REFACE - Next generation damage based fatigue design of cable sheathing

Nexans har sammen med SINTEF studert hvordan sjøkabler tåler sykliske mekaniske belastninger med fokus på kabelens vannbarriere: En metallkappe som stenger vann ute fra isolasjonslaget rundt strømlederne. Isolasjonen må holdes tørr for kabler som skal brukes på spenningsnivå over 66 kV. I kabler for slike spenningsnivåer brukes derfor en metallisk kappe rundt isolasjonen. Om kappen sprekker, kan systemet svikte over tid. I konvensjonelle kabler brukes så å si bare blylegeringer i kappene. Fordelen er høy formbarhet. Det gjør kappen enkel å ekstrudere. I tillegg forenkles transport og installasjon av kablene. Ulempen er at motstanden mot tretthetsbrudd er lavere i bly enn i flere andre metaller; Det betyr at sprekker kan initieres og vokse kappen over levetiden til kabelen. Samtidig er forståelsen av hvordan materialet oppfører seg begrenset. Tilgjengelig litteratur og analytiske metoder har tidligere ikke vært i stand til å predikere levetiden til blykapper i sjøkabel. I den sammenheng har REFACE utviklet ny metodikk for kalkulasjon av utmatting av duktile materialer i fullskala multi- material komponenter. Eksperimentelt og analytisk arbeid har vært rettet mot optimalisering av labskala prøvegeometrier med hensyn på den endelige bruken. Videre har man utviklet material- og skademodeller som tar hensyn til vekselvirkningen mellom utmatting og sig. I motsatt ende av skalaen har fullskala testing blitt benyttet for å forstå den virkelige levetiden for kabel kappen. Parallelt har flere nye materialer og prosesser blitt utviklet og karakterisert. Resultater viser signifikant bedre prosesserings- og mekaniske egenskaper enn tradisjonelle materialer. Resultatene har blitt benyttet til å verifisere nåværende og fremtidens undersjøisk kabeldesign for dets livsløp. Som en konsekvens av dette har betydelig råmaterial besparelser blitt realisert, og nye produkter har blitt utviklet- inkludert dynamiske høyspentkabler over 145 kV som vil være spesielt egnet for flytende havvind.

As of today, the following values have been realized as a direct consequence of the REFACE project results: i) Updated subsea cable designs uses on average 20 % less lead. This amounts to approximately 1,500 Tn lead per year. ii) Experimental results from testing of a novel lead alloy demonstrate that the above lead use can be further reduced by approximately 30 %. iii) Testing of non- lead cable sheathing have been used to select appropriate material and process to realize a high- voltage dry design dynamic subsea cable for large depths. This represents a first-to- market opportunity. The achievements given above positively affects not only development of the global electrical grid, but exploitation of offshore installations and in particular the prospect of dynamic cables at higher voltages is a significant contribution to realization of cost efficient offshore wind.

Subsea power cables are today widely used all over the Norwegian Continental Shelf toward Norway and Europe. Static and dynamic voltage cables with power above 36 kV for subsea applications require a radial water barrier and, for the expected operational life time up to 50 years, the only accepted solution is a metallic sheathing. In both cases, fatigue is one of the limiting design factors for the cable realization. However, the available design rules and methodologies adopted by the conventional subsea industry do not adequately apply to components and materials subject to major cyclic plasticity as in the case of the lead sheathing. This marks a clear need for a systematic and research-based verification of the current design methodologies toward metallic sheathing fatigue life determination. The REFACE project aims to fill this knowledge gap and, with the support of the latest technologies in the field of computational mechanics and material testing, provide the proper bases for the design methodologies and the production processes parameters of next generation metallic sheathing for electric cables. The project is divided into 5 work packages: (1) Fatigue full scale testing of lead-alloy sheathing for cables, (2) Small scale fatigue testing of lead-based alloy used for cable sheathing, (3) Numerical modelling of lead-based sheathing material definition and (4) Damage-based fatigue model development, in addition to one project management and dissemination work package. The project mobilizes Nexans, one of the main supplier in both petroleum and energy sectors, to develop new solutions and technologies for the renewable energy sector and the restructuring of the energy system. The project evidently aims to substantial cost reductions, and therefore higher level of affordability, access as well as safety, not only for offshore wind application but also in oil and gas offshore plants by further easing process of electrification of offshore installations.