Teknikutveckling på djupet
av Claus Laurén Forum 1985-10, sida 08-11, 05.06.1985
En miniubåt med dykare på uppdrag i djupet, Ubåten antas vara försedd med sterlingmotor, den lilla bilden.
Off-shore-teknologin, närmast oljeutvinningssystemen, håller på att samla sig för ett nytt, stort steg. De djup som nu bearbetas, förslår inte längre. Medvetandet om att nya fyndigheter ligger och väntar på ännu större djup har satt fart på forskning och utveckling. Nya miljoner skjuts till, och man hoppas inom branschen att omkring år 1988 kunna ta steget från 250 meter ner till 450 meter.
r skandinaviskt perspektiv är det U främst Troll- och Osebergsfälten som genom sina djupt liggande fyndigheter initierar den här utvecklingen. De huvudansvariga för borrningsverksamheten, som är ansvariga inför norska staten, är Norska Shell, Norsk Hydro och Statoil. Under sig har de kontrakterade företag, som i sin tur sysslar med själva forskningsoch utvecklingsarbetet.
I Sverige bedrivs den här typen av forskning bi a vid Chalmers Tekniska Högskola i Göteborg. CTH samarbetar med Consafe, som in sin tur finansierar verksamheten med hjälp av pengar från svenska Statens Industriverk. Det statliga engagemanget omfattar dels dykteknisk forskning, som bedrivs på Chalmers och dels utveckling av fjärrmanövrerad, obemannad teknik, som Asea Oil & Gas sysslar med.
CTH:s huvuduppgift inom det här området är att utveckla teknik som skall göra det möjligt för människor att tryggt och med bibehålten effektivitet arbeta på djup ner till 450 meter. I främsta rummet rör det sig om rent tekniskt utvecklingsarbete, men även medicinska frågor av fysiologisk, neurofysiologisk och psykologisk natur spelar en betydelsefull rotl.
Ovillkorlig säkerhet
Det har visat sig, att cykare som arbetar på vad som idag betraktas som extrema djup, 200 meter eller mer, inte fungerar sär F RUN 19/198 skilt effektivt. Oron för att någonting skall gå på tok och medvetandet om att livet hänger på sekunder i händelse av ett haveri medför, att en oproportionerligt stor del av dykarens energi går åt till att kontrollera utrustningen och till att bekämpa stress.
Forskningen vid CTH har som mål dju som ligger ytterligare dubbelt längre ner i havet. Det är naturligt att just säkerhetsfrågor som felsökning, reservsystem och s k “monitoring” (kontinuerlig kontroll av olika funktioner med hjälp av bildskärmar) tillmäts speciellt stor betydelse. Men främst handlar det om att utveckla system som är säkra. På denna punkt rör det sig i stor utsträckning om ren avantgarde-teknik. Den teknik som utnyttjas vid dykning till 200—250 meters djup, skiljer sig inte kvalitativt från traditionella dyksystem, som har använts under decennier. Då nya tekniska krav har ställts på utrustningen, har den aktuella detaljen underkastats utvecklingsarbete, men man har inte brytt sig om att ompröva systemet som helhet. Följden är, att de system, som nu används består av tekniska lappverk.
De krav, som aktualiseras | samband med Dyksystem 450, är så högt ställda, att lappverksförfarandet måste förpassas till historien. Här gäller det att arbeta fram system, som i stor utsträckning baseras på nytänkande. Och det nyckelord som fungerar som plattform för detta nytänkande är ordet ”ytoberocende”.
Förbindelserna ger problem
Den dykteknik som tillämpas på stora djup ser i stort ut på följande sätt:
Dykaren, som anpassats till tryckförhållandena på sin arbetsplats, tillbringar sin fritid i en tryckkammare ombord på plattformen. Med hjälp av en dykarkiocka sänks han — alltjämt under tryck — ner till sitt arbetsdjup. Han kommer således ständigt — under den tid som arbetena pågår — att befinna sig under det tryck, som råder på arbetsplatsen. När arbetena slutförts, vidtar en långsam, kontrollerad ”uppstigning”, en gradvis anpassning till normalt atmosfäriskt tryck.
