Duikbel: Geavanceerde Persoonlijke Overdrachtscapsule voor Veilig Onderwaterwerk

Achtergrond

Commerciële duikers die onderwaterconstructie of berging uitvoeren, gebruiken vaak een duikbel voor transport naar de onderwaterlocatie. Gebruik van een duikbel (ook bekend als Personal Transfer Capsule, PTC) en een drukruimte verlengt de tijd die een duiker veilig onder water kan blijven. Duikbellen waren al bekend in de vierde eeuw v.Chr., toen ze waargenomen werden door de oude Griekse filosoof Aristoteles. Meer gesofisticeerde duikbellen werden in de zeventiende eeuw bedacht. Moderne bellen voor commerciële duik werden ontwikkeld na de Tweede Wereldoorlog, met de opkomst van de offshore-olieindustrie.

Commerciële duik (duiken voor betaling) is verdeeld in twee hoofdtypen: oppervlakte-georiënteerde duik en verzadigingsduik. Bij oppervlakte-georiënteerde duik werken duikers in helmen onder water, verbonden met een ademhalingsapparaat aan wal of aan boord van een schip, ponton, of platform. Doorgaans werken duikers in paren, een onder water en een aan de oppervlakte die de slangen en apparatuur bewaakt. Oppervlakte-georiënteerde duikers kunnen veilig werken op dieptes tot 91,5 m, maar duikers kunnen slechts beperkte tijd onder water blijven. De effecten van waterdruk kunnen leiden tot decompressiesziekte. Onder druk verzamelt stikstof in de duikers lichaamsweefsel, wat arteriëren en vene blokkeert. Als de duiker te snel opstijgt, vormt stikstof bellen in het weefsel, vergelijkbaar met hoe een frisdrankfles bubbelt bij openen. Gasbellen in het weefsel veroorzaken pijn, verlamming, of dood. Na een diepe duik moet de duiker geleidelijk decompresseren, heel langzaam terugkeren naar het oppervlaktedruk om decompressiesziekte te voorkomen. Decompressietijd hangt samen met de diepte en duur van de duik. Bij een diepe duik van slechts één uur kan decompressietijd dagen duren. Oppervlakte-georiënteerde duik is alleen praktisch voor kleine klussen.

Het tweede type commerciële duik, verzadigingsduik, is nuttiger voor grootschalige constructieprojecten. Bij verzadigingsduik gebruiken duikers een gedrukte kamer, soms bekend als Deep Diving System (DDS), bevestigd aan een duikbel. De kamer en bel beginnen aan boord van een schip. Een team duikers stapt in de kamer, die dan mechanisch onder druk wordt gezet om de omgeving op de diepte van de geplande duik te simuleren. De kamer is een complete leefomgeving – uitgerust met bedden, douche, en meubels – en kan een team duikers voor weken huisvesten. Wanneer de duikers geacclimatiseerd zijn, verlaten ze de kamer door een koppelingstunnel en stappen in de duikbel, die ook onder druk staat. Een kraan tillt de bel van het schip en laat hem op de onderwaterlocatie zakken. Eenmaal op de locatie, stapt één duiker in een duikpak en helm uit de bel en begint te werken. De andere duiker blijft in de bel en bewaakt de slangen en apparatuur van de eerste duiker. Na een interval van misschien twee uur, wisselen ze. Werkend vanuit een bel, mogen de duikers een acht-uurs dag onder water maken. Dan worden ze met de bel naar de oppervlakte vervoerd, stappen in de drukruimte, en wisselen met de volgende shift duikers. Wanneer het hele werk voltooid is, decomprimeert het team in de drukruimte. Hoewel ze meerdere keren gedoken hebben, hoeft het team maar één keer te decompresseren.

