اعتمد مطورو مزارع الرياح البحرية على وجه الخصوص استخدام أنظمة حماية الكابلات بسبب المنطقة الديناميكية حيث يأتي الكابل من قاع البحر ويدخل في «عمود أحادي /أنبوب جاي». ويرجع ذلك جزئيًا إلى احتمال حدوث تجوب موضعي (تعرية الرواسب) بالقرب من الهيكل.

يتكون نظام حماية الكابلات عمومًا من ثلاثة أقسام، واجهة مُمركز أو واجهة عمود أحادي ونظام حماية للمنطقة الديناميكية ونظام حماية للمنطقة الثابتة.

كان يُنظر إلى تركيب «أنبوب جاي» للأعمدة الأحادية البحرية القابلة للتجديد على أنه نهج مكلف، ونوع حماية «إغلاقي» من نظام حماية الكابلات الذي يخترق الجدار الخارجي للعمود الأحادي، بواسطة فتحة بزاوية مصممة خصيصًا تتيح تبسيط تصميم العمود الأحادي، ويزيل الحاجة إلى أعمال إضافية بعد إزاحة الركام الذي يتضمن عادة استخدام للغواصين. أصبح هذا النهج هو المعيار الصناعي في تصميم العمود الأحادي، مما يساعد المطورين على خفض تكاليف البناء.

التاريخ
تستخدم أنظمة حماية الكابلات «كابل الأنبوب النصفي المفصلي» تقليديًا لحماية الكابلات عند الرسو على الشاطئ، وغيرها من المناطق التي يمكن أن يتوقع تلف الكابل، والدفن لا يكون عمليًا. يعود تاريخ براءات اختراع أشكال الحماية لكابلات الأنابيب المفصلية إلى عام 1929. وُصف النظام على أنه درع حماية كبل.

«مُكيَّفة لحماية الكبل من التلف والضرر الناجم عن الاحتكاك بالصخور، والتماس بالسفن أو المراسِ أو أي أشياء أخرى، ويملك هدف توفير درع عملي مرن من هذه الفئة يمكن تطبيقه بسهولة على الكبل في أي نقطة من طوله.»

منذ البداية، صُمّمت أنظمة حماية الكابلات لتكون بسيطة وفعالة وسهلة التجميع. تتألف الأنظمة من سلسلة من القشور النصفية التي لها حافة محدبة من أحد الأطراف وشفة مقبس أكبر في الطرف الآخر مما يسمح للأقسام بتكوين وصلة عالمية مشتركة مرنة بينهما. نظرًا للاستخدام المقصود للمعادن الثقيلة المسبوكة أو الخاضعة ل «لتطريق»، فقد تمتعت أيضًا بميزة إضافية تتمثل في زيادة وزن الكابل الذي يُثبّت، وبالتالي تقليل الحركة في قاع البحر.

على مر السنين، حدثت ابتكارات في تحسين تحرير المفاصل مع كون الأنابيب المفصلية الحديثة أقرب إلى المفاصل الكروية، وبعض الشركات المصنعة توفر أنابيب مفصلية «غير مسمارية»، وبالتالي توفير وقت التجميع.

حدثت تغييرات في علم الفلزات أيضًا، مما أدى إلى تصنيع معظم الأنابيب المفصلية النصف قشرية من الحديد الزهر المرن، نظرًا لخصائصه من ناحية القوة والمرونة المحسنة.

اليوم تُستخدم هذه الأنابيب المفصلية أيضًا لخصائص تقييد الانحناء، مما يسمح باستخدامها كمقيدات ثني للكابل المحمي.

اعتبارات التصميم
صُممت أنظمة حماية الكابلات في الغالب لحماية النظام من التلف طوال عمر الكابل الناجم عن الكلال، والانحناء الزائد للكبل، وتوفير الحماية للكابل حتى يصل إلى منطقة الطمر.

عمر التصميم
سيصمم نظام حماية الكابلات لتوفير الحماية لمدى حياة محدد، وهو «عمر التصميم» للنظام، والذي قد يختلف تبعًا للظروف المصادفة.

الانحناء الزائد للكبل
يحدث الانحناء الزائد للكبل عند ثني الكابل في دائرة نصف قطرها أقل من نصف قطر الانحناء الأدنى المحدد من قبل الشركة المصنعة. على الرغم من أن الكابل قد ينجو من تجاوز الحد في البداية، إلا أن هذا قد يؤدي إلى كلال لاحق داخل الكابل مما يؤدي في النهاية إلى فشل الكابل. يجب أن يحافظ نظام حماية الكابلات المحدد على نصف قطر أكبر من نصف قطر الانحناء الأدنى المحدد.

