Fraunhofer: İlk Alman offshore rüzgâr çiftliğinin izlenmesi

Genel Bakış

Bir offshore rüzgâr türbinini taşıyan çelik yapı, yirmi yılı aşan hizmet ömrü boyunca sürekli değişen rüzgâr ve dalga yüklerine, tuzlu su korozyonuna ve sayısı milyonları bulan yükleme çevrimine maruz kalır. Bu yapıların tasarım varsayımlarının doğru olup olmadığı ancak sahada, gerçek koşullarda ölçülerek anlaşılabilir.

Araştırmacıların; offshore rüzgâr türbinlerinin jacket taşıyıcı yapılarının — yeni döküm düğüm tasarımları dahil — rüzgâr, dalga ve korozif tuzlu su kaynaklı uzun süreli ve aşırı yüklere dayanıp dayanamayacağını doğrulaması, ayrıca elektriksel ve optik ölçüm teknolojilerini bu zorlu deniz ortamında test etmesi gerekiyordu.

Deniz altında ölçmenin zorlukları

Bir laboratuvar ölçümünde birkaç gün dayanması beklenen bir gerinim ölçer kurulumu, burada yıllarca çalışmak zorundadır. Bu farkı yaratan kısıtlar şunlardır:

• Nem ve tuzlu su: Gerinim ölçümünde nem, yalıtım direncini düşürerek sinyali yavaşça kaydırır. Tuzlu su bu etkiyi hızlandırır ve korozyon ekler.
• Erişilemezlik: Su altındaki bir ölçüm noktasına bakım için gitmek pratikte mümkün değildir; kurulum ilk seferde doğru yapılmalıdır.
• Sürekli çevrimli yükleme: Dalga ve rüzgâr yükleri hiç durmaz; ölçüm noktası da yapı kadar yorulmaya maruz kalır.
• Uzun kablo mesafeleri: Ölçüm noktaları ile veri toplama kabini arasındaki mesafe, sinyal bütünlüğü açısından ayrı bir tasarım problemidir.

Bu koşullarda tek bir ölçüm teknolojisine güvenmek risklidir; bir teknoloji zamanla bozulursa doğrulama imkânı kalmaz.

Yaklaşım

HBK, kritik gerilim bölgelerine çift teknolojili bir yaklaşımla (elektriksel gerinim ölçerler ve fiber Bragg-grating optik sensörler) yaklaşık 70 ölçüm noktası kurdu; veriler MGCplus amplifikatörleri ve optik interrogatörlerle toplanıp catman yazılımında yönetildi. Her ölçüm noktası, 40 metreye varan derinlikte yıllarca sürekli çalışmaya dayanacak şekilde çok katmanlı olarak yalıtıldı.

İki teknoloji, iki farklı güçlü yan

Elektriksel gerinim ölçerler ile fiber Bragg-grating (FBG) sensörler aynı büyüklüğü ölçer, ancak farklı fizik prensiplerine dayanır ve farklı zayıflıkları vardır. İkisini birlikte kullanmak, bu zayıflıkların örtüşmemesini sağlar.

FBG sensörlerin bu uygulamadaki en belirgin avantajı kablolamadır. Tek bir optik fiber üzerine farklı dalga boylarında çalışan çok sayıda sensör dizilebildiği için, onlarca ölçüm noktası için gereken kablo hacmi ciddi biçimde azalır. Su altına giden her ek kablonun sızdırmazlık noktası demek olduğu düşünülürse, bu sadeleşme doğrudan güvenilirlik kazancıdır.

Fiber optik gerinim ölçüm çözümleri fiber optik gerinim ölçerler kategorisinde, interrogatör tarafındaki sistemler ise optik ölçüm sistemleri altında yer alır. Elektriksel taraf için gerinim ölçerler ve çok kanallı MGCplus amplifikatörleri kullanılır.

Çok katmanlı yalıtım: kurulumun belkemiği

Su altındaki bir gerinim ölçüm noktasında belirleyici olan, ölçerin kendisi değil üzerine uygulanan koruma katmanlarıdır. Tek bir kaplama malzemesi, hem mekanik zorlamaya hem uzun süreli nem difüzyonuna hem de tuzlu su kimyasına aynı anda dayanamaz.

Bu yüzden katmanlı bir yapı kurulur: yüzeye en yakın katman ölçeri mekanik olarak sabitler ve ilk nem bariyerini oluşturur; ara katmanlar difüzyonu yavaşlatır; dış katman ise mekanik darbeye ve deniz suyuna karşı koruma sağlar. Kablo çıkış noktası özellikle kritiktir, çünkü nemin en kolay bulduğu yol kablo boyunca ilerleyen kılcal geçiştir.

