Leseprobe_Unterwasser

Szelagowski
Unterwasser-Schweißtechnik
Grundlagen – Forschung – Anwendung

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ISBN 978-3-87155-239-7
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Herstellung: Himmer AG, Augsburg

Vorwort
Es ist schwer nachzuvollziehen, wann der Mensch erstmals feststellte, dass er sich mit der Hilfe
des Anhaltens des Atems unter Wasser aufhalten konnte. Dennoch lassen sich die Anfänge der
Berufstaucherei inzwischen über 5000 Jahre zurückverfolgen.
Eine Vielzahl geschichtlicher Aufzeichnungen oder Erzählungen berichten davon, dass schon in
der Antike der Mensch sich mit der Taucherei befasst hat. Eine der ersten Angaben über Tauchaktivitäten
ist bereits in Schriften des griechischen Historikers Herodot verzeichnet. Er berichtet
von Tauchern, die im fünften Jahrhundert vor Christus für den persischen König Xerxes gesunkene
Schätze bergen sollten.
In späterer Zeit waren Taucher auch bei militärischen Operationen tätig. In den historischen
Aufzeichnungen wird weiter berichtet, dass selbst Alexander der Große Taucher zur Zerstörung
von Hafenschutzanlagen einsetzte und dabei zur Überwachung der gestellten Aufgaben persönlich
ins Wasser stieg.
Diese frühen Anstrengungen in der Taucherei bezogen sich damals schon auf Wassertiefen um
etwa 30 m. Es hatte sich in der Zeit bereits eine rege, taucherische Bergungsindustrie entwickelt,
die sich an größeren Häfen des Mittelmeeres angesiedelt hatte. Bereits im ersten Jahrhundert vor
Christus waren die industriellen Unternehmen schon so weit und so gut organisiert, dass sie ein
Kostentarif für die Bergungsarbeiten installiert hatten, der die bei steigender Wassertiefe
zunehmende Arbeitserschwernis und damit das steigende Risiko für den Taucher berücksichtigte.
Dieses bezog sich auf die Bergung von Materialien und Waren mit besonderem Handelswert (zum
Beispiel Lebensmittel, Schwämme, Perlen oder Korallen) [1].
Trotz aller Bemühungen von der Antike bis zur Neuzeit erlangten die taucherischen Einsätze erst
ab Ende des neunzehnten, zu Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts eine größere Bedeutung. Man
hatte zunehmend Kenntnisse über die physikalischen und psychischen Zusammenhänge gewonnen
und konnte diese nun gezielt zum Wohl des Tauchers anwenden. Dadurch wurde eine zielgerichtete
Weiterentwicklung von Tauchverfahren und -systemen auch für das Tauchen in größeren
Wassertiefen letztendlich möglich. Auch der zweite Weltkrieg hat zur Weiterentwicklung des
„Scuba-Tauchens“ beigetragen, indem für die Marinetaucher Drucklufttauchgeräte entwickelt
wurden, mit denen sie sicher unter Wasser ihre Annäherung an feindliche Stellungen und Schiffseinheiten
ermöglichen konnten. Besonders der Franzose Jack Cousteau hatte diese Entwicklungen
vorangetrieben.
Zur Zeit der ersten Ölkrise Ende der fünfziger Jahre trat die starke Abhängigkeit der Industriestaaten
von der Ölversorgung als Primär-Energie durch die wenigen, hauptsächlich arabischen
Ölförderstaaten bedrohlich deutlich zu Tage. Das führte zu verstärkten Anstrengungen bei der
Exploration von Öllagerstätten, die unter dem Meeresboden vermutet wurden. Ein völlig neuer,
von dem Energiebedarf getragener Explorationsboom breitete sich weltweit aus und führte zu
meeresgebundenen Bohr- und Förderaktivitäten, ohne jedoch überhaupt die erforderliche sichere
Ausrüstung und das tauchtechnische Wissen für derartige Einsätze zu besitzen.
Die Anforderungen bei der Offshore-Förderung von Öl und Gas erforderten den Bau von Produktionsplattformen
und -anlagen sowie das Vorhalten von entsprechenden Wartungs- und Instandsetzungsmöglichkeiten,
mit denen eine konsequente, turnusmäßige Inspektion, Wartung und
Instandsetzung kontinuierlich über die gesamte Lebensdauer gesichert werden kann. Dieses breite
Spektrum der anfallenden Arbeiten in größeren bis hin zu sehr großen Wassertiefen machte die

Entwicklung von Verfahren und Geräten dringend notwendig, mit denen man diesen neuen
Herausforderungen sicher und effektiv begegnen konnte.
Weltweit wurden zwischenzeitlich Tieftauchanlagen entwickelt und auf Schiffen oder Plattformkonstruktionen
installiert. Die Verwendung dieser Anlagen stellte einen erheblichen Fortschritt
gegenüber der bisherigen Tauchmethoden bei Arbeiten auf dem Meeresboden dar. Arbeiten mit
Menschen in großen Wassertiefen an Offshore-Strukturen, Pipelines und/oder Plattformen setzten
deshalb die Verwendung von Tauchsystemen voraus, mit denen für die Zeitdauer des Einsatzes auf
dem Meeresboden oder im Wasser die Unterbringung des tauchenden Personals unter dem Einsatzdruck
(entsprechend der Einsatztiefe) ermöglicht wird.
