Bài giảng về đường ống trong dầu khí

Để phục vụ cho công tác thăm dò và khai thác dầu khí tại mỏ Bạch Hổ, Xí nghiệp liên doanh dầu khí VietsoPetro đã xây dựng ở đây một hệ thống các công trình bao gồm: Dàn công nghệ trung t

Bài 2 Công nghệ khai thác và quy hoạch công trình dầu khí biển 8

I Hoạt động khai thác và thăm dò dầu khí ở Việt Nam 8

II Công nghệ thu gom và khai thác Dầu khí tại mỏ Bạch Hổ 9

2.2 Tìm hiểu công trình phục vụ khai thác thu gom vận chuyển dầu khí tại mỏ Bạch

2.3 Những yêu cầu đối việc thiết kế và quy hoạch hệ thống khai thác mỏ 14

II Tính toán thiết kế đ-ờng ống biển chịu áp lực trong theo quy phạm 21

2.3 Tính toán chiều dày của ống chịu áp lực trong theo qui phạm DnV 1981 22 2.4 Tính chiều dày ống chịu áp lực trong theo quy phạm ASME B31.8 23

I Mất ổn định cục bộ của đ-ờng ống biển 25

III Mất ổn định tổng thể (global buckling) của đ-ờng ống biển 28

Bài 5 Tính toán ổn định vị trí của đ-ờng ống d-ới đáy biển 37

2.3 Dây chuyền thi công thả ống trên tàu Côn Sơn 52

4.3 Ph-ơng pháp thi công kéo ống trên đáy biển 60

4.5 Năng lực thi công của liên doanh Vietsovptro 61

I Vai trò của việc chống ăn mòn trong thiết kế công trình đ-ờng ống biển 79

Bài 3 Chống ăn mòn ngoài ống 82

1.2 Ph-ơng pháp bảo vệ điện hoá bằng dòng điện áp nguồn 83

I Xác định chiều dày ống theo áp lực trong lớn nhất 87

2.1 Kiểm tra độ bền và tính ổn định của đ-ờng ống đặt ở mặt đất 87 2.2 Kiểm tra sự biến dạng của đ-ờng ống đặt ở mặt đất 88 Bài 4 Các dạng địa hình mà đ-ờng ống có thể v-ợt qua và các yêu cầu 90

III Chống ăn mòn do độ ẩm của đất và xâm thực của môi tr-ờng 92

Ch-ơng I: Khái niệm về đ-ờng ống dầu khí

Bài 1 Mở đầu

I Tổng quan

Sự tăng lên không ngừng của nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm dầu khí kéo theo sự ra đời của hàng loạt dự án khai thác dầu khí trên biển Bắt đầu từ tuyến đ-ờng ống đầu tiên trên vịnh Mêhicô, tới nay hàng vạn kilômet đ-ờng ống đã đ-ợc xây dựng trên khắp thế giới, từ biển Bắc, Địa Trung Hải, Australia, Đông Nam á, Mỹ La Tinh Một số đ-ờng ống đã

đ-ợc lắp đặt ở độ sâu đến 700m, kích th-ớc ống lên tới 56 in Các công nghệ liên quan đến công trình đ-ờng ống cũng phát triển rất nhanh chóng Điển hình là các thiết bị thi công thả ống, công nghệ gia tải cho ống, công nghệ nối ống v.v

ở Việt Nam, tuyến đ-ờng ống đầu tiên đ-ợc lắp đặt bởi Liên doanh dầu khí ViệtsôvPetro khi xây dựng mỏ Bạch Hổ Đến nay, trên thềm lục địa n-ớc ta đã có hàng ngàn kilômet đ-ờng ống các loại, trong đó có cả đ-ờng ống mềm và các đ-ờng ống kích th-ớc lớn đ-a khí vào bờ có chiều dài lên đến 350km

Tuy các lý thuyết tính toán đ-ờng ống biển không phải là mới mẻ nh-ng thực tế còn rất nhiều vấn đề còn đang đ-ợc nghiên cứu hoàn thiện Bên cạnh đó các công nghệ chế tạo ống

và thi công đ-ờng ống đều đ-ợc phát triển rất nhanh chóng Vì vậy, thiết kế đ-ờng ống biển luôn là một lĩnh vực đ-ợc sự quan tâm và liên tục đ-ợc đổi mới

II Phân loại đ-ờng ống

Có nhiều cách phân loại đ-ờng ống khác nhau nh- sau:

- Đ-ờng ống dẫn khí

- Đ-ờng ống dẫn khí gaslift

- Đ-ờng ống dẫn n-ớc ép vỉa

- Đ-ờng ống dẫn hỗn hợp dầu khí

III Cấu tạo đ-ờng ống

Đ-ờng ống gồm các bộ phận sau: ống ngầm, ống đứng, van ngầm và một số bộ phận phụ khác nh- mối nối, vỏ bọc chống ăn mòn, bê tông gia tải, anode hy sinh

Cấu tạo ống ngầm:

ống thép: ống thép là bộ phận chính của đ-ờng ống ống thép th-ờng đ-ợc chế tạo sẵn

thành các đoạn dài 6m hoặc 12m Đ-ờng kính của ống th-ờng nhỏ hơn 36”, chiều dày th-ờng <16mm Vật liệu thép ống là loại có khả năng chống ăn mòn tốt, phổ biến là thép hợp kim Canxi – Mangan (C-Mn) Theo công nghệ chế tạo mà ống thép có thể chia thành ống thép đúc hoặc ống thép hàn, trong đó ống thép đúc có độ an toàn cao hơn

Lớp chống ăn mòn: lớp chống ăn mòn ngoài ống theo nguyên tắc sơn phủ, th-ờng có

chiều dày khoảng 5mm Các loại sơn phủ hay sử dụng là sơn có gốc epoxi hay nhựa đ-ờng

Lớp bê tông gia tải: chiều dày từ 5cm-10cm, có tác dụng tăng trọng l-ợng để đảm bảo

ổn định vị trí cho đ-ờng ống Vật liệu sử dụng là bê tông th-ờng hoặc bê tông nặng đặc biệt (có trọng l-ợng riêng đến 3040kG/m3) Trong lớp bê tông gia tải có bố trí lớp cốt thép cấu tạo Trong một số tr-ờng hợp, ng-ời ta không dùng vỏ bê tông gia tải mà sử dụng khối gia tải cục bộ hoặc dùng vít xoắn để cố định đ-ờng ống d-ới đáy biển

Mối nối: các đoạn ống đ-ợc nối với nhau bằng mối hàn Chất l-ợng mối hàn là vấn đề

hết sức quan trọng khi thi công đ-ờng ống Ngoài ra, khi đấu nối đ-ờng ống ngầm với ống

đứng hoặc khi sửa chữa đ-ờng ống thì một số loại mối nối khác có thể đ-ợc sử dụng nh- mối nối sử dụng mặt bích (Flange) hoặc mối nối cơ khí (Mechanical Connection)

Protector (hay anode hy sinh): là thiết bị chống ăn mòn điện hoá đ-ợc gắn cố định trên

ống Protector có nhiều hình dạng khác nhau, phổ biến nhất là dạng bán khuyên có chiều dày phù hợp với lớp bê tông gia tải

