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Nuevos procesos de soldadura para turbinas marinas

Cada tonelada cuenta

Cuando el Öko-Institut de Alemania acuñó la palabra "Energiewende" (transición energética) en la década de 1980, un cambio fundamental en el consumo y producción de electricidad seguía pareciendo poco más que una visión utópica. En la actualidad, numerosos países trabajan para hacer que la energía verde sea una realidad. Las turbinas eólicas marinas en aguas costeras desempeñan una función fundamental para ello, ya que encierran la promesa de un rendimiento energético particularmente alto. Sin embargo, la instalación de enormes torres en mar abierto resulta complicado en todos los aspectos. Se han diseñado aceros de alta resistencia para hacerlas más ligeras, pero la unión de las piezas hechas de este material mejorado requiere una técnica de soldado especial.

Los mástiles de las turbinas eólicas en el mar tienen que soportar condiciones extremadamente adversas. Todo empieza con las tremendas fuerzas mecánicas durante la instalación; después, con el paso del tiempo, las torres se ven sometidas a la presión del viento y la acción de las olas, al agua salada corrosiva, a los cambios entre fases húmedas y secas y a una fuerte radiación ultravioleta. El material y los puntos de soldadura deben poder aguantar todo esto de manera fiable durante varias décadas.

Piezas de mil toneladas
Hasta ahora, las torres solían estar hechas de aceros de baja aleación que aportaban una solidez relativamente baja. Por tanto, las placas y tubos utilizados para construir las torres tienen que ser mucho más gruesos, lo que, por supuesto, hace que la estructura sea pesada: por ejemplo, el caso de las turbinas eólicas del Mar del Norte en Alpha Ventus, el primer parque eólico, donde las masas de acero de los cimientos del trípode, la torre y la góndola pesan cerca de 1.000 toneladas cada uno. Anclar piezas de tanto tamaño con una orientación vertical precisa es un reto técnico enorme, sobre todo debido a que montan en el mar a partir de unas pocas piezas gigantes que se han ensamblado previamente en tierra.

Solo hay un número limitado de buques especiales para el transporte y montaje de componentes tan enormes. Además, las ventanas de tiempo durante las que se pueden movilizar son también muy restrictivas, porque el trabajo en el mar requiere poco viento y aguas calmadas. Estas son solo algunas de las principales razones por las que en el futuro, los aceros de alta resistencia se utilizarán también para construir torres cuyas paredes tengan un grosor significativamente menor, lo que las hará considerablemente más ligeras. Los buques especiales podrán transportar entonces un mayor número de ellas con cada trayecto, y estás torres más ligeras también se instalarán con mayor facilidad.

La tecnología de soldadura por rayo láser plantea nuevas oportunidades
Los aceros modernos de mayor resistencia obtienen sus propiedades mecánicas principalmente a través de su microestructura metalúrgica, que se ajusta mediante tratamientos de calor y/u operaciones de laminación. Resulta extremadamente difícil soldar estos aceros utilizando métodos de soldadura por arco convencional, porque aplican tanto calor en la zona de la costura de la soldadura, que se rompe de nuevo la estructura metalúrgica, destruyendo así también las propiedades mecánicas. Los nuevos procesos de unión, caracterizados por una aplicación de calor concentrada, son especialmente beneficiosos en este caso. Hacen que sea posible formar costuras extremadamente profundas y estrechas con una sola pasada, minimizando al mismo tiempo la deformación del material.

Por ello, la Asociación de Investigación para la Aplicación del Acero (FOSTA) está financiando proyectos en la Universidad de Hannover y en la Universidad de Aquisgrán con el objetivo de desarrollar nuevos procesos para unir de manera rápida y fiable los componentes de acero de alta resistencia para las torres de turbinas eólicas. Ambos proyectos abordan la soldadura por haz de electrones, que incluye la aplicación concentrada de calor al componente. Mientras que Aquisgrán estudia la soldadura clásica por haz de electrones en vacío, Hannover investiga el proceso sin vacío en la atmósfera. Messer ejerce de asesor en ambos proyectos.

Además, Messer es uno de los socios del proyecto HYBRILAS del Ministerio Federal de Alemania de Educación e Investigación. Entre otras cosas, el proyecto incluye la soldadura híbrida por láser de turbinas eólicas, un método que combina las ventajas de la soldadura por rayo láser con las de la soldadura por arco eléctrico. La soldadura por rayo láser permite una aplicación concentrada del calor, mientras que el método de soldadura por arco eléctrico permite mayores tolerancias dimensionales.

Para el futuro inmediato, la estructura básica, que en el parque eólico de Alpha Ventus incluye las estructuras gigantes del trípode y el recubrimiento que funcionan como cimiento de cada torre, continuarán haciéndose con aceros de baja aleación. Esto es para permitir reparaciones en la localización si son necesarias, porque la soldadura del arco eléctrico sigue siendo el único proceso apto para soldar bajo la superficie del agua. Debido al efecto del calor sobre el metal y el rápido enfriamiento por el agua del mar, los aceros de alta resistencia no se pueden utilizar en estos casos, ya que la zona de la costura de la soldadura se volvería frágil.

La estructura de los parques eólicos que se están construyendo actualmente se monta en tierra empleando el método de soldadura por arco clásico. Los gases de soldadura necesarios para ello protegen las soldaduras del efecto de la atmósfera y garantizan la alta calidad de la junta soldada.

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