Høyspentmaster for 420 kv i komposittmaterialer Polymerdagene 2014 Ivar Brovold STATNETT SF Hans Jørgen Fjeldvik RE-TURN AS
Presentasjon Statnetts bakgrunn for prosjekt Re-Turn og samarbeidspartnere i prosjektet Prosjekt mål Prosjektforløpet Presentasjon av dagens konsept Konklusjon
Prosjektets mål Utvikle 420 kv kraftledningsmast av komposittmateriale som leder til en sikrere, raskere og billigere byggingsprosess Prosjektet er en del av Lean Line prosjektet i Statnetts forsknings- og utviklingsprogram
Bakgrunn Utvidelse av 420 kv nettet Spenningsoppgradering fra 300 kv til 420 kv Tryggere, raskere og redusert kostnad! For flere detaljer, se: www.statnett.no
Statnett standard 420 kv mast Innvendig bardunerte fagverkspaneler i stål Gjennomsnittshøyde 27-28 m for bæremast på 10-12 tonn I gjennomsnitt 3 master pr. km Vanlig med islaster opp til 25 kg/m Vind opp til 50 m/s
Mastene må kunne tåle høye statiske og dynamiske laster!
Statnetts standard 420 kv mast Helikopter-montasje Maksimum last 1000-1200 kg for et standard helikopter 15-20 flyvninger pr. mast Et av målene er å redusere antall helikopter-flyvninger!
Statnett standard 420 kv mast Fundamentering: Armert betong 20 % jord 80 % fjell 15-40 helikopter flyvninger per mast
132 kv Skogfoss-Varangerbotn 2012: Fire komposittmaster fra RStandard i Canada og Melbye i Norway Travers og kryss i galvanisert stål
RStandard moduler 420 kv Standard kone rør-moduler og travers av stål RSX moduler Kortere avstander mellom mastene Lavere master Lave klimalaster
Komposittmaster av CFRP Oktober 2012 Invitasjon til FoU prosjekt Alternativt design Bruk av kompositt materiale Redusert vekt Raskere montasje Linekonfigurasjon Klimalaster Funksjonskrav
Komposittmaster av CFRP Mars 2013 Kontrakt med SINTEF Kontrakt med Re-Turn Fase 1: Materialer og mastedesign Fase 2: Optimalisering, detalj design, produksjon og elektriske utfordringer for en selvbærende konstruksjon Fase 3: Prototype full skala testing og verifikasjon
Designteamet:
Hvorfor: Mer effektiv utbygging av strømnettet Færre helikopterløft Forbedret HMS STATNETT KOMPOSITTMAST - POLYMERDAGENE 2014
Mål: Effektiv produksjon Effektiv transport og installasjon Lav vekt Forbedret sikkerhet Færre arbeidstimer i høyden Metode: Få moduler store og lette - geometrisk stivhetmaterialoppbygging- materialvalg Få sammenføyninger Få knutepunkter med flere funksjoner
Konsept fase 1 Få knutepunkter med flere funksjoner Store moduler Utvending bardunering 1 eller 2 helikopterløft
Konsept fase 1 Mulighet for flere konfigurasjoner 2 søyler 600 mmø 2 hovedfundamenter 4 bardunerings fundamenter Konfigurasjon 1
Konsept Fase 2 Statnett ønsket et konsept uten utvending bardunering: Fortsatt mulig med kun to søyler? Hvordan vil det påvirke vekt, pris, produksjon og design?
Fase 2 Innvendig bardunering Større diam. Søyler 800-600mmØ 1 eller 3 helikopterløft
Mer spenstig traversuttrykk
DIMENSJONER
ANALYSER OG BEREGNINGER Konstruksjonen optimaliseres fortsatt med tanke på vekt, men dagens anslag gir følgende totale vekter: Kompositt: 3160kg Stål: 825kg Totalt: ~4000kg Vekt av en søyle kompositt: 1260kg Vekt av en søyle med deler: ~1600Kg
MONTERING
ETT LØFT: Det kan være mulig å løfte hele masta i ett løft med noe optimalisering. Dette krever store helikoptre og at isolatorkjeder monteres separat.
Winch for alternativt løft av isolatorkjeder Løft av isolatorkjeder Pilotliner Utstyr og verktøy
MÅLOPPNÅELSE: Design : Store moduler Få deler Rask montering on-site Forbedret HMS - mindre arbeidstimer i høyden Mindre visuelt forstyrrende design
PRODUKSJON Produksjon og materialvolum En fullskalaproduksjon estimert til disse materialvolumene: Project Stage Number of towers Weight of Matrix [t] Weight of CF [t] Prototype 2015 2 1,9 3,0 Test series 2016 55 53 83 Serial Production 900 / year (300km) 864 1350 Utforderinger: Materialkost på råvarer Effektiv transport til sammenstillingsplass Kosteffektiv produksjon av store moduler og et stort volum, med integrerte insert
PRODUKSJONSMETODER Søyler: Filament Winding, and Pultrusion Travers: Infusion Moulding, RTM
FORELØPIGE KONKLUSJONER: Kompositt i høyspentmaster gir mulighet for og krever nytekning på mange områder Det er store muligheter for vektreduksjon og fordeler som en følge av dette Det gjenstår å se hvor konkurransedyktig konseptet er i forhold til stål Det er har vært veldig spennende å få mulighet til å arbeide med så potensielt stort prosjekt
TUSEN TAKK FOR OPPMERKSOMHETEN
Material Qualification There is no design standard for the use of composite materials in High Voltage towers in Norway today A design basis has therefore been developed based on: - DNV, Rules for classification of ships, High Speed and Light Crafts and Military Surface Crafts, July 2012. - DNV, Offshore Standard DNV-OS-C501, Composite Components, January 2003. - Over 27 years experience in the design of large FRP load bearing structures Material qualification for FRP composite materials - Verification of input parameters for calculations and FE analysis - Verification of production processes and procedures
Requirements for laminate stiffness and strength parameters Material properties must be documented through mechanical testing Test specimen shall be manufactured as the main production: Same production procedures Same production facilities Similar environmental conditions Manufacturing of the test specimens is a quality assurance of the production processes in addition to being a material qualification program. The following minimum values shall be documented through material testing: Carbon Fibre and Matrix laminates UD reinforcement layers Fracture stress (tension) in the fibre direction [MPa] σ 1t > 1700 MPa Fracture stress (compression) in the fibre direction [MPa] σ 1c > 850 MPa Minimum strain to failure is 0,6 % Minimum stress values for inter laminar shear stress: τ = 35MPa Material declarations shall be in accordance the European standard EN 16245
Test Procedures Tests of the mechanical properties for carbon fibre laminates Carbon Fibre (vol. 50%) No. layers [fibre angles] Test method Test direction Qualified material properties 16 [±45º] ASTM D 2344 +45º τ ss > 35MPa 10 16 [0º/90º/±45º] ASTM D 2344 0º τ ss > 35MPa 10 8 [±45º] ASTM D 3518 A 0º G 12, τ UD0º, ν 12 * 10 8 [±45º] ASTM D 3039 +45º E 1, E 2, σ tud90º, σ tud0º 10** 8 [0º±45º] ASTM D 3039 0º E 1, ν 12 *, σ tud0º 10*** 8 [0º±45º] ASTM D 3039 90º E 2, σ tud90º 10*** 8 [0º/90º/±45º] ASTM D 3039 0º E 1, E 2, ν 12 *, σ tud90º, σ tud0º 10 8 [±45º] ASTM D 3410 +45º σ cud90º, σ cud0º 10** One reinforcement layer is assumed to be 400g/m 2. *) ν 12 can be determined by strain gauge measurements on the specimens. **) 10 specimens shall be made with aluminium tabs. ***) The specimens shall be made with the following stacking sequence: ±45º/2x0º/±45º in order to avoid tabs. No. of specimens Four point bending test with sandwich beams No. Of layers [fibre angles] Test method Test direction Input data for back calculation of UD properties No. of specimens 3 [±45º] Sandwich 4PB* 0º t UD0º, 6 3 [±45º] Sandwich 4PB 45º s cud90º 6 4 [0º/90º/±45º]** Sandwich 4PB 0º s cud90º 6 One reinforcement layer is assumed to be 400g/m2. *) Testing in accordance with ASTM C393 / ASTM D5467 with some minor adjustments. **) One layer of quadri-axial reinforcement is assumed to be 800g/m2. Alt. made by 400g/m2 layers, type 0º/90º and ±45º.
PRODUKSJON AV SØYLER
PRODUKSJON AV TRAVERS