Die Bundesrepublik Deutschland beteiligte sich anfangs an diesen Aktivitäten sehr verhalten,
zumal aufgrund der hoheitlich beschränkten, bundeseigenen Seegebiete kaum mit Öllagerstätten
im Küstenbereich zu rechnen war. Diese Einstellung änderte sich jedoch ab etwa Mitte der
siebziger bis Ende der achtziger Jahre, als man erkannte, dass der hohe technische Standard der
deutschen Industrie mit neuartigen Produkten das Fehlen ertragreicher Öllagerstätten mehr als nur
ausgleichen und dadurch mit den weltweiten Entwicklungen sogar Schritt halten könnte. Leider
hielt diese euphorische Haltung bei den maßgebenden Regierungsvertretern nicht lange an, so dass
schon zu Beginn der neunziger Jahre die Unterstützung in der meerestechnischen Forschung
wieder eingestellt wurde. Die seiner Zeit vor der Insel Helgoland installierte Forschungsplattform
„Helgoland“ (siehe Bild), die zur Unterstützung der deutschen Industrie errichtet wurde, um deren
Produkte und Entwicklungen unter natürlichen Umgebungsbedingungen zu erproben, musste Ende
der neunziger Jahre abgerissen werden und der ehemalige Standort wieder in den Ursprungszustand
zurückversetzt werden.
Ansicht der ehemaligen Forschungsplattform
„Helgoland“. Sie wurde
Ende der neunziger Jahre völlig
abgebaut. Der Meeresboden wurde
in den Urzustand zurück versetzt.
Inzwischen bahnt sich wieder ein Wechsel in der Chancenbeurteilung der Meerestechnik an, weil
dem neuen Aufgabengebiet der Windenergieforschung und der Installation von Windenergierädern
im Offshore-Bereich neue Entwicklungschancen beigemessen werden. Derzeitig ist man darum
bemüht, dass für die mit Fragestellungen im Zusammenhang stehende Meerestechnik nicht nur
eine, sondern mehrere Forschungsplattformen erforderlich sein werden und zu installieren sind.

Bereits im Jahre 2002 wurden vom Bundesministerium für Forschung und Technologie die Entwicklung
und der Bau einer neuen Forschungsplattform in Auftrag gegeben. Anfang Februar 2012
konnte eine der neuen Forschungsplattformen bei Borkum in Betrieb genommen, an der unter
anderem auch das GKSS-Forschungszentrum Geesthacht beteilig ist [2].
Die derzeitigen Entwicklungen in der Meerestechnik lassen den Schluss zu, dass sich in den
nächsten Jahren das Erfordernis einstellen wird, eine neue moderne Tieftauchanlage zu installieren.
Das vorliegende Buch ist das erste deutschsprachige Werk zur Unterwasser-Schweißtechnik, das
umfassend und informativ die Entwicklung und den Stand der Forschung und der Versuchsprogramme
schildert, insbesondere die Entwicklungs- und Forschungsmaßnahmen des GKSS-
Forschungszentrums in Geesthacht über mehrere Jahrzehnte. Darüber hinaus werden erfolgreiche
Erprobungen und industrielle Anwendungen zum hyperbar nassen Schweißen sowie zum hyperbar
trockenen Schweißen behandelt, welche den auf diesen Gebieten tätigen Fachfirmen als wertvolle
Informationen und Anregungen dienen können.
In die Beschreibungen der gängigen und bewährten Unterwasser-Schweiß- und Schneidverfahren
sind die erforderlichen Geräte- und Anlagenausrüstungen mit einbezogen. Betriebliche und
personelle Anforderungen an die Unternehmen der Unterwasser-Schweißtechnik sind im Rahmen
eines Kapitels zur Qualitätssicherung sowie zum Arbeits- und Gesundheitsschutz ausführlich
beschrieben.
Die vom Verfasser in mehr als zwei Jahrzehnten in der Forschung, Entwicklung und Anwendung
erworbenen Kenntnisse bieten dem Leser einen umfassenden Einblick in den Stand dieser Hochleistungstechnik.
Abschließend dankt der Verfasser dem Düsseldorfer Verlag DVS Media GmbH für die Bearbeitung
und Veröffentlichung seiner technisch-wissenschaftlichen umfangreichen Literaturarbeit.
Elmshorn, im Dezember 2014
Peter Szelagowski
Schrifttum
[1] A Pictorical History of Diving. Best Publishing Society, San Pedro, California, ISBN 0-
941332-09-8.
[2] FINO 1, 2, 3 – Forschungsplattformen in Nord- und Ostsee. www.fino-offshore.de und
wikipedia.org/wiki/FINO-Forschungsplattformen

1 Einführung zum Schweißen und Schneiden unter
Wasser
Das Tauchen in und mit Tieftauchanlagen ist direkt mit der Sättigungstauchtechnik gekoppelt und
bedeutet eine sichere Methode, den Taucher über einen längeren Zeitraum in einer trockenen
Überdruck-Umgebung zu belassen. Sowohl für den Einsatz in der Sättigung als auch in der
Teilsättigung ermöglicht diese Tauchtechnik die sichere Kompression und Dekompression unter
verhältnismäßig angenehmen, trockenen Umgebungsbedingungen für den Taucher.
Für die Entwicklung von Tauchmethoden, Arbeitsverfahren, Geräten und Systemen wird es zudem
wesentlich kostengünstiger, Simulationsanlagen als Tieftauchanlagen fest zu installieren und dort
unter simulierten Bedingungen Versuchs- und Entwicklungsprogramme bis zur Einsatzreife durchzuführen,
als für jedes Versuchsprogramm ein entsprechend ausgerüstetes Schiff zu mobilisieren
und in einer aktuellen Meerestiefe in einem abgesenkten Druckkammersystem (Habitat) die Versuche
durchführen zu wollen.
