Quali sono le principali applicazioni dei cavi sottomarini e dei gasdotti flessibili nel settore dell'energia offshore?

Attualmente, esistono più di 4.500 km di gasdotti a idrogeno a livello globale, con i tratti più lunghi situati negli Stati Uniti, in particolare negli stati della Louisiana e del Texas, seguiti da Belgio e Germania. Questa rete rappresenta l'inizio di un'infrastruttura globale di trasporto dell'idrogeno, con tubi flessibili che potrebbero giocare un ruolo fondamentale nella sua espansione per applicazioni offshore. Questi gasdotti non solo collegano impianti di produzione, ma potrebbero anche facilitare l'adozione di idrogeno come alternativa ecologica al gas naturale in un futuro sempre più orientato alla sostenibilità.

I cavi sottomarini per l'energia elettrica, d’altra parte, sono un'infrastruttura fondamentale per il trasporto di energia sotto la superficie del mare. Questi cavi sono progettati e realizzati specificamente per ciascun tipo di applicazione, tenendo conto di fattori come la profondità dell'acqua, le condizioni del fondale marino, le sollecitazioni meccaniche potenziali e le caratteristiche elettriche richieste. Le applicazioni di questi cavi includono diversi settori cruciali per la transizione energetica globale.

Le parchi eolici offshore rappresentano uno degli esempi più rilevanti di utilizzo dei cavi sottomarini. Man mano che lo sviluppo dell'energia eolica offshore si sposta da aree costiere a zone più lontane, le piattaforme eoliche tendono a evolversi da impianti fissi ad impianti galleggianti, più economici. In un parco eolico offshore (OWF), numerosi aerogeneratori sono collegati tra loro da una rete di cavi sottomarini che trasportano l’energia prodotta verso la terraferma, per essere utilizzata nella rete elettrica. Per distanze superiori ai 30 km, i cavi di uscita ad alta tensione (tipicamente 100 kV) vengono impiegati, spesso utilizzando la trasmissione in corrente continua ad alta tensione (HVDC), che richiede stazioni di conversione sia in mare che a terra. Tuttavia, costruire una stazione di conversione offshore è un’impresa costosa e viene intrapresa solo quando è necessario trasmettere grandi quantità di energia su lunghe distanze.

Un altro settore importante che beneficia dei cavi sottomarini è quello delle piattaforme offshore per l'estrazione di petrolio e gas. Queste piattaforme hanno esigenze energetiche considerevoli, dovute alle complesse operazioni di estrazione dei idrocarburi. L’energia è necessaria non solo per il funzionamento delle pompe e per il trattamento dei fluidi estratti, ma anche per le attività di compressione e di trasporto del petrolio e del gas attraverso i gasdotti. Inoltre, l'elettricità è fondamentale per il supporto delle operazioni quotidiane e per la manutenzione delle strutture abitabili delle piattaforme. Ad esempio, i campi Gullfaks e Snorre, in Norvegia, sono alimentati da un parco eolico offshore galleggiante Hywind Tampen, riducendo le emissioni di oltre 200.000 tonnellate all’anno, pari alle emissioni annuali di 100.000 automobili.

L’uso di cavi sottomarini per fornire energia alle isole è un'altra applicazione crescente. Le reti elettriche terrestri possono estendersi efficacemente fino alle isole vicine tramite l'uso di cavi sottomarini, che sono spesso cavi a media tensione (≤52 kV) con capacità di trasmissione compresa tra 10 e 30 MW. Questi cavi hanno progressivamente sostituito fonti di energia meno efficienti, come i generatori diesel, che erano precedentemente comuni nelle isole. L'efficienza di questi cavi è ottimale su distanze che vanno da 10 a 30 km. Per soddisfare la crescente domanda di elettricità delle isole, è diventato sempre più comune installare cavi aggiuntivi lungo percorsi diversi, riducendo così il rischio di interruzioni dell'approvvigionamento. Questa pratica risale al 1944, quando le isole del Frisia Settentrionale, in Germania, furono collegate alla rete elettrica tramite un cavo sottomarino a 20 kV.

