Schumann, Holger Thema: Erarbeitung Einer .

Schumann, HolgerThema:Erarbeitung einer Reparaturtechnologie für die Instandsetzung einesBrückenkrans, zur Verlängerung der Restnutzungsdauer.eingereicht alsDiplomarbeitan derHOCHSCHULE MITTWEIDA (FH)UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCESStahl- und MetallbauKönigslutter, 2010Erstprüfer:Prof. Dr.-Ing. Peter HübnerZweitprüfer: Dipl. Ing. Christian Eckartvorgelegte Arbeit wurde verteidigt am:

DanksagungHiermit bedanke ich mich zunächst bei Herrn Christian Eckart und Herrn Prof. Dr.-Ing.Peter Hübner, ohne deren Zustimmung diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.Desweiteren danke ich Herrn Horst Hobler für die zusätzliche Betreuung seitens derHochschule.Ich möchte mich auch bei allen Mitarbeitern des Kranbetriebs der SZST SalzgitterService und Technik GmbH bedanken, die mir jederzeit mit Rat und Tat zur Seitestanden.Natürlich danke ich auch meiner Familie: Meinen Eltern, die mir mitunter diefinanzielle Seite des Studiums ermöglicht haben und bei all meinen Entscheidungenimmer hinter mir standen sowie meinen beiden Schwestern und meinen Großeltern, diemir auch in schwierigeren Zeiten immer den Rücken gestärkt haben.II

Inhaltsverzeichnis1VORSTELLUNG DES DIPLOMTHEMAS . 12SPEZIFIKATIONEN DES KRAN 7. 22.1Tätigkeitsfeld . 22.2Technische Angaben . 32.3Einstufung . 43SCHADENSFESTSTELLUNGEN . 53.1Schadensfeststellung I . 53.1.1Rissursachen der Schadensfeststellung I. 73.1.2Werkstoffuntersuchung. 93.2Schadensfeststellung II . 113.2.1Schadensursache und Folgen der Schadensfeststellung II . 113.2.2Schadensbilder des oberen Katzgerüstes . 123.2.3Endschaltersystem des Hubwerkes . 124ALLGEMEINER BERECHNUNGSTEIL. 134.1Beschreibung der Laufkatze. 144.2Zeichnungen . 164.3Werkstoff . 164.4Einstufung und Arbeitsgeschwindigkeiten . 164.5Berechnungsmodell . 174.6Querschnitte . 184.7Struktur des Berechnungsmodells (RSTAB) . 185LASTANNAHMEN NACH DIN 15018 . 215.1Hauptlasten . 215.1.1Eigenlasten. 215.1.2Hublasten . 215.1.3Massenkräfte aus Antrieben. 225.1.4Wirkungen lotrechter Massenkräfte . 225.2Bestimmung der Lastfälle nach DIN 15018. 235.2.1LF1 Eigenlast G . 245.2.2LF2 Hublast P0 (ohne Nutzlast) . 245.2.3LF3 Hublast P . 245.2.4LF4 Massenkräfte aus Antrieb Kranfahrt Kr . 25III

