Project

Experimenteel-Numerieke studie op Offshore Vermoeidheid Analyse van Staal constructies onder variabele belasting voorwaarden beïnvloed door omgevingsfactoren

Looptijd
01-01-2014 → 31-12-2017
Financiering
Gewestelijke en gemeenschapsmiddelen: IWT/VLAIO
Mandaathouder
Onderzoeksdisciplines
  • Engineering and technology
    • Structural engineering
    • Other civil and building engineering
Trefwoorden
offshore staal constructies hernieuwbare energiebronnen offshore wind
 
Projectomschrijving

Omwille van de actuele internationale aandacht voor klimaatverandering, hebben hernieuwbare energiebronnen een bevoorrechte positie ingenomen. Men neemt algemeen aan dat deze geen luchtvervuiling veroorzaken, dat ze geen water verbruiken en bovendien worden ze als onuitputtelijk bestempeld. De recente goedkeuring van de allereerste juridisch bindende wereldwijde klimaatovereenkomst, die in december 2015 op de klimaatconferentie van Parijs is bereikt (COP21), versterkte die positie. Offshore wind is actueel waarschijnlijk de meest aantrekkelijke alternatieve energiebron, mede dankzij de positieve ervaringen met de exploitatie van onshore windenergie. De cumulatief geïnstalleerde capaciteit in Europa groeide exponentieel vanaf begin 2000 tot een totale capaciteit van 12.631 MW voor een totaal van 3.589 windturbines eind 2016. De nominale capaciteit van offshore windturbines is het afgelopen decennium met liefst 62% toegenomen. Des te hoger de verwachte capaciteit per turbine, des te groter en robuuster de steunstructuren moeten zijn. Een belangrijk aandachtspunt is het al dan niet kunnen toepassen van nieuwe generatie staalsoorten voor de steunstructuren overeenkomstig de voorschriften van relevante ontwerpnormen. Deze werden tot zeer recent stiefmoederlijk behandeld, maar zouden toelaten om het totale gewicht en daarmee de fabricage- en installatiekosten van deze structuren aanzienlijk te verminderen. Echter, diepgaande kennis omtrent de (vermoeiings)eigenschappen van deze materialen in representatieve offshoreomstandigheden (dit zijn zowel dynamische belastingen als uitdagende omgevingparameters zoals zout water) is nodig. Analyse van vermoeidheid speelt een sleutelrol in alle projectfasen van een staalconstructie (ontwerp, transport, installatie) en ook tijdens de uitbating ervan. Recent gepubliceerde literatuurstudies bevestigen de noodzaak om de materiaaldatabases in ontwerpcodes verder uit te breiden alsook om de beschikbare ontwerpmethodieken verder te verbeteren en verfijnen. Belangrijke verbeterpunten zijn gerelateerd (maar niet beperkt) aan: ontwikkeling van testmethoden die gericht zijn op versnelde karakterisatie van vermoeiingseigenschappen van nieuwe generaties staalsoorten; gebruik van niet-lineaire benaderingen voor het begroten van vermoeiingsschade met de bedoeling om het effect van belastingsspectra met variabele amplitude beter te kunnen begroten; kwantificeren van de invloed van de schaal van de proefstukken op de scheurgroeisnelheid en een beter inzicht in de interactie van corrosie- en vermoeidheidsproblemen. In dit werk wordt allereerst aandacht besteed aan een kritische interpretatie en vergelijking van ontwerpcodes voor vermoeiing met het oog op de identificatie van verbeterpunten. Deze studie vormde de basis en motivatie om het werk te concentreren op de ontwikkeling van testmethoden en - opstellingen voor versnelde evaluatie van vermoeiing. Deze moeten toelaten om een beter inzicht te verkrijgen in de volgende onderwerpen: - Bepaling van de vermoeiingslimiet en de gehele S-N kromme gebruik makend van meerdere instrumentatietechnieken en een beperkt aantal proefstukken. - Interactie-effecten die optreden tijdens experimenten met variabele amplitude van de aangelegde spanningsintensiteitsfactoren. - Schaaleffecten die niet (of zeer beperkt) beschouwd worden in ontwerpcodes voor vermoeiing. - Versnelde experimentele schatting van het corrosie-vermoeiingsproces. Hieronder wordt een beknopte samenvatting gegeven van elk van deze onderwerpen. Een nauwkeurige schatting van de gehele S-N kromme speelt een belangrijke rol in het vermoeiingsontwerp. Experimentele methoden die traditioneel hiervoor gebruikt worden, zijn zeer tijdrovend. In de afgelopen jaren is de toepassing van infrarood (IR) technologie voor versnelde evaluatie van vermoeidheidsschade toegenomen. Deze technologie is echter niet altijd inzetbaar door gebrek aan ruimte of toegankelijkheid van het medium voor infrarode straling. Voor dergelijke omstandigheden is aangetoond dat de elektrische potentiaalval techniek kan aangewend worden voor de beoordeling van scheurinitiatie en –ropagatie. Zowel de meer conventionele infrarood-gebaseerde en de nieuwe potentiaalval-gebaseerde technieken werden gebruikt om de vermoeiingslimiet van twee HSLA-staalsoorten op een effectieve en efficiënte manier te bepalen. De resultaten van beide methoden toonden een zeer goede correlatie. Conventioneel wordt een belastingsspectrum met wisselende spanningsamplitudes gereduceerd tot een reeks blokken bestaande uit cycli met