Geschiedenis

Een emmer of vat recht in het water gelaten, open einde naar beneden, zal lucht vangen. Aristoteles schreef over duikers die met luchtgevulde ketels onder water ademden. Alexander de Grote zou in een duikbel naar zee zijn gegaan – gereputeerd een vat van wit glas – in 332 v.Chr. Hij zou dagen diep onder water zijn gebleven, hoewel dit onwaarschijnlijk is. Er zijn verschillende verwijzingen naar duikbellen in de Middeleeuwen. In 1531 maakte een Italiaan, Guglielmo de Lorena, een werkbare duikbel die hij gebruikte om gezonken Romeinse schepen van de bodem van een meer te bergen. Andere bellen werden uitgevonden en gebruikt in diverse plekken in Europa, voornamelijk om schatten te bergen. De voorloper van de moderne duikbel werd uitgevonden door de Engelse Edmund Halley, bekend van de kometa die zijn naam draagt. In 1690 bouwde Halley een duikbel die leer buizen en lood-gevoerde vaten gebruikte om verse lucht onder water te leveren. Zijn bel was een houten, open kegel, gewicht met lood en uitgerust met een glazen kijkpoort. Binnen hing Halley een platform voor de duiker om op te rusten, en een constructie van gewogen vaten. De vaten waren vastgezet zodat wanneer de duiker ze in de bel trok, waterdruk van beneden ze dwong verse lucht in de bel te laten. Helpers aan de oppervlakte vulden de vaten met verse lucht. Halley en een team duikers bleven onder water op een diepte van ongeveer 18,3 m zo lang als een half uur met zijn bel.

Anderen dupliceerden Halley's prestatie, maar het ontwerp werd niet significant verbeterd tot 1788. In dat jaar maakte een Schots ingenieur, John Smeaton, een duikbel die een pomp op het dak gebruikte om verse lucht binnen te dwingen. Smeaton's bel werd gebruikt door duikers die onderwaterbrugreparaties uitvoerden. Een verscheidenheid aan duikapparatuur werd in de negentiende eeuw uitgevonden, wat leidde tot werkbare duikhelmen verbonden door slangen aan een luchtvoorziening aan de oppervlakte. Deze apparatuur was zwaar en bulkey, gemaakt met honderden pond metaal om diepe waterdruk te weerstaan. Werkers aan tunnels en brugzen zochten in enorme gietijzeren bellen of lift-achtige kamers genaamd caissons. Omdat weinig bekend was over de gevaren van druk, ziekten en stierven velen van deze werkers aan wat caissonziekte werd genoemd, nu bekend als decompressiesziekte.

De basis voor toekomstige commerciële duik werd gelegd na de Tweede Wereldoorlog. De Zwitserse duiker Hannes Keller gebruikte een duikbel in 1962 om een diepte van 300 m te bereiken. Zijn bel was op iets hogere druk dan zijn duiklocatie. Keller ademde een mengsel van helium en zuurstof door slangen verbonden met een machine in de bel. Hij toonde aan dat de duikbel een waardevolle tussenstation kon zijn voor een diepe duiker, niet alleen adembare gas leverend maar ook elektriciteit, communicatieapparaten, en warm water om het duikpak te verwarmen.

Verzadigingsduik werd mogelijk gemaakt door het werk van Dr. George Bond, directeur van het United States Navy Submarine Medical Center in de middeleeuwen van de jaren 1950. Zijn experimenten toonden aan dat een duikers weefsel verzadigde met stikstof na een bepaalde bloottijd. Na bereiking van het verzadigingspunt was de duur van de duik onbelangrijk. Een duiker kon weken of maanden onder druk blijven. De benodigde decompressietijd zou hetzelfde zijn, of de duiker nu een uur of een week op het verzadigingspunt bleef. Bond's experimenten leidden tot de ontwikkeling van Deep Diving Systems. Deze werden frequent gebruikt door werknemers in de olie-industrie in de jaren 1970 en 1980, toen diepe offshore olieboorplatforms bloeiden.

De bathysfeer en de bathyscaaf

Twee belangrijke moderne duikbellen waren de bathysfeer en de bathyscaaf. Dit waren diepzeeduikvaartuigen gemaakt voor wetenschappelijke observatie. De bathysfeer werd gebouwd door William Beebe, een Amerikaanse zoöloog, en ingenieur Otis Barton in 1930. Beebe, gefascineerd door onderwaterleven, bedacht de duikmachine, en Barton kon het ontwerpen. Bartons idee was de kamer perfect rond te maken om waterdruk gelijkmatig te verdelen. Het werd vervaardigd van gegoten staal iets meer dan 2,5 dik en 1,5 m in diameter. De bathysfeer woog een enorme 2.449 kg, bijna te zwaar voor de beschikbare kraan om te tillen. Beebe en Barton maakten meerdere duiken voor Bermuda in de bathysfeer, bereikende een diepte van 900 m in 1932. Vanwege de grote sterkte van de bol werden de duikers beschermd tegen druk, maar de bathysfeer bleek onhandig en potentiëel riskant. Het werd in 1934 achtergelaten.