Kurulum kalitesinin sahada doğrulanması da bu aşamada yapılır. Yalıtım direncinin ölçülmesi, kurulumun tamamlanıp tamamlanmadığını gösteren en pratik göstergedir ve yapı suya indirilmeden önce mutlaka kaydedilmelidir. Uygun yapıştırıcı ve kaplama malzemeleri için gerinim ölçer aksesuarları kategorisine bakabilirsiniz.

Statik ve dinamik davranışı birlikte izlemek

Yapı sağlığı izlemede iki farklı zaman ölçeği ilgi çeker. Statik tarafta, mevsimsel sıcaklık değişimleri, kalıcı deformasyon ve zemin oturması gibi çok yavaş değişimler izlenir; burada ölçümün uzun dönem kararlılığı ve sıfır sürüklenmesi belirleyicidir. Dinamik tarafta ise dalga ve rüzgâr kaynaklı çevrimler, yapının doğal frekansları ve aşırı yük olayları kaydedilir.

Dinamik verinin en değerli çıktısı, yapının doğal frekanslarının zaman içindeki seyridir. Bir çatlağın ilerlemesi ya da bir bağlantının gevşemesi, rijitliği düşürerek doğal frekansı kaydırır; bu kayma, gözle görülür bir hasar ortaya çıkmadan önce sinyalde belirir. Çevrim verisi ise yorulma değerlendirmesinin doğrudan girdisidir: ölçülen gerinim zaman serisinden çevrim sayımı yapılarak, döküm düğümlerin gerçek yük spektrumu çıkarılır ve tasarım varsayımlarıyla karşılaştırılır.

Verilerin toplanması ve yönetilmesi tarafında catman yazılımı kullanılır; yorulma analizi için nCode ailesi bu tür uzun süreli veriyle çalışmak üzere geliştirilmiştir.

Kullanılan HBK çözümleri:

• MGCplus amplifikatörleri

• Gerinim ölçerler

• Fiber Bragg-grating optik sensörler ve interrogatörler

• catman yazılımı

Sonuçlar

Sistem, jacket yapısının statik ve dinamik davranışını başarıyla izledi ve Fraunhofer'e periyodik analiz için tuzlu suya dayanıklı, uzun süreli veri sağladı; böylece offshore rüzgâr enerjisi altyapısının değerlendirilmesi için doğrulanmış bir metodoloji oluşturuldu.

Metodolojinin doğrulanmış olması, tek bir projeden daha geniş bir kazançtır: sonraki offshore projelerinde hangi noktaların ölçüleceği, hangi yalıtım yapısının kullanılacağı ve verinin nasıl değerlendirileceği artık deneyime dayanarak planlanabilir.

Aynı yaklaşımı kendi yapınıza taşımak

Bu vakadaki üç ilke, denizde olmayan yapılar için de geçerlidir. Birincisi, erişilmesi zor noktalarda iki bağımsız ölçüm teknolojisi kullanmak. İkincisi, yalıtımı sensör seçimi kadar ciddiye almak ve kurulumu yalıtım direnci ölçümüyle doğrulamak. Üçüncüsü, statik ve dinamik veriyi birlikte saklayıp doğal frekans seyrini bir sağlık göstergesi olarak izlemek.

Yapı sağlığı izleme uygulamalarına yönelik sistem yaklaşımı için yapısal sağlık izleme çözümleri sayfasına, gerinim ölçüm zincirinin temelleri için gerinim ölçer temelleri yazımıza bakabilirsiniz.

Projeye başlamadan önce ölçüm noktalarının yapı üzerindeki dağılımını, tasarım ekibinin kritik gördüğü bölgelerle birlikte belirlemek gerekir. Yalnızca en yüksek gerilim beklenen noktaları donatmak yeterli değildir; düşük gradyanlı bir referans noktası, yıllar içinde sensörlerin sürüklenip sürüklenmediğini anlamanın en pratik yoludur. Bu referans noktası, uzun süreli izleme projelerinde verinin güvenilirliğini sınamak için kullanılır.

Ne yapmalı

Uzun süreli bir izleme projesi planlıyorsanız, ölçüm noktası sayısını belirlemeden önce erişilebilirlik haritasını çıkarın. Bakımı mümkün olmayan noktalarda yedeklilik ve fiber optik teknolojisi öne çıkarken, erişilebilir noktalarda daha ekonomik elektriksel çözümler yeterli olabilir.

Projenizin ölçüm mimarisini birlikte kurgulamak için bizimle iletişime geçebilirsiniz.

Kaynak: HBK — Fraunhofer offshore