Tours de puissance 2 : grandes grues à flèche relevable pour les travaux sur les éoliennes

Première unité du Kitagawa JCW1800K sur son deuxième chantier. Image : HG Kessel

La deuxième partie de ce rapport sur les applications des grues à tour pour les projets d'érection d'éoliennes se poursuit avec un examen approfondi de certains modèles de flèches relevables plus grands.

Après avoir examiné dans la première partie les conceptions inhabituelles d'IHI Shimizu , nous nous tournons vers le fabricant japonais de grues à tour Kitagawa Iron Works Co., Ltd. Il a acquis une expérience sur le terrain pour son JCW1800 lancé en 2020 lorsqu'il était exploité par TA Lift Co. Cette société de location de grues à tour pour l'installation d'éoliennes a été créée conjointement par Achia Co., un expert en transport lourd et en opérations de gréement, et Toko Electrical Construction co., Ltd.

Il s'agit de la première grue à tour d'installation d'éoliennes conçue au Japon. Sa version JCW1800K permet de lever jusqu'à 140 tonnes dans un rayon de 12,5 mètres et jusqu'à 140 mètres de hauteur. Selon le mouflage du crochet, réglable à distance par une goupille, cette même grue peut être utilisée comme JCW1600K d'une capacité de 95 tonnes.

Il existe également le modèle JCW1400K d'une capacité de 70 tonnes. Jusqu'à une hauteur de mât de 75 mètres, la tour peut mesurer seulement 2,5 x 2,5 mètres pour faciliter le transport sur des camions standard.

Un emplacement boisé typiquement exigu pour la Kitagawa JCW1800K. Image : HG Kessel

Pour atteindre une hauteur libre de 91,4 mètres, des sections de base supplémentaires de 3,2 x 3,2 mètres de large ont été ajoutées. Aucun contreventement n'est nécessaire.

La grue utilise la méthode japonaise traditionnelle de levage, permettant d'insérer jusqu'à deux sections de tour en une seule unité de 15,2 mètres de long. Un châssis spécial en forme de croix a également été développé pour accélérer l'installation.

Mouvements sur SPMT

Afin d'améliorer encore la rapidité de déplacement des parcs éoliens, Kitagawa a également développé un système de transport spécialisé pour son JCW1800K. Ce système utilise un transporteur modulaire automoteur (SPMT). Dans ce cas, le pont machine complet, avec le cadre en A et la section de base de la flèche (pour maintenir les câbles de relevage), est soulevé sur un transporteur SPMT à l'aide d'une grue mobile sur roues d'une capacité de 550 tonnes en une seule levée.

L'unité grimpante et la section de base de la tour constituent une autre charge SPMT. Cette méthode permet d'abaisser considérablement le centre de gravité des composants de la grue déplacés, améliorant ainsi la stabilité.

Au moment de la rédaction de ce document, une seule JCW1800K avait été produite. Selon Kitagawa, les restrictions de transport strictes au Japon impliquaient que la taille acceptée des éoliennes ne nécessitait pas une grue de 1 800 tonnes-mètres pour le marché intérieur. TA Lift et Kitagawa ont donc développé la JCW1250, plus petite, d'une capacité de 95 tonnes pour un rayon de 12,5 mètres.

Le plateau de machines compact du Kitagawa JCW1800K. Image : HG Kessel

Une hauteur de tour autoportante de 80,9 mètres et une flèche de 51 mètres donnant une hauteur de travail de 130 mètres peuvent être atteintes avec un rayon de contre-flèche de seulement 8,7 mètres.

Avantage majeur

Sa principale innovation réside dans son embase de 16 x 16 mètres, repliable hydrauliquement et équipée de stabilisateurs hydrauliques, du type bien connu des grandes grues mobiles. Cette embase peut être transportée comme une unité de 23,2 mètres de long et 3,85 mètres de large.

Grâce à son système d'insertion des sections de tour lors de l'ascension, elle dispose d'une plateforme de machines traditionnellement large. Kitagawa l'a cependant repensée de telle sorte qu'en déconnectant simplement la cabine de l'opérateur et les plateformes d'accès, la largeur de ce pont peut être réduite à 4,95 mètres. Au Japon, les grues de cette catégorie sont généralement dotées d'un pont de machines de 8 à 10 mètres de large. Leur transport nécessite une conception de pont divisé complexe et longue.

Grâce à son pont de machines compact une fois gréé, le JCW1250K peut être déplacé plus facilement d'un site d'éoliennes à l'autre au sein d'un parc éolien. Même les sections de mât et de flèche sont conçues pour permettre le transport par paires, en charges de 4,55 mètres de large, sur des modules SPMT standard de 3 mètres de large.

Transport du châssis en A du Kitagawa JCW1800K sur SPMT. Image : HG Kessel

Comme c'est déjà le cas avec la JCW1800K, le pont machine, le cadre en A et la base de la flèche de la plus petite grue peuvent être transportés comme une seule charge SPMT avec un centre de gravité de seulement 4,2 mètres de haut. Contrairement aux 107 tonnes de la JCW1800K, l'ensemble de la plus petite grue pèse 80 tonnes, ce qui permet d'utiliser une grue auxiliaire plus petite.

Une grande fenêtre dans la cabine du Kitagawa JCW1800K offre une vue optimale sur la charge, notamment lorsque la flèche est relevée. Image : HG Kessel

Contrairement au JCW1800K, la taille de la section de la tour, même pour la capacité autoportante la plus élevée, est limitée à 2,05 x 2,05 mètres. De plus, aucun contreventement n'est nécessaire entre la base de la tour et les pieds en croix, ce qui réduit le temps d'installation.

Le dispositif breveté de changement de mouflage à distance de Kitagawa signifie que le moufle à crochet peut être utilisé en mode six chutes pour des charges lourdes jusqu'à 95 tonnes ou en mode rapide deux chutes pour des charges jusqu'à 25 tonnes.

Contrairement à la conception originale de la section d'extrémité de la flèche, les poulies du câble de levage ont été décalées par rapport à la ligne centrale de la flèche afin d'augmenter la longueur de la section du mât, à 17,6 mètres, et de pouvoir l'insérer d'un seul tenant dans l'unité de levage. Cela permet également de réduire le temps d'installation.

Le Kitagawa JCW1800K peut être descendu le long de son mât pour une protection contre les vents violents. Image : HG Kessel

Au moment de la rédaction de ce document, le premier prototype du JCW1250 avait été fabriqué et deux unités avaient été commandées. Ce modèle est adapté aux éoliennes de 6 MW avec une hauteur de moyeu de 120 mètres. Il a été développé conjointement par Kitagawa, Toko, TA Lift et AKTIO Corporation. La livraison de la première unité était prévue pour septembre, et la seconde pour le premier trimestre 2025.

Le train d'atterrissage cruciforme du Kitagawa JCW1800K est composé de deux poutres assurant un arrimage rapide. Image : HG Kessel

Compensation de charge

L'un des nombreux problèmes de conception inhérents aux grues à tour autoportantes pour éoliennes de grande hauteur est la flexion de la tour lors du levage de charges lourdes. Après avoir placé la charge, le grutier doit compenser le mouvement de recul de la tour. Tout cela se produit à un rayon très court – généralement minimal – où la charge doit être placée avec une précision et une fluidité optimales.

En raison des réglementations strictes en matière de sécurité sismique, les grues à tour japonaises sont généralement dotées d'un mât rigide avec une faible déflexion. La situation est très différente sur les grues à tour européennes et chinoises à flèche relevable et à rotation supérieure de capacité équivalente. À un rayon de travail de 12,5 mètres, une déflexion d'environ 3 mètres a été mesurée avec un mât autoporteur de 3,30 x 3,30 mètres de large à 110 mètres.

La Kitagawa JCW1800K prête pour l'ascension. Image : HG Kessel

Minimiser la déflexion du mât a été l'une des principales motivations de Krupinski Cranes (Pologne) pour développer une toute nouvelle grue à tour pour éolienne. Ce concept s'inspire d'une grue à tour à rotation par le bas, inspirée des grues Peiner des séries TN, VM et M des années 1970. Son aboutissement fut la VM2000, une grue géante de la classe des 2 000 tonnes-mètres, offrant une capacité de 102 tonnes et une hauteur sous crochet de 150 mètres.

Comment garer le Krupinski KR2000 en position de protection contre les tempêtes. Image : HG Kessel

La nouvelle étude de conception du Krupinski KR2000A propose une capacité de 140 tonnes et une hauteur sous crochet de 183 mètres. Au-delà d'une tour autoporteuse de 100 mètres, ce palan à flèche pivotante inférieure est équipé d'un tendeur à équilibrage de couple de charge sur le pont machine. Il assure une stabilité accrue de la tour et permet une hauteur autoporteuse accrue sans en augmenter la taille.

L'avantage supplémentaire réside dans le fait que le centre de gravité est plus bas, car le ballast et la plateforme de machines, avec le treuil de levage et de relevage, ainsi que les unités de levage, sont tous installés à la base de la grue. Contrairement aux anciens treuils de relevage ou aux grands modèles à pivotement supérieur désormais courants, la conception Krupinski est conteneurisée pour le transport.

