Instalación en punto de llegada a tierra de un cable submarino: Prueba de lubricación de cables para instalaciones de cable difíciles
Explore la instalación del punto de llegada a tierra de cables submarinos, los métodos de tracción desde la costa, la lubricación de cables y las pruebas del coeficiente de fricción (COF) para mejorar la planificación y el desempeño de la instalación.
La demanda de cables eléctricos submarinos está aumentando rápidamente, impulsada en gran medida por la expansión de las energías renovables marinas y por nuevos interconectores transfronterizos diseñados para diversificar el suministro energético regional. Los parques eólicos marinos proporcionan una fuente de energía renovable de gran capacidad y alta constancia, aprovechando los vientos marinos, que son más rápidos y fiables. Como un ejemplo, una interconexión entre Francia e Irlanda cubre 480 km (300 millas) y ayuda a los operadores de la red a equilibrar la generación y la demanda de manera más eficiente. La demanda de estos recursos sigue aumentando. A medida que se instalan y conectan más cables submarinos, tanto de energía como de telecomunicaciones, a la red eléctrica terrestre, los métodos continúan probándose y mejorándose. Polywater® desempeña un papel en este esfuerzo.
Gestionar la transición del tirado mar adentro al tirado en tierra durante la operación de llegada a tierra es un aspecto fundamental de la planificación de la instalación. Los métodos están evolucionando. En el pasado, la excavación de zanjas abiertas era un método común y económico para instalar el cable durante las operaciones de llegada a tierra. Este método requiere acceso directo a la playa. En zonas con grandes variaciones de marea y fuerte oleaje, la excavación de zanjas puede resultar problemática. Además, este tipo de excavación afecta a áreas públicas, por lo que no suele contar con el respaldo de la opinión pública. La obtención de permisos se ha vuelto más difícil. Las nuevas técnicas para llevar los cables a tierra están evolucionando.
Métodos de instalación de cables submarinos en el punto de llegada a tierra
En muchas instalaciones de llegada a tierra, las estrictas restricciones ambientales impulsan el uso de técnicas de instalación alternativas. Una técnica de instalación cada vez más común es la perforación horizontal dirigida (HDD). Este método es complejo, pero causa muchas menos alteraciones en la playa. HDD es la técnica sin zanja más común utilizada para la transición a tierra de cables submarinos. Es un método de instalación técnica que requiere planificación y diligencia. El lodo de la perforación debe ser recuperado. Otros métodos alternativos importantes son la microtunelización y la tubería directa. Estos métodos pueden ser más adaptables a condiciones difíciles del suelo. También son interesantes porque permiten instalar varios cables en el mismo túnel.
Debido a que la cámara de empalme de transición requiere mucho espacio, a menudo se ubica tierra adentro. El diseño de la llegada a tierra está condicionado por el terreno y otras consideraciones de obra civil. Esto, a su vez, determina la elección del conducto, ya sea de polietileno o de acero, así como la distancia del tirado. Esta sección de tirado de cables es a menudo larga y difícil. Requiere una planificación especial. A medida que evolucionan los distintos métodos para instalar cables en la llegada a tierra, también se desarrollan las técnicas para instalar cables submarinos a través de conductos.
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Polywater ha experimentado un aumento en estos proyectos de instalación en los últimos cinco años. Hemos tenido múltiples conversaciones con diseñadores, ingenieros e instaladores a medida que los métodos continúan mejorando. Estos son diseños difíciles de planificar. Hay muchos factores desconocidos. A medida que continuamos estudiando y probando, Polywater espera obtener más respuestas y aprender más sobre los beneficios de la lubricación en estas instalaciones.
En qué se diferencian los cables eléctricos submarinos de los cables terrestres
Los cables submarinos son relativamente nuevos en el laboratorio de Polywater. Las pruebas se han ampliado considerablemente en los últimos años. Los cables submarinos están diseñados de manera diferente a los cables terrestres subterráneos. Los cables submarinos están diseñados para soportar condiciones ambientales extremas y presión de agua externa. Estos cables están diseñados para soportar condiciones mecánicas extremas, incluidas las fuerzas de las cargas axiales durante su instalación, así como las fuerzas de flexión y torsión provocadas por el oleaje y las corrientes submarinas.
