Home -> Editors Desk -> Comsol is als een Zwitsers zakmes
Complex onderzoek naar pijpleidingen
Comsol is als een Zwitsers zakmes
Door Job van Haaften OCAS en ArcelorMittal
Bij OCAS wordt industrieel toegepast onderzoek gedaan in metaal, met name onderzoek naar nieuwe staalsoorten en toepassingen in nieuwe producten. Filip Van den Abeele en Patrick Goes zijn beiden research engineer en vertellen over één van de projecten waarbij ze de simulatiesoftware van Comsol hebben gebruikt.
Een object dat in een stroming ligt, gaat daarop reageren en daar reageert de stroming weer op,
waarbij alternerende stromingen kunnen ontstaan.
Veel van het gas en de olie, die de motor vormen van onze Westerse economie, wordt in pijpleidingen vervoerd over de bodem van de zee. Dat is nodig doordat de vraag naar brandstof stijgt en de voorraden in makkelijk te ontginnen gebieden opraken, daardoor wordt er geboord in minder toegankelijke gebieden als bijvoorbeeld Alaska, de Russische toendra’s en op de zeebodem. Pijpleidingen die voor het vervoer van olie en gas worden gebruikt, hebben veel te verduren en moeten tijdig vervangen worden omdat een breuk rampzalige gevolgen zal hebben.
De weerstand van het materiaal en de dikte van de wand van zo’n pijpleiding moeten voldoende zijn om de hoge inwendige druk aan te kunnen van de getransporteerde brandstof en uitwendig de waterdruk op soms grote dieptes. Daarnaast zijn er stromingen die invloed uitoefenen op de pijpleidingen.
Filip Van den Abeele vertelt over het onderzoek naar het stabiliseren van pijpleidingen voor olie en gas op de zeebodem. Van den Abeele: “Een belangrijke eis van die onderzeese pijpleidingen is de taaiheid, dat wil zeggen het toestaan van vervorming. Een object dat in een stroming ligt, gaat daarop reageren en daar reageert ter plekke ook de stroming weer op. Daar kunnen alternerende stromingen bij ontstaan, van onder naar boven en van links naar rechts, ofwel ze gaan dansen en daardoor ontstaat metaalmoeheid wat kan resulteren in een breuk.
Filip Van den Abeele, links en Patrick Goes
bij een doorsnede van de pijplijn.
Een onderzeese pijplijn ligt vaak op een ongelijke bodem waardoor de pijplijn over langere delen los kan liggen, bij wijze van spreken tussen twee heuveltoppen in. De lasnaden waarmee de stukken van tien meter lengte aan elkaar gelast zijn, bieden een broeihaard voor foutjes, kleine imperfecties. Door de trillingen zullen juist daar dus scheuren ontstaan, vanuit die imperfecties. Bij hogere snelheden van die stroming ontstaan wervels, bij zeer hoge snelheden, gaan die wervels met elkaar botsen. Bij een bepaalde kritische snelheid ontstaat het dansen waarbij de pijplijn in een soort 8-vorm beweegt.”
Van den Abeele vervolgt: “Dan ga je mogelijkheden onderzoeken. De stroomsnelheid kun je niet wijzigen, wel de vorm van de pijpleiding, er zijn diverse mogelijke maatregelen die je daarbij kunt nemen. Om de effecten daarvan te testen werd Comsol ingezet. Eén van die geteste vormen is een helix, een schroefvorm die wel bij fabrieksschoorstenen wordt gebruikt, vaak zichtbaar als een trap die om de schoorsteen draait. Andere mogelijkheden waren een soort vliegtuigvleugel, splitters en spoilers. De testen die dan werden uitgevoerd, betreffen de vloeistofstromingen en structuurmechanica, ofwel het stromingsveld en de reactie van de pijpleiding. Verder spelen mee de levensduur van de pijpleiding en hoe de bodem op de bewegingen reageert.”
“Die stromingsproblemen gelden nog meer voor een pijpleiding die van de zeebodem gas en olie naar boven transporteert bij een boorplatform bijvoorbeeld. Daar zijn de stromingen nog sterker en ontstaan al snel turbulente stromingspatronen. De software van Comsol wordt bij ons verder ook gebruikt voor warmtetransport, elektro en lassimulaties om bijvoorbeeld het elektriciteitsverlies te beperken.”
