Como estão evoluindo os tipos de acessórios flangeados para projetos de energia eólica offshore?

Por que o vento offshore está levando os acessórios para tubos flangeados ao seu limite

A infraestrutura de energia eólica offshore opera num dos ambientes mais hostis que qualquer sistema projetado deve suportar. A pulverização constante de água salgada, a imersão das marés, os ciclos de temperaturas extremas, as fortes cargas estruturais induzidas pelo vento e a incansável atividade de incrustação biológica do ambiente marinho conspiram para degradar componentes que durariam décadas numa instalação onshore benigna. Entre os componentes mais criticamente estressados ​​em qualquer plataforma eólica offshore estão os acessórios de tubulação flangeados que conectam linhas de controle hidráulico, circuitos de água de resfriamento, sistemas de conduítes de cabos, peças de transição monopilha e conjuntos de proteção de cabos de exportação submarinos. À medida que as capacidades das turbinas sobem para 15 MW e mais, e à medida que os projetos avançam para águas mais profundas e locais mais expostos do Atlântico e do Pacífico, as exigências impostas a cada tipo de acessório flangeado no sistema aumentam correspondentemente. A indústria está respondendo com inovações significativas em materiais, geometria, tecnologia de vedação e metodologia de instalação que estão remodelando fundamentalmente a aparência dos acessórios para tubos flangeados e seu desempenho no serviço eólico offshore.

O principal desafio: corrosão em todos os tipos de conexões flangeadas

A corrosão é o mecanismo de degradação dominante para acessórios para tubos flangeados em aplicações eólicas offshore e opera através de vários caminhos simultâneos que complicam a seleção de materiais e estratégias de revestimento protetor. A corrosão superficial uniforme provocada pelo ataque de íons cloreto é a forma mais visível, mas a corrosão em frestas – ataque eletroquímico concentrado na geometria confinada de uma folga na face do flange ou sob a cabeça de um parafuso – é frequentemente mais destrutiva porque progride despercebida até que a integridade estrutural já esteja comprometida. A corrosão galvânica ocorre sempre que metais diferentes estão em contato elétrico através de um eletrólito condutor, tornando a interface entre acessórios de tubos flangeados de aço carbono e fixadores de aço inoxidável uma preocupação especial na zona de respingos.

A resposta tradicional – acessórios para tubos flangeados de aço carbono com galvanização por imersão a quente ou revestimentos de alumínio pulverizado termicamente – está se mostrando inadequada para a vida útil de projeto de 25 a 30 anos agora exigida pelos financiadores de projetos eólicos offshore. Os sistemas de revestimento que apresentam um desempenho aceitável nas águas frias e relativamente rasas do Mar do Norte apresentam degradação acelerada nas condições mais quentes e corrosivas dos projetos propostos no Mar da China Meridional, no Golfo do México e nas costas da Austrália e do Brasil. Esta expansão geográfica da energia eólica offshore é um dos principais impulsionadores que impulsionam a indústria em direção a materiais de encaixe de tubos flangeados fundamentalmente mais resistentes à corrosão, em vez de depender de revestimentos protetores em vez de aços convencionais.

Evolução dos Materiais: Do Aço Carbono às Ligas Duplex e Super Duplex

A mudança de material mais significativa atualmente em andamento em acessórios para tubos flangeados eólicos offshore é a transição de aço carbono para graus de aço inoxidável duplex e super duplex para aplicações na zona de respingo e zonas submersas de fundações monoestacas e estruturas de revestimento. Os aços inoxidáveis ​​duplex — especialmente os graus 2205 (UNS S31803) e 2507 (UNS S32750) — oferecem uma combinação de resistência à corrosão e resistência mecânica que os torna atraentes para aplicações de conexões flangeadas onde ambas as propriedades são exigidas simultaneamente.