Per operazioni sottomarine particolari, come quelle di ricerca oceanografica o per la sorveglianza militare, vengono utilizzati cavi sottomarini anche per alimentare osservatori subacquei e sistemi di allerta tsunami. L'interesse crescente per la ricerca marina ha portato alla realizzazione di stazioni di ricerca automatizzate sul fondale oceanico, che richiedono una fonte di alimentazione subacquea affidabile.

I cavi sottomarini sono anche impiegati per alimentare attrezzature subacquee, come veicoli telecomandati (ROV) e piattaforme di perforazione sottomarine, così come per il riscaldamento elettrico delle pipeline sottomarine. In alcuni casi, le pipeline necessitano di riscaldamento elettrico per prevenire la formazione di depositi di cera e idrati. In queste applicazioni, la pipeline stessa funge da elemento riscaldante e il cavo di alimentazione è un cavo ad alta capacità con isolamento in polietilene reticolato.

Un altro settore in crescita riguarda l'uso dei cosiddetti "umbilicals" sottomarini, che sono assemblaggi flessibili e rinforzati che contengono cavi di alimentazione, cavi di segnale, condotti per fluidi, linee idrauliche, e altri componenti in un'unica struttura. Questi cavi vengono utilizzati per fornire energia e altri servizi agli impianti offshore e ai veicoli sottomarini.

Le applicazioni di cavi sottomarini e gasdotti flessibili sono, dunque, molteplici e vitali per l’industria offshore, non solo per garantire un’efficace trasmissione di energia ma anche per ridurre le emissioni e migliorare l’efficienza operativa in contesti estremi e difficili da raggiungere. L’innovazione tecnologica in questi settori è fondamentale per lo sviluppo sostenibile dell’energia offshore e per il raggiungimento degli obiettivi globali di riduzione delle emissioni e di transizione verso fonti di energia rinnovabile.

Quali sono le principali cause di danno alle linee elettriche sottomarine e come prevenirle?

Le linee elettriche sottomarine sono essenziali per il trasferimento di energia attraverso l'oceano, ma sono costantemente minacciate da vari fattori esterni, sia legati alle attività umane che alla naturale instabilità del fondale marino. Tra le principali cause di danno, troviamo quelle derivanti dalle attrezzature da pesca, dagli ancoraggi delle navi e dai difetti legati alla costruzione stessa dei cavi.

Il metodo di pesca a strascico, che prevede l’utilizzo di reti pesanti che scorrono sul fondale marino a velocità comprese tra 2 e 4 nodi, è una delle principali fonti di danno per i cavi sottomarini. Quando la rete viene calata sul fondo marino, la piastra che serve a fissare la rete può penetrare a una profondità di 30-40 cm nel fondale. In alcuni casi, la piastra può pesare fino a 3-5 tonnellate, e qualora questa si stacchi o venga utilizzata in modo illegale, può facilmente danneggiare i cavi sottomarini. Inoltre, la pesca con draghe, utilizzata per raccogliere molluschi, agita i sedimenti del fondale, aumentando il rischio che i cavi si danneggino, specialmente in aree con topografie complesse.

Un altro fattore che può causare danni considerevoli ai cavi è l'ancoraggio delle navi. Durante le manovre, in particolare in situazioni di emergenza, gli ancoraggi pesanti possono danneggiare i cavi sottomarini. Le navi che utilizzano ancore di grandi dimensioni, come nel caso della Queen Mary 2, con ancore da 23 tonnellate, possono provocare danni più profondi nel fondale marino. L’impatto diretto di queste ancore può penetrare nel fondale e compromettere la stabilità dei cavi.

Durante la posa dei cavi sottomarini, inoltre, gli errori operativi possono compromettere l'integrità della rete. Le navi di posa dei cavi sono soggette a condizioni meteorologiche variabili come vento, nebbia e correnti, che possono causare la deformazione o l’errata disposizione del cavo sul fondo marino. In alcuni casi, i cavi possono piegarsi eccessivamente o addirittura bloccarsi, riducendo la loro durata e aumentando il rischio di guasti. Problemi possono anche derivare dall'ancoraggio della nave, che potrebbe causare danni diretti ai cavi, mentre una cattiva coordinazione durante le operazioni di posa può portare a nodi nel cavo che ostacolano il suo corretto funzionamento.

