Derin Okuma — Deniz Üstü Temel Monopile

Kuzey Denizi’nde bir salı sabahı

Ağır kaldırma gemisi, altı futbol sahası uzunluğundaki çelik silindiri halatlara teslim etmeden önce motorlarını susturur. Dalga yüksekliği bir buçuk metrenin üzerine çıktığı anda operasyon iptal edilir. Vinç operatörü, yetmiş metrelik yekpare bir çelik kütleyi milimetrik hassasiyetle konumlandırmak zorundadır. Halbuki o anda köprüüstündeki asıl mesele rüzgarın yönü ya da dalganın periyodu değildir. Asıl mesele, bu çelik silindirin iç yapısındaki artık gerilimlerin, İzlanda açıklarında bir çelik tesisinde, dökümden sekiz ay önce nasıl yönetildiğidir. Monopile temel, masif bir çelik borudur.

Resmi tanımı burada biter. Hikayesi ise çeliğin atomları arasındaki savaşın milimetre-altı dünyasında başlar.

İçi dolu kürdanın sınırları

Monopile, deniz üstü rüzgar türbinini taşıyan tek ve dev bir çelik borudur. Yaygın bilgi burada durur. Oysa bu yapının çalışma prensibi, fırtınada sekiz megavatlık bir makineyi sabit tutan kazığın mukavemetinden çok, o kazığın zemine nasıl “kaynaklandığı” ile ilgilidir. Monopile, içi boş bir kürdana benzer. Toprağa saplanan kısım, yukarıdaki dev kütleye karşı kendi ağırlığıyla değil, çevresindeki zeminin yatay direnciyle karşı koyar.

On metrelik bir çapa sahip çelik boru, yirmi beş metre derinliğe çakıldığında, yanal yük taşıma kapasitesi zeminin drenajsız kayma mukavemetiyle orantılı hale gelir. Burada unutulmaması gereken detay, çakma darbelerinin zeminde yarattığı por basıncıdır. Çakma sırasında kumlu zeminde drenaj hızlıdır. Killi zeminde ise su, boşluklardan kaçamaz ve basınç birikir. Ertesi gün çekiç sustuğunda, monopile’i asıl taşıyan kuvvet bu basıncın dağılmasıyla başlar.

Peki por basıncının dağılması ne kadar sürer? İnce taneli killerde konsolidasyon süreci günler, hatta haftalar alabilir. Kurulum ekibi çekici susturup gemiyi bir sonraki lokasyona çektiğinde, monopile henüz nihai taşıma kapasitesinin ancak yüzde altmışına ulaşmış durumdadır. Zamanla suyun drene olmasıyla efektif gerilme artar ve kazık adeta zemine kilitlenir. İşte bu yüzden çakma sonrası yük testi hemen yapılmaz. Yirmi dört saat ile yedi gün arasında değişen bir bekleme süresi, zemin tipine bağlı olarak şartnamede yazılıdır.

Çap ile et kalınlığı dengesi, burada bir finansman kararına dönüşür. Çapı bir metre artırmak, aynı yük kapasitesi için gerekli gömme derinliğini kabaca dörtte bir azaltır. Gömme derinliğindeki her metre azalış, çakma süresini ve dolayısıyla günlük kurulum maliyetini doğrudan etkiler. Ancak çap artışı, çelik sarfiyatını da üstel biçimde yükseltir. Yedi buçuk metre çaplı bir monopile’de et kalınlığını seksen milimetreden doksan milimetreye çıkarmak, metre başına çelik ağırlığını kabaca on dört tondan on altı tona taşır. Yetmiş metrelik bir kazıkta bu fark yüz kırk ton ek çelik demektir.

Zeminin verdiği bir başka karşılık daha vardır. Monopile, rüzgar ve dalga yükleri altında yalnızca eğilmez. Zemin yüzeyinin hemen altında bir dönme noktası oluşur ve kazık, bu sanal mafsal etrafında salınır. Dönme noktasının derinliği, zeminin yatak katsayısına ve kazığın eğilme rijitliğine bağlıdır. Sert killerde bu nokta yüzeyden itibaren üç ila beş çap derinliğinde oluşur. Yedi buçuk metrelik bir monopile için bu, yirmi iki ila otuz yedi metre aralığı demektir. Gömme derinliği bu aralığın altında kalırsa, kazık zemini sıyırır ve türbin bir fırtınada hizmet dışı kalır.

Sahada değil fabrikada dönen savaş

Monopile imalatında kimsenin anlatmadığı katman, teslimat toleransı değil, çelik sacın geometrik histerezisidir. Çelik sac, kontrollü haddeleme ile belirli bir kalınlığa indirilir. İşte tam burada, sacın kristal yapısına kazınan bir hafıza oluşur. Malzeme, elastik bölgeden plastik bölgeye geçtiği o saniyelerde, iç gerilimleri atom düzeyinde depolar. Silindirik forma getirilmek üzere büküldüğünde, bu iç gerilimler serbest kalır ve boru, tam çapına ulaştıktan sonra bile mikrometrik seviyede şekil değiştirmeye devam eder. Buna yaylanma etkisi denir.

Yaylanma etkisinin büyüklüğü sacın akma dayanımına ve bükme yarıçapına bağlıdır. Akma dayanımı üç yüz elli megapaskal olan bir sac, yedi buçuk metre çapa büküldüğünde, yaylanma sonrası çap kaybı kabaca on ila on beş milimetre aralığında seyreder. Kayıp, kaynak öncesi kalibrasyonla telafi edilmezse, boyuna kaynak dikişinde hizalama hatası oluşur ve gerilme yığılması kaçınılmaz hale gelir.

Kaynak sırasında ısıdan etkilenen bölgede bu hareket hızlanır. Fabrika zemini, sekiz metrelik bir boru segmentinin kaynak sonrası soğuma eğrisini takip eden lazer izleme sistemleriyle kaplıdır. Bir vardiyada sıcaklık farkı on dereceyi aştığında, tüm kaynak prosedürü yeniden kalifiye edilir. Operasyonel özgü buradadır. Monopile’in tek parça haline getirilmesi için yapılan çevresel kaynaklarda, ön ısıtma sıcaklığı sac kalınlığına bağlı olarak yüz ila iki yüz santigrat derece aralığında tutulur. Sac kalınlığı yüz milimetreyi geçtiğinde, ısıtma hızı saatte yüz elli dereceyi aşmamalıdır. Aksi halde gevrek bir ısıdan etkilenen bölge oluşur ve bu bölge, Kuzey Denizi’nin eksi iki derecelik suyunda tok bir darbe aldığında mikro çatlak başlatır.

Peki ön ısıtma neden bu kadar kritik? Cevap hidrojen difüzyonunda saklıdır. Kaynak sırasında atmosferden ve kaynak tozundan gelen hidrojen, ergimiş metal havuzunda çözünür. Soğuma sırasında hidrojenin kaçma hızı, çeliğin mikroyapısına bağlıdır. Martensitik yapılar hidrojeni hapseder ve gerilme altında çatlak başlatır. Ön ısıtma, soğuma hızını yavaşlatarak hidrojene kaçacak zaman tanır ve martenzit oluşumunu baskılar.

Seksen milimetrelik bir sac için ön ısıtma sıcaklığı yüz yirmi dereceyken, yüz yirmi milimetrelik sacda bu sıcaklık yüz yetmiş beş dereceye çıkar. Sıcaklık ölçümü, kaynak ağzından yetmiş beş milimetre uzaklıktan, temaslı termokupl ile yapılır. Lazer termometre burada kabul edilmez çünkü yüzey oksidasyonu emisiviteyi değiştirir ve okunan değer gerçek sıcaklıktan otuz dereceye kadar sapabilir.

Soğuma süreci de en az ısıtma kadar disiplinlidir. Kaynak sonrası soğuma hızı, sekiz yüz santigrat dereceden beş yüz dereceye düşüş süresiyle ölçülür. Süre, t8/5 olarak bilinir ve beş ila yirmi saniye aralığında kalmalıdır. Beş saniyenin altı martenzit riskini artırırken, yirmi saniyenin üstü tane irileşmesine ve tokluk kaybına yol açar. Fabrika mühendisi, her kaynak pasosu için bu pencereyi tutturduğundan emin olmak zorundadır.

Neden kalay damlası

Çeliğin deniz suyuna karşı korunması denince akla hemen boya ve katodik koruma gelir. Deneyimli bir yapısal bütünlük mühendisi ise önce kaynak dikişinin geometrisine bakar. Bunun sebebi, korozyonun bir elektrokimyasal süreç olmasıdır ve en keskin başlangıç noktaları geometrik süreksizliklerdir.

