Výběr materiálů pro konstrukci a ochranu proti korozi v offshore instalacích

Při navrhování a výstavbě offshore zařízení, a to jak pro větrné turbíny, tak pro jiné struktury, je výběr vhodného materiálu klíčovým faktorem zajišťujícím jejich dlouhodobou stabilitu a odolnost vůči agresivnímu mořskému prostředí. Podmínky v těchto náročných prostředích vyžadují použití materiálů, které vykazují vysokou odolnost proti korozi, mechanickému namáhání a extrémním teplotám. Specifické normy, jako jsou ASTM a API pro oceľové materiály a klasifikační pravidla pro návrh a konstrukci offshore instalací, poskytují nezbytné pokyny pro výběr příslušných ocelí.

Ochrana proti korozi a mechanické vlastnosti

Korozní ochrana je jedním z nejdůležitějších aspektů, které musí být při výběru materiálu zohledněny. Pro zajištění dlouhodobé odolnosti proti korozi je nutné použít vhodné ochranné systémy, jako jsou nátěry, obětní anody nebo systémy s napětím. Důležité je přitom mít k dispozici dostatečné podpůrné údaje, které potvrzují účinnost těchto systémů v daných podmínkách. V případě, že se mořské prostředí vyznačuje neobvyklými kontaminanty, musí být zváženy specifické korozní efekty těchto látek. Kromě toho je nutné při výběru materiálů brát v úvahu faktory jako je koroze únavy nebo galvání při kontaktu rozdílných kovů.

Dalším významným faktorem je odolnost materiálu proti nárazům a prasknutí. Oceli použité v offshore aplikacích musí vykazovat dostatečnou lomovou houževnatost, která zajišťuje stabilitu i v případě náhlých změn v namáhání. K určení vhodnosti ocelí je často nutné provádět zkoušky houževnatosti nebo prokázat jejich předešlé úspěšné použití v obdobných podmínkách. Pokud jsou při výběru materiálu významné environmentální faktory, jako je přítomnost ledu, musí být použity speciálně vybrané oceli s odpovídajícími mechanickými vlastnostmi.

Technologické vlastnosti ocelí a jejich rozdělení

Oceli pro offshore konstrukce jsou klasifikovány podle jejich tahových vlastností, které určují jejich pevnost a odolnost vůči deformaci. V rámci klasifikace jsou materiály rozděleny do tří skupin podle výtěžné pevnosti: Skupina I (do 275 MPa), Skupina II (od 275 do 415 MPa) a Skupina III (nad 415 MPa). Tato kategorizace slouží jako základ pro volbu ocelí v závislosti na požadavcích na odolnost materiálu vůči různým mechanickým zátěžím a teplotám. Oceli z těchto skupin musí odpovídat specifikacím stanoveným pro každý konkrétní projekt a regionální normy.

Požadavky na odolnost vůči teplotám a materiály pro specifické podmínky

Pro offshore konstrukce je kladeno důraz na minimální teplotu služby materiálu. Tato teplota je stanovena na základě meteorologických dat za posledních deset let pro konkrétní oblast. Pro materiály umístěné pod hladinou vody, například pod zónou rozstřiku, je doporučeno používat oceli s definovanou teplotou služby 0 °C (32 °F), což znamená, že materiály musí vykazovat odolnost vůči teplotám blízkým bodu mrazu. V případě offshore větrných turbín, kde je přítomnost ledu v mořském prostředí často významným faktorem, může být nutné volit speciální materiály, které jsou navrženy pro práci v extrémních teplotách.

Všechny materiály, které jsou použity ve specifických podmínkách offshore konstrukcí, musí splňovat určité normy, které stanoví požadavky na jejich minimální teplotní odolnost, houževnatost a pevnost. Důraz je kladen také na jejich schopnost odolávat korozi, a to jak chemickým vlivům mořské vody, tak i vlivům biologickým, jako jsou různé druhy mikroorganismů, které mohou materiál degradovat.

Další faktory pro správný výběr materiálů

Je důležité vzít v úvahu, že každý materiál je vázán na specifické environmentální podmínky a nemůže být zcela univerzálně použit. Výběr vhodného materiálu by měl vždy vycházet z konkrétního umístění offshore zařízení, klimatických a geografických podmínek, které mohou ovlivnit chování materiálu během jeho životnosti. Významnou roli hraje i kontrola kvality materiálů, která by měla být prováděna pravidelně v průběhu celého životního cyklu konstrukce.

Jak správně navrhovat a realizovat armatury a post-tensioning v betonových konstrukcích

Při návrhu betonových konstrukcí, zejména u těch, které jsou vystaveny dynamickému nebo cyklickému zatížení, je nezbytné věnovat pozornost nejen celkové pevnosti materiálu, ale i správnému rozmístění výztuže a ochraně konstrukce před vnějšími vlivy. Je kladeno důraz na minimální hodnoty krytí výztuže, technologické postupy při její instalaci a správné použití post-tensioning technologií. Zajištění dlouhé životnosti konstrukce závisí na důsledném dodržování všech normativních požadavků, jako jsou ty, které jsou uvedeny v ACI 318, ACI 349 nebo dalších relevantních standardech.

Prvním klíčovým bodem při návrhu konstrukcí je určení správného krytí výztuže. To závisí na tom, v jakých podmínkách se struktura nachází. Například pro oblasti vystavené atmosférickým vlivům, ale ne v zóně slaného spreje, je minimální požadované krytí 50 mm. V oblastech s vyšší expozicí, jako jsou zóny vystavené soli a zemi, se toto krytí zvyšuje na 65 mm. U konstrukcí, které nejsou vystaveny vnějším vlivům, může být krytí sníženo na 40 mm.

