Cómo mejorar el ciclo de vida de las estructuras flotantes para eólica marina

Navantia y el centro de innovación y tecnología gallego AMIEN trabajan en el desarrollo de una nueva metodología de diseño de sistemas de protección catódica (activa y pasiva) basada en el uso de software BEM (Boundary Element Method). Esta iniciativa, que permitirá mejorar el ciclo de vida de las estructuras flotantes para eólica marina, se enmarca en el proyecto de I+D+i de F4ST.

Este proyecto de I+D+i se integra dentro del Plan Estratégico de Navantia (PEN) 2018- 2022, en el que se define el Astillero 4.0 como uno de los tres ejes principales para mejorar su competitividad y modernizar sus instalaciones. Este proyecto, que finalizará en abril de 2023, cuenta con un presupuesto cercano a los 10 millones de euros y está subvencionado por la Axencia Galega de Innovación a través del Programa Industrias do futuro 4.0 (tercera convocatoria), apoyado por la Consellería de Economía, Empresa e Innovación de la Xunta de Galicia y cofinanciado por la Unión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional – FEDER Galicia 2014-2020 ‘Una manera de hacer Europa’, dentro del objetivo temático 1, ‘potenciar la investigación, el desarrollo tecnológico y la innovación’.

En 2018, Navantia y AIMEN acuerdan la creación de una Unidad Mixta de Investigación (UMI) Nautilus, que tiene como objetivo desarrollar “nuevos materiales y sistemas automatizados para la fabricación avanzada con aplicación en buques militares”. Dentro del proyecto F4ST se aborda el diseño y simulación de procesos de protección catódica mediante análisis numérico con dos grandes objetivos alineados con los trabajos de la UDC ‘Astilleros del Futuro’:

• Desarrollo de nuevos procesos de fabricación y, en particular, de sistemas automatizados/robotizados para las primeras fases de fabricación del buque (conformado de chapa y soldadura de previas y paneles).
• Desarrollo de productos de mayor valor añadido, en el que se plantearán nuevas soluciones en el área de los materiales (aligeramiento, blindaje y protección contra la corrosión).

Con respecto a esta última línea y a la protección contra la corrosión, esta UMI pretende desarrollar una nueva metodología de diseño de sistemas de protección catódica (activa y pasiva) basada en el uso de software BEM (Boundary Element Method).

Con este tipo de software se pretende optimizar la masa anódica y el número y disposición de los ánodos de cara a mejorar el ciclo de vida de la estructura flotante y minimizar los costes de mantenimiento, al mismo tiempo que se cumple con la normativa existente.

Mediante el uso del simulador, se optimiza el sistema de protección de una subestructura offshore tipo ‘spar’ analizando los niveles de protección de la zona de ‘splash’ (más demandante) y las zonas sumergidas a más profundidad (menos demandante), en donde existe una menor concentración de oxígeno. De este modo, se analiza también cómo afecta el esquema de pintado de la unidad ‘spar’ y la degradación de ésta y de los ánodos durante el ciclo de vida del artefacto.

Cálculo comparativo analítico por normativa y con simulación
En esta primera etapa se realiza un cálculo riguroso analítico empleando la normativa DNV-RP B401:2022, así como una simulación del proceso de corrosión de los ánodos galvánicos en la subestructura, considerando el esquema de pintura aplicado según la normativa NORSOK M501.

Se consigue un ahorro de 20 ánodos galvánicos por cada subestructura de tipo ‘spar’ de dimensiones indicadas, siendo el ahorro en costo por unidad, y teniendo que actualizar los valores del mercado del metal del 2019 al 2022- de casi un 29%.

Resultados del proceso de diseño y simulación de protección catódica a 21 años con comparativa con el acero desnudo

Estos valores son para el acero naval desnudo en agua de mar, tanto para potenciales de corrosión como para densidades de corriente.

A continuación se aplica pintura tipo VII-A, según NORSOK M-501, así como protección catódica por ánodos galvánicos obtenida por simulación. Se extrapola la simulación a 21 años de vida útil. Los resultados se muestran a continuación. Nótese las diferencias sustanciales en los valores de potencial de corrosión, más próximos al aluminio (en torno a -1V), así como los órdenes de disminución en las densidades de corriente y cómo se mantienen éstos en el tiempo hasta que el ánodo galvánico se disuelve por completo.

Conclusiones
Estas son las conclusiones más significativas obtenidas en el proyecto:

• Los sistemas de pintado y de protección catódica en el ‘spar’ de estudio diseñados por la norma NORSOK producen potenciales de sobreprotección. 
• La estructura ‘spar’ está lejos de valores de corrosión activa (0.1μA/cm2).
• A los 21 años de servicio, la corriente aumenta casi 1.000 veces evidenciando una falta de protección.
• Los modelos de simulación de sistemas de protección catódica permiten optimizar el sistema de protección catódica minimizando los costes de fabricación, instalación y mantenimiento.

Trabajo a futuro

• Estudio en el laboratorio del sistema de protección catódica a escala real para obtener la curva de desgaste real del ánodo, el par galvánico ánodo-alma de acero y el efecto del biofouling en el ánodo y su rendimiento en la entrega de corriente.
• Realizar simulaciones con los resultados de los ensayos para obtener validaciones y optimizaciones de lo más precisas aplicadas a cada casuística y subestructura.
• Diseño de un sistema de protección activa de la estructura ‘spar’. Estudio de desempeño y costes en comparación con el sistema de protección pasiva, de especial interés para las futuras subestructuras y jackets del proyecto F4ST.