Meer geavanceerd
Patrick Goes: “Tot voor een paar jaar waren we bij ArcelorMittal en OCAS voornamelijk met ‘sheetmetal’ bezig voor huishoudelijke apparaten, daarbij voldeed de andere software die we gebruikten. Nu gebruiken we meer testmogelijkheden omdat de problemen ruimer zijn. Zoals bij het maken van email: glas en metaal met verschillende eigenschappen die bij hoge temperatuur worden samengevoegd. We gebruiken bij OCAS nog steeds ook andere pakketten maar alle meer ingewikkelde problemen worden met Comsol aangepakt. Alle speciale opdrachten worden daarmee gesimuleerd omdat het meer geavanceerd is en dan gaat het ook sneller.
We hebben steeds meer modules in huis. Zo wordt ook intern het gedrag van coatings onderzocht. Ook een onderzoek naar het lassen van buizen met behulp van magneetvelden, en eindige elementen analyse (FEM). Comsol evolueert naar ons Zwitsers zakmes, overal een oplossing voor. Er zijn diverse specialistische pakketten maar de integratie is nergens zo sterk als bij Comsol.”
Over het ontstaan van de relatie met Comsol vervolgt Goes: “Een jaar of drie terug is het contact ontstaan met Comsol (toen nog Femlab) en kregen we een keer een demonstratie. Er waren collega’s die bezwaren hadden omdat een andere software op een specifiek gebied misschien beter was, maar het grote voordeel van Comsol zit in de combinatie, de verschillende fysica’s met elkaar in verband brengen. In bijvoorbeeld de structurele mechanica komt Comsol bijzonder ver, en dat kan dan ook nog gecombineerd worden met andere fysica’s in één simulatie.
Een belangrijk voordeel is de grote bibliotheek van voorbeeldmodellen, die voorbeelden kunnen aangepast worden zodat de werkelijkheid het best benaderd kan worden. Gebruikers dragen zelf ook voorbeeldmodellen aan die dan aan die bibliotheken worden toegevoegd. En iedere gebruiker kan zijn eigen modellen maken.”
Moeilijkheidsgraad
Er zijn verschillende vormen getest en diverse aanhangsels.
Veel mogelijkheden dus, maar is het ook erg moeilijk om de software toe te passen en simulaties uit te voeren? Van den Abeele: “De software staat toe om heel diep te gaan, mede dankzij de uitgebreide voorbeelden in de bibliotheken, maar dat wil niet zeggen dat het erg ingewikkeld hoeft te zijn. Eenvoudige simulaties zijn erg makkelijk en meer complexe zijn mogelijk. Het is goed te leren en prima qua gebruikersgemak.”
Goes: “Hier in huis wordt ook veel met SolidWorks ontworpen, daar hebben we de importmodule van in huis en dat werkt prima met Comsol. Door veel interactie tussen diverse fysica’s kan je het onderzoek heel complex maken, als je start met de voorbeeldmodellen en daaraan sleutelt, kom je een heel eind. Je moet er even tijd insteken, maar het blind kunnen gebruiken van een CAE-pakket vanuit je CAD-pakket, daar geloof ik niet in.”
OCAS is het OnderzoeksCentrum voor de Aanwending van Staal, een joint venture tussen het Vlaamse Gewest en ArcelorMittal. Het is een marktgericht onderzoekscentrum dat innovatieve oplossingen en diensten aanbiedt aan staalverwerkende bedrijven wereldwijd. OCAS beschikt over moderne toestellen en installaties voor Research en Development in haar laboratoria in Zelzate en Zwijnaarde (beide bij Gent). Het team van medewerkers bestaat uit 130 ervaren onderzoekers en technici. AcelorMittal is wereldwijd de grootste staalgroep met circa 300.000 werknemers verspreid over 60 landen. Het bedrijf heeft een vijftiental onderzoekscentra, waaronder die in Gent en Luik die zich toespitsen op ontwikkelingen voor de industrie (niet-automobiel).
www.comsol.nl
www.arcelormittal.com
Op internet delen: Home