Důležitým aspektem při návrhu je také volba typu spojů mezi armaturami. V kritických oblastech, kde se očekává významné zatížení únavou, je nutné se vyhnout použití překrytí (lap splices) a mechanických spojů. V případech, kdy je překrytí nezbytné, je nutné zajistit, aby délka rozvinutí armatur byla dvojnásobná v porovnání s normami, což pomáhá zajistit stabilitu a odolnost konstrukce vůči únavovému zatížení. U mechanických spojů se musí provádět testy na odolnost proti únavě, což zaručuje jejich dostatečnou spolehlivost.

Pro oblasti, kde je použití post-tensioning technologií nezbytné, je důležité správně navrhnout nejen samotné tendony a trubky, ale také kotevní prvky. Kotevní zařízení pro nelepené tendony musí být navrženo tak, aby přenášelo maximální specifikovanou kapacitu bez překročení očekávaného nastavení. Kotevní prvky pro lepené tendony musí přenášet alespoň 90 % specifikované kapacity, přičemž po zajištění bondingu musí být dosaženo 100 % kapacity.

Ducty pro post-tensioning musí být navrženy z materiálů, které zajistí dlouhou životnost a minimální riziko koroze. Použití ocelových trubek je běžné, přičemž jejich stěna

Jaké faktory ovlivňují návrh struktur větrných turbín na moři?

Při návrhu plovoucích větrných turbín je třeba zohlednit celou řadu environmentálních zatížení, která mohou ovlivnit stabilitu a bezpečnost konstrukce. Mezi hlavní faktory patří vítr, vlny, proudy, námraza, zemětřesení a mořské organismy. Každý z těchto faktorů si vyžaduje specifické metodiky pro výpočet a hodnocení zatížení, které na konstrukci působí. Tento text se zaměřuje na detaily, které jsou zásadní pro správný návrh těchto struktur a identifikuje oblasti, které si zasluhují zvláštní pozornost.

Vítr a jeho účinky na strukturu

Jedním z hlavních faktorů, které je třeba zohlednit, je vítr. Při přímém vystavení větru je možné použít ochranné prvky, které mohou výrazně snížit zatížení na větrné části konstrukce. To zahrnuje situace, kdy jsou struktury navrženy tak, že mezi jednotlivými komponentami musí být vzdálenosti, které nebudou větší než sedm násobek šířky části vystavené větru, aby došlo k účinné redukci zatížení. Dále je nezbytné zkoumat cyklické zatížení způsobené vířivými vibracemi (Vortex Induced Vibrations - VIV), kde se zohledňuje jak tah, tak i vztlak způsobený těmito vibracemi.

Není bezvýznamné ani to, že některé struktury nejsou běžně vystaveny větru po jejich instalaci, ale mohou čelit těmto silám během výstavby, transportu nebo při přepravních operacích. Tento aspekt by měl být vždy brán v úvahu, zejména při přechodu z fáze návrhu do fáze implementace.

Vlny a vlnová zatížení

Vlny představují dalším významný faktor, který ovlivňuje chování plovoucí turbíny. Vlnové síly se dělí na tři základní složky: síly první řádu při vlnových frekvencích, síly druhého řádu při nižších frekvencích než jsou vlnové frekvence, a stálé složky druhého řádu (takzvané síly driftu). Modelové testy a počítačové simulace jsou klíčové pro správný odhad těchto sil, přičemž pro struktury s vysokou frekvencí vln je třeba brát v úvahu specifické dynamické chování v periodách jako je vychýlení, sklony a náklony.

Pokud je konstrukce vystavena slammingovým vlnám, je potřeba hodnotit účinky nárazů vln do konstrukce a brát v úvahu možnost poškození během provozu i přepravy. Tento jev je relevantní pro konstrukce, jako jsou pontony a sloupce, které jsou citlivé na nárazy vln.

Proudové síly a efekt vířivých vibrací

Dalším faktorem, který je třeba při návrhu zohlednit, jsou proudové síly působící na podmořské části konstrukce, jako jsou trupy, kotvicí nebo zajišťovací linie, exportní kabely či jakékoli jiné objekty pod vodou. Tyto síly se vyhodnocují na základě analytických metod nebo modelových testů, přičemž je důležité uvažovat nejen síly způsobené samotným proudem, ale i interakce mezi vlnami a proudy. Při výpočtu síly způsobené proudem je třeba zohlednit i rychlost proudu a jeho směr vůči exponované ploše konstrukce.

Důležitým aspektem jsou vířivé vibrace (VIV), které mohou vést k rezonančním odpovědím, zejména u dlouhých válcovitých konstrukcí. Tyto vibrace mohou mít významný vliv na únavu materiálu a celkovou stabilitu konstrukce, přičemž výpočty je třeba zaměřit na detekci rezonance a následně upravit návrh pro omezení negativních důsledků.

Působení ledu a sněhu

V oblastech, kde může na konstrukci plovoucí větrné turbíny docházet k akumulaci ledu a sněhu, je nezbytné zvážit nejen zvýšení hmotnosti, ale i změnu aerodynamických a hydrodynamických vlastností. Nahromadění ledu a sněhu vede ke zvětšení účinné plochy konstrukce, což může výrazně ovlivnit její chování v větrných a vlnových podmínkách. Také je nutné posoudit změnu v povrchové drsnosti, která může mít dopad na proudění vzduchu a vody kolem konstrukce.

Zemětřesení a seismická aktivita

Růst mořských organismů

Růst mořských organismů na konstrukcích plovoucí větrné turbíny je dalším faktorem, který může ovlivnit stabilitu a funkčnost těchto zařízení. Organismy mohou zvětšit hydrodynamický průměr, což mění odpory konstrukce vůči vodnímu prostředí, a zvyšují povrchovou drsnost, což zvyšuje hydrodynamické zatížení.