Classes super duplex como 2507 fornecem números equivalentes de resistência à corrosão por pites (PREN) acima de 40, que é amplamente considerado o limite para resistência confiável à corrosão por pites induzida por cloreto em serviços de água do mar. Para conexões de tubos flangeadas em locais permanentemente submersos ou em zonas de marés, esse nível de resistência à corrosão inerente elimina a carga de manutenção associada à inspeção de revestimento, reaplicação e gerenciamento do sistema de proteção catódica que os sistemas de aço carbono exigem durante toda sua vida operacional.

As ligas de níquel, especialmente a liga 625 (UNS N06625) e a liga C-276 (UNS N10276), são cada vez mais especificadas para as posições de serviço mais agressivas – particularmente acessórios para tubos flangeados submarinos em sistemas de proteção de cabos de exportação e conjuntos de vedação de tubo J, onde qualquer acesso para manutenção em serviço é efetivamente impossível. O maior custo do material destas ligas é justificado pela quase eliminação do risco de corrosão durante toda a vida útil do projeto.

Evolução dos tipos de acessórios flangeados para aplicações estruturais eólicas offshore

Além das mudanças nos materiais, o projeto geométrico dos tipos de acessórios flangeados está evoluindo para enfrentar os desafios estruturais e de instalação específicos da energia eólica offshore. Várias categorias distintas de conexões flangeadas estão passando por um desenvolvimento ativo e refinamento neste setor.

Flanges de peças de transição rebocadas e com ajuste por interferência

A ligação entre a fundação monoestaca e a peça de transição da torre tem dependido historicamente de ligações cimentadas em vez de acessórios de tubos flangeados aparafusados. No entanto, a degradação documentada da argamassa nos primeiros projectos do Mar do Norte conduziu a uma mudança para ligações directas de flange aparafusadas nesta interface. Esses acessórios estruturais para tubos flangeados de grande diâmetro – muitas vezes excedendo 6 metros de diâmetro para as mais recentes monoestacas de turbina de 15 MW – apresentam desafios únicos de fabricação e tensionamento de parafusos. Novos projetos de ferramentas de tensionamento hidráulico e sistemas digitais de monitoramento de carga de parafusos estão sendo desenvolvidos especificamente para obter compressão uniforme da junta através dessas enormes faces de flange durante a instalação offshore em condições marítimas.

Projetos de flange compactos e leves para tubulação superior

Dentro da peça de transição e da nacela da turbina, o peso é uma restrição crítica do projeto porque cada quilograma adicionado ao topo da torre aumenta a carga de fadiga na fundação e na estrutura da torre durante a vida operacional da turbina. Conexões compactas para tubos flangeados — projetos que atingem a classificação de pressão exigida e desempenho de vedação em um envelope menor e mais leve do que os flanges tradicionais de face elevada ASME B16.5 ou EN 1092-1 — estão ganhando força significativa. Os sistemas de flange compactos que usam anéis de lente ou juntas metálicas de perfil de lente podem atingir as mesmas classificações de pressão que os tipos de acessórios flangeados padrão em aproximadamente 30-50% do peso, uma diferença que tem implicações estruturais e de custo significativas quando multiplicada por centenas de conexões em uma grande turbina eólica offshore.

Conexões flangeadas submarinas com sistemas de vedação integrados

Para aplicações de proteção de cabos de exportação e gerenciamento de cabos entre matrizes no fundo do mar, as conexões de tubos flangeadas devem atingir desempenho estanque, sem qualquer possibilidade de acesso de mergulhador ou manutenção de ROV durante a vida operacional do projeto. Isso está impulsionando o desenvolvimento de tipos de conexões flangeadas com sistemas de vedação secundária integrados – normalmente vedações de face elastoméricas combinadas com suportes de juntas de anel metálico – que fornecem barreiras de vedação redundantes em um único conjunto compacto. Os sistemas de conectores clamp-hub derivados da tecnologia submarina de petróleo e gás estão sendo adaptados e qualificados para aplicações de proteção de cabos eólicos offshore, oferecendo conexões rápidas instaláveis ​​em ROV que eliminam a sequência convencional de montagem de flange aparafusada que é impraticável em profundidade.