Een decennium later ontwierpen een Zwitserse vader en zoon, Auguste en Jacques Piccard, een soortgelijk vaartuig genaamd de bathyscaaf. De bathyscaaf weerstond de effecten van druk, zoals de bathysfeer, met een zware staal bolvormige kamer. De kamer hing onder een grote, lichte, benzine-gevulde container. Het loslaten van luchtkleppen maakte de bathyscaaf drijfkracht verliezen en naar de oceaanbodem zakken onder eigen kracht. Om weer omhoog te komen, lieten de operators ijzeren ballast los, waardoor het vaartuig langzaam steeg. De eerste bathyscaaf werd in 1946 gebouwd, maar onherstelbaar beschadigd in 1948. Een verbeterde machine daalde tot 4.000 m in 1954. De Piccards bouwden een andere bathyscaaf, genaamd de Trieste, in 1953. De Verenigde Staten Navy kocht de Trieste in 1958. Jacques en Navy-luitenant Donald Walsh bereikten een recorddiepte van 10.916 m in de Marianengracht in de Stille Oceaan in 1960.

Grondstoffen

Moderne duikbellen zijn gemaakt van hoogsterkte, fijnkorrelig staal. Ramen zijn vervaardigd van gegoten acrylaat van een speciaal ontworpen graad voor drukvaten. De bel heeft ook een exterieur bekleding van dik aluminium nodig om het tegen schokken te beschermen. De bel wordt geschilderd met een hoogwaardige marine epoxyverf. Staal- en aluminiumspecificaties variëren afhankelijk van de verwachte diepte van het vaartuig.

Ontwerp

Duikbellen worden op maat gebouwd volgens klantspecificaties. De klant benadert de fabrikant met een overzicht van wat nodig is. Afhankelijk van de behoeften, zal het overzicht belvorm, minimum aantal bezitters, aantal ramen, en eventuele speciale behoeften specificeren, zoals rekken om apparatuur te houden. De fabrikant bekijkt het plan van de klant, en tekent dan een definitief ontwerp.

De productie en ontwerp van duikbellen wordt uitgevoerd onder specifieke regelgeving van de American Society of Mechanical Engineers (ASME). ASME heeft een subsectie die regelt wat algemeen Pressure Vessels for Human Occupancy (PVHOs) genoemd wordt. PVHOs omvatten duikbellen alsook duikvaartuigen, decompressiekamers, recompressiekamers, hoogtekamers, en anderen. ASME stelt strenge normen voor alle aspecten van duikbellen, van ontwerp tot fabricatie en testen. Fabrikanten en hun subaannemers moeten allemaal de ASME-richtlijnen stap-voor-stap volgen door het productieproces om een ASME-stempel op de afgeronde bel te ontvangen.

Het Productieproces

De Bel Maken

• 1 De lichaam van de bel wordt gevormd uit sterk, fijnkorrelig staal. Gerolde staalplaat wordt op een band gelegd en door een geautomatiseerde zaag gestuurd die de plaat snijdt in de top, bodem, en zijkanten van de bel.
• 2 De secties worden naar een lassersbedrijf gestuurd gecertificeerd voor dit type constructie. Elke sectie wordt handmatig samengelast. De lassen moeten hoge druk kunnen weerstaan en absoluut waterdicht zijn. De lassershop volgt de richtlijnen van ASME.
• 3 Gegoten acrylaat ramen, ofwel gemaakt door een subaannemer of door de belfabrikant, worden in plaats gemonteerd.

Inspectie en Testen

• 4 Na het samenvlassen van de secties, wordt de bel geïnspecteerd. Het kan diverse tests ondergaan, van visuele inspectie van de lassen tot ultrasoonscans. Na deze tests komt de "proeftoets." De bel wordt met water gevuld en gedrukt gedurende één uur bij anderhalf keer de druk waarvoor het gebouwd was. Met andere woorden, als de bel ontworpen was om de druk op 183 m diepte te weerstaan (282 psi), onderwerpt de fabrikant het aan druk op 274,3 m (415 psi). De bel moet de proeftoets gemakkelijk kunnen doorstaan. Het is ontworpen om vier keer de algemene gebruiksdruk te weerstaan als veiligheidsmaatregel.

Schilderen en Afwerken

• 5 Vervolgens wordt de bel geschilderd. Mechanische sproeiers bedekken de bel met een hoogwaardige marine epoxyverf die de ruwe gebruik onder water kan weerstaan.
• 6 Dan wordt het interieur van de bel afgewerkt. De bel zal een verscheidenheid aan apparaten houden zoals een verwarming, instrumenten, lampen, kooldioxideverwijderaar, en ventilatoren. Beugels voor deze apparaten worden in de binnenkant van de bel gebout. Pijpleidingen en bekabelingskasten worden ook in plaats gebout. De bel is niet klaar voor gebruik totdat alle apparatuur op zijn plaats is.

Certificering

• 7 Als de bel alle tests en inspecties doorstaat, wordt het gestempeld met een ASME-zeel. Dit betekent dat het gebouwd is volgens ASME-normen, en veilig verondersteld wordt voor menselijke bezetting. De individuele bel krijgt ook een certificaat waar staat waar het gebouwd is, wanneer, en door wie. Andere archieven worden ook bewaard, zoals de oorsprong van het staal voor de lichaam.
• 8 De fabrikant levert de bel als een "rauwe" vaartuig. De klant rust het dan uit met alle benodigde machines zoals trackingapparaten, camera's, en radiozenders.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole is extreem belangrijk voor een vaartuig gebruikt voor inherent gevaarlijk onderwaterwerk. Kwaliteitscontrole is ingebouwd in het duikbelproductieproces, omdat fabrikanten de standaarden van ASME volgen. Niet alleen wordt de bel na constructie getest, maar zelfs het voorlopige ontwerp is uitgevoerd op een manier die ASME-regels voldoet. De algehele regelgevende autoriteit over duiken, inclusief commerciële duik, in de Verenigde Staten is de Kustwacht.

De Toekomst

De Verenigde Staten Navy test ook diverse duikapparatuur voor eigen gebruik. Het runt een Experimental Diving Unit die bestaande apparatuur test en geavanceerde duiktechnologie uitprobeert. De Experimental Diving Unit emploieert ook artsen en onderzoekers die de fysiologische effecten van duiken onderzoeken. Een deel van dit onderzoek kan leiden tot regelgeving die commerciële duikers beïnvloedt. Dit kan op zijn beurt veiligheidsprocedures en kwaliteitscontrole tests voor duikbellen en andere duikapparatuur beïnvloeden.

Commerciële duikers vertrouwen dagelijks op duikbellen voor transport tussen een gedrukte kamer en een diepzeelocatie. De ontwikkeling van verzadigingsduik leidde tot een veel efficiëntere manier om uitgebreid onderwaterwerk uit te voeren, omdat duikers maar één keer aan het einde van de klus hoeven te decompresseren. Sommige actuele onderzoeken onderzoeken echter manieren om zonder decompressie te kunnen. Sommige onderzoekers hebben de mogelijkheid onderzocht om duikers uit te rusten met kunstmatige kieuwen, zodat ze zuurstof direct uit water kunnen ademen. Een andere mogelijke nieuwe technologie heet vloeistofademhaling. Bij diepe druk, als de longen gevuld zijn met een zuurstofdragende vloeistof, kunnen ze theoretisch blijven functioneren. Hypothetisch zou een duiker zuurstofhoudend vloeibaar fluorocarbon uit een draagbare tank kunnen ademen. Dit zou een duiker in staat stellen dieper te duiken zonder gebruik van een drukruimte en duikbel. Een ander onderzoeksterrein is zogenaamde biologische decompressie. Een speciaal bacterie in het lichaam kan gebruikt worden om de gassen in weefsel die decompressiesziekte veroorzaken te metaboliseren. Dit zou de noodzaak voor decompressie in een kamer elimineren. Als een van deze technologieën haalbaar zou worden voor commerciële duikers, kan het bestaande systeem van drukruimte en duikbel veranderen.

Meer Informatie

Boeken

Beebe, William. Half Mile Down. New York: Dull, Sloan and Pearce, 1951.

Parker, Torrance R. 20,000 Jobs Under the Sea: A History of Diving and Underwater Engineering. Palos Verdes Peninsula, CA: Sub-Sea Archives, 1997.

Piccard, Jacques, en Robert S. Dietz. Seven Miles Down: The Story of the Bathyscaph Trieste. New York: G. P. Putnam's Sons, 1961.

Tijdschriften

Bachrach, Arthur J. "The History of the Diving Bell." Historical Diving Times (Lente 1998).

Overige

Diving Heritage Page. Juni 2001. < https://www.divingheritage.com >.

Angela Woodward