Моно-сваи для морских ветропарков растут в размерах, и их установка становится ключевым фактором при проектировании монтажных самоподъёмных судов. По данным исследования GustoMSC, нагрузки при погружении сваи могут достигать и даже превышать те, которые суда испытывают в экстремальных штормовых условиях.
Сегодня диаметр моно-свай превышает 10 метров, а вес – 2000 тонн, что усложняет динамику монтажа. Проблема уже не в грузоподъёмности крана: теперь всё определяют взаимодействия между подвешенной сваей и судном.
Во время установки сваю поднимают с палубы, ставят вертикально, заводят в захват-фиксатор (гриппер) и опускают на дно. Самый напряжённый момент наступает, когда свая частично погружена в воду, но всё ещё полностью висит на кране, а её саму удерживает гриппер.
На этом этапе моно-свая из пассивного груза превращается в крупный гидродинамически активный объект. Когда свая уходит под воду, волновое воздействие на неё резко усиливается. Поскольку свая одновременно тяжёлая и гибкая, её движения вступают в динамическое взаимодействие с колебаниями судна. Для свай большого диаметра гидродинамические нагрузки на саму конструкцию могут превышать нагрузки на опорные колонны судна – тогда моно-свая становится доминирующим источником горизонтальных сил.
Чтобы изучить эти эффекты, инженеры GustoMSC смоделировали спуск крупной моно-сваи с современного четырёхопорного самоподъёмного судна, сопоставимого с судами класса «А» компании Cadeler. В исследовании рассматривали сваи диаметром от 10 до 12 метров и весом до 2500 тонн на глубине 40 метров при различных параметрах волн.
Моделирование показало, что критическая фаза наступает при погружении сваи на 10–15 метров. В этот момент значительная её часть подвергается действию волн, тогда как полный вес всё ещё приходится на кран. При определённых волновых условиях колебания сваи и судна взаимно усиливались, что вызывало эффект динамического резонанса. В смоделированном случае изгибающие моменты в нижнем направляющем устройстве оказались на 20% выше, чем при расчётных 50-летних штормовых условиях для Северного моря, хотя погода во время монтажа была умеренной.
Результаты исследования доказывают, что именно условия монтажа могут стать определяющими при проектировании отдельных элементов судов. Реакции опор на наиболее нагруженной колонне судна приближались к пределу несущей способности как раз в этой критической фазе. Упрощённые модели, где свая рассматривается лишь как подвешенный груз, могут недооценивать реальные нагрузки, так как не учитывают гидродинамическое взаимодействие.
Поскольку моно-сваи продолжают расти в размерах и массе, эти динамические эффекты будут играть всё более важную роль. При оценке монтажных работ для будущих проектов придётся учитывать множество факторов: разные направления волн, глубину погружения, гибкость корпуса судна и комбинированные нагрузки на опоры. Процесс спуска моно-сваи занимает всего несколько минут, но для ветроэнергетики нового поколения он становится одним из самых сложных и рискованных этапов монтажа.