Dykaren andas en gasblandning av helium och syrgas. Luft är otänkbart i sammanhanget, eftersom dess kväveinnehåll skulle ge allvarliga förgiftningar. Dessutom är det av största vikt att gasblandningens täthet hålls så låg som möjligt under de extrema tryck som råder på stora djup. Det här sammanhänger bl a med temperaturregleringen av andningsgasen. Vid extrema tryck ökar gasens entalpi, och även mycket små temperaturvariationer kan få dramatiska följder. Då det gäller nedstigning till ca 400 meters djup blir även heliumfyreblandningen alldeles för tät. Forskning pågår och marinens dykericentrum, VOA 58, är inkopplat Medicinaren och fysiologen Hans Örnhagen fungerar som projektledare för detta delprojekt.
Försörjning och kommunikation sker genom en ”umbilical” (navelsträng), som förbinder dykarklockan med ytenheten. Umbilicalen fungerar samtidigt som hisswire. En andra umbilical förbinder den arbetande dykaren med klockan.
På grund av det stora ytberoendet är de umbilicaler, som används i dag grova don med en diameter på omkring 15 cm. Genom dessa kablar skall försörjning av andningsgas, elström, värme, hydraulolja för redskapen, samt dessutom kommuniktionen ske.
Förbindelselänken mellan den enskilde dykaren och klockan är ännu känsligare än umbilicalen mellan klocka och ytenhet. En störning på denna ger dykaren några sekunders räddningschans innan han fryser ihjäl. Den forskning som pågår på det här området är inriktad på att minska umbilicalernas dimensioner och betydelse.
Självständigt kraftpaket
Då det gäller den enskilde dykaren och hans verksamhet utanför klockan, öppna sig ett nytt problemområde. Tillförseln av andningsgas är central. Gasen måste ha rätt sammansättning, rätt tryck och temperatur. Vidare gäller det att utveckla system, som gör recirkulation av gasen möjlig, så att den gasmängd som levereras genom kabeln kan hållas på lägsta möjliga nivå.
Reservsystem, som möjliggör upp till femton minuters totalt kontaktbrott med klockan, är under utveckling. Detta skall sättas i relation till de sekunder, som I dag utgör dykarens överlevnadschans vid ett haveri.
Värmeförsörjningen till dräkten och oliehydrauliken inverkar på kabelns dimensioner. Ny teknik är därför under utveckling.
Så länge klockans energiförsörjning sker via umbilical är systemet mycket sårbart. Ett ytoberoende förutsätter ett autonomt fungerande kraftpaket. Vilka specifika egenskaper krävs av en sådan kraftkälla?
Ett kraftpaket, som förväntas uppfylla högt ställda krav, är under utprovning. Det rör sig om ett samprojekt mellan svenska SubPower (ett avknoppningsföretag till United Stirling i Malmö), CTH och norska Nutec. Det är Nutec som specificerar kraven på egenskaper och prestanda, och i slutänden verifierar att kraven uppfyllts.
Stirlingmotorn användbar
Den avgörande skillnaden mellan existerande system för djupdykning och de system som är underkastade forskning. ligger på försörjningssidan. Och det är här V 160 Stirlingmotorn kommer in i bilden. Med hjälp av detta driftsäkra, kompakta och mångsidiga kraftpaket hoppas man kunna lösa de problem, som sammanhänger med ytoberoendet.
Vv 160 är en väl utprovad energiproducent, som redan under flera års tid har använts av svenska Televerket. Placerad i en dykarklocka skulle den dels kunna försörja själva klockan med el och värme, och dels kunde den ombesörja de arbetande dykarnas behov.
Det ser ut om om V 160 kunde vara lösningen på problemet med umbilicalen. Så länge man arbetar med klockor av mer traditionell typ, kommer behovet av en hisswire att kvarstå, och oberoende av vilken typ av undervattensenhet som i framtiden kommer att användas, kommer man att behöva en kommunikationslinje till ytenheten. Detta är emellertid någonting helt annat än de grova, klumpiga umbilicaler som används i
VI60 sterlingmotorn i standardutförande.
Det kommunikationssystem som man riktar blickarna mot, består av en tunn optisk fiberkabel. Det säger sig självt, att dykenhetens självständighet och rörelsefrihet (om det rör sig om en s k Flying Bell) ökar i avsevärd grad då den grova försörjningskabeln faller bort.
