesserung des Betriebs bzw. der funktionsgerechten Fahrweise der Anlagen.
(Autor: Prof. Dr.-Ing. Norbert Woywode, Ingenieurbüro E & C Woywode, Büro Magdeburg, norbert.woywode@t-online.de)
[1] Woywode, N.: Schäden an Schweißkonstruktionen vermeiden. In: Jahrbuch Schweißtechnik 2010, S. 136–144. DVS Media, Düsseldorf 2009.
[2] Woywode, N.: Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser – Beispiele aus der Schweißtechnik. In: Jahrbuch Schweißtechnik 2016, S. 292–297. DVS Media, Düsseldorf 2015.
[3] Herold, H.; Pieschel, J.; Woywode, N.: Fertigungsbedingte Risse durch ungünstige schweißtechnische Gestaltung und Ausführung. Zeitschrift für Metallkunde 92 (2001), Nr. 3, S. 232–236.
[4] Dombrowski, J. (Hrsg.): Schweißschäden: Ursachen – Bewertung – Vermeidung. Charles Coleman Verlag, Köln 2019, S. 244–247.
[5] Schmitt-Thomas, K.: Integrierte Schadensanalyse: Technikgestaltung und das System des Versagens. 2., bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg 2005.
[6] Woywode, N.: Ermüdungssicher gestaltete Schweißkonstruktionen und Empfehlungen des Eurocode 3. 13. Schweißtechnische Fachtagung. SLV Halle GmbH, Halle/Saale 2003.
[7] Woywode, N.: Beanspruchungs- und fertigungsgerecht gestalten, Ursachen von Schadensfällen an Schweißkonstruktionen vermeiden. Fortbildung für SAP. SLV Halle GmbH, Halle/Saale 2014.
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