Lớp bê tông gia tải

Lớp bảo vệ chống ăn mòn Lớp

thép ống

Anode hy sinh Mối nối ống

Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của đ-ờng ống biển

- Do ống đứng đ-ợc cố định vào khối chân đế nên không cần gia tải

Một số công trình gần đây ứng dụng công nghệ đ-ờng ống mềm Đ-ờng ống mềm làm

từ nhiều lớp vật liệu sợi thép, chất dẻo, có độ bền cao đồng thời rất mềm dẻo nên rất thuận lợi khi thi công Tuy nhiên, ống mềm có giá thành cao hơn nhiều so với ống cứng thông th-ờng

Hình 1.2: Cấu tạo điển hình của đ-ờng ống mềm

Bài 2 Công nghệ khai thác và quy hoạch công trình dầu khí

biển

I Hoạt động khai thác và thăm dò dầu khí ở Việt Nam

Hoạt động khai thác dầu khí ở n-ớc ta do Tổng công ty Dầu Khí Việt Nam (Petro Việt Nam) đảm nhiệm Tổng công ty Dầu khí Việt Nam đ-ợc thành lập từ năm 1975 triển khai mọi hoạt động về th-ơng mại dầu khí trên toàn lãnh thổ, vùng đất cũng nh- vùng thềm lục địa ngoài biển Việc thăm dò địa vật lí đã đ-ợc tiến hành bắt đầu từ năm 1974, cho đến nay đã thực hiện đ-ợc hàng trăm giếng khoan thăm dò

Năm 1999 xí nghiệp liên doanh Dầu Khí VIETSOVPETRO đã khai thác đ-ợc 8,2 triệu tấn dầu thô Từ năm 1986 đến tháng 10 năm 2000 xí nghiệp liên doanh đã nộp ngân sách đ-ợc 4617.61 triệu đô la do bán dầu thô Trong những năm tiếp theo nhu cầu khai thác sản phẩm dầu khí ngày càng cao, do vậy xu h-ớng mở rộng mỏ và mở rộng khu vực thăm

dò ra xa bờ với qui mô ngày một lớn Trong khi đó nhu cầu sử dụng dầu khí tăng nhanh đặc biệt là khí để phục vụ cho các nhà máy điện trong tầm cung cấp của mỏ nh- nhà máy điện

Bà Rịa, Phú Mỹ tại Vũng Tầu, các khu công nghiệp mới và nhu cầu sử dụng trong sinh hoạt của nhân dân Tổng công ty Dầu Khí Việt Nam đã xây dựng một hệ thống đ-ờng ống để vận chuyển các sản phẩm khí từ mỏ Bạch Hổ đến Thủ Đức, sau đó là đ-ờng ống dẫn khí từ

mỏ khí Nam Côn Sơn vào bờ Năm 2004, tiếp tục thi công cụm công trình Khí - Điện -

Đạm Cà Mau có quy mô rất lớn

Từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng, VietsoPetro khai thác đ-ợc 36.000tấn/ngày năm 2003 Tuy nhiên, hai mỏ trên đều đang dần cạn kiệt Tháng 4 năm 2004, sản l-ợng đã giảm xuống còn 33.000tấn/ngày (khoảng 12 triệu tấn/năm)

Ngoài hai mỏ Rồng và mỏ Bạch Hổ, hiện hoạt động khai thác dầu kí của Việt Nam

đang đ-ợc triển khai tại các mỏ Đại Hùng, Rạng Đông, Ruby, PM3-Cái N-ớc và mỏ khí Lan Tây (lô 06.1 Nam Côn Sơn)

Ngoài ra, dầu từ mỏ S- Tử Đen thuộc lô 15.1 thềm lục địa Việt Nam cũng bắt đầu

đ-ợc khai thác, với sản l-ợng đạt khoảng 60 nghìn thùng dầu/ngày

Trong 3 tháng đầu năm 2004, Việt Nam đã xuất khẩu đ-ợc hơn 3,3 triệu tấn dầu thô, tăng 14,6% so với cùng kỳ năm tr-ớc Sản l-ợng khai thác dầu khí đạt xấp xỉ 4 triệu tấn quy dầu (chỉ tính l-ợng khí mỏ PM3- Cái N-ớc bán cho Malaixia), trong đó dầu thô là gần 3,4 triệu tấn và khai thác khí đạt 380 triệu m3

Trong năm 2004, tổng công ty Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam) có kế hoạch khoan thêm các giếng tại hai mỏ S- Tử Đen và S- Tử Vàng, nhằm khai thác và thu hồi tối đa dầu

II Công nghệ thu gom và khai thác Dầu khí tại mỏ Bạch Hổ

2.1 Tổng quan mỏ Bạch Hổ

Mỏ Bạch Hổ là mỏ lớn nhất Việt Nam và cũng là mỏViệt Nam trực tiếp tham gia khai thác Mỏ nằm ở phía nam thềm lục địa Việt Nam nằm trong lô 09 - 1 thuộc bể trầm tích Cửu Long cách thành phố Vũng Tàu 120 km do Xí nghiệp liên doanh dầu khí VietsoPetro khai thác Tháng 6 năm 1986 dòng dầu khí đầu tiên đ-ợc khai thác trong tầng trầm tích Mioxen của mỏ Bạch Hổ Năm 1987 phát hiện dầu khí trong tầng trầm tích Oligoxen và

đặc biệt năm 1988 phát hiện dầu khí trong tầng đá móng Granite nứt nẻ Tổng trữ l-ợng dầu khí thu hồi đ-ợc do khai thác cùng với dầu của toàn mỏ khoảng 31.8 tỷ m3 khí đồng hành của mỏ Bạch Hổ đ-ợc đ-a vào sử dụng cho các nhà máy Bà Rịa từ tháng 5 năm 1995

và cho nhà máy Phú Mỹ 2,1 từ tháng 2 năm 1997 và t-ơng lai là các khu công nghiệp của Vũng Tầu nh- Vedan, Kidwell v.v

2.2 Tìm hiểu công trình phục vụ khai thác thu gom vận chuyển dầu khí tại mỏ Bạch

Hổ

Để phục vụ cho công tác thăm dò và khai thác dầu khí tại mỏ Bạch Hổ, Xí nghiệp liên doanh dầu khí VietsoPetro đã xây dựng ở đây một hệ thống các công trình bao gồm: Dàn công nghệ trung tâm CTP, dàn khoan cố định MSP, dàn nhẹ BK, trạm rót đầu không bến UBN, các tuyến đ-ờng ống nội mỏ Hiện nay mỏ Bạch Hổ có:

- Một dàn công nghệ trung tâm CTP2 đã đ-ợc sử dụng và dự định sẽ xây dựng mới một dàn công nghệ trung tâm CTP3

- 10 dàn MSP ( 1,3,4,5,6,7,8,9,10,11 )

- 09 dàn BK, trong đó có 07 dàn BK đã đ-a vào sản suất là BK (1,2,3,4,5,6,8) BK7, BK9 đang trong quá trình thi công

- 04 trạm rót dầu không bến UBN1, UBN2, UBN3, UBN4

- Dàn nén khí lớn, dàn nén khí nhỏ, dàn bơm n-ớc, dàn ép vỉa, dàn nh-ời ở, các cầu dẫn