Anche la qualità stessa dei cavi può influire sulla loro resistenza. L'usura del rivestimento isolante, che può durare fino a 50 anni, può provocare danni all'interno dei cavi, portando a guasti elettrici. Eventuali difetti nella giunzione tra i cavi, dovuti a progettazione inadeguata o cattiva produzione, possono provocare rotture o perdite interne, compromettendo la funzionalità del sistema.

Inoltre, le linee elettriche sottomarine possono subire danni dovuti a guasti alle giunzioni, che rappresentano un altro problema ricorrente. Secondo le statistiche di una conferenza internazionale sul sistema energetico, il numero di guasti alle giunzioni nelle linee elettriche sottomarine è aumentato considerevolmente. Questi guasti possono derivare da un design poco appropriato, da tecnologie di produzione di bassa qualità o dalle condizioni climatiche inadeguate durante la produzione dei cavi.

I guasti ai cavi sottomarini possono essere di vario tipo e dipendono dalla posizione e dalla natura del difetto. Possono verificarsi guasti alla parte centrale del cavo, ai suoi strati isolanti o alla guaina esterna. Questi guasti vengono generalmente classificati in due categorie: guasti a bassa resistenza e guasti ad alta resistenza. I primi si verificano quando la resistenza di isolamento del cavo si riduce drasticamente, provocando un cortocircuito. I secondi si verificano quando la resistenza del cavo supera una certa soglia, creando problemi come perdite di corrente o fenomeni di "flashover".

La diagnostica dei guasti sui cavi sottomarini avviene attraverso tre fasi principali: diagnosi preliminare, individuazione della posizione del guasto e localizzazione precisa del punto di guasto. Inizialmente, si misura la resistenza di isolamento del cavo, successivamente si utilizzano metodi specifici per individuare la distanza e la posizione del guasto, seguendo il percorso del cavo fino alla localizzazione precisa del difetto.

Infine, è essenziale comprendere che la manutenzione preventiva e la corretta pianificazione delle attività marine sono cruciali per ridurre il rischio di danneggiare i cavi sottomarini. Le navi, le attrezzature da pesca e le operazioni di posa dei cavi devono essere eseguite con attenzione e seguendo standard di sicurezza rigorosi, per garantire l'affidabilità a lungo termine delle infrastrutture sottomarine.

Come valutare la risposta dinamica di un tubo flessibile in un’operazione di posa in mare

Nel contesto dell'analisi dinamica dei tubi flessibili, è fondamentale comprendere i vari fattori che influenzano la loro risposta durante le operazioni di posa, specialmente in ambienti marini. L'approccio tradizionale si basa su modelli matematici per simulare il comportamento statico e dinamico di questi tubi. Tuttavia, l'affidabilità di tali modelli deve essere verificata, come evidenziato dalla comparazione con simulazioni di OrcaFlex. Questa verifica è particolarmente rilevante per operazioni che coinvolgono piattaforme mobili o in ambienti marini con condizioni di carico variabili.

I risultati ottenuti dai modelli matematici e dalle simulazioni mostrano una stretta correlazione, confermando la validità del modello proposto per calcolare la risposta statica e dinamica dei tubi flessibili, nonostante l'incertezza introdotta dal movimento irregolare della piattaforma e dalle onde casuali. In particolare, le tensioni effettive massime (sia superiori che inferiori) e le curvature massime di piegamento sono stati calcolati in diverse condizioni operative: nord-ovest, sud-est e nord-est. In ogni caso, le tensioni effettive massime e le curvature rientrano nei limiti di sicurezza, con i valori massimi ottenuti dal modello matematico che indicano una risposta compatibile con i criteri di progettazione per evitare danni al tubo.

