Đồ án Đường ống bể chứa trạm bơm

c giàn như sau: 10 giàn MSP (MSP 1;3;4;5;6;7;8;9;10;11) 1 giàn công nghệ trung tâm CTP 2. 9 giàn BK (BK 1;2;3;4;5;6;7;8;9) 3 tàu chứa dầu (FSO-1,2,3/ Chí Linh, Chi Lăng và Ba Vì). Ngoài ra còn có các giàn nén khí (Complete gas compressor station), giàn bơm nước ép vỉa ( Water injection platform) và 3 dàn khoan tự nâng (Jack up). Trong thời gian tới sẽ tiến hành xây dựng thêm một số công trình sau: 1 giàn công nghệ trung tâm CTP 3. 1 trạm rót dầu không bến UBN 4. 2 giàn BK (BK 10;11). I.3. Cấu tạo và chức năng của các công trình phục vụ khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ I.3.1. Hệ thống đường ống Đường ống biển (pipeline) và ống đứng (riser) là những phương tiện dược sử dụng để vận chuyển dầu thô và khí thiên nhiên. Ngày nay thành tựu độ sâu đã có những bước phát triển vượt bậc.ở biển Bắc, độ sâu dặt các tuyến ống đã đạt tới khoảng 500ft. Đường kính ống tăng lên từ 6 - 10 inches đến 32 inches. Một số đường ống dùng để xuất nhiên liệu ra tàu có đường kính lớn tới 50 inches. ở Việt Nam, tuyến ống dẫn khí Nam Côn Sơn có đường kính tới 40 inches. Tính đến tháng 4-1998 mỏ Bạch Hổ có một hệ thống đường ống bao gồm: 20 tuyến ống dẫn dầu với tổng chiều dài 60.7 km. 10 tuyến ống dẫn khí với tổng chiều dài 24.8km. 18 tuyến ống dẫn GASLIFT với tổng chiều dài 28.81 km. 17 tuyến ống dẫn nước ép vỉa với tổng chiều dài 19.35 km. 11 tuyến ống dẫn hỗn hợp dầu khí với tổng chiều dài 19.35 km. Tổng chiều dài toàn bộ đường ống ở Mỏ Bạch Hổ tính đến tháng 4-1998 là 162.25km và đến thời điểm hiện nay đã có tới gần 200 km đường ống ngầm. Đường ống dẫn dầu công nghệ: Đến thời gian hiện nay, theo thiết kế của Viện nghiên cứu khoa học và thiết kế dầu khí biển (NIPI) ở mỏ Bạch Hổ đã đạt được 63734 m khoan ống dẫn ngầm trong đó 55916 m ống dẫn dầu, 3362 m ống dẫn khí. Những ống chính được sử dụng để xây dựng đường ống ngầm là D 325 x16 mm và D 219 x12 mm được sản xuất theo tiêu chuẩn GOST 8731-74 từ thép f20 được luyện theo tiêu chuẩn GOST 1050-74. I.3.2. Hệ thống các giàn thép cố định Giàn thép cố định là loại công trình được sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong ngành công nghiệp khai thác dầu khí hiện nay. Công nghệ xây dựng loại công trình này đã trải qua một thời gian dài từ loại kết cấu nhỏ ở vùng nước sâu đến các công trình ngoại cỡ xây dựng ở biển bắc và vùng vịnh Mexico. Kết cấu Jacket lớn nhất thế giới hiện nay là giàn Bullwinkle được xây dựng bởi hãng Shell tại vịnh Mexico ở vùng nước sâu 1615 ft (492 m) nặng 56000T. Hiện tại ở vùng mỏ Bạch Hổ hầu hết sử dụng các loại dàn cết cấu Jacket để phục vụ cho hoạt động khai thác dầu khí. Dàn khoan cố định MSP Là dàn khoan cố định có thể dùng để khoan, khai thác và xử lý sơ bộ sản phẩm dầu khí. Trên dàn có bố trí tháp khoan di động có khả năng khoan ở nhiều giếng khoan. Hệ thống công nghệ trên dàn cho phép đảm nhiệm nhiều công tác, từ xử lý sơ bộ sản phâm dầu khí đến tách lọc các sản phẩm dầu thương phẩm, xử lý sơ bộ khí đồng hành. Dầu và khí được xử lý trên MSP có thể là từ các giếng khoan của nó hoặc được thu gom từ cấc giàn BK. Về cấu tạo, dàn MSP gồm có 3 phần chính là: phần móng, khối chân đế và kết cấu thượng tầng. Chân đế gồm 2 khối nối với nhau bằng sàn chịu lực (MSF) ở phía trên và cố định xuống đáy biển bằng các cọc. Khối chân đế là kết cấu Jacket, thượng tầng có cấu trúc module được lắp ghép lên trên sàn chịu lực. Mỗi chân đế có 8 ống chính có đường kính 812.8 x 20.6 mm, phần dưới của chân đế ở từng cọc trụ chính có 2 ống dẫn hướng cho các cọc phụ. Các phần tử cấu thành mạng panel và ống giằng ngang chân đế làm từ các ống có đường kính từ 426 x 12 mm đến 720 x 16 mm. ở những chỗ tiếp giáp giữa đáy biển với cọc chính và cọc phụ được bơm trám bằng cement. Module sàn chịu lực (MSF) là các dầm thép tổ hợp. Do điều kiện thi công ngoài biển kết cấu này được chia làm 3 phần riêng biệt. Một phần liên kết hai phần kia thành 1 sàn chịu lực thống nhất. Phần không gian trống giữa các dầm của module chịu lực dùng để đặt các thùng chứa với các chức năng khác nhau phục vụ cho các quy trình công nghệ thực hiện ở trên dàn. Móng khối chân đế là các cọc thép ống có đường kính 720 x 20 mm. Các cọc được đóng gồm 16 cọc chính và 32 cọc phụ. Kết cấu thượng tầng của dàn MSP được thực hiện theo thiết kế số 16716 của trung tâm thiết kế Corall (U.S.S.R) bao gồm những block và module riêng rẽ được chia làm 2 tầng và được trang bị các thiết bị cần thiết phục vụ cho yêu cầu công nghệ ở trên dàn. Thành phần chính của kết cấu thượng tầng gồm có tổ hợp khoan khai thác, năng lượng và nhà ở. Dàn khoan nhẹ BK Dàn BK là loại dàn thép có kết cấu dạng jacket loại nhỏ nhẹ ở trên không có tháp khoan, không có người ở. Công tác khoan được thực hiện bằng dàn jack up. Các thiết bị trên dàn BK được trang bị ở mức tối thiểu để có thể phục vụ cho việc đo lưu lượng và và tách nước sơ bộ. Sản phẩm khai thác từ dàn BK sẽ được dẫn qua hệ thông đường ống về dàn MSP hoặc dàn công nghệ trung tâm để xử lý. Dàn công nghệ trung tâm Dàn công nghệ trung tâm là tổ hợp các thiết bị công nghệ vừa và nhỏ thành một cụm tổ hợp công nghệ phục vụ cho công tác khai thác và sơ chế sản phẩm dầu & khí khai thác được tại mỏ. Dàn công nghệ trung tâm bao gồm các bộ phận sau: Dàn công nghệ Dàn nhẹ BK Hệ thống các cầu dẫn nối các dàn với nhau Cần đuốc (Fakel) và các đường ống tựa trên các block chân đế Chức năng chính của dàn công nghệ trung tâm là: Thu gom tách lọc các sản phẩm từ các dàn BK, dàn MSP Xử lý dầu thô thành dầu thương phẩm và bơm đến các trạm UBN Xử lý nước thải đảm bảo điều kiện vệ sinh môi trường theo tiêu chuẩn quốc tế rồi thải xuống biển Xử lý sơ bộ khí đồng hành và dẫn chúng vào các trạm nén khí. Hệ thống các dàn nén khí Bao gồm các trạm nén khí áp lực cao và thấp có chức năng nén khí đồng hành để đưa vào bờ và phục vụ công nghệ gaslift. Hệ thống các dàn bơm nước ép vỉa (WIP) Bao gồm các trạm bơm nước áp lực cao nhiều cấp có chức năng đưa nước xuống các giếng để phục vụ công nghệ khoan khai thác. I.3.3. Hệ thống trạm rót dầu không bến Dầu thô từ các giàn MSP, BK, CTP được xử lý và vận chuyển tới các tàu chở dầu nhờ 3 trạm rót dầu không bến. Hiện tại ở vùng mỏ Bạch Hổ có các trạm rót dầu