Hvordan vurderes træthedslivscyklus for fleksible stigrør under variable spændinger i havmiljøet?

Ved træthedsanalyse af højstyrkestål med en brudstyrke på 500 MPa og en overfladeruhed R ≤ 3,2, anvendes typisk en logaritmisk S-N kurve til at estimere levetiden. Forholdet mellem antal cyklusser og spændingsamplituden udtrykkes med ligningen:

log N = 17.446 − 4.70 log ∆σ

I et tørt miljø er den kritiske spændingsgrænse, hvor ligningen har anvendelighed, ∆σ = 235 MPa, svarende til N = 2×10⁶ cyklusser. Under denne spændingsgrænse antages en træthedsgrænse, hvilket betyder, at yderligere cyklusser ikke fører til træthedsbrud. S-N kurven bliver dermed horisontal i det område, og antager en bilineær karakter. I et vådt miljø, såsom havvand med katodisk beskyttelse, bevares denne kurvetype også for N > 2×10⁶, og S-N forholdet beskrives som en entydig ret linje. I den praktiske anvendelse af fleksible rørledninger er tilstedeværelsen af havvand og korrosive gasser mellem lagene en realitet, og dette bekræfter nødvendigheden af at anvende S-N kurver i lineær form.

Miner’s lineære akkumulerede skadeteori anvendes bredt til vurdering af træthedslevetid i fleksible rør. Hvert vekslende spændingsniveau påfører en vis delskade. Den samlede skade summeres som:

k = ∑ dᵢ

Her er dᵢ skaden forårsaget af spændingsområde Sᵢ. Ifølge Miner gælder proportionalitetsforholdet:

dᵢ / d = nᵢ / Nᵢ

Hvor nᵢ er antallet af cyklusser under et givent spændingsniveau og Nᵢ er det totale antal cyklusser til brud under samme spændingsniveau. Den kumulative skade udtrykkes som:

D = ∑ (nᵢ / Nᵢ)

Når D = 1, betragtes komponenten som udtjent i forhold til træthed. For spiralarmeringslag i fleksible rør, som udsættes for alternerende belastning under havstrømme og bølgepåvirkning, anvend

Hvordan bæreevnen og træthedsliv påvirkes af deformation og spænding i fleksible rør under havdybdebelastning

Når et fleksibelt rør udsættes for dybt vandtryk, reduceres den aksiale belastning på røret gradvist, som illustreret i de dynamiske analyser af fleksible risere. Når vanddybden øges, falder den aksiale kraft fra 563,55 kN til 43,08 kN, hvilket afspejler den gradvise deformation, der opstår i riseren. Denne deformation, eller krumning, ændrer sig også markant med dybden. Den maksimale krumning ved toppen af riseren er 0,06 m⁻¹, men som riseren forlænges, falder krumningen hurtigt og nærmer sig nul. Når riseren nærmer sig havbunden, øges krumningen hurtigt igen og når et maksimum på 0,01 m⁻¹ ved en længde på 899 meter. Dette fænomen kan observeres i de dynamiske grafer, hvor krumningen ved ophængningspunktet er højere end ved touchdown-punktet, og krumningen på andre steder langs riseren er relativt lavere.

Fleksible rør, der opererer under påvirkning af tilfældige bølger, havstrømme og flydende platforme, oplever fluktuationer i både aksial kraft og krumningskurve ved ophængningspunktet og touchdown-punktet. For eksempel, ved en bølgehøjde på 2,8 m og en topperiode på 9,0 sekunder, varierer den aksiale kraft ved ophængningspunktet omkring 563,55 kN, mens amplituden af denne variation når op til 59,46 kN. Tilsvarende fluktuerer spændingen ved touchdown-punktet omkring 61,87 kN med en amplitud på 12,68 kN. Denne variation i spænding og fluktuationer i belastningen er væsentlig, da de påvirker de materialemæssige egenskaber og kan føre til træthedsskader over tid.

Analyserne viser, at spændingen ved ophængningspunktet i riseren, især på den indre spiralstrimmel, er markant højere end på den ydre spiralstrimmel, hvilket indikerer en højere risiko for træthedsskader i den indre spiralstrimmel. Denne forskel i træthedsliv er yderligere bekræftet af stress-amplitudeberegninger, hvor spændingen forårsaget af bøjningsbelastninger er næsten nul, mens bøjningspåvirkningerne på den indre spiralstrimmel forårsager en væsentlig højere stress-amplitude end på den ydre spiralstrimmel.

Som følge af de dynamiske påvirkninger og de store spændingsfluktuationer i fleksible rør, er det vigtigt at evaluere det træthedsliv, der stammer fra disse belastninger. Ved hjælp af den regnflow tællingsmetode og Gerber-korrektionsteorien kan man beregne træthedslivet af de fleksible rør og forudsige potentielle skader. Ifølge standarden DVN-C203 og under hensyntagen til Miner-lineær kumulativ skade teori, kan man estimere træthedslivet for det fleksible rør i dybder op til flere tusinde år for de ydre spiralstrimler og kun nogle få årtier for de indre spiralstrimler ved ophængningspunktet. Dette understreger vigtigheden af at overveje både den aksiale og bøjningsbelastning i riseren, da disse kan føre til signifikant træthedsskader, især ved de højeste spændingspunkter som ophængnings- og touchdown-punkterne.

For at forlænge levetiden af disse rør og reducere risikoen for træthedsskader er det nødvendigt at tage højde for flere faktorer, herunder de specifikke bølgelaster, havstrømme og platformens bevægelser, som kan forstærke fluktuationerne i spænding og krumning. Desuden bør der overvejes en grundig analyse af materialerne, især deres evne til at modstå gentagne cykliske belastninger. Det er også væsentligt at fokusere på de kritiske punkter, hvor stress og deformation er størst, og tage de nødvendige foranstaltninger for at optimere designet og vedligeholdelsen af disse strukturer.

Hvad påvirker trætheden i kobberledninger i dynamiske kraftkabler?

Træthedslivet for kobberledere i dynamiske kraftkabler afhænger af flere faktorer, der relaterer sig til både materialernes egenskaber og de fysiske processer, kablerne udsættes for. Strukturelt er kobberledninger en essentiel komponent i mange elektriske systemer, herunder offshore vindmølleparker, hvor de spiller en kritisk rolle i transmissionen af strøm fra flydende platforme til de pågældende landbaserede stationer. Forståelsen af træthedslivet for disse ledere, især under cykliske belastninger, er derfor afgørende for at sikre pålidelig og langtidsholdbar drift.

En af de vigtigste faktorer er komprimeringsproceduren, som anvendes ved fremstillingen af de snoede kobberledere. Denne procedure kan føre til makroskopisk træthedsskader, som reducerer materialets levetid under spændingsrelateret træthed. Dette skyldes, at den komprimerede struktur øger de mekaniske belastninger i lederne, hvilket kan forårsage mikroskopiske brud og deformering, som med tiden vil føre til fejl i kablets ydeevne.

Der er dog også modstridende effekter, der kan opstå som følge af de unikke egenskaber ved TU2 iltfri kobber. Dette materiale udviser blandede hærdningsegenskaber, som betyder, at området af det mesoskopiske stabile hysterese-loop reduceres efter "højbelastning" eller komprimering af de snoede kobberledere. Denne reduktion i det mesoskopiske skadesområde under cyklisk spændingsbelastning kan have den modsat rettede effekt og føre til en øget spændingstræthedsliv for kobberlederne i én belastningscyklus. Med andre ord, den umiddelbare effekt af komprimeringen kan være skadelig, men på længere sigt kan den i nogle tilfælde medføre en mere stabil drift af kobberledningen under cyklisk stress.