الكلال الداخلي لكابل نظام حماية الكابلات
يمكن أن تواجه أنظمة حماية الكابلات الموجودة تحت سطح البحر التآكل بسبب الحركة، والتغيرات العامة في التركيب بسبب غمرها لفترة طويلة من الزمن، مثل التآكل أو التغيرات في المركبات القائمة على «البوليمر». يجب مراعاة التأثيرات المستحثة على نظام حماية الكابلات الناتجة عن العناصر الديناميكية في البيئة. قد تؤدي التغييرات البسيطة مثل التغيرات في درجات الحرارة أو التيار أو الملوحة إلى حدوث تغييرات في القدرة على توفير الحماية لحياة الكابل. يُنصح بتقييم الآثار المحتملة لحركة نظام حماية الكابلات بعناية، فيما يتعلق بالقدرات الديناميكية للكابل. قد يتحمل نظام حماية الكابلات أسوأ الظروف الممكنة خلال فترة 100 عام، لكن هل الكابل الموجود داخل نظام حماية الكابلات سينجو من هذه الحركات. في بعض الحالات، مثل نهايات الشواطئ لكابلات الألياف الضوئية حيث تتواجد النتوءات الصخرية، يمكن تقليل التأثيرات الديناميكية عن طريق تأمين الأنابيب المفصلية على صخرة قاع البحر، وبالتالي تقليل درجة الحركة المتبقية.

أجرت بعض الشركات المصنعة اختبارات تجريبية مستقلة لتوفير دورة حياة مدتها 25 عامًا من القوى الديناميكية المطبقة على منتجاتها من أجل تزويد العملاء بثقة أفضل في قدرة النظام على البقاء.

سبب آخر لفشل كابلات الطاقة تحت سطح البحر هو ارتفاع درجة الحرارة، والذي يمكن أن يحدث عندما يوجد كابل داخل نظام حماية الكابلات دون قدرة كافية على تبديد الحرارة الناتجة عن الكابل. هذه تؤدي إلى الكلال المبكر لعزل الكابل، مما يتطلب استبدال الكابل.

تمثل حوادث الكابلات في قاع البحر حوالي 77% من إجمالي التكلفة العالمية لخسائر مزرعة الرياح. منذ عام 2007، أُبلغ عن هذه النسبة المئوية، والتي تراوحت بين 70-80% إحصائيًا عامًا بعد عام.

استقرار قاع البحر
يعد استقرار قاع البحر عاملًا هامًا مرتبطًا بأنظمة حماية الكابلات. إذا كان نظام حماية الكابلات قابل للطفو للغاية، فمن المرجح ألا يبقى على اتصال مع قاع البحر، وبالتالي من المرجح أن يتطلب نظام حماية الكابلات تدابير إضافية للاستقرار التصحيحي، مثل تركيب حصيرة خرسانية أو أكياس صخرية أو إلقاء صخور.

قوة التعليق
عندما يُثبت نظام حماية الكابلات كواجهة مع بنية عمود أحادي، من المحتمل أن يكون هناك تعرية في قاع البحر إلى حد ما. إذا أصبحت عملية التعرية مفرطة، فقد يتم تعليق نظام حماية الكابلات داخل فتحة التعرية، ويجب أن يكون قادرًا على دعم وزنه ووزن الكابل الموجود في الداخل. سيؤدي الفشل في الحفاظ على سيناريو التحميل هذا إلى فشل نظام حماية الكابلات، مما سيسمح بدوره للقوى بالتأثير على الكابل الداخلي، مما يؤدي في النهاية إلى تلف الكابل.

التركيب
داخل سوق مصادر الطاقة المتجددة على وجه الخصوص، يُفضل أن يكون تركيب نظام حماية الكابلات بدون غطس، حيث يقلل هذا من تكلفة المطورين ويزيل المخاطر على حياة الإنسان من خلال الغوص في منطقة خطرة.

الإزالة وإعادة التركيب
الاعتبار الأخير لنظام حماية الكابلات هو إزالة الكابل في حالة حدوث عطل. تتطلب بعض التصميمات تدخل الغواص لاستعادة الكابل مع نظام حماية الكابلات. يجب أيضًا إيلاء الاعتبار الواجب لإزالة نظام حماية الكابلات في حالة فشل نظام حماية الكابلات نفسه. التكاليف المرتبطة باستبدال نظام حماية الكابلات خلال فترة التشغيل لمزرعة الرياح البحرية ليست ضئيلة، حيث من المرجح أن يحتاج الكابل إلى إصلاح أو استبدال كجزء من العملية.
نظام حماية الكابلات