5.2.55.36Bestimmung der Lastfallkombinationen nach DIN 15018 . 27LASTANNAHMEN NACH DIN EN 13001-2 . 296.1Regelmäßige Lasten . 296.1.1Masse der Katze . 306.1.2Masse der Hublast. 306.1.3Massenkräfte aus Antrieben. 306.1.4dynamische Faktoren . 306.2Bestimmung der Lastfälle nach DIN 13001-2 . 336.2.1LF11 Masse Katze . 336.2.2LF12 Masse Hublast ohne Nutzlast . 336.2.3LF13 Masse Hublast . 336.2.4LF14 Massenkräfte aus Antrieb Kranfahrt . 336.2.5LF15 Massenkräfte aus Antrieb Katzfahrt . 336.37Bestimmung der Lastfallkombinationen nach DIN EN 13001-2 . 34NACHWEISE FÜR SCHADENSFESTSTELLUNG I (QUERSCHNITT 9) . 357.1Bestimmung der Schnittgrößen und Spannungen an Stelle x 0,73m . 357.1.1Schnittgrößen und Spannungen für LG1 bis LG6 (DIN 15018) . 367.1.2Schnittgrößen und Spannungen für LG11 bis LG16 (DIN EN 13001) . 377.2Betriebsfestigkeitsnachweis nach DIN 15018 . 387.2.1vorhandene Ober- und Unterspannung . 387.2.2Kerbfälle nach DIN 15018 . 397.2.3Berechnungskollektiv . 407.2.4Bestimmung der zulässigen Spannung σD(-1) . 407.2.5Bestimmung der zulässigen Oberspannung zulσDZ(κ) . 417.2.6Betriebsfestigkeitsnachweis für 47 Jahre Laufzeit (W2) . 437.2.7Betriebsfestigkeitsnachweis für 4 Jahre Restlaufzeit (K3) . 437.38LF5 Massenkräfte aus Antrieb Katzfahrt Ka . 27Ermüdungsfestigkeitsnachweis nach DIN EN 1993-1-9 . 447.3.1vorhandene Ober- und Unterspannung . 447.3.2Spannungsschwingbreite Δσ . 457.3.3Kerbfälle nach DIN EN 1993-1-9 . 457.3.4Spannungsspielzahlen N . 467.3.5Teilsicherheitsbeiwerte γF,f und γM,f . 477.3.6Bestimmung der „zulässigen.“ Schwingbreiten Δσ . 48NORMENGEGENÜBERSTELLUNG . 51IV

9NACHWEIS FÜR SCHADENSFESTSTELLUNG II (QUERSCHNITT 5) . 539.1Bestimmung des maßgebenden Lastfalls für Querschnitt 5 . 559.2Widerstandsmomente für unterschiedliche Querschnittshöhe hi . 559.3Biegemomente und Widerstandsmomente für Stellen xi . 5610REPARATURTECHNOLOGIE I (KATZRAHMEN) . 5810.1Reparaturvorschläge. 5810.1.1Variante A . 5810.1.2Variante B . 5910.1.3Variante C . 6010.2Sanierung der Risse am Katzrahmen . 6010.2.1Reparaturablauf . 6110.2.2Abbildungen der Reparaturschweißungen von Pos.1 und Pos. 2 . 6210.2.3Schweißnahtnachbehandlung „HiFIT“ . 6311REPARATURTECHNOLOGIE II (KATZGERÜST) . 6511.1Vorbereitung . 6511.2Bestimmung eines Reparaturlastfalls . 6511.2.1Restquerschnitt QS5‘ . 6511.2.2Reparaturlastfall für QS5‘ . 6611.2.3Bestimmung des Biegemomentes für den Restquerschnitt QS5‘ . 6611.2.4Nachweis des Restquerschnitts QS5‘ . 6711.3Reparatur des Stegblechbereiches . 6811.3.1Entfernen der verformten Stegbleche. 6811.3.2Durchführung der Reparaturschweißungen . 6811.4Reparatur der Montagestöße / Kopfplattenstöße: . 7012ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK . 7413LITERATUR . 7714ABBILDUNGSVERZEICHNIS . 7915TABELLENVERZEICHNIS . 8216SOFTWARE. 8317ERKLÄRUNG . 8418ANHANG A . 8519ANHANG B . 9620ANHANG C . 100V

Formelzeichen und AbkürzungenγM,fTeilsicherheits-Faktor des Werkstoffwiderstandes nach Eurocode 3γ F, fTeilsicherheits-Faktor der Beanspruchung nach Eurocode 3ϕ1.7dynamischer Faktor nach DIN EN 13001ϕeEigenlastbeiwert bzw. Eigenschwingbeiwert nach DIN 15018κGrenzspannungsverhältnis nach DIN 15018ψHublastbeiwert nach DIN 15018ΔσSpannungsschwingbreite (Längsspannungen)ΔτSpannungsschwingbreite σ C , Δ τ CGrenzwertwert für die Ermüdungsfestigkeit bei NC 2*106SchwingspielenΔσ E , Δ τ Eschadensäquivalente konstante Spannungsschwingbreite bezogen aufnmax (Betriebsbeanspruchung)Δσ D , Δ τ DDauerfestigkeit bei ND Schwingspielen (N 5*106)FATErmüdungsklasse des Kerbfalls bei N 2*106aKatzeBeschleunigung der KatzeaKranBeschleunigung des KransBBeanspruchungsgruppe nach DIN 15018 (B1 B6)FASpannungsanalyse mit RSTAB-Zusatzmodul „STAHL“ (FA1 FA16)GEigenlast nach DIN 15018HHubklasse nach DIN 15018 (H1 H4)K311Kerbfallnummer nach DIN 15018 (Kerbfall 3)KaMassenkräfte aus KatzfahrtKrMassenkräfte aus KranfahrtVI

