CÔNG NGHỆ HÀN TRIPOD CỦA TURBINE ĐIỆN GIÓ NGOÀI KHƠI

Double good jsc - tripod welding technology

Xu thế của ngành năng lượng điện gió

Ngành năng lượng sạch đang có xu thế phát triển ngày càng tăng không chỉ ở Việt Nam và ở hầu khắp các nước phát triển trên thế giới. Đặc biệt, năng lượng gió (Wind energy) đang được quan tâm và ưu tiên đầu tư lớn ở Nhật, Hàn Quốc, Trung Quốc, Úc,… Một số quốc gia ở Châu Âu (UK, Đức, Đan Mạch) và Mỹ… Năm 2015, chính phủ Việt Nam đã thông qua chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo 2016-2030 tầm nhìn 2050. Sắp tới, hàng loạt các dự án điện gió trên bờ và ngoài khơi (offshore) sẽ được thực hiện, như:

Dự án điện gió khu vực Bắc Trung bộ (Hướng Linh, Hướng Hiệp, TNC Quảng Trị, AMACCAO, Tân Hợp LIG Hướng Hóa, Hải Anh, Tài Tâm, Hoàng Hải, Trang trại phong điện HBRE, cụm trang trại điện gió B&T)…

Dự án điện gió khu vực Nam Trung bộ (Điện gió 7A, Đầm Nại, Lợi Hải, Ninh Thuận, Công Hải, Phước Hữu – Duyên Hải BIM), …

Điện gió khu vực Tây Nguyên (Ea Nam, Đăk Hòa, Chơ Long, Yang Trung, Hưng Hải Gia Lai, Ia Le, Nhơn Hòa…), …

Điện gió khu vực Tây Nam Bộ (Đông Hải, Hòa Bình, Hải Phong, Thạnh Phú, Sóc Trăng, Phú Cường)… 

Khác biệt với các dự án điện gió trên bờ, các dự án điện gió ngoài khơi đòi hỏi yêu cầu cao và nghiêm ngặt hơn về mặt kết cấu, đặc biệt là kết cấu phần chân đế cho cột điện gió. Bởi lẽ, các kết cấu này phải nằm sâu dưới mực nước biển và chịu các điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn so với các trụ điện gió làm việc trên bờ.

Phân loại chân đế trụ điện gió ngoài khơi (offshore support structure/ foundation)

Double Good JSC - foundation types - các dạng chân đế turbine gió
Các loại chân đế cho turbin gió ngoài khơi

Thông thường, các kết cấu trụ điện gió ngoài khơi (offshore wind) được biết đến với ưu thế tạo ra được nguồn năng lượng điện lớn hơn so với điện gió trên bờ (onshore wind) vì có nguồn năng lượng gió dồi dào hơn. Cấu tạo của kết cấu điện gió ngoài khơi bao gồm 3 phần chính: Phần Trụ điện gió (tower) nằm phía trên mặt nước biển, phần kết cấu chân đế (support structure) nằm ngay phía dưới mặt nước biển, và phần chân móng (foundation) liên kết phần chân đế với phần đáy biển. Một bài toán đặt ra cho các nhà sản xuất đó là chi phí sản xuất, lắp đặt phần kết cấu chân đế (support structure) với phần móng là một thách thức đối với các đơn vị sản xuất và thi công.

Để tối ưu lợi thế năng lượng gió ngoài khơi, các Turbine gần đây có xu hướng nâng cao công suất tới 8MW-12MW. Điều này cũng yêu cầu phần kết cấu chân đế cũng đòi hỏi phải có chiều dày lớn hơn. Thông thường, căn cứ theo công suất Turbine và phần chiều sâu mực nước của khu vực đặt trụ điện, người ta chia ra làm 3 nhóm chân đế cho cột điện gió phổ biến, đó là: Loại Monopile (vùng nước nông từ 10-30m), và loại Tripod hoặc Jacket Tripile cho những vùng biển có chiều sâu trên 30 – 60m. Ngoài ra, còn có một số dạng chân đế tự trọng (gravity based structure) sử dụng ở những vùng biển có địa thế chắc chắn hoặc một số dạng kết cấu nổi (floating structure) đã được nghiên cứu phát triển và đã được triển khai hạn chế trong một số dự án của Nhật, Đức, Đan Mạch…

Double Good JSC - Loads on Tripod - Các tải trọng tác động lên chân đế Tripod
Các tải trọng chính của môi trường tác động lên chân đế của turbin gió ngoài khơi

Mặc dù phần lớn các tiêu chí về thiết kế chân đế cột điện gió là giống với chân đế giàn khoan khai thác dầu khí. Nhưng các tải trọng tác động lên kết cấu chân đế cho điện gió thì khác so với chân đế giàn khoan. Theo tính toán có tới 31 loại tải trọng tác động lên chân đế của trụ điện gió cần phải tính tới khi thiết kế. Ngoài ra các yêu cầu về khả năng ứng dụng để kết nối lưới điện trong nông trại điện gió cũng khác so với yêu cầu của chân đế giàn khoan dầu khí. Vì vậy, các kết cấu chân đế cho trụ điện gió ngoài khơi sẽ phải thiết kế vừa đủ cứng vững để chịu được các loại tải trọng, vừa phải tính toán tới việc thuận lợi cho gia công và lắp đặt nhanh…

Chân đế Tripod

Tripod là một dạng chân đế được sử dụng với những vùng biển có mực nước trong khoảng từ 30-60mm. Cấu tạo gồm có phần ống trục chính (mono-pile/ column), với phần thân ống trên được nối với 3 chân (leg), và phần thân dưới của ống trục chính nối với 3 ống giằng (brace). Cả 3 chân và 3 ống giằng được nối với ống nối cọc (pile sleeve). Kích thước và cấu tạo tham khảo như hình và bảng sau đây:

Double Good JSC - Tripod support structure - Cấu tạo Tripod điện gió
Cấu tạo chân đế Tripod và các kích thước

Tùy vào công suất turbin cũng như chiều sâu vùng biển đặt trụ điện gió, các kết cấu của Tripod sẽ yêu cầu về chiều dày khác nhau, cũng như yêu cầu khác nhau về mác vật liệu. Phần lớn khu vực điện gió ngoài khơi ở Châu âu sử dụng các loại vật liệu thép điện gió như: S195, S235, S275, S355, S420 và S460. Trong đó, Nhóm S235, S275 và S355 là ba nhóm thép phổ biến nhất được sử dụng trong kết cấu Tripod offshore.

Phần lớn các kết cấu thép sử dụng trong điện gió và kết cấu tripod đều có chiều dày lớn, dao động từ 40-150mm. Các nghiên cứu cũng như thực tế đã chỉ ra rằng, với chi tiết có chiều dày càng lớn, thì khả năng bị phá hủy giòn cao hơn so với phôi mỏng khi làm việc ở nhiệt độ thấp, điều này dẫn tới nguy cơ nứt và phá hỏng kết cấu trong điều kiện chịu tải trọng và làm việc dưới nhiệt độ thay đổi của môi trường. Bởi vậy, yêu cầu về công nghệ và kỹ thuật hàn phù hợp để đáp ứng được cả yêu cầu về năng suất, chất lượng sản phẩm là một điều vô cùng quan trọng và cần thiết.

Giải pháp hàn chi tiết có chiều dày lớn

Thông thường, với những chi tiết có chiều dày lớn, để hướng tơi việc tăng năng suất các nhà sản xuất thường nghĩ tới việc cơ khí hóa, tự động hóa đồng thời sử dụng các quá trình hàn tiên tiến để giúp cải thiện năng suất cũng như chất lượng của sản phẩm.

Với những kết cấu tấm hoặc giáp mối ống dày như các liên kết đối đầu (Can-to-can) hàn theo chu vi, hay hàn đường sinh ống của cột trụ điện gió, công nghệ hàn dưới lớp thuốc (Submerged Arc Welding – SAW) chiếm ưu thế vì khả năng hàn được với tốc độ đắp cao, dễ tự cơ khí hóa, tự động hóa. Với sự phát triển của công nghệ, ngày nay chúng ta có thể tăng thêm năng suất hàn bằng cách tăng số lượng dây hàn đắp cùng một lúc thông qua quá trình hàn bằng nhiều mỏ hàn, như: Hàn SAW Tandem (hàn hai dây), SAW Triple (Hàn ba dây), hàn nhiều dây (multi arc).

