ANSYS i olje- og gassindustrien

"... Vi må gjøre ANSYS-analyser."

Det varmer om hjertet til en programvareleverandør når man hører produktnavnet sitt brukt som et generisk begrep! (Andre kjente merkevarer som har blitt generiske uttrykk er Stilongs, Termos og Walkman.)

Hvordan har det blitt slik at mange i industrien omtaler FEM-analyse, FEA, altså beregninger med elementmetoden som ANSYS-analyser? To hovedgrunner kan være;

• Markedsandel og leverandørenes synlighet.
• Produktenes bredde og dybde!

Figur 1(til høyre): Kranfundament på Oseberg B, takk til Maritime rådgivningstjenester

ANSYS...Bredde og dybde

ANSYS er programvare for numeriske analyser av solider, væsker/gasser, elektromagnetisme samt interaksjon mellom disse fysikkområdene. Det snakkes om Multiphysics og mer enn én programvareleverandør har forsøkt å "eie" det begrepet. Det varierer selvfølgelig hva de ulike aktørene legger i begrepet, og ingen har "rett"...

Faktum er at ANSYS er meget sterk innen så og si alle de ulike fysikkdisiplinene;

• Solider
  • Dynamikk
  • Termisk
  • Spenning og tøyning
• Fluiddynamikk
• Elektromagnetisme

Er det ikke naturlig å sette krav til programvarens kapasitet på enkeltområdene før du vurderer å bruke den til "multifysikk"? (Retorikkadvarsel! Red.anm)

En av fortrinnene ANSYS har i dag er mulighetene kundene har til å vokse fra relativt enkle beregninger og videre til avanserte analyser der man kobler strømningsfenomener med dynamisk oppførsel i solider, f.eks vortexindusert vibrasjon (VIV).

Figur 2: ANSYS Multiphysics (CFD og FEM): "Vortex induced vibration of riser". Full transient/unsteady analyse med 2-veis koblet FEM- og CFD-analyse

Hvem bruker ANSYS innen olje og gass?

Vi kommer ikke til å liste opp referansene i denne artikkelen! Ta kontakt med oss om du vil ha en liste for ditt segment!

ANSYS brukes av langt over 10.000 selskaper over hele verden! Så å si alle industrier er representert og listene over verdens mest innovative og suksessrike selskaper toppes av ANSYS-kunder hvert år. Det er lett å se for seg at selskaper som Airbus, Siemens, Volvo og GE er store ANSYS-brukere, men visste du for eksempel at for eksempel Microsoft, Intel og Google bruker ANSYS?

Innen olje og gass har vi ulike kundesegmenter, la oss gruppere de på denne måten:

• Oljeselskaper
• Engineering
• Komponentprodusenter
• Konsulenter
• Forskere

Noen eksempler fra de ulike segmentene er: Statoil, Petrobras, FMC Technologies, Aker Solutions, Vetco Gray (GE Oil and Gas), Technip, Frank Mohn og Framo Engineering, Roxar, Nexans, Schlumberger, Multiconsult, Norconsult, Reinertsen, Semco Maritime og mange fler!

Hva brukes ANSYS til?

La oss fokusere på ANSYS Mechanical og ANSYS CFD og se på noen ulike bruksområder i olje- og gassindustrien.

• Topside, platformer og strukturer
  • Utmatting
  • Bølgelastberegning
  • Kraner
• Risers, Umbilicals
• Olje- og gasstransport og prosessering
• Subsea
  • Stålstrukturer
  • Covers
  • Ventilsystemer
  • Flow Assurance
  • Brønnhoder
  • Rørledninger
  • Sensorer
• Ulykkesscenarier, eksplosjoner og kollisjoner
• Vindkraft

Topside, platformer og strukturer

Det finnes en rekke analyseverktøy for offshore-strukturer i stål, f.eks ANSYS ASAS. Mens mange av disse er fokusert rundt såkalt "kodesjekk" for bjelker og plater, altså automatisk rapportering av beregningsresultater i forhold ulike regelverk, så er ANSYS Mechanical et generelt FEM-analyseverktøy som ikke fokuserer på kodesjekk direkte.

ANSYS brukes ofte i de tilfellene man har "ikke-standard" strukturer eller detaljer i strukturen som faller litt utenom regelverket, men mange bruker også ANSYS til temmelige standard rammestrukturer fordi de opplever at er lett å bruke, tar deg raskt i mål uten at du risikerer å sette deg fast når man trenger mer detaljerte analyser.

Fordelen med ANSYS Mechanical er at det ikke er noen begrensning i forhold til geometri. Inkludér alt du tror påvirker resultatet, og alle fysiske effekter du tror er viktig. En veldig sterk trend i markedet er at man går bort fra "dynamiske faktorer" og heller kjører transiente dynamiske analyser. Eksempler på dette er

• 
  Kollisjoner
• Fallende objekter
• Installasjon

...verden er transient! Ta det med i simuleringen, bruk innsikten du får til å forstå hva som virkelig skjer! EDR har mange eksempler fra både over og under vann, ta kontakt...

Ikkelineære materialoppførsel er blir stadig vanligere fordi kundene ønsker å vite når og hvordan strukturene kollapser, ikke bare om det tåler designlasten.