LFLastfall (LF1 LF15)LGLastgruppe (LG1 LG16)mNeigung der ErmüdungsfestigkeitskurveNiSpannungsspielbereich nach DIN 15018 (N1 N4)PHublast nach DIN 15018P0Hublast ohne Nutzlast nach DIN 15018SiSpannungskollektiv nach DIN 15018 (S0 S3)vfFahrgeschwindigkeit in m/minvhHubgeschwindigkeit in m/minW22Kerbfallnummer nach DIN 15018 (Kerbfall 2)WFFKranfahrwerksystem nach DIN 15018: lendioxid (Schutzgas, aktiv)ArArgon (Schutzgas, inert)M21Mischgas mit 18% CO2 und 82% ArPASchweißposition (Wannenposition)PBSchweißposition (Horizontalposition)PFSchweißposition („steigend“)PGSchweißposition („fallend“)PDSchweißposition („horizontale Überkopfposition“)HiFITHigh Frequency Impact Treatment (hochfrequentes Hämmerverfahren)VII

Vorstellung des Diplomthemas1Vorstellung des DiplomthemasThema:Erarbeitung einer Reparaturtechnologie für die Instandsetzung einesBrückenkrans zur Verlängerung der Restnutzungsdauer.Im Rahmen der Instandhaltung wurden im Bereich des Warmwalzwerkes dreiBrückenkrane bezüglich ihrer Nutzungsdauer überprüft, Kran 10, Kran 7 und Kran 9.Kran 9 wurde letztes Jahr verschrottet und durch einen neuen Kran (Kran 64) ersetzt. ImRahmen dieser Diplomarbeit soll der Kran 7 bezüglich geeigneter Reparaturtechnologien, mit dem Ziel einer Verlängerung der Restnutzungsdauer von zwei bis dreiJahren untersucht werden.Im weiteren Verlauf dieser Diplomarbeit wird anhand von Schadensaufnahmen einÜberblick über den Ist-Zustand des Krans vorgestellt. Es werden Untersuchungen imBereich der Kranstatik durchgeführt sowie dynamische Einwirkungen anhand derErmüdungsfestigkeit betrachtet. Die daraus resultierenden Ergebnisse sind Grundlagefür die Erarbeitung der Reparaturtechnologien und sollen Aufschluss über die weitereNutzbarkeit des Kran 7 geben.Im Warmwalzwerk werden Brammen aus der Stranggussanlage zu Blech gewalzt undmittels Haspel zu einem Coil gewickelt. Diese wiegen bis zu 32t. Mit Hilfe vonKrananlagen werden sie auf die gewünschten Transportrouten geschickt. DerWalzprozess befindet sich in einer laufenden Produktionskette, wodurch dieZuverlässigkeit des Krans eine große Rolle spielt. Sobald der Kran ausfällt, kann dieProduktion nur noch eingeschränkt bis gar nicht mehr ablaufen.1

Spezifikationen des Kran 72Spezifikationen des Kran 7Abbildung 1: Zweiträger-Brückenkran 7, max. Nutzlast 32t2.1TätigkeitsfeldIm Warmwalzwerk der Salzgitter Flachstahl werden Brammen aus der Stranggussanlage zu Blech gewalzt und zu sogenannten Coils gewickelt.Der Coilversand zur Beize, ins Freilager oder direkt zur Waggonverladung, gehört zumHauptaufgabenbereich des Kran 7 (Abbildung 2). Gefahren wird in einem Schichtsystem, wodurch der Kran ständig im Einsatzist. Das warmgewalzte Blech in Form vonCoils besitzt nach dem Walzgang noch eineTemperatur von ca. 650 C. Deshalb könnendiese noch nicht zu ihren Bestimmungsortenweitergeleitet werden, sondern müssen erstabkühlen. Die Umgebungstemperatur in derHalle liegt, je nach Anzahl zwischengelagerter Coils, im Bereich von 0 bis 65 C.Abbildung 2: Dornkran im Einsatz2