Per esempio, nel caso della regione nord-est, la tensione massima effettiva sul tubo flessibile raggiunge i 20,96 kN, mentre la curvatura massima del tubo nella regione sud-est è di 0,03064 rad/m. Questi valori devono essere confrontati con i limiti di sicurezza per evitare rotture o danni permanenti al materiale del tubo. I test di trazione e piegamento su tubi metallici flessibili mostrano che la tensione massima consentita è di 50 kN, mentre il raggio minimo di curvatura è di 1,5 m, il che indica che i valori ottenuti dalle simulazioni sono ben al di sotto dei limiti critici, suggerendo che la progettazione è sicura.

Inoltre, l’analisi dinamica delle condizioni operative nelle tre regioni considerate (nord-ovest, sud-est e nord-est) evidenzia che, sebbene la risposta dinamica del tubo flessibile sia influenzata dalle sollecitazioni esterne come il moto della piattaforma e le correnti marine, i parametri ottimizzati del modello di posa sono in grado di soddisfare i requisiti di sicurezza. Ciò è fondamentale in un’operazione di posa offshore, dove la precisione nel calcolare la risposta dinamica di un tubo flessibile può evitare incidenti costosi e pericolosi.

Il modello matematico sviluppato offre una metodologia efficace per la progettazione e la verifica dei progetti di posa dei tubi, tenendo conto di fattori come il carico idrodinamico, le proprietà non lineari del materiale e i movimenti irregolari della piattaforma. La validazione del modello mediante simulazioni OrcaFlex dimostra che il metodo proposto è affidabile e può essere utilizzato per simulare con precisione il comportamento del tubo in condizioni reali.

Un aspetto cruciale che emerge da questa analisi riguarda l'importanza di considerare non solo le condizioni statiche ma anche quelle dinamiche durante la progettazione e l'installazione di un tubo flessibile in un contesto marino. La risposta dinamica del tubo, infatti, può essere influenzata da molteplici fattori, tra cui le vibrazioni della piattaforma, le variazioni delle correnti e le onde marine, che devono essere tutte prese in considerazione per garantire la sicurezza dell'operazione.

Inoltre, la metodologia di progettazione proposta permette di ottimizzare i parametri di posa in modo rapido ed efficace, evitando modifiche costose in fase di realizzazione. Questo approccio contribuisce a minimizzare il rischio di guasti o malfunzionamenti, assicurando che il progetto rispetti i limiti di resistenza strutturale e operativa. L'adozione di modelli dinamici avanzati, come quelli proposti in questo studio, rappresenta quindi una solida base per la pianificazione di operazioni offshore complesse, dove la sicurezza e l'affidabilità sono di primaria importanza.

Infine, va sottolineato che la precisione dei risultati dipende dalla qualità dei dati utilizzati, come le misurazioni reali dell'ambiente marino e le proprietà materiali dei tubi. Senza una raccolta accurata di questi dati, ogni simulazione potrebbe risultare imprecisa, compromettendo la validità dell'intera analisi. La simulazione numerica, pur essendo uno strumento potentissimo, deve essere integrata con dati sperimentali per garantire una progettazione ottimale e sicura.

Qual è l'effetto della curvatura ellittica sulla resistenza alla flessione e sulla distribuzione della forza assiale nelle bande spiraliformi?

La resistenza alla flessione della striscia a spirale è principalmente fornita dalla forza assiale nella striscia stessa, rispetto alla curvatura della striscia a spirale. Pertanto, l'energia di deformazione causata dalla deformazione assiale della striscia a spirale viene calcolata, e successivamente, viene utilizzato il principio dell'energia potenziale minima per ottenere l'espressione del momento di flessione e della curvatura dello strato a spirale in seguito all'ellitticità. L'equazione risultante è:

$\varepsilon = \frac{2}{R} \cdot \frac{1}{n} \cdot E \cdot A \cdot R^2 \cdot \cos^3 \alpha \cdot M_s$

L'equazione della curvatura derivata porta alla determinazione della rigidità alla flessione:

$EI = \frac{1}{n} \cdot E \cdot A \cdot R^2 \cdot \cos^3 \alpha$

Quando la curvatura di una sezione cilindrica ellittica supera un valore critico, la striscia a spirale passa da uno stato non scivolante a uno stato di scivolamento, chiamato "curvatura critica". Esiste una relazione diretta tra questa curvatura critica e il coefficiente di attrito interstrato, che è determinato dalla pressione interstrato e dal coefficiente di attrito. La pressione interstrato include sia la pressione esterna sulla guaina esterna del tubo flessibile che la pressione radiale prodotta dal carico uniforme sulla striscia a spirale.