Ikke-lineære buklingsanalyser er avanserte, men enkelt å komme i gang med. Kundene våre rapporterer store økonomiske gevinster som følge av bedre materialbruk og større innsikt i produktene, som kraner og andre stålstrukturer med høy belastning.

Betong

ANSYS Mechanical har også blitt benyttet i forbindelse med Condeep-platformer (betongplatformer, et klassisk konsept kan vi vel kalle det, utviklet av Norwegian Contractors for mange år siden) faktisk helt fram til de siste få årene med betongunderstell for Sakhalin II som et nylig referanse. Snakk for eksempel med Multiconsult for å høre om hva deres erfaring med ANSYS og betong.

Umbilicals og andre kabler

FEM-analyser brukes i økende grad til å belyse emner som:

• Støt ("impact") mot kabler fra tråler eller andre objekter
• Termiske problemstillinger
• Detaljert spennings- og tøyningsberegning av tverrsnitt i 3D

ANSYS brukes også i stor grad til styrkeberegninger av terminering og alt av mekanisk utstyr knyttet til kabelinnfesting, transport og installasjon/håndtering.

Olje- og gasstransport og prosessering

CFD-analyser kan belyse svært detaljerte fenomener i gass, olje, vann og blandinger av dette (flerfase) gjerne ispedd sand og andre partikler. Derfor brukes ANSYS CFD-verktøy (Fluent og CFX) til så og si alle aspekter av oljeproduksjonen - fra brønn til sluttprodukt.

ANSYS brukes til å analysere

• Strømning i brønn
  • Rundt borekrone og i boreutstyr i brønn
  • Vanninjeksjon
• Rørstrømning
• Erosjon i sensorer, ventiler, rør
• Flow assurance
• Ventilsystemer
• Sloshing i tanker
• Raffinering, prosess (separasjon, miksing, kjemiske reaksjoner etc)

Figur 3: ANSYS CFD, sandscreen. Courtesy of Reslink, Sclumberger.

Subsea

Fokuset på undervannsinstallasjoner og teknologi knyttet til dette merkes også i FEM- og CFD-verdenen. ANSYS brukes til beregninger knyttet til

• Produksjon
• Transport og installasjon
• Normal bruk
• Ulykker og unormale hendelser

Materialene som brukes er ulike stålkvaliteter, men også plast og komposittmaterialer. Det er stor variasjon i materialkvalitet og -oppførsel og riktig materialdata er naturligvis like viktig for både de mekaniske analysene som termiske analyser knyttet til "Flow Assurance".

Det er økende fokus på beregninger knyttet til lastene strukturene og utstyret er utsatt for. Eksempelvis stiller kundene (oljeselskapene) i stadig større grad spørsmål ved antagelser som "dynamiske faktorer" (tilleggsfaktor på en statisk last pga dynamisk oppførsel) noe som gjør at flere nå gjør fulle transiente dynamiske analyser istedet for en statisk "ekvivalent" analyse.

Figur 4 (til høyre): Courtesy FMC Technologies, subsea choke module.

Et annet eksempel er belasting fra væsker, f.eks. strømmen av vann forbi en undevannsinstallasjon eller kreftene fra strømning i et rør på komponenter som står i brønnstrømmen. Dette gjør at CFD-analyser for å indentifisere trykk- og "drag"-laster blir mer vanlige istedet for at man "gjetter" på disse lastene.

Figur 5: ANSYS CFD, Bølgekrefter på et sugeanker under installasjon

FEM og CFD - fremtidsvisjon

FEM- og CFD-analyser har vært i bruk i mange år og tendensen er klar; simuleringene gir innsikt som bidrar til innovasjon, øker utvkiklingshastigheten og reduserer risiko. At dette gir konkurransekraft er velkjent, spørsmålet er hvilken vei dette går i fremtiden.

HPC, High Performance Computing, er nøkkelfaktoren! (Les mer om HPC her). HPC gjør det praktisk å øke detaljnivået i modellen, inkludere flere fysiske effekter og redusere antallet antagelser ingeniøren må gjøre. En lite dristig spådom angående FEM- og CFD-analyser er altså at vi kommer til å se:

• Færre antagelser, flere detaljer
• Større modeller (flere likninger/elementer/noder etc)
• Multifysikk! (Koblet fysikk)

Gode råd!

Fremtiden er i morgen! Har du ikke et aktivt forhold til simulering, er det en fare for at dere sakker akterut... Her er noen gode råd som slett ikke er dyre hvis du tar økt effektivitet, tidligere-til-markedet-effekter og redusert risiko med i regnestykket :

• HARDWARE
  • Kjøp hardware egnet for numeriske analyser, mye RAM, mange CPU'r.
  • Planlegg for utvidelse!
  • Kjøp arbeidsstasjon for meshing og postprosessering separat
• Kjøp ANSYS-lisenser med separat Pre/Post og Solver -funksjonalitet. Dette er skalerbart og kostnaden knyttes til rett aktivitet (interaktiv bruk eller regn regnekraft?)
• Hold god kontakt med leverandøren din, spør om forslag til hva man gjøre bedre i morgen.

Vil du vite mer?

EDR holder jevnlig seminarer med fokus på offshoreindustrien. Vi har også spesialkurs rettet mot nye ANSYS-brukere:

• Kurs: ANSYS Industry Specific – Maritime Industry
• Seminar: ANSYS Offshore