{"id":6623,"date":"2018-06-01T10:00:22","date_gmt":"2018-06-01T08:00:22","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.solidworks.com\/solidworksdeutschland\/?p=6623"},"modified":"2020-06-02T13:31:10","modified_gmt":"2020-06-02T11:31:10","slug":"struktur-und-stroemungssimulation-fuer-produkte-zur-oel-und-gasfoerderung","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.solidworks.com\/solidworksdeutschland\/2018\/06\/struktur-und-stroemungssimulation-fuer-produkte-zur-oel-und-gasfoerderung.html","title":{"rendered":"Struktur- und Str\u00f6mungssimulation f\u00fcr Produkte zur \u00d6l- und Gasf\u00f6rderung"},"content":{"rendered":"

Die Konstruktion von Produkten f\u00fcr die \u00d6l- und Gasf\u00f6rderung birgt ganz eigene Herausforderungen. Im ersten Schritt m\u00fcssen Konstrukteure und Ingenieure verstehen, wie eine \u00d6lf\u00f6rderanlage funktioniert und wie sie aufgebaut ist. Die folgende Abbildung zeigt eine typische \u00d6lf\u00f6rderanlage. Die Futterrohre haben Kontakt zum Erdreich und sind daher externem Druck ausgesetzt. Die Steigrohre dienen zur Bef\u00f6rderung des \u00d6ls und sind somit verschiedenen Lasten ausgesetzt, darunter interner und externer Druck, Spannung und Druckspannung.<\/p>\n

In den Steigrohren befindet sich das Pumpengest\u00e4nge, \u00fcber das die Pumpe am Grund der \u00d6lquelle aktiviert wird. Eine typische \u00d6lf\u00f6rderanlage hat je nach F\u00f6rderumgebung eine Tiefe von 1.500 bis 5.000\u00a0m. In einem einzigen Strang befinden sich viele Verbindungen. Sobald eine dieser Verbindungen Fehler aufweist, f\u00e4llt die gesamte \u00d6lf\u00f6rderanlage aus.<\/p>\n

\"oilwell_1_-_copy.png\"<\/a><\/p>\n

\u00d6lf\u00f6rderanlagen<\/strong><\/h3>\n

Es gibt viele verschiedene Arten von Produkten f\u00fcr die \u00d6l- und Gasf\u00f6rderung. In diesem Artikel besch\u00e4ftigen wir uns vor allem mit der Pumpengest\u00e4nge- und der Gewindeverbindung zwischen Steig- und Futterrohren. Diese Komponenten der \u00d6l- und Gasf\u00f6rderanlage k\u00f6nnen verschiedene Fehler aufweisen, die m\u00f6glicherweise zu F\u00f6rderproblemen und somit zu hohen Kosten f\u00fchren. In der folgenden Abbildung sehen Sie eine Pumpengest\u00e4ngeverbindung (links) und eine Steig- und Futterrohrverbindung (rechts).<\/p>\n

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\"oilwell_2left.png\"<\/a>\"oilwell_2right.png\"<\/a><\/p>\n

Pumpengest\u00e4nge- und Gewindeverbindungen<\/strong><\/h3>\n

Bei der Simulation dieser Komponenten ist es sehr wichtig, die Fehlerabl\u00e4ufe der einzelnen Komponenten zu kennen. Das Pumpengest\u00e4nge ist wechselnden Belastungen ausgesetzt, die verschiedene Spannungsfelder \u00fcbertragen. Ebenso treten Spannungskonzentrationen in den Gewindestangen auf. Diese Spannungen k\u00f6nnen nach einer bestimmten Zyklenanzahl zu Erm\u00fcdungsbr\u00fcchen f\u00fchren.<\/p>\n

In der folgenden Abbildung ist eine Pumpengest\u00e4ngeverbindung dargestellt, die im letzten greifenden Gewinde gebrochen ist. Im Bild links wird gezeigt, wo der Bruch stattgefunden hat, w\u00e4hrend im rechten Bild der Fehlerablauf dargestellt wird. Ausgangspunkt war ein duktiles Versagen, das zu einem fragilen Bruch und somit zum Bruch des gesamten Abschnitts gef\u00fchrt hat. Das untere Bild zeigt eine vollst\u00e4ndige Verbindung und einen beginnenden Bruch an der Pin-Komponente.<\/p>\n

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\"oilwell_3.png\"<\/a><\/p>\n

Erm\u00fcdungsbruch im Pumpengest\u00e4nge<\/strong><\/h3>\n

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 Plastizit\u00e4t des Materials statt. Das Problem in der Verbindung ist letztendlich eine Leckage im Dichtungsbereich.<\/p>\n

Bleibende Verformung<\/strong><\/h3>\n

\"oilwell_4.png\"<\/a><\/p>\n

SOLIDWORKS Simulation L\u00f6sung<\/strong><\/h3>\n

Diese Versagensarten in der Pumpengest\u00e4nge- und Steig- und Futterrohrverbindung f\u00fchren zu h\u00f6heren Kosten und l\u00e4ngeren Entwicklungszyklen. Um diese Probleme zu vermeiden, sollte eine Software eingesetzt werden, mit der verschiedene Konstruktionsoptionen getestet werden k\u00f6nnen. Die Software sollte es dem Konstrukteur erm\u00f6glichen, die Leistungsf\u00e4higkeit des Produkts zu evaluieren, sowie eine intuitive und benutzerfreundliche Oberfl\u00e4che bieten und fortlaufenden Support erm\u00f6glichen.<\/p>\n

SOLIDWORKS Umgebung\u00a0\u2013 wichtigste Eigenschaften<\/strong><\/h3>\n

Die L\u00f6sung f\u00fcr den Erm\u00fcdungsbruch im Pumpengest\u00e4nge war, die Verbindung mithilfe von Spannungskonzentrationsfaktoren neu zu konstruieren, um einen optimalen Entwurf zu erreichen. In der Abbildung unten links ist das Ergebnis des regul\u00e4ren API-Entwurfs (Option\u00a01) und des neuen, modifizierten API-Entwurfs (Option\u00a02) dargestellt. Im modifizierten Entwurf wurde nur der Schulterwinkel ge\u00e4ndert, sodass das Spannungsfeld besser als im regul\u00e4ren Entwurf verteilt wird. In der rechten Abbildung werden die Belastungskoeffizienten miteinander verglichen. Der regul\u00e4re Entwurf zeigt die schlechtesten Werte (untere rote Kurve) und der neue Entwurf weist einen deutlich besseren Belastungskoeffizienten auf (obere gr\u00fcne Kurve).<\/p>\n

\"oilwell_5.png\"<\/a><\/p>\n

Pumpengest\u00e4nge\u00a0\u2013 Ergebnisse<\/strong><\/h3>\n

Die Leistungsf\u00e4higkeit 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 Leistungsf\u00e4higkeit der Dichtung (rechts) dargestellt. Ich verwende meist drei Faktoren: 1) SF \u2013 Seal Force (Verschlusskraft); 2) SP \u2013 Seal Peak (Spitzenlast der Dichtung); 3) SL \u2013 Seal Length (Dichtungsl\u00e4nge). Basierend auf diesen Faktoren kann die Dichtungsleistung berechnet werden.<\/p>\n

\"oilwell_6.png\"<\/a><\/p>\n

Gewindeverbindung\u00a0\u2013 Ergebnisse<\/strong><\/h3>\n

Zusammenfassend k\u00f6nnen wir zwei Schlussfolgerungen aus der Untersuchung der beiden F\u00e4lle ziehen:<\/p>\n