Characterization of the long-term mechanical behavior and the durability of polyamide mooring ropes for floating wind turbines

par Yoan Chevillotte

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Yann Marco et de Peter Davies.

Soutenue le 19-06-2020

à Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Nantes) , en partenariat avec Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) , Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer (Centre de recherches) et de Institut de Recherche Dupuy de Lôme (laboratoire) .

Le président du jury était Michel Coret.

Le jury était composé de Claudia Marano, Guilhem Blès, Sam Weller.

Les rapporteurs étaient Laurent Orgéas, Damien Soulat.

mots clés

• Câble synthétique
• Durabilité
• Loi de comportement
• Polyamide 6
• Caractérisation
• Eau
• Énergie éolienne en mer -- Amarrage (marine) -- Cordes et cordages
• Polyamides -- Cordes et cordages -- Eau de mer -- Matériaux -- Fatigue
• Polyamides -- Cordes et cordages -- Eau de mer -- Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)
• Polyamides -- Cordes et cordages -- Eau de mer -- Durée de vie (ingénierie)
• Polyamides -- Cordes et cordages -- Propriétés mécaniques -- Modèles mathématiques

Titre traduit

Caractérisation du comportement mécanique à long terme et de la durabilité des câbles d'ancrage en polyamide pour les éoliennes flottantes

Résumé

La base de données scientifiques concernant les cordages d'amarrage en nylon est encore très limitée. Le déploiement de ces fibres pour l'ancrage permanent est donc actuellement impossible en raison du manque de données sur leurs propriétés mécaniques. Un des objectifs de cette étude est donc de fournir une meilleure compréhension du comportement mécanique et de l'endommagement par fatigue de ces cordes en polyamide, afin d'aider à la conception de lignes d'amarrage d'éoliennes flottantes. La présente étude comprend la caractérisation mécanique, la modélisation et la validation de celle-ci. La première partie étudiée est la modélisation du cordage. La caractérisation sur des sous-cordages de 4 tonnes implique une charge cyclique avec relaxation, permettant la caractérisation du câble avec un seul test. A partir de ce test, il est possible d'identifier chaque partie du modèle et de le valider sur différents tests, avant de le comparer aux résultats des tests effectués sur des sous-cordages de 8 tonnes. Ceci a conduit à un modèle simple 1D visco-élastoplastique assez proche du comportement du câble. La deuxième partie concerne les essais de fluage à long terme. Tout d'abord, une brève explication de la conception et de la construction de la machine d'essai sera faite. Ensuite, les résultats de 3 essais d'un an sur des sous-cordages de 4 tonnes seront présentés et comparés à d'autres résultats. Les résultats montrent des valeurs de fluage similaires à celles du polyester et peuvent être utilisés pour prédire si une remise en tension de la corde sera nécessaire. Dans la troisième partie, la durabilité du câble en polyamide sera évaluée. Tout d'abord, des tests d'abrasion ont été réalisés, afin de s'assurer que le revêtement utilisé est suffisant pour valider la résistance à l'abrasion sur des mèches de fils. Ensuite, des tests de fatigue standard ont confirmé que les durées de vie des cordages en polyamide sont largement suffisantes pour un amarrage permanent, avec une durée de vie supérieure à celle de la chaîne en acier même si un peu inférieure à celle du polyester. Enfin, une évaluation rapide de la fatigue par des tests d'auto-échauffement a été réalisée. Un résultat prometteur basé sur la mesure thermique de l'énergie dissipée du câble a permis de prédire sa durée de vie en fatigue en moins de deux jours.

mots clés

• Rope
• Durability
• Constitutive law
• Polyamide 6
• Mooring
• Characterization

Résumé

The scientific database for mooring nylon rope is still very limited, thus the deployment of these fibres for permanent mooring is currently impossible due to the lack of data on their mechanical properties. One of the goals of this study is therefore to provide a better understanding of the mechanical behavior and the fatigue damage of these polyamide ropes, in order to help designing floating wind turbine mooring lines. The present study involves mechanical characterization, modeling and its validation. The first part investigated is the modeling of the rope. The characterization on 4 tons sub-ropes involves cyclic loading with relaxation, allowing characterization of the rope with only one test. From this test one can identify each part of the model and validate it on different tests, before comparing to results from tests made on 8 tons sub-ropes. This has led to a simple 1D visco-elasto-plastic model quite close to the behavior of the rope. The second part involves long term creep tests. First, a brief explanation of the design and the building of the test machine will be made. Then results from 3 one year long tests on 4-ton sub-ropes will be presented and compared with other results. The results show similar creep values to those for polyester and they can be used to predict if re-tensioning of the rope will be needed. In the third part, the durability of polyamide rope will be assessed, first abrasion tests were employed, to ensure that the coating used is sufficient to validate the abrasion resistance on yarn. Then standard fatigue tests have confirmed that polyamide rope lifetimes are largely sufficient for permanent mooring, with a lifetime superior to steel chain even if a little shorter than those of polyester. Lastly, quick fatigue evaluation by heat build-up tests was realized. Showing promising result based on thermal measurement of the dissipated energy of the rope to predict its fatigue lifetime in less than two days.