Các loại phụ kiện mặt bích đang phát triển như thế nào cho các dự án năng lượng gió ngoài khơi?

Tại sao gió ngoài khơi đang đẩy các phụ kiện đường ống có mặt bích đến giới hạn của chúng

Cơ sở hạ tầng năng lượng gió ngoài khơi hoạt động ở một trong những môi trường khắc nghiệt nhất mà bất kỳ hệ thống được thiết kế nào cũng phải chịu đựng. Phun nước mặn liên tục, ngâm thủy triều, chu kỳ nhiệt độ khắc nghiệt, tải trọng kết cấu do gió gây ra và hoạt động ô nhiễm sinh học không ngừng của môi trường biển đều góp phần làm suy giảm các thành phần có thể tồn tại hàng thập kỷ khi lắp đặt trên bờ. Trong số các bộ phận chịu ứng suất nghiêm trọng nhất của bất kỳ giàn gió ngoài khơi nào là các phụ kiện đường ống có mặt bích nối các đường dây điều khiển thủy lực, mạch nước làm mát, hệ thống ống dẫn cáp, bộ phận chuyển tiếp đơn cọc và cụm bảo vệ cáp xuất khẩu dưới biển. Khi công suất tuabin tăng lên mức 15 MW trở lên, đồng thời khi các dự án tiến vào vùng nước sâu hơn và các địa điểm dễ tiếp xúc hơn ở Đại Tây Dương và Thái Bình Dương, thì nhu cầu đặt ra đối với mọi loại phụ kiện có mặt bích trong hệ thống cũng tăng theo tương ứng. Ngành công nghiệp này đang đáp ứng bằng sự đổi mới có ý nghĩa về vật liệu, hình học, công nghệ bịt kín và phương pháp lắp đặt đang định hình lại một cách cơ bản hình thức của các phụ kiện đường ống có mặt bích và cách chúng hoạt động trong dịch vụ gió ngoài khơi.

Thách thức cốt lõi: Ăn mòn ở mọi loại phụ kiện mặt bích

Ăn mòn là cơ chế phân hủy chủ yếu đối với phụ kiện đường ống có mặt bích trong các ứng dụng gió ngoài khơi và nó hoạt động thông qua nhiều con đường đồng thời làm phức tạp việc lựa chọn vật liệu và chiến lược phủ bảo vệ. Ăn mòn bề mặt đồng đều do tấn công ion clorua là dạng dễ thấy nhất, nhưng ăn mòn kẽ hở - tấn công điện hóa tập trung trong hình dạng giới hạn của khe hở mặt mặt bích hoặc bên dưới đầu bu lông - thường có sức tàn phá lớn hơn vì nó tiến triển mà không thể nhìn thấy cho đến khi tính toàn vẹn của cấu trúc bị tổn hại. Ăn mòn điện xảy ra ở bất cứ nơi nào các kim loại khác nhau tiếp xúc điện thông qua chất điện phân dẫn điện, làm cho giao diện giữa các phụ kiện đường ống có mặt bích bằng thép carbon và ốc vít bằng thép không gỉ trở thành mối quan tâm đặc biệt trong vùng bắn nước.

Phản ứng truyền thống – các phụ kiện đường ống có mặt bích bằng thép carbon với lớp phủ nhôm mạ kẽm nhúng nóng hoặc phun nhiệt – đang tỏ ra không phù hợp với tuổi thọ thiết kế từ 25 đến 30 năm hiện đang được các nhà tài trợ cho dự án gió ngoài khơi yêu cầu. Các hệ thống lớp phủ hoạt động ở mức chấp nhận được ở vùng nước lạnh, tương đối nông của Biển Bắc cho thấy sự xuống cấp nhanh chóng trong điều kiện ấm hơn, ăn mòn hơn của các dự án được đề xuất ở Biển Đông, Vịnh Mexico và ngoài khơi bờ biển Australia và Brazil. Sự mở rộng về mặt địa lý của gió ngoài khơi là một trong những động lực chính thúc đẩy ngành hướng tới các vật liệu lắp ống có mặt bích chống ăn mòn về cơ bản hơn là dựa vào lớp phủ bảo vệ trên thép thông thường.

