Balmoral Fibreflex CSP。

苏珊·克劳斯(Susan Kraus)插图

  • FRP机械锁住连接端,而不是依赖不可预测的PU键合。
  • 轴向拉力增加200%,弯曲刚度增加150%,提高了在波涛汹涌的海面上的控制能力。
  • 减少蠕变提高了疲劳寿命,保证了性能
    风野的生活。
  • 无需重新确定新的PU材料而实现的改进。

根据美国风能协会的数据,海上风力发电已从2009年占全球风力涡轮机装机容量的1%增长到2019年的10%以上,装机容量为61亿瓦2020年报告由全球风能委员会。当年度安装达到21.5 GW时,该百分比估计到2025年。到2030年,预计的安装将超越31 GW,这将基于12-15兆瓦(MW)型号为2024的串行生产的12-15兆瓦(MW)模型转化为2,060至近2,600辆涡轮机安装。

海上风力涡轮机提供无碳,公用规模的发电,与煤炭和天然气越来越竞争。自2012年以来,海上风电力(LCoE)的调查价格下降了67.5%至每兆瓦的84美元,预计凭借较大的涡轮机和GW规模项目,预计将达到每MW-HOUP达58美元。

然而,建造和安装这样的庞然大物只是挑战的一部分。每个涡轮机还必须通过高压电缆(33或66千伏)连接到海上变电站,然后连接到陆上电网。当这些海底电缆离开风力涡轮机单桩地基并弯曲到海底时,它们必须受到保护,因为它们通常被覆盖在海底。此外,电缆保护系统必须能够抵抗海水和海底压力、洋流和风暴的过度弯曲以及单桩基础周围岩石桩的磨损,以确保电缆中的电力不会中断。此外,电缆损坏的修复将是困难和耗时的,因此维护必须保持在最低限度。

巴尔莫勒尔(苏格兰阿伯丁)是一家领先的产品设计和制造公司,成立于1980年。虽然以满足极端需求的石油和天然气行业,该公司已经有很长的历史在玻璃纤维增强聚合物(GFRP)和先进的复合产品的产业,包括水箱、风力涡轮叶片、波浪和潮汐能组件,水下树组件和保护封面,用于海上管柱和专用大批量模塑件的导向器和扶正器。

“我们必须了解产品的疲劳性能和长期老化特性,包括紫外线、温度、水解和水热老化。”

Balmoral FibreFlex是该公司为海上风电领域的海底电力电缆开发的新型高性能保护系统。该公司的创新玻璃纤维晶格由机器人卷取机生产,增强了弹性聚氨酯基体,并机械锁定在每个部分的末端连接器。与非增强聚氨酯系统相比,这种设计实现了200%的抗拉强度和150%的抗弯刚度的提高,并显著提高了疲劳和抗蠕变性能,确保了在越来越难以预测的海洋环境中使用20年或更长时间。同样重要的是,这种复合设计能够通过自动化生产过程满足最大电力输送的热要求和风能行业的成本要求。

玻尔莫拉纤维电缆保护系统试验台。

极端环境下的可靠性。Balmoral的专利纤维增强聚氨酯纤维电缆保护系统(如图所示,正在该公司的测试平台上进行测试)提高了刚度和疲劳,以更好地保护海底电缆,特别是在恶劣的天气中,能够承载海上风力涡轮机的电力。所有图片的图片说明:巴尔莫勒尔

仅仅增加纤维是不够的

巴尔莫勒尔公司工程和项目总监米尔恩(Fraser Milne)表示:“我们为油气行业做了大量电缆保护工作,并看到可再生能源领域的需求日益增长。”“FibreFlex的产品是通过收购一家开发了该产品但无法让该技术正常工作的公司而获得的。我的想法是添加纤维,让它更结实,这就等于更好。”然而,正如巴尔莫勒尔公司产品研发经理Aneel Gill博士解释的那样,“他们使用的纤维实际上使产品在强度方面相当脆弱。因此,我们必须通过实验室工作和测试来了解产品的性能和局限性。”

