¿Por qué debemos inspeccionar las soldaduras de la torre de un aerogenerador?

Un aerogenerador precisa de una torre para posicionar el rotor a gran altura, donde está el viento más favorable. Las torres metálicas se componen de varios tramos que se atornillan en el montaje y cada tramo se fabrica a base de virolas de acero soldadas entre sí. Unirlas así permite una fabricación flexible así como poder adaptar por tramos el espesor necesario a las exigencias estructurales: la parte inferior presenta un mayor diámetro y espesor que va disminuyendo gradualmente según nos acercamos a la parte superior, porque cuanto más abajo más carga recibe la torre. De este modo nos encontramos con soldaduras horizontales que dividen las virolas en las distintas alturas de los tramos de la torre, y soldaduras verticales que cosen cada 1 de los tramos cilíndricos o troncocónicos cuando completan los 360 grados. 

Estas soldaduras suelen ser casi siempre del tipo de penetración completa, donde se fusiona todo el espesor dando una continuidad geométrica de la chapa. Esta solución presenta las mejores características estructurales respecto a otro tipo de soldaduras. Si tenemos presente que todas las cargas estructurales se transmiten por la torre desde la máquina hacia la cimentación, y observando que la soldadura es un eslabón más en este camino de carga, vemos clara la necesidad de presentar unas óptimas condiciones para asegurar la integridad de toda la estructura y evitar el colapso.

Metalúrgicamente una soldadura supone una disrupción en el medio continuo: pasamos de la chapa con una cierta homogeneidad controlada a un material de aporte que, si bien es de calidad superior, se aporta mediante un proceso de fusión con una gran aportación de calor en corto tiempo, lo que implica una serie de cambios metalográficos en el entorno. Geométricamente también supone una modificación local puesto que el propio cordón sobresale de la superficie exterior en una forma un tanto irregular. Estos dos aspectos hacen de las soldaduras el punto estructuralmente más débil a los esfuerzos de fatiga de la torre, sin considerar los tornillos que unen los tramos. En definitiva, se hace necesario realizar durante la vida en operación del aerogenerador inspecciones recurrentes de las soldaduras de la torre para poder apreciar si se ha iniciado un mecanismo de fatiga. Debemos recordar que la fatiga es un mecanismo completo desde un inicio micro-estructural de una grieta que, debido a los ciclos de carga recurrentes y variables, va progresando hasta llegar a separar por completo las dos piezas. Con una inspección podemos detectar un estado intermedio de esta progresión, haciéndolo a tiempo para poder tomar acciones o medidas correctoras mucho antes de llegar al fallo de la soldadura y en definitiva el colapso de la estructura.

En el proceso de diseño de una torre metálica se calculan con rigor estas uniones soldadas para asegurar la certificación de los 25-30 años de vida esperados. Se sigue como guía el Eurocódigo 3 para el diseño de estructuras de acero partes 1-8 y 1-9, donde se pueden encontrar una clasificación de los parámetros y tipologías que permite orientar eficazmente al cálculo que verifique la unión. Adicionalmente guías de certificadoras como DNV, más otras publicaciones de referencia especializadas sirven de apoyo y contraste al análisis. Un caso más particular de las soldaduras horizontales son las que unen la virola a las bridas en los extremos de los tramos. En este caso la carga estructural no sólo pasa de un espesor a otro, sino que pasa de un espesor a una brida con la unión atornillada dispuesta a una cierta distancia en un diámetro diferente. Ese paso de carga es más comprometido para la propia soldadura, y por eso se analizan con detenimiento. Es importante remarcar que en el proceso de fabricación se debe observar un control riguroso de los parámetros de calidad del proceso de soldadura, ya que éste es muy sensible a ciertos factores. Una mala fusión en un punto, un mal aporte de material localmente, un exceso de calor con cambios metalográficos, o algún otro fenómeno por falta de control en la calidad del proceso, puede desvirtuar por completo la resistencia a fatiga a valores muy inferiores.

Las soldaduras que se inspeccionan habitualmente son las horizontales, y no tanto las verticales ¿a qué se debe? Las soldaduras horizontales sufren la carga perpendicularmente, lo que es más dañino a fatiga que en el caso de las verticales, donde la carga discurre de manera paralela.