La quasi-totalité des éléments structurels de la grue Krupinski sont des modules de la taille d'un conteneur ISO-40' ou ISO-20', ou peuvent être logés dans ces conteneurs standards. Le poids total transporté sera inférieur à 600 tonnes et le poids de chaque composant ne dépassera pas 25 tonnes. La grue est conçue pour être transportée dans 24 conteneurs standards.

Un système de mât rigide et compact permet une installation autonome et économique sur le Kitagawa. Image : HG Kessel

En mouvement

Le transport de grues chinoises à flèche relevable comparables à celles des grues à flèche relevable originales de Krøll et Favelle Favco nécessite un transport de charges beaucoup plus surdimensionnées.

Transport de la base du Kitagawa JCW1250, y compris le système de levage du mât. Image : HG Kessel

Citons par exemple la largeur et la hauteur des sections de flèche, ainsi que l'imposante couronne d'orientation et les segments de tour de plus grande dimension. Les composants de la grue mesurent souvent plus de 3 mètres de large et 3 mètres de haut, ce qui implique des autorisations plus élevées et des remorques surbaissées plus coûteuses.

Dans ses études, Krupinski indique une réduction de plus de trois fois des coûts de transport routier dans le cadre des réglementations nord-américaines et européennes restrictives. De plus, la taille de la grue auxiliaire est considérablement réduite dès le montage initial grâce à la conception pivotante par le bas.

Présentation du Krupinski KR2000. Image : HG Kessel

La hauteur de levage des composants les plus volumineux est bien inférieure à celle des grues à tour grimpantes européennes traditionnelles à rotation supérieure. Krupinski estime qu'une grue à flèche télescopique d'une capacité de 120 tonnes suffira pour les opérations de levage de base. Pour l'élévation, un simple reach stacker suffit.

Le montage d'une grue à tour standard pour cette application prend une à deux semaines. Krupinski affirme pouvoir installer la KR2000A en deux ou trois jours. De plus, les coûts d'investissement seraient environ deux fois moins élevés que ceux d'une grue à tour à élévation verticale standard de même capacité.

Le lever

L'ascension de la grue grâce à un système innovant de câbles d'escalade relié à un puissant moteur de 150 kW, logé dans un conteneur d'escalade au sol, améliore la sécurité de la procédure. Le temps d'ascension pour chaque section de tour de 11 mètres est estimé à environ 10 minutes. Un mécanisme de boulonnage et de déboulonnage à assistance hydraulique accélère le montage.

Outre son transport économique et sa rapidité d'installation, la résistance au vent de la grue constitue un autre enjeu pour cette application éolienne. Krupinski affirme que la vitesse maximale autorisée du vent en service est de 55 km/h. Hors service, flèche repliée, la vitesse maximale est de 160 km/h. Une fois descendue à 77 mètres de hauteur, la grue peut résister à des vents de plus de 200 km/h.

Montage du Krupinski KR2000 à l'aide d'une grue mobile de 120 tonnes. Image : HG Kessel

Une position de grue tout aussi sûre pour une conception de grue à tour autonome ne peut être trouvée que sur les grues japonaises lorsqu'elles descendent le long de leur propre tour.

Installation du mât Krupinski KR2000 et extension de la flèche à l'aide d'un reach stacker. Image : HG Kessel

Économie d'énergie

Grâce à leur entraînement à aimants permanents, les grues Krupinski permettent d'économiser jusqu'à 40 % sur leurs coûts énergétiques. Un générateur conteneurisé de 500 kVA permet une utilisation autonome de la grue.

Système de levage du mât du Krupinski KR2000. Image : HG Kessel

Afin de réduire le temps de mobilisation entre les sites d'installation de l'éolienne, Krupinski propose d'utiliser une base sur chenilles, similaire au porte-grue sur chenilles CC 3800 d'une capacité de 650 tonnes, pour se déplacer sous la base du portique de la grue partiellement montée. Le fabricant estime que ce porte-grue réduira le temps de déplacement de la grue à tour d'un site à l'autre d'au moins deux jours.

Conception de la base à chenilles du KR2000 de Krupinski. Image : HG Kessel

De plus, un même porteur sur chenilles peut être utilisé pour plusieurs grues KR2000A sur un même parc éolien. La commande à distance est également possible. Il est équipé d'un automate programmable permettant des mouvements horizontaux de la charge avec la flèche relevable, similaires à ceux d'une grue à flèche horizontale. Les influences du vent et de la charge sont détectées et neutralisées, et la commande ajuste automatiquement le couple de l'entraînement de rotation en fonction de la position de la flèche, grâce à un entraînement de rotation sophistiqué commandé par convertisseur de fréquence.

Présentation du Kitagawa JCW1250. Image : HG Kessel

Transport sur chenilles pour le Krupinski KR2000. Image : HG Kessel

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