Spezifikationen des Kran 72.2Technische AngabenIn Tabelle 1 sind die wichtigsten technischen Angaben des Krans aufgelistet undAbbildung 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Dispositionszeichnung.Zeichnung 4.17.04.92.9.01Abbildung 3:Dispositionszeichnung des Kran (Vorderansicht)Tabelle 1: Technische Angaben Kran 7; [10]HerstellerBaujahrTypKrangruppeGewicht Kran / Gewicht KatzeArt des KransKranfahrwerksystemTragfähigkeit Hub 1 / Hub 2HubhöheSpannweite KranSpannweite KatzeGeschwindigkeit Hub 1Geschwindigkeit Hub 2Geschwindigkeit KatzeGeschwindigkeit KranMFD: Maschinen Fabrik DeutschlandAktiengesellschaft Dortmund1963Dornkran1III nach DIN 1202141t / 90tZweiträgerbrückenkranWFF332,0t / staufnahmemittel ist eine Dornpratze (C-Haken)entspricht Hubklasse H3 und Beanspruchungsgruppe B5 (DIN 15018)3Zentralantrieb (DIN 15018)23

Spezifikationen des Kran 72.3EinstufungZur Bauzeit des Krans (1963) galt noch die DIN 120, in der Krane in Krangruppen (IIV) eingeteilt wurden. Nach Einführung der DIN 15018 werden Krane in Hubklassen(H1-H4) und Beanspruchungsgruppen (B1-B6) eingestuft.Der Hersteller gibt die Krangruppe III an (Tabelle 1). Bezogen auf die DIN 15018entspricht dies der Hubklasse H3 und der Beanspruchungsgruppe B5.Da keine komplette Rückverfolgung über die gesamte Zeitspanne vorliegt und der Kranmehrmals umgebaut wurde, werden die folgenden Annahmen zur Bestimmung derLastspielzahl ehr konservativ durchgeführt:Im Schnitt verlassen heute 450 Coils pro Tag den Haspel. Es wird angenommen, dassjedes Coil mindestens zweimal angehoben wird. Einmal von der Coil-Bundstation zumLagerplatz und ein zweites mal zur gewünschten Transportroute. Daraus ergeben sich900 Hübe am Tag. Aufgerundet auf 1000 Hübe ergeben sich 365 000 Hübe pro Jahr.Das durchschnittliche Gewicht eines Coils liegt bei ca. 25t. Für die Berechnung wirddas Maximalgewicht von 32t verwendet.Die Oberwerte und Unterwerte der Beanspruchungen werden in jedem Zyklus alskonstant angenommen, d.h. der Kran hebt immer die maximal zulässige Last von 32t.Damit entspricht die Belastung einer Einstufenbelastung (Abbildung 4).Abbildung 4: Einstufenbelastung [15]Abbildung 5: Mehrstufenbelastung [15]Betrachtet man nun die Schwingspielzahlen des Krans für die bisherige Nutzungsdauervon 47 Jahren (1963 bis 2009) ergeben sich ca. 2*107 Schwingspiele. Für dieRestnutzungsdauer werden für die Berechnung 4 Jahre angesetzt, womit eineSchwingspielzahl von ca. 2*106 erreicht wird.4

Schadensfeststellungen3SchadensfeststellungenNach Wartungsgängen und der regelmäßigen Kranprüfung wurden mehrereSchadensmeldungen am Kran 7 aufgenommen. Es handelt sich dabei überwiegend umRisse in Blechkonstruktionen. In der Abbi

VI Formelzeichen und Abkürzungen γM, f Teilsicherheits-Faktor des Werkstoffwiderstandes nach Eurocode 3 γF, f Teilsicherheits-Faktor der Beanspruchung nach Eurocode 3 ϕ1.7 dynamischer Faktor nach DIN EN 13001 ϕe Eigenlastbeiwert bzw. Eigenschwingbeiwert nach DIN 15018 κ Grenzspannungsverhältnis nach DIN 15018 ψ Hublastbeiwert nach DIN 15018 .