Het omgekeerde probleem van de los spuitende tuinslang
6 februari 2008
Als een los spuitende tuinslang, zo ongeveer beweegt een in zee
hangende stalen buis met koelwater voor offshore-condensate van gas.
Shell ontwikkelde het gas-condensatieproces voor goedkopere transport
van gas en zocht naar een oplossing voor het tuinslang-probleem. De
stalen koelbuizen hangen namelijk los in zee en kunnen door teveel
bewegingen beschadigen. Ingenieur Guido Kuiper testte in een
proefopstelling welke krachten op de buizen inwerken. Met de
verrassende resultaten heeft hij een rekenmodel gemaakt waar Shell
verder mee aan de slag kan. Kuiper promoveert op 28 februari aan de
Technische Universiteit Delft.
Olie en gas moeten steeds verder uit de kust worden opgepompt vanuit
steeds diepere wateren (>2000 m). Om lange en dure pijpleidingen te
elimineren ontwikkelde Shell een nieuw concept waarbij het gas
offshore op een schip wordt gecondenseerd en het vloeibare gas direct
naar de klant wordt getransporteerd. Het koelwater daarvoor wordt
opgepompt van een diepte tussen de 150 en 500 meter, door vrijhangende
stalen stijgbuizen. Door het krachtig opgepompte water maken de buizen
onvoorspelbare bewegingen, vergelijkbaar met het slingergedrag van een
losse tuinslang. Guido Kuiper ging op zoek naar de oorzaak.
Hij testte in een experimentele opstelling een 5 meter lange PVC buis
van 7 cm diameter waarmee water werd opgezogen. De buis bleek stabiel
met een vloeistofsnelheid beneden een bepaalde waarde. In
tegenstelling tot alle bestaande theorieën vertoonde de buis boven
deze snelheidswaarde een complexe beweging, die uit twee afwisselende
fasen bestond. Eén fase is een bijna periodieke, rondgaande beweging
van het uiteinde van de buis. De tweede fase is een ruis-achtige
trilling zonder veel beweging van de buis. Meer onderzoek is
noodzakelijk om deze bewegingen, die gecompliceerder zijn dan
aanvankelijk gedacht, volledig te kunnen verklaren.
De gangbare theorie om die bewegingen te verklaren is namelijk
tegenstrijdig. Bij lage vloeistofsnelheid zouden de stijgbuizen
instabiel gedrag vertonen, terwijl experimenten geen enkel teken van
instabiliteit toonden. Kuiper bedacht twee nieuwe verklaringen. Ten
eerste wordt de instabiliteit van de buis voorkomen door de externe
hydrodynamische demping van het omringende water. Ten tweede vond hij
een goede beschrijving van de vloeistofstroming rond de zuigmond van
de buis voor een juiste stabiliteitsanalyse. Met de gevonden
resultaten is Kuiper weer een stap verder op weg naar een beter
rekenmodel.
Toepassing
Shell is geïnteresseerd in het concept om gas direct op een drijvend
platform te verwerken en vloeibaar te maken. Voor dit concept is
oppompen van koelwater door buizen noodzakelijk. Verder onderzoek door
Shell zou kunnen leiden tot een rekenmodel om het gedrag van de
vrijhangende stijgbuizen te voorspellen.
..............................
Noot voor de redactie,
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek