Come valutare e riparare danni alle tubazioni flessibili

Il primo passo in un processo di riparazione consiste nella rilevazione del danno. Un'ispezione accurata deve essere effettuata per raccogliere tutte le informazioni necessarie per una valutazione tecnica dettagliata. Queste informazioni comprendono fotografie e l'entità dei danni, il tipo di danno e le possibili cause. La valutazione tecnica riguarda l'integrità strutturale del tubo, il livello di rischio, la vita residua utile, la fattibilità della riparazione e l'aggiornamento del sistema di gestione dell'integrità. Alla fine, l'obiettivo è determinare se il danno è riparabile, come mostrato nel diagramma di flusso del processo di valutazione dei danni alle pipeline.

Una volta che il danno è stato individuato e classificato, si passa alla progettazione e qualificazione del metodo di riparazione. La progettazione della riparazione comprende la descrizione dei concetti, la selezione dei materiali, i calcoli, i disegni, il metodo di installazione e le questioni relative alla manutenzione. È fondamentale determinare se è necessaria una riparazione permanente o temporanea. Una riparazione permanente deve essere qualificata per l'intera vita progettuale del sistema di pipeline, mentre una riparazione temporanea deve essere adeguata per il periodo di servizio limitato, fino a quando non si attua una riparazione permanente. Entrambe le soluzioni non devono compromettere la sicurezza complessiva del sistema. È importante tenere conto dei diversi meccanismi di guasto della tubazione, che variano a seconda del tipo di difetto. Per esempio, la perdita di metallo interna o esterna può influire sulla capacità di rottura del tubo, sulla sua resistenza al momento di flessione e sulla sua capacità di collasso, mentre danni come le scalfitture possono alterare il comportamento di fatica del tubo. I dettagli sui tipi di difetti e sui loro effetti sul comportamento meccanico della tubazione sono forniti in documenti come DNVGL-RP-F101 e DNVGL-ST-F101.

Una volta completata la progettazione, si passa all'esecuzione della riparazione e alla verifica dell'integrità della tubazione. Esistono requisiti per ispezioni periodiche e per la manutenzione delle riparazioni, che verranno dettagliati in seguito.

Nel caso di danni alla guaina esterna delle tubazioni, come usura, strappi, fori o rotture, esistono diverse metodologie di riparazione. Prima di iniziare il processo di riparazione, i difetti sulla parete in acciaio della tubazione, come ammaccature e scalfitture, possono essere rimossi utilizzando il processo di "hot tap", combinato con l'installazione di una morsettiera a ramo, dotata di flangia cieca o valvola.

Una delle tecniche utilizzate è l'iniezione di liquido inibitore nell'anello intermedio. L'obiettivo di questa metodologia è quello di spostare l'acqua di mare già infiltrata con un fluido inibitore, limitando ulteriori ingressi e impedendo la circolazione di acqua salata contenente ossigeno che potrebbe danneggiare i cavi d'acciaio. Il fluido inibitore ha una densità superiore a quella dell'acqua di mare per facilitarne il dislocamento. Spesso, per localizzare il danno alla guaina esterna, il fluido inibitore viene combinato con un colorante tracciante. Questa metodica non è standardizzata, ma ha dimostrato di essere efficace in numerosi interventi di riparazione. Solitamente, viene utilizzata come misura mitigante e, preferibilmente, combinata con altre tecniche di riparazione.

Un'altra soluzione per i danni alla guaina esterna è l’utilizzo di una morsettiera morbida, che ha lo scopo di sigillare il danno ed evitare che l'acqua di mare con ossigeno circoli tra i fili di acciaio. La morsettiera morbida è particolarmente adatta per aree subacquee delle risorse flessibili, ma non è adatta per riparare danni strutturali più gravi. Prima dell'installazione della morsettiera, l'area danneggiata e la zona circostante devono essere pulite. I componenti principali della morsettiera includono una cinghia in poliestere e una padella in gomma. La cinghia in poliestere esercita una pressione radiale costante sulla zona danneggiata tramite una tensione circolare, mentre la gomma sigilla l'area danneggiata. Dopo l'installazione, potrebbero essere necessari controlli periodici del volume dell'anello per verificare l'integrità della tubazione e la condizione dell'anello stesso, oltre a un’ispezione visiva per rilevare segni di corrosione o interferenze con strutture vicine.

Nel caso in cui si debbano riparare danni strutturali, si possono utilizzare morsetti rigidi, che ripristinano l'integrità della guaina esterna e prevengono l'esposizione dei fili di acciaio all'acqua salata. Anche questa tecnica non è adatta a danni strutturali gravi, come fili di acciaio rotti, ma è efficace per danni meno gravi alla guaina esterna. Le morsettiere rigide sono realizzate in acciaio inox o duplex e sono composte da due metà che vanno a ricoprire l’area danneggiata. Prima dell'installazione, è necessario pulire accuratamente la zona danneggiata e segnarne la posizione per riferimento. Come per la morsettiera morbida, potrebbero essere necessari controlli periodici per garantire la tenuta e l'integrità della riparazione.

Infine, per danni significativi alla guaina esterna e a un numero limitato di fili di acciaio rotti, è possibile impiegare una morsettiera strutturale. Questa soluzione non solo sigilla il danno, ma immobilizza i fili di acciaio nella zona danneggiata, fornendo una riparazione strutturale. La morsettiera strutturale è composta da due parti principali: una morsettiera interna in acciaio, che trasferisce i carichi e gestisce le sollecitazioni dinamiche sui fili di armatura nella zona del danno, e una morsettiera esterna che sigilla il danno. L'installazione viene solitamente eseguita da subacquei e richiede la rimozione della parte danneggiata della guaina esterna, che viene sostituita con un riempitivo in gomma e ricoperta da una lamina di gomma adesiva.

L'importanza di una corretta manutenzione post-riparazione non può essere sottovalutata. Le ispezioni regolari e il monitoraggio delle condizioni della tubazione riparata sono essenziali per garantire la durabilità della riparazione e la sicurezza dell'intero sistema. È fondamentale considerare che la qualità della riparazione non dipende solo dalla tecnica impiegata, ma anche dalla cura nel monitoraggio continuo delle condizioni operative della tubazione.

Quali sono gli effetti dello stress elettrico sulle guaine dei cavi ad alta tensione?

Il comportamento dello stress elettrico all’interno dei cavi ad alta tensione (HVDC) varia significativamente in base a diversi fattori operativi, inclusi i carichi di corrente, le variazioni di temperatura e la qualità dei materiali utilizzati. Analizzare la distribuzione dello stress elettrico è fondamentale per comprendere il comportamento del cavo e prevenire eventuali guasti. Lo stress elettrico sui cavi può essere definito come la forza che viene esercitata sulle particelle all’interno dei materiali isolanti dei cavi quando questi vengono sottoposti a tensione elettrica. Questi stress sono cruciali per determinare la durata e l'affidabilità di un cavo in condizioni operative reali.

Lo stress elettrico sulle guaine conduttrici dei cavi si riduce significativamente, mentre lo stress vicino allo strato di isolamento aumenta proporzionalmente. In alcune condizioni, dove esistono forti gradienti termici lungo l’isolamento del cavo, il profilo di stress può invertire, risultando in un maggiore stress nella guaina di isolamento. Questo fenomeno è osservato nei cavi DC, dove la distribuzione dello stress cambia non solo con il carico applicato, ma anche con la temperatura e la capacità del materiale di accumulare cariche spaziali.

In presenza di un gradiente termico sviluppato, come quello mostrato nella figura 4.2, si osserva una variazione dello stress elettrico a seconda della situazione operativa del cavo. La transizione tra la distribuzione iniziale transitoria di stress e quella di carico completo avviene attraverso la creazione e il movimento delle cariche spaziali all'interno dell'isolamento. Queste cariche spaziali, che si accumulano vicino alla superficie del conduttore e dello schermo di isolamento, svolgono un ruolo fondamentale nel determinare la stabilità a lungo termine dello stress elettrico. In particolare, la loro mobilità è influenzata dalla temperatura: in cavi sottomarini DC, a temperature più basse, come quelle che si trovano sui fondali marini, il processo di rilassamento può richiedere molte ore per stabilizzare una distribuzione di stress stabile.

L'accumulo di cariche spaziali vicino alle superfici dielettriche dell'isolamento è un fenomeno ben documentato. Questo accumulo può derivare dall'iniezione di cariche dalle superfici semiconduttrici dei cavi. Le cariche possono essere omogenee, ovvero con la stessa polarità del semiconduttore vicino, o eterogenee, cioè di polarità opposta. La gestione di queste cariche spaziali è cruciale, poiché è stata una delle principali cause di guasti durante lo sviluppo dei sistemi di isolamento dei cavi DC estrusi. Per affrontare questa problematica, è necessaria un’approccio coordinato che consideri sia le proprietà del materiale isolante che quelle del materiale dello schermo.

Uno degli aspetti più critici nella progettazione dei cavi è la determinazione dello stress elettrico durante i test di impulso, che verificano la capacità del cavo di resistere a sovratensioni transitorie come quelle causate da fulmini o da operazioni di commutazione. Esistono standard che stabiliscono i livelli di resistenza agli impulsi di commutazione (SIWL) e ai fulmini (LIWL), ma questi valori possono variare a seconda della tipologia di cavo e delle condizioni operative. Ad esempio, i cavi DC estrusi per applicazioni VSC, che sono spesso terminati in ambienti interni, sono meno soggetti a sovratensioni da fulmine rispetto ai cavi utilizzati in applicazioni terrestri.

La selezione dello spessore della guaina isolante per i cavi sottomarini richiede considerazioni sia ingegneristiche che di gestione delle risorse. L'analisi dei grafici di Weibull del materiale isolante del cavo permette di determinare la probabilità di guasto del cavo nel corso della sua vita utile, considerando vari fattori come la temperatura di esercizio e lo stress elettrico. Nonostante gli sforzi per minimizzare il rischio, i guasti elettrici spontanei nei cavi sottomarini sono rari. Tuttavia, la complessità delle installazioni e delle riparazioni sottomarine spinge a progettare cavi con guaine più spesse, per ridurre lo stress elettrico e, di conseguenza, abbassare il rischio di guasto.

Inoltre, è essenziale considerare la capacità di trasporto della corrente del cavo. La capacità di un cavo di sopportare un determinato carico di corrente è determinata dalla sua temperatura operativa a lungo termine, che dipende dalla struttura del cavo, dal materiale e dalle condizioni ambientali. La progettazione dei cavi deve quindi tenere conto della distribuzione del calore attraverso i vari strati del cavo e la sua capacità di dissipare il calore nell’ambiente circostante. Il calcolo della capacità di trasporto della corrente avviene generalmente utilizzando un circuito termico equivalente che tiene conto di vari fattori come la resistenza del nucleo e della guaina metallica e la dissipazione del calore dai materiali dielettrici.

La progettazione accurata e l'analisi dello stress elettrico nei cavi ad alta tensione sono quindi fondamentali per garantire l'affidabilità e la sicurezza dei cavi in operazioni di lunga durata, soprattutto in condizioni ambientali complesse come quelle marine.

Quali sono le problematiche nella progettazione dei cavi sottomarini e dei pipeline flessibili?

I cavi sottomarini per la trasmissione di energia elettrica presentano una configurazione progettuale che ricalca quella dei tubi flessibili, in particolare per quanto riguarda la struttura a più strati e la protezione armata concentrica. Tuttavia, a differenza dei tubi flessibili, i cavi includono conduttori centrali e materiali di riempimento. La progettazione dei cavi sottomarini è influenzata da numerosi fattori, tra cui il tipo di conduttore (rame o alluminio) e la resistenza termica e meccanica. La scelta dei materiali per l’armatura riveste un’importanza cruciale, poiché un’armatura magnetica potrebbe ridurre significativamente la capacità di corrente di un cavo. Con l’aumento della potenza richiesta dalle turbine eoliche, cresce anche la necessità di tecnologie più sofisticate per i cavi, che si traducono in sezioni trasversali maggiori dei conduttori e tensioni operative più elevate.

