Cọc ống thép ngoại cỡ XXL-Slim Monopile dùng cho các Trang trại Điện gió Ngoài khơi

11/5/2020, Tạp chí Offshore WIND

Nguồn: Công ty Steelwind Nordenham. Biên dịch: Nguyễn Đức Toản

Cọc ống thép XXL-Monopiles cỡ lớn đã được sử dụng thành công ở những độ sâu nước biển tới 40 mét. Hiện nay các nhà phát triển trang trại điện gió cần phải có loại cọc Monopile “vượt cỡ XXL”.

Quá trình phát triển

Ralf Hubo và Alexander Morber, giám đốc điều hành của công ty Steelwind Nordenham nói: “Vào đầu thập niên 2010, không ai có thể hình dung rằng các Tuabin 10 MW và các cọc móng ống thép cỡ lớn XXL-Monopile lại sẽ được dùng nhiều tại các móng nhà máy điện gió ngoài khơi, còn hiện nay thì công nghệ đã tiến xa hơn thế rồi” –

Việc mở rộng dải ứng dụng là cần thiết, chủ yếu là để cho phép sử dụng các tuabin lớn hơn, ở vùng nước sâu hơn, và có các điều kiện môi trường biển khắc nghiệt hơn.

Hình 0a – Cọc ống thép cỡ lớn Monopile “Beyond XXL”: Trang trại điện gió Yunlin Offshore Wind Farm (Khối lượng: 1.732 t, Đường kính: 8 m, Chiều dài: 93 m); Nguồn: Steelwind Nordenham, FHI Corporation

Các lý do chính để thiết kế cọc ống thép Monopile:

• Tuabin lớn đến 15 megawatt với đường kính Rô-to lên tới 230 mét.
• Tải trọng gió rất lớn, đặc biệt là khi có bão và lốc xoáy.
• Chiều sâu nước đến 65 mét.
• Tải trọng sóng biển của vùng Đại Tây Dương và Thái Bình Dương.

Hình 0b – Tuabin IEA 15-MW lắp đặt trên cột cao 150 mét phía trên mặt nước biển, có đường kính rô-to 240m. Đồ họa của Joshua Bauer, NREL

Những yêu cầu trên dẫn tới việc thiết kế cọc ống thép Monopile với đường kính đáy từ 8 – 11 mét, chiều dài tới 120 mét và bề dày thành ống đến 150 mm. Khối lượng của các cọc ống thép đó có thể lên tới 2400 tấn.

Thiết kế cọc ống thép Monopile này đòi hỏi phải có ý tưởng tối ưu hóa thiết kế và chế tạo, nhằm đảm bảo rằng các cọc Monopile đó tiếp tục dẫn đầu các hệ thống trụ móng kinh tế nhất.  

Một trong những chủ đề cần thảo luận là việc giảm trọng lượng của cọc Monopile. Ngoài việc sử dụng thép cường độ cao hơn trong một số ống có ứng suất cao, thường thì các khía cạnh thiết kế bền mỏi đang làm cản trở việc sử dụng rộng rãi loại thép này. Một lựa chọn khác giúp giảm khối lượng ống là tăng tỷ lệ đường kính/chiều dày thành ống Ø/t, để có các cọc Monopile “thanh mảnh” hơn. Ý tưởng này đòi hỏi phải có các phân tích chi tiết về tính toán thiết kế, cũng như các khía cạnh sản xuất. “Toàn bộ quá trình chế tạo phải được điều chỉnh để sản xuất được một cách kinh tế và an toàn loại cọc Monopile mảnh hơn, có tên là XXL-ngoại cỡ”.   

Các phân tích thiết kế

Đã thực hiện các nghiên cứu thiết kế với các điều kiện khác nhau về chiều sâu nước biển, điều kiện địa chất đáy biển, và các tải trọng tuabin lớn tới 15MW, với các yêu cầu về độ cứng cọc ống riêng biệt.

Thiết kế cọc truyền thống thường dùng các tỷ lệ độ mảnh là Ø/t = 100 đến 120, do bởi các lý do thi công đóng cọc. Điều này có thể dẫn đến khối lượng cọc vượt quá 2.400 tấn, trong khi tỷ lệ hữu dụng trong trạng thái vận hành lại chỉ dưới 65%. Trong các nghiên cứu của chúng tôi, tỷ lệ độ mảnh Ø/t được thay đổi từ 100 – 190.

Kết quả cho thấy các cọc Monopile với tỷ lệ độ mảnh tới 160 là khả thi về mặt thực tế, và có thể áp dụng được cho các vùng nước sâu và tuabin lớn. Đường kính có thể đạt tới 11 mét và khối lượng cọc có thể lên tới 2.000 tấn dưới những điều kiện nhất định.

Sau khi thực hiện nhiều phép phân tích khả thi về mặt thiết kế, có hai câu hỏi được đặt ra:

• Làm thế nào để chế tạo loại cọc mảnh ngoại cỡ XXL này?
• Làm sao để vận chuyển loại cọc mảnh ngoại cỡ XXL đó?

