Nghiên cứu ứng dụng chương trình macthcad để tính toán một số thông số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn thăng long đến trạm thu gom xử lý thăng long đông đô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ KHẮC TÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD ĐỂ TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TỪ GIÀN THĂNG LONG ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG - ĐÔNG ĐÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT VŨ KHẮC TÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD ĐỂ TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ PHỤC VỤ CƠNG TÁC THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TỪ GIÀN THĂNG LONG ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG - ĐÔNG ĐÔ Ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 60520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Triệu Hùng Trường HÀ NỘI - 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Hà nội, ngày …… tháng 10 năm 2013 Tác giả luận văn Vũ Khắc Tâm MỤC LỤC Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan mỏ Thăng Long 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Tính chất lý hóa sản phẩm khai thác 1.1.3 Kế hoạch phát triển mỏ 1.2 Giới thiệu số phần mềm tính tốn ngành dầu khí 1.2.1 Phần mềm ANSYS 1.2.2 Phần mềm HYSYS 1.2.3 Phần mền PIPESIM 1.2.4 Phần mềm MathCAD Chương 2: CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THI CƠNG TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 12 2.1 Tính tốn lựa chọn tuyến ống 12 2.1.1 Tiêu chuẩn tính tốn lựa chọn tuyến ống 12 2.1.2 Khảo sát kĩ thuật sơ 12 2.2 Tải trọng tác dụng lên đường ống 13 2.2.1 Trường hợp thi công 13 2.2.2 Trường hợp vận hành 13 2.2.3 Các tổ hợp tải trọng 14 2.3 Các bước lựa chọn tuyến ống biển 15 2.4 Cơ sở tính tốn sơ số thông số đường ống 16 2.4.1 Chọn sơ đường kính ống 16 2.4.2 Tính tốn chiều dày đường ống chịu áp lực 16 2.4.3 Ổn định đàn hồi 21 2.4.4 Tính tốn kiểm tra ổn định vị trí tuyến ống 22 2.5 Q trình thi cơng tuyến ống 26 2.5.1 Một số phương pháp thi công đường ống biển giới 26 2.5.2 Một số phương pháp thi công nối ống ngầm 34 Chương 3: ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD TÍNH TỐN MỘT SỐ THÔNG SỐ PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU 12 IN TỪ GIÀN THĂNG LONG ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG ĐÔNG ĐÔ 35 3.1 Phân tích thơng số đầu vào phục vụ tính tính tốn tuyến ống 35 3.1.1 Phân loại vị trí 35 3.1.2 Thông số đầu vào ống đứng 36 3.2 Tính tốn chiều dày thành ống 42 3.2.1 Tính tốn cho ống đứng 42 3.2.2 Tính tốn cho ống ngang 46 3.3 Kiểm tra độ ổn định vị trí 53 3.3.1 Trạng thái thử thủy lực 53 3.3.2 Trạng thái lắp đặt 55 3.3.3 Trạng thái vận hành 58 KẾT LUẬN 61 KIẾN NGHỊ 61 PHỤ LỤC 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ HAT Mực nước triều cao Hmax Chiều cao sóng lớn ID Đường kính bên KP Khoảng cách LAT Mực nước chiều thấp LRFD Tải trọng hệ số sức cản MSL Mực nước biển trung bình OD Đường kính ngồi PLEM Điểm cuối cụm phân dịng PSL Product Specification Level SMLS Ống liền SMTS Ứng suất uốn nhỏ SMYS Ứng suất chảy nhỏ GL Gaslift WI Bơm ép yr Năm Zone Vị trí Zone Vị trí DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Dự báo sản lượng khai thác mỏ Thăng Long - Đơng Đơ Hình 1.2 Sơ đồ tuyến ống Hình 1.3 Giao diện MathCAD 10 Hình 2.1 Thả ống tàu thả ống 27 Hình 2.2 Tàu rải ống 28 Hình 2.3 Xà lan thi cơng thả ống có trống cuộn ống 29 Hình 2.4 Kéo ống mặt nước 30 Hình 2.5 Kéo ống gần sát đáy 32 Hình 2.6 Kéo sát đáy 33 Hình 3.1 Phân loại vị trí 35 Hình 3.2 Đồ thị chiều dày danh nghĩa theo áp suất chất