“我们研究了疲劳性能和刚度,这是绝对关键的设计参数,”Gill继续说道。“纤维如何影响聚氨酯的刚度是非常重要的。我们必须了解产品的疲劳性能和长期老化特性,包括紫外线、温度、水解和水热老化。”他指出,疲劳影响纤维/聚氨酯复合材料的刚度轮廓。“我们还必须了解生产过程是如何影响性能的——例如,用聚氨酯润湿纤维,这是关键,”吉尔说。

最后,Balmoral对玻璃纤维/聚氨酯复合材料进行了完整的表征。这些纤维、聚合物和复合材料的测试都是在公司自己的实验室现场进行的。吉尔指出:“这种复合材料没有数据表。”“虽然我们使用的聚氨酯是热固性的,但它与他们在复合钢板弹簧中使用的弯曲剖面光谱的另一端。大多数复合材料测试房通常不工作与这样的弹性体,而弹性体测试房不工作与纤维增强复合材料。所以,我们将两个世界结合在一起,每个世界在如何设计材料和失效模式上完全不同,但在如何处理制造方面也完全不同。我们将两者结合起来创造出一种比两部分相加更好的东西,这是一件好事。”但这也需要大量的前期工作,然后需要更多的工作来理解如何使用这种优越的性能来优化设计。

重新设计FibreFlex来执行

一旦巴尔莫尔理解复合材料,那么它必须返工设计的设计,以实现它想要实现的性能。“暴风雨,波浪和电流移动这些海底电缆,”吉尔说。“我们的工作是保护电缆从超过ULS(终极极限状态)的过度,例如,在100年的风暴中。越来越多的电缆保护系统中的刚度使电缆更加难以移动。这也增加了对其曲率的控制,防止扭结并弯曲并提高其疲劳寿命。

“因此,我们希望设计能够提供良好的轴向性能和扭转刚度,”他继续说道。“因此,我们使用了一种纤维晶格,类似于编织软管的方式。”米尔恩解释说,这种纤维晶格是用巴尔莫勒尔公司开发的机器人制造的曼氏金融科技(阿根廷,法国)将纤维缠绕在±45°方向。

Gill强调说:“这提供了我们想要的抗屈曲和刚度,但壁厚非常薄。”为什么这很重要?“因为电缆保护系统有效地将一个大型绝缘体放置在电力电缆上,从而产生热量。保护层越厚,它吸收的热量就越多,这就会限制它的输电能力。因此,知道如何设计光纤技术可以让我们在保护电缆的同时保持其性能。我们的设计还允许运营商在必要时在我们的线路上安装压载,不会出现长期蠕变破裂等问题。”Gill说。纤维增强限制了蠕变破裂的影响,蠕变破裂是未增强聚氨酯保护系统的一种已知的失效模式。

“现在我们看到了朝着复合材料的大量运动。我们了解复合材料可以为他们做些什么以及如何开发能够提供所需性能和成本的设计。“

机器人缠绕的纤维晶格Balmoral设计的设计增加了另一个关键的设计优势。Fibreflex电缆保护是在4米或5米长的段中产生的,然后加入形成连续软管,海底电力电缆螺纹。连接是由双链体制成的女凸缘的男性(奥氏体铁素体)不锈钢,保证提供数十年的水下性能。这些都通过纤维晶格集成到每个软管段中。“每个法兰有40到50个手指,”Milne解释道。他说:“我们的机器人将把纤维从管道的一端穿到另一端,抓住每一个手指,形成晶格。因此,法兰被机械地附着在纤维上,而不是粘接在一起。”

完成的巴尔莫勒尔纤维电缆保护系统段。

水下的解决方案。成品Balmoral fiberflex电缆保护系统段,集成不锈钢内外法兰端管件。

吉尔解释说,这创造了一种非常健壮的产品,同时降低了风险。“传统的保护系统通常会将末端接头与未加固的聚氨酯粘合在一起,”他指出。“所以,如果你有一块伸长率可能达到100%或200%的可锻塑料,那么你必须将它与不锈钢基板结合。这带来了一系列问题,包括对表面处理的严格控制,确保所有底漆都与所使用的聚氨酯类型兼容,然后为客户进行测试,确认这种粘合剂在水下环境中可以持续使用30年。如果我们完全消除对这种关系的依赖,我们就消除了所有风险。”