Ngoài ra mỏ Bạch Hổ còn có hệ thống đ-ờng ống ngầm bao gồm:

- 20 tuyến ống dẫn dầu với tổng chiều dài 60,7 km

- 10 tuyến ống dẫn khí với tổng chiều dài 24,8 km

- 18 tuyến ống dẫn Gaslift với tổng chiều dài 28,8km

- 11 tuyến ống dẫn hỗn hợp dầu, khí với tổng chiều dài 19,3 km

Hiện nay Xí Nghiệp liên doanh dầu khí VIETSOPETRO đang cải tạo các dàn MSP tr-ớc đó và lắp đặt thêm các thiết bị khai thác, xây dựng thêm một số dàn nhẹ

2.2.1 Dàn khoan cố định MSP

Là dàn khoan cố định Trên dàn bố trí tháp khoan di động có khả năng khoan ở nhiều giếng khoan Về mặt công nghệ, MSP có thể khoan, khai thác và xử lý Hệ thống công nghệ

trên dàn cho phép đảm nhiệm nhiều công tác, từ xử lý sơ bộ sản phẩm dầu khí cho đến tách lọc sản phẩm dầu th-ơng phẩm, xử lý sơ bộ khí đồng hành Mức độ xử lý tuỳ thuộc hệ thống thiết bị trên từng dàn Sản phẩm dầu khí đ-ợc xử lý trên MSP có thể là từ các giếng khoan của nó hoặc đ-ợc thu gom từ các dàn nhẹ BK

Về mặt cấu tạo dàn khoan gồm có phần móng, khối chân đế và phần kết cấu th-ợng tầng Chân đế gồm 2 khối nối với nhau bằng bằng sàn chịu lực (MSF) ở phía trên và cố định xuống đáy biển bằng các cọc Khối chân đế là kết cấu thép không gian làm từ thép ống Th-ợng tầng có cấu trúc modul đ-ợc lắp ghép lên trên sàn chịu lực

Mỗi chân đế có 8 ống chính (đ-ờng kính 812.8x20.6mm) Phần d-ới của chân đế ở từng cọc trụ chính có 2 ống dẫn h-ớng cho các cọc phụ

Các phần tử cấu thành mạng panel và ống giằng ngang của chân đế làm từ các ống có

đ-ớng kính 426x12mm đến 720x 16mm Những chỗ tiếp giáp với đáy biển cọc chính và cọc phụ đ-ợc trang bị hệ thống bơm trám xi măng

Modul chịu lực (sàn chịu lực MSF) là các dầm thép tổ hợp Do điều kiện thi công ngoài biển lên kết cấu này chia làm 3 phần riêng biệt 2 trong số đó đặt hẳn lên các trụ đỡ còn phần thứ 3 liên kết chúng thành 1 sàn chịu lực thống nhất Phần không gian trống giữa các dầm của modul chịu lực dùng để đặt các thùng chứa với các chức năng khác nhau cần thiết cho quy trình công nghệ thực hiện trên dàn

Móng khối chân đế là các cọc thép ống đ-ờng kính 720x20mm Cần đóng tất cả 16 cọc chính và 32 cọc phụ

Kết cấu th-ợng tầng của MSP đ-ợc thực hiện theo thiết kế 16716 của trung tâm thiết kế Corall (Liên Xô cũ) gồm những Block và môdul riêng rẽ đ-ợc chia làm 2 tầng và đ-ợc trang bị những thiết bị công nghệ cần thiết Thành phần của kết cấu th-ợng tầng gồm có tổ hợp khoan khai thác, năng l-ợng và khu nhà ở

2.2.2 Dàn nhẹ BK

Là dàn nhỏ nhẹ không có tháp khoan Công tác khoan sẽ do tàu khoan tự nâng thực hiện Dàn BK có các thiết bị công nghệ ở mức tối thiểu để đo l-u l-ợng và tách n-ớc sơ bộ Sản phẩm từ BK sẽ đ-ợc dẫn bằng đ-ờng ống về MSP hoặc dàn công nghệ trung tâm để xử

lý Trên dàn không có ng-ời ở

Về mặt kết cấu phần chân đế dàn BK là kết cấu dàn tháp thép không gian có một mặt thẳng đứng, đ-ợc cấu tạo từ thép ống có đ-ờng kính khác nhau Chân đế có 4 ống chính Hệ thống móng cọc gồm 4 cọc chính đ-ờng kính 720x20mm và 8 cọc phụ

Th-ợng tầng có sân bay trực thăng, các thiết bị công nghệ, máy phát điện

Giàn mini số 2- BK

Cẩu nối các đ-ờng ống và dây dẫn

Cơ cấu đuốc với các đ-ờng ống tựa trên các Block chân đế

Dầu thô đ-ợc thu từ các dàn BK , MSP về dàn CTP để xử lý thành dầu th-ơng phẩm sau

đó chúng đ-ợc bơm đến các tàu chở dầu Nhờ các trạm rót dầu không bến UBN các thiết bị chủ yếu để tiếp nhận dầu

Bể trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng (dầu-dầu)

Bể trao đổi nhệt dạng tấm phẳng (dầu-n-ớc)

Hệ thống khử n-ớc bằng điện có khối đốt nóng và phân li

Hệ thống phân li kiểu tháp

Khối chứa và chuyển hoá 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 thống tín hiệu báo sự cố và phòng chống cháy đảm bảo vận hành hữu hiệu hệ thống tiếp nhận dầu

Các giải pháp chính trong thiết kế đ-ờng ống ngầm:

- Nguyên tắc chính để xác định l-u l-ợng là cần đảm bảo vận chuyển không ngừng sản phẩm từ giếng khoan với chi phí thấp nhất về vật t- và năng l-ợng Chi phí vật t- đ-ợc xác định bởi tổng chiều dài đ-ờng ống , đ-ờng kính ống và chiều dày ống Chi phí năng l-ợng đ-ợc xác định bởi áp suất cần thiết để bơm vận chuyển Để đảm bảo vận chuyển

không ngừng cần phải có đ-ờng ống dự phòng và hệ thống đ-ờng ống khép kín Trong tr-ờng hợp cần thiết đ-ờng ống dự phòng còn cho phép tăng l-u l-ợng vận chuyển của

- Chống ăn mòn cho ống bằng cách sơn phủ lên bề mặt ống lớp sơn epoxi và gắn các Protector

- Từ yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm sau khi đi và ra khỏi đ-ờng ống ngầm trong thời gian hiện nay cũng nh- nhiệt độ thực tế của sản phẩm trong đó đ-ờng ống ngầm không

đ-ợc bọc cách nhiệt

- ống đứng của các đ-ờng ống đang vận hành đ-ợc chế tạo từ các loại ống dùng để xây phần tuyến Khi đặt ống dứng vào kết cấu để ống đứng đ-ợc cố định bằng kẹp cứng và nửa cứng

- Việc vận chuyển sản phẩm theo hệ thống đ-ờng ống ngầm nhờ áp suất của máy bơm

ly tâm (đối với dầu), áp suất bình tách khí (đối với khí ) và áp suất của vỉa (đối với hỗn hợp dầu khí ) Chính vì vậy việc xác định khả năng vận chuyển của ống giữ vai trò quan trọng

- Các số liệu ban đầu để phục vụ tính toán đ-ợc lấy trong một giai đoạn thiết kế mỏ nhất

2.2.6 Giàn nén khí trung tâm ( CCP)

CCP là bộ phận cơ bản trong hệ thống vận chuyển khí mỏ Bạch Hổ và đ-a khí đồng hành vào bờ vào

Công dụng: Nén khí đồng hành tại mỏ Bạch Hổ đảm bảo l-u l-ợng và áp suất khí đ-a

vào bờ tiêu thụ 12.5 Mpa đến hệ thống gaslift và các nhu cầu cho bản thân

Trạm nén khí trung tâm bao gồm hệ thống nén khí áp lực cao (Pbx= 1.0 Mpa) và hệ thống nén khí áp lực thấp (Pbx=0.095 Mpa)

Hệ thống nén khí áp lực cao:

 Trạm nén khí gồm 5 chiếc (4 chiếc làm việc và 1 chiếc dự bị) là máy nén khí 2 cấp DRESE RAN đ-ợc truyền động bởi tua bin nén khí MARS-100 của hãng SOLAR + L-u l-ợng:5 800 000 Sm3 /ngày

+ áp lực đầu vào:1.0Mpa

+ áp lực đầu ra: 12.7Mpa

+ Nhiệt độ đầu vào:26-280C

+ Nhiệt độ đầu ra:450C

+ Đo riêng l-ợng khí đ-a vào bờ và l-ợng khí đến hệ thống gaslift

+ Thu gom phần condensate đen đ-a đến hệ thống xử lý tại CTP2

+ Thu gom phần condensate trắng đo dung tích và đ-a vào bờ

+ Thu gom n-ớc vỉa xử lý đạt chất l-ợng thải xuống biển

Hệ thống nén khí áp suất thấp:

Trạm nén khí đ-ợc trang bị máy nén khí pittông 2 cấp của hãng NUVO PIGNON đ-ợc truyền động bằng một động cơ điện

+ L-u l-ợng :240 000 Sm3/ngày

+ áp lực đầu vào :0.095 Mpa

+ áp lực đầu ra:1.084 Mpa

+ Nhiệt độ đầu vào :500C

+ Nhiệt độ đầu ra:450C

Sơ đồ công nghệ:

+ Thu gom khí từ CTP2 và đ-a vào ống góp CCP

+ Xử lý khí ở đầu vào

+ Nén khí qua 2 cấp với việc làm nguội giữa 2 cấp

+ Đ-a vào hệ thống nén khí áp suất cao

 Công dụng : Nén khí đồng hành khu vực bắc mỏ Bạch Hổ đảm bảo việc chuyển khí

đến hệ thống gaslift cho sử dụng bản thân và trong tr-ờng hợp cần thiết đ-a vào bờ

 Thông số công nghệ chính :Trạm đ-ợc trang bị 4 máy nén khí 4 cấp SHMB14 đựoc truyền động từ động động cơ khí 12V-AT27 GL của hãng WAUKESHA

+ Công suất :1 976 000 Sm3/ngày

+ áp suất đầu vào:0.6 Mpa

+ áp suất đầu ra:10.17 Mpa

+ Nhiệt độ đầu vào:26-280C

+ Nhiệt độ đầu ra:>450C

+ Đ-a khí vào hệ thống gaslift

2.3 Những yêu cầu đối việc thiết kế và quy hoạch hệ thống khai thác mỏ

Thiết kế xây dựng khu mỏ khai thác dầu khí cần đ-ợc xem nh- là một tổ hợp công nghệ đồng nhất đảm bảo thu nhận đ-ợc sản phẩm có chất l-ợng đạt yêu cầu với chi phí cho thu gom khai thác, xử lý và vận chuyển là thấp nhất

Hệ thống này bao gồm các quy trình công nghệ sau:

+ Thu gom, vận chuyển sản phẩm từ các giếng khai thác

+ Xử lý dầu

+ Xử lý n-ớc thải

+ Tiếp nhận và đo l-ờng dầu

+ Hệ thống phục vụ khai thác thử cấp

Các công trình công nghệ thu gom và vận chuyển sản phẩm của các giếng dầu cần phải :

+ Tính toán khí theo h-ớng sử dụng

Những yêu cầu cơ bản để thiết kế và khai thác hệ thống thu gom bao gồm:

+ Sơ đồ công nghệ khai thác cần phải đ-ợc cho phù hợp với điêù kiện khí hậu, địa hình, địa vật của vùng mỏ với các tính chất lý hoá của sản phẩm các giếng khai thác

+ Ph-ơng pháp khai thác đ-ợc lựa chọn nhằm đảm bảo chỉ tiêu thiết kế, khai thác mỏ + Các thiết bị công nghệ (bơm nén khí, đo, tách) phải có khả năng hoán cải đ-ợc + Các hệ thống thu gom cần phải có khả năng cho phép tiến hành nhanh chóng và kinh

tế công việc hoán cải, xây dựng lại hay thay đổi hình dạng những phần riêng biệt,

đồng thời thay đổi các thông số quy trình công nghệ cho phù hợp với các điều kiện thay đổi của các quy trình khai thác

+ Các hệ thống thu gom cần phải cho phép tiến hành hiệu quả chống các sự cố mà không phải sửa chữa đáng kể

Trong thiết kế hệ thống thu gom cần phải thấy tr-ớc khả năng quá tải của một số

đ-ờng ống công nghệ ở những giai đoạn khai thác khác nhau mà thiết kế các đ-ờng ống chính với hệ số n=1,5 theo công suất thiết kế Đ-ờng ống của hệ thống thu gom cần có những đoạn dự bị, những đ-ờng vòng khép kín để thay đổi dòng đi theo những h-ớng khác

Bài 3 Lựa chọn tuyến ống

I Mục đích của việc lựa chọn tuyến ống

Trong công tác thiết kế tuyến đ-ờng ống biển, vấn đề đầu tiên là lựa chọn tuyến ống

Đây là một bài toán kinh tế - kĩ thuật cần phải căn cứ vào các số liệu khảo sát địa hình, địa chất đã thu thập đ-ợc để lựa chọn tuyến ống sao cho khả thi với giá thành thấp nhất mà vẫn

đảm bảo đ-ợc các chỉ tiêu kĩ thuật Lựa chọn tuyến ống hợp lý sẽ đem lại hiệu quả kinh tế, tăng độ an toàn cho tuyến ống trong quá trình thi công cũng nh- quá trình khai thác lâu dài

II Những yêu cầu của việc lựa chọn tuyến

Để tuyến ống đ-ợc lựa chọn đảm bảo các yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật thì việc lựa chọn

tuyến phải dựa trên những cơ sở sau:

- Tuyến ống lựa chọn phải là ngắn nhất ở mức có thể để giảm chi phí đầu vào cũng nh- hạn chế thời gian thi công trên biển

- Tránh những ch-ớng ngại vật d-ới đáy biển nh- đá ngầm, các khu vực đáy biển bị đứt gãy, tránh các điểm ống cắt (giao) ống, ống cắt đ-ờng dây cáp quang (nếu có thể)

- Giảm tối thiểu chiều dài ống trong khu vực nền đất không ổn định (tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể của nền)

- Nếu tuyến ống nằm trong vùng có dòng bùn, phải giảm thiểu các nguy cơ do dịch chuyển đất đáy làm h- hại đến tuyến ống bằng cách lái h-ớng tuyến ống sao cho h-ớng của tuyến phải song song với dòng bùn

- Tránh những khu vực thả neo và khu vực hoạt động quân sự ( nếu có thể)

Ngoài các yêu cầu chung nh- trên việc lựa chọn tuyến ống còn xem xét các yếu tố sau:

- Tuyến ống phải đảm bảo yêu cầu mở rộng khai thác của mỏ trong t-ơng lai

- Khả năng kết nối của tuyến ống với các thiết bị công nghệ trong hệ thống mỏ (nếu tuyến ống là tuyến nội mỏ)

- Sự phát triển của san hô…

- Khả năng động đất

Trong tr-ờng hợp không tránh khỏi các bất lợi khi thiết kế phải chú ý bổ sung các ph-ơng án bảo vệ tuyến ống

Ch-ơng II Tính toán thiết kế đ-ờng ống biển

Bài 1 Mở đầu

I Tính toán đ-ờng ống biển

Đ-ờng ống phải đ-ợc thiết kế sao cho đảm bảo hoạt động trong mọi trạng thái có thể có trong suốt đời sống công trình đồng thời có chi phí chế tạo, thi công và vận hành thấp nhất

Có hai ph-ơng pháp tính toán thiết kế độ bền đ-ờng ống chính là theo ứng suất cho phép và trạng thái giới hạn Các quy phạm hiện đại đều sử dụng ph-ơng pháp thứ 2

Theo ph-ơng pháp trạng thái giới hạn, mọi trạng thái giới hạn đều phải đ-ợc thoả mãn với :

1.1 Trạng giới hạn theo khả năng phục vụ (Serviceability Limit State):

- Trạng thái giới hạn về độ ovan;

- Trạng thái giới hạn về biến dạng đàn dẻo;

- Trạng thái giới hạn về mất hoặc hỏng vỏ bê tông gia tải;

1.2 Trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State):

- Trạng thái giới hạn nổ ống;

- Trạng thái giới hạn về méo ống (ôvan) dẫn đến hỏng ống;

- Trạng thái giới hạn về mất ổn định cục bộ;

- Trạng thái giới hạn về mất ổn định tổng thể (global buckling)

- Trạng thái giới hạn về phá hoại đàn dẻo và vết nứt;

- Trạng thái giới hạn về va chạm;

1.3 Trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit State)

1.4 Trạng thái giới hạn sự cố (Accidental Limit State)

- Mọi trạng thái giới hạn đều phải đ-ợc thoả mãn với mọi tổ hợp tải trọng theo quy phạm

- Mọi trạng thái giới hạn đều phải đ-ợc thoả mãn với mọi giai đoạn làm việc trong suốt

đời sống công trình Các giai đoạn điển hình trong đời sống công trình đ-ờng ống gồm có:

+ Giai đoạn thi công lắp đặt;

+ Giai đoạn sau lắp đặt, ống nằm trên đáy biển;

+ Giai đoạn thử áp lực;

+ Giai đoạn vận hành;

+ Giai đoạn dừng vận hành để sửa chữa (nếu có);

+ Dừng khai thác;

II Tải trọng

Tải trọng tác động lên đ-ờng ống biển khá đa dạng Nhìn chung, tải trọng đ-ợc phân loại nh- sau:

- Tải trọng chức năng;

- Tải trọng môi tr-ờng;

- Tải trọng khi thi công;

- Trong tr-ờng hợp áp lực thuỷ tĩnh là yếu tố tăng độ bền (hoặc độ ổn định) của

đ-ờng ống thì giá trị của áp lực thuỷ tĩnh không đ-ợc lấy cao hơn giá trị tính

đ-ợc ở mực n-ớc triều thấp Ng-ợc lại, nếu áp lực thuỷ tĩnh làm giảm độ bền (hoặc độ ổn định) thì giá trị của áp lực thuỷ tĩnh không đ-ợc lấy thấp hơn giá trị tính đ-ợc ở mực n-ớc triều cao

- áp lực thiết kế và nhiệt độ thiết kế lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) phải đ-ợc dùng cho mọi tính tính toán đối với điều kiện vận hành, trừ tr-ờng hợp sau đây sẽ đ-ợc dùng áp lực và nhiệt độ vận hành bình th-ờng:

+ Khi tính toán mỏi;

+ Khi tính toán mà tải trọng môi tr-ờng là trội;

2.2 Tải trọng môi tr-ờng

Tải trọng môi tr-ờng do các yếu tố môi tr-ờng quanh đ-ờng ống gây ra (trừ các tải trọng đã liệt kê nh- tải trọng chức năng hoặc tải trọng sự cố) Các tải trọng môi truờng gồm:

- Tải trọng gió (khi tính toán riser);

- Tải trọng sóng và dòng chảy – tải trọng thuỷ động;

- Băng trôi;

- Động đất;

Khi xác định các tải trọng này, cần l-u ý một số vấn đê sau:

- Do công trình đ-ờng ống có chiều dài lớn nên giá trị và h-ớng của tải trọng có thể thay đổi dọc theo tuyến

- Khi tính toán tác động của đồng thời nhiều yếu tố môi tr-ờng (ví dụ sóng và dòng chảy), cần l-u ý tần suất của mỗi yếu tố cho phù hợp

Bài 2 Tính toán chiều dày ống chịu áp suất trong

I Bài toán đ-ờng ống chịu áp lực trong

Xét ống trụ tròn đ-ờng kính ngoài D0, chiều dày t, dài vô hạn chịu áp lực trong Pi, áp lực ngoài Pe (Hình 2.2.1)

Thành phần ứng suất chủ yếu trên ống có ph-ơng vòng xung quanh tiết diện vành khuyên của ống Thành phần ứng suất này gọi là ứng suất vòng (Hoop stress), ký hiệu

e i h

2.1 Nguyên tắc tính toán theo quy phạm

- Đảm bảo xét mọi trạng thái làm việc và sự cố của công trình – Phải xét nhiều tr-ờng hợp khác nhau

- Kể đến các sai số chế tạo, thi công bằng hệ số an toàn

- Kể đến các biến dạng, ăn mòn có thể xảy ra

- Ph-ơng pháp tính: th-ờng sử dụng ph-ơng pháp tính toán theo trạng thái giới hạn, công thức giải tích

2.2 Một số quy phạm hay đ-ợc áp dụng

- DnV: Submarine pipeline system 1981, 1986, 1993, 1996, 2000

- ASME B31.8 Gas transmission and distribution Piping System – The american society

of mecanical engineers – 1989

- API Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping Systems RP 14E – 1991

2.3 Tính toán chiều dày của ống chịu áp lực trong theo qui phạm DnV 1981

Theo qui phạm DnV -1981 chiều dày thành ống đ-ợc xác định theo công thức sau:

D : Đ-ờng kính ngoài danh định của ống

t : Bề dày danh định của ống

F : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu làm ống

kt : Hệ số giảm ứng suất do nhiệt độ - với loại ống có nhiệt độ vận hành nhỏ hơn 120

C thì lấy kt = 1.0, nếu t 120 C kt có kể đến đặc tính vật liệu

h : Hệ số sử dụng đ-ợc lấy theo bảng phụ thuộc vào vùng cần tính và trạng thái làm việc của kết cấu, đ-ợc tra theo bảng sau:

Vùng 1 : Vùng đ-ờng ống cách dàn 500 m

Vùng 2 + Riser : Vùng đ-ờng ống đứng và đ-ờng ống ngầm từ 500 m trở lại platfom A: Trạng thái vận hành

B: Trạng thái lắp đặt

Trong thiết kế th-ờng lấy Pe = 0, để tính thiên về an toàn

Từ công thức ( 2.1.2 ) ta có tính chiều dày cần thiết:

t   

t F h

e i

k

D P P

*

*

* 2

2.4 Tính chiều dày ống chịu áp lực trong theo quy phạm ASME B31.8

Mục 841.11 - ASME B31.8, công thức xác định chiều dày ống chịu áp lực trong nh- sau:

P = E.F.T

D

tS2

P: áp suất trong thiết kế

S: ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu làm ống

b e li

t p p p



) (1

x 2

f x D

x

Bảng (5.2) tr.33 DnV:

ứng suất chảy dẻo đặc trưng fy = (SMYS - fy,temp).u (2.2.9)

ứng suất kộo đặc trưng fu = (SMTS - fu,temp).u.A (2.2.10)

Pb,s(x) : khả năng chịu lực trong của đ-ờng ống theo TTGH chảy dẻo

Pb,u(x) : khả năng chịu lực trong theo TTGH phá vỡ (nổ) do ứng suất vòng (Hoop stress)

x : chiều dày tính toán của đ-ờng ống cú thể thay bằng t1 hoặc t2 tựy trường hợp

SMYS : là ứng suất chảy dẻo nhỏ nhất đặc tr-ng của thép ống

SMTS: là khả năng chịu kéo nhỏ nhất của thép ống

fy,temp: là phần giảm ứng suất chảy dẻo đặc tr-ng do nhiệt (tra theo đồ thị 5.1 - DnV 2000) fu,temp: là phần giảm khả năng chịu kéo đặc tr-ng do nhiệt

u : hệ số cường độ vật liệu đ-ợc tra trong bảng 5.1.DnV 2000 (tr.33)

A : hệ số không đẳng h-ớng, tra bảng 6.3 DnV 2000

SC

 : Hệ số theo cấp an toàn của công trình, bảng 5-5 DnV 2000

Để xỏc định được điểm tớnh toỏn trờn đường ống thuộc cấp an toàn nào trong bảng 5-5 thỡ phải tra qua cỏc bảng DnV200 sau:

- Phõn loại chất lỏng (table 2-1)

- Phõn vựng (table 2-2): vựng 1: khụng cú hoạt động của con người, cỏch xa dàn > 500m, vựng 2: vựng gần dàn <500m, cú hoạt động của con người

- Cấp an toàn (table 2-3, 2-4)

m

 : Hệ số độ bền vật liệu, theo bảng 5-4 DnV 2000

Chiều dày ống (t1) đ-ợc xác định nh- sau

- Trong điều kiện thử áp lực tại nhà máy:

Tác động gây ra mất ổn định cục bộ là áp lực ngoài, th-ờng xét là áp lực thuỷ tĩnh 1.2 Công thức lý thuyết

t

( 2.3.1 )

Trong đó:

Pc : áp lực gây ra mất ổn định cục bộ

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu ống

* 2 3

1 1

e

Y

 điều kiện áp dụng e  *Y

3 2

( 2.3.3 )

Y : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu

áp lực gây mất ổn định cục bộ Pc đ-ợc so sánh với áp lực ngoài lớn nhất Pe Nếu Pc

≥Pe thì đ-ờng ống tại vị trí đó bị mất ổn định cục bộ

1

)D

t.(

E2

c

1 1

f0: hệ số ô van Theo DnV OS F101 - 2000, không lấy nhỏ hơn 0.005

Dmax: đ-ờng kính lớn nhất của tiết diện ô van

Dmin: đ-ờng kính nhỏ nhất của tiết diện ô van

fy: đặc tr-ng ứng suất chảy dẻo của vật liệu ống

fab: hệ số chế tạo (bảng 5-3 DnV OS F101 - 2000, “Submarine pipeline systems”)

t2: chiều dày thép ống tính toán (mục C 300 DnV OS F101 - 2000),

II Mất ổn định lan truyền

2.1 Hiện t-ợng

Hiện t-ợng mất ổn định lan truyền đ-ợc phát hiện vào những năm đầu của thập kỷ 70 bởi Battelle Columbus Laboratories Hiện t-ợng này đ-ợc mô tả là d-ới áp suất ngoài cao nhất định, nếu trên ống có một điểm đã mất ổn định cục bộ, thì vết lõm đó sẽ lan truyền sang các điểm lân cận dọc theo tuyến ống Khi xảy ra hiện t-ợng này, đ-ờng ống bị phá hỏng trên chiều dài lớn, gây tổn thất đáng kể và khó khắc phục cho công trình

2.2 Tính toán

Với đ-ờng ống cho tr-ớc, cần tính toán xác định áp lực ngoài gây mất ổn định lan truyền So sánh với áp lực ngoài thực tế tại địa điểm xây d-ng, nếu áp lực ngoài nhỏ hơn áp lực gây mất ổn định lan truyền là an toàn Nếu ng-ợc lại, cần xem xét các giải pháp phòng chống ở mục 2.3

t

( 2.3.9 )

Trong đó :

Pp : áp lực tới hạn gây ra mất ổn định lan truyền ( KN/m2 )

Y : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu ống ( KN/m2 )

+ Pp : áp lực tới hạn khi đ-ờng ống bị mất ổn định lan truyền

+ F : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu làm ống

+ D : Đ-ờng kính ngoài của ống

+ t : Chiều dày của ống

2.2.3 Theo DnV 2000

2.5 2 SC m

fab y pr

D

tγγ

αf35

+ Ppr : áp lực tới hạn khi mất ổn định lan truyền

+ D : Đ-ờng kính ngoài của ống

+ t : Chiều dày ống

+ fy : Hệ số phụ thuộc đặc điểm c-ờng độ vật liệu

+ m : Hệ số phụ thuộc độ bền vật liệu

+ sc : Hệ số an toàn

+ fab : Hệ số phụ thuộc chế tạo

2.3 Chống lan truyền mất ổn định

Trong tr-ờng hợp tính toán thấy áp lực ngoài lớn hơn hoặc bằng áp lực gây mất ổn định lan truyền thì hiện t-ợng này có thể thể xảy ra với điều kiện đ-ờng ống bị mất ổn định cục

bộ tại một điểm (do va chạm với neo, lưới, hay bị khi thi công thả ống …) Khi đó, vết lõm

sẽ lan dọc ống cho đến điểm nào trên tuyến có áp lực ngoài nhỏ hơn áp lực gây mất ổn định lan truyền Do thông th-ờng đ-ờng ống biển đặt d-ới đáy biển có chiều sâu không quá chênh lệch (trừ đ-ờng ống từ mỏ vào bờ) nên khả năng hỏng toàn bộ tuyến ống là rất dễ xảy ra