Sự phát triển của vật liệu: Từ thép cacbon đến hợp kim song công và siêu song công

Sự thay đổi vật liệu quan trọng nhất hiện đang được tiến hành trong các phụ kiện đường ống có mặt bích gió ngoài khơi là sự chuyển đổi từ thép cacbon sang các loại thép không gỉ song công và siêu song công cho các ứng dụng trong vùng bắn nước và vùng ngập nước của móng đơn và kết cấu áo khoác. Thép không gỉ song công - đặc biệt là loại 2205 (UNS S31804) và 2507 (UNS S32750) - mang đến sự kết hợp giữa khả năng chống ăn mòn và độ bền cơ học khiến chúng trở nên hấp dẫn đối với các ứng dụng lắp mặt bích trong đó yêu cầu đồng thời cả hai đặc tính.

Các loại siêu song công như 2507 cung cấp số tương đương về khả năng chống rỗ (PREN) trên 40, được coi là ngưỡng cho khả năng chống ăn mòn rỗ do clorua gây ra đáng tin cậy trong dịch vụ nước biển. Đối với các phụ kiện đường ống có mặt bích ở những vị trí ngập nước hoặc vùng thủy triều cố định, mức độ chống ăn mòn vốn có này giúp loại bỏ gánh nặng bảo trì liên quan đến việc kiểm tra lớp phủ, sơn lại và quản lý hệ thống bảo vệ ca-tốt mà hệ thống thép cacbon yêu cầu trong suốt thời gian hoạt động của chúng.

Hợp kim niken, đặc biệt là Hợp kim 625 (UNS N06625) và Hợp kim C-276 (UNS N10276), ngày càng được chỉ định cho các vị trí dịch vụ khắc nghiệt nhất - đặc biệt là các phụ kiện đường ống có mặt bích dưới biển trong các hệ thống bảo vệ cáp xuất khẩu và cụm phốt ống chữ J mà thực tế là không thể tiếp cận bảo trì trong quá trình sử dụng. Chi phí vật liệu cao hơn của các hợp kim này được chứng minh bằng việc gần như loại bỏ rủi ro ăn mòn trong toàn bộ vòng đời dự án.

Các loại phụ kiện mặt bích đang phát triển cho các ứng dụng kết cấu gió ngoài khơi

Ngoài những thay đổi về vật liệu, thiết kế hình học của các loại phụ kiện có mặt bích đang được phát triển để giải quyết các thách thức về kết cấu và lắp đặt cụ thể của gió ngoài khơi. Một số danh mục phụ kiện có mặt bích riêng biệt đang được phát triển và cải tiến tích cực cho lĩnh vực này.

Mặt bích mảnh chuyển tiếp được rót vữa và phù hợp với giao thoa

Sự kết nối giữa móng đơn và phần chuyển tiếp của tháp trước đây dựa vào các kết nối bằng vữa thay vì các phụ kiện đường ống có mặt bích được bắt vít. Tuy nhiên, sự xuống cấp của vữa được ghi nhận trong các dự án ban đầu ở Biển Bắc đã dẫn đến sự chuyển hướng sang các kết nối mặt bích bắt vít trực tiếp tại giao diện này. Những phụ kiện đường ống có kết cấu mặt bích có đường kính lớn này — thường có đường kính trên 6 mét đối với các cột đơn tuabin 15 MW mới nhất — đặt ra những thách thức về chế tạo và căng bu lông độc đáo. Các thiết kế công cụ căng thủy lực mới và hệ thống giám sát tải trọng bu lông kỹ thuật số đang được phát triển đặc biệt để đạt được lực nén đồng đều trên các mặt bích khổng lồ này trong quá trình lắp đặt ngoài khơi trong điều kiện biển.

Thiết kế mặt bích nhỏ gọn và nhẹ cho đường ống phía trên

Trong phần chuyển tiếp và vỏ bọc tuabin, trọng lượng là một hạn chế thiết kế quan trọng vì mỗi kg được thêm vào đỉnh tháp sẽ làm tăng tải trọng mỏi lên nền và cấu trúc tháp trong suốt thời gian vận hành của tuabin. Các phụ kiện đường ống có mặt bích nhỏ gọn — những thiết kế đạt được mức áp suất cần thiết và hiệu suất bịt kín trong một vỏ bọc nhỏ hơn, nhẹ hơn so với mặt bích nâng ASME B16.5 hoặc EN 1092-1 truyền thống — đang đạt được lực kéo đáng kể. Hệ thống mặt bích nhỏ gọn sử dụng vòng đệm thấu kính hoặc vòng đệm kim loại có cấu hình thấu kính có thể đạt được mức áp suất tương tự như các loại phụ kiện có mặt bích tiêu chuẩn ở mức xấp xỉ 30–50% trọng lượng, một sự khác biệt có ý nghĩa quan trọng về cấu trúc và chi phí khi được nhân lên trên hàng trăm kết nối trong một tuabin gió ngoài khơi lớn.

Phụ kiện mặt bích dưới biển với hệ thống niêm phong tích hợp

Đối với các ứng dụng bảo vệ cáp xuất khẩu và quản lý cáp giữa các mảng dưới đáy biển, phụ kiện đường ống có mặt bích phải đạt được hiệu suất kín khít mà không có bất kỳ khả năng tiếp cận nào của thợ lặn hoặc bảo trì ROV trong suốt thời gian vận hành của dự án. Điều này đang thúc đẩy sự phát triển của các loại phụ kiện có mặt bích với hệ thống bịt kín thứ cấp tích hợp — điển hình là các vòng đệm mặt đàn hồi kết hợp với các vòng đệm dự phòng bằng vòng kim loại — cung cấp các rào cản bịt kín dự phòng trong một cụm lắp ráp nhỏ gọn duy nhất. Hệ thống đầu nối trục kẹp có nguồn gốc từ công nghệ dầu khí dưới biển đang được điều chỉnh và đủ tiêu chuẩn cho các ứng dụng bảo vệ cáp gió ngoài khơi, cung cấp các kết nối có thể lắp đặt ROV nhanh chóng giúp loại bỏ trình tự lắp ráp mặt bích bắt vít thông thường không thực tế ở độ sâu.

So sánh các tiêu chuẩn lắp mặt bích áp dụng trong các dự án gió ngoài khơi

Các dự án gió ngoài khơi sử dụng các phụ kiện đường ống có mặt bích được quy định theo nhiều tiêu chuẩn quốc tế tùy thuộc vào nhiệm vụ dịch vụ, cấp áp suất và thị trường địa lý. Việc hiểu rõ tiêu chuẩn nào áp dụng cho từng ứng dụng là điều cần thiết đối với nhóm mua sắm và kỹ sư thiết kế để đảm bảo tính tương thích và tuân thủ quy định.

Những cải tiến về lắp đặt và căng bu lông cho điều kiện ngoài khơi

Ngay cả những phụ kiện đường ống có mặt bích được thiết kế tốt nhất cũng không thể sử dụng được nếu chúng không được lắp ráp chính xác trong quá trình lắp đặt. Việc lắp đặt năng lượng gió ngoài khơi đặt ra những thách thức đặc biệt về vấn đề này - các kết nối thường phải được thực hiện trong điều kiện biển lộ thiên, bởi nhân viên làm việc trong không gian hạn chế trong các phần chuyển tiếp hoặc trên các tàu lắp đặt nổi chịu sự chuyển động của tàu. Lực căng bu-lông không đúng là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây rò rỉ phụ kiện mặt bích khi sử dụng ngoài khơi và hậu quả của việc rò rỉ trong hệ thống điều khiển thủy lực hoặc mạch nước làm mát bên trong tuabin là rất nghiêm trọng về tính khả dụng của tuabin và chi phí tiếp cận sửa chữa.