constante spanningsamplitude. De variaties in belastingsblokken genereren niet-lineaire transiënten in scheurgroeisnelheid, d.w.z. versnelling of vertraging van de scheurgroei. In de meeste ontwerpcodes worden deze effecten genegeerd en gebruikt men een lineaire beoordeling van schadeaccumulatie om de levensduur te schatten. Zowel onderschatting als overschatting van levensduur kan belangrijke implicaties hebben; in het laatste geval bijvoorbeeld grote kosten door een niet-economische planning van onderhoudsintervallen op basis van een breukmechanica-gebaseerde beoordeling. Om het effect van variaties in blokbelasting te onderzoeken, is een experimentele studie uitgevoerd waarbij gekerfde proefstukken onderworpen werden aan verschillende blokbelastingsschema's met veranderingen in ΔK vergelijkbaar met die welke verwacht worden voor een structuur die in de Noordzee-omgeving werkt. Deze studie werd uitgevoerd op twee staalsoorten gebruikt in offshore constructies. Vertraging van scheurgroei is hierbij aangetoond voor zogenaamde hoog-laag sequenties, dit zijn belastingsschema’ met blokken met discreet dalende belastingsamplitudes. Dit effect was het meest uitgesproken voor grotere sprongen in panningsamplitude en lagere ΔK waarden. In het meest uitgesproken geval, leidde dit zelfs tot het stoppen van de scheurgroei. Ontwerpkrommen (S-N) voor vermoeiing worden typisch afgeleid door het testen van kleinschalige en genormeerde proefstukken. Correctiefactoren worden toegepast om rekening te houden met verschillen in dikte en lasdetail. Echter, de evolutie in scheurgroei vastgesteld in buisvormige elementen is complex en het is niet helemaal duidelijk of dit nauwkeurig kan worden weergegeven door kleinschalige proefstukken te testen. Grootschalige vermoeiingsproeven hebben tot doel om het vermoeiingsgedrag op een meer realistische manier te karakteriseren. Het uitvoeren van dergelijke experimenten is echter erg duur. Vandaar dat een middelgroot proefstuk, onder de vorm van een strip ontnomen uit een pijp, is ontworpen. Dit proefstuk heeft dus dezelfde kromming en dikte als de pijp waaruit het is vervaardigd; een kerf met de vorm van een halve cirkel wordt centraal in het proefstuk aangebracht. Op deze manier laat dit proefstuk toe om de meeste schaaleffecten in rekening te brengen. Bovendien kan het worden getest in conventionele proefstanden aan vrij hoge frequenties. Door de overeenkomstige da/dn-ΔK-krommen van zowel kleine als middelgrote proefstukken te vergelijken, was het mogelijk om te concluderen dat kleinschalige genormeerde proefstukken de scheurgroeisnelheid overschatten. Daarnaast werden methodieken voorgesteld die toelaten om eigenschappen bekomen op basis van kleinschalige proefstukken te gebruiken om grootschaliger componenten te beoordelen. De corrosieve aard van het mariene milieu is een belangrijke factor die moet worden meegenomen tijdens het vermoeiingsontwerp van offshorestructuren. Daarbij moeten S-N-krommen worden opgesteld in (nagenoeg) echte belastings- en omgevingscondities, hetgeen zeer tijdrovend zijn. Er wordt verondersteld dat als het corrosieproces versneld kan worden met ongeveer dezelfde snelheid als de vermoeiingsfrequentie, de testtijd sterk kan worden verminderd. Het versnellen van corrosie is mogelijk door het aanpassen van fysieke en/of elektrochemische eigenschappen die bij de redoxreacties betrokken zijn. In dit onderzoek werd de eerste optie gekozen. Gebaseerd op een literatuuronderzoek werden de temperatuur van het zeewater en de hoeveelheid opgeloste zuurstof als de meest bepalende invloedsparameters geselecteerd. Beproevingsscenario's met verschillende combinaties van zeewater-temperatuur en opgelost zuurstofniveau werden gedefinieerd. Overeenkomstige S-N-krommen zijn geconstrueerd voor twee HSLA staalsoorten ondergedompeld in natuurlijk zeewater. De potentiaalvalgebaseerde techniek werd gebruikt om de schadeontwikkeling voor alle geteste scenario's te kwantificeren. Daarnaast werd een referentie S-Nkromme opgesteld voor een proefstuk ondergedompeld in zeewater bij een temperatuur en frequentie representatief voor de Noordzee. Vergelijking van de experimentele resultaten gaf aan dat een gemiddelde versnelling van het corrosie-ondersteunde vermoeiingsproces van ongeveer 80% kon worden verkregen. Een aantal toekomstige onderzoeksmogelijkheden werden als volgt geïdentificeerd. Het experimentele onderzoek naar een ruimere reeks invloedsparameters, zoals de R-waarde (verhouding van minimale tot maximale spanning), randomisatie van het belastingsspectrum en de kwantificering ervan, verschillende temperatuursbereiken en potentiostatische analyse. Extra aandacht moet worden besteed aan de analyse van lasdetails, aangezien deze een zwak punt vormen in echte structuren. Een andere uitdaging is het nabootsen van reële belastingsspectra in laboratoriumproeven. Laatste aandachtspunten zijn het effect van corrosie en waterstofverbrossing die door micro-organismen worden geproduceerd, en het onderzoek van hybride materiaalverbindingen voor mariene toepassingen.