FATCOR: Towards a longer lifetime of offshore wind turbine monopile structures by better understanding the fatigue corrosion mechanisms
Recent is het FATCOR project gestart, een samenwerking van OCAS, Universiteit Gent, Otary, Parkwind, Iemants en het Belgisch Instituut voor Lastechniek. Dit project is gesteund door het Energietransitiefonds van FOD Economie, wat beoogt om onderzoek, ontwikkeling en innovatie op het vlak van energie aan te moedigen en te ondersteunen.
In dit project worden de noden van de windparkeigenaren (Otary, Parkwind), met betrekking tot de operationele en onderhoudsvereisten aan de staal substructuren van hun offshore wind turbines, gekoppeld aan een aantal onderzoekspartners (OCAS, Universiteit Gent en Belgisch Instituut voor Lastechniek) met ervaring op het gebied van corrosie-vermoeiing, en Iemants is betrokken in het project als producent van offshore substructuren.
Doel van het project
Het doel is om fundamentele kennis te ontwikkelen voor het inschatten van de rest-levensduur van de gelaste stalen monopile van een offshore windmolen, specifiek voor veranderingen in corrosiebescherming – tijdens de levensduur van de offshore windmolen. Het uiteindelijke doel van dit project is om de offshore wind sector in Belgie nog competitiever te maken, en daarmee ook een lagere energiekost aan te kunnen bieden.
Projectomschrijving
Uiteraard staan de monopiles bloot aan vermoeiing en corrosie gedurende de hele levensduur van deze structuren. Maar momenteel kan er nog geen gedetailleerde berekening gemaakt worden van het gecombineerde effect van deze twee mechanismen, wat leidt tot conservatieve richtlijnen in ontwerp (en dus duurdere installaties), duurdere onderhoudskosten, en misschien zelfs kortere levensduur. Bovendien wordt de staalstructuur uiteraard niet onbeschermd in de zee gezet, de structuren worden gecoat, of er kan ook een cathodische protectie worden aangelegd, maar ook hier zijn er heel wat vragen, bv wat is het effect van een lokale beschadiging van de coating, of een bepaalde tijd zonder cathodische protectie. Kortom heel wat onderzoeksvragen die in dit (4 jarige) project, op een zo industrieel relevant mogelijke wijze, beantwoordt zullen worden.
In het ontwerp van offshore wind turbine structuren, is de vermoeiingsweerstand (weergegeven als S-N curve, het aantal cycli N dat een compenent aankan, bij een bepaalde spanning S) een zeer belangrijk gegeven. Die S-N curve is een functie van materiaal, aanwezigheid van onvolkomendheden, globale geometrie, locale geometrie (bv van de las), en het milieu. Voor dit laatste worden er verschillende factoren gebruikt, bv een reductie in de vermoeiingsweerstand doordat een component in zeewater staat, of in zeewater met cathodische bescherming op de component. Zie Figuur 1 – de S-N curve, met effect voor milieu, zoals door DNV-GL voorgesteld [1]. In de praktijk kan er uiteraard lokale corrosie plaatsvinden (zie bv figuur 2), en dan missen de windparkeigenaren richtlijnen die hen, gedurende de levensduur van de component, kunnen helpen met beslissingen wanneer bv herstel van coatings echt noodzakelijk is, en op welke locaties.
In het project zal er deels experimenteel, en deels numeriek onderzoek uitgevoerd worden, waarbij er getracht zal worden om in de laboratoriumproeven zo dicht mogelijk te blijven bij de industriele condities. Het onderzoek is er op gericht om meer kennis op te doen over:
- degradatie van de component door aanwezigheid van corrosiedefecten (corrosie putjes),
- degradatie van de component door afwisselende blootstelling aan het corrosieve milieu (corrosie-vermoeiing),
zodat modellen opgesteld kunnen worden die de invloed van de oppervlakte topografie, degradatie door corrosie en vermoeiing, en het effect op de vermoeiingslevensduur, in de verschillende stadia van initiatie – korte scheurgroei – lange scheurgroei kunnen voorspellen, en dus gebruikt kunnen worden om een evaluatie te maken van de restlevensduur van een offshore monopile, als er lokale corrosie is waargenomen.
Figuur 1 : S-N curve voor tubular joints in air and in seawater with cathodic protection [1]
Figure 2 : Voorbeeld van transition piece, met coating
[1] DNVGL, DNVGL-RP-C203 Fatigue Design of offshore steel structures, 2019.