Kaynak dikişi ile ana malzeme arasındaki geçiş bölgesinde gerilme yığılması olur. Deniz suyu, bu bölgede yüzeydeki pasif tabakayı kırar ve oyuklanma korozyonu başlatır. Dalga kuvvetleri altında bu oyuklar, bir milimetreden daha küçük derinlikteyken dahi çatlak ilerleme hızını katlar. Monopile üretiminde kaynak profilinin yüksekliği ve genişliği arasındaki oran, yani taç yarıçapı profili, yorulma ömrünü belirleyen asıl değişkendir. Taç yarıçapını bir buçuk milimetreden üç milimetreye çıkarmak, yorulma ömründe kabaca iki buçuk kat artış sağlar.

Taç yarıçapının ölçümü, kaynak sonrası yapılan bir lazer profilometre taramasıyla gerçekleştirilir. Tarama, kaynak dikişi boyunca her on milimetrede bir kesit alır ve taç bölgesindeki eğrilik yarıçapını hesaplar. Şartname, kabul edilebilir minimum taç yarıçapını genellikle iki milimetre olarak belirler. İki milimetrenin altındaki her değer, taşlama ile düzeltilir ve yeniden taranır. Işlem, seksen metrelik bir boyuna kaynakta sekiz bin ölçüm noktası demektir.

Bunun sebebi, kalay damlası benzetmesiyle açıklanabilir. Kalayı lehimlerken damla ne kadar yayvan olursa, yüzey gerilimi o kadar homojen dağılır. Kaynak dikişi de benzer biçimde, içbükey bir profile sahip olduğunda gerilme yayılır. Dışbükey bir profil ise gerilmeyi tepe noktasına toplar ve ilk çevrimsel yük altında başlangıç çatlağına davetiye çıkarır.

Korozyon yorulması mekanizması bu geometriyle birleştiğinde tablo netleşir. Deniz suyunda çeliğin yüzeyinde oluşan pasif tabaka, çevrimsel yük altında mikro düzeyde çatlar. Çatlayan bölgede taze metal açığa çıkar ve anodik çözünme başlar. Yük boşaldığında pasif tabaka kendini onarmaya çalışır ancak bir sonraki çevrimde yeniden kırılır. Döngü, çatlak ilerleme hızını havadaki yorulma hızının üç ila beş katına çıkarır.

Kaynak dikişinin taç bölgesindeki geometrik süreksizlik, bu döngünün başlangıç noktasıdır. İçbükey profil, gerilmeyi geniş bir alana yayarak pasif tabakanın kırılma eşiğini yükseltir. Dışbükey profil ise gerilmeyi bir noktada yoğunlaştırarak eşiği düşürür.

Aynalar neden bu kadar pürüzsüz

Monopile kazığımız, çakma çekiciyle deniz tabanına indirilirken başka bir dünya devreye girer. Çakılabilirlik analizi, zeminin sondaj verilerinin bir sayısal modele aktarılmasıyla başlar. Deniz tabanından alınan her üç metrede bir zemin sınıfı ve vurmalı penetrasyon deneyi verisi kaydedilir. Veriler, dalga denklemi yazılımında binlerce kez simüle edilir. Operasyonel özgü burada bir sayıdır. Çakma reddi, yani santimetre başına düşen darbe sayısının belirli bir eşiği aşması, çekicin enerjisinin zemine değil kazığa geri döndüğü anlamına gelir.

Eşik genellikle on milimetrelik ilerleme başına iki yüz elli darbedir. Eşik aşılırsa çakma durur. Zemini tanımadan yapılan bir ihale, bu eşiğe yedinci metrede takılır ve proje üç ay gecikir.

Çakma reddi eşiğinin arkasında yatan fizik, çekiç enerjisinin empedans uyumsuzluğudur. Çekiçten kazığa aktarılan enerji, kazık boyunca bir gerilme dalgası olarak ilerler. Kazık ucunda bu dalga, zeminin empedansına bağlı olarak kısmen zemine iletilir, kısmen geri yansır. Zemin çok sert olduğunda empedans farkı büyür ve enerjinin büyük kısmı geri döner. Geri dönen enerji, kazık başlığında çekiciye çarpar ve çekiçte hasar riski oluşturur. Aynı zamanda kazık gövdesinde çekme gerilmeleri yaratır ki çelik, basınca göre çekmede çok daha hassastır.

O yüzden ihale sürecinde zemin raporuna harcanan her avro, kurulum gemisinin günlüğünde on katı olarak geri döner. Monopile’in ucundaki kazık başlığı, çekiç darbelerini dağıtırken ayna görevi görür. Yüzey pürüzlülüğü, yük dağılımını belirler. Pürüzsüz bir ayna, darbeyi homojen dağıtır ve kazık başlığının ömrü tek bir proje boyunca yeterli olur.