For at vurdere træthedslivet for kobberledere i dynamiske kabler anvendes flere metoder, herunder numeriske simuleringer og eksperimentelle tests. Den validering af estimaterne for træthedslivet, som udføres gennem tests og simuleringer, har vist, at metoden, der anvendes til beregning af kobberlederens træthedsliv, har høj anvendelighed og nøjagtighed. Dette giver ingeniører og designere mulighed for at forudsige kobberledernes levetid under operationelle forhold og tilpasse designet af kablerne for at maksimere deres holdbarhed.

Af særlig betydning er den mekaniske adfærd under belastning, især den påvirkning, som bøjningskræfter har på kablerne. Det er velkendt, at den tilbagegående, ikke-lineære bøjningsadfærd er en af hovedårsagerne til, at dynamiske kraftkabler fejler efter længere tids drift. I denne sammenhæng har undersøgelser vist, at de lokale spændinger i lederne, forårsaget af forskellige former for friktion og kontakt ved kabellængder, har stor betydning for nøjagtigheden af træthedslivets beregninger. Ikke kun friktion, men også de lokale mekaniske forhold under bøjningsbelastning, bør inkluderes i modellerne for at opnå et mere præcist resultat.

En vigtig observation er, at kabler, der udsættes for gentagne belastninger, som i tilfældet med offshore vindmølleparker, kræver en meget omhyggelig beregning af både de makroskopiske og mikroskopiske skader, som opstår over tid. Derfor er det ikke kun nødvendigt at forstå den grundlæggende fysiske adfærd af kobbermaterialet, men også hvordan de dynamiske forhold, såsom bevægelse af fundamentet i offshore installationer og miljøpåvirkninger, kan have en stor indflydelse på kablernes træthedsliv.

Et aspekt, der ikke bør overses, er materialets livscyklus og hvordan det interagerer med det omgivende miljø. Korrosion, temperaturvariationer og mekaniske påvirkninger fra kablernes dynamiske bevægelser i havet er faktorer, der kan fremskynde skader og reducere det samlede træthedsliv. Disse faktorer bør også tages i betragtning i designet af kobberledere og i evalueringen af deres langsigtede præstationer under drift.

Hvordan sikrer man pålidelighed og integritet af subsea strømkabler?

Pålideligheden af subsea strømkabler er en central faktor for transmissionssystemoperatører, da disse kabler spiller en kritisk rolle i elektricitetsoverførsel. Fejl på selv ét subsea strømkabel kan få vidtrækkende konsekvenser, som kan forårsage strømafbrydelser på øer, forstyrre operationer på olie- og gasplatforme og stoppe strømforsyningen fra offshore vindmølleparker. Desuden kan fejlen på et subsea strømkabel, som et højvolts jævnstrømslink mellem lande, resultere i store økonomiske tab for kabelejerne, selvom der ikke opstår en byomspændende strømafbrydelse. Derfor er pålideligheden af subsea strømkabler en vital del af enhver forretningsmodel og har stor indflydelse på kabeldesignet.

For at sikre høj pålidelighed er det nødvendigt at minimere risikoen for fejl. Dette indebærer, at man nøje overvåger kablerne, implementerer teknologiske forbedringer og tager højde for de potentielle risici, der kan opstå under installation og drift. På trods af vigtigheden af at opnå pålidelighed, er det en udfordring at få adgang til statistikker om fejl på subsea strømkabler. Kommercielle og forsikringsmæssige overvejelser betyder, at sådanne data sjældent er offentligt tilgængelige, da virksomheder og forsikringsselskaber ofte begrænser offentliggørelsen for at beskytte følsomme oplysninger og bevare deres konkurrencemæssige fordel. Ikke desto mindre fortsætter branchen med at fokusere på løbende forbedringer af kabeldesignet for at forbedre pålideligheden og mindske risiciene i subsea strømningssystemer.

