DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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100 Jahre Seilprüfstelle in Bochum -Die Entwicklung der zerstörungsfreien Seilprüfung im Steinkohlenbergbau und deren erfolgreiche Einführung und Anwendung in weiteren Industriesektoren

Olivier Gronau, Jürgen Klein und Hardi Lobert
Deutsche Montan Technologie GmbH
Kontakt: Gronau Olivier Dipl.-Ing.

0. Einleitung

Die Förderseile von Schachtförderanlagen im Steinkohlenbergbau unterlagen seit Beginn des letzten Jahrhunderts einer Entwicklung, die von einer ständigen Zunahme der Schachtteufen, der Nutzlasten, der Fördergeschwindigkeiten und der täglichen Zügezahlen geprägt war. Rein visuelle Prüfungen zur Beurteilung des Seilzustandes hinsichtlich Korrosion, Anzahl und Verteilung der Drahtbrüche und anderer schwächender Einflüsse waren nicht mehr ausreichend, da Schäden im Inneren der Seile nicht sicher festgestellt werden konnten. Die Prüfung und Beurteilung von Förderseilen und die damit einhergehende Entwicklung geeigneter zerstörungsfreier Prüfverfahren sowie deren Anpassung an die jeweiligen veränderten Bedingungen ist ein Hauptbestandteil der Arbeit der Seilprüfstelle in Bochum.

1. Entwicklung der zerstörungsfreien Seilprüfgeräte

Die Entwicklung von zerstörungsfreien Seilprüfgeräten für den deutschen Steinkohlenbergbau geht auf das Jahr 1931 [1] zurück. Mitarbeiter der damaligen Seilprüfstelle der Westfälischen Berggewerkschaftskasse (WBK), heute Teil der Deutsche Montan Technologie GmbH (DMT), führten erste Seilprüfungen nach dem magnetinduktiven Verfahren durch, um auch äußerlich nicht sichtbare Drahtbrüche im inneren Seilverband aufzufinden.

Das zu untersuchende Seil wurde vor Ort durch zwei Magnetspulen magnetisiert (Gleichstromspulen), die in einem Abstand von ca. 20 cm um das Seil gewickelt wurden. In diesem Bereich wird das Seil von Magnetlinien durchflossen, deren Feld homogen in axialer Richtung zum Seil ausgerichtet ist. Befinden sich im Seil Störstellen, wie Drahtbrüche, Korrosion, Druck- oder Verschleißstellen sowie Unregelmäßigkeiten in der Flechtung des Seiles, so bildet sich ein magnetisches Feld aus, das gegenüber dem axialen eine zusätzliche radiale Komponente besitzt, deren Größe und Art von der vorhandenen Störstelle abhängt.

Wird ein Seil bis in die Sättigung magnetisiert, so wird den radialen Feldkomponenten im Inneren des Seiles von den äußeren Drahtlagen nur ein geringer Widerstand entgegengesetzt. Diese radialen Feldkomponenten können so ohne starke Schwächung aus dem Seil heraustreten und durch eine um das Seil gewickelte Messspule erfasst werden.

In der Messspule wird eine Spannung induziert, deren Betrag und Richtung sowohl von der jeweiligen Störstelle als auch von der Geschwindigkeit abhängig ist, mit der das Seil durch die Messanordnung bewegt wird. In Bild 1 ist eine schematische Darstellung eines Magnetprüfkopfes (hier jedoch mit Dauermagneterregern) abgebildet. Die in der Messspule induzierte Spannung wurde über eine aufwendige Elektronik aufbereitet und zur Auswertung auf einen Schreiber übertragen.


Bild 1: Schematische Darstellung eines Magnetprüfkopfes zur quantitativen Detektion von Drahtbrüchen und zum qualitativem Nachweis von Korrosion und Verschleiß mittels Streufeldspulen.

Eine derartige Prüfung mit dieser Prüftechnik war sehr zeitaufwendig und dauerte bis zu sechs Stunden, da die Magnet- bzw. Gleichfeldspulen, die aus je zwei Einzelspulen von je 1600 Windungen bestanden, sowie die Messspule mit 100 Windungen jedesmal um das zu prüfende Seil gewickelt und nach der Prüfung wieder abgewickelt werden mussten.

Da sich andere zerstörungsfreie Prüfverfahren als wenig geeignet für die Prüfung der freien Längen von Stahlseilen erwiesen, wurde die Weiterentwicklung der vorhandenen elektromagnetischen Messeinrichtung in der Seilprüfstelle der Westfälischen Berggewerkschaftskasse forciert. Diese Weiterentwicklung der Seilprüfgeräte war notwendig, da die Erhöhung der Nutzlast sowie die Förderung aus größeren Teufen den erhöhten Einsatz von mehrlagigen Förderseilen bedingte, die durch eine alleinige visuelle Prüfung nicht ausreichend beurteilt werden konnten. Um diese gesteigerte Anzahl von Förderseilen zerstörungsfrei prüfen zu können, wurde im ersten Schritt versucht, den Installationsaufwand zu optimieren. Hierbei wurden die Magnetspulen durch fertig gewickelte Jochspulen und die empfindliche, aber störungsanfällige Registriereinrichtung durch modernere Lichtpunkt-Linienschreiber ersetzt. Im Anschluss fanden grundlegende Untersuchungen zur weiteren Verbesserung der Prüfeinrichtung in Bezug auf eine Optimierung der Magnetisierung, der Registrierung und der Messspulengeometrie statt.

Anfang der 60-iger Jahre [2] wurden in der WBK-Seilprüfstelle Versuche zur Substitution der Elektromagnete durch Permanentmagnete durchgeführt, um den gerätetechnischen Aufwand der Seilprüfgeräte weiter zu minimieren. Mit dem Einsatz von Permanentmagneten wurde eine erhebliche Gewichtseinsparung erzielt. Ein kontinuierlicher Betrieb über wesentlich längere Prüfzeiten konnte ebenfalls erreicht werden, da im Gegensatz zu den Elektromagneterregern keine Abkühlpausen notwendig wurden. Mit den ersten Prüfköpfen, die mit Permanentmagneten (ALNICO) ausgerüstet waren, konnten Seile in einem Durchmesserbereich von 22 bis 82 mm geprüft werden.

Mitte der 80-iger Jahre wurde das Seilprüfgerät um die Möglichkeit der Messung des metallischen Querschnittes erweitert [3]. Somit konnte erstmals der Verlust an metallischem Seilquerschnitt, hervorgerufen durch Korrosion und Verschleiß, quantitativ erfasst werden. Hierzu wurde um das Seil zusätzlich zu den Streufeldspulen (siehe Bild 1) eine Flussmessspule angebracht, in der dann Spannungen induziert werden, wenn sich der metallische Seilquerschnitt ändert. Die nachgeschalteten Integratoren ermöglichten die quantitative Bestimmung des metallischen Seilquerschnittsverlustes.

Eine weitere Verbesserung der Seilprüfgeräte wurde Anfang der 90-iger Jahre durch den Einsatz Seltenerdmagnete eingeleitet [4]. Durch die wesentlich höheren Energiedichten dieser Magnetwerkstoffe gegenüber den ALNICO-Magneten konnte eine weitere Gewichtsreduzierung in der Prüfkopftechnik erzielt werden. Sie haben außerdem den Vorteil, sich im Laufe des Einsatzes nicht zu entmagnetisieren. Die ALNICO-Magnete mussten wegen ihrer Magnetisierungsverluste im Laufe des Einsatzes regelmäßig nachmagnetisiert werden.

Parallel fand eine Entwicklung der nachgeschalteten Aufzeichnungselektronik statt. Das jetzige System basiert auf einen Mikrocomputer, der mit dem Schreiber zur Datenaufzeichnung in einem Gehäuse integriert ist. Zusätzlich zur normalen Darstellung der Messergebnisse auf den Diagrammen können alle Daten auf einen Wechseldatenspeicher gesichert werden. Mittels speziell entwickelter Software-Programme können diese Daten auf einem externen Computer hinsichtlich der Drahtbrüche (Anzahl und Verteilung) sowie der metallischen Querschnittsminderung über die geprüften Seillängen ausgewertet werden.

Neben der zerstörungsfreien Prüfung von Förderseilen galt es auch die Fördermittel sowie die Zwischengeschirre, d.h. die Verbindung zwischen Förderseil und Fördermittel zerstörungsfrei zu prüfen. Dabei wurden anfänglich Fördermittel und Zwischengeschirre auf Risse mittels Magnetpulver-Verfahren geprüft. Mit fortschreitender Entwicklung der Ultraschall-Prüfgeräte nahm die Bedeutung der Ultraschall-Prüfung von Fördermitteln und Zwischengeschirren zu. Heute werden Zwischengeschirre z. T. im eingebauten Zustand mittels Ultraschall-Verfahren geprüft. Diese Prüfung ist inzwischen eine ausgereifte und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Prüfungen, die ebenfalls die gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsbestimmungen erfüllt. Der Betreiber der Förderanlagen erspart sich hierbei jedoch die zeitlichen und damit kostenaufwendigen Ausbauten und Zerlegungen der Zwischengeschirrteilen.

Während die elektromagnetische bzw. magnetinduktive Seilprüfung als Hausverfahren entwickelt wurde und die entsprechende Schulung bzw. Ausbildung in der Seilprüfstelle vorgenommen wird, wurden die Prüfingenieure in den konventionellen Prüfverfahren wie Ultraschallprüfung, Magnetpulverprüfung, Eindringprüfung sowie die visuelle Prüfung extern bei der Deutschen Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP) ausgebildet. Mit den dort erworbenen Qualifikationen sowie den auf den Bergwerken gewonnen Erfahrungen, sind die Prüfingenieure damit auch in der Lage, Prüfaufgaben außerhalb des deutschen Steinkohlenbergbaus vorzunehmen. Diese Prüfungen erfolgen dann innerhalb eines akkreditierten Prüflaboratoriums.

2. Zerstörungsfreie Prüfungen außerhalb des Bergbaus

Mit der Anwendung von Seilprüfgeräten mit Permanentmagneterregern konnten auch Anfragen außerhalb des Bergbaus bearbeitet werden. So wurden z.B. erste Prüfungen von Brückenseilen, Mastabspannungen oder seilabgespannten Dachkonstruktionen vorgenommen. Für diese Einsätze musste die Gerätetechnik geringfügig angepasst werden, wie z.B. der Anbau eines Rollensystems am Magnetprüfkopf um schräg liegende Seile prüfen zu können ohne den Korrosionsschutzanstrich an den Seilen zu beschädigen.

Im Laufe der Zeit wurden auch spezielle Gerätekomponenten entwickelt. Dazu gehören neben dem Bau eines Magnetprüfkopfes für Seildurchmesser bis 170 mm auch ein batteriebetriebener Datenspeicher, mit dem seilabgespannte Bauwerke mit einer Höhe von über 100 m (bisher maximale Kabellänge) geprüft werden konnten. Im Bild 2 ist der Einsatz eines Prüfmagneten an einem Brückenseil mit einem Durchmesser von ca. 75 mm dargestellt.


Bild 2: Seilprüfmagnet an einem Brückenseil (Æ ca. 75 mm) mit Rollenvorrichtung und batteriebetriebenen Datenspeicher.

Weitere, zum großen Teil auch regelmäßige Prüfungen von Seilen werden im Offshore-Bereich [5], im Tagebau, an Seilbahnen, Sessel- und Skiliften sowie an großen Krananlagen auch außerhalb Deutschlands vorgenommen. Bild 3 zeigt z.B. einen Schaufelradbagger in einem indischen Tagebau. Das hier eingesetzte Seilprüfgerät wurde vom Betreiber des Tagebaus für die regelmäßigen Prüfungen der Seile von der DMT erworben. Eine vor-Ort-Schulung der indischen Prüfingenieure wurde von Mitarbeitern der Bochumer Seilprüfstelle durchgeführt.

Bild 3: Prüfung der Seile eines Schaufelradbaggers in einem indischen Braunkohlentagebau.

Außerhalb des Bergbaus nimmt die Prüfung von Abspannseilen an Brücken und Sendemasten einen großen Teil ein [6]. Hier werden neben der zerstörungsfreien Prüfung der Seile ebenfalls Prüfungen der Seilbefestigungen und der Verankerungen vorgenommen. Für diese Prüfung kann auf die bei den Prüfungen im Bergbau gewonnenen Erfahrungen der Seilprüfstelle zurückgegriffen werden. So werden zum Beispiel mit Ultraschall die Seilendverbindungen bei vollverschlossenen Seilen geprüft. Aus den Erfahrungen von dynamischen Seilprüfungen in den Laboren der Seilprüfstelle ist bekannt, dass das Auftreten erster Drahtbrüche infolge dynamischer Beanspruchungen in den Außendrähten unmittelbar in den Einlaufbereich zum Vergusskopf entstehen. Im Bild 4 ist die Vorgehensweise der Ultraschall-Prüfung schematisch dargestellt. Im Labor werden dazu entsprechende Vergleichskörper mit künstlich eingebrachten Fehlern hergestellt und zur Kalibrierung benutzt. Typische Ultraschall-Prüfsituationen sind in den Bildern 5 und 6 dargestellt.


Bild 4: Schematische Darstellung der Prüfung der Wurzelbereiche eines vollverschlossenen Seiles.


Bild 5: Ultraschallprüfung einer Seilendverbindung an einer seilabgespannten Dachkonstruktion.

Bild 6: Typische Prüfsituation bei der Ultraschall-Prüfung von Seilendverbindungen an Sendemasten.

Bei einem Seilriss im Jahre 1996 an einer südamerikanischen Brücke wurden unter anderem die DMT-Seilprüfer um Hilfe bei der Beurteilung der noch verbliebenen 71 Seile, sowie einer weiteren baugleichen Brücke gebeten [7]. Eine magnetinduktive Prüfung konnte aufgrund der Schadenslage und der Einbausituation der Seile nicht durchgeführt werden. Die zu prüfenden Seile bestanden aus bis zu 337 Paralleldrähten von 7 mm Æ. Als mögliche, aussagekräftige und schnelle Prüfmethode wurde das Ultraschall-Verfahren gewählt.


Bild 7: Typische Prüfsituation an den Stirnflächen der Vergüsse.

Innerhalb weniger Tage war die Seilprüfstelle als einzige Institution in der Lage, die Prüfung der Seilendbereiche entsprechend den Vorgaben durchzuführen. Dazu wurde in den Laboren der Seilprüfstelle ein Vergleichskörper mit künstlich eingebrachten Fehlern hergestellt. In den Vorversuchen wurde eine Optimierung der zu verwendenden Ultraschall-Prüfköpfe, bezüglich der Art, Größe und Frequenz vorgenommen und entsprechende Bewertungskriterien erarbeitet. In Bild 7 ist eine typische Prüfsituation dargestellt.

Aufgrund der Prüfergebnisse wurden die Seile mit einem Schädigungsgrad > 5 % sukzessive ausgewechselt. Diese beiden Brücken werden regelmäßig von der Seilprüfstelle der DMT inspiziert, um zukünftig Schadensentwicklungen an den verbliebenen Seilen frühzeitig aufzeigen zu können und einen sicheren Weiterbetrieb der Brücken zu gewährleisten.

3. Zusammenfassung

Neben den Prüfungen von Seilen innerhalb des gesetzlich geregelten Bereiches im Bergbau werden von der Seilprüfstelle Bochum auch Prüfungen an seilabgespannten Bauwerken sowie an laufenden Seilen (z.B. Krananlagen) durchgeführt. Die letztgenannten Prüfungen werden im Rahmen des akkreditierten Prüflabors nach DIN EN ISO /IEC 17025 und Inspektionsstelle nach DIN EN 45004 vorgenommen. Dabei werden neben der Prüfung der freien Seillängen nach dem magnetinduktiven Verfahren auch die Seilendbereiche und deren Verlagerungen durch angepasste Ultraschall-Prüfverfahren durchgeführt.

4. Literatur

  1. A. Otto: "Elektromagnetisches Verfahren zur Prüfung von Drahtseilen" Glückauf -Forschungshefte 69 (1933) S.471 - 475
  2. H. Grupe: "Entwicklung einer Einrichtung zur Prüfung von Förderseilen nach dem magnetinduktiven Verfahren" Forschungsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen Nr. 954, 1961
  3. D. Fuchs, P. Mertens und R. Schröder: "Neues Seilprüfgerät mit drei Meßkreisen" Glückauf-Forschungshefte 50(1989) S. 297-304
  4. W. Breyer, R. Dix, D. Fuchs und F. Langebrake: "Weiterentwicklung und Optimierung eines Seilprüfgerätes" Glückauf-Forschungshefte 57(1996) S. 28-32
  5. B. Cook, O. Gronau, V. Sukhorukov and E. Verdegaal: " Steel Rope NDT in the Offshore Industry and Shipyards" 8th ECNDT; 17. - 21. June 2002, Barcelona - Spain
  6. O. Gronau, J. Klein and H. Lobert: " Experiences with non-destructive examination on rope terminations and fittings at selected examples" OIPEEC Round table meeting; 20. - 22 August 2001, Lehigh University - USA
  7. J. Klein, H. Lobert und R. Dix: "Ultraschallprüfung der Endbereiche der Paralleldrahtbündel zweier südamerikanischer Schrägseilbrücken" DGZfP, DACH-Jahrestagung 2000; Innsbruck 29. - 31. Mai 2000; Berichtsband 73, Band 1, S. 347 - 358

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