Testing av stor merd under ekstreme forhold

Transkript

1 Testing av stor merd under ekstreme forhold Forfattere Finn Victor Willumsen (ACE AquaCulture Engineering); Alf Jostein Skjærvik (SalMar ASA); Anders Sæther (Marine Harvest); Ivar Nygaard (MARINTEK) Innledning I perioden 25. november 2011 til begynnelsen av januar 2012 ble norskekysten rammet av stormvær i form av Berit, Cato, Dagmar og Emil. Det var spesielt damene Berit og Dagmar med vindhastigheter på opp i m/s som traff Midt-Norge. Uværet Berit inntraff samtidig med at det var stormflo med en gjennomsnittlig vannstand på 1.1 m over det tidevannstabellen viser for området. Dette førte til ekstreme tilstander og belastninger på flere havbruksanlegg i området. Ved ACE sitt storskala testanlegg på Tristeinen utenfor Bjugn ble det registrert bølgehøyder på 3.5 m og strømhastigheter på opp mot 0,95 m/s. (Anlegget er for øvrig dimensjonert for en signifikant bølgehøyde på 3.1 m, dvs. maksimalbølge på ca. 6 m og hadde ingen skader etter stormene.) De ekstreme påkjenningene under Berit-stormen medførte hull i not på et anlegg på Masterholman i Roan (SalMar Farming) og tilsvarende på et anlegg ved Indre Skjervøy i Osen (Marine Harvest) med tilhørende rømninger. Dette skapte usikkerhet og utrygghet hos driftsledere, røktere og andre. SalMar og MH tok derfor umiddelbart initiativ til å gjennomføre et modellforsøk i Havbassenget hos MARINTEK på Tyholt i Trondheim for å kunne studere hva som faktisk skjer med merdene under vannflata. ACE, som er et storskala senter for utvikling og testing av nye havbruksløsninger, ønsket å delta i forsøket bl.a. som et ledd i utvikling av kunnskap og metoder knyttet til havbruk i eksponerte områder. I påvente av at andre deltagere skulle komme på plass, påtok ACE seg rollen som bestiller og koordinator av prosjektet. Dette ble gjort for å sikre tilgang til Havbassenget i januar Konsortiet Flere hadde opplevd de tøffe forholdene som utfordrende. I løpet av desember 2011 var derfor et konsortium på plass. Dette besto av ACE samt 7 oppdrettsselskaper (SalMar Farming; Marine Harvest; Lerøy Hydrotech; Mainstream; Norlaks; Midt-Norsk Havbruk; Nova Sea) og 4 utstyrsleverandører (Aqualine; AKVAGroup; MøreNot; Egersund Net). Deltagende FoU-institusjoner i prosjektet var MARINTEK og SINTEF Fiskeri og havbruk. Figur 1: Prinsippskisse

2 Mål og metode Hovedformålet med prosjektet var å teste ut oppførselen til en realistisk modell av ei 157 m plastmerd med bunnring under ulike strøm- og bølgeforhold. Denne er en vanlig brukt merdtype og er lik de merdene som fikk problemer under uværene. En slik systemtesting forutsetter at det lages en modell (se figur 3). som inneholder alle komponenter fra bunnfester til flytering, not etc. og som er mest mulig identisk med den originale. De mest kritiske punktene ble utstyrt med måleinstrumenter for å registrere hvilke krefter som påvirker konstruksjonen. Havbassenget er i tillegg utstyrt med kameraer både over og under vann og et eget visningsrom, hvor deltagere i et forsøk kan se hva som skjer under testingen, og så også i dette forsøket (se bilder i figur 7). I perioden prosjektet pågikk, var det diverse møter mellom deltagerne og noe hyppigere møter i styringsgruppa. Det ble etablert en testmatrise (tabell 1) som ble drøftet og noe endret underveis i testprosessen etter hvert som man så resultatene. Det var en tidsmessig begrenset periode på 6 dager i bassenget, hvor det i denne perioden skulle installeres modell, kalibreres instrumenter og kjøres alle forsøkene. Man prioriterte derfor å teste modellen under de mest ekstreme situasjoner. Tabell 1: Testmatrise Test nr. Test identifikasjon Bølge-kond. Strøm Merd konfig. Kommentarer Hs (m) Tp (s) Retning Cu (m/s) Retning 3010 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 35 KG/M, CL200, F kg/m, CL200, F CL 200 kg, Fast 3020 IRR H4.5 T10 D0 C0.7/0 35 KG/M, CL200, F kg/m, CL200, F CL 200 kg, Fast 3030 IRR H4.5 T8 D90 C0.7/0 35 KG/M, CL200, F kg/m, CL200, F CL 200 kg, Fast 3040 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 35 KG/M, CL200, F kg/m, CL200, F CL 200 kg, Fast 3050 IRR H2.5 T6 D0 C0.50/0 35 KG/M, CL200, F kg/m, CL200, F CL 200 kg, Fast 3060 IRR H2.5 T6 D90 C0.7/0 35 KG/M, CL200, F kg/m, CL200, F CL 200 kg, Fast 3070 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 35 KG/M, CL200,GL kg/m, CL200,GL CL 200 kg, Glidelodd 50 kg 3080 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 35 KG/M, CL200,GL kg/m, CL200,GL CL 200 kg, Glidelodd 50 kg 3090 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL1500,GL kg/m, CL1500,GL CL 1500 kg, Glidelodd 50 kg 3100 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL1500,GL kg/m, CL1500,GL CL 1500 kg, Glidelodd 50 kg 3110 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL1500,F kg/m, CL1500,F CL 1500 kg, Fast 3115 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL1500, ØF kg/m, CL1500, ØF CL 1500 kg, Fast, Økt forspenning 3116 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 93 KG/M, CL1500, ØF, ØS kg/m, CL1500, ØF, ØS CL 1500 kg, Fast, Økt forspenning, Økt stivhet i bunnring 3120 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL1500,F kg/m, CL1500,F CL 1500 kg, Fast 3125 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL1500, ØF kg/m, CL1500, ØF CL 1500 kg, Fast, Økt forspenning 3130 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL200,F kg/m, CL200,F CL 200 kg, Fast 3136 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 93 KG/M, CL200, ØF, ØS kg/m, CL200, ØF, ØS CL 200 kg, Fast, Økt forspenning, Økt stivhet i bunnring 3140 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 80 KG/M, CL200,F kg/m, CL200,F CL 200 kg, Fast 3170 IRR H4.5 T8 D0 C0.7/0 ENKELTL, CL Enkeltl, CL1500 Enkeltlodd 200 kg, CL 1500 kg 3180 IRR H2.5 T6 D0 C0.7/0 ENKELTL, CL Enkeltl, CL1500 Enkeltlodd 200 kg, CL 1500 kg Modellen Til testingen i Havbassenget på MARINTEK i Trondheim ble det valgt å produsere en modell i skala 1:16. Merdmodellen ble bygd hos MARINTEK og nota tilpasset modellen ble bygd hos SINTEF Fiskeri og havbruk i Hirtshals Avgjørende for å kunne få anvendbare resultater ut av forsøket var å produsere en modell som hadde den samme utformingen og de samme egenskapene som en vanlig plastmerd i sjø. Modellen var basert på ei merd med en omkrets på 157m og med ei not som var 15 m dyp i sylindrisk del og med en 10 m dyp kon under denne. Modellen inneholdt ankerfester, rammefortøyninger med forankringsliner, koblingsskiver (se figur 2)

3 Figur 2 koblingsskive og oppdriftsbøyer, flytekrage, innfestinger, not, bunnring, bunnlodd, sidekjettinger og i deler av forsøket glidelodd. De ulike dimensjonene på elementene som størrelse, vekter og stivheter var nøye beregnet og nedskalert ut fra reelle data. Modellen ble noe ombygd før den siste testserien ble gjennomført mandag 9. januar. Dette for å se hvordan en stivere bunnring ville påvirke not og resterende del av konstruksjonen. Figur 3: Bygging av modellen Instrumentering og registreringer Modellen ble utstyrt med ulike former for instrumenter bestående av 6 akselerometre og 16 kraftringer (se fig 4). Måling av påvirkningskrefter på ulike deler av konstruksjonen var viktig for å registrere omfanget av kreftene samt en eventuell skjev fordeling av krefter på den totale konstruksjonen. Forspenningen i alle kraftmålingene ble målt før testen startet.

