MECHANICAL PERFORMANCE STUDY OF SUBMARINE POWER CABLES

Il cavo sottomarino per trasporto di energia elettrica è un elemento utilizzato per il trasferimento di energia sotto la superficie dell'acqua. Esso è composto da una struttura multistrato di vari materiali con differenti comportamenti meccanici. Da un punto di vista strutturale, lo strato in lega di Piombo è il componente critico. Esso ha il compito di proteggere contro le infiltrazioni d’acqua le parti sottostanti, ossia il conduttore ed il sistema di isolamento. Alcuni cavi, chiamati HVDC (High Voltage Direct Current) lavorano con potenze dell’ordine dei 600 MW con un voltaggio circa pari a 500 kV. Ciò significa che una corrente di 1.2 MA attraversa il conduttore, e tale valore di corrente elettrica genera un elevato ammontare di calore. L’ambiente marino provvede a rimuovere tale calore, ma conduttore ed isolante sono comunque sottoposti ad un significativo incremento di temperatura. Il liquido interno al sistema di isolamento utilizzato per queste tipologie di cavo espande contro il soprastante strato in lega di Piombo tendendo a gonfiarlo e fratturarlo. Pertanto, si rende necessario l’utilizzo di un nastro di rinforzo d’acciaio avvolto intorno alla lega di Piombo, in modo tale da limitarne la deformazione. L’esperienza ha mostrato che quando un cavo sottomarino per trasporto di energia elettrica subisce un guasto meccanico, nello strato in lega di Piombo sono sempre propagate delle cricche che hanno portato tale componente a rottura. L’obiettivo di questo lavoro è di ottenere un incremento delle prestazioni strutturali dello strato di Piombo, aumentando quindi la durata del cavo. Un preliminare studio dei modelli di creep-fatica si è reso strettamente necessario per cominciare il lavoro. Il Piombo è un materiale che presenta un comportamento meccanico tempo-dipendente perchè sono presenti fenomeni termicamente attivati di deformazione già alla temperatura ambiente, e pertanto danneggiamenti da creep, da fatica, o da interazione creep-fatica, possono deteriorare il materiale. Successivamente è stato creato un modello agli elementi finiti di un reale cavo sottomarino della azienda Nexans Norway, azienda leader nella realizzazione di cavi sottomarini, in modo da eseguire un’analisi qualitativa sul comportamento meccanico dello strato in lega di Pb. Una volta ottenuto il modello, furono pensate alcune varianti progettuali che non andassero ad influenzare altri aspetti di pari importanza a quello meccanico: l’elettrico e il termico. Fu quindi deciso di simulare diversi angoli di avvolgimento del nastro di acciaio e di verificare il loro effetto sullo stato triassiale di stress all’interno della lega di Pb. I risultati delle simulazioni mostrano come l’angolo di avvolgimento del nastro d’acciaio esercita una significativa influenza sul fattore di triassialità delle tensioni TF (Triaxiality Factor), il quale è un parametro che influenza la vita a fatica del materiale. Il lavoro è diviso in quattro parti: nella prima parte è illustrata una presentazione del problema meccanico. Nella seconda parte sono mostrati i modelli teorici di comportamento meccanico del materiale studiati. La terza parte è interamente dedicata alla creazione del modello numerico, mentre l’ultima parte del lavoro contiene un’illustrazione dei risultati ottenuti.