Materialsimulation am MIT: Die Lehren aus Deepwater Horizon

Eine Simulation am MIT rekonstruiert die Rohrschäden, die 2010 zum Deepwater Horizon-Unglück geführt haben. Ein Computermodell für Crashsimulationen bei Autos kann auch für die Öl- und Gasindustrie von Nutzen sein. Forscher vom MIT Impact and Crashworthiness Laboratory verwenden diese Simulationen, um vorherzusagen, wie Rohre bei Offshore-Bohrungen brechen könnten.

Das Forscherteam hat die Kräfte simuliert, die bei der Deepwater Horizon-Explosion am Golf von Mexiko gewirkt haben. Die Ergebnisse konnten Ort und Ausbreitung der Beschädigungen in dem Teil des Rohrsystems reproduzieren, der die Bohrplattform mit dem Meeresboden verbindet. Ein Vergleich hat gezeigt, dass die Rekonstruktion dem tatsächlichen Schadensbild, wie es kurz nach dem Unfall aufgezeichnet wurde, sehr ähnelt. Die Forschergruppe präsentierte ihre Ergebnisse an der International Offshore and Polar Engineering Conference im Juni.

Tomasz Wierzbicki, Professor of Applied Mechanics am MIT, sagt, dass solch eine Simulation Öl- und Gasproduzenten helfen könnte, stärkere und flexiblere Materialien für Rohre zu entwickeln, die vielleicht dazu beitragen, die Folgen einen großen Unglücks in der Zukunft zu minimieren.

„Wir versuchen herauszufinden, was während eines schlimmen Unfalls passieren könnte, und wir versuchen zu herauszufinden, welches Material unter diesen Bedingungen nicht versagen würde“, sagt Wierzbicki. „Dafür braucht man Verfahren, um die Grenzen des Materials vorherzusagen.“

Die Grundlagen dafür hat Wierzbicki mit seiner Arbeit an der Aufprallsicherheit von Autos legen können. In den vergangenen Jahren hat er eine Testmethode verfeinert, die physikalische Experimente mit Computersimulationen verbindet. Damit lassen sich Widerstandsfähigkeit und Verhalten des Materials unter schwierigen Bedingungen vorhersagen.

So schneidet Wierzbicki zuerst kleine Proben aus dem Material, um Materialien für die Karosserie auf Sicherheit zu testen. Dann sprüht er mit einem Spray ein feines Tröpfchenmuster auf die Probe. Nachdem das Spray getrocknet ist, spannt Wierzbicki den Materialausschnitt in eine Maschine, die nun verschiedene Belastungen auf das Material ausübt. Eine Kamera nimmt auf, wie sich das Teil verformt und sendet die Bilder an einen Rechner, der die Bildpunkte an einem Raster aufreiht, und damit zeigt, wo die Verformungen stattfinden. Durch das Testen verschiedener Formen und Größen unter verschiedenen Drücken kann Wierzbicki die mechanischen Eigenschaften eines Materials gut erfassen, wie etwa seine Härte und Duktilität. Damit sei es möglich, das Materialverhalten unter jeglichen Konfigurationen und Bedingungen vorherzusagen. Die Grenzen des Materials zu bestimmen, sei bei Offshore-Bohrungen besonders wichtig, wo die Rohre in großer Tiefe permanent enormen Drücken ausgesetzt seien.

Dieselben Prinzipien nutzten Wierzbicki und die Graduate Students Kirfi Kofiani und Evangelos Koutsolelos, um die Widerstandsfähigkeit und die Bruchstellen des Steigrohrs von Deepwater Horizon vorherzusagen. Da die Forscher keine Materialproben vom tatsächlich geborstenen Steigrohr erhalten konnten, haben sie sich über Materialangaben in einem Handbuch den tatsächlichen Verhältnissen angenähert und herausgefunden, dass der eingesetzte Werkstoff viele Entsprechungen mit der kurz vorher im Labor getesteten Stahlsorte TRIP 690 zeigte.

Die Forscher haben ein Computermodell des Steigrohrs angefertigt und dann eine Simulation damit ausgeführt, die das Deepwater Horizon-Unglück teilweise rekonstruierte. Nachdem Methangas ausgeströmt, an die Oberfläche geschossen war und dabei die Plattform in Flammen aufgehen ließ, neigte sich die Förderanlage zur Seite und sank. In der Folge hat sich das Steigrohr verbogen. Die Simulation zeigte farbig die Stellen, an denen es am wahrscheinlichsten zum Bruch kommen musste. Grün und Blau verhießen intaktes Material, während gelb und rot die voraussichtlichen Bruchstellen markierten. Die Forschergruppe fand vier Punkte, an denen Risse – und Öllecks – mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten würden.

Die Wissenschaftler hatten einen Vergleichsmaßstab: Ein Bild des defekten Rohrs, dass von einem Unterseeroboter kurz nach der Katastrophe aufgenommen wurde. Als sie das Modell mit dem realen Bild verglichen, fanden sie eine fast perfekte Übereinstimmung.

Wierzbicki sieht die Ergebnisse als einen ermutigenden ersten Schritt an, das Modell auf Materialien für Offshore-Bohrungen zu übertragen. Während es unwahrscheinlich gewesen sei, dass überhaupt irgendein Material die Deepwater Horizon-Katastrophe hätte überstehen können sei es doch möglich, bereits bestehende Öl- und Gaspipeline sicherer zu machen. Er und sein Team, die unter anderem von der Royal Dutch Shell unterstützt werden, wollen in den nächsten Monaten Proben von stillgelegten Offshore-Rohren sammeln. „Je tiefer man im Meer heruntergeht, zwei, drei Meilen, desto härter muss das Material sein, um dem Druck standzuhalten“, sagt Wierzbicki. „Aber härtere Materialien sind spröder und brechen leichter. Damit steht die Offshore-Industrie vor einer schwierigen Aufgabe, und ich denke, sie kann eine Menge von uns lernen.“