Fondeol2
Fondeol2 - Étude de faisabilité de la télésurveillance sur un parc éolien offshore
Introduction :
Un parc éolien offshore est généralement prévu pour une durée de vie nominale de 20 ans. Afin de préserver l'intégrité des éoliennes, l’inspection et l'entretien adéquats doivent être effectués périodiquement. Cela vaut pour le parc éolien entier, y compris pour les lignes de distribution électriques immergées. La définition d’un système de surveillance d’un parc éolien et plus particulièrement de structure de fondation d’éolienne doit prendre en compte la multiplicité des éléments à surveiller.
Objectifs :
Le domaine de la télésurveillance ou Structural Health Monitoring (SHM) utilise une méthode d’identification des dommages permettant de surveiller la santé ou la performance d’ouvrages aussi bien pour le civil que pour la mécanique ou l’aérospatial. L’objectif est porté sur les conditions de maintenance des infrastructures notamment dans l’éolienne où les structures offshore sont disséminées. De plus l’envoi de personnes y est plus difficile que sur terre ferme. L’enjeu est donc de pouvoir remplacer des inspections de maintenance systématiques par de la maintenance décidée le cas échéant à l’aide de la télésurveillance des structures.
Pathologies et éléments de contrôles usuels des structures métalliques (synthèse de l’état de l’art) :
La définition d’une chaîne de mesure fait suite au document définissant les différents points de contrôle usuel des structures métalliques adaptables aux structures de type jacket. Ces éléments sont issus de l’état de l’art des pathologies potentielles et concernent :
- un choc de bateau ou d’élément flottant,
- un flambement local ou un poinçonnement,
- un affaissement local ou global de la fondation (tassement différentiel ou global),
- un desserrage de la liaison boulonnée,
- la dégradation de la liaison cimentaire en pied,
- un développement trop important d’organismes marins
- le développement de glace dans le cas de parcs d’éoliennes situés à haute latitude (Battisti et al., 2006)
Les opérations de maintenance, d’auscultation ou encore le monitoring des éoliennes off-shore devront permettre dans le cas étudié de s’intéresser à :
- l’évolution de la corrosion de la structure dans les différentes zones,
- l’état des systèmes de protection anticorrosion (revêtement, protection cathodique),
- la détection ou non de fissures et leur caractérisation (actives ou non),
- la présence de dégradations locales dues à un choc, à un flambement local ou encore à un poinçonnement,
- la dégradation d’un des deux assemblages aux extrémités de la structure jacket (liaison cimentaire en pied et liaison boulonnée en tête),
- un affaissement local ou global de la structure (en vérifiant l’alignement ou la hauteur de la zone émergée),
- un développement trop important d’organismes marins.
Support d'étude
STX France, société de construction navale est la branche française de STX Europe filiale du groupe sud-coréenne STX Offshore & Shipbuilding. Cette entreprise est à l’origine du projet de support d’éolienne de type jacket réalisé en tubes métalliques soudés. D'une hauteur de 45 mètres au dessus du sol marin et d'un poids de 420 tonnes, le jacket AG1 est conçu pour supporter le poids d’une éolienne dans le temps. L’étude de ce rapport est produite à partir de l’AG1.
Modélisation des pathologies
Au préalable des simulations numériques sur les fondations d’éoliennes, un rapport d’étude sur les pathologies des structures pour support de type jacket a été établi (voir : Etat de l’art sur les pathologies, l’auscultation et l’instrumentation de structures de type jackets pour supports d’éoliennes Off-Shore). Ce dernier permet de lister les scénarios susceptibles d’endommager les fondations et d’en connaître leurs caractéristiques afin de les simuler sur un logiciel d’éléments finis et de calculs numériques.
Comparaison mesure-analyse modale classique
Afin de vérifier la sensibilité de la structure à des changements structurels, une étude paramétrique a été menée afin de voir l’incidence sur la variation relative des fréquences propres de la structure:
Etude STX de la sensibilité de l’éolienne à l’environnement et à des défauts structure
1 - Etude de sensibilité sur la profondeur d’eau (marée)
27% modes globaux M1,M2 en flexion2
2 - Rupture de bracons,
-2.8% mode global de torsion M7 pour C5+,
3 - Etude de sensibilité sur la marine growth
2.1% sur modes globaux M3, M4 pour une épaisseur de 90mm
4 - Etude de sensibilité en fonction de l’épaisseur de corrosion
1.5% sur modes globaux M1, M2, M7
5 - Etude de sensibilité lors de la rupture d’une connexion cimentée
5% sur mode global de torsion M7 détecter un petit changement dans les fréquences modales.
Étude sur les méthodes vibratoires sous sollicitation ambiante
En l'absence de maquette d’éolienne, ces fonctions furent testées sur portique au sein de l’IFSTTAR Nantes :
- instrumentation de la structure avec des capteurs accélérométriques 3 axes Silicon Design,
- système d’acquisition de type PEGASE transférant les données sur un serveur distant.
Une étude de sensibilité fût menée à partir d’un modèle numérique pour vérifier la sensibilité de ce portique à des défauts structurels.
La méthode SSI (Stochastique Subspace Identification) a été appliquée.
Des défauts structurels ont été créés par addition de masses afin de vérifier la sensibilité de la méthode.
Caractéristique du portique
Le portique du site de Nantes
Le portique est une structure métallique de 8 x12 m, constituée par l’assemblage de profilés en alliage d’aluminium mécano-soudés.
Ce portique installé depuis une trentaine d’année sur le site dont chaque pilier est fixé dans un massif d’ancrage en béton à l’aide de 10 tiges filetées constituant des éléments critiques pour la stabilité du portique.
Le modèle éléments finis
Le modèle géométrique CAO réalisé avec Solidworks utilisé pour le maillage de la structure avec des éléments coques.
Le maillage par EF est constitué de 59231 éléments triangle à 6 nœuds, le modèle comporte un total de 143831 nœuds.
Les épaisseurs des coques des pièces constituant la structure sont comprises entre 3 et 25 mm.
Les caractéristiques mécaniques de l’alliage d’aluminium sont rapportées dans le tableau ci-dessous.
E Module d’Young (Pa) | ν Coefficient de Poisson | G Module de cisaillement (Pa) | ρ Masse volumique (kg/m^3) |
7.10^10 | 0.39 | 2.7.10^10 | 2700 |
Résultats mesures et simulations
► Enregistrement des mesures avec PEGASE wireless system
► Capteurs : accéléromètre haute sensibilité silicon design (2210-002).
Deux cas sont simulés et mesurés :
► Cas 1 : Masse de 112 kg ajouté en haut et centré
► Cas 2 : Masse de 71 kg ajouté en haut à droite
Les résultats donnent une excellente corrélation entre la simulation et l'expérimentation sur la valeur relative pour le troisième mode.
La corrélation est moins importante pour le premier et le second mode.
Une mise à jour du modèle numérique peut affiner la corrélation entre la simulation et l'expérimentation, en particulier la valeur absolue de fréquences.
Conclusion générale
Le projet Fondeol2 a permis de mettre en évidence les éléments structurels pertinents à vérifier.
L’optimisation de l’instrumentation en monitoring doit permettre de diminuer significativement la périodicité d’inspection des éoliennes.
Les méthodes vibratoires sous sollicitations ambiantes sont actuellement en fort développement pour ces problématiques éoliennes.
L’utilisation de logiciel implémentant ces méthodes notamment la partie détection de défaut permet de façon automatique d’apporter des alertes au niveau du champ éolien.
Partenaires :
- STX France
- Ecole Centrale de Nantes
- L’IFSTTAR (Université Gustave Eiffel)
- EGIS Eau