Impact de la bio-colonisation sur le dommage en fatigue des lignes d’ancrage d’une éolienne flottante dans une perspective de contrôle de santé intégré

Bio-Colonisation Impact on Fatigue Damage of Floating Wind Turbine Mooring Lines in a Structural Health Monitoring Perspective

• Auteur / Autrice : Benjamin Decurey
• Direction : Franck Schoefs, Pascal Casari
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Centrale Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Alaa Chateauneuf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Violette Harnois, Jean-Christophe Gilloteaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : John Dalsgaard Sørensen, Jimmy Murphy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tirants d'ancrage

Énergie éolienne en mer

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

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Résumé

Le suivi en service des lignes d’ancrage d’une éolienne flottante dans le but d’évaluer leur dommage en fatigue tout au long de leur vie, est un défi scientifique et industriel. Dans cette thèse, on opte pour des stratégies de suivi reposant sur l’utilisation de modèles numériques qui simulent la tension ou la contrainte dans les lignes. La problématique principale est la mise à jour des paramètres intrinsèques incertains, comme les coefficients hydrodynamiques, la masse linéique, la position de l’ancre ou la longueur de la ligne, qui influencent la tension. Cela nous a conduits à étudier l’influence de la bio-colonisation sur le dommage en fatigue des lignes d’ancrage. La thèse a donc pour objectif de répondre à la question suivante : « Le processus stochastique de bio-colonisation, en changeant le chargement structurel sur les lignes, propage-t- il de façon significative, ses incertitudes jusqu’au dommage en fatigue des lignes ? ». La construction d’un modèle spatial de la distribution de bio-colonisation le long des lignes d’ancrage constitue la première contribution originale. Elle se base sur des données de la littérature et de nouvelles campagnes expérimentales en mer. A l’aide de ce modèle spatial, la contribution de la bio-colonisation sur le dommage en fatigue des lignes d’ancrage a été évaluée sur un modèle numérique d’une éolienne flottante semi-submersible de 10 MW, ancrée par des chaînes caténaires. La réponse apportée est donc contextuellement liée au cas d’étude. La bio-colonisation présente une influence significativement faible sur le dommage en fatigue des lignes caténaires. L’incertitude globale sur le dommage en fatigue due aux variations de bio-colonisation est cent fois plus faible que celle due aux variations environnementales (vagues, vent et courant). Cependant, cette conclusion ne peut s’étendre à l’ensemble des systèmes d’ancrage et la thèse présente une méthodologie d’étude reproductible se basant sur une compréhension physique préliminaire de la réponse dynamique des lignes. La dernière partie est la deuxième contribution originale. Elle se focalise sur la mise à jour de la masse de biocolonisation par suivi en service. La méthode repose sur le choix de conditions environnementales, dites qualifiantes, qui favorisent la mise à jour de la masse. L’application pratique de la méthode est étudiée et débattue dans le cas défavorable d’ancrages caténaires, en propageant des incertitudes à travers un méta-modèle dédié du modèle numérique.

The monitoring of floating wind turbine mooring lines with the aim of assessing their fatigue damage all along their lifetime is a scientific and industrial challenge. In this thesis, we opt for strategies relying on numerical models that simulate tension or stress in mooring lines. The main issue is the updating of uncertain intrinsic parameters, such as hydrodynamic coefficients, mass per unit length, anchor position or mooring length that influence mooring lines tension. It leads us to investigate the influence of bio-colonisation, also called marine growth, on fatigue damage of mooring lines. The thesis aims to answer the following question: ‘Does biocolonisation stochastic process, by changing mooring lines structural loading, significantly propagate its uncertainties to fatigue damage assessment of mooring lines?’ The building of a bio-colonisation spatial distribution model along mooring lines is the first original contribution, based on data reviewed from literature and new experimental campaigns at sea. Equipped with this spatial model, the contribution of bio-colonisation in mooring lines fatigue damage is assessed on a numerical model of a 10 MW semi-submersible floating wind turbine, moored with catenary chains. Thus, the provided answer is contextually linked to the case study. Bio-colonisation is shown to have a significantly low influence on catenary mooring lines fatigue damage. The global uncertainty on fatigue damage due to bio-colonisation variations is one hundred times smaller than the one due to environment variations (waves, wind and current). However this conclusion cannot be extended to all mooring systems and the thesis provides a replicable study methodology that bases on a preliminary physical understanding of mooring lines response. The last part is the second original contribution. It focuses on the updating of bio-colonisation mass from monitoring. This method relies on the specification of environmental conditions, said to be qualifying, which favour the mass update. The method practical implementation is studied and discussed for the unfavourable case of catenary moorings, thanks to propagation uncertainty through a dedicated meta-model of the numerical model.