Los elementos de diseño comunes de los cables submarinos incluyen:
• Los cables eléctricos submarinos son pesados y, por lo general, pesan entre 50 y 160 kg/m (35 y 105 lb/pie).
• Los cables tienen una funda metálica, una funda de polietileno y un refuerzo de cinta metálica. Estos elementos protegen el cable de la entrada de agua y preservan las propiedades eléctricas.
• Los cables eléctricos submarinos están blindados con alambres diseñados para mejorar la estabilidad tensional y el equilibrio de torsión.
• La cubierta exterior del cable suele estar compuesta por capas de hilo de polipropileno recubiertas con una capa asfáltica. Esto proporciona una protección mecánica y contra la corrosión adicional.
• Se incorpora fibra óptica en el cable para medir los efectos térmicos y detectar movimientos cerca del cable.
Los límites máximos de tracción del tirado de los cables a través de conductos durante la instalación de llegada a tierra los establece el fabricante del cable. Algunos fabricantes de cables consideran el hecho de que la fuerza se transfiere a la cubierta protectora y permiten tensiones de tracción más altas. En cualquier caso, las tensiones del cable se consideran cuidadosamente durante la planificación de la instalación.
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Operaciones de tirado desde la costa para la instalación de cables submarinos
La ruta del cable desde el navío cablero hasta la entrada al conducto varía de un proyecto a otro. La forma en que el cable llega hasta la cámara de empalme de transición tierra adentro durante el “tendido desde la costa” demuestra la inventiva de ingeniería en este campo. Esta operación varía según el equipo, las condiciones de la costa y otras consideraciones. A continuación se muestran dos escenarios de instalación representativos.
Alimentación desde el navío
En este tirado desde la costa, el cable se desenrolla del carrusel del navío, pasa por un dispositivo tensor y luego por la rampa de salida del barco, mientras el cable es tirado a través de la perforación horizontal dirigida (HDD) mediante un cabrestante ubicado en tierra. El cable se baja al agua y se tira hacia la entrada de la HDD en el punto de llegada a tierra. La lubricación puede realizarse a bordo del navío antes de que el cable pase por la rampa de salida del mismo.
Voladizo auxiliar
En este tirado desde la costa, se crea un tramo adicional de conducto que queda suspendido de una plataforma de voladizo auxiliar, denominada plataforma de elevación. El cable se desenrolla del carrusel del navío, pasa por el dispositivo tensor y llega hasta la plataforma de elevación. En este caso, el cable se lubrica a medida que entra en el conducto de HDD cerca del voladizo en la plataforma de elevación auxiliar.
Lubricación de cables durante la instalación en la llegada a tierra
En cualquier caso, el lubricante debe mantenerse y seguir funcionando en un entorno acuoso. Durante el análisis de planificación, hay atención especial a la configuración del cable y su integridad. Algunos de los criterios limitantes incluyen:
• Tensión máxima permitida del cable
• Radio de curvatura mínimo
• Presión máxima de la pared lateral (SWP)
Una vez que el cable alcanza el ducto, se tira a baja velocidad. El agua ofrece flotabilidad y hay poca resistencia. Debido a la baja velocidad del tirado, el proceso se considera cuasi estático. Incluso con el efecto de flotabilidad, el cable es pesado y se tira a lo largo de una distancia considerable. Es importante revisar la tensión de tracción durante la fase de diseño y planificación de la operación. Es útil tener una buena estimación del coeficiente de fricción (COF) esperado entre el cable y el conducto.
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Pruebas en laboratorio de lubricación de cables submarinos
Reproducción de las condiciones del tirado desde la costa
En Polywater, tratamos de comprender las condiciones de instalación del cable y reproducirlas en nuestro laboratorio. Esto nos ayuda a diseñar lubricantes destinados a usos finales especiales. Esto respalda nuestro trabajo para orientar a los ingenieros en la estimación del COF y ayudar a los instaladores a aplicar las mejores técnicas de lubricación de cables. Intentar asignar un valor del coeficiente de fricción para una instalación de tirado en la costa es difícil.
Las pruebas recientes de COF en Polywater representan a 3 fabricantes de cables diferentes con 3 proyectos distintos. En dos de estos casos, el plan es tirar cables hacia conductos de acero, lo que se suma a la dificultad de la instalación.
La superficie exterior del cable y la superficie del conducto son clave para probar el COF. Los cables submarinos se envuelven con hilo de polipropileno prensado en un revestimiento asfáltico (bitumen). Esta capa añade una protección adicional contra la corrosión y las fuerzas mecánicas. Esto añade resistencia a la abrasión y a la fricción. Esta capa a veces se denomina cubierta protectora o capa de asiento. Es una de las muchas características únicas de los cables submarinos que resulta de especial interés para Polywater, en la medida que realizamos pruebas del coeficiente de fricción (COF) y de la eficacia de la lubricación.
La superficie del hilo de polipropileno es muy diferente de un cable terrestre típico. El hilo crea una superficie texturizada con más área de superficie para que un lubricante cubra. Para reproducir las condiciones de superficie, se obtuvieron diferentes muestras de cable submarino o hilo de polipropileno de los fabricantes de cables. Se probaron cables submarinos o muestras de “cable” de laboratorio fabricadas con capas de hilo de polipropileno enrollado. Aunque se observaron diferencias en el hilo, los resultados de las pruebas no mostraron diferencias significativas en el desempeño.
La superficie de polipropileno lubricada se probó en seco y después de sumergirla en agua salada durante 24 horas, así como mientras estaba sumergida en agua. El conducto de acero evaluado presentaba una capa de óxido (herrumbre) como escenario de peor caso. La información que se comparte a continuación es solo la parte inicial de nuestra investigación.
Resultados del coeficiente de fricción (COF)
Uno de los primeros aspectos que se pueden observar en este conjunto de datos es que el uso del lubricante Polywater NN produce resultados consistentes en diferentes cables. Se observa cierta pérdida de eficacia después de la inmersión en agua, pero el desempeño sigue mostrando una mejora con respecto al control sin lubricación.
El uso de Polywater NN muestra una reducción del COF del 30% al 65% en ductos de HDPE y una reducción del COF del 40% al 50% en ductos de acero. Después de la prueba de inmersión en agua, Polywater NN sigue siendo eficaz. El lubricante se mantiene en esta versión de laboratorio de un entorno acuoso. Después de la exposición al agua, los resultados del COF de Polywater NN se mantienen dentro de un 25% de los obtenidos en la prueba estándar de lubricación en seco.
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Esto tiene en cuenta algunas de las condiciones de campo, pero no todas. Las pruebas de laboratorio muestran lo que podría lograrse en un escenario de instalación óptimo. Un aspecto de estas pruebas es determinar qué tan bien el lubricante puede recubrir el hilo de polipropileno sin ser arrastrado por el agua, ya que la instalación de cables submarinos se lleva a cabo en un entorno extremadamente exigente. Otra cuestión que seguimos investigando es si el lubricante puede proporcionar una protección adicional para evitar que el hilo se desgaste y se deshilache.
Investigaciones futuras de Polywater sobre la instalación de cables submarinos
Nuestro trabajo acaba de comenzar. A continuación, recopilaremos datos de tensión en campo durante instalaciones de tirado de cables submarinos desde la costa y los compararemos con los resultados obtenidos en el laboratorio. La creación de esta base de conocimientos ayudará a los ingenieros en futuros diseños. En última instancia, una comprensión más profunda del proceso de instalación impulsa el desarrollo de productos, lo que nos permite diseñar lubricantes superiores para cables submarinos. ¿Cuál es su experiencia? Nos gustaría saber sobre ello.