Comparando padrões de encaixe flangeados aplicados em projetos eólicos offshore

Os projetos eólicos offshore baseiam-se em acessórios para tubos flangeados especificados de acordo com vários padrões internacionais, dependendo da tarefa de serviço, da classe de pressão e do mercado geográfico. Compreender qual padrão se aplica a cada aplicação é essencial para que as equipes de compras e os engenheiros de projeto garantam a compatibilidade e a conformidade regulatória.

Inovações em instalação e tensionamento de parafusos para condições offshore

Mesmo os acessórios para tubos flangeados mais bem projetados falham em serviço se não forem montados corretamente durante a instalação. A instalação eólica offshore apresenta desafios únicos a este respeito – as ligações devem muitas vezes ser feitas em condições de mar exposto, por pessoal que trabalha em espaços restritos dentro de peças de transição ou em embarcações de instalação flutuante sujeitas ao movimento da embarcação. O tensionamento incorreto dos parafusos é uma das principais causas de vazamento em conexões flangeadas em serviços offshore, e as consequências de um vazamento em um sistema de controle hidráulico ou circuito de água de resfriamento dentro de uma turbina são graves em termos de disponibilidade da turbina e custo de acesso para reparo.

Várias inovações estão abordando esse desafio diretamente:

• Ferramentas digitais de tensionamento hidráulico com células de carga integradas e registro de dados sem fio agora permitem que a carga de parafuso alcançada em cada pino de um conjunto de acessórios para tubos flangeados seja registrada e verificada em relação às especificações de engenharia em tempo real, criando um registro de instalação rastreável para cada conexão.
• Medição de carga de parafuso ultrassônico o uso de instrumentos portáteis que medem acusticamente o alongamento dos parafusos fornece um método não invasivo para verificar a tensão dos parafusos em acessórios de tubos flangeados montados durante o comissionamento e subsequentes visitas de inspeção sem a necessidade de desmontagem.
• Módulos de conexão flangeados pré-montados fabricados e testados sob pressão em terra sob condições controladas de oficina e depois instalados no mar como unidades completas, reduzem o número de conexões de flange individuais feitas no ambiente offshore e melhoram a garantia geral de qualidade do sistema instalado.
• Sistemas de fixação resistentes à corrosão o uso de pinos de aço inoxidável super duplex ou liga 718 com porcas revestidas de PTFE elimina os problemas de escoriações e gripagem que tornam extremamente difícil a desmontagem de acessórios para tubos flangeados fixados convencionalmente após anos de exposição offshore.

O caminho a seguir: monitoramento digital e manutenção preditiva para acessórios para tubos flangeados

A próxima fronteira para acessórios de tubos flangeados na energia eólica offshore é a integração da tecnologia de detecção incorporada que permite que a condição estrutural e de vedação de conexões críticas seja monitorada continuamente sem inspeção manual. Sensores de emissão acústica incorporados nos corpos dos flanges podem detectar os sinais característicos de vazamento na junta ou relaxamento da carga do parafuso em um estágio inicial, antes que qualquer fluido do processo escape para o ambiente. Conjuntos de extensômetros ligados a parafusos de flange fornecem dados contínuos de carga de parafuso que podem ser transmitidos através do sistema SCADA da turbina para centros de monitoramento em terra, permitindo o agendamento de manutenção preditiva com base nas condições reais medidas, em vez de intervalos de tempo fixos.

Estas capacidades alinham-se estreitamente com a estratégia mais ampla de digitalização seguida pelos principais operadores eólicos offshore que procuram reduzir a frequência e o custo das visitas de manutenção offshore - cada uma das quais requer a mobilização de embarcações, transferência de pessoal e potencial encerramento de turbinas. À medida que os tipos de acessórios flangeados continuam a evoluir em termos de materiais, geometria e inteligência incorporada, eles estão fazendo a transição de componentes básicos para sistemas projetados que desempenham um papel ativo na confiabilidade e na economia operacional da infraestrutura de energia eólica offshore.