وثيقة
Effect of mandrel geometry on the solution of solid tubular expansion
الناشر
Sultan Qaboos University
ميلادي
2014
اللغة
الأنجليزية
الموضوع
الملخص الإنجليزي
Solid expandable tubular (SET) is one of the most fundamental solutions to solve the challenges facing the industry. The concept of the SET is to expand the diameter of the tubular to the required size with a mandrel. The benefit of this technology is cost-effective way, and provides solution to many problems. Many researches had been published in the same topic and they focus on the effect of different mechanical parameters on the expansion process.
The present research aims to simulate the theoretical approach of the straight mandrel with different parameters for different materials. The objective of different parameters is to test the validity of the equations. Two types of mandrel shape that are used, the first one is with straight mandrel and the second type is the curved mandrel. The solution will check the effect of the expansion ratio, friction coefficients and mandrel angles on the axial stress, expansion force and the dissipated energy. This study will compare as well both shapes of the mandrels.
The second part of the thesis is to simulate the SET system in finite element software which is ABAQUS. The objective of this simulation is to verify the theoretical solutions. MATLAB is used to solve the simplified analytical solutions and then compare it to FEM outputs.
Also the research introduces two special cases to study the process, the first one is using Aluminum as an alternative metal and the second case introduce pits corroded in the expansion tube. In addition to that different geometries that used in real industry are simulated in ABAQUS and solved numerically as well. Different boundary conditions are introduced in this study, fixed bottom-fixed top and free bottom-fixed top tubes, in order to their behaviors and how will affect the expansion process.
This solution can be used to predicate the behavior of the expansion process as it is verified in ABAQUS. The axial stress for both mandrels increase as the friction coefficients increase. The same behavior can be concluded for the expansion ratio, which causes the axial stress to rise as it is increased. However the axial stress decreases as the mandrel angle increases in the straight mandrel, this relationship is not applied in the curved mandrel as the angle changes during the expansion process.
المجموعة
URL المصدر
الملخص العربي
تعتبر عملية توسيع الأنابيب الصلبة من أهم و أبرز العمليات الموجودة في المصانع النفطية و التي ساهمت في حل العديد من المشاكل والتحديات التي تواجه الصناعة. ترتكز هذه العملية على العمل على توسيع قطر الأنبوب بواسطة عمود الدوران المخروطي والذي يسحب داخل هذا الأنبوب من أجل الحصول على القطر المحدد مسبقا. ظهور هذه التكنولوجيا ساهم في التخلص من عدة مشاكل وكذلك وفر المال والوقت للمصانع. انتشرت الكثير من الأبحاث والتي تنصب في هذا الموضوع و قد ناقشت هذه الأبحاث ما مدى تأثير عملية التوسعية على الخصائص الميكانيكية للأنابيب و كيف يمكن زيادة فعالية هذه التكنولوجيا.
يهدف هذا البحث إلى محاكاة عملية التوسيع نظريا، و ذلك من خلال المعادلات الهندسية التي تحاكي ما يحدث للأنبوب خلال التوسعة. حيث تم استخدام نوعين من المخاريط، النوع الأول يكون شكل المخروط مستقيما حيث تكون له زاوية ثابتة لا تتغير خلال العملية والنوع الثاني هو المخروط المنحني. هذا البحث سوف يهدف إلى دراسة هذين النوعين على الخصائص الميكانيكية و كيف سيكون تأثيرهم أثناء عملية التوسعة و من ثم سنقارن الفرق في النتائج بين المخروطين و أي منها سيكون الأفضل. أهم الخصائص الميكانيكية هي معامل الاحتكاك وزوايا العمود المخروطي على الإجهاد المحوري، قوة التوسع والطاقة المتبددة.
الجزء الثاني من الرسالة هو محاكاة نظام التوسع ( SET ) في برامج العناصر المحدودة و هنا نستخدم برنامج أباکس (ABAQUS). الهدف من هذه المحاكاة في هذا البرنامج هو التحقق من الحلول النظرية التي تم استنتاجها مسبقا . وكذلك يستخدم برنامج ماتلاب (MATLAB) لحل الحلول التحليلية ومن ثم مقارنتها مع النواتج.
أيضا تتطرق هذا البحث إلى إدخال حالتين خاصتين لدراسة تأثيرهما على هذه العملية، وأول حالة هي استخدام الألومنيوم باعتباره المادة المعدنية البديلة للفولاذ والحالة الثانية هو وجود حفر التأكل في أنبوب التوسع، بالإضافة إلى استخدام المقاييس الحقيقية المستخدمة في الصناعة و محاكاتها هنا في برنامج ABAQUS و استخدم المعادلات النظرية للمقارنة. و أخيرا تطرق البحث إلى استخدم نوعين من الأنابيب المثبتة بطرق مختلفة. الطريقة الأولى هي يكون ثابت من بداية الأنبوب و ثابت من نهايته، و الطريقة الثانية حر من بدايته و ثابت من نهايته و بعد ذلك سنرى تأثير هذه الطرق على عملية التوسعة.
نلاحظ أن المعادلات يمكن استخدامها مستقبلا للتنبؤ بالنتائج الصادرة عن عملية توسعة الأنابيب. الفرق بين المخروط المستقيم والمنحني واضحة ، إن استخدام المخروط المنحني افضل و ذلك لأنه نتائجه تبشر بأن فقدان الطاقة قليل.
يهدف هذا البحث إلى محاكاة عملية التوسيع نظريا، و ذلك من خلال المعادلات الهندسية التي تحاكي ما يحدث للأنبوب خلال التوسعة. حيث تم استخدام نوعين من المخاريط، النوع الأول يكون شكل المخروط مستقيما حيث تكون له زاوية ثابتة لا تتغير خلال العملية والنوع الثاني هو المخروط المنحني. هذا البحث سوف يهدف إلى دراسة هذين النوعين على الخصائص الميكانيكية و كيف سيكون تأثيرهم أثناء عملية التوسعة و من ثم سنقارن الفرق في النتائج بين المخروطين و أي منها سيكون الأفضل. أهم الخصائص الميكانيكية هي معامل الاحتكاك وزوايا العمود المخروطي على الإجهاد المحوري، قوة التوسع والطاقة المتبددة.
الجزء الثاني من الرسالة هو محاكاة نظام التوسع ( SET ) في برامج العناصر المحدودة و هنا نستخدم برنامج أباکس (ABAQUS). الهدف من هذه المحاكاة في هذا البرنامج هو التحقق من الحلول النظرية التي تم استنتاجها مسبقا . وكذلك يستخدم برنامج ماتلاب (MATLAB) لحل الحلول التحليلية ومن ثم مقارنتها مع النواتج.
أيضا تتطرق هذا البحث إلى إدخال حالتين خاصتين لدراسة تأثيرهما على هذه العملية، وأول حالة هي استخدام الألومنيوم باعتباره المادة المعدنية البديلة للفولاذ والحالة الثانية هو وجود حفر التأكل في أنبوب التوسع، بالإضافة إلى استخدام المقاييس الحقيقية المستخدمة في الصناعة و محاكاتها هنا في برنامج ABAQUS و استخدم المعادلات النظرية للمقارنة. و أخيرا تطرق البحث إلى استخدم نوعين من الأنابيب المثبتة بطرق مختلفة. الطريقة الأولى هي يكون ثابت من بداية الأنبوب و ثابت من نهايته، و الطريقة الثانية حر من بدايته و ثابت من نهايته و بعد ذلك سنرى تأثير هذه الطرق على عملية التوسعة.
نلاحظ أن المعادلات يمكن استخدامها مستقبلا للتنبؤ بالنتائج الصادرة عن عملية توسعة الأنابيب. الفرق بين المخروط المستقيم والمنحني واضحة ، إن استخدام المخروط المنحني افضل و ذلك لأنه نتائجه تبشر بأن فقدان الطاقة قليل.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية