Thiết kế đường ống bể chứa trạm bơm

công nghiệp này tuy mới được thành lập nhưng đã dần dần tạo chỗ đứng vững chắc trong nền kinh tế quốc dân đồng thời đáp ứng nhu cầu xuất khẩu, đóng góp ngoại tệ cho nhà nước, và phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nước. Do đặc điểm địa chất và địa hình của nước ta, các mỏ đều nằm ngoài biển nên vấn đề vận chuyển các sản phẩm dầu, khí sau khi khai thác vào bờ đóng vai trò đặc biệt quan trọng. So với các công nghệ vận chuyển khác, công nghệ vận chuyển bằng đường ống đã tỏ ra ưu việt hơn rất nhiều nhờ công suất cao và tính rủi ro ít (các yêu cầu về an toàn môi trường sinh thái được đảm bảo). Với trên 100 km chiều dài, các loại đường ống đã được xây dựng (như loại 325 x 16 mm, loại 219 x12 mm…) và còn nhiều tuyến đường ống khác đang được thiết kế và xây dựng (chương trình khí điện đạm Cà mau, nhà máy lọc dầu Dung Quất…) I.2. Tổng quan về công nghệ khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ I.2.1. Các khâu trong công nghiệp dầu khí Hoạt động của ngành công nghiệp dầu khí được chia làm 3 khâu: * Khâu đầu: Thượng nguồn (up-stream) Các hoạt động tìm kiếm, thăm dò và khai thác dầu khí. * Khâu giữa: Trung nguồn (mid-stream) Vận chuyển và chứa đựng dầu khí. * Khâu cuối: Hạ nguồn (down-stream) Chế biến (lọc dầu, hoá dầu, hoá lỏng khí) Phân phối các sản phẩm dầu và khí. I.2.2. Hệ thống quy hoạch thiết kế xây dựng Thiết kế, xây dựng khu khai thác dầu khí cần được xem như là một tổ hợp công nghệ đồng nhất, đảm bảo thu được sản phẩm có chất lượng đạt yêu cầu với chi phí cho khai thác, thu gom xử lý và vận chuyển sản phẩm là tối thiểu. Hệ thống này bao gồm các quy trình công nghệ: Thu gom vận chuyển và đo các sản phẩm các giếng khai thác trên mỏ. Tách sơ bộ sản phẩm khai thác từ các giếng. Xử lý dầu. Xử lý nước thải và các loại khác cho hệ thống duy trì áp suất vỉa. Tiếp nhận và đo lường dầu. Xử lý khí. Các công trình công nghệ thu gom và vận chuyển sản phẩm của các giếng cần phải đảm bảo một số yêu cầu sau: Đo được sảm phẩm khai thác. Phân bố các dòng dầu theo tính chất lý hoá và theo công nghệ vận chuyển. Độ kín của hệ thống thu gom và vận chuyển dầu khí. I.2.3. Các loại công trình sử dụng cho việc khai thác dầu khí ở mỏ Bạch Hổ Để phục vụ cho công tác khoan thăm dò, khai thác và vận chuyển dầu khí ngoài biển ở mỏ Bạch Hổ, xí nghiệp liên doanh VietSoPetro đã xây dựng nhiều giàn khoan biển và một số công trình khác. Hiện nay tại Mỏ Bạch Hổ có hệ thống đường ống và các 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 ._.