L'attrito tra la striscia a spirale e la superficie di contatto è espresso dalla forza di attrito risultante dalla combinazione della pressione interstrato e delle caratteristiche del materiale. In questo contesto, è possibile derivare la relazione per la forza di attrito che agisce sulla superficie della guaina ellittica:

$f = \mu \cdot \kappa^3 \cdot Q_1 + 2\mu \cdot P \cdot w$

La variazione della forza assiale nella striscia a spirale durante il processo di scivolamento viene descritta dall'equazione della condizione di equilibrio assiale:

$\frac{dQ_1}{ds} \geq f$

Dove $Q_1$ è la forza assiale dovuta al carico assiale e $f$ è la forza di attrito. La condizione che descrive il comportamento del sistema in stato di scivolamento impone un vincolo alla distribuzione della forza assiale e alla geometria della curvatura.

Quando la curvatura della sezione ellittica aumenta ulteriormente, alcune zone della striscia a spirale passano nello stato di scivolamento. Il calcolo delle forze assiali in questa regione di scivolamento richiede l'analisi delle condizioni di equilibrio assiale. Una volta che si entra nella zona di scivolamento, la funzione della forza assiale nella regione non scivolante si deve mantenere continua e derivata prima deve essere continua tra la zona di scivolamento e quella non scivolante. La distribuzione della forza assiale in funzione della curvatura viene descritta da un sistema di equazioni implicite che devono essere risolte mediante metodi numerici.

Quando la curvatura della sezione ellittica supera un determinato valore critico, la striscia a spirale inizia a scivolare. A questo punto, la resistenza alla flessione della striscia non dipende più solo dalla forza assiale, ma dall’interazione complessa tra la curvatura e il comportamento di scivolamento. La relazione tra la forza assiale e la curvatura per la zona di scivolamento e non scivolamento è essenziale per determinare la rigidezza alla flessione in funzione delle condizioni geometriche e dei carichi applicati.

La rigidità alla flessione della striscia a spirale in una sezione ellittica dipende dalla curvatura, dalla geometria della striscia a spirale e dalle condizioni di scivolamento. Quando la curvatura della sezione ellittica è inferiore alla curvatura critica, la striscia non scivola e la rigidità è data dalla formula derivata precedentemente. Tuttavia, quando la curvatura supera il valore critico, la striscia inizia a scivolare e la rigidità alla flessione cambia in modo significativo. La sezione ellittica equivalente della striscia a spirale durante il processo di scivolamento è una rappresentazione utile per calcolare la rigidezza alla flessione nelle condizioni di scivolamento. Questa sezione ellittica equivalente deve mantenere la stessa area della striscia a spirale originale e viene introdotto un fattore di riempimento per equilibrare la geometria.

Il comportamento della forza assiale, sia nella zona di scivolamento che nella zona non scivolante, può essere descritto matematicamente attraverso un sistema di equazioni differenziali che regolano la distribuzione della forza assiale in funzione della curvatura. Queste equazioni vengono risolte numericamente per ottenere una comprensione completa del comportamento della striscia a spirale sotto deformazione ellittica.

Oltre a quanto già descritto, è fondamentale considerare che l'analisi del comportamento della striscia a spirale sotto l'effetto della curvatura ellittica non riguarda solo la determinazione della rigidità e della forza assiale. È altrettanto importante tenere conto della variabilità dei parametri, come il coefficiente di attrito, la geometria del materiale e le forze esterne, che possono influenzare significativamente il comportamento globale del sistema. Inoltre, il monitoraggio della variazione della curvatura nel tempo, specialmente sotto carichi ciclici o dinamici, è cruciale per evitare il cedimento strutturale della striscia a spirale o della guaina ellittica.