Kettingfluisteraar: hoe je de conditie van een ankerketting kunt horen

Toen promovendus Filippo Riccioli vorige maand Rio de Janeiro uitvoer, moest hij aan boord eerst wennen aan de trage deining van de Atlantische Oceaan. In zijn koffers zaten behalve zijn laptop ook ultrasound sensoren. Daarmee wilde hij onderwatergeluid geluid vastleggen. Niet het gezang van walvissen of het geklik van dolfijnen, maar een soort tsjirpen van metaal dat met een frequentie van 100 – 400 kilohertz ver boven de menselijke gehoorgrens ligt. Dit ging hij doen op een werkschip (Large Floating Production Storage and Offloading Unit) dat de verankering verzorgt van offshore platforms op een halve dag varen van de Braziliaanse kust.

Riccioli maakt deel uit van een team onderzoekers van de faculteit Mechanical Engineering onder leiding van dr. Pooria Pahlavan. Zij werken aan een nieuwe manier om ankerkettingen te inspecteren – niet met camera’s of duikers, maar door ernaar te luisteren met ultrasound sensoren.

Tijd en zout water vreten in op de ankerkettingen

Als gevolg van de verduurzaming van de energiesector verschijnen er steeds meer drijvende windmolens, zonnevelden en platforms voor opslag. En al die platforms worden verankerd met ankers op de zeebodem en zware ijzeren kettingen. Dat lijkt een onverwoestbaar houvast, maar tijd en zout water vreten in op de kettingen. Uiteindelijk gaan die teloor aan metaalmoeheid, corrosie of een combinatie van beide.

Vanwege de veiligheid van mensen en materieel is jaarlijkse inspectie van de soms kilometerslange ankerkettingen van groot belang. Dat kan visueel, maar dat vereist eerst verwijdering van alle aangroei. Een andere methode is het meten van de diameter van de schakels. De vermindering daarvan in vergelijking met de nieuwstaat is een maat voor de achteruitgang en corrosie. De inspectie van ankerkettingen, op welke manier ook, is een tijdrovend en arbeidsintensief proces dat vatbaar is voor verbetering.

‘Veranderingen aan het metaaloppervlak geven een specifiek ultrageluid’

Eerder verbleef Riccioli, onder supervisie van dr. Pooria Pahlavan van de sectie ship and offshore structures (Mechanical Engineering) als onderzoeker in een laboratorium van het Noorse nautisch classificatiebureau DNV. Daar was een stuk van vijf polsdikke schakels van een ankerketting in een trekbank onder zeewater geplaatst. Ricciolo had er onder water verschuifbare panelen naast gezet met ultrasone sensors. “Veranderingen aan het metaaloppervlak geven een specifiek ultrageluid”, vertelt Riccioli. “We kunnen het verschil zien tussen het signaal van een roestdeeltje dat losraakt of dat van een breuk die zich microscopisch verder verspreidt door het materiaal. Dat geeft verschillende akoestische emissies.”

Akoestisch onderscheid tussen twee slijtingsmechanismen

Het beeld van een kettingfluisteraar dringt zich op: iemand die signalen oppikt en iets leest waar anderen geen vermoeden van hebben. Met hun ultrasound sensoren konden Riccioli en zijn medeauteurs van de TU Delft, DNV en Equinor ASA akoestisch onderscheid maken tussen de twee belangrijkste slijtagemechanismen voor ankerkettingen: corrosie door zeewater en vermoeiing door de eindeloze deining. Daarbij dient vermeld te worden dat de beproeving maanden duurde. Een ankerketting is een stevig ding.

Werkt de detectie ook in de echte wereld van deining, ratelende lieren, wildlife en kolkende schroeven?

Door de plaatsing van meerdere sensoren onder een loodrechte hoek was bovendien de bron van het ultrageluid te bepalen. Dat was de strekking van het artikel dat vorig jaar verscheen in Marine Structures met Riccioli’s begeleider dr.ir. Pooria Pahlavan als hoofdonderzoeker.

Onderwaterrobot ter grootte van bierkrat

Maar zou de detectie van akoestische emissies ook werken in de echte wereld van oceaandeining, ratelende lieren, rinkelende kettingen, wildlife, gedreun van motoren en kolkende schroeven? Om dat te onderzoeken stapte Riccioli aan boord van het immense AHTS-schip (Anchor Handling Tug Supply). In de proeftank op de TU werkt hij met een onderwaterrobot ter grootte van een bierkrat. Op het schip was de onderwaterrobot een vier ton zware ROV (remotely operated vehicle) van anderhalf bij twee meter groot. De kolos kon tot twee kilometer diepte tal van taken opknappen, maar voor het onderzoek hoefde hij alleen maar stil te hangen op enkele meters afstand van een ankerketting.

In de eerste dagen aan boord had Riccioli een paneel samengesteld met ultrasound sensoren achter een rvs-hekwerkje om op de onderwaterrobot te monteren. “We maakten een stevig stalen hekwerk om de sensoren te beschermen. Er waren allerlei operaties gaande, maar op een gegeven moment kregen we de robot voor een paar dagen ter beschikking. We ging naar de control room die vol hing met monitoren en we lieten van daaruit de ROV te water. Die zakte tot dertig meter diepte totdat de kraan ontkoppelde. Vanaf dat moment konden we de robot besturen.”

“Onder water zagen we de ankerkettingen van ons schip. We plaatsten de robot op enkele meters afstand. Die moest nu stil blijven hangen. Dit was waarvoor ik gekomen was: konden we in deze reële omstandigheden akoestische emissies waarnemen?”

‘De signalen leken op wat we eerder in het lab zagen voor corrosie’

Een week na zijn terugkomst in Delft tref ik Riccioli in de onderzoekskelder. Is het gelukt? “Yeah. Van het achtergrondgeluid van werkzaamheden onder water hadden we gelukkig geen last zodat we akoestische emissies konden waarnemen die leken op wat we in het lab hebben gemeten bij corrosie.”

Signalen van uitbreidende scheurtjes als gevolg van metaalmoeheid heeft Riccioli tot op heden nog niet ontdekt. “Maar de analyse van de data is nog in volle gang.” Hij zal de resultaten van de veldtest in juni presenteren op een bijeenkomst van het Floating Energy Research (FER)-forum bij Marin in Wageningen.

De opnames duren vrij lang

Het toekomstbeeld van de onderzoekers is dat onderwaterrobots autonoom ankerkettingen inspecteren. De opnamen duren vooralsnog vrij lang. Denk aan een uur zweven om een aantal meters ketting te beluisteren. De inspectie wordt dan zoiets als het verven als de Eiffeltoren: als je boven klaar bent kun je onder weer beginnen.

Volgens Riccioli en collega’s zou ultrasone inspectie in vergelijking met de huidige manier van werken een flinke stap vooruit zijn. Zeker voor de offshore energie-industrie die momenteel een groeispurt doormaakt. Op de FERF-bijeenkomst moet duidelijk worden hoe de industrie daar zelf over denkt.