Come si stanno evolvendo i tipi di raccordi flangiati per i progetti di energia eolica offshore?

Perché l'energia eolica offshore sta spingendo i raccordi per tubi flangiati ai loro limiti

Le infrastrutture per l’energia eolica offshore operano in uno degli ambienti più ostili che qualsiasi sistema ingegnerizzato deve sopportare. I costanti spruzzi di acqua salata, l’immersione delle maree, i cicli di temperature estreme, gli elevati carichi strutturali indotti dal vento e l’incessante attività di incrostazione biologica dell’ambiente marino cospirano tutti per degradare componenti che durerebbero decenni in un’installazione terrestre benigna. Tra i componenti più sollecitati in qualsiasi piattaforma eolica offshore ci sono i raccordi per tubi flangiati che collegano le linee di controllo idrauliche, i circuiti dell'acqua di raffreddamento, i sistemi di condotti dei cavi, i pezzi di transizione monopile e i gruppi di protezione dei cavi di esportazione sottomarini. Man mano che le potenze delle turbine salgono verso i 15 MW e oltre, e man mano che i progetti si spingono in acque più profonde e in località più esposte dell’Atlantico e del Pacifico, le esigenze poste su ogni tipo di raccordo flangiato nel sistema aumentano di conseguenza. L’industria sta rispondendo con innovazioni significative nei materiali, nella geometria, nella tecnologia di tenuta e nella metodologia di installazione che stanno fondamentalmente rimodellando l’aspetto dei raccordi per tubi flangiati e il loro funzionamento nel servizio eolico offshore.

La sfida principale: la corrosione in ogni tipo di raccordo flangiato

La corrosione è il meccanismo di degrado dominante per raccordi per tubi flangiati nelle applicazioni eoliche offshore e opera attraverso molteplici percorsi simultanei che complicano la selezione dei materiali e le strategie di rivestimento protettivo. La corrosione superficiale uniforme guidata dall'attacco degli ioni cloruro è la forma più visibile, ma la corrosione interstiziale (attacco elettrochimico concentrato nella geometria confinata di uno spazio tra le facce di una flangia o sotto la testa di un bullone) è spesso più distruttiva perché progredisce invisibile finché l'integrità strutturale non è già compromessa. La corrosione galvanica si verifica ovunque metalli diversi siano in contatto elettrico attraverso un elettrolita conduttivo, rendendo l'interfaccia tra i raccordi per tubi flangiati in acciaio al carbonio e gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile un problema particolare nella zona degli spruzzi.

La risposta tradizionale – raccordi per tubi flangiati in acciaio al carbonio con zincatura a caldo o rivestimenti in alluminio spruzzato termicamente – si sta rivelando inadeguata per i 25-30 anni di vita progettuale ora richiesti dai finanziatori di progetti eolici offshore. I sistemi di rivestimento che funzionano in modo accettabile nelle acque fredde e relativamente poco profonde del Mare del Nord mostrano un degrado accelerato nelle condizioni più calde e corrosive dei progetti proposti nel Mar Cinese Meridionale, nel Golfo del Messico e al largo delle coste di Australia e Brasile. Questa espansione geografica dell’energia eolica offshore è uno dei principali fattori che spingono il settore verso materiali per raccordi per tubi flangiati fondamentalmente più resistenti alla corrosione piuttosto che fare affidamento su rivestimenti protettivi rispetto agli acciai convenzionali.

Evoluzione dei materiali: dall'acciaio al carbonio alle leghe Duplex e Super Duplex

Il cambiamento di materiale più significativo attualmente in corso nei raccordi per tubi flangiati per l'eolico offshore è il passaggio dall'acciaio al carbonio agli acciai inossidabili duplex e super duplex per applicazioni nella zona di spruzzi e nelle zone sommerse di fondazioni monopalo e strutture di rivestimento. Gli acciai inossidabili duplex, in particolare i gradi 2205 (UNS S31803) e 2507 (UNS S32750), offrono una combinazione di resistenza alla corrosione e resistenza meccanica che li rende interessanti per applicazioni di raccordi flangiati dove entrambe le proprietà sono richieste contemporaneamente.

I gradi super duplex come il 2507 forniscono numeri equivalenti di resistenza alla vaiolatura (PREN) superiori a 40, che è ampiamente considerato la soglia per una resistenza affidabile alla corrosione per vaiolatura indotta da cloruri nel servizio con acqua di mare. Per i raccordi per tubi flangiati in posizioni permanentemente sommerse o in zone soggette a marea, questo livello di resistenza alla corrosione intrinseca elimina l'onere di manutenzione associato all'ispezione del rivestimento, alla riapplicazione e alla gestione del sistema di protezione catodica che i sistemi in acciaio al carbonio richiedono durante tutta la loro vita operativa.

Le leghe di nichel, in particolare la lega 625 (UNS N06625) e la lega C-276 (UNS N10276), sono sempre più specifiche per le posizioni di servizio più aggressive, in particolare i raccordi per tubi flangiati sottomarini nei sistemi di protezione dei cavi di esportazione e i gruppi di tenuta con tubi a J dove qualsiasi accesso per la manutenzione in servizio è effettivamente impossibile. Il costo del materiale più elevato di queste leghe è giustificato dalla quasi eliminazione del rischio di corrosione per l’intera vita del progetto.

Tipi di raccordi flangiati in evoluzione per applicazioni strutturali eoliche offshore

Al di là dei cambiamenti materiali, la progettazione geometrica dei tipi di raccordi flangiati si sta evolvendo per affrontare le specifiche sfide strutturali e di installazione dell’eolico offshore. Diverse categorie distinte di raccordi flangiati stanno vedendo uno sviluppo e un perfezionamento attivi in ​​questo settore.

Flange del pezzo di transizione cementate e con adattamento alle interferenze

Storicamente la connessione tra la fondazione monopalo e il pezzo di transizione della torre si è basata su connessioni cementate piuttosto che su raccordi per tubi flangiati imbullonati. Tuttavia, il degrado documentato della malta nei primi progetti nel Mare del Nord ha portato a uno spostamento verso connessioni flangiate dirette con bulloni in corrispondenza di questa interfaccia. Questi raccordi per tubi flangiati strutturali di grande diametro, che spesso superano i 6 metri di diametro per gli ultimi monopali per turbine da 15 MW, presentano sfide uniche in termini di fabbricazione e tensionamento dei bulloni. Nuovi strumenti di tensionamento idraulico e sistemi digitali di monitoraggio del carico dei bulloni sono in fase di sviluppo appositamente per ottenere una compressione uniforme della guarnizione su queste enormi facce della flangia durante l'installazione offshore in condizioni di mare.

Design della flangia compatti e leggeri per tubazioni superiori

All'interno del pezzo di transizione e della gondola della turbina, il peso è un vincolo progettuale critico perché ogni chilogrammo aggiunto alla sommità della torre aumenta il carico di fatica sulla fondazione e sulla struttura della torre durante la vita operativa della turbina. I raccordi per tubi flangiati compatti, design che raggiungono il livello di pressione richiesto e le prestazioni di tenuta in un involucro più piccolo e leggero rispetto alle tradizionali flange a faccia rialzata ASME B16.5 o EN 1092-1, stanno guadagnando una notevole popolarità. I sistemi a flangia compatti che utilizzano anelli per lenti o guarnizioni metalliche con profilo di lenti possono raggiungere gli stessi valori di pressione dei tipi di raccordi flangiati standard a circa il 30-50% del peso, una differenza che ha implicazioni strutturali e di costo significative se moltiplicata per centinaia di connessioni in una grande turbina eolica offshore.

Raccordi flangiati sottomarini con sistemi di tenuta integrati

Per la protezione dei cavi di esportazione e le applicazioni di gestione dei cavi tra array sul fondale marino, i raccordi per tubi flangiati devono garantire prestazioni di tenuta senza alcuna possibilità di accesso per la manutenzione del subacqueo o del ROV durante la vita operativa del progetto. Ciò sta guidando lo sviluppo di tipi di raccordi flangiati con sistemi di tenuta secondari integrati (tipicamente tenute frontali elastomeriche combinate con supporti di giunti ad anello metallico) che forniscono barriere di tenuta ridondanti in un unico gruppo compatto. I sistemi di connettori clamp-hub derivati ​​dalla tecnologia sottomarina del petrolio e del gas vengono adattati e qualificati per le applicazioni di protezione dei cavi eolici offshore, offrendo connessioni rapide installabili su ROV che eliminano la sequenza di assemblaggio convenzionale della flangia imbullonata che è poco pratica in profondità.

Confronto degli standard di raccordo flangiati applicati nei progetti eolici offshore

I progetti eolici offshore si basano su raccordi per tubi flangiati specificati in base a numerosi standard internazionali a seconda del servizio, della classe di pressione e del mercato geografico. Comprendere quale standard si applica a ciascuna applicazione è essenziale per i team di approvvigionamento e i progettisti per garantire la compatibilità e la conformità normativa.

Innovazioni nell'installazione e nel tensionamento dei bulloni per condizioni offshore

Anche i raccordi per tubi flangiati meglio progettati falliscono nel servizio se non vengono assemblati correttamente durante l'installazione. Gli impianti eolici offshore presentano sfide uniche a questo riguardo: i collegamenti devono spesso essere effettuati in condizioni di mare esposto, da personale che lavora in spazi ristretti all'interno di tratti di transizione o su navi di installazione galleggianti soggette al movimento della nave. Il tensionamento errato dei bulloni è una delle principali cause di perdite dei raccordi flangiati nel servizio offshore e le conseguenze di una perdita in un sistema di controllo idraulico o nel circuito dell'acqua di raffreddamento all'interno di una turbina sono gravi in ​​termini di disponibilità della turbina e costi di accesso per la riparazione.

Diverse innovazioni stanno affrontando direttamente questa sfida:

• Strumenti digitali di tensionamento idraulico con celle di carico integrate e registrazione dati wireless ora consentono di registrare e verificare in tempo reale il carico del bullone ottenuto in ogni prigioniero di un assieme di raccordo per tubi flangiati rispetto alle specifiche tecniche, creando un record di installazione tracciabile per ciascuna connessione.
• Misurazione del carico dei bulloni ad ultrasuoni l'utilizzo di strumenti portatili che misurano acusticamente l'allungamento dei bulloni fornisce un metodo non invasivo per verificare la tensione dei bulloni nei raccordi per tubi flangiati assemblati durante la messa in servizio e le successive visite di ispezione senza richiedere lo smontaggio.
• Moduli di raccordo flangiati preassemblati fabbricati e testati a pressione onshore in condizioni di officina controllate, quindi installati offshore come unità complete, riducono il numero di singole connessioni flangiate effettuate in ambiente offshore e migliorano la garanzia di qualità complessiva del sistema installato.
• Sistemi di fissaggio resistenti alla corrosione l'utilizzo di perni in acciaio inossidabile super duplex o lega 718 con dadi rivestiti in PTFE elimina i problemi di grippaggio e grippaggio che rendono estremamente difficile lo smontaggio dei raccordi per tubi flangiati fissati convenzionalmente dopo anni di esposizione offshore.

La strada da percorrere: monitoraggio digitale e manutenzione predittiva per raccordi per tubi flangiati

La prossima frontiera per i raccordi per tubi flangiati nell'eolico offshore è l'integrazione della tecnologia di rilevamento integrata che consente il monitoraggio continuo delle condizioni strutturali e di tenuta delle connessioni critiche senza ispezione manuale. I sensori di emissioni acustiche incorporati nei corpi delle flange sono in grado di rilevare i segnali caratteristici di perdite della guarnizione o di rilassamento del carico dei bulloni in una fase iniziale, prima che qualsiasi fluido di processo fuoriesca nell'ambiente. Le serie di estensimetri fissate ai bulloni della flangia forniscono dati continui sul carico dei bulloni che possono essere trasmessi tramite il sistema SCADA della turbina ai centri di monitoraggio a terra, consentendo la pianificazione predittiva della manutenzione basata sulle effettive condizioni misurate piuttosto che su intervalli di tempo fissi.

Queste capacità si allineano strettamente con la più ampia strategia di digitalizzazione perseguita dai principali operatori eolici offshore che cercano di ridurre la frequenza e i costi delle visite di manutenzione offshore, ognuna delle quali richiede la mobilitazione delle navi, il trasferimento del personale e il potenziale arresto delle turbine. Man mano che i tipi di raccordi flangiati continuano ad evolversi in termini di materiali, geometria e intelligenza integrata, stanno passando da componenti di base a sistemi ingegnerizzati che svolgono un ruolo attivo nell'affidabilità e nell'economia operativa delle infrastrutture di energia eolica offshore.