Verifisering av matematisk termomodell for evaluering av dykkerklokkeisolasj on

STF23 A9346 Verifisering av matematisk termomodell for evaluering av dykkerklokkeisolasj on 1993-12-2

ULJ9iW ]]rrel Verifisering av matematisk termomodell for evaluering av dykkerklokkeisolasjon SINTEF Ekstreme arbeidsmiljø Postadresse: 734 Trondheim Besøksadresse: Olav Kyrresgt. 3 Telefon: 7 59 68 96 Telefax: 7 59 1 5 Telex: 55 62 sintf n Foretaksnr.: 948729 FORFATTER(E) Bård Holand og Svein Puntervold OPPDRAGSGIVER(E) OLF/FUDT ARKIVKODE GRADERING OPPDRAGSGIVERS PER. Äpen Cato Hordnes ELEKTRONISK ARKIVKODE PROSJEKTNR. ANTALL SIDER OG BILAG M:\BAH\XBAHBO84.W51 23.18.1 17 ISBN PRISGRUPPE FAGLIG ANSVARLIG ( 82-595-8236-8 Bård Holand RAPPORTNR. DATO ANSVARLIG SIGNATUR TF23 A9346 1993-12-2 vid Påsche SAMMENDRAG Rapporten beskriver en sammenligning mellom målte og simulete temperaturprofiler for en dykkerklokke om bord i dykkefartøyet Bar Protector hvor dykkerklokken kjøles ned fra en operasjonell termisk tilstand ved at den henger i vann uten tilførsel av varme. Den termiske modellen som ble benyttet var tidligere utviklet for en aimen dykkerklokke, men i denne sammenheng modifisert i henhold til de geometriske og termiske dataene som gjelder for den nye klokka. Resultatene viser god overensstemmelse mellom målt og simulert temperaturprofil for gassatmosfæren i klokka. Da de to klokkene som det er målt og simulert temperaturprofiler for, er vesentlig forskjellige, konkluderes det med at den utviklede modellen med stor sannsynlighet vil gi tilfredsstillende resultat for alle aktuelle klokker brukt til metningsdykking på norsk sokkel. Forutsetningen er at geometriske og termiske data (f.eks. isolasjonsmateriale og størrelsen på uisolerte arealer) for dykkerklokkene er kjent. GRUPPE I NORSK Marin teknikk Marine Tecbnology GRUPPE 2 Dykking Diving EGENVALGTE Dykkerklokke Diving Bell Termisk isolasjon Thermal Insulation Matematisk modellering Mathematical Modeling

]EiÏti 2 INNHOLDSFORTEGNELSE side i INNLEDNING 3 2 MÅLINGER OM BORD I BAR PROTECTOR 4 2.1 Dykkerklokice - Geometriske data 4 2.2 Måleprosedyre 5 2.3 Måleoppsett 5 2.4 Måleresultater 6 3 BESKRIVELSE AV SIMIJLERINGSMODELLEN 9 4 SAMMENLIGNING MELLOM SIMULERING OG MÅLEDATA 1 5 SIMULERING AV KJØLEPROF1L UNDER REALISTISKE OPERASJONELLE BETINGELSER 14 6 KONKLUSJON 16 7 REFERANSER 17 M:\BAJ-J\XBAHBO84.W5 I

fjll1w 3 i INNLEDNING 11992 gjennomførte SINTEF et prosjekt for Oljeindustriens Landsforening (OLF) og forskningsprogrammet Forskning og Utvildingsprosjekt i Dykketeknologi (FUDT), hvor en bl.a. målte temperaturfallet i en dykkerklokke etter at varmetilførselen var stengt av. Hensikten med dette var å sammenligne kjøleprofilen som ble målt med en beregnet kjøleprofil basert på en matematisk termomodell av dykkerklokken, for å verifisere godlieten av den utviklede modellen (1). I tillegg til å verifisere termomodellen, var det i det opprinnelige prosjektforslaget foreslått å se på effekten av bruk/slitasje på dykkerklokkas isolasjonsmateriale. FØr en iverksatte denne delen av prosjektet (kalt Fase 2 ), ville en imidlertid avvente resultatet av modellevalueringen for å se om slik bruk/slitasje hadde vesentlig betydning for kjøleprofilen. Basert på simuleringene som ble gjennomført, viste det seg at slitasje (uttrykt ved redusert tykkelse av isolasjonsmaterialet) ikke hadde noen vesentlig effekt på kjøleprofilen, og det ble derfor anbefalt ikke å videreføre prosjekifase 2 som opprinnelig planlagt. Derimot anså en det som vesentlig mere verdifullt å få gjennomført tilsvarende målinger på en annen dykkerklokke for dermed å Øke datagrunnlaget som en kunne evaluere termomodellen ut fra. Oppdragsgiverne aksepterte dette forslaget, og i oktober 1993 ble det med assistanse av Rockwater AJS, gitt anledning til å komme om bord og måle i European Marine Contractors (EMC) dykkefartøy Bar Protector mens denne lå ved kai i Schiedam utenfor Rotterdam. M:\BAH\XBAHBO84.W5 i

