Struktur- und Strömungssimulation für Produkte zur Öl- und Gasförderung

Die Konstruktion von Produkten für die Öl- und Gasförderung birgt ganz eigene Herausforderungen. Im ersten Schritt müssen Konstrukteure und Ingenieure verstehen, wie eine Ölförderanlage funktioniert und wie sie aufgebaut ist. Die folgende Abbildung zeigt eine typische Ölförderanlage. Die Futterrohre haben Kontakt zum Erdreich und sind daher externem Druck ausgesetzt. Die Steigrohre dienen zur Beförderung des Öls und sind somit verschiedenen Lasten ausgesetzt, darunter interner und externer Druck, Spannung und Druckspannung.

In den Steigrohren befindet sich das Pumpengestänge, über das die Pumpe am Grund der Ölquelle aktiviert wird. Eine typische Ölförderanlage hat je nach Förderumgebung eine Tiefe von 1.500 bis 5.000 m. In einem einzigen Strang befinden sich viele Verbindungen. Sobald eine dieser Verbindungen Fehler aufweist, fällt die gesamte Ölförderanlage aus.

Ölförderanlagen

Es gibt viele verschiedene Arten von Produkten für die Öl- und Gasförderung. In diesem Artikel beschäftigen wir uns vor allem mit der Pumpengestänge- und der Gewindeverbindung zwischen Steig- und Futterrohren. Diese Komponenten der Öl- und Gasförderanlage können verschiedene Fehler aufweisen, die möglicherweise zu Förderproblemen und somit zu hohen Kosten führen. In der folgenden Abbildung sehen Sie eine Pumpengestängeverbindung (links) und eine Steig- und Futterrohrverbindung (rechts).

Pumpengestänge- und Gewindeverbindungen

Bei der Simulation dieser Komponenten ist es sehr wichtig, die Fehlerabläufe der einzelnen Komponenten zu kennen. Das Pumpengestänge ist wechselnden Belastungen ausgesetzt, die verschiedene Spannungsfelder übertragen. Ebenso treten Spannungskonzentrationen in den Gewindestangen auf. Diese Spannungen können nach einer bestimmten Zyklenanzahl zu Ermüdungsbrüchen führen.

In der folgenden Abbildung ist eine Pumpengestängeverbindung dargestellt, die im letzten greifenden Gewinde gebrochen ist. Im Bild links wird gezeigt, wo der Bruch stattgefunden hat, während im rechten Bild der Fehlerablauf dargestellt wird. Ausgangspunkt war ein duktiles Versagen, das zu einem fragilen Bruch und somit zum Bruch des gesamten Abschnitts geführt hat. Das untere Bild zeigt eine vollständige Verbindung und einen beginnenden Bruch an der Pin-Komponente.

Ermüdungsbruch im Pumpengestänge

Gewindeverbindungen zwischen Steig- und Futterrohr zeigen eine andere Versagensart. Da sie anderen statischen Belastungen ausgesetzt sind (Spannung, Druckspannung, interner und externer Druck), findet eine dauerhafte Verformung aufgrund der Plastizität des Materials statt. Das Problem in der Verbindung ist letztendlich eine Leckage im Dichtungsbereich.

Bleibende Verformung

SOLIDWORKS Simulation Lösung

Diese Versagensarten in der Pumpengestänge- und Steig- und Futterrohrverbindung führen zu höheren Kosten und längeren Entwicklungszyklen. Um diese Probleme zu vermeiden, sollte eine Software eingesetzt werden, mit der verschiedene Konstruktionsoptionen getestet werden können. Die Software sollte es dem Konstrukteur ermöglichen, die Leistungsfähigkeit des Produkts zu evaluieren, sowie eine intuitive und benutzerfreundliche Oberfläche bieten und fortlaufenden Support ermöglichen.

SOLIDWORKS Umgebung – wichtigste Eigenschaften

Die Lösung für den Ermüdungsbruch im Pumpengestänge war, die Verbindung mithilfe von Spannungskonzentrationsfaktoren neu zu konstruieren, um einen optimalen Entwurf zu erreichen. In der Abbildung unten links ist das Ergebnis des regulären API-Entwurfs (Option 1) und des neuen, modifizierten API-Entwurfs (Option 2) dargestellt. Im modifizierten Entwurf wurde nur der Schulterwinkel geändert, sodass das Spannungsfeld besser als im regulären Entwurf verteilt wird. In der rechten Abbildung werden die Belastungskoeffizienten miteinander verglichen. Der reguläre Entwurf zeigt die schlechtesten Werte (untere rote Kurve) und der neue Entwurf weist einen deutlich besseren Belastungskoeffizienten auf (obere grüne Kurve).

Pumpengestänge – Ergebnisse

Die Leistungsfähigkeit der Anschlussdichtung der Gewindeverbindung wurde evaluiert. Dadurch konnte der Konstrukteur die kritischen Lasten ermitteln. In der Abbildung unten sind der Dichtungsbereich (links) und die Evaluierung der Leistungsfähigkeit der Dichtung (rechts) dargestellt. Ich verwende meist drei Faktoren: 1) SF – Seal Force (Verschlusskraft); 2) SP – Seal Peak (Spitzenlast der Dichtung); 3) SL – Seal Length (Dichtungslänge). Basierend auf diesen Faktoren kann die Dichtungsleistung berechnet werden.

Gewindeverbindung – Ergebnisse

Zusammenfassend können wir zwei Schlussfolgerungen aus der Untersuchung der beiden Fälle ziehen:

• Flexible Simulationswerkzeuge für die Auswahl der besten Konstruktion verkürzen den Entwicklungszyklus.
• Die Evaluierung der Komponentenleistung (Futter- und Steigrohr) führt zu besseren Produkten.

Weitere Informationen zu SOLIDWORKS Simulation finden Sie auf unserer Seite Simulation Lösungen.

Autor: Jose Pereiras, Territory Technical Senior Manager bei Dassault Systèmes SOLIDWORKS – zum Originalartikel gelangen Sie hier.