Obwohl die Simulationsanlagen landgebunden installiert sind, sind sie dennoch vom Prinzip her
den schiffsgebundenen Systemen vergleichbar. Für alle Belange findet man identische Anlagenkomponenten,
Geräte oder Systeme. Der Vorteil derartiger Anlagen für Forschungs- und Entwicklungsarbeiten
liegt in der vereinfachten und damit kostengünstigeren Handhabung, der
schnelleren Bereitstellung sowie die bessere, direkte Beobachtung und Beurteilungsmöglichkeit
des gesamten Versuchsablaufs einschließlich der im System befindlichen Taucher.
Bereits Ende der siebziger Jahre fiel die Entscheidung durch das Bundesministerium für
Forschung und Technologie, eine Tieftauchsimulationsanlage für die deutsche Industrie zu realisieren,
mit der gezielt technische Versuche im bemannten und unbemannten Betrieb sowohl in
hyperbar nasser wie auch in hyperbar trockener Umgebung durchgeführt werden konnten. Man
war davon überzeugt, dass die Erschließung von Ölvorkommen in größeren Wassertiefen als
bisher angenommen und deren Ausbeutung unmittelbar bevorstand. Deshalb wären für Produktion,
Betrieb und Instandsetzung von Plattformen und Pipelineinstallation die erforderlichen
Herstell-, Prüf- und Instandsetzungsverfahren für den Einsatz vor Ort unbedingt erforderlich und
vorzuhalten gewesen. Diese Verfahren und Geräte für den Einsatz in größeren Wassertiefen waren
bisher nicht vorhanden gewesen und hätten bei erfolgreicher Entwicklung der oben beschriebenen
Unterversorgung mit Verfahren und Gerätschaften für die Anwendung in den großen Wassertiefen
Abhilfe schaffen können. Es eröffnete sich hier ein großes Forschungs- und Entwicklungspotential
für die deutsche Industrie und Wissenschaft, das sowohl vom Bundesforschungsministerium auf
der einen Seite als auch von den entsprechenden Gremien der Europäischen Union auf der anderen
Seite gefördert wurde. Es ergab sich hier zudem ein neues, breites Kooperationsfeld für die
Industrienationen. Der Bau einer entsprechenden, den Anforderungen der Offshore-Technik abdeckenden
Tieftauchsimulationsanlage erschien somit unbedingt notwendig, um die Forschung
und Entwicklung in Deutschland auf diesem neuen Spezialgebiet für alle Beteiligten im kostengünstigen
Rahmen zu unterstützen und voranzutreiben.
Seit Beginn der Exploration und Ausbeutung der Rohöllagerstätten im Meer war der Einsatz der
Schweißtechnik ein wichtiger Baustein der Fügetechnik vor Ort. Ausgehend vom manuellen
Schweißen unter Verwendung von Stabelektroden im Flachwasserbereich kristallisierte sich
darüber hinaus verhältnismäßig schnell der Bedarf an verlässlichen Schweißverfahren in größeren
Wassertiefen heraus.
1

Schon bald war man an die Einsatzgrenze des Lichtbogenhandschweißens mit Stabelektroden in
nasser Umgebung gestoßen, da keine entsprechende Spezialelektrode vorhanden war, die auch nur
annähernd eine fehlerfreie Schweißnaht ermöglichte. Außerdem waren die Tauchverfahren, mit
denen man ohne Gefährdung des Tauchers größere Wassertiefen erreichen und sicher wieder an
die Oberfläche zurückkehren konnte, noch relativ unerforscht und demnach unzureichend entwickelt.
Es stellte sich auch sehr schnell heraus, dass das Schweißen in nasser Umgebung für
größere Einsatztiefen damals völlig ungeeignet war, so dass man sich auf das Schweißen in
hyperbar trockener Umgebung unter den unterschiedlichen Atem- und Kammergasatmosphären
umstellen musste [1-1].
War man in den sechziger Jahren noch der Auffassung gewesen, mit der Exploration und Ausbeutung
der meeresgebundenen Rohöllagerstätten nicht tiefer als bis 200 m tauchen zu müssen, so
änderte sich diese Vorstellung sehr schnell, als man die Begrenzung der Lagerstättenkapazität in
diesen Tiefen feststellte und daraufhin die Explorationsbemühungen auf immer größere Wassertiefen
ausdehnen musste.
Im Jahre 1980 wurde im GKSS-Forschungszentrum Geesthacht für den Betrieb durch das Institut
für Anlagentechnik eine derartige Anlage installiert, die zu dem Zeitpunkt die modernste Anlage
der Welt war [1-2]. Diese Anlage sollte für ihre gesamte Einsatzzeit alle normalen Anforderungen,
die an eine schiffs-gebundene Anlage gestellt wurden, bei weitem übertreffen [1-3]. Das von der
Bundesregierung Deutschlands getragene Forschungszentrum erhielt im Jahre 1982 die Einsatzfreigabe
durch Zulassung des Germanischen Lloyd, Hamburg, der die Konstruktions- und
Bauphase einschließlich aller zugehörigen Installationen kontinuierlich begleitend überwachte [1-4
bis 1-6]. Diese Anlage war für technische, bemannte Versuche bis zu einer maximalen Tauchtiefe
von 600 m und für unbemannte Versuche bis 1000 m Wassertiefe (WT) ausgelegt und zugelassen.