lưu ống 44 Hình 3.3 Đồ thị chiều dày danh nghĩa đường ống theo áp suất bóp méo 45 Hình 3.4 Đồ thị chiều dày danh nghĩa thỏa mãn lan truyền ổn định 45 Hình 3.5 Đồ thị tổng hợp chiều dày trường hợp tải trọng tạm thời 45 Hình 3.6 Đồ thị tổng hợp chiều dày trường hợp vận hành 46 Hình 3.7 Chiều dày danh nghĩa theo áp suất chất lưu ống 49 Hình 3.8 Chiều dày danh nghĩa theo áp suất bóp méo 49 Hình 3.9 Chiều dày danh nghĩa thỏa mãn lan truyền ổn định 50 Hình 3.10 Đồ thị tổng hợp chiều dày trường hợp tải tạm thời 50 Hình 3.11 Đồ thị tổng hợp chiều dày trường hợp vận hành 51 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tính chất lý hóa dầu Bảng 3.1 Phân loại vị trí (mục C300 [1]) 36 Bảng 3.2 Dữ liệu tuyến ống (bảng 3.4 [4]) 36 Bảng 3.3 Dữ liệu thiết kế (bảng 2.1 [8]) 37 Bảng Dữ liệu thủy triều (bảng 4.3 [4]) 38 Bảng Dữ liệu nước dâng bão (bảng 4.4 [4]) 38 Bảng Dữ liệu song (bảng 4.5 [4]) 38 Bảng Phân loại chất lỏng (mục C200 [1]) 39 Bảng Mức an toàn (bảng 3.5 [4]) 39 Bảng Cấp an toàn 40 Bảng 10 Hệ số bền vật liệu (mục C306 [1]) 40 Bảng 11 Hệ số chế tạo (mục C307 [1]) 41 Bảng 12 Hệ số cản vật liệu (mục C205 [1]) 41 Bảng 3.13 Tổng hợp chiều dày thành ống 46 Bảng 14 Bảng tổng hợp chiều dày thành ống 51 Bảng 15 Lựa chọn chiều dày thành ống 52 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong cơng nghiệp khai thác dầu khí, sản phẩm trình khai thác thường vận chuyển đường ống đễn điểm cất chứa thương mại Các đường ống thường làm việc điều kiện khắc nghiệt đáy biển, tuyến ống phải thiết kế đạt yêu cầu kỹ thuật sở lý thuyết thủy lực, bền nhiệt ổn định… Việc tính tốn thiết kế tuyến ống phụ thuộc vào nhiều tham số đầu vào với đặc tính động, khơng quy luật Bên cạnh đó, số tham số có tính chất ngẫu nhiên khó kiểm sốt q trình tính tốn, làm nhiễu kết tính tốn làm phức tạp hóa thuật tốn tính tốn Do vậy, khối lượng tính tốn thiết kế lớn, thể nói khơng thể thực tay Chính vậy, có nhiều chương trình máy tính thiết kế để giải toán phức tạp thực tế, cho kết nhanh, xác, có việc tính tốn, thiết kế đường ống vận chuyển dầu điều kiện phức tạp Một chương trình đáp ứng đầy đủ yêu cầu trên, chương trình MathCAD Đây chương trình có tính ưu việt trội so với chương trình khác nhiều cơng ty thiết kế đề xuất sử dụng, đặc biệt lĩnh vực tính tốn, thiết kế tuyến ống dẫn điều kiện biển MathCAD có giao diện người dùng dễ sử dụng, tích hợp nhiều cơng cụ tính tốn mạnh đáp ứng tất nhu cầu tính tốn Mặt khác, MathCAD cịn cho phép người dùng trực tiếp viết dòng lệnh can thiệp sâu vào chương trình để tùy biến xác điều kiên biên toán, giúp cho kết tính tốn phản ánh gần với điều kiện thực tế Chính vậy, việc nghiên cứu ứng dụng chương trình để tính tốn số thơng số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đơng Đơ có ý nghĩa khoa học thực tiễn lớn 2 Mục đích đề tài Nghiên cứu ứng dụng chương trình MathCAD để tính tốn số thơng số phục vụ cho cơng tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô Nội dung đề tài Khái quát cơng tác vận tải dầu khí đường ống Các nội dung tính tốn, thiết kế tuyến ống dẫn dầu môi trường biển Yêu cầu q trình tính tốn thiết kế tuyến ống tuyến ống dẫn dầu môi trường biển Nghiên cứu ứng dụng phần mềm MathCAD để tính tốn thiết kế số thông số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô Một số đề xuất công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô Phương pháp nghiên cứu Thu thập tài liệu liên quan đến việc tính tốn thiết kế đường ống mơi trường biển Từ ứng dụng chương trình mathCAD để tính tốn chiều dày thành ống độ ổn định vị trí tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô Cấu trúc luận văn Luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở tính tốn thiết kế, thi cơng tuyến ống dẫn dầu môi trường biển Chương 3: Ứng dụng chương trình mathCAD tính tốn số thơng số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu 12 in từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô 81 i1 : matchmax  Kpwd , Kpwd  KPwd i1 : Kpwd i1  km depthi1 : Depthi1  km Profile áp suất KP (km) Áp suất 180 2,767 180 i5end : if max Kppres   0,0, matchmax Kppres , Kppres   i5 : 0,1 i5end KPpres i : Kppres i5  m P1i : pres i  b arg Profile nhiệt độ KP (km) 2,767 Temp (deg) 88 88 i5end : if max Kppres   0,0, matchmax Kppres , Kppres   i5 : 0,1 i5end KPpres i : Kppres i5  m P1i : pres i  b arg Độ ăn mòn cho phép KP (km) Ăn mịn cho phép (mm) 2,767 3 Vị trí KP 2,767 Vị trí 1 82 2.3 Nội suy liệu đầu vào Đồ thị chiều sâu mực nước biển dx: = linterp(KPwd, depth, x.KPStep) Ăn mòn cho phép i3 : matchmax KPw, KPw  KPca i : KPwi  km tcorri : wt i  mm t corrx ,1 : = linterp(Kpca, tcorr, x.KPStep) Vị trí i : matchmax Kpz , Kpz  KPz i : Kpz i  km zonei : zn i Zone x : linterp(KPz, zone, x.KPStep) Đồ thị chiều sâu nước biển Đồ thị nhiệt độ Toper : linterp(Kptemp, T1, x.KPStep) 83 2.4 Tính tốn giảm nhiệt độ - mục C302 [1] Sự giảm ứng suất chảy điều kiện hoạt động Sự giảm ứng suất kéo điều kiện hoạt động 84 Dung sai chiều dày 85 Độ ô van fo(t) : = max(fo(t),0.5%) Mức an toàn hệ số an toàn Mục – C400 [1] Mức an toàn Phân loại theo phân mức an toàn Thời kỳ Loại chất lỏng A, C Loại chất lỏng B, D, E Vị trí Vị trí 2 Tạm thời Thấp Thấp - - Hoạt động Thấp Trung bình Trung bình Cao Loại chất A B C D E Khu vực Thấp Trung bình Thấp Trung bình Trung bình Khu vực Trung bình Cao Trung bình Cao Cao lỏng Tính tốn mức an tồn điều kiện hoạt động SC X : SCZONE ZONE X , FC 86 Sự ngăn chặn áp suất 3.1 Tính tốn đặc tính bền vật liệu Nhập hế số dạng vecto: y : Ứng suất chảy trường hợp tải trọng tạm thời: f y : SMYS U x ,0 Ứng suất kéo trường hợp tạm thời: fu : SMTS  U x ,0 Ứng suất chảy: f y : ( SMYS  f ytemp _ O )  U x ,1 x Ứng suất kéo: fu : (SMTS  f utemp _ O ) U x ,1 x Trong trường hợp thử áp suất, U  : f y : SMYS , fu : SMTS x ,2 x ,2 3.2 Lựa chọn hệ số cản vật liệu theo mức an toàn Hệ số theo mức an tồn  SC Mức an tồn Thấp Trung bình cao Áp suất nổ 1,046 1,138 1,308 Trường hợp khác 1,04 1,14 1,26  spc : hlookup(SC x ,  sc ,1 x Tính tốn áp suaaps tức thời điều kiện đặc biệt H   Pex :  w g  d x  d ss  max    Áp suất bên nhỏ PLd _ E : 0bar Áp suất cục tạm thời (Áp suất cục bên trong) Những công thức sau tính tốn chiều dày danh nghĩa cần thiết để ngăn cản áp suất, kiểm tra ứng suất chảy tới hạn trường hợp cố xác định công thức 5.7, 5.8, 5.9 [1] Try t : 0,1mm Given 87 tnom _ hoop tcorr , fy, fu ,  spc , PLi , Pe , x  : Find t   t conto : tnom _ hoop t corrx ,1 , f y x ,1 , f u x ,1 ,  spc x , PLi _ Ox , Pe , x     t contex : max tnom _ hoop t corx , , f y x , , f u x , ,1046, PLd _ E , Pex , x ,0mm  Chiều dày danh nghĩa Temporary load case: trường hợp tải trọng tạm thời Operational load case: trường hợp tải trọng trình hoạt động Nomial wall thickness: chiều dày danh nghĩa Sự bóp méo Áp suất bóp méo Pc tính theo cơng thức 5.10 D401 DNV OS F101 [1]:  pc  pel  pc2  p 2p   pc pel p p f Do t2 Thay Pel Pp vào công thức trên, nghiệm thực đưa yêu cầu D/t thông số đầu vào phải chuyển dạng không thứ nguyên trước tính tốn 88 f yield x , y : E : E mod MPa D : Do mm f yx , y MPa H   d max x :  d x  max  d ss max    p e _ max x :  w gd max x 4.1 Lựa chọn hệ số cản vật liệu theo mức an toàn Hệ số theo mức an toàn  SC Mức an toàn Thấp Trung bình Cao Áp suất nổ 1,046 1,138 