không bến sau đang được sử dụng: Trạm UBN-1(Chí Linh) nằm ở vòm nam của mỏ gồm có tàu chứa trọng tải 150000 tấn có khả năng tiếp nhận tối đa 10000 tấn/ngày đêm, nhận dầu từ MSP1và CTP2, BK2, có hệ thống ống mềm để tiếp nhận dầu, hệ thống van ngầm, hệ thống neo, hệ thống xuất dầu bằng phương pháp nối tiếp. Trạm UBN- 2(Chi Lăng) nằm ở vòm phía bắc của mỏ Bạch Hổ tương tự như trạm UBN1 chỉ khác là công suất xử lý dầu thô là 15 000 tấn/ngày đêm, hàm lượng nước trong dầu ở cửa vào của thiết bị nhận dầu là 20%. Trạm UBN- 3(Ba Vì), có tính năng tương tự UBN-2. Về mặt cấu tạo, trạm UBN chủ yếu có các bộ phận sau: Bể trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng ( dầu - dầu) Bể trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng ( dầu - nước) Hệ thống khử nước bằng điện có khối đốt nóng và phân li. Hệ thống phân li kiểu tháp Khối chứa và chuyể hoá sản phẩm ( chất khử nhũ và kìm hãm ăn mòn) Ngoài ra trạm còn có các thiết bị đo và kiểm tra cần thiết, hệ thống van áp lực, hệ thông tín hiệu báo sự cố và phòng cháy đảm bảo cho trạm vận hành một cách an toàn hiệu quả. Hiện tại VietSoPetro đang bắt đầu đưa vào khai thác trạm UBN-4 I.4. Giới thiệu đoạn đường ống tính toán I.4.1. Đặc trưng ống Đoạn đường ống tính toán là đoạn ống dẫn nước ép vỉa từ giàiaMSP4 đến giàn MSP8 có chiều dài là 1054 m, đường kính ống là 273 mm bề dày 18 mm, áp lực vận hành là 188 at. I.4.2. Đặc điểm của dàn BK Giàn khoan cố định BK là một trong những kết cấu chính của thiết kế xây dựng mỏ. Giàn cố định BK có chức năng là giàn đầu giếng, sử dụng cho Jack-up cập vào để khoan khai thác. Hiện nay trên mỏ đã sử dụng các giàn cố định số 1;2;3;4;5;6;7;8;9, giàn cố định số 10 đang trong giai đoạn xây dựng. Về mặt cấu tạo giàn gồm phần móng khối chân đế và kết cấu thượng tầng. Phần móng: Gồm KCĐ có kết cấu hệ thanh được cố định xuống đáy biển bằng các cọc. KCĐ dạng thanh không gian làm từ các thép ống, xung quanh chân đế có 4 cọc trụ đỡ các ống chính (D = 812 x 20.6 mm). Kết cấu thượng tầng: Gồm những block và những module riêng rẽ làm thành 1 tầng và được trang bị những thiết bị công nghệ cần thiết đảm bảo cho hoạt động công nghệ khoan khi Jack-up cập vào khoan và chỗ ở cho người ra sửa chữa, vận hành. I.4.3. Các số liệu ban đầu phụ vụ tính toán kiểm tra Số liệu địa chất, địa hình Độ dốc bãi biển: i = 0 Nền đất đáy biển: Cát hạt mịn có cỡ hạt d50 = 0.125 mm Hệ số ma sát giữa nền đất và đường ống: m = 0.7 Mặt nền đất tốt, ổn định Số liệu môi trường Số liệu thủy văn Độ sâu nước thấp nhất: d0 = 50 + 3 = 53 m Biên độ triều : 1.5 m Chiều cao nước dâng : 0.8 m Trọng lượng riêng của nước biển: 1025 kG/m Số liệu sóng Chu kỳ lặp Hướng N NE E SE S SW W NW Phần trăm 0.7 45.7 8.8 1.8 3.2 27.4 12.1 0.6 100 năm HS (m) 5.6 8.6 5.2 3.2 4.5 6.9 4.9 5.2 TS (s) 7.4 10.4 8.4 7.8 9.0 9.1 8.7 8.9 10 năm 10.3 2.8 7.0 3.4 1.9 3.1 4.9 3.6 5.2 TS (s) 6.6 9.9 7.8 6.6 7.5 8.6 8.2 8.9 Số liệu dòng chảy Vận tốc dòng chảy đáy với chu kỳ lặp 100 năm ứng với hướng sóng Hướng sóng N NE E SE S SW W NW Vận tốc (cm/s) 68 119 126 109 82 137 119 97 Hướng (độ) 2 300 60 295 329 53 329 197 Sinh vật biển Chiều dày hà bám: 5 cm = 50 mm Trọng lượng riêng hà bám: gh = 1300 kG/m3 Số liệu thiết kế Sơ đồ tổng thể và tuyến ống từ MSP4 đến MSP8 Loại vật liệu vận chuyển: Nước ép vỉa Kích thước ống: Do = 273 mm, t = 18 mm Chiều dài tuyến ống: L = 1054 m Vật liệu thép ống : Thép API 5L X65 có: SMYS = 65 kip/in2 = 448.159 MPa = 4800 kG/cm SMTS = 530 MPa = 5300 kG/cm Chiều dày dự trữ ăn mòn: tcorr = 4 mm Sai số do chế tạo, do không đủ số liệu nên lấy tfab = 5%t Trọng lượng riêng của nước biển: 1025 kG/m áp suất trong đường ống: Potk = 188 at =184.428 kG/cm3 II. Kiểm tra độ bền của đường ống II.1.Tính toán độ bền của đường ống chịu áp lực trong lớn nhất ở trạng thái kiểm tra hoặc khai thác đường ống đều phải chịu những áp lực trong do dòng nước vận chuyển trong ống gây nên.Theo qui phạm DnV- Rules for submarine pipeline systems 1996, ta kiểm tra độ bền của ống ở hai trạng thái : II.1.1 KIểM TRA ở TRạNG THáI THI CÔNG( THử áP LựC) t = tnom - tfab = 18 –18.5% =18 – 0.9 = 17.1 mm . Khả năng chịu áp lực trong của đường ống + Trạng thái giới hạn nổ: ( Pli – Pe ) . ≤ ηu.SMTS + Trạng thái giới hạn đàn hồi: ( Pli – Pe ) . ≤ ηs.SMYS Trong đó: Pli : áp lực tính toán lên đường ống. Pe : áp lực thuỷ tĩnh min lên đường ống. ηs , ηu : hệ số tra bảng C1 phụ thuộc cấp an toàn. D : đường kính ngoài của ống. t : bề dày của ống. SMTS : cường độ chịu kéo nhỏ nhất. SMYS : cường độ chảy dẻo nhỏ nhất. Pli = (1,1.P0tk ).1,05 = 1,1.184,428.1,05 = 213,08kG/cm2. Pe = γn.dmin = 1025. 53.10-4 = 5,4325 kG/cm2. D = 273 mm. t = 18 mm. ηs = 0,96. ηu = 0,84. SMTS = 5300 kG/cm2 . SMYS = 4800 kG/cm2 . Suy ra: ( Pli – Pe ) . = ( 213,08 – 5,4235 ). = 1553,78 kG/cm2. ηu.SMTS = 0,84.5300 = 4452 kG/cm2. ηs.SMYS = 0,96.4800 = 4608 kG/cm2. Vậy đường ống đủ khả năng chịu áp lực trong trong trạng thái thử áp lựcII.1.1 II.1.2. KIểM TRA ở TRạNG THáI VậN HàNH t = tnom - tfab - tcorr = 18 – 0,9 – 4 = 13,1 mm. Khả năng chịu áp lực trong của đường ống + Trạng thái giới hạn nổ: ( Pli – Pe ) . ≤ ηu.1,1.SMTS + Giới hạn chảy: ( Pli – Pe ) . ≤ ηs.1,1.SMYS Trong đó: Pli : áp lực tính toán lên đường ống. Pe : áp lực thuỷ tĩnh min lên đường ống. ηs , ηu : hệ số tra bảng C1 phụ thuộc cấp an toàn. D : đường kính ngoài của ống. t : bề dày của ống. SMTS : cường độ chịu kéo nhỏ nhất. SMYS : cường độ chảy dẻo nhỏ nhất. Pli = 1,1.P0tk = 1,1.188 = 206,8 at = 202,87 kG/cm2. Pe = γn.dmin = 1025.53.10-4 = 5,4235 kG/cm2. D = 273 mm. t = 13,1 mm. SMTS = 5300 kG/cm2. SMYS = 4800 kG/cm2. + Với đường ống nằm trong vùng 1 là vùng dọc theo tuyến ống không có hoạt động của con người. ηs = 0,83. ηu = 0,72. Suy ra: ( Pli – Pe ) . = ( 202,87 – 5,4235 ). = 1958,64 kG/cm2. ηs.1,1.SMTS = 0,83.1,1.5300 = 4838,9 kG/cm2. ηu.1,1.SMTS = 0,72.1,1.5300 = 4197,6 kG/cm2. + Với đường ống nằm trong vùng 2 là vùng mà đường ống / riser ở gần dàn và vùng có hoạt động thường xuyên của con người. ηs = 0,83. ηu = 0,72. Suy ra: ( Pli – Pe ) . = ( 202,87 – 5,4235 ). = 1958,64 kG/cm2. ηs.1,1.SMTS = 0,83.1,1.5300 = 4838,9 kG/cm2. ηu.1,1.SMTS = 0,72.1,1.5300 = 4197,6 kG/cm2. Vậy đường ống đủ khả năng chịu áp lực trong trong trạng thái