CIGRE (International Conference on Large Power Networks) har etableret en arbejdsgruppe, som regelmæssigt samler data om pålideligheden af subsea strømkabler. En rapport fra 1986, der inkluderede erfaringer fra drift af kabler fra 1950 til 1980, konkluderede, at fejlraten for kablerne var 0,32 gange om året per 100 km. Denne fejlraten var højere dengang, og kun en lille del af kablerne var beskyttet. Med den teknologiske udvikling af subsea strømkabler i de senere år er operatørerne blevet langt mere opmærksomme på beskyttelse af kablerne. Den forventede fejlraten for subsea strømkabler i dag er betydeligt lavere. Ifølge data fra CIGRE i 1986 skete 82 % af fejlene i kabelkroppen, mens 18 % var forårsaget af fejl i forbindelserne. I den efterfølgende statistik har fejlraten for kabelkroppen været langt lavere, hvilket viser, at udviklingen har forbedret sikkerheden for både kabler og forbindelser.

Det er vigtigt at forstå, at de fleste fejl på subsea strømkabler ikke skyldes kablernes design eller materialer, men snarere på grund af dårligt udført installation eller utilstrækkelig vedligeholdelse. For eksempel viser statistikkerne, at flere fejl på subsea strømkabelsystemer kan tilskrives dårlig teknik i forbindelse med installationen. Et eksempel på et kabelprojekt, der har haft flere mekaniske fejl, er Kontiskan 1-linjen, som gennemgik flere fejl mellem 1964 og 1988. Hvis man ser bort fra fejlslagenheden af denne linje, viser de øvrige data en meget lavere fejlrate. Det er derfor vigtigt, at kablerne installeres korrekt, og at alle installationstrin følges nøje for at undgå fremtidige problemer.

Statistikkerne fra store HVDC-projekter giver også et klart billede af mekaniske fejl som en væsentlig årsag til fejl på subsea strømkabler. Ifølge dataene er fejlraten for mekaniske fejl på subsea strømkabler 0,264 gange om året per 100 km, mens fejl forårsaget af andre faktorer, som f.eks. fejl i isoleringen, udgør en langt mindre del af fejlene. Dette understreger vigtigheden af at tage højde for de fysiske kræfter, som kablerne kan blive udsat for i deres drift, og hvordan disse kræfter kan forårsage mekanisk skade.

Det er også afgørende at forstå, at selvom teknologi og installationsteknikker er blevet markant forbedret, vil subsea strømkabler altid være udsat for risici. Kablerne er ofte udsat for ekstern påvirkning fra miljøfaktorer, såsom fiskeredskaber eller både, der kan forårsage fysisk skade på kablerne. Desuden kan slid og alder på kablerne føre til isolationsfejl og dermed nedsat pålidelighed. Det er derfor nødvendigt med løbende overvågning og vedligeholdelse af kablerne for at forhindre fejl i systemet.

Endvidere er det vigtigt at bemærke, at pålideligheden af subsea strømkabler er tæt knyttet til kvaliteten af de materialer, der anvendes, og de konstruktionsmetoder, der implementeres. Hvis der ikke er tilstrækkelig kvalitetssikring i designet og produktionen af kablerne, kan det føre til strukturelle svagheder og fejlfunktioner. På samme måde kan dårlige installationsteknikker forværre risikoen for, at kablerne ikke fungerer korrekt under drift. For at opretholde en høj pålidelighed skal både teknologiske fremskridt og strengere standarder for installation og vedligeholdelse være en prioritet.

Hvordan torsion påvirker fleksible rør: Eksperimentelle resultater og numeriske simuleringer

Når et fleksibelt rør bliver udsat for torsion, er det vigtigt at sikre, at aksen af hver prøve er korrekt justeret i forhold til gripsystemet på torsionsmaskinen. Forberedelsen af prøven omfatter markeringen af fire horisontale linjer og ni ringlinjer på overfladen af hver prøve, hvilket gør det muligt at observere deformeringen af røret, når displacement påføres. Disse linjer fungerer som referencer, og de gør det muligt at analysere, hvordan deformationen udvikler sig i forhold til de påførte kræfter.

