Neutroner forbedrer svejseintegriteten af ​​undervandsvindmøllefundamenter

Massive offshore -strukturer som olierigge og vindmøller er designet til at modstå de utallige straffe, som oceaner har en tendens til at mete ud. Imidlertid, over tid, bare saltvandet i sig selv kan reducere holdbarheden af ​​en strukturs svejsninger markant.

Derfor bruger professorerne Michael Joachim Andreassen fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU) og Zhenzhen Yu fra Colorado School of Mines neutronanalyse ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at validere en mere avanceret metode til svejsning med højeffektlasere. Neutroner har meget gennemtrængende egenskaber - mere end røntgenstråler - og kan sondere næsten ethvert materiale på en ikke-destruktiv måde.

Neutron Residual Stress Mapping Facility (NRSF2) ved ORNL's High Flux Isotope Reactor - en DOE Office of Science User Facility - gør det muligt for forskere at studere kvaliteten af ​​deres svejsninger på atomær skala. Holdets resultater kunne føre til hurtigere, mere omkostningseffektive produktionsmetoder, samt betydeligt stærkere, længerevarende svejsninger.

"Vi studerer restspændinger i virkelig store strukturer, sagde Andreassen, "især supersized monopiler - enorme stålcylindre, der danner undervandsfundamenterne til vindmøller. Vi vil se på forholdet mellem restspænding og varierende tykkelser i stålpladerne, der bruges til konstruktion, ved at sammenligne to forskellige svejsemetoder."

Generelt, restspændinger er spændinger, der forbliver i svejsningens struktur, efter at påførte belastninger eller tryk er blevet fjernet. I nogle tilfælde, resterende spændinger kan føre til for tidlige fejl som revner eller utætheder. De kan skyldes flere faktorer, såsom udsving i temperatur, udsættelse for skadelige kemikalier, eller metaltræthed, forårsaget af gentagne påførte belastninger.

Stålpladerne, der bruges til at bygge monopæle, kan være op til 130 millimeter tykke, sagde Andreassen. De svejses typisk sammen ved hjælp af en traditionel metode kaldet nedsænket buesvejsning, hvor elektriske lysbuer bruges til at smelte sammenføjningsmaterialerne. Deri, svejsningens smeltede søm, eller svejsebad, er konstant "nedsænket, "eller dækket, i en granulær flux af forskellige forbindelser, der bruges til at understøtte svejsningen og beskytte den mod atmosfæriske forureninger.

Der er en række fordele ved nedsænket lysbuesvejsning. Blandt andet, teknikken producerer færre urenheder, gnister, og giftige dampe end lignende metoder. Imidlertid, siger Andreassen, der er betydelige byrder, også.

"Du skal fjerne en masse materiale for at lave svejsningen, og tilføj derefter fyldstof efter. Det koster meget at fjerne og tilføje materialer, og i sidste ende, du har en virkelig stor rille med masser af indførte restspændinger, " forklarede han.

Naturligt, jo flere trækspændinger der er, jo mere modtagelig vil en svejsning være for fejl.

"Hybrid laserbue svejseteknikken introducerer en mere fokuseret varmekilde, der giver os mulighed for at afbøde restbelastning, " sagde Yu. "I havet, saltvand til sidst skaber korrosion, og hvis du har høje grader af restspænding, jo hurtigere korrosion opstår, og jo større er sandsynligheden for, at brud eller revner forplanter sig gennem svejsede områder."

Neutroner giver et ekstraordinært detaljeret billede af, hvordan atomerne opfører sig dybt inde i svejsningerne, sammenligne resterende spændinger fra både den neddykkede lysbue og hybrid laserbueprøver. Neutronmålingerne viser eventuelle ændringer i restspænding, da Andreassen og Yu øger stålpladens prøvestørrelser fra 10 til 20, 40, og 60 millimeter tyk.

"Grunden til, at vi kan lide neutroner til denne forskning, er, fordi det er den eneste teknik, der kan trænge gennem stålpladerne for at give os en komplet profil af den resterende spænding, "sagde Yu." Vi vil bruge neutrondataene og sammenligne det med simuleringsarbejde fra Michaels gruppe, som vi kan anvende direkte på den faktiske struktur. "