1,308 Trường hợp khác 1,04 1,14 1,26 Trường hợp tạm thời xếp vào mức an toàn thấp  sc : 1, 04 x ,0 Trong trường hợp hoạt động:  SC : hlookup  SCx ,  sc 2,  x ,1 4.2 Tính tốn bóp méo Cơng thức sau tính tốn chiều dày cần thiết để chống lại bóp méo Cơng thức 5.10 [1] 89 Pcx , y : p e _ max x  m  scx , y critical _ depth x , y : Pc x , y wg  Pc  t collapasex , y : t nom _ col  x , y , x, y   MPa    Chiều dày danh nghĩa cần thiết để thỏa mãn bóp méo 90 Chiều dày danh nghĩa yêu cầu thỏa mãn bóp méo tính với chiều sâu nước lớn Sự lan truyền ổn định 5.1 Lựa chọn hệ số theo mức an toàn Hệ số theo mức an toàn  SC Mức an toàn Thấp (Low) Trung bình Cao (high) (nomal) Áp suất nổ 1,046 1,138 1,308 Trường hợp khác 1,04 1,14 1,26 Trường hợp tạm thời ln xếp vào mức an tồn thấp:  sp : 1.04 x ,0 Trong trường hợp vận hành:  sp : hlookup  SCx ,  sc3,  x ,1 5.2 Tính tốn lan truyền ổn định hmax x : d x  d ss max  H max f y   fab  t  p pr  t , x, y  : 35  x , y    spx , y   m  D0  2.5 (Công thức 5.15, 5.16 [1]) 91 d pr t , x, y  : p pr t , x, y  wg p pr :  w  g  hmax x Áp suất lan truyền bên Try t nom :  mm Given p pr  p pr t nom , a, b  tprop ppr , a, b  : Find t nom  t propx , y : tprop Ppr , x, y   t corrx , y Cơng thức tính tốn chiều dày cần thiết để ngăn chặn lan truyền ổn định xảy bóp méo đường ống Chiều dày cần thiết để đáp ứng tiêu chí lan truyền ổn định Thử áp suất Áp suất thử yêu cầu địa điểm Plt hpsx : PLI _ Ox  if SC x " Low" ,1.03,1.05  Áp suất thử lớn yêu cầu – thay đổi theo áp suất thủy tĩnh nước pt : Plt hps  plihx : pt  d x    h  g 92 Tính tốn chiều dày cần thiết    t conthx : max tnom _ hoop 0mm, f y x , , f u x , ,1.046, plihx , Pex ,0mm  Operating Presssure: Áp suất hoạt động Required test Pressure: Áp suất thử yêu cầu “Actual” test Pressure to fulfill requirement: Áp suất thử thực tế đáp ứng yêu cầu Kết x x : x  KPStep Bảng tổng hợp kết Required wall thickness: Chiều dày yêu cầu Propagation - Temporary phase: lan truyền (trường hợp tạm thời) Pressure containment - Hydrotest: Áp suất nổ (trường hợp thử thủy lực) Collapase temporary phase: Áp suất bóp méo (trường hợp tạm thời) Propagation - Operation phase: Sự lan truyền (trường hợp vận hành) Pressure containment - Operation phase: Áp suất nổ trường hợp vận hành Collapse - Operation phase: Áp suất bóp méo trường hợp vận hành 93 Chiều dày cho trường hợp 94  WTx : max t contex , t contox , t collapasex , , t collapasex ,1  95 TÀI LIỆU THAM KHẢO API 5L – 2007 Specification for line pipe Brent Maxfield - Essential MATHCAD for engineering, science and Math DNV - OF - F101 - 2000 DNV E305 stability sub pipeline KS Huỳnh Vương Thu Minh Giáo trình mathCAD 2001i Pipeline and riser basic Pipeline wall thickness and material grade selection Pipeline wall thickness and material grade selection report Pipeline on bottom stability report 10.Wall thickness and material grade slection report 11 Specification for line pipe 12.TCVN 6547 – – 2007 13 TCVN 6547 – -2007 ... thơng số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô Một số đề xuất công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu. .. TÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD ĐỂ TÍNH TỐN MỘT SỐ THƠNG SỐ PHỤC VỤ CÔNG TÁC THIẾT KẾ TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TỪ GIÀN THĂNG LONG ĐẾN TRẠM THU GOM XỬ LÝ THĂNG LONG - ĐÔNG ĐÔ Ngành : Kỹ thu? ??t... kế, thi công tuyến ống dẫn dầu môi trường biển Chương 3: Ứng dụng chương trình mathCAD tính tốn số thông số phục vụ công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu 12 in từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom