Phương pháp test độ bền kéo mới (RUC) cho cáp ngầm 3 lõi 35kV

Sự bùng nổ của các trang trại điện gió ngoài khơi đặt ra một bài toán kỹ thuật phức tạp: làm thế nào để thiết kế những sợi cáp điện ngầm (SPCs) vừa linh hoạt vừa đủ bền bỉ để chịu đựng các tải trọng động khắc nghiệt trong hàng chục năm? Một báo cáo khoa học gần đây đã đưa ra một lời giải đáp mang tính đột phá thông qua một phương pháp mô hình hóa tiên tiến, cho phép phân tích chi tiết ứng xử cơ học của cáp với độ chính xác cao và hiệu quả tính toán vượt trội.

Bài viết này sẽ đi sâu vào phương pháp luận, các số liệu cụ thể và những kết quả phân tích chi tiết từ nghiên cứu quan trọng này.

I. “Tế bào lặp lại” và điều kiện biên tuần hoàn

Thách thức lớn nhất khi mô phỏng các cấu trúc dài và có tính lặp lại như cáp điện là “hiệu ứng biên” – các kết quả ở hai đầu của mô hình thường không chính xác. Để khắc phục, các mô hình truyền thống phải rất dài, dẫn đến chi phí tính toán khổng lồ.

Phương pháp mới giải quyết vấn đề này bằng cách áp dụng khái niệm tế bào đơn vị lặp lại (Repetitive Unit Cell – RUC).

RUC là gì?

Đó là một đoạn cáp ngắn nhất có thể, chứa đựng đầy đủ cấu trúc hình học lặp lại của toàn bộ sợi cáp.

• Điều kiện biên tuần hoàn: Thay vì cố định hai đầu, phương pháp này áp dụng các ràng buộc toán học đặc biệt, khiến cho các nút (nodes) ở mặt cắt cuối của RUC có sự dịch chuyển và biến dạng đồng bộ với các nút tương ứng ở mặt cắt đầu. Nói một cách đơn giản, nó làm cho đoạn RUC ngắn hoạt động như một mắt xích ở giữa một sợi dây dài vô tận, từ đó loại bỏ hoàn toàn hiệu ứng biên.

Kỹ thuật mô hình hóa: Giảm tải tính toán

Để mô phỏng cấu trúc phức tạp bên trong cáp, thay vì sử dụng hoàn toàn các “phần tử khối” (solid elements) vốn rất nặng, nghiên cứu đã áp dụng một sự kết hợp thông minh:

• Phần tử dầm Timoshenko (Timoshenko beam elements): Được dùng để mô phỏng “xương sống” của các thành phần xoắn ốc (như lõi dẫn, sợi giáp). Phần tử này nắm bắt chính xác các đặc tính chịu lực như kéo, nén, uốn, xoắn.
• Phần tử bề mặt (Surface elements): Một lớp “vỏ” không có độ dày và độ cứng được “mặc” bên ngoài các phần tử dầm. Lớp vỏ này không tham gia chịu lực nhưng có vai trò cực kỳ quan trọng là ghi nhận va chạm và tiếp xúc với các thành phần khác.

Sự kết hợp này là một sự cân bằng hoàn hảo giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán, cho phép mô phỏng các tương tác phức tạp bên trong cáp mà không đòi hỏi tài nguyên máy tính quá lớn.

II. Quy trình kiểm chứng nghiêm ngặt và các số liệu chi tiết

Để chứng minh tính chính xác và hiệu quả của mô hình RUC, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một quy trình kiểm chứng đa bước.

Thử nghiệm vật liệu

Các mẫu vật liệu nhựa (HDPE, XLPE, MDPE) được lấy trực tiếp từ cáp, tạo hình quả tạ theo tiêu chuẩn ISO 527-2012 và được kéo trên máy thử nghiệm để xác định chính xác đường cong ứng suất-biến dạng. Dữ liệu này sau đó được mô hình hóa bằng phương trình Ramberg-Osgood để đưa vào phần mềm mô phỏng.

Thử nghiệm kéo toàn bộ cáp

• Mẫu cáp: Cáp điện động xoay chiều 35 kV, ba lõi, có chiều dài tổng cộng 9 mét (chiều dài làm việc hiệu dụng là 7 mét).
• Quy trình: Mẫu cáp được kéo căng với lực tăng dần từ 70 kN đến 220 kN. Các cảm biến đo lường chính xác lực kéo và độ giãn dài của cáp để xây dựng đường cong đặc tính thực tế.

So sánh và kết quả định lượng

Đây là phần thể hiện rõ nhất giá trị của phương pháp mới.

Về hiệu quả tính toán:

| Mô hình | Số phần tử | Thời gian tính toán | | :— | :— | :— | |

• Truyền thống (toàn khối) | ~3.15 triệu | 70.3 giờ |
• RUC đề xuất | ~1.58 triệu | 3.7 giờ |

Kết quả cho thấy mô hình RUC cho tốc độ tính toán nhanh hơn gần 19 lần.

Về độ chính xác:

• So với dữ liệu thử nghiệm thực tế, độ cứng chịu kéo của mô hình RUC có sai số chỉ 4.0%.
• Trong khi đó, một mô hình quy mô đầy đủ (full-scale model) truyền thống lại có sai số lên tới 6.0%.

Các số liệu này chứng minh rằng mô hình RUC không chỉ nhanh hơn mà còn cho kết quả chính xác hơn so với các phương pháp số hóa thông thường.

Các phát hiện chuyên sâu bề ứng xử bên trong cáp

Nhờ mô hình RUC hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã có thể “nhìn” sâu vào bên trong sợi cáp và đưa ra những kết luận quan trọng:

• Phân bổ ứng suất: Các thành phần kim loại chịu phần lớn ứng suất, trong đó các sợi thép xoắn ốc ở lớp giáp ngoài chịu ứng suất lớn nhất. Đáng chú ý, các sợi thép chịu ứng suất gần gấp đôi so với các lõi dẫn bằng đồng. Điều này cho thấy lớp giáp đang thực hiện rất tốt vai trò bảo vệ, “gánh” phần lớn lực tác động thay cho lõi dẫn điện.
• Phân bổ áp suất tiếp xúc: Áp suất lên các lớp lót bên trong không hề đồng đều. Nó tập trung cao độ tại các điểm mà ba lõi điện xoắn ốc ép vào lớp lót. Đây là thông tin cực kỳ quý giá để dự đoán sự mài mòn và tính toán tuổi thọ mỏi của vật liệu.
• Hành vi vật liệu: Dưới các mức tải trọng thông thường, các vật liệu nhựa hầu như không bị biến dạng dẻo, và tổn thất năng lượng do ma sát là không đáng kể.

Nghiên cứu này không chỉ giới thiệu một công cụ mô hình hóa mạnh mẽ mà còn cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cơ chế hoạt động phức tạp bên trong cáp điện ngầm. Với phương pháp RUC, các kỹ sư giờ đây có thể phân tích, tối ưu hóa và thiết kế ra những thế hệ cáp điện ngầm an toàn hơn, bền bỉ hơn, đáp ứng yêu cầu ngày càng khắt khe của ngành công nghiệp năng lượng gió ngoài khơi.

Chi tiết bài báo cáo