Các nghiên cứu về mặt chế tạo

Việc chế tạo các cọc Monopile bắt đầu bằng các tấm thép phẳng được uốn nguội thành các đoạn ống. Ống thép phải được đặt trên các điểm gối đỡ thích hợp để không bị phá hoại. Ảnh bên trái trong Hình 1 thể hiện một sự phân bố ứng suất điển hình gây bởi tĩnh tải (ống thép có độ mảnh là 160, sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn FEM).

Ứng suất vòng/tiếp tuyến và uốn cục bộ tăng lên theo độ mảnh nếu độ mảnh vượt quá Ø/t = 100. Khoảng cách của các gối đỡ con lăn từ mép của ống thép và bề rộng của gối đỡ con lăn đóng một vai trò lớn trong việc tránh ứng suất dẻo. Mặt khác, các ứng suất Hertz tại diện tích tiếp xúc giữa ống thép và gối con lăn cũng phải được xem xét khi sử dụng gối con lăn thép.

Hình 1: Khối lượng đoạn ống cho phép trên một gối con lăn trong tương quan với ứng suất cục bộ

Biến dạng uốn có thể xảy ra do trọng lượng bản thân cũng như khi đặt trên gối con lăn. Hình 2 cho thấy độ uốn lớn nhất của đoạn ống thép đặt trên gối con lăn, phụ thuộc vào đường kính và độ mảnh của ống. Ống càng có độ mảnh lớn thì hiệu ứng này càng gây ra vấn đề trong quá trình lắp ráp cọc về sau. Các kết cấu chống đỡ bổ sung là cần thiết để giữ được hình dạng tròn của ống thép.

Hình 2: Độ uốn võng lớn nhất của cọc ống khi đường kính và độ mảnh tăng dần

Vận chuyển và xếp giữ

Các đoạn cọc ống được vận chuyển trong quá trình chế tạo, thường bằng cần cẩu và dầm C. Tương tự với tình huống đặt trên gối con lăn, trọng lượng tĩnh của đoạn ống gây ra các ứng suất uốn cục bộ lớn tại đường tiếp xúc với dầm-C ở đó biến dạng dẻo có thể xảy ra đặc biệt là với các cấu kiện mảnh.

Hình 3 thể hiện kết quả tính toán cho trường hợp tải trọng này, được thực hiện cho các đoạn ống có đường kính từ 10 đến 12m. Rủi ro của biến dạng dẻo là đã tồn tại với các tỷ số độ mảnh trung bình. Thiết bị cẩu nâng phải được điều chỉnh tương ứng theo cách thích hợp.

Hình 3: Tính toán độ mảnh giới hạn của đoạn ống thép khi được cẩu bằng dầm C

Kết cấu đỡ trong các bước chế tạo tiếp theo cũng đã được phân tích. Các đoạn ống ở giữa và các cọc Monopile lớn hơn 600 đến 1200 tấn thường phải được kê đỡ tại hai hay nhiều điểm.

Tham khảo Hình 4 để biết về vị trí tối ưu của các gối đỡ cho các cọc Monopile nặng, nhằm tạo ra các phản lực gối đồng đều (có lợi). Đặc biệt là với các điểm gối kê ở gần các đoạn chuyển tiếp hình côn với hiệu ứng tăng cứng của côn, gây ra các ứng suất cao hơn tại các điểm gối đó.

Hình 4: Các vị trí tối ưu của điểm gối đỡ cho các cọc Monopile nặng

Như trình bày bởi các ví dụ nói trên, việc hoạch định kỹ càng cho các hoạt động chế tạo, vận chuyển và lưu giữ cọc là cần thiết đối với các cọc ống ngoại cỡ mảnh XXL. Điều này đòi hỏi cần có dự trù “tiền chế tạo” chi tiết để tránh hư hỏng/thiệt hại về sau.

Cọc Monopiles XXL cần tới sự làm việc đồng đội

Việc thiết kế các cọc mảnh và lớn ngoại cỡ XXL là khả dĩ. Một số “điều kiện ngẫu nhiên” mới cho việc chế tạo sau đây sẽ phải được tôn trọng:

• Chú ý đến loại gối đỡ và vị trí kê gối
• Chú ý đến các thiết bị nâng chuyển
• Chú ý đến các cấu kiện chống đỡ tăng cứng bổ sung
• Chú ý đến các điều kiện vận chuyển và lưu giữ đặc biệt

Nếu không được chú ý cẩn thận, các điều kiện ngẫu nhiên mới về chế tạo có thể dẫn đến sự phá hoại nghiêm trọng. Việc đầu tư lớn thường là cần thiết cho việc điều chỉnh các quá trình sản xuất cho tới quá trình lắp đặt.

Cả các khoản đầu tư và thời gian chế tạo tăng thêm có thể gây ra sự gia tăng chi phí đáng kể. Chỉ có thể tìm được sự cân bằng nếu quá trình chế tạo là một phần không thể tách rời của giai đoạn thiết kế, càng sớm càng tốt. Nếu tuân thủ những điều đó, thì việc thiết kế và sản xuất các cọc ngoại cỡ XXL sẽ là một câu chuyện thành công tiếp nối của loại cọc Monopile.

Ảnh: Steelwind Nordenham, FHI Corporation

Biên dịch: Nguyễn Đức Toản (ngdtoan@gmail.com)

11/8/2020