Để chống lan truyền mất ổn định, có thể sử dụng các biện pháp khác nhau, trong đó đơn giản nhất là tăng chiều dày ống Tuy nhiên, ph-ơng pháp này không kinh tế lắm Mặt khác, nếu không có biện pháp phòng chống thì rủi ro lại quá cao Biện pháp trung gian hiện đ-ợc

sử dụng rộng rãi là dùng các vành chặn (buckle aresstor) Các vành chặn đặt cách đều một khoảng nhất định trên tuyến, có hình dạng rất đa dạng nh-ng đều trên nguyên tắc là làm tăng chiều dày ống ở vị trí đó Khi xảy ra lan truyền mất ổn định, đoạn ống bị hỏng sẽ bị giới hạn trong khoảng giữa hai vành chặn liên tiếp

Việc quyết định khoảng cách giữa hai vành chặn là bài toán tối -u Bố trí nhiều vành chặn sẽ hạn chế đ-ợc chiều dài đoạn ống hỏng khi có sự cố nh-ng tốn kém vật liệu và công thi công vành chặn ban đầu, nếu bố trí ít vành chặn thì nguợc lại

III Mất ổn định tổng thể (global buckling) của đ-ờng ống biển

3.1 Hiện t-ợng

Đ-ờng ống có xu h-ớng dãn ra theo ph-ơng dọc trục do nhiệt độ tăng hoặc do áp lực trong Nếu ống bị chặn không cho chuyển vị thì hiện t-ợng mất ổn định tổng thể có thể xảy

3.2 Tính toán

Chiều dài nhịp gây mất ổn định tổng thể nh- sau:

- Nhịp ống có hai đầu liên kết ngàm:

P

EI L

25 0

49 0

4

2



I: Mô đun quán tính của tiết diện ống, m4 L: Chiều dài nhịp gây mất ổn định, m P: lực nén dọc trục, N

Bài 4 Độ bền đ-ờng ống khi đi qua các địa hình phức tạp

I Mở đầu

Thông th-ờng đ-ờng ống nằm tiếp xúc liên tục với đáy biển và do đó không chịu mômen uốn Tuy nhiên trong một số tr-ờng hợp ống buộc phải v-ợt qua địa hình đặc biệt làm phát sinh nhịp treo trên tuyến Các dạng địa hình đặc biệt th-ờng gặp là:

- Ch-ớng ngại vật dạng lõm xuống: hào, rãnh, địa hình có sóng cát

- Ch-ớng ngại vật dạng đỉnh lồi: mỏm san hô, đ-ờng ống đã có tr-ớc đó

Khi đ-ờng ống có nhịp treo thì bài toán độ bền của ống trở nên rất phức tạp Cần phải xét các bài toán sau đây:

- Bài toán nhịp ống chịu tải trọng tĩnh, th-ờng xét các tải trọng nh- trọng l-ợng bản thân, lực căng còn d- trong ống khi thi công

- Bài toán nhịp ống chịu tải trọng động là lực thuỷ động của sóng và dòng chảy

- Bài toán cộng h-ởng dòng xoáy của nhịp ống

- Bài toán ổn định tổng thể (global buckling)

- Bài toán mỏi

Các bài toán trên là t-ơng đối quen thuộc Tuy nhiên, với công trình đ-ờng ống thì khá phức tạp do nhiều lý do nh- sau:

- Tính đa dạng của liên kết

- Tính phi tuyến của đất nền

- ảnh h-ởng của phi tuyến hình học

- ảnh h-ởng của nhiệt độ, ma sát và lực căng d- trong ống

D-ới góc độ thiết kế, do rất khó dự báo chính xác nhịp treo sẽ có trên tuyến ống nên ng-ời ta th-ờng tính toán để xác định đ-ợc chiều dài nhịp treo tối cho phép Số liệu này sẽ làm căn cứ cho giai đoạn thi công, vận hành và bảo d-ỡng định kỳ sau này

II Bài toán tĩnh của đ-ờng ống qua địa hình đặc biệt

và trọng l-ợng khác nhau đã xây dựng đ-ợc các đồ thị cho phép nhanh chóng tra đ-ợc các

đặc tr-ng của nhịp, ứng suất lớn nhất trên ống và biên dạng t-ơng ứng Các đồ thị này có thể sử dụng để tính toán sơ bộ bài toán tĩnh của ống v-ợt qua địa hình đặc biệt

2.2 Bài toán đ-ờng ống qua hào (hố lõm)

Trạng thái ống qua hố lõm đ-ợc mô tả nh- hình vẽ

Xét hình dạng của ống khi đi qua hào trên hình trên Ta thấy có 2 vùng cách biệt có thể dùng để định rõ hình dạng của ống

- Vùng 1 : Đoạn nhịp ống ở chỗ trũng, chiều dài L

- Vùng 2 : Đoạn nhịp ống ngoài chỗ trũng, chiều dài l

Sơ đồ trên là đối xứng ứng suất lớn nhất xảy ra ở mép hào (m)

Tra đồ thị 3.19 trong tài liệu Offshore Pipeline Design Alalysis and Methods theo các đại l-ợng vô h-ớng xác định đ-ợc ứng suất lớn nhất trong nhịp m

- Lực kéo vô h-ớng:

C

L W

J.E

L 

- ứng suất đặc tr-ng:

C C

L

C E





Trong đó :

- W: Trọng l-ợng của ống d-ới n-ớc trên một đơn vị chiều dài

- E: Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ống

c Pipe Configuration

T v M

t v

v M y

T

x

T v M

T M

v R

T T

Free - Body Diagram

T-ơng tự, tra đồ thị 3.20, xác định đ-ợc ứng suất giữa nhịp Đồ thị 3.21 cho phép tra độ võng giữa nhịp

Đồ thị 3.22 cho phép tra chiều dài nhịp phụ l Có thể sử dụng hàm sau đây thay cho đồ thị:

835 0 0

, 11

10 71

16 98

10 112 0

3 2

m c

m c

m c

* Kiểm tra điều kiện bền theo Von Mises: (DnV OF F101, 2000, tr.62 sec.6)

   (xem CT 2.2.1)

L: ứng suất dọc trục do mô men uốn; L T m

A

2.3 Bài toán đ-ờng ống qua đỉnh lồi

Gọi độ nhô lên của đỉnh lồi là , và tổng độ dài nhịp là L

Trạng thái ống v-ợt qua đỉnh lồi đ-ợc mô tả nh- hình vẽ

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.1

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0

 0

 10

 5

L/Lc

Khi đã có c, Lc, , tra đồ thị 3.24 và 3.25 tài liệu Offshore Pipeline Design Analysis and Methods, xác định đ-ợc các thông số m, L

405 0 0

, 02

16 18

52 251

1 02323 0

m c

III Bài toán cộng h-ởng dòng xoáy của nhịp ống

Khi dòng chảy cắt ngang một nhịp ống, các xoáy xuất hiện sau tiết diện ngang Các xoáy này gây dòng chảy nhiễu loạn và không ổn định sau ống Dòng xoáy dẫn đến sự biến

đổi có chu kỳ của áp lực thuỷ động lên ống và làm ống rung động

Chu kỳ của dòng xoáy phụ thuộc đ-ờng kính ngoài D và vận tốc dòng chảy V

L



T T

m



ốngH-ớng dòng chảy

Xoáy

dòng chảy tăng đến mức cao, tần số dao động của dòng xoáy xấp xỉ tần số dao động riêng của nhịp và dao động ngang dòng xuất hiện Lúc này, trên nhịp ống xảy ra hiện t-ợng dao

động cộng h-ởng gây chuyển vị và ứng suất rất lớn dẫn tới phá huỷ ống

Theo Offshore Pipeline Design Alalysis and Methods, điều kiện để không xảy ra hiện t-ợng cộng h-ởng là:

D

.V S

f 

 St : Số Stroulhal phụ thuộc vào hệ số cản vận tốc CD:

 0,75 D

 Vdc : Vận tốc dòng chảy trung bình trên nhịp đang xét

 Dn : Đ-ờng kính ngoài của ống thộp

- Trong phần lớn tr-ờng hợp, số stroulhal có thể lấy bằng 0,2

- Tần số dao động riêng của nhịp ống (Hz):

M

E.I L

- C: Hằng số phụ thuộc vào điều kiện liên kết hai đầu của ống:

Hai đầu liên kết là khớp: C = 1,57 Hai đầu liên kết là ngàm: C = 3,50

- I: Mô men quán tính;

- M: Khối l-ợng tổng cộng trên một đơn vị chiều dài của ống (kể cả chất vận chuyển, vỏ bọc, hà bám, n-ớc kèm )

Bài 5 Tính toán ổn định vị trí của đ-ờng ống d-ới đáy biển

I Hiện t-ợng

Trong quá trình vận hành, đ-ờng ống luôn chịu tác động của điều kiện môi tr-ờng nh- sóng, dòng chảy, sự vận chuyển của dòng cát hay dòng bùn, đặc biệt là lực đẩy nổi Những tác động này làm cho đ-ờng ống có xu h-ớng bị dịch chuyển d-ới đáy biển, trôi dạt đ-ờng ống và có thể phá huỷ đ-ờng ống do gây quá ứng suất Để đ-ờng ống vận hành an toàn cần thiết kế sao cho đ-ờng ống không bị dịch chuyển khỏi vị trí của nó, hoặc nếu có thì nằm trong giới hạn cho phép Do đó, việc tính toán ổn định vị trí là nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế đ-ờng ống, công việc tính toán nhằm tìm ra đ-ợc trọng l-ợng yêu cầu của ống để ống ổn định d-ới đáy biển trong suốt thời gian vận hành

II Tính toán

(Theo Offshore pipelines design analysis & method - Mousselli)

Việc tính toán ổn định vị trí cần đảm bảo ống ổn định tại mọi vị trí, trong mọi điều kiện hoạt động và môi tr-ờng Do đó, khi tính toán cần xét trạng thái thi công và trạng thái khai thác với những tổ hợp bất lợi nhất của sóng và dòng chảy Đối với đ-ờng ống dài đi qua các vùng có số liệu môi tr-ờng khác nhau hoặc đ-ờng ống có đổi h-ớng thì bài toán ổn định vị trí cần đ-ợc thực hiện hiện ở tất cả các vị trí đại diện

Xét một đoạn ống dài 1m chịu tác động của sóng, dòng chảy nh- sau:

Sơ đồ tính ổn định vị trí đ-ờng ống biển

Trong đó :

 : Góc nghiêng bề mặt đáy biển

 W : Trọng l-ợng trong n-ớc của ống, bao gồm : vỏ bọc bê tông ( nếu có ), vỏ chống

ăn mòn, ống thép, các sản phẩm bên trong ( Dầu , khí …), hà bám, lực đẩy nổi

 U :Vận tốc của phần tử chất lỏng trong lớp biên (từ 1 đến 3m tính từ đáy biển lên)

Để tìm ra trọng l-ợng yêu cầu của ống để ống ổn định d-ớc đáy biển, ta chiếu các lực lên ph-ơng ox, oy

* μ

F

* μ F F

Cách xác định Ue trong tính toán thực hành nh- sau :

Ue2 = 0.778*U0 *

286 , 0

Khi kết quả tính toán cho thấy trọng l-ợng yêu cầu lớn hơn trọng l-ợng thực tế của đ-ờng ống thì cần xem xét các biện pháp làm ổn định vị trí cho đ-ờng ống Các biện pháp hiện dùng gồm có :

- Tăng chiều dày vỏ thép của ống

- Bọc vỏ bê tông gia tải

- Gia tải cục bộ bằng khối bê tông

- Đ-a ống xuống hào

- Sử dụng vít xoắn neo ống xuống nền

Biện pháp bọc vỏ bê tông gia tải hiện đ-ợc sử dụng rộng rãi nhất do có giá thành rẻ và t-ơng đối dễ thi công Một số l-u ý khi bố trí lớp bê tông gia tải nh- sau :

- Bố trí l-ới cốt thép cấu tạo có đ-ờng kính tối thiểu 6mm

- Chiều dày nên chọn tối thiểu 4 cm

- C-ờng độ chịu nén tối thiểu 40 MPa (ASTM C 39)

- Độ hút n-ớc tối đa 8% (về thể tích)

- Tỷ trọng tối thiểu 1900 kg/m3

III Phân tích ổn định vị trí của đ-ờng ống d-ới tác động của sóng

và dòng chảy theo quy phạm DnV

Tính toán ổn định vị trí của đ-ờng ống d-ới đáy biển đ-ợc xét trong hai tr-ờng hợp sau:

Giai đoạn 1: Điều kiện ống mới đ-ợc lắp đặt xong

Trong điều kiện này, ổn định đ-ợc th-ờng đ-ợc tính trong điều kiện sóng – dòng chảy

01 năm, đ-ờng ống ch-a có hà bám, chất trong ống là không khí hoặc n-ớc biển

Giai đoạn 2: Điều kiện vận hành

Trong điều kiện này, ổn định vị trí của ống th-ờng đ-ợc tính trong điều kiện sóng – dòng chảy tần suất xuất hiện là 100 năm L-u ý tổ hợp giữa sóng và dòng chảy có hai lựa chọn:

Nếu sóng là trội: Sóng 100 năm + dòng chảy 10 năm

Nếu dòng chảy là trội: Dòng chảy 100 năm + sóng 10 năm

Xét đ-ờng ống có chiều dày hà bám bằng chiều dày cực đại t-ơng ứng với đời sống công trình, trong ống chứa chất vận chuyển

Theo tài liệu DnV RP E305 - 1988, “On bottom stability design of submarine pipelines”, để đường ống ổn định dưới tác động của môi trường thì trọng lượng ống dưới n-ớc tính cho một đơn vị dài phải thoả mãn điều kiện:

I D L

W

S

st F μ F FF

γ

F μ

μF ) F (F