Kazık başlığının temas yüzeyi, altı metrelik bir çapa sahip olabilir ve bu yüzeyin düzlemsellik toleransı genellikle yarım milimetredir. Yarım milimetrelik bir sapma, darbe anında temas alanını yüzde otuza varan oranda azaltır ve gerilme yığılması yaratır. Gerilme yığılması, kazık başlığında plastik deformasyon başlatır ve deformasyon ilerledikçe temas alanı daha da azalır. Kısır döngü, birkaç yüz darbede kazık başlığını kullanılamaz hale getirir. Kurulum gemisinin günlük kirası yüz seksen bin avro iken, kazık başlığı değişimi için verilen dört saatlik mola, otuz bin avroluk bir kayıp demektir.

Piyasa Hafızası. Walney Extension ve kırk metrelik sessizlik

Ağustos 2018’de, İrlanda Denizi’ndeki Walney Extension projesinde bir dizi monopile, akustik yankı testlerinde beklenmedik sinyaller verdi. Test, çelik borunun içine gönderilen ultrasonik dalgaların yansıma süresini ölçerek et kalınlığındaki mikroskobik ayrışmaları tespit eder. Normal koşullarda kabul edilebilir sapma, nominal et kalınlığının yüzde beşidir.

Ancak ölçümler, kırk metrelik bir segmentin orta üçte birlik bölümünde laminasyon benzeri süreksizlikler olduğunu gösterdi. Kök neden analizi, çelik tedarikçisinin sürekli döküm tesisindeki bir soğutma spreyi memesinin kısmi tıkanıklığına kadar indi. Tıkanıklık, sacın iç kısmında ayırıma yol açmış, ancak kusur ultrasonik muayenede dahi ancak akustik empedans farkı yeterince büyüdüğünde görünür hale gelmişti. Ders keskin oldu. İmalat öncesi sac muayenesinde kullanılan standart darbe-yankı ultrasonik test, bu tür bir ince laminasyonu tespit etmekte yetersiz kaldı. Sektör, bu olaydan sonra faz dizinimli ultrasonik testi birinci kalite kontrol kapısı haline getirdi.

Küçük Bir Hesap. Sekiz megavatlık türbinin altındaki sayı

Sayılar temsili, mantık gerçek.

Tablo, sekiz megavatlık türbin başına temel maliyetini gösteriyor. Projenin toplam kurulu gücünü bir gigavat kabul edelim, bu da yüz yirmi beş türbin demektir. Yalnızca temel maliyeti, üç yüz yirmi beş milyon avroya ulaşır.

Duyarlılık twisti su derinliğinde saklıdır. Aynı türbin için su derinliğinin otuz beş metreden kırk beş metreye çıkması, monopile çapını yaklaşık yüzde on beş, et kalınlığını ise yüzde yirmi artırır. Da çelik sarfiyatını kabaca dört yüz ton artırarak türbin başına maliyeti sekiz yüz bin avro yükseltir. Proje ölçeğinde bakıldığında, sadece on metrelik su derinliği farkı toplam maliyete yüz milyon avro ekler.

O yüzden proje geliştiricileri, elli metreden derin sularda monopile yerine ceket temellere yönelir. Monopile’in ekonomik sınırı, çeliğin ağırlığı değil, su derinliğinin çelik sarfiyatına olan üstel etkisidir.

Bir temelden iki ders

Birinci ders sessizlikle ilgilidir. Monopile, deniz üstü rüzgarın en eski ve en kanıksanmış teknolojisi gibi görünür. Oysa yüzeyin hemen altında, sacın hadde çıkışındaki soğuma hızıyla başlayan ve kaynak dikişinin geometrisinde karar kılan bir fiziksel olaylar zinciri yatar. Zincirin her halkası, proje finansmanında bir risk satırına dönüşür.

İkinci ders maliyet kompozisyonundadır. Rüzgar sektöründe maliyet düşüşü denince akla hep türbin kanatları ve jeneratör verimliliği gelir. Halbuki silindirik bir çelik borunun, yani monopile’in, su derinliğine ve zemin koşullarına olan doğrusal olmayan maliyet hassasiyeti, bir projenin net bugünkü değerini türbin seçiminden daha sert etkiler. Finansman modelinde kanat aerodinamiği için ayrılan dikkatin yarısı, çelik sacın et kalınlığı toleransına ayrıldığı an, kırk metrelik sessizlik bozulur ve projeler yatırım komitelerinde akmaya başlar.

Tek bir silindir. Binlerce ton çelik. Ve her şey, kaynak tozunun metal yüzeye ilk değdiği andaki ısıl profille başlar.