Double good jsc - Multi arc welding - Hàn dưới lớp thuốc nhiều dây
Xu thế hàn nhiều dây giúp tăng năng suất đắp khi hàn SAW

Mặc dù về mặt nguyên lý, việc hàn với nhiều dây sẽ giúp tăng năng suất, nhưng việc đẩy nhanh tốc độ cấp dây và tăng dòng điện hàn để đẩy năng suất cũng có giới hạn nhất định. Đồng thời, việc nguồn hàn có được thiết kế phù hợp để kiểm soát tốt được tốc độ cấp dây phù hợp với dòng điện lớn để tạo ra hồ quang ổn định hay không cũng là một thử thách lớn đối với các hãng công nghệ. Chính vì vậy, với những nguồn hàn đời cũ hoặc những nguồn hàn xuất xứ Trung Quốc không thể áp dụng tốt với quá trình hàn bằng nhiều hồ quang. Hơn nữa, việc đồng bộ giữa công nghệ, thiết bị, và vật liệu hàn là một điểm mấu chốt để có thể tạo ra được một mối hàn chất lượng, đồng thời tăng được năng suất hàn.

CÔNG NGHỆ HÀN SAW TANDEM LSO

Double good jsc - SAW Tandem LSO
SAW Tandem Long Stick out (SLO)

Công nghệ hàn SAW tandem Long stick out (LSO) là một công nghệ được cải tiến  bởi hãng Lincoln Electric, sử dụng 2 dây hàn đồng thời tăng phần tầm với điện cực (CTWD), với công nghệ này, LSO không những giúp đẩy nhanh được năng suất đắp thông qua việc hàn với dòng điện lớn, nhưng đồng thời cũng tăng được tốc độ hàn nhờ đó kiểm soát tốt được năng lượng đường cung cấp vào cho liên kết hàn. Nhờ đó vừa giải quyết được bài toán năng suất và bài toán chất lượng, đặc biệt là cho những chi tiết có chiều dày lớn, yêu cầu cao về thử độ dai va đập, khi đó việc kiểm soát năng lượng đường thấp để tăng impact test là một điều rất cần thiết.

Vừa qua, Double Good đã áp dụng công nghệ hàn dưới lớp thuốc hai hồ quang SAW Tandem và sử dụng tầm với điện cực lớn (Long Stick Out – LSO) để thực hiện hàn lên liên kết giáp mối giữa hai phôi thép bằng vật liệu Q345B, với chiều dày 120mm. Kết quả mối hàn có ngoại dạng tốt, hình ảnh Macro cho thấy chế độ hàn phù hợp tạo ra được mối hàn ngấu đều. Mặc dù chiều dày lớn, liên kết được điền đầy với 39 đường hàn, nhưng vùng ảnh hưởng nhiệt lại hẹp. Chứng tỏ Công nghệ hàn SAW Tandem LSO không những giúp tăng được năng suất đắp (tối đa lên tới 39kg/h) mà còn giúp kiểm soát tốt năng lượng đường. Có thể thấy quá trình này rất phù hợp với các kết cấu chiều dày lớn như hàn trụ điện gió và kết cấu chân đế Tripod (support structure) trong công nghiệp điện gió trên bờ và ngoài khơi. Dưới đây là một số hình ảnh thực nghiệm hàn:

double good jsc - welding preparation
Phân thích kỹ thuật trước khi hàn
double good jsc - lincoln premierweld EM12K
Bộ dây và thuốc hàn Premierweld EM12K+F7A4 của Lincoln Electric
Double good JSC - Tandem Cruiser
Lắp đặt 2 mỏ hàn lên xe Tandem Cruiser có gắn bộ điều khiển Maxsa 10 để thực hiện hàn
double good jsc - Maxsa 10
Quá trình đổ thuốc hàn cho các lớp hàn trung gian
120mm thick plate for Tripod structure
Kết quả ngoại dạng mối hàn hoàn thiện cho phôi có chiều dày 120mm
Tripod weld joint Macro result
Kết quả Macro mối hàn trên phôi tấm dày 120mm.