La progettazione dei cavi sottomarini e dei pipeline flessibili deve garantire che queste strutture resistano a tutte le sollecitazioni previste per l'intero ciclo di vita progettato, dalla produzione alla dismissione. Problemi di progettazione, come quelli che si verificano durante l'installazione o a causa di danni operativi, sono la causa di molti guasti. La progettazione di questi sistemi è complessa e deve tenere conto non solo delle sollecitazioni meccaniche ma anche della loro resistenza elettrica. Un aspetto fondamentale riguarda la gestione delle espansioni termiche, soprattutto quando si utilizzano conduttori di alluminio, che sono meno costosi rispetto al rame, ma soggetti a ossidazione in caso di infiltrazioni d’acqua dovute all’espansione termica.

Un altro elemento critico nella progettazione riguarda la necessità di test approfonditi prima dell’installazione per ridurre i guasti legati al trasporto e all'installazione stessa. Test come quelli a bassa frequenza (VLF), la risonanza AC (ACR) e il Damped AC (DAC) sono fondamentali per verificare la resistenza elettrica dei cavi e la loro tenuta contro le perdite. Inoltre, con lo sviluppo di turbine eoliche galleggianti in acque profonde, emergono nuove sfide relative ai cavi dinamici, come l'ottimizzazione della configurazione e la progettazione delle sezioni trasversali per migliorare la durata dei cavi e la loro resistenza alle sollecitazioni cicliche.

Il design dei cavi e dei pipeline flessibili si fonda su una metodologia consolidata che comprende la progettazione concettuale, la progettazione ingegneristica preliminare (FEED) e la progettazione dettagliata. Questi passaggi si applicano sia alla progettazione dei cavi sottomarini sia a quella dei tubi flessibili, e si riflettono in una serie di linee guida e normative sviluppate dall’American Petroleum Institute (API) e dalla DNV, che sono continuamente aggiornate in base alle migliori pratiche ingegneristiche. Il design si basa principalmente sulla classificazione degli stati limite, che distinguono tra fallimenti catastrofici, danni da fatica e danni che non comportano rischi immediati per l’ambiente o la sicurezza.

Gli stati limite vengono suddivisi in varie categorie, tra cui:

• Ultimate limit state (ULS), che rappresenta il fallimento totale della struttura, come nel caso di un collasso dei tubi flessibili o di un superamento della temperatura di emergenza di un cavo.

• Fatigue limit state (FLS), che riguarda l'accumulo di danni dovuti a carichi ciclici, come la flessione ripetuta dei cavi o le vibrazioni indotte da vortici.

• Serviceability limit state (SLS), che si riferisce a danni che non compromettono la sicurezza ma riducono l'efficienza operativa, come danneggiamenti alla guaina del cavo o all'armatura.

• Accidental limit state (ALS), che si verifica quando una forza accidentale, come un impatto o il cedimento del sistema, compromette l'integrità strutturale.

Il processo di progettazione è complesso e richiede la gestione di molteplici variabili, come le sollecitazioni meccaniche e termiche, la resistenza del materiale e la sua durata nel tempo. Inoltre, l'approccio di progettazione basato sugli stati limite (LRFD) impone l’uso di fattori di sicurezza parziali per gestire le incertezze nella progettazione, legate alla variabilità dei carichi e alla resistenza dei materiali.

Per quanto riguarda i pipeline flessibili, la progettazione prende in considerazione vari parametri, tra cui le caratteristiche del fluido interno, le condizioni ambientali esterne, la geometria e la lunghezza del trasporto, la resistenza al flusso e la durata di vita del sistema. La scelta dei materiali per le armature esterne e interne è determinata dalle caratteristiche chimiche dei fluidi, come il pH, e dalle condizioni di stress meccanico previste. Inoltre, la configurazione del cavo o del tubo, inclusi la tipologia di giunti e la protezione contro l'ossidazione, deve essere attentamente progettata per evitare danni e garantire la lunga durata delle infrastrutture.

È cruciale, pertanto, che il design non solo soddisfi i requisiti tecnici ma anche gli standard di sicurezza e sostenibilità, prevedendo tutte le possibili sollecitazioni, danni o deterioramenti che potrebbero verificarsi durante l'intero ciclo di vita dell'impianto.