vận hànhII.1.2. Bảng C1 Hệ số Cấp an toàn Thử áp lực Thấp T.Bình Cao ηs 0,83 0,77 0,77 0,96 ηu 0,72 0,67 0,64 0,84 II.2. Kiểm tra bài toán mất ổn định cục bộ ( mất ổn định tiết diện ) đường ống. - Trong quá trình vận hành đường ống, đường ống bị bóp méo do áp lực ngoài (áp lực thuỷ tĩnh). - Có các dạng mất ổn định như sau: + Mất ổn định kiểu uốn: là dạng đường ống bị bóp méo dạng ô van. + Mất ổn định kiểu chữ u. + Mất ổn định kiểu xương chó. + Mất ổn định kiểu dẹt. - Sự mất ổn định cục bộ gây ra các tình trạng tắc đường ống dẫn đến giảm lưu lượng trong quá trình vận chuyển vật liệu, làm cho áp lực trong phân bố không đồng đều trên tiết diện đường ống, cũng như trên toàn chiều dài đường ống, nó là yếu tố chính để khởi đầu cho sự mất ổn định lan truyền, trong quá trình vận hành cũng như thi công đường ống mất ổn định thường xảy ra lúc thi công vừa thả ống xuống, lúc này ống chưa có áp lực trong và trong trường hợp vận hành rồi nhưng với một lí do nào đó (chẳng hạn như sự cố làm áp lực trong không có, trong trường hợp sữa chữa mà người ta không cho vật liệu đi qua…). ii.2.1. Kiểm tra ở trạng thái thi công (thử áp lực). Điều kiện để ống không bị mất ổn định cục bộ là: P Pc được xác định theo công thức sau : (Pc – Pel) . (Pc2 – Pp2) = Pc . Pel . Pp . f0 . (*) Pel = Pp = 2 .SMYS. f0 = Trong đó: P : áp lực ngoài tới hạn gây mất ổn định cục bộ. t : chiều dày ống t = tnom = 1,8 cm . D : đường kính ống D = 27,3 cm. SMYS: ứng suất chảy nhỏ nhất của thép SMYS = 4480 kG/cm. E : môđun đàn hồi của thép E = 2,1.106 kG/cm. Pemax : áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất lên đường ống. Thay số ta được các giá trị : Pel= = 1322,93 kG/cm2. Pp= = 590,77 kG/cm2. Chọn fo = 0,005. Thay số vào phương trình (*) ta tìm được các nghiệm của Pc là : Pc1 = - 436,5 ; Pc2 = 879,72 ; ;Pc3= 879,72 kG/cm2 Độ sâu nước lớn nhất: d = d0 + + + hs = 53 + 1,5 + 0,8 + 0,5.8,6 = 59,6 m. áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất lên đường ống: P = gn. d = 1,025 x 59,6 =61,09 T/m2 = 6,109 kG/cm2. Kiểm tra: P = = 644,956 kG/cm2. Vậy đường ống không bị mất ổn định cục bộ. II.2.2. Kiểm tra ở trạng thái khai thác (vận hành). Điều kiện để ống không bị mất ổn định cục bộ là: P Pc được xác định theo công thức sau : (Pc – Pel) . (Pc2 – Pp2) = Pc . Pel . Pp . f0 . (*) Pel = Pp = 2 .SMYS. f0 = Trong đó: P : áp lực ngoài tới hạn gây mất ổn định cục bộ. t : chiều dày ống t = tnom - tcorr = 18 - 4 = 14 mm. D : đường kính ống D= 27,3 cm. SMYS: ứng suất chảy nhỏ nhất của thép SMYS = 4480 kG/cm2. E : môđun đàn hồi của thép E = 2,1.106 kG/cm2. Pemax : áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất lên đường ống. Thay số ta được các giá trị : Pel= kG/cm2. Pp= kG/cm2. Chọn fo = 0,005. Thay số vào phương trình (*) ta được các nghiệm của Pc là: Pc1 = - 449,48 ; Pc2 = 535,97 ; Pc3 = 535,97 kG/cm2. Độ sâu nước lớn nhất: d = d0 + + + hs = 53 + 1,5 + 0,8 + 0,5.8,6 = 59,6 m. áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất lên đường ống: P = gn. d = 1,025 x 59.6 = 61,09 T/m2 = 6,109 kG/cm2. Kiểm tra: P = = 392,94 kG/cm2. Vậy đường ống không bị mất ổn định cục bộ. ii.3. Kiểm tra bài toán mất ổn định lan truyền. - Trên một tuyến ống, khi xuất hiện một điểm bị mất ổn định cục bộ thì sự mất ổn định đó có thể lan truyền dọc theo chiều dài tuyến ống.Gọi là hiện tượng mất ổn định lan truyền. - Vì vậy để xẩy ra hiện tượng mất ổn định lan truyền thì áp lực lan truyền phải lớn hơn áp lực gây mất ổn định cục bộ, nếu trong trường hợp đường ống có sự cố bị bóp méo thì để đường ống không bị mất ổn định lan truyền thì áp lực lan truyền phải lớn hơn áp lực ngoài tác dụng vào đường ống - Để chống hiện tượng lan truyền người ta thường làm tăng chiều dày t của đường ống, dùng các thiết bị ngăn chặn mất ổn định lan truyền trên tiết diện ống ( hàn các “nhẫn” trên tuyến ống ) II.3.1. Kiểm tra ở trạng thái thi công (thử áp lực). Điều kiện để ống không bị mất ổn định lan truyền: Ppr > Pemax Theo QP DnV 1996 : Ppr Trong đó: Ppr : áp lực gây mất ổn định lan truyền. SMYS: ứng suất chảy nhỏ nhất của thép SMYS = 4480 kG/cm. t = tnom = 18 mm. D : đường kính ngoài của ống. Thay các giá trị vào công thức ta được: Ppr = 26.4480.= 130,02 kG/cm2. áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất lên đường ống: P = gn. d = 0,1025 x 60,1 = 6,16 kG/cm2. Kiểm tra: Ppr > Pemax Vậy đường ống không bị mất ổn định lan truyền. ii.3.2. Kiểm tra ở trạng thái khai thác (vận hành). Điều kiện để ống không bị mất ổn định lan truyền: Ppr > Pemax Theo QP DnV 1996 : Ppr Trong đó: Ppr : áp lực gây mất ổn định lan truyền. SMYS: ứng suất chảy nhỏ nhất của thép SMYS = 4480 kG/cm. t = tnom - tcorr = 18 - 4 = 14 mm. D : đường kính ngoài của ống. Thay các giá trị vào công thức ta được: Ppr = 26.4480.= 69,37 kG/cm2. áp lực thuỷ tĩnh lớn nhất lên đường ống: P = gn. d = 0,1025 x 60,1= 6,16 kG/cm2. Kiểm tra: Ppr > Pemax Vậy đường ống không bị mất ổn định lan truyền. III. Kiểm tra ổn định vị trí của đường ống III.1. Mục đích của bài toán kiểm tra ổn định vị trí Trong quá trình vận hành, đường ống luôn chịu tác động của lực môi trường ở điều kiện đáy biển (sóng, dòng chảy đáy của sóng và dòng chảy, sự vận chuyển của các dòng cát hay dòng bùn, đặc biệt là lực đẩy nổi). Những tác động này làm cho đường ống có xu hướng bị dịch chuyển dưới đáy biển, hiện tượng này có thể phá huỷ đường ống gây ra những thiệt hại không nhỏ về kinh tế và ô nhiễm môi trường. Do đó việc tính toán ổn định vị trí là nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế đường ống, nhằm tìm ra được trọng lượng yêu cầu của ống để ống ổn định dưới đáy biển trong suốt thời gian vận hành. Nếu không được vùi thì trong đời sống công trình, đường ống có thể bị dịch chuyển do các tác động bên ngoài như lực tác động do sóng dòng chảy, các hiện tượng xói lở đất nền tạo nhịp treo gây ra dao động, các sự cố do neo đậu tàu thuyền … Trọng lượng đường ống phải đủ khả năng giữ ống không dịch chuyển quá nhiều có thể gây phá huỷ hệ thống đường ống .Trong khuôn khổ đồ án này ta chỉ kiểm tra và thiết kế gia tải cho đường ống (nếu cần thiết ) khi chịu tác động tải trọng sóng và dòng chảy(Hình 1). ii.2. Xác định lý thuyết sóng tính toán. Độ sâu nước tính toán d = 53 + 1,5 + 0,8 = 55,3 m. T: chu kỳ sóng tính toán T= 10,4 s. Dựa vào đồ thị 3.5 trang 36 giáo trình Offshore Pipeline, Analysis and Methos By A.H.Moussell (OPAM) ta thấy ứng với vùng lý thuyết sóng bậc 3. Nhưng để đơn giản trong tính toán ta sẽ sử dụng lý thuyết sóng Airy . + Xác định thông số Tn : Trong đó d: độ sâu nước nơi xây dựng công trình. g: gia tốc trọng trường. + Xác định tỷ số : Trong đó : Tp : chu kỳ các đỉnh sóng. + Tra đồ thị 2.1 DnV -1988-E305 . Xác định được Us* Tra được tỷ số sau : Us* + Hệ số giảm hướng lan truyền R =1 ( coi là không giảm ). + Xác định được vận tốc sóng tác dụng vuông góc lên trục ống Us. Us = Us*x R x Sinθ Trong đó θ : góc hợp bởi hưóng sóng và trục ống. + Tra bảng 2.2 DnV RpE 305 xác định được tỷ số : Tu + Xác định gia tốc sóng hiệu quả tác dụng vuông góc lên trục ống As. As = 2xΠx * Xác định vận tốc dòng chảy trung bình tác dụng vuông góc với trục ống. Theo công thức sau : ( *) Trong đó : Ur : vận tốc dòng chảy ở độ sâu zr kể từ đáy biển . Đã chiếuvuông góc với trục ống. Zr : độ sâu tham chiếu, kẻ đến ảnh hưởng của lớp biên. Zo : hệ số phụ thuộc vào độ nhám của đáy hay tính chất nhám của đất bề mặt đáy biển . Zo tra bảng A1 RpE-305. D : đường kính ngoài của ống. + Tính các tỷ số + Thay vào công thức (*) tính được * Xác định các hệ số : M= ; K= * Tra đồ thị 5.12 theo M va K được Fw. * Tính các lực thuỷ động. * Tính lặp với các góc pha khác nhau để tìm được trọng lượng yêu cầu lớn nhất. Ws=[]max*Fw ii.3. Kiểm tra khả năng ổn định vị trí của đường ống. Chiều cao sóng với chu kỳ lặp 10 năm. Tính theo cả 8 hướng: + Tính các lực thuỷ động: Lực cản vận tốc: FD.ρw.D.CD.( US.cosθ + UC )2 Lực nâng: FL.ρw.D.CL.( US.cosθ + UC )2 Lực quán tính: FI = .ρw.CM.AS.sinθ Trong đó: ρw : khối lượng riêng của nước biển ρw = 1025 kg/m3. D : đường kính ống D = 273 mm., Hà bám : th =50 mm CL : hệ số nâng CL = 0,9. CD : hệ số cản vận tốc CD = 0,7. CM : hệ số CM = 3,29. US : vận tốc dòng chảy đáy vuông góc với đường ống. UC : vận tốc sóng vuông góc với đường ống. AS : gia tốc hiệu quả AS = . Tu : gia tốc cách 0. θ : góc chia của lực thuỷ động trong chu kỳ sóng. * Các lực thuỷ động cho giá trị lớn nhất theo hướng E (xem phụ lục bảng 7). * Trọng lượng nhỏ nhất của đường ống để đảm bảo đường ống không bị mất ổn định : W = Trong đó: m_ là hệ số ma sát giữa ống và nền đất phụ thuộc vào tính chất đất nền, đất cát m =0,7. W = Vậy: W = 0,60819 kN/m. + Tính trọng lượng thực tế của ống. Trọng lượng của ống trong không khí: Wthép = = =1,11 kN/m. Whàbám===0,647 kN/m. Lực đẩy nổi tác dụng lên ống: B = .( D+2.0,05)2.γn = .(0,273+2.0,05)2.1,025.9,81 = 1,099 kN/m. Trọng lượng của đường ống ở trong nước ( chưa kể khối lượng sản phẩm trong ống). Wtt = 1,11 + 0,647 – 1,099 = 0,658 kN/m > W = 0,60819 kN/m. Tuyến ống đảm bảo ổn định vị trí, ta phải không phaỉ gia tải. IV.Tìm nhịp treo tối đa mà đường ống có thể vượt qua IV.1. Địa hình hố lõm Hình 2: Đường ống vượt qua hố lõm IV.1.1. Kiểm tra ở giai đoạn sau khi thi công Chiều dày ống: t1 = t - tfab =18- 0,9 = 17,1 mm Chiều dài đặc trưng của ống L: L ứng suất đặc trưng của ống: Lực kéo không thứ nguyên b : Trong đó: I - Momen quán tính mặt cắt ngang, I = C - Bán kính ngoài của ống, C = D/2 = 0.1365 m E - Mô đun đàn hồi của thép, E = 2.1 x 106 kG/cm2 = 2.1 x 1010 kG/m2 T - Lực căng dư trong ống. Giả định dùng phương pháp thi công thả ống bằng tàu Côn Sơn có T = 12000 Kg. W - Trọng lượng một đơn vị dài ống nằm dưới nước, W = Gt - Pđn với: Gt = 113.2 kG/m Pnc=.(0,273-2.0,018)2.1025 = 45,22 kG/m Pđn = . D2.γn -Pnc= .0,2 732.1025- 45,22 = 14,78 kG/m Tính toán ta được: W = 113.2 + 14,78 = 98,42 kG/m I==1,13x10-4m4 L= 28,89 m sc = = 99223197,93 kG/m b = = 4,22 Giá trị ứng suất lớn nhất cho phép trong ống: [s] = h x SMYS với h là hệ số sử dụng, ta chọn với độ an toàn cao, lấy h = 0,8 đ [s] = 0,8 x 45699522.68 = 36559618,144 kG/m Chiều dài nhịp ứng với khi ứng suất của ống ở mép hố sm đạt giá trị ứng suất cho phép [s] Ta có: = 0,368 Tra đồ thị 3.19 - OPAM ta được = 2,4 L = 2,4 x 28,89 = 69.34 m Chiều dài nhịp khi ứng suất giữa ống s0 lõm đạt [s] Tra đồ thị 3.20 - OPAM ta được =2,7 L = 2,7 x 28,89 = 78 m Lấy L = Min[69,34; 78] = 69,34 m Vậy chiều dài nhịp treo tối đa mà đường ống có thể vượt qua trong giai đoạn này là: L = 69,34 m Chiều dài nhịp phụ tương ứng Từ = 2,4. tra đồ thị 3.22 ta có = 0,99 l = 0,99 x 28,89 = 28,6 m IV.1.2. Kiểm tra ở giai đoạn khai thác Giả thiết ống đã bị ăn mòn, tính với chiều dày ống: t2 = t - tfab - tcorr = 13,1 mm Chiều dày hà bám : thà = 5 cm Tính toán tương tự IV.1.1 ta được: Gt = 83,965 kG/m Gha = = 65,96 kG/m Pnc=.(0,273-2.0,0131)2.1025 = 49 kG/m Pđn = . (D+2.0,05)2.γn -Pnc = .0,3732.1025 - 49 = 63 kG/m Tính toán ta được: W = 113.2 + 65,96 – 60 = 86,925 kG/m I==7,68x10-4m4 L= 57 m sc = = 68665922,4 kG/m b = = 2,42 Giá trị ứng suất lớn nhất cho phép trong ống: [s] = h x SMYS với h là hệ số sử dụng, ta chọn với độ an toàn cao, lấy h = 0.8 đ [s] = 0.8 x 45699522.68 = 36559618.144 kG/m Chiều dài nhịp ứng với khi ứng suất của ống ở mép hố sm đạt giá trị ứng suất cho phép [s] Ta có: = 0,53 Tra đồ thị 3.19 - OPAM ta được = 2,85 L = 2,85 x 57 = 162,45 m Chiều dài nhịp khi ứng suất giữa ống s0 lõm đạt [s] Tra đồ thị 3.20 - OPAM ta được =3,34 L= 3,34 x 57 = 190 m Lấy L = Min[162,45; 190] = 162,45 m Vậy chiều dài nhịp treo tối đa mà đường ống có thể vượt qua trong giai đoạn này là: L = 162,45 m Chiều dài nhịp phụ tương ứng Từ = 3,34. tra đồ thị 3.22 ta có = 1,26 l = 1,26 x 57 = 71,82 m IV.2. ống vượt qua địa hình đỉnh lồi Hình 3: Đường ống vượt qua đỉnh lồi IV.2.1. Chiều cao lớn nhất của đỉnh lồi Chiều cao max của đỉnh lồi khi ứng suất tại đỉnh ống lồi đạt giá trị [s] giai đoạn sau khi thi công Căn cứ vào: = 0,368 và b = 4,22 tra đồ thị 3.25 ta được: = 6,8 = 4,7 m Giai đoạn khai thác Căn cứ vào: = 0,53 và b = 2,42 tra đồ thị ta được: = 7,8 = 12,6 m IV.3. Hiện tượng dao động dòng xoáy khi ống bị treo Khi dòng chảy chuyển động qua ống thì đất phía dưới đường ống dần dần bị xói và làm cho dòng chảy bị rối và mất ổn định, tạo ra một hố xói đồng thời tạo ra dòng xoáy phía sau thành ống.(Hình 4) Hình 4: Đường ống dao động do dòng xoáy Sự lan tỏa của dòng xoáy là nguyên nhân làm ống bị thay đổi áp lực động tác dụng trên đường ống và là nguyên nhân làm nhịp ống dao động. Hiện tượng này sẽ nguy hiểm nhất khi tần số dao động riêng của ống trùng với tần số dao động của dòng xoáy gây nên cộng hưởng. Điều kiện để không xảy ra hiện tượng cộng hưởng là: fS Ê 0.7fn Trong đó : f - Tần số dao động của dòng xoáy f- Tần số dao động riêng của ống IV.3.1. Xác định tần số dao động của dòng xoáy Tần số dao động của dòng xoáy được xác định theo công thức: Trong đó : S - Số Strouhal, S == 0,274 V - Vận tốc dòng chảy đáy, V = 1,37 m/s D - Đường kính ngoài của ống IV.3.2. Xác định tần số dao động riêng của ống Tần số dao động riêng của ống được xác định theo công thức: f Trong đó: EI - Độ cứng của ống L - Chiều dài nhịp ống M - Tổng hợp khối lượng của trên 1m ống bao gồm cả thành phần nước kèm C - Hệ số phụ thuộc liên kết ở đầu nhịp, trong thực tế rất khó xác định mô hình đúng nhất về liên kết ở đầu nhịp để mô phỏng điều kiện liên kết đó. Tuy vậy, trong nhiều trường hợp giá trị thấp nhất là tương đương với liên kết khớp ở hai đầu nhịp C = p/2 Việc tính toán được thực hiện bằng bang tính Excel được nêu trong phần phụ lục. Kết quả ta được như sau: Trường hợp chưa có hà bám: D = 0,273 m M = 98,42 kg/m EI = 2,373 x 106 Kgm2 fS = 1,375 fn = L Ê 11,143 m Vậy để dòng xoáy không gây ra cộng hưởng đối với đoạn ống thì nhịp do dòng xoáy tạo ra phải Ê 11,143 m Trường hợp chưa có hà bám: D = 0,373 m M = 86,925kg/m EI = 16,29 x 106 Kgm2 fS = 1,0064 fn = L Ê 21.0249 m Vậy để dòng xoáy không gây ra cộng hưởng đối với đoạn ống thì nhịp do dòng xoáy tạo ra phải Ê 21,6943 m V. lựa chọn phương án thi công tuyến ống V.1. Một số phương pháp thi công đường ống biển trên thế giới Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau thi công đường ống ngầm bao gồm: Phương pháp thả ống bằng xà lan thả ống hoặc xà lan có trống cuộn( áp dụng theo hai cách): Các đoạn ống được đặt trên boong tàu ống được cuộn tròn trên trống đặt trên boong tàu. Phương pháp kéo ống (có 4 cách kéo): Kéo ống trên mặt biển Kéo ống sát mặt biển Kéo ống sát đáy biển Kéo ống dưới đáy biển Việc lựa chọn phương pháp thi công thích hợp phụ thuộc vào đặc điểm của loại ống cần thi công như đặc trưng về kích thước ống, ống có bọc hay không bọc, độ sâu thi công cũng như khả năng sử dụng tàu thi công và tính kinh tế của từng phương pháp. V.1.1. Phương pháp thả ống bằng tàu thả ống Đây là phương pháp thi công phổ biến nhất trên thế giới và đã trải qua nhiều thế hệ tàu thả ống. ống được tàu dịch vụ đưa lên tàu thả ống ở dạng ống đơn dài 12 m hoặc dạng ống ghép từ hai ống đơn có chiều dài 24 m. Cần cẩu trên boong chuyển ống tới các giá dự trữ trên tàu. Trong quá trình thi công thả ống cần cẩu chuyển ống từ các giá dự trữ tới các giá tự động để cung cấp ống cho mặt bằng được xếp thành từng hàng. Đây là vị trí đầu tiên trong đường thi công để hàn ống và kiểm tra mối hàn. Một tàu thả ống có thể có từ 5 cho đến 12 công đoạn, phụ thuộc vào kích thước của tàu cũng như đường kính của ống. Điểm đầu ống được hàn vào đầu kéo thông qua cáp được mắc vào giàn hoặc neo chéo khi không có giàn. Tàu di chuyển về phía trước nhờ việc nhả cáp phía sau và thu cáp phía trước bằng các tời kéo. ống được thả dần xuống có sự hỗ trợ của hệ thống phao hoặc với stinger. Điểm cuối của ống được xác định chính xác thông qua phao đánh dấu.(Xem hình vẽ dưới) ưu điểm: Phương pháp này cho phép thi công được liên tục Công tác thi công phần lớn được thực hiện trên tàu thuận lợi cho việc kiểm tra và xử lí. Do vậy độ an toàn cao, quá trình thi công nhanh hơn tránh được sự rủi ro do sự kéo dài thời gian thi công trên biển Sử dụng được với loại ống có được bọc lớp gia tải hoặc không gia tải Sử dụng được với nhiều loại đường ống có đường kính khác nhau Thời gian thi công nhanh Nhược điểm: Chỉ thích hợp đối với vùng nước nông Khi ống thả xuống nước khó kiểm tra và phát hiện sự cố Chỉ thi công được tuyến đường ống đơn, nếu thi công nhiều tuyến cùng lúc thì khi thi công xong một tuyến thì tàu lại phải quay lại thi công đoạn tiếp theo nên mất nhiều thời gian. Thi công phụ thuộc vào thời tiết Luôn cần có hệ thống tàu dịch vụ để phục vụ công tác thả neo cũng như cung cấp ống Phạm vi áp dụng: áp dụng chủ yếu vùng nước nông. Loại ống có đường kính vờa và nhỏ áp dụng thả ống liên tục với các tuyến ống dài. áp dụng trong điều kiện thời tiết thuận lợi. V.1.2. Phương pháp thi công dùng xà lan thả ống có trống cuộn ống ống đã được gia công sẵn trên bờ và được kiểm tra rồi cuộn vào trống cuộn (trống đứng hoặc trống nằm ngang). Đường kính trống cuộn có khi lên đến vài chục mét. Việc thả ống cũng thông qua stinger, trống có thể nằm hoặc ở dạng thẳng đứng và quay tròn trên hệ thống trụ đỡ để tải ống. Sau khi thả hết một trống, thì cần cẩu trên xà lan sẽ cẩu trống khác từ một tàu dịch vụ. Quá trình thả ống cho điểm đầu và điểm cuối ống tương tự như phương pháp thả ống bằng xà lan thả ống. ưu điểm: Các ống được thi công liên tục, thời gian thi công nhanh. Các ống được gia công sẵng trên bờ, thuận lợi cho việc kiểm tra. Có thể đồng thời thả từ hai ống hoặc nhiều hơn hai ống cùng một lúc. Nhược điểm: Chỉ thích hợp với vùng nước nông (nếu dùng trống đứng thì có thể áp dựng cho vùng nước sâu). Thi công phụ thuộc vào thời tiết. Đường kính ống thả phụ thuộc vào đường kính trống và kích thước tàu Chỉ áp dụng cho đường ống không được bọc lớp gia tải Đường kính ống bị hạn chế, thường đường kính từ 10 đến 16 inch Cần phải tăng chiều dày đường ống để tránh được các hiện tượng ống bị bẹp trong khi cuộn hoặc thả ống. Phạm vi áp dụng: áp dụng cho trường hợp tuyến ống dài, liên tục Thích hợp vùng nước nông V.1.3. Phương pháp kéo ống trên mặt nước ống được gia công sẵn trên bờ hoặc trên bãi lắp ráp, được hàn nối, bọc lớp chống ăn mòn, bọc bê tông, kiểm tra rồi đưa ra biển. Các phân đoạn ống được nối liên tiếp thành những đoạn dài phụ thuộc vào khả năng của tàu kéo. Các đoạn ống được kéo ra vị trí thi công nhờ tàu kéo và tàu giữ. Dùng một tàu kéo chính cùng với hai hoặc ba tàu kéo cùng kích thước và một tàu giữ để kéo đoạn ống ra vị trí thi công, đoạn ống được nổi trên mặt nước. Để duy trì được mức nổi sát mặt nước cần có hệ thống các pontoon để nâng đỡ ống. Hệ thống pontoon tạo thành những gối đỡ, ống phải làm việc như một dầm liên tục. Quá trình thi công điểm đầu và điểm cuối tương tự như phương pháp thi công bằng xà lan thả ống. ưu điểm: Do ống được kéo sát mặt lên ảnh hưởng bởi tác động của sóng và dòng chảy là nhỏ, vì vậy sức kéo của tàu cho phép kéo được đoạn ống lớn. ống được gia công sẵn trên bờ nên dễ kiểm tra và xử lý, nối ống dễ dàng. Do vậy đường ống có chất lượng cao. ống nổi trên mặt nước nên trong khi kéo ta có thể kiểm tra ống được thường xuyên. Sử dụng một loại phao. Không ảnh hưởng của địa hình đáy. Nhược điểm: Nhạy cảm với tác động của môi trường. Cản trở các hoạt động đi lại của tàu thuyền. Việc đánh chìm xuống biển là rất khó. Thường gặp những sự cố khi ngắt ponton để đánh chìm đường ống. Không thi công được liên tục. Chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường (sóng, gió, dòng chảy..) Đòi hỏi mặt bằng thi công trên bờ là lớn, độ dốc của bãi lắp ráp phải nhỏ. Phải chế tạo hệ thống ponton và các thiết bị phụ trợ cho công tác lắp ghép các ponton vào đường ống. Việc thi công sẽ là bất lợi khi thi công tuyến ống xa khu vực bãi lắp ráp do thời gian di chuyển trên biển là lớn. Gây cản trở các hoạt động dân sự trên biển như sự đi lại của các tàu thuyền, các hoạt động đánh cá ... Phạm vi sử dụng: áp dụng cho vùng nước nông. Tàu kéo có công suất thấp. Tuyến ống ngắn. Không hoạt động được trong vùng có chiều cao sóng lớn. V.1.4. Kéo sát mặt ống được gia công sẵn trên bờ hoặc trên bãi lắp ráp, được hàn nối, bọc lớp chống ăn mòn, bọc bê tông, kiểm tra rồi đưa ra biển như kéo ống trên mặt. Trong quá trình thi công kéo ống, ống nổi cách mặt biển một khoảng tuỳ theo thiết kế nhờ hệ thống phao nâng và hệ thống phao điều chỉnh khoảng cách. ưu điểm: ít chịu ảnh hưởng của môi trường hơn phương pháp kéo trên mặt biển. Thi công nhanh, hạn chế được ảnh hưởng đến các hoạt động trên biển. Nối ống dễ dàng. Không chịu ảnh hưởng của địa hình đáy. Nhược điểm: Sử dụng tàu kéo có công suất cao hơn. Công việc kiểm tra trong khi kéo khó khăn. Phải sử dụng hai loại phao nổi khác nhau. Không thể thực hiện được trong điều kiện thời tiết xấu. Do kéo ống ngập cùng phao dưới nước nên lực cản lớn do vậy cần có sức kéo lớn hơn phương pháp kéo ống trên mặt. Phạm vi sử dụng: áp dụng cho mọi độ sâu nước V.1.5. Kéo gần sát đáy Phương pháp này cho phép kéo ống nổi trên mặt đáy biển một đoạn thông qua việc xác định chiều cao chướng ngại vật mà tuyến ống đi qua. Để duy trì được độ cao cần thiết thì người ta sử dụng hệ thống phao nâng và xích điều chỉnh sao cho ống cách đáy một khoảng xác định. Trong quá trình kéo ống dưới tác động của môi trường, ống có thể bị nhấn sát xuống đáy, để điều chỉnh được độ cao kéo ống thì cần tính hệ thống dây xích như một vật đối trọng linh hoạt để đảm bảo ống nổi trên đáy biển với khoảng cách thiết kế nhờ sự thay đổi chiều dài của hệ thống xích được gắn cùng phao. ưu điểm: Giảm tối thiểu tác động của môi trường. Không gây ảnh hưởng đến các hoạt động của tàu thuyền trên biển. Yêu cầu sức kéo nhỏ hơn phương pháp kéo trên đáy biển có thể sử dụng tàu kéo có công suất thấp. Khi thi công ít phụ thuộc vào thời tiết. Nhược điểm: Phương pháp này tỏ ra không kinh tế cho những vùng nước sâu, do áp lực thuỷ tĩnh lớn dẫn đến yêu cầu độ bền cho hệ thống phao là đáng kể, chi phí hệ phao xích lớn. Khó xử lý khi có sự cố xảy ra. Công việc cắt phao và xích khó thực hiện. Phạm vi sử dụng: áp dụng cho vùng nước trung gian và vùng nước nông. V.1.6. Kéo sát đáy Là phương pháp kéo ống trực tiếp dưới đáy biển bằng tàu kéo không có hỗ trợ của hệ thống phao nâng. ưu điểm: Phương pháp đơn giản không đòi hỏi các phương tiện phụ trợ. ít chịu tác động của môi trường. Thuận lợi cho việc lắp đoạn ống mới vào đoạn ống cũ. Có thể thi công trong điều kiện thời tiết xấu. Khi gặp điều kiện bất lợi về thời tiết có thể để ống dưới đáy biển mà không sợ hư hỏng. Nhược điểm: Lực kéo lớn do đó đòi hỏi tàu kéo có công suất cao. Đường ống trong khi kéo phải chịu ma sát với đáy gây hư hỏng lớp bọc. Quá trình thi công dễ gặp các sự cố do va vào các chướng ngại vật dọc tuyến. Hạn chế về chiều dài đoạn ống. Cần phải khảo sát kỹ khu vực kéo tuyến ống đi qua để tránh những hư hại do các chướng ngại vật gây ra. Do vậy làm tăng giá thành thi công tuyến ống. Phạm vi áp dụng: Phương pháp này chỉ thích hợp cho những tuyến ống gần bờ, điều kiện địa chất thuận lợi, đáy biển tương đối bằng phẳng. Được sử dụng rộng rãi trong trường hợp thi công trong cảng hoặc qua sông. Có thể thi công được trong điều kiện thời tiết xấu. V.2. Một số phương pháp thi công nối ống ngầm Các mối nối đường ống ngầm là các mối nối trong thi công đường ống mới, sửa chữa, kết nối tuyến ống mới vào tuyến ống cũ. Các mối nối này có thể thực hiện cho đường ống với Riser, giữa đường ống với cụm van ngầm (Subsea Valve Skid), hoặc cụm van phân nhánh, mối nối giữa các đoạn ống để tạo ra đường ống liên tục trong quá trình thi công đường ống có sử dụng nhiều tàu rải theo phân đoạn. Các mối nối có thể được thực hiện trên tàu hoặc dưới đáy biển còn tuỳ thuộc vào điều kiện độ sâu đáy biển, đường kính ống và các phương tiện phụ trợ có được trong quá trình thi công. Hiện trên thế giới có sử dụng các phương pháp nối đường ống như sau: Phương pháp nối bằng mặt bích. Phương pháp nối bằng hàn ở áp suất khí quyển. Phương pháp nối bằng hàn cao áp. Phương pháp nối ống bằng đầu nối cơ khí(được chế tạo sẵn). V.3. Lựa chọn phương án thi công V.3.1. Số liệu đầu vào phục vụ công tác thi công Số liệu môi trường: Bao gồm các số liệu sóng, gió, dòng chảy, triều…được nêu trong mục I.4.3 Số liệu về công trình: Tuyến đường ống ngầm thiết kế là tuyến ống dẫn nước ép vỉa từ dàn MSP4 đến dàn MSP8 thuộc vùng mỏ Bạch Hổ dài 1054 m. Đường kính 273 mm, chiều dày thành ống 18 mm ở độ sâu nước 55.3 m. V.3.2. Năng lực thi công của liên doanh Vietsopetro Hiện nay Liên doanh VietSoPetro có đủ khả năng thi công rải ống cho toàn bộ tuyến ống với các trang thiết bị chủ yếu dưới đây: Tàu rải ống Côn Sơn đang trong trạng thái tốt. Tàu lặn Hải Sơn. Tàu kéo Sao Mai. Tàu dịch vụ Sông Dinh. Trạm lặn và đội ngũ cán bộ thi công nhiều kinh nghiệm. V.3.3. Yêu cầu của phương tiện thi công Yêu cầu trang thiết bị tối thiểu cho tàu thả ống Cẩu để di chuyển vật liệu ống Hệ thống giá đỡ ống để có thể có chứa một lượng ống tối thiểu trong ngày làm việc Hệ thống xử lý ống để cắt vát đầu ống và xếp ống Các trạm hàn có khả năng hàn roof, filler và cap Hai bộ phận kéo ống có công suất kéo ống lớn hơn lực kéo tối đa Trạm kiểm tra không phá huỷ (NDT) Trạm bọc các chỗ nối ống hiện trường Stinger dùng để đỡ ống trong lúc chuyển tiếp ống từ tàu xuống đáy biển Tời hạ và tời nâng ống Tối thiểu 08 bộ tời để dùng cho việc định vị và di chuyển tàu trong quá trình thi công Hệ thống hoa tiêu dùng để kiểm tra vị trí của tàu so với tuyến ống và thực hiện bản vẽ hoàn công Khu ăn ở sinh hoạt cho nhân sự Các hệ thống giám sát Các thiết bị phụ trợ trên tàu như máy phát điện, kho dự trữ thực phẩm, nhà kho, bể chứa nước, hệ thống xử lý nước thải. Yêu cầu với các tàu kéo và tàu vận hành neo: Các tàu kéo phải có công suất khoảng 6000 HP và có trang bị tời kéo neo khoảng 14000 Kg. Các tàu phải có khả năng tự cung cấp nhân sự cũng như các thiết bị trên tàu. Mỗi tàu phải được trang bị hệ thống hoa tiêu tương thích với hệ thống trên tàu. Yêu cầu với tàu khảo sát: Tàu khảo sát phải được trang bị hệ thống hoa tiêu tương thích với tàu rải ống, hệ thống quan sát siêu âm (side scan sonar ), máy vẽ mặt cắt đáy biển, máy đo từ và máy đo độ sâu dùng kỹ thuật phản âm. Yêu cầu với tàu chở vật tư: Tàu chở vật tư được dùng để chở ống và các loại vật liệu khác từ kho bãi đến nơi thi công rải ống. Các tàu này thường được trang bị dàn giữ ống. Yêu cầu với tàu hậu cần: Tàu hậu cần dùng để vận chuyển nhiên liệu, nước ngọt, thực phẩm, ống, vật tư thiết bị đến tàu rải ống. V.3.4. Kết luận lựa chọn phương án thi công Qua việc nêu các phương pháp thi công trên thế giới hiện đang sử dụng và các số liệu địa chất, địa hình đã khảo sát, khả năng thực tế thi công của Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro cho thấy rằng: Phương án thi công thả ống ngầm bằng tàu thả ống dùng stinger là thích hợp hơn cả. VI. Tính toán thi công tuyến ống VI.1. Tính toán ứng suất trong quá trình thi công rải ống VI.1.1. Đặt vấn đề Thi công rải ống là một khâu quan trọng trong tổng thể quá trình thi công tuyến ống. Việc tính toán thi công là nhằm tính toán độ bền của ống trong quá trình thi công dưới tác động của tải trọng thi công tương ứng với phương án thi công được lựa chọn, để đảm bảo việc lựa chọn đường ống và phương pháp thi công là khả thi. Tuyến ống được thi công bằng tàu thả ống có sử dụng stinger. Do vậy việc tính toán là đi kiểm tra sự làm việc của ống khi ống bị uốn trong thi công do hình dạng của Stinger và trọng lượng bản thân ống. Trong phạm vi đồ án này không xét đến tải trọng do sóng và dòng chảy tác đông vào ống trong quá trình thi công. Đoạn ống tính từ điểm tiếp xúc với đáy biển cho đến vị trí kẹp phía trên Stinger sẽ biến dạng theo đường đàn hồi có điểm uốn và chia làm 2 đoạn rõ rệt như sau: Đoạn cong lồi: Do tác dụng của trọng lượng bản thân, lực kéo của thiết bị căng trên tàu, lực ma sát giữa ống và đáy biển mà ống bị uốn cong theo bán kính cong có sẵn của stinger. Trong đoạn cong này thì tác động của môi trường lên ống được truyền trực tiếp sang stinger, do vậy ứng suất trong đường ống suất hiện chủ yếu là do hiện tượng uốn bởi bán kính cong của stinger gây ra. Đoạn cong lõm: Đối với đoạn cong này, thì đường ống ngoài chịu uốn bởi trọng lượng bản thân của ống trong nước, đường ống còn chịu tác động của tải trọng môi trường, phản lực nền lên đường ống và lực kéo xuất hiện trong ống có tác dụng làm giảm hiện tượng uốn của ống. Như vậy sự làm việc chịu uốn của ống trong trường hợp này là hết sức phức tạp, bài toán thi công cần giải quyết là đi xác định bán kính cong trong đoạn này sao cho ứng suất gây uốn không vượt ứng suất cho phép. VI.1.2. Số liệu đầu vào Số liệu về tàu thả ống Côn Sơn: Chiều dài 110.3 m Chiều rộng 30.45 m Mớn nước cực đại 3.74 m Số liệu về Stinger: Đặc điểm hình học: Cố định Bán kính thanh đỡ ống cong: R = 110 m Trọng lượng Stinger: cáp ngoài 18.7 tấn, cáp trong 37.4 tấn. Trọng tải thể tích nước bị chiếm chỗ: cáp ngoài 24 tấn, cáp trong 48 tấn. Tuyến ống thiết kế: Chủng loại thép: API 5L X65 ứng suất cho phép của thép: [s] = 45699522.68 kG/m2 Đường kính ngoài của ống: 0.273 m Chiều dày nhỏ nhất của ống: 0.018 m Tỷ trọng thép ống : 7850 kg/m3 Trạng thái ống: ống được bịt đầu bằng thiết bị đầu kéo nên không chứa nước. Độ sâu thi công: 55.3 m VI.1.3. Tính toán kiểm tra bền đoạn cong lồi Như đã phân tích ở trên, đoạn cong lồi dưới tác dụng của tải trọng bản thân, ống bị uốn cong theo đường cong của stinger. Mô men uốn tỉ lệ nghịch với bán kính cong, do vậy trong trường hợp stinger có bán kính cong nhỏ nhất thì mô men uốn xuất hiện trong ống là lớn nhất. Trong thực tế bán kính cong của stinger thường chỉ thay đổi được rất ít và việc thay đổi bán kính cong cũng rất phức tạp, thường có một bán kính cong nhất định khi thi công tuyến ống có độ sâu thay đổi là nhỏ. Do vậy để thi công người ta thường chọn lấy một bán kính cong nào đó thoả mãn suốt quá trình thi công là tốt nhất và đi xác định lực kéo ống để thoả mãn điều kiện độ bền cho ống. Mô men uốn xuất hiện trong ống được xác định từ biểu thức phương trình vi phân trong lý thuyết sức bền vật liệu: Trong đó: E - Mô đun đàn hồi của thép ống: 2,1´ 1010 kG/m2 I - Mô men quán tính của tiết diện ống: 1,13´ 10-4 m4 đ EI = 2,373 x 106 kGm2 r - Bán kính cong nhỏ nhất của stinger: 164 m Kiểm tra điều kiện bền của ống: ống đảm bảo điều kiện bền khi: s < [s] Trong đó: s - Giá trị ứng suất phát sinh trong tiết diện ống ở đoạn cong lồi trong quá trình thi công. s = với M = ; W = đ s = =1,74786 x 107 kG/m [s] - Giá trị ứng suất lớn nhất cho phép trong ống: [s] = h x SMYS với h là hệ số sử dụng, ta chọn với độ an toàn cao, lấy h = 0.8 đ [s] = 0.8 x 45699522.68 = 36559618.144 kG/m Vậy ta có s < [s]đ ống đảm bảo điều kiện bền trên đoạn cong lồi khi thi công VI.1.4. Tính toán kiểm tra bền đoạn cong lõm Như đã phân tích trong phần giới thiệu chung, bài toán đoạn cong lõm là một bài toán phức tạp. Đường ống trong vùng này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như tải trọng môi trường, trọng lượng bản thân của ống trong nước, ma sát giữa nền và đáy, tải trọng do rung động của tàu và lực kéo xuất hiện trong ống. Bài toán trở thành bài toán phi tuyến. Việc tính toán thực chất trở thành bài toán giải phương trình vi phân bậc 4 xuất phát từ lý thuyết uốn đàn hồi và các giả thiết về điều kiện biên. Tính theo kết quả nghiên cứu của viện NIPI - VietsoPetro: Tính trọng lượng của ống trong nước(sức nổi âm của ống): Trong đó: P - Trọng lượng trên 1 m dài của ống trong nước, kg/m MT - Trọng lượng trên 1m dài của thép ống, kg/m MBOC - Trọng lượng trên 1m dài của lớp bọc chống ăn mòn, kg/m. MBT - Trọng lượng trên 1m dài của lớp bọc gia tải, kg/m. FĐN - Lực đẩy nổi trên m dài ống, kg/m. Kết quả tính toán ta có: P = 98,42 kG/m Với các giả thiết về điều kiện biên: tại điểm tiếp xúc ống và đáy biển có mô men uốn bằng 0 và góc xoay bằng 0 ta có phương trình đường đàn hồi của đường cong lõm và các đạo hàm của nó có dạng: y = y’ = y’’ = y’’’ = Trong đó: EI = 1,74786 x 106 kgm2 H - Giá trị lực căng ngang trong ống, H = 12000 kg R - Phản lực tại điểm tiếp xúc ống với đáy biển Tính chiều dài không thứ nguyên L (L = n.l) theo công thức: L = 1 + Trong đó: l - Khoảng cách theo phương ngang tính từ điểm tiếp xúc giữa đường ống với điểm hạ vuông góc từ điểm cuối của stinger xuống phương ngang. Ml là mô men uốn tại tiết diện ứng với điểm cuối của Stinger (được tính theo bán kính cong của stinger). h - Độ sâu nước được tính từ điểm cuối của stinger đến đáy biển: trong một khoảng nào đó, h có thể điều chỉnh được thông qua việc điều chỉnh lượng nước dằn trong Stinger Tính phản lực nền đáy, kg. Giá trị H xác định từ biểu thức: H = Xác định ứng suất cực đại trên đoạn ống võng xuống: Trong đó: W là mô men chống uốn của tiết diện ngang. Kiểm tra điều kiện bền cho ống trong đoạn cong lõm. , nếu điều kiện này không thoả mãn phải tăng H lên. Nhận xét: Bài toán kiểm tra bền cho đoạn cong lõm thực chất là bài toán tính lặp, để xác định được lực kéo ống trên tàu ứng với bán kính cong thi công đã lựa chọn sao cho ống thoả mãn điều kiện bền . Kết quả tính toán lực căng mà thiết bị Tensioner trên tàu Côn Sơn cần thực hiện trong đoạn thi công là 25T. Như vậy, tàu Côn Sơn chỉ có thể đáp ứng được yêu cầu an toàn rất ít khi thi công. Để an toàn hơn phải sử dụng tàu chuyên dụng thuê từ nước ngoài với công suất rải ống cao hơn và công suất thiết bị căng lớn hơn.(Kết quả tính được đưa ra trong bảng tính Excel ở phần phụ lục) VI.2. Thi công tuyến ống Công tác thi công tuyến ống được chia làm 2 giai đoạn là công tác chuẩn bị trên bờ và công tác xây lắp ngoài biển. Trước khi tiến hành việc xây dựng cần thực hiện tổ chức nhân sự, tổ chức ký kết các hợp đồng kinh tế để mua vật tư thiết bị theo danh mục và tập kết tới nơi thi công, xem xét tình trạng máy móc tàu thuyền (phương tiện nổi), tiến hành sửa chữa nếu có hỏng hóc, cải hoán để các phương tiện này có thể thực hiện được các công tác thi công trên bờ cũng như ở ngoài biển. VI.2.1. Công tác thi công trên bờ Công tác tổ chức thi công trên bờ bao gồm các công việc: Tiếp nhận vật tư thiết bị đã được mua theo danh mục Chế tạo ống đứng và các kẹp ống đứng Thử áp lực cho ống đứng Tất cả các công việc chế tạo ở trên bờ đều được thực hiện tại bãi của XNXL. Trước khi vận chuyển ống ra ngoài biển để thi công cần sạch lòng ống, sửa chữa khôi phục lại những chỗ hỏng hóc của lớp bọc bê tông hay sơn lại những chỗ sơn chống ăn mòn bị phá huỷ trong quá trình vận chuyển. VI.2.2. Công tác thi công trên biển Công tác thi công trên biển bao gồm các công việc: Khảo sát điều kiện địa hình đáy biển dọc theo tuyến ống, đặc biệt là các vị trí có địa hình lồi lõm từ đó đưa ra các phương án thi công cho phù hợp. Tiến hành khoan lấy mẫu khảo sát điều kiện địa chất công trình dọc theo chiều dài thi công tuyến ống. Khảo sát vị trí lắp đặt ống đứng và các kẹp ống đứng. Neo tàu Côn Sơn tại vị trí thi công, lắp Stinger vào đuôi tàu, lắp các đoạn ống vào vị trí dây truyền trên tàu, lắp đầu kéo vào đầu ống, lắp hệ cáp nối từ neo trên bờ vào đầu ống. Trên tàu Côn Sơn tiến hành hàn nối các đoạn ống, mỗi khi một đoạn ống được nối thêm vào thì tiến hành rải ống xuống biển. Tàu Côn Sơn tiến hành rải ống đến gần dàn MSP8 thì dừng lại và thả đầu ống xuống biển, đánh dấu lại bằng phao tiêu. Tiến hành lắp đặt ống đứng Thi công spool piece đấu nối đường ống và ống đứng Đấu nối đường ống và các thiết bị trên giàn Tiến hành phóng pig làm sạch lòng ống và thử áp lực. Tiếnh hành chạy thử và nghiệm thu công trình. VI.2.3. Thời gian thi công tuyến ống Đối với tàu rải ống Côn Sơn, tốc độ thi công tối đa đạt 1200m/ng.đêm đối với ống F 273 x 18 mm bọc bê tông. Tàu thuê của nước ngoài có thể đạt tốc độ tối đa 3000 m/ng.đêm. Hệ số thời tiết (K) được lấy bằng 1 đối với việc tổ chức thi công trên bờ và K = 1.4 cho việc thi công ngoài biển. Công tác thi công trên bờ tính mỗi ca là 8 giờ, việc thi công ngoài biển tiến hành liên tục theo 2 ca, mỗi ca 10.5 giờ. Trong quá trình thi công ngoài biển tàu cần phải được thông báo tình hình thời tiết hằng ngày cũng như dự báo thời tiết trong 3 á 5 ngày sắp tới . VI.2.4. Quy trình thi công ống trên tàu rải ống Trình tự thực hiện các công đoạn thi công ống trên tàu Côn Sơn được diễn ra như sau: Từng đoạn ống dài 12 m dùng cho tàu Côn Sơn được cẩu vào hệ thống di chuyển bằng con lăn đưa đến trạm hàn đầu tiên. Tại trạm hàn đầu tiên sẽ tiến hành làm sạch góc vát của đầu ống, định tâm hai đầu ống và hàn nối lớp đầu tiên. Sau khi hàn xong lớp đầu tiên và thứ hai, nhờ hệ thống neo tàu dịch chuyển về phía trước một đoạn dài 12m. Tại trạm hàn thứ hai tiến hành hàn lấp cho đầy mối hàn. Trạm thứ 3: kiểm soát lực căng của Tensioner Trạm thứ 4: đánh sạch và kiểm tra mối hàn bằng phương pháp không phá huỷ Trạm thứ 5: bọc chống ăn mòn cho mối hàn. Trong quá trình thi công, việc tháo nhổ neo do tàu dịch vụ thực hiện. Một thiết bị “Buckle detector” được thả vào lòng ống trong suốt quá trình thi công để đo xem ống có bị móp hay không (xem bản vẽ chi tiết Buckle detector). Việc thi công đường ống được thực hiện trong điều kiện sóng không cao quá 1.5m theo hướng mũi tàu và 1.25m theo hướng boong tàu. Nếu chiều cao sóng vượt quá 2.7m và 1.8m theo các phương tương ứng thì phải ngừng thi công, hàn đầu kéo ống vào đầu ống và thả xuống biển, đánh dấu lại bằng phao tiêu.