Hva har en klatrebrems og et installasjonsfartøy til felles?

Når det bygges vindmølle- eller solcelleparker til havs, trengs det strømkabler, både innad i parken og for ilandføring av strømmen. De som håndterer kabler, under produksjon, transport og installasjon, har noen ganger opplevd at kablene har en tendens til å lage krøll. Bokstavelig talt. Det samme kan skje med et klatretau under rappellering.

Under produksjon, handtering og installasjon av undersjøiske strømkabler, og fleksible rør, skjer det iblant noe som man ikke har kunnet forklare, nemlig at kabler begynner å vri på seg. Dette er en stor ulempe for både handtering og lagring og kan koste dyrt.  

– En kanskje overraskende årsak til torsjon er friksjon inne i kabelen, sier SINTEF og forsker og torsjon-entusiast Philippe Mainçon.

Vridning kan koste millionbeløp

Det er flere eksempler på at indre friksjon har skapt store problemer:

– Ved et tilfelle måtte et fartøy avbryte installasjonen av en stor elektrisk kabel på grunn av mye “vrikking på dekk”, sier SINTEF-forskeren, som forøvrig har blitt kalt “Dr. Twist” av en av kundene.  

 Kabelen måtte kappes og forlates på havbunnen. Skipet returnerte til havn og måte vente i månedsvis før kabelen ble hentet igjen fra havbunnen, spleiset og operasjonen fullført.

Kabel med torsjon (øverst) og vrikking (nederst). Illustrasjon: SINTEF VIS MER

Kabelen kan også få lokale skader. I beste fall kan kabelen bankes i fasong, eller skjøtes. Men, i verste fall må den byttes.

– Det kan være vanskelig å avgjøre om strømlederen eller den elektriske isoleringen er skadd. En slik skade kan føre til totalhavari mens den strømførende kabelen er i drift – og strømstans for mange, sier han.

Gammelt problem – lite forskning

Slike problemer er ikke nye: olje industrien har også hatt noen svært dyre hendelser av denne typen. Kostnadene kan bli hundrevis av millioner kroner.

– Likevel er det ingen publikasjoner i litteraturen om det temaet, med unntak av det vi har rukket å publisere. Det er heller ikke et rapporteringskrav på slike uhell, fordi de verken fører til personskade, eller til direkte miljøforurensing. Dessuten er det ingen som ønsker å fortelle om slike flauser.  Og da blir det for lite kunnskap om dette i industrien, sier Mainçon.

Det har imidlertid SINTEF gjort noe med. I de siste årene har forskerne involvert seg i både skadeundersøkelser og designstøtte for norske og utenlandske bedrifter. Det har resultert i mye ny kunnskap.

– Det er relativt avansert mekanikk som kan overraske selv erfarne ingeniører, når vi forklarer hvordan disse vridningene oppstår, sier forskerkollega Vegar Longva.

Bruker klatrekompetanse

Forskerne, som begge er ivrige klatrere, har fått bruk for sin egen kompetanse på håndtering av tau i fritiden:

– Vi har begge erfaring med handtering av klatretau. Det har vært til hjelp for å få innsikt, da en del av fysikken er akkurat den samme. Et godt installasjonsfartøy har mer til felles med en god klatrebremse enn du kanskje skulle trodd, spøker Mainçon, som samtidig understreker at utvikling av matematiske og numeriske modeller spiller en sentral rolle i utforsking av problemet.

Det er flere mekanismer som fører til kabelvridningen, eller torsjon på fagspråket. En av de viktigste mekanismene henger sammen med at kabelen blir bøyd i forskjellige retninger når den føres, for eksempel fra fabrikk til installasjonsfartøy. 

– At det skal krefter til å bøye en stor kabel og få armerings trådene til å skli, er intuitivt.  Men så kommer overraskelsen, sier Longva og byr på et lite eksperiment:

– Sett et stykke tape midt på en kabel, og bøy kabelen, for eksempel til en bue nedover.  Prøv så å holde buen slik den er, men forsøk å tvinne kabelen mot brystkassa di, slik at tape-biten peker mot deg: det skal overraskende store krefter til.  Og nettopp slike krefter har forårsaket mange skader.

Bøy en kabel slik og prøv å vri den mot brystkassa di. Det er overraskende tungt. Illustrasjon: SINTEF VIS MER

– Ingen ville finne på å bygge en stor bru uten å ha regnet seg frem til at den holder. Det samme bør gjelde før du bygger en kabelfabrikk eller et installasjonsfartøy, sier Philippe.

Industrien etterspør veiledning for overslagsberegninger, utstyr for sanntidsovervåkning av operasjoner, samt testrigg for å sjekke hvor mye en kabel faktisk tåler. 

Nå er forskerne i gang med å formidle den nye kunnskapen gjennom industriprosjektet “Torsion Joint Industry Project” der flere internasjonale selskap som enten produserer, installerer eller drifter kabler er med. Deltakere er Hellenic Cables, NKT HV Cables, Equinor, Aker Solutions, Ørsted og Petrobras.

Formidlingen skjer både gjennom forelesninger og en håndbok som er under utarbeidelse. Det er også planer om konkrete retningslinjer for hvordan man skal regne på torsjon.

­– Kompliserte situasjoner, der torsjon forandrer kabelen sin geometri til en mer ugunstig fasong som forårsaker enda mer torsjon, vil kreve nokså spesielle numeriske modeller, så vi har fremdeles en del arbeid foran oss. Men målet står klart: å sørge for at overgangen til fossilfri energi skjer uten krøll, sier Mainçon.

Publikasjoner:

• Vegard Longva, Svein Sævik, A Lagrangian-Eulerian formulation for reeling analysis of history-dependent multilayered beams, Computers and Structures 146 (2015) 44-58 
• Vegard Longva, Svein Sævik, On prediction of torque in flexible pipe reeling operation using a Lagrangian-Eulerian FE framework, Marine Structures 46 (2016) 229-254 
• Philippe Mainçon,  Torsion in flexible pipes, umbilicals and cables under loadout to installation vessels, OMAE 2017, 62716
• Du kan også lese mer om torsjon på denne prosjektsiden