Troligen kommer förbindelselänken mellan dykare och klocka att kräva kraftigare dimensioner än - kommunikationskabeln mellan klocka och ytenhet. Förutom den fiberoptiska länken behövs ett system för värmefnergi-försörjning, en försörjningslinje för hydraulolja och en linje för syrgas. Med tanke på V 160-ans goda värmeproduktion skulle det kanske ligga nära till hands att försöka tillfredsställa dykarens behov av värme genom en varmvattenslang. Tyvärr får man i så fall besvärliga dimensioneringsproblem. Flödet genom slangen måste vara mycket stort — dels för att motverka det yttre trycket, och dels för att slangkalibern skall kunna hållas inom rimliga gränser. Vidare måste varmvattensystemet isoleras väl, eftersom värmeförlusterna blir enorma vid de tryckförhållanden som råder på 450-meters djup. Det ser alltså ut, som om värmeleverans genom varmvatten inte vore någon lösning.
Elvärme i dräkte vilket är då alternativet? En elkabel är tunn och smidig, och behöver inte belasta dykarens försöriningssystem i särskilt hög grad. Dykaren måste under alla omständigheter ha tillgång till elkraft. Problemet reduceras till ett konstruktionsproblem: det gäller att utveckla en dräkt och ett andnings system som uppvärms med el. På den här punkten kommer framför allt säkerheten att spela en viktig roll.
Fram till i dag har oljehydraulik företallit att vara det bästa sättet att driva dykarens verktyg och redskap. | och med kravet på smidigare och tunnare umbilicaler, börjar man spana efter andra, mindre sårbana och mer autonoma system. Vad som ligger närmast till hands vore något slag av saltvattenhydraulik, men också här hopar sig besvärligheter.
Den allvarligaste stötestenen är saltvattnets brist på lubricerande förmåga. | praktien betyder detta att redskapen måste utjormas med ett ganska stort ”glapp”, vilket i sin tur betyder höga flödeshastigheter hos hydraulmediet.
Andningsgasen, dess sammansättning, emperering och leverans, tillhör de centraa frågorna. Nya gasblandningar är under utveckling, och det rör sig om att delvis ersätta helium med vätgas. Gasens täthet måste sänkas ytterligare och det enda ämpliga inblandningsämnet är då väte.
Väteberusning
Vätgasen har emellertid en bieffekt, som eventuellt kunde ställa till med trassel. Den är nämligen berusande. Hur mycket väte kan man blanda in i andningsgasen utan att resultatet blir förödande vid ett samtal med professor Gunnar Dahlbäck, som är en av eldsjälarna bakom Dyksystem 450, framkom att berusningssymptomen inte enbart är av ondo. Så länge som ”fyllan” kan hållas på en så låg nivå, att cykaren fortfarande kan utföra sitt arbete, rör det sig närmast om en positiv effekt.
10/1985 FRUN,
En sterlingmotor med aggregat inmonterad i ett tryckkärl för applicering i en ubåt.
De enorma tryck som råder 450 meter under havsytan, förefaller att påverka dykarens nervsystem i negativ riktning. Han blir stressad, ängslig och nervös. Då fungerar den lätta vätgasberusningen närmast som ett slags ångestdämpare.
Då det gäller leverans och temperering av gasen liknar problematiken hydraulvätskans och varmvattenförsörjningens. Det system man efterlyser är ett återandningssystem, där väte och helium inte behöver tillföras (åtminstone inte i större mängder) utan där dessa stabila gaser recirkuleras i dykarens andningsapparat.
För att kunna övergå från rent teoretiska beräkningar till verkliga experiment var det nödvändigt för CTH att anskaffa en tryckkammare. Fysiologiska institutionen vid Lunds Universitet ställde upp med den nödvändiga utrustningen, och i slutet av 1984 kunde kammaren invigas.
Det rör sig om en ståltank med längden 4,2 meter och siddiametern 1,9 meter — alltså ett utrymme på ca 13 m?, Detta utrymme fördelas mellan huvudkammaren och en luftsluss.
De test som utförs i kammaren fördelar sig dels på test av apparatur och dels fysiologiska test med människor som deltagare. Då det gäller mänskliga försökskaniner utför man inga fullskaletest, utan stannar (åt minstone tillsvidare) vid tryck som motsvarar ungefär 58 meters djup.
Anledningen till denna begränsning är enkel och praktisk. Det handlar helt enkelt om dekompressionstiderna, ”uppstigningstiderna”. Det tar gott och väl en vecka att anpassa sig till normalt lufttryck efter att ha vistats under 45 bars tryck, och det säger sig självt att sådana experiment skulle bli både dyrbara och tidsödande.