4 og kraftringer Figur 4: Bunnring og innfesting av not med akselerometre Det ble gjort videoopptak av alle forsøkene med 3 undervannskamaraer fra ulike vinkler fra styrbord side og 1 overflatekamera som tok bilder forfra og med bølgeretningen. I tillegg ble det underveis tatt i bruk ett 5. kamera posisjonert fra taket for bedre å se flyteringens form under de ulike testene. Det ble målt bølgeheving under kalibreringen og under forsøkene samt gjennomført strømmålinger under strømkalibreringen. Krefter ble målt i vertikale kjettinger, haneføtter, flytebøyer, i faste innfestinger av not mot bunnring og i ankerliner. Figur 5: Not og bunnring med vertikalkjetting Figur 6: Prinsippskisse for instrumentering Havbassenget Havbassenget på Tyholt ble benyttet til testing av havbrukskonstruksjoner for 15 år siden, men har ikke vært benyttet til dette formålet på ny før nå. Bassenget har en regulerbar dybde på 0-10 m og er 80 m x 50 m i utstrekning. Strømhastigheter i modellskala kan reguleres fra m/s og maksimal modellskala bølgehøyde er 0.5 m. Fullskala bølgehøyder i forsøket var 2.5 m og 4.5 m med retning både på langs og på tvers av strømretningen (se forsøksmatrise tabell 1). I tillegg til testingen med irregulære bølger ble det gjennomført en kortere testperiode med regulære bølger. Dette

5 testsettet skal senere benyttes til etterregninger med numeriske analyseverktøy ved SINTEF Fiskeri og havbruk.. Forklaring av begreper Bølgehøyden er avstanden mellom bunn og topp for en bølge. Signifikant bølgehøyde H s (bølgehøyden som oppgis i værmeldinga) er gjennomsnittshøyden av de 1/3 høyeste målte bølgene innenfor en definert tidsperiode, gjerne 3 timer. Største bølgehøyde man kan vente seg er ca. 2 ganger den signifikante bølgehøyden. Økonomisk ramme Prosjektet hadde en økonomisk ramme på 2 MNOK som ble fordelt likt mellom de ulike partene i konsortiet. Resultater Det er viktig å være oppmerksom på at testforsøkene ble gjennomført under værforhold med en kombinasjon av meget ekstreme bølgeforhold (4.5 m Hs tilsvarende 8 m maksimalbølge) og ekstreme strømforhold. Svært få om noen havbruksanlegg i Norge ligger på lokaliteter som har tilsvarende forhold. Forsøkene viste at dagens anlegg under slike ekstreme værsituasjoner kan få belastninger som gjør at de ikke vil være tilstrekkelig sikre med tanke på en mulig rømning. Viktigste observasjoner som ble gjort under forsøkene var: a) Betydelig kontakt ble registrert mellom notvegg og vertikalkjetting b) Rykk-kreftene i vertikalkjettingene var størst på le side c) Tyngste bunnring (80 93 kg/m) var best for utspiling av sylindrisk del av not d) Økt bøyestivhet av bunnring ga bedret utspiling av nota e) Betydelige rykk-krefter ble registrert i forankringsliner pga. bølger Figur 7: Bilde av merd i Test 3130: Hs = 4.5 m, Tp = 8 s, Vc = 0.7 m/s, 80 kg/m bunnring, 200 kg bunnlodd. Andre observasjoner: a) Haneføtter var skjevbelastet b) Flyteringen og bunnringen var ofte i ufase c) Rykk i innfestingstamper ble registrert

6 d) Glidelodd ga ikke vesentlig forskjellige resultater fra fast innspenning i bunnring e) Tyngste bunnlodd (1500 kg) viste seg å være nødvendig for å strekke ut kon skikkelig f) Enkeltlodd-systemet var lettere og ga dårligere egenskaper enn bunnring Lærdom Basert på de resultatene som framkom, har Alf Jostein Skjærvik og Anders Sæther hatt foredrag på rømningskurs i regi av FHL våren 2012, i andre fora samt internt i selskapene sine. Her har de trukket fram resultater og de konsekvenser og tiltak dette bør få både i form av forebyggende tiltak, ettersyn og vedlikehold under operasjoner samt tiltak etter uvær. De ulike selskapene i konsortiet har hatt noe ulike oppfatninger om hva som vil være de beste tiltakene for å sikre anleggene ytterligere. En oppsummering av tiltakene er likevel at produksjonsledere, driftsledere og røktere bør fokusere på følgende: 1) Foreta en nøye gjennomgang av anleggene. Prioriter de mest eksponerte lokaliteter 2) Tilpass utstyr og tekniske løsninger til lokaliteten* 3) Sikre anlegget mot gnagpunkter (kjetting mot not), bestill evt. konet not (smalere nederst) 4) Tilpass stivheten på bunnringen til strømforholdene på lokaliteten 5) Påse at senterloddets vekt er tilstrekkelig og iht. bunnringens bøyestivhet. 6) Vær oppmerksom på sammenhengen mellom ringens oppdrift, vekt på bunnring og vekt på senterlodd 7) Foreta hyppige og nøye inspeksjoner av anlegg over og under vann (dykker eller ROV) etter uvær. *(Krever god kjennskap/lange tidsserier av vind-, bølge- og strømforhold på lokaliteten)