吉尔承认,一种替代方案是机械附着在不锈钢法兰上。他说:“有一些方法可以做到这一点,但你会引起其他问题,比如大型压力源,聚氨酯现在是在一个固定的锚点上。”“这可能会造成较高的应力集中,因此需要更大的截面来处理这些应力,但同时也会破坏必要的热性能。”

精密制造的商品成本

米尔恩说:“尽管巴尔莫勒尔公司主要是一家定制产品制造商,但我们理解风能行业所需的成本目标,这比油气行业更具挑战性。”“FibreFlex是一项昂贵的技术,我们必须通过智能设计和自动化制造实现商品化。”他指出,机器人绕线机不是径向编织机。“这是直接放置纤维。一旦我们将网格的两端连接起来,我们将其放入匹配的金属模具中,关闭模具,注入聚氨酯,使网格嵌入到聚合物中。”成品复合层压板有30毫米厚,而直径是从标准范围中选择的,以适应海上风电市场使用的各种电缆。

“该过程要求模具中的高精度控制,”Milne强调。“我们将模具加热至100°C,并且必须控制该温度以使聚氨酯粘度右浸渍纤维。”关于生产周期时间,GILL解释说:“在几分钟内注入,治愈和脱模。”他指出,与石油和天然气海底脐带早期的弹性含氟聚合物一起使用的过程次数相比,这确实非常短。“我们的流程速度取决于保持紧凑的过程控制,”Milne说。“我们在厂房和设备上投入了大量的钱,我们与所有聚氨酯和纤维制造商合作,以确保我们在正确的运营信封内。”

开拓品质,标准和新产品

fiberflex产品符合每个客户的规格要求。“石油和天然气中的聚合物产品有标准规格,”Gill说,“但这种产品是用于海上风能,而不是石油和天然气,它是一种纤维增强复合材料,而不是非增强聚合物。因此,我们将产品的鉴定建立在首要原则之上,基于风险的测试,然后根据客户的规格进行测试。例如,客户会来找我们,给我们设计和服务的信封。我们在如何将其转化为产品需求方面有丰富的经验和理解,以便根据其规格验证性能。”

fiberflex使用机器人卷绕器。

智能设计,自动化制造。Balmoral公司设计了FibreFlex,不仅可以在窄截面上提供必要的轴向和扭转刚度,还可以使用机器人卷绕器进行自动化制造,以满足海上风电行业对过程控制和低成本的挑战性要求。

他继续说道:“所有的疲劳和蠕变测试实际上都是在现场按照我们的规格进行的。“对于钢铁来说,这很容易;去图书馆,选择你的材料属性和测试标准。例如,对于S-N曲线来说,这是不存在的。我们必须创造这些。有复合测试标准,但没有专门针对可再生能源电缆保护系统的测试标准。这个行业还在发展,只是还没有到那个阶段。你必须有选择有效标准的经验,然后我们进行基于风险的测试,验证疲劳、弯曲、水解等。”

“在复合材料方面,我们不是只会一招的,”米尔恩说。“长期以来,我们一直在使用真空注射的标准GFRP井盖来保护水下井口和其他设备。它们的厚度超过100毫米,可以是12米乘8米或更大。我们还使用符合人体工程学的形状制作复合罐盖,使载荷都横向转移到法兰上,以减少厚度。因此,我们再次关注如何利用纤维和良好的设计,将这些罐盖的重量减少30%,罐盖直径可达36米。”

他说,虽然Fibreflex是可再生能源的第一个商业系列产品,但“我们也在大量上工作波能,潮汐能和其他风能应用。我们已经用各种供应商和我们做了很多开发过程,所有的工作都是复合材料。“他指出,很多这些新的可再生能源技术始于钢材的组件,但我们现在看到了朝着复合材料的大量运动。我们了解复合材料可以为他们做些什么以及如何开发能够提供所需性能和成本的设计。“

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