En el momento actual, el sector eólico experimenta un crecimiento espectacular y sin embargo todavía insuficiente, para alcanzar los objetivos de crecimiento en producción de energías renovables y descarbonización. Debido a esto y al gran número de parques eólicos que están llegando a los 20 años y por tanto al fin de su teórica vida útil, una alternativa muy frecuente es extender la vida de los activos. Para ello se debe asegurar la integridad estructural de los elementos estructurales, principalmente la torre para garantizar la seguridad de las instalaciones. Por ello el creciente interés por nuevas soluciones o alternativas para la inspección de las soldaduras de las torres.

Una vez definida la necesidad de inspeccionar un elemento crítico para la integridad estructural de los aerogeneradores, la siguiente cuestión es analizar las opciones técnicamente viables para realizar dichos trabajos.

Las técnicas actuales para inspeccionar las soldaduras pasan por diferentes tecnologías de ultrasonidos. Están más que contrastadas y se usan habitualmente en la industria en casi todos los sectores. El problema en el caso de los aerogeneradores está en el acceso a esas soldaduras. Tengamos en cuenta que las torres de los aerogeneradores miden entre 40 y 140 metros de altura si nos referimos a estructuras en tierra (onshore). Esto hace necesarios métodos de trabajo en altura como grúas, plataformas o trabajos con cuerdas. Además, las torres son estructuras troncocónicas, lo que representa un reto para hacer el seguimiento de las soldaduras a lo largo de la circunferencia de 360º, obligando a las grúas y plataformas a varias posiciones alrededor de la turbina para acceder a toda la circunferencia. En el caso de las cuerdas no hace falta posicionar las cuerdas, pero complica mucho la correcta toma de datos con un equipo de mucha precisión como los ultrasonidos. En todos estos casos debemos añadir el factor crítico del alto riesgo para los trabajadores que implican estas operaciones. Hay que considerar el altísimo coste del uso de grúas o plataformas, además de su escasa disponibilidad, sobre todo para grandes alturas. Además, el tiempo necesario para estas operaciones que necesitan ventanas con muy bajo viento para realizarse conlleva muchas horas de parada de las turbinas, con la consiguiente pérdida de producción y dinero. Debido a este alto coste y al excesivo tiempo y pérdidas de producción necesarios para la inspección, se suelen realizar muestreos, en lugar de inspeccionar la totalidad de las soldaduras.

Para solventar todos estos inconvenientes, TSR Wind ha diseñado y construido un robot teledirigido capaz de realizar el seguimiento de las soldaduras horizontales y verticales de las torres. Kratos es un robot magnético capaz de moverse sobre la superficie metálica de las torres en todas direcciones con gran precisión. Está equipado con un equipo de ultrasonidos de alta gama, que incorpora y permite combinar dos tecnologías diferentes de UT, como Phased Array y TOFD. A diferencia de los equipos manuales usados habitualmente que no permiten la grabación de datos y por tanto dependen de la habilidad y experiencia del técnico que realice la inspección, este sistema permite el registro y grabación de todos los datos adquiridos y por tanto la digitalización y procesamiento de la información, además de las imágenes recogidas por sendas cámaras que graban el exterior de las soldaduras.

El uso de servicios robotizados como el Kratos tiene claras ventajas técnicas y económicas sobre los métodos actualmente disponibles. Necesita mucho menos tiempo y por tanto también es más económico, teniendo menos tiempo los aerogeneradores parados, aumentando así la producción. Evita el problema del alto coste y la escasa disponibilidad de grandes grúas o plataformas, sobre todo para torres superiores a 80metros de altura. El uso de un equipo que permite combinar dos potentes tecnologías de ultrasonidos aporta mayor calidad y mucha más información de la inspección que los equipos manuales. Aumenta la calidad de la inspección usando equipos de alta gama y la combinación de diferentes tecnologías de UT. Además, permite su registro para la digitalización almacenamiento y posterior análisis y procesamiento.

Este servicio pone a disposición de los propietarios y gestores de activos eólicos una nueva alternativa técnica y económicamente viables que además elimina o reduce significativamente los riesgos para los trabajadores.