Tauchphysiologische Untersuchungen waren der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und
Raumfahrt (DFVLR) in Köln/Bad Godesberg übertragen, die parallel eine eigene, hierfür speziell
ausgelegte Tieftauchanlage (TITAN) betrieb. Die hiermit geschaffenen neuen Forschungs- und
Entwicklungsmöglichkeiten wurden vom Ministerium für Forschung und Technologie der
Bundesrepublik Deutschland durch die Bewilligung eines größeren Forschungsprogramms für
Untersuchungen zur Unterwassertechnik mit Mitteln ausgestattet, die jedoch nur für einen
begrenzten Zeitraum eine intensive Grundlagenforschung auf Spezialgebieten der Unterwassertechnik
ermöglichten. Diese neuen Bemühungen der Bundesregierung lösten an den Universitäten
und Hochschulen ebenfalls neue Forschungsaktivitäten zur Unterwassertechnik und in der
Industrie Aktivitäten aus, zum Beispiel zur Entwicklung und zum Bau von unter Wasser einzusetzenden
Geräten und Fahrzeugen.
Das Institut für Anlagentechnik am Geesthachter Forschungszentrum hatte schon in den siebziger
Jahren mit der Umorientierung der Forschungsschwerpunkte vor der Stilllegung des atomar
angetriebenen Forschungsschiffes „OTTO HAHN“ (1979) begonnen und sich, vorbereitend auf
neue Forschungsaufgaben, verstärkt mit der Unterwassertechnik und den hier auftretenden
Problemen befasst. Dabei konzentrierte man sich schon sehr früh schwerpunktmäßig auf die
Weiterentwicklung der Unterwasser-Schweißtechnik und die Technologien und Verfahren, die ein
bemanntes Arbeiten (mit Schwerpunkt Schweißen unter Wasser bis in große Wassertiefen) für den
Taucher gefahrlos ermöglichen sollten. Hierzu gehörten sowohl die Erforschung neuer Tauch- und
Arbeitsverfahren, als auch die Entwicklung neuer Methoden zum sicheren Tauchen mit neuen
Atemgasgemischen (zum Beispiel Trimixatmosphäre), die Entwicklung neuer Kommunikationsverfahren
sowie Untersuchungen zum Tauchermonitoring [1-5 bis 1-8].
Man hatte bereits erfolgreich die ersten Sättigungstauchgänge nach Übernahme und Umbau
des ehemaligen Forschungslabors „Helgoland“ ab 1973 bis zum Jahre 1981 absolviert und erste
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wichtige Erkenntnisse in der Tauchtechnik erworben. Auf diese konnte man bei der Inbetriebnahme
der neuen Simulationsanlage aufbauen.
Mit der Simulationsanlage wurden im Laufe der kurzen Einsatzzeit von 1981 bis 1990 mehrere
Tieftauchgänge erfolgreich durchgeführt, bei denen bemannte Nassschweißversuche bis maximal
150 m WT und trockene Schweißversuche durch Unterwasserschweißer bis 600 m WT im Druckkammersystem
erfolgreich durchgeführt wurden, über deren Ergebnisse sowie die Ergebnisse
zahlreicher unbemannt durchgeführter Versuche in den folgenden Kapiteln ausführlich berichtet
werden soll [1-9 bis 1-15].
Schrifttum
[1-1] Luther, G.: Versuche in der GUSI reduzieren erforderliche und risikobehaftete Seeversuche.
Proc. des internationalen Symposiums „Unterwasserschweißen und -schneiden“,
23/24. Juni 1983 in Geesthacht.
[1-2] Schafstall, H.-G., und P. Szelagowski: Die GKSS-Unterwassersimulationsanlage (GUSI) –
ein Forschungs- und Entwicklungsinstrument für Unterwasserwartungs- und Reparaturarbeiten.
Proc. zum internationalen Kongress SMM 84: Forschung – Technik – Wirtschaft
im Spiegel der Internationalen Fachmesse Schiff, Maschine, Meerestechnik, Hamburg
1984.
[1-3] GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH: GUSI, GKSS Underwater Simulator. D-
2054 Geesthacht, Germany.
[1-4] Donker, B., G. Luther und H.-G. Schafstall: Unterwassertechnik – zukunftsträchtiger Markt
für kleine und mittlere Betriebe – Laufende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten,
industrielle Versuchs- und Erprobungsmöglichkeiten in der GUSI. Vortrag BITT e. V.,
11.3.1981, Neumünster.
[1-5] Luther, G.: Versuchseinrichtungen für die F+E-Vorhaben in der GUSI. 18. Fachtagung der
STG, Fachausschuss „Manövrieren“, 8.5.1981 in Geesthacht.
[1-6] Szelagowski, P.: GUSI-Versuchseinrichtungen und F+E-Arbeiten. Präsentation für die Projektgruppe
13 „Meerestechnik“ der DECHEMA, 5.3.1982 in Geesthacht.
[1-7] Luther, G.: Testing in GUSI. Annual Symposium of the EUBS, 8 th October 1982, Geesthacht.
[1-8] Bennett, P. B., H.-G. Schafstall, W. Schnegelsberg, J. Holthaus and R. D. Vann: An
Analysis for fourteen successful TRIMIX 5 Deep Saturation Dives between 150 and 600 m.
9 th International Symposium on Underwater and Hyperbaric Physiology, 16 th – 20 th Sept.
1986.
[1-9] Bennet, P. B., R. D. Vann, H.-G. Schafstell, W. Schnegelsberg and J. Holthaus: Control of
HPNS with TRIMIX 5 (5% N2/He/O2) to 600 m. 2 nd Intern. Symposium Underwater
Technology, 15 th /16 th June 1987, Geesthacht.
[1-10] Hamilton, R.W., J. Vollbrandt, J. Holthaus, M. Heineke and M. Kühns: GUSI´s capability
for developing decompresson techniques. 2nd Intern. GUSI Symposium Underwater
Technology, 15 th /16 th June 1987, Geesthacht.
3

[1-11] Schmidt, K., W. Schnegelsberg, and G. Völtzer: Safety experiences from GUSI deep dive
operation. 2 nd International GUSI-Symposium Unterwater Technology, 15 th /16 th June 1987,
Geesthacht.
[1-12] Boie, H., K. Schmidt and W. Schnegelsberg: Welding pollution within the atmosphere of
an underwater simulator. 20 th Annual Offshore Technical Conference (OTC 88), 2 nd – 5 th
May 1988, Houston (Texas).
[1-13] Luther, G., P. B. Bennett, W. Elsner, J. Holthaus, H.-G. Schafstall, K. Schmidt and J.
Vollbrandt: Efficiency of working divers in depths down to 600 m. 20 th Offshore Technical
Conference (OTC 88), 2 nd – 5 th May 1988, Houston (Texas).
[1-14] Vollbrandt, J., and M. Kühns: A complex data acquisition system as a handy tool in R&D
of underwater techniques. Proc. of the European Telemetry Conference in Garmisch-
Partenkirchen, Germany, 10 th – 12 th June 1986.
[1-15] Kipp, P. R., G. Kozik, J. Vollbrandt, K. Harms and K. Wilke: Experiences with the diver
communication during GUSI deep saturation dives. Proc. Subsea ´86 – Intern. Conference,
9 th /10 th December 1986.
4

2 Entwicklung und Bedeutung der Unterwasser-
Schweißtechnik
2.1 Allgemeines
Das Schweißen ist seit jeher eines der sichersten und dauerhaftesten Fügeverfahren. Dies gilt
gleicher Weise auch für die Anwendung unter Wasser. Die hierfür eingesetzten Verfahrensweisen
und Prozesse stellen eine Weiterentwicklung der für den Einsatz unter atmosphärischen
Bedingungen entwickelten Schweißverfahren dar. Man unterscheidet manuelles und mechanisches
Schweißen unter Überdruck (hyperbares Schweißen), wobei im Besonderen die Umgebungsbedingungen
mit berücksichtigt werden müssen: hyperbares Schweißen in nasser Umgebung oder
in trockener Gasatmosphäre.
Schweißarbeiten unter Wasser wurden in den späten siebziger und frühen achtziger Jahren als
Instandsetzungstechnik an Offshore-Strukturen und zu deren Lebensdauerverlängerung überwiegend
im Golf von Mexiko als nasses Schweißverfahren eingesetzt. Bei den amerikanischen
Unternehmen hatte sich diese Technik auf einer „Fitness-for-purpose“-Grundlage wegen der
moderaten klimatischen Bedingungen selbst mit den damals erzielbaren begrenzten mechanischtechnologischen
Eigenschaften der Schweißnähte durchgesetzt. Schließlich wurden diese Schweißungen
an Stahlkonstruktionen mit verhältnismäßig geringen Festigkeitseigenschaften, niedrigem
Kohlenstoffgehalt und niedrigem Kohlenstoffäquivalent in geringen Wassertiefen genutzt. Die zu
damaliger Zeit einzige vorhandene Spezifikation, nach deren Vorgaben diese Schweißarbeiten
ausgeführt wurden, war die „Specification for Underwater Welding D 3.6-89“ der American
Welding Society (AWS). Es waren weder Informationen über die erzielbaren Zähigkeitseigenschaften
nasser Schweißungen noch über das Verhalten derartiger Verbindungen unter dauerhafter
wechselnder Belastung vorhanden. An die Ermittlung derartiger Nahteigenschaften war bislang
nicht gedacht worden. Auch war die Berücksichtigung solcher Werte in den nationalen und
internationalen Normen und Richtlinien nicht vorgesehen. Traten starke Wirbelstürme in entsprechenden
Gebieten der USA auf, waren größere Schäden an den Plattformen oder Strukturen
auch durch besonders hohe Nahtqualitäten nicht vermeidbar, so dass man mit den gegebenen Herstellungsmöglichkeiten
und zu den beachtenden Entwurfskriterien zu Unterwasserschweißungen
durchaus zufrieden war.
Anders sah es dagegen in den europäischen Offshore-Feldern aus. Die hier installierten Plattformen
und Strukturen waren wegen wesentlich härteren klimatischen Bedingungen aus höherfesten
Stählen ausgeführt, um den hohen Beanspruchungen durch Klima, Wind und Wellen Stand
zu halten. Geschweißt wurde deshalb nur in trockener hyperbarer Atmosphäre, was für die Durchführung
der Schweißarbeiten mit erheblich höheren Kosten verbunden war. Nasse Schweißungen
wurden nicht einmal in Erwägung gezogen.
In Europa galten die nassen Schweißungen in den siebziger Jahren als Schweißarbeiten von
äußerst geringer Qualität (sehr geringe mechanisch-technologische Eigenschaften), hoher Härte
und hoher Wasserstoffkontamination in Schweißgut und Wärmeeinflusszone mit extremer
Neigung zu Wasserstoff induzierter Kaltrissbildung und hoher Porosität. Dies war der Grund,
weshalb europäische Ölgesellschaften keine gute Meinung zur Qualität nasser Schweißungen
hatten. Deshalb wurde die Möglichkeit eines Einsatzes nasser Schweißinstandsetzungen, zum
Beispiel an Nordsee-Plattformen und -Strukturen, nicht in Erwägung gezogen, zumal viele derartige
Konstruktionen wegen der hohen Beanspruchung aus höherfesten Stählen oder sogar aus
5

Feinkornbaustählen (zum Beispiel Pipeline-Rohre) gefertigt waren. Die in den norwegischen
Offshore-Feldern maßgeblich beteiligte Klassifikationsgesellschaft lehnte zu damaliger Zeit nasse
Schweißungen selbst als Heftschweißungen für Opferanoden an Plattformkonstruktionen kategorisch
ab.
Da die Forschungsarbeiten auf dem Gebiet des nassen Schweißens in Europa in den achtziger
Jahren von vornherein abgelehnt wurden, ohne sich zu bemühen, das Verfahren durch intensive
Forschung zu verbessern und zu qualifizieren, griffen trotz aller negativen Einflüsse die drei
internationalen Partner (Firma Comex Services, Marseille, das Institut für Schiffbau der
Universität Hamburg und das GKSS-Forschungszentrum) mit zwei umfangreichen gemeinsamen
Forschungsprogrammen das nasse Schweißen mit ferritischen Stabelektroden auf, begannen es
weiter zu entwickeln und die erzielbaren Nahtqualitäten denen trockener hyperbar geschweißter
Verbindungen anzugleichen. Obwohl die Forschungsergebnisse die Qualität nasser Schweißverbindungen
und bemerkenswerte Festigkeitseigenschaften nachgewiesen hatten, erfolgte nur sehr
verhalten und in ganz kleinen Schritten ein vorsichtiges Umdenken bei den verantwortlichen
Konstrukteuren und Abnahmegesellschaften in Europa – ein Umdenkprozess, der auch nach mehr
als zwanzig Jahren in europäischen Offshore-Bereichen und Inlandgewässern immer noch nicht
abgeschlossen ist.
Zur Reduzierung der Taucherbelastung und zur Steigerung der Qualität der Arbeitsergebnisse
unter Wasser waren zudem in den achtziger Jahren weltweit starke Bemühungen zu verzeichnen,
alle unter Wasser ablaufenden Prozesse zu automatisieren. Dazu gehören auch die hyperbaren
Schweißverfahren. Erste Schritte zur Mechanisierung der Schweißarbeiten in trockener
Atmosphäre wurden erfolgreich abgeschlossen, wobei der Taucher nur noch assistierend tätig sein
musste. Das Ergebnis waren hyperbar einsetzbare Orbitalsysteme, die überwiegend das WIG-
Schweißen als Fügeverfahren einsetzten.
Auch auf diesem Forschungsgebiet waren die Arbeiten am GKSS-Forschungszentrum richtungweisend,
indem man auch hier intensive Untersuchungen zum mechanischen hyperbaren
Schweißen initiierte und erfolgreich durchführte. Darunter fielen auch Entwicklungen zum nassen
Fülldrahtschweißen: sie eröffneten auch hier Möglichkeiten zur Mechanisierung des nassen
Schweißverfahrens. Es ist jedoch derzeit nicht abzusehen, ob der Taucher durch automatische
Arbeitsprozesse ersetzt werden wird, wobei sich dann gleichzeitig größere Einsatztiefen als bisher
wirtschaftlich erschließen ließen.
Um mit dem damaligen internationalen Endwicklungstrend mithalten zu können, waren auch langfristig
angelegte Forschungsprogramme für Grundlagenuntersuchungen und Entwicklungsarbeiten
zum hyperbar trockenen Schweißen unbedingt erforderlich.
2.2 Schweißen in nasser Umgebung (nasse und halbnasse Verfahren)
Nachdem Anfang bis Mitte der achtziger Jahre das Unterwasserschweißen sich fast ausschließlich
auf das trockene Schweißen in hyperbarer Gasatmosphäre konzentrierte und hiermit qualitativ
hochwertige Schweißverbindungen erzielt wurden, gelang durch intensive multilaterale Forschungsaktivitäten
dem GKSS-Forschungszentrum, auch beim nassen Schweißen abnahmefähige
und qualifizierbare Verbindungsnähte in reproduzierbarer Qualität herzustellen.
Das nasse Schweißen wird mehr als jedes andere Schweißverfahren von den Umgebungsbedingungen,
unter denen es abläuft, beeinflusst. Dieses war und ist auch heute noch das größte
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Hindernis zur Überwindung bestehender Vorurteile gegen den Bestand des Verfahrens als anerkanntes
Instandsetzungs- und Fertigungsverfahren. Die maßgeblichen Vorbehalte sind:
– die Dissoziation des den Lichtbogen umgebenden Wassers in Wasserstoff und Sauerstoff und
die damit verbundene Wasserstoffschädigung des Schweißguts,
– der Abbrand von Legierungselementen durch den freigesetzten Sauerstoff,
– die hohe Abkühlgeschwindigkeit des Schweißgutes und die damit verbundene hohe Härte,
– der Einfluss der Wassertiefe auf die Porosität des Schweißgutes, der die Einsatztiefe des Verfahrens
zurzeit noch auf den Flachwasserbereich (Wassertiefe etwa 50 bis 80 m) begrenzt,
– die Überwindung der bei Konstrukteuren vorhandenen Vorurteile gegen vermeintlich verminderte
mechanisch-technologische Eiegnschaften der Naht und fehlende Akzeptanz des Verfahrens
trotz umfangreicher, fundierter Forschungsergebnisse,
– vermeintlich fehlende Auswahl von Schweißzusätzen,
– fehlende Sachkenntnis hinsichtlich schweißgerechter Konstruktionen,
– fehlende Ausbildungsrichtlinien für den Bereich der konstruktiven Gestaltung der Schweißverbindung
und Qualifizierung der Schweißaufsichtspersonen,
– Unkenntnis der Konstrukteure über die tatsächlich auftretenden Probleme beim Schweißen unter
Wasser (keine Berufserfahrung als Taucher),
– Einfluss der Handfertigkeit des Unterwasserschweißers auf die Nahtqualität.
Trotz dieser Vorbehalte ist das nasse Schweißen ein Verfahren, das durch folgende Vorteile ab den
späten achtziger Jahren schließlich stetig an Bedeutung gewonnen hat und auch weiterhin seine
Bedeutung festigen konnte:
– erhebliche Kostensenkung durch direktes Instandsetzungs-/Konstruktionsschweißen im Wasser
und Ausschaltung der Installation eines Habitats,
– extrem schnelle Verfügbarkeit/Einsatzbereitschaft,
– hohe Flexibilität und Vielseitigkeit,
– reduzierte Ausfallzeiten der betroffenen Strukturen.
Während der siebziger und frühen achtziger Jahre ließen auch Schweißmethoden im Ausland die
verstärkte Bemühungen zur Entwicklung spezieller Nassschweißverfahren erkennen. Hierunter
fallen auch die halbnassen Verfahren, bei denen der Taucher sich im Wasser befindet und die
Schweißstelle in einem begrenzten trockenen Volumen liegt. Der Schweißprozess läuft in diesem
Kleinvolumen ab.
Eine Vielzahl von ernsthaften Überlegungen konzentrierte sich international auch auf die Entwicklung
von vollmechanisierten Schweißverfahren mit speziellen Schutzdüsen, um den Lichtbogen
und den Bereich des Schmelzbades trocken zu halten. Hierzu zählten um die Kontaktdüse
angeordnete, feste und rotierende Drahtbürsten, deren innerer Bereich durch ein Zusatzgas
wasserfrei geblasen wurde. Eine andere Version war die so genannte Wasservorhangdüse, die aus
ringförmig angeordneten Öffnungen um den Lichtbogen/die Kontaktdüse einen Wasservorhang
erzeugte und durch zusätzliches Schutzgas im Inneren der Wasserkaverne einen trockenen Raum
schuf.
Eine weitere Variante ist aus China bekannt, die über einen Gummibalg, der an der Taucherbrille
befestigt war, Bild 2-1, und in den durch den Mantel eine Stabelektrode in den wasserfrei geblasenen
Innenraum des Maskenvorsatzes geführt wurde, um so die Schweißung in trockener
Kaverne herstellen zu können.
In Finnland wurde Anfang bis Mitte der achtziger Jahre die Idee des Nassschweißens unter einer
Wachsabdeckung publiziert, wobei der Lichtbogen nach dem Zünden mit einem etwa Ziegelstein
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großem Wachsblock abgedeckt wurde und die Stabelektrode seitlich durch das Wachs geführt
werden musste. Mit der einen Hand war die Stabelektrode zu führen, mit der anderen wurde der
Wachsblock gehalten und nachgeführt. Hier handelt es sich um einen „Blindschweißvorgang“, da
dem Taucher keinerlei Möglichkeit zur Beobachtung des Lichtbogens hat.
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Bild 2-1. Maskenvorsatz (rechts) zum
nassen Schweißen mit Stabelektrode
in einer trockenen Kaverne, links die
Tauchermaske mit Adapterflansch.
(China-Design), der rechte untere
dunkle Teil dient zur Abdichtung des
Vorsatzes gegen das Blech.
Diese Bemühungen scheiterten schließlich, weil die Verfahren für Auftragschweißungen zwar
geeignet, für konstruktive Schweißungen (V-Nähte, Kehlnähte) aber viel zu schwierig anzuwenden
waren. Außerdem war die wichtigste Voraussetzung zum nassen Schweißen nicht erfüllt:
es war dem die Vorrichtung (Düse, Wachsblock usw.) bedienenden Schweißer nicht möglich, den
Lichtbogen und das Schmelzbad zu beobachten. Dieses ist jedoch eine Grundvoraussetzung für die
Erstellung einer hochwertigen Schweißverbindung. Die Installation einer Kamera im Bereich des
Lichtbogens war nicht möglich, da das vorhandene jeweilige Kavernenvolumen zu klein und die
Abstände zum Lichtbogen zu gering waren, so dass eine handhabbare Optik hier nicht zu
installieren war. Diese Optik musste abdunkelbar sein, damit die intensive Lichtbogenstrahlung die
Linsen nicht zerstörte. Die Anbringung einer Kameraoptik außerhalb der Düse machte deshalb
keinen Sinn, da sowohl der Wasservorhang als auch die aus der Kaverne austretenden Gasblasen
einen derart intensiven Wasser- und Blasenschleier um die gesamte Düse erzeugten, die eine Sicht
auf den Lichtbogen vollständig unmöglich machte. Deshalb haben sich diese Düsen im Offshore-
Bereich nicht durchgesetzt.
Anfang der neunziger Jahre hatte das Welding Institute (TWI) aus England ein Fülldrahtschweißsystem
zum nassen Schweißen vom Paton-Institut, Kiew, erworben und Forschungsarbeiten zur
Weiterentwicklung des Verfahrens aufgenommen. Dieses Verfahren arbeitet mit einer Stromquelle,
die an der Wasseroberfläche oder in trockener hyperbarer Atmosphäre betrieben wird und
mit einer Drahtfördereinrichtung verbunden ist, die sich in direkter Nähe des Unterwasserschweißers
befindet. Die Besonderheit dieses Verfahrens ist der vollständig nasse Betrieb der
Fördereinheit; selbst die Schweißdrahtspule befindet sich ständig im Wasser und ist so den Korrosionsangriffen,
zum Beispiel durch das umgebende Salzwasser, permanent ausgesetzt.
Dadurch wird sich bei un- und niedriglegierten Schweißzusätzen sehr schnell die Oberfläche mit
Flugrost überziehen, der beim Durchlaufen des Drahtes durch die Kontaktdüse in der Schweißpistole
erfahrungsgemäß sehr schnell zum Verstopfen und zur Blockierung des Drahttransports
führt. Bei eingeschaltetem Schweißstrom wird der stockende Draht innerhalb der Förderseele so
heiß, dass er zumindest in der Stromkontaktdüse, meist jedoch auch in der Drahtförderseele
festbrennt. Ein weiteres Schweißen ist dann nicht mehr möglich. Im Jahr 2011 veröffentlichte das
TWI seinen ersten Forschungsbericht als gekürzte Mitteilung [2-1].

Im Oktober 2010 [2-2] wurde von einem Schweißverfahren (Nepsys-Verfahren) berichtet, das in
Australien erprobt und patentiert wurde und nach Aussagen der Entwickler wesentlich einfacher
als bisherige Nassschweißverfahren zu handhaben ist; weiterhin ist es kostengünstiger als alle
anderen bekannten Unterwasserschweißverfahren und soll dabei wesentlich bessere Schweißergebnisse
als das bisherige international eingesetzte Nassschweißverfahren erzielen.
Bild 2-2. Schweißen mit dem
Kleinsthabitat. Deutlich erkennbar
sind die übereinander angeordneten
„Schweißsocken“, durch die
jeweils die Elektrode über eine
verschraubbare Stopfbuchse in das
Habitat eingeführt wird (Werkbild:
Neptune Marine Service,
Australien [2-2]).
Bei diesem Verfahren befindet sich der Taucher im Wasser, die Instandsetzungsstelle wird örtlich
von einer kleinen mit Gas gefüllten Kammer umschlossen, Bild 2-2. Die Elektrode wird durch eine
„Schweißsocke“ in die kleine durchsichtige Kammer geführt und gezündet. Bei der Elektrode
handelt es sich um einen Spezialzusatzwerkstoff, dessen Mantel mit einer Wachsschicht gegen das
Umgebungswasser geschützt wird. Der Innenraum des Kleinhabitats wird ständig mit Argon geflutet,
um die trockene, hyperbare Atmosphäre aufrecht zu erhalten.
Das Habitat wird mit justierbaren Dichtungen, Saugnäpfen, Magneten bzw. Riemen an Ort und
Stelle befestigt und bildet nach dem Einblasen des Schutzgases (Argon) einen wasserfreien
Bereich, in dem das Schweißen durchgeführt wird. Der Unterwasserschweißer blickt durch die
durchsichtig gestaltete Habitatwand auf den Lichtbogen.
Nach den vorliegenden Veröffentlichungen sollen sehr gute Schweißergebnisse erzielt worden
sein, die die üblichen mechanisch-technologischen Eigenschaften einer vergleichbaren nass geschweißten
Naht wesentlich übertreffen sollen. Es ist bisher jedoch nicht klar herausgestellt
worden, wie Dichtungsprobleme, zum Beispiel bei Kehlnahtverbindungen oder bei V-Nähten, am
Anfang und Ende des Kleinhabitats beseitigt werden. Eine saubere Abdichtung des Habitats gegen
ebene Flächen ist zweifelsfrei problemlos zu erzielen. Die Abdichtung einer Stufe bei einer
Kehlnaht oder eine offene V-Nahtfuge wirft erheblich größere Schwierigkeiten auf. Auch über die
Abdichtung eines Wurzelspaltes, selbst wenn er mit einer Badsicherung versehen ist, lässt das
immer nachströmende Kammergas Argon entweichen und führt zumindest zu erheblichen Gaskosten.
Das Schweißen in trockener hyperbarer Gasatmosphäre führt verfahrensbedingt zu starker
Schweißrauchbildung und schwächt erheblich die unbedingt erforderliche exakte Sicht auf die
Schweißfuge und den Lichtbogen. Die Elektrode kann bei diesem Verfahren nur mit einer Hand
geführt werden, was vermuten lässt, dass sich das Nahtbild wesentlich rauer und ungleichmäßiger
ausbilden wird, als man es bei dem üblichen nassen Schweißen mit Stabelektrode erwartet kann.
Es bleibt auch die Frage unbeantwortet, wie möglicherweise Schweißfehler (beispielsweise
Schlackeneinschlüsse, Bindefehler, zu große Nahtüberhöhung) im laufenden Schweißbetrieb
beseitigt werden können, wenn das Kleinhabitat montiert ist. Auch erscheint als sehr schwierig,
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