Når maskinen startes, justeres torsionsvinklen til nul, og rotationsretningen af enderne er modsat den oprindelige vikning af de yderste stålstrimler (dvs. mod uret). Efterhånden som torsionsvinklen øges over tid, roterer prøven med en tilkoblet ende, og gradvis viser de udvendige HDPE-overflader tegn på deformation. De horisontale linjer på overfladen indikerer en langsom deformation af røret, mens ringlinjerne forbliver næsten vinkelrette på de lige linjer, hvilket tyder på, at tværsnittet forbliver næsten uændret under denne proces. Efterhånden som belastningstiden øges, fremkommer der en markant bueformet vridningsdeformation i den effektive længde af røret.

Der høres en kontinuerlig, dempet lyd inde i røret under testen, som sandsynligvis skyldes deformationen af stålstrimlerne. Når forsøget afsluttes, skæres et stykke af den yderste lag af prøven for at undersøge deformationen af stålstrimlerne. Det yderste lag af stålstrimlen adskilles let fra de øvrige lag som følge af at forbindelsesdelene drejes i modsat retning af vikningsretningen af den yderste stålstrimmel.

Ved at analysere de eksperimentelle resultater kan man også beskrive forholdet mellem moment og torsionsvinkel for hver prøve. Dette illustreres i en kurve, hvor man kan observere, at momentet stiger gradvist, indtil det når et maksimum, hvorefter det falder hurtigt. En kort, ustabil fase kan observeres i begyndelsen af forsøget, som skyldes eksisterende mellemrum mellem stålstrimlerne, som ikke er helt forbundet i produktionen. Når stålstrimlerne endelig kommer i kontakt med hinanden, stiger momentet, før det pludselig falder ved et toppunkt. Den maksimale momentværdi og den tilsvarende vinkel betragtes som prøvefejlens moment og torsionsvinkel.

I de numeriske simuleringer er der opbygget en finittelementmodel (FEM) i Abaqus, som anvender de samme geometriske dimensioner og materialeegenskaber som de faktiske prøver. Denne model er designet til at simulere den mekaniske opførsel af de fleksible rør under ren torsion. En vigtig detalje i simuleringen er, at lagene i røret skal være tættere forbundet med hinanden, hvilket betyder, at der ikke må være synlige mellemrum mellem lagene i den faktiske konstruktion. Dette bliver yderligere understøttet af opbygningen af et ortogonalt koordinatsystem, der tager højde for ændringer i stålstrimlens vikningsretning under deformationen.

For at simulere den praktiske grænseforhold er den ene ende af modellen helt fastlåst, mens den anden ende er koblet til et referencepunkt, som påføres et moment i mod urets retning. Dette gør det muligt at simulere de faktiske belastningsbetingelser, som røret vil blive udsat for under torsion.

Simuleringens resultater viser, at FEM-modellen generelt følger den samme tendens som de eksperimentelle resultater, men der er nogle forskelle i detaljerne. For eksempel er den maksimale momentværdi i simuleringen en smule lavere end den gennemsnitlige værdi fra de eksperimentelle resultater, hvilket kan skyldes de uundgåelige mellemrum mellem lagene i de faktiske prøver, der nemmere kan føre til glidning. Den tilfredsstillende overensstemmelse mellem eksperiment og simulering viser dog, at den numeriske model er pålidelig.

Når man arbejder med fleksible rør og deres adfærd under torsion, er det vigtigt at forstå, hvordan lagene interagerer og påvirker rørets overordnede mekaniske egenskaber. Dette omfatter blandt andet hvordan eventuelle mellemrum mellem lagene kan påvirke stabiliteten og hvordan torsionsvinklerne kan føre til fejl i røret. Det er også vigtigt at tage højde for de specifikke materialegenskaber og geometri af røret i simuleringen, da små variationer i disse faktorer kan føre til store ændringer i rørets adfærd under belastning.