FRUN 10/1985
Däremot kan man med hjälp av simulatorer utföra experiment med apparatur, och på så vis arbeta fram teknik som skall fungera på de extrema djup som det handlar om. Det här gäller bl a andningsapparaterna. Genom simulering kan man studera andningsarbetet vid olika tryck, och iaktta hur koldioxidreningen fungerar.
Andra områden som studeras med hjälp av simulatorer är temperatur och fuktighet hos andningsgasen. Som redan tidigare nämnts, får temperaturen en helt annan betydelse vid höga tryck p g a gasens radikalt ökade entalpi. Då det gäller andningsgasens relativa fuktighet, strävar man efter att ständigt hålla den på 100 procent.
Nya material
Ett viktigt testobjekt är dykarens hydrauliska arbetsredskap. Vare sig det handlar om oljehydraulik eller saltvattenhydraulik, är det av största vikt att kontrollera instrumentens funktion under extrema tryck innan de tas i rutinmässigt bruk.
Kraftpaketet kräver mycket noggranna test under varierande tryck. De höga trycken kan ställa till med besvärligheter och det gäller att komma fram till en lösning som får det hela att fungera på ett tillfredsställande och säkert sätt.
Då det gäller stirlingmotorn V 160 kommer man troligen att satsa på en egen tryckkammare för motorn. Den kommer att “läggas in på burk” och arbeta under normalt atmosfäriskt tryck inne i burken. Lösningen är rationell, dels för att det rör sig om en relativt liten motor och dels för att dess V-form gör andra koncept mindre lämpliga.
Problemen med de höga trycken i kombination med kravet på lättviktskomponenter har också initierat en viss materialforskning vid CTH. Denna forskning har huvudsakligast behandlat fiberkompositers egenskaper och användbarhet i dyksammanhang, och har varit av rent teoretisk natur.
Fiberkompositerna har vissa egenskaper som gör dem attraktiva i det här sammanhanget. Framför allt deras låga vikt och goda hållfasthet. Vad som i viss mån fungerar som en hämmande faktor är priset; dessa material är mycket dyra.
Den här materialtypen skulle framför allt komma till sin rätt då det gäller tryckkärl av olika slag. De applikationsområden som man i dag ser som lämpliga för kompositutförande är framför allt tryckkarmmarsystem och s k hyperbariska livbåtar. En hyperbarisk livbåt är en trycksatt räddningsfarkost för räddning av den personal som befinner sig ombord på ytenheten, och som p g a sinå arbetsuppgifter vistas under tryck. Det är givet att de, i händelse av ett olyckstillbud, kommer att behöva alldeles speciella räddningsåtgärder, eftersom de inte kan exponeras för normalt atmosfäriskt tryck.
Dykarklockans utformning
CTH:s nyförvärvade tryckkammare har alltså fått inta rollen av ”dykarklocka”. Och så länge det bara gäller att testa utrustning och människor i avseende å egenskaper och prestanda, bör den vara en fullgod ersättning för en verklig klocka. Man har ju en möjlighet att under full kontroll simulera de förhållanden som råder på 450-metersdjupet, samt att med datorers hjälp studera hela den fenomenbild som uppstår.
Då det gäller klockans design blir situationen en annan. Tryckkammaren är inte någon dykarklocka, och kan därför inte heller representera en sådan, då det gäfler klockans utformning. Här måste man anta att samarbetet mellan CTH och Nutec i framtiden kommer att intensifieras, eftersom Nutec kan stå till tjänst med redan fungerande klocksystem.
Klockans inredning kommer att bli ett omfattande forskningsfält. Hur skall de trånga utrymmena utnyttjas utan att personalens komfort och rörelsefrihet hämmas i alltför nög grad? På vilket sätt kommer kravet på ytoberoende att påverka klockans egen last och därmed dess interiör? Och i vilken grad kommer de stora dykdjupen och därmed sammanhängande problem att påverka utrustningen, och därigenom klockans inre? Man har ännu inte heller tagit ställning till vilken typ av farkost man slutligen väljer att arbeta med. Skall man också i framtiden arbeta med traditionella klockor av vertikalrörlig typ? Eller skall man satsa på Flying Bell (horisontalrörligY? Eller bör den utformas som en autonom u-båt av lock-out-typ (en tvåkammar-u-båt med dels atmosfärtryck och dels 45-barstryck), så att umbilicaloroblemet kanske helt kan undvikas? Claus Laurén 1