Một số đổi mới đang trực tiếp giải quyết thách thức này:

• Dụng cụ căng thủy lực kỹ thuật số Với các cảm biến tải trọng tích hợp và tính năng ghi dữ liệu không dây giờ đây cho phép ghi lại và xác minh tải trọng bu lông đạt được trong mỗi chốt của cụm phụ kiện ống có mặt bích theo thông số kỹ thuật trong thời gian thực, tạo ra một bản ghi lắp đặt có thể theo dõi cho mỗi kết nối.
• Đo tải trọng bu lông bằng siêu âm sử dụng các thiết bị cầm tay đo độ giãn dài của bu lông bằng âm thanh cung cấp một phương pháp không xâm lấn để xác minh độ căng của bu lông trong các phụ kiện đường ống có mặt bích đã lắp ráp trong quá trình vận hành thử và các lần kiểm tra tiếp theo mà không cần tháo rời.
• Mô-đun lắp mặt bích được lắp ráp sẵn được chế tạo và thử nghiệm áp suất trên bờ trong các điều kiện xưởng được kiểm soát, sau đó lắp đặt ngoài khơi thành các bộ phận hoàn chỉnh, giảm số lượng kết nối mặt bích riêng lẻ được thực hiện trong môi trường ngoài khơi và cải thiện việc đảm bảo chất lượng tổng thể của hệ thống được lắp đặt.
• Hệ thống dây buộc chống ăn mòn sử dụng đinh tán bằng thép không gỉ siêu song công hoặc Hợp kim 718 với đai ốc được phủ PTFE giúp loại bỏ các vấn đề về kẹt và kẹt khiến việc tháo gỡ các phụ kiện đường ống có mặt bích được gắn chặt thông thường trở nên vô cùng khó khăn sau nhiều năm phơi nhiễm ngoài khơi.

Con đường phía trước: Giám sát kỹ thuật số và bảo trì dự đoán cho các phụ kiện đường ống mặt bích

Biên giới tiếp theo cho các phụ kiện đường ống có mặt bích trong gió ngoài khơi là sự tích hợp của công nghệ cảm biến nhúng cho phép giám sát liên tục tình trạng kết cấu và độ kín của các kết nối quan trọng mà không cần kiểm tra thủ công. Cảm biến phát âm được gắn trong thân mặt bích có thể phát hiện các tín hiệu đặc trưng của rò rỉ miếng đệm hoặc độ giãn tải của bu lông ở giai đoạn đầu, trước khi bất kỳ chất lỏng nào của quá trình thoát ra môi trường. Mảng máy đo biến dạng được liên kết với bu lông mặt bích cung cấp dữ liệu tải trọng bu lông liên tục có thể được truyền qua hệ thống SCADA của tuabin đến các trung tâm giám sát trên bờ, cho phép lập kế hoạch bảo trì dự đoán dựa trên điều kiện đo thực tế thay vì khoảng thời gian cố định.

Những khả năng này phù hợp chặt chẽ với chiến lược số hóa rộng hơn đang được các nhà khai thác điện gió ngoài khơi lớn theo đuổi nhằm giảm tần suất và chi phí của các chuyến bảo trì ngoài khơi - mỗi hoạt động đều yêu cầu huy động tàu, điều chuyển nhân sự và có khả năng ngừng hoạt động tuabin. Khi các loại phụ kiện có mặt bích tiếp tục phát triển về vật liệu, hình học và trí thông minh nhúng, chúng đang chuyển đổi từ các thành phần hàng hóa sang các hệ thống được thiết kế đóng vai trò tích cực về độ tin cậy và tính kinh tế vận hành của cơ sở hạ tầng năng lượng gió ngoài khơi.