Căn cứ chọn vật liệu thép ống:
+ Điều kiện chịu lực của ống trong các trạng thái lắp đặt và vận hành khai thác, bao gồm cả áp suất do chất vận chuyển bên trong ống và lực môi trờng tác động bên ngoài.
+ Mức yêu cầu về độ tin cậy của công trình. + Khí hậu tại khu vực xây dựng công trình.
+ Tính chất và thành phần hoá học của chất vận chuyển.
+ Việc lựa chọn vật liệu cho tuyến ống còn phải đảm bảo khả năng của các thành phần của tuyến. Khi lựa chọn vật liệu thì các đặc trng của vật liệu phải đảm bảo các đặc trng sau:
• Các thuộc tính về cơ khí • Độ cứng của vật liêu.
• Độ bền (không xảy ra các vết nứt trên bề mặt) • Khả năng chống mỏi
• Khả năng hàn đợc
• Khả năng chống ăn mòn ( cả bên trong lẫn bên ngoài)
• Khả năng chống ăn mòn điện hoá giữa các vật liệu kim loại khác nhau • Khả năng chống mài mòn hoặc phá huỷ cơ khí trong quá trình lắp đặt và
vận hành.
Qua các số liệu đầu vào và kinh nghiệm thiết kế các công trình đã xây dựng ta chọn vật liệu là thép Carbon API Grade 5L X60 với các đặc trng cơ lý nh sau:
Bảng 3.1: Các đặc trng cơ lý của vật liệu
Mác vật liệu API 5L X60
Mô đun đàn hồi, MPa 210000
Hệ số Poisson 0.3 SMYS, MPa 413 SMTS, MPa 517 Hệ số giãn nở vì nhiệt, 1/0C 11.7*10-6 Hệ số truyền nhiệt, W/mK 50 Khối lợng riêng kg/m3 7850 3.4. Lựa chọn kích thớc đờng ống
Việc lựa chọn chính xác đờng kính của tuyến ống sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao cho công trình, ngợc lại sẽ gây lãng phí cho công trình. Trong phạm vi đồ án cho phép không xét đến yếu tố kinh tế mà chỉ lựa chọn trên các quy phạm kỹ thuật.
Việc lựa chọn kích thớc ống cần phải đảm bảo lu lợng thiết kế của khí qua ống. Theo tiêu chuẩn API RP 14E (Eq.2.1 trang 15) thì lu tốc ống đơn đợc tính nh sau: 0.0122
D Q
V = (3.1) Trong đó:
Q: lu lợng, đề bài không cho ta có thể giả thiết Q = 750 (m3/h) D: Đờng kính trong của ống
V: Lu tốc của chất lỏng trong ống. Giới hạn của V là: 3(feet/s) < V < 15 (feet/s). Hay 0.9144m/s < V < 4.572m/s.
Với V = 4.572 m/s ta có D= 0.2m
Với đờng kính nh trên và bề dày tuyến ống dự tính là t >12mm, ta có thể dự tính sơ bộ đ- ờng kính ngoài tuyến ống D nằm trong khoảng 0.212m đến 0.435m.
Từ giới hạn trên ta chọn đờng kính ngoài của ống là 14’’ (35,56 cm)
3.5. Tính toán chiều dày ống.
3.5.1. Cơ sở lựa chọn chiều dày ống
Việc lựa chọn chiều dày ống căn cứ vào khả năng chịu áp suất của khí vận chuyển bên trong đờng ống, áp suất ngoài dới sự tác động của áp lực thuỷ tĩnh và ứng suất phát sinh trong quá trình thi công thả ống.
3.5.2. Tính toán lựa chọn chiều dày ống chịu áp lực trong.
áp lực trong xuất hiện trong quá trình vận hành của tuyến ống hay áp lực thử khi thi công tuyến ống là tải trọng chính tác động lên đờng ống. Điều kiện ống đủ bền để chịu áp lực trong là điều kiện tiên quyết, đây cũng là bài toán quan trọng nhất trong thiết kế đờng ống.
Vì đờng ống tròn lại chịu áp lực trong lên ứng suất xuất hiện trong ống bao gồm ứng suất vòng và ứng suất dọc chiều dài ống. Với các ứng suất dọc chiều dài ống do sự giãn nở vì nhiệt, độ chênh áp dòng chảy, lực căng d do thi công là rất nhỏ so với ứng suất vòng. Vì vậy ứng suất vòng là nguyên nhân chủ yếu gây ra phá hoại đờng ống, nó làm nổ ống hoặc làm ống bị chảy dẻo khi mà khả năng chịu áp lực trong của đờng ống không đảm bảo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.5.2.1. Đặt vấn đề
ống ngầm trong trạng thái khác nhau đều chịu áp lực ngoài và áp lực trong, áp lực trong là áp lực của chất vận chuyển chảy trong ống gây lên, áp lực ngoài chính là áp lực thuỷ tĩnh do cột nớc bên trên ống gây lên. Sự chênh lệch giữa áp suất ngoài và áp suất trong gây lên ứng suất vòng, ứng suất này có phơng vòng xung quanh tiết diện vành khuyên của ống
3.5.2.2. Bài toán đặt ra
Ta phải lựa chọn chiều dày ống tối thiểu để ứng suất vòng không thể vợt quá ứng suất cho phép. Việc tính toán lựa chọn chiều dày là một quá trình lặp đợc thực hiện đồng thời khi giải quyết các bài toán khác nhau của công trình đờng ống biển nh: tính toán chịu áp lực trong, ổn định vị trí, ổn định lan truyền, ổn định tổng thể, ứng suất trong quá trình lắp đặt Vì vậy cần tìm ra một chiều dày thích hợp đáp ứng đ… ợc tất cả các yêu cầu trên và giải quyết đợc tất cả các bài toán kinh tế, kỹ thuật đòi hỏi phải thực hiện nhiều lần.
3.5.2.3. Nguyên tắc tính toán theo quy phạm, tiêu chuẩn
- Đảm bảo xét mọi trạng thái làm việc và sự cố của công trình. - Kể đến sai số chế tạo, thi công và hệ số an toàn.
- Kể đến các biến dạng, ăn mòn có thể xảy ra
- Phơng pháp tính: thờng sử dụng phơng pháp tính theo trạng thái giới hạn.
- Theo tiêu chuẩn DnV-2000 mục B400 minimum wall thickness, trang 32 thì bề dày tối thiểu của đờng ống phải thoả mãn một số yếu tố sau
+ Trừ khi đờng ống đợc bảo vệ nhằm chống lại các tác động do sự cố, vật rơi và các tải trọng bên ngoài khác bằng các biện pháp phù hợp, bề dày danh nghĩa tối thiểu của đờng ống phải là 12mm đối với các đờng ống có đờng kính danh nghĩa lớn hơn 8’’ (20,32cm) với cấp an toàn cao và vùng 2.
+ Đối với các đờng ống có đờng kính danh nghĩa nhỏ hơn 8’’ với cấp an toàn cao và vùng 2, khi xác định chiều dày tối thiểu của đờng ống phải tiến hành đánh giá cẩn thận về các tác động sự cố, vật rơi và các tải trọng bên ngoài khác.
3.5.2.4. Tính toán bề dày theo quy phạm DNV 2000
Theo quy phạm DnV 2000 ỏp lực trong phải thoả món điều kiện sau (công thức 5.14 DnV 2000) m sc b e li t p p p γ γ . ) (1 ≤ − (3.5.1) Trong đú:
- Pli : là áp lực trong. Chính làáp lực cục bộ trong điều kiện có sự cố