c [ Paramete Verdi 2.1 Dykkerklokke - Geometriske data 2 MÅLINGER OM BORD I BAR PROTECTOR 4 innbefatte volumet av trunken (mellom indre og ytre bunndør), da indre diameter i klokka ble målt Det innvendige volumet i klokka ble av EMC oppgitt til å være 4.5 m3. Dette må imidlertid utstyr inne i dykkerklokka, samt det faktum at trunken trenger lltt inn i selve klokka, har vi i til ca. 198 cm, og en kule med diameter 198 cm har bare et volum på 4.6 m3. På grunn av diverse modellen antatt et internt gassvolum på 4 m3. kjøleprofilen, viser Tabell 2.1 aktuelle parametre for dykkerklokken som brukes i modellen. Basert på data gitt av EMC samt målinger gjennomført av SINTEF forut for målingene av M:\BAHXBAHBO84.W5 I Tabell 2.1 Aktuelle parametre fra dykkerklokka Indre diameter i dykkerklokka 198 cm Uisolert areal rundt løftekrok på toppen av dykkerklokka 1256 cm2 Uisolert areal av bunndør 526 cm2 Uisolert areal rundt portholes (inkludert TV-port ) 4737 cm2 Uisolerte arealer for feste av beskyttelsesramme 1413 cm2 Festebrakett bunnluke samt diverse uisolerte flater 2945 cm2 Uisolert areal rundt gjennomganger (penetratorer) 229 cm2 Isolasjonstykkelse 5 mm (+6) Ståltykkelse 2 mn Beregnet stålvekt (isolert areal) 188 kg Beregnet stålvekt (ulsolert areal) 265 kg Innvendig volum (Beregnet/oppgitt av EMC) 4.6/4.5 m3 Antatt innvendig gassvolum (under testen) 4 m3

C på overflaten. 3 (blandingen som ble brukt inneholdt ca. 6 %2). 1. Etablering av instrumentering i klokka. 2.2 Måleprosedyre 5 Ijli 2.3 Måleoppsett prosesseringsutstyret på overflaten gjennom ledige ledere på kiokkeumbilicalen. Prosesseringsutstyret M:\BAH XBAHBO84.W51 Målingene ble gjennomført etter følgende prosedyre: og basert på spenningsfallet over den enkelte termistor, var det mulig å beregne motstandsverdiene De temperatursensorene som ble brukt til måling av temperaturer i dykkerklokka, var terinistorer av til termistorene. Ved hjelp av et egetutviklet PC-program, ble motstandsverdiene konvertert til besto av en HP Data Aquisition Unit (HP 3421). Hver termistor ble eksitert med en konstant strøm, typen YSI 49B. Nøyaktigheten på disse er ±.15 C. Termistorene ble forbundet med Før terrnistorene ble festet til de respektive målepunktene, ble de puttet i et vannbad på ca. 2 C, hvert minutt under utvalgte perioder). 4. Nedsenkning av klokka i vann med etterfølgende periode for ny temperaturstabilisering. 3. Oppvarming av dyklcerklokka til en stabil temperatur på 25 - korresponderende temperaturer, og temperaturene ble fortiøpende vist på skjerm under forsøket. I registrert med kvartstermometeret. 6. Måling og registrering av temperaturforløp over ca. 12 timer 5. Kutte varmvannstilførsel til klokka. Plassering av tennistorer går fram av Figur 2.1. Målepunktene kan for øvrig beskrives som følger: temperaturen samtidig i det samme vannbadet. Alle avlesningene var innen.1 C av det som ble og avlesningen som ble gjort av datamaskinen ble for hver termistor sammenlignet med avlesningen tillegg ble temperaturene skrevet til disk (samt skrevet ut på skriver) hvert 1. minutt (alternativt av et kvartsterrnometer (Testo 781 produsert av Testoterm Gmbh & Co.) som ble brukt for å måle T3: På stål på innvendig vinduskarm Ti: På uisolert stål i toppen av dykkerklokka (12 cm fra midtpunktet) T4: På. godt isolert stålvegg (ca. midt i klokka) T2: Gasstemperatur 48 cm fra toppunktet i klokka T7: Gasstemperatur 14 cm fra toppunktet i klokka T5: På delvis (dårlig) isolert stålvegg nær penetratorer T6: På selve bunndøra 2. Trykksetting av dykkerklokka til 1 msw med relevant helium/oksygen blanding

u111w 6 Porthole Figur 2.1 En gjennomskåret skisse av dykkerklokka som viser plasseringen av temperaturmålepunkter. 24 Måleresultater For oversiktens skyld er måieresultatene vist i to figurer. Figur 2.2 viser de to gasstemperaturene, uisolert stål og godt isolert stål. De øvrige måieparametrene er vist i Figur 2.3. Figurene viser temperaturforløpet fra det Øyeblikk klokka senkes i vann (tid ). Tiden fram til 2 timer viser dermed stabiliseringsperioden før all varmetilførsel til klokka slås av. M:\BAHXBAHBO84.W5 1

- - - - Steel - no Gashigh Steel - weil Gas 1w.fl ins. ins. Seawater tmp. 14 -ti c COOLING PROFILES MEASURED ON BOARD BAR PROTECTOR 93-1-1 3 28 26 24 22 2 Heating off 16 14 2 4 6 Time (hrs) 8 1

% I OG) G) D) LU CI) :1 i.s o -o 6 o o -c o -D - G) 8 1EJW M:\BAH\XBAHBO84.W51 Figur 2.3 Figuren viser sjøvannstemperaturen samt kjøteprofilen for 3 av de måite temperaturene (D) ein4rzledwej I: 1: I, v, G) I C) C CN C C C o -o c- ) i I I i ) c --- i G) / -1 / / i I,,, i: i il. I, ()

Det er utviklet en simuleringsmodell som simulerer temperaturforløpet i dykkerklokka etter bortfall dykkerklokke om bord i Seaway Pelican, og er beskrevet i detalj i eget appendliks i (1). Modellen baserer seg på at dykkerklokkas varmekapasitet er i stålveggene. Med bakgrunn i dykkerklokkas fysiske oppbygging beskriver modellen to forskjellige ståitemperaturer og dermed to neglisjert. 1. Gjennom isolert stålvegg parallelle varmestrømsveier ut fra heliumatmosfæren: av primær varmetilførsel som funksjon av tiden. Modellen er i utgangspunktet laget for en C BESVELSE AV SIfflLEfflNGSMODELLEN Varmeballansene for hver av de to ståldelene og for heliumatmosfæren ender ut i ordinære differensialligninger som løses ved hjelp av en ODE-løser (Runge-Kutta metode). stålveggene med pakninger etc. Varrneutvekslingen mellom de ulike ståldelene er derfor foreløpig utvekslingen er vanskelig å anslå da luker, vinduer etc i forskjellig grad er adskilt fra resten av Det er lagt inn mulighet for vanneutveksllng mellom de to ulike ståldelene, men størrelsen på denne endringer av prinsipiell karakter gjort med den opprinnelige modellen. Bar Protector, ble høyden på det syllndriske magebeltet bare satt til null. For Øvrig ble ingen som nevnt tidligere, dykkerklokka kuleformet. I simuleringsmodellen for dykkerklokka om bord i Seaway Pelican hadde et sylindrisk magebelte som ble behandlet separat. På Bar Protector var Dette er noe forskjellig fra hvordan modellen ble anvendt opprinnelig, da dykkerklokkene til 2. Gjennom uisolert stålvegg M:\BAH\XBAHBO84.WM

xj1j1i 1 4 SAMMENLIGMNG MELLOM SIMULERING OG MÅLEDATA Den temperaturen som er viktigst for dykkerne i en eventuell nødsituasjon, er gasstemperaturen i dykkerklokica. I Figur 4.1 er vist både målte gasstemperaturer og den tilsvarende simulerte profilen for gasstemperaturen. Som en ser er forskjellen mellom de to profilene svært liten (maksimal forskjell er mindre enn.5 C), og godt innenfor hva en må kunne regne som akseptabel. Figurene 4.2 og 4.3, viser tilsvarende sammenligninger for isolert ståitemperatur og uisolert ståltemperatur. Som en ser er ikke de målte og simulerte temperatorprofilene like sammenfallende her som for gasstemperaturen. Dette skyldes sannsynligvis det faktum at det er varmeutveksling mellom de ulike stålarealene (tangentiell varmestrm). Som nevnt i Kapittel 3 er det ikke tatt hensyn til dette i modellen. Vi har heller ikke funnet det verdt å bruke tid på å introdusere dette i modellen, da det er så. god overensstemmelse som det er mellom måit og simulert gasstemperatur - både i det foreliggende tilfellet og for Seaway Pelican s clykkerklokke. M:\BAFPXBAHBO84.W5 I

UNI MED il I I (-) /1 I (i) ade N Co -p G ci) +.) E 7 // /_ * C\2 ci) (t ) ci) C/2 ( - -.--... / /... ze-_ CD CD C\2 CD CD C\2 C\2 C\2.1 C\2 (D) niduji Figur 4.1 Figuren viser målt og simulert kjoleprofll for gasstemperaturen i klokka. M:\BAI-f\XBA1-1384.W51

.4 c c\l.... \ /7 ÇQ CD C\2 c -. - CrD to (I,) G-) 12 Figur 4.2 Figuren viser målt og simulert kjøleprofll for isolert stål i klokka. M:\BAH\XBAHBQ84.W5 I () n.xadmi C1 C\1 C\2 C\2 ÇD C\2 ṿ 4J : // Q) V).1/?. ï

G xj1u NIMED I 13 Ji CiD G).4) N ( H LO ci) C) G.) ii/ CQ G) G) ( I L/) / I I CQ - - - ( C\2 ( CD C\) C\2 CQ.1.1 i (D) Figur 4.3 Figuren viser målt og simulert kjøleprofil for ulsolert stål i klokka. M:\BAH\XBAHBOS4.W51

U1Li1W 14 5 SIMULERING AV KJØLEPROFIL 1H1)ER REALISTISKE OPERASJONELLE BETINGELSER Under et eksperimentaldykk på NUTEC 11982 ( POLAR BEAR 111 ), ble det verifisert at eksisterende termiske nødsystemer var i stand til å holde dykkere i live på 15 msw over en periode på 24 timer etter at varrnetilfrselen var kuttet. Under dette eksperimentet ble testkammeret nedkjølt basert på en kjøleprofil som ble målt i en dykkerklokke av Royal Navy. Denne profilen er vist i Figur 5.1. Basert på at dette er en profil hvor kommersielle nødsystemer har vist seg å tilfredsstille Oljedirektoratets krav om overlevelse i 24 timer, er det nærliggende å kreve at dykkerklokker som bruker tilsvarende nødsystemer ikke vil vise en vesentlig dårligere nedkjølingsrate under reelle operasjonelle betingelser. Figur 5.2 viser en simulert kjøleprotil gjennom 24 timer for dykkerklokken om bord i Bar Protector. Betingelsene er en dybde på 1 msw, en omgivende vanntemperatur på 5 C og en indre metabolsk varmeproduksjon på 24 Watt. Ved å sammenligne kjøleprofilen i Figur 5.1 med gasstemperaturen i Figur 5.2, ser en at de to profilene er relativt godt sammenfallende, og at dykkerklokken dermed tilfredsstiller kravene til isolasjon. COOLING PROFILE OF THE CHAMBER GAS DURING POLAR BEAR III AT NUTEC IN 1982 35 3 25 a 15 E 1 5 5 1 15 2 Time (hrs) 25 Figur 5.1 Målt kjøleproffi i kammergassen under Polar Bear III på NUTEC 11982. M:\BAH\XBAHBO84.W5 I

II (J 3 Sim1ated temperatires, Bar- Pr-Qtector- (C3) u 28 o 1::CT3, 26 8 cii 1 24 G)22 Ç1 4 2 G) H o 18 16 -t cl ( 3 -i 14 12 1 8 6 4 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Time (hrs)

E1iri 16 6 KONKLUSJON Den matematiske termomodellen som ble utviklet for dykkerklokkene om bord i Seaway Pelican, og som viste seg å simulere kjøleprofller i god overensstemmelse med målte temperaturverdier, viser seg - etter at modellen er matet med reelle geomettiske og termiske data, også å gi god overensstemmelse mellom simulert og målt kjøleprofilen til gasstemperaturen i dykkerklokka til Bar Protector. I følge opplysninger vi har fått fra det operasjonelle miljø, er dykkerklokka om bord i Bar Protector bortimot det lengste en kan komme fra klokkene til Seaway Pelican. Dette gjelder dykkerklokker som i dag er i bruk til metningsdykking på norsk sektor. I og med at modellen uten videre kan tilpasses med godt resultat til begge disse dykkerklokkene som er så vidt ulike geometrisk, regner vi med at modellen kan brukes til å simulere kjøleprofilen til alle dykkerklokker som er aktuelle for bruk til metningsdykking på norsk sokkel med tilfredsstillende resultat. Modellen vil derfor være et nyttig verktøy for å evaluere termisk isolasjon til operasjonelle dykkeridokker. M:\BAH\XBAHBO84.W5 I

C UPIIMED REFERANSER 17 (1) Bårcl Holand, Geir Owren og Svein Puntervold (1992): Evaluering av teoretiske beregninger for termisk isolasjon av dykkerklokker basert på praktiske målinger. STNTEF rapport nr. STF23 F9227 for FUDT/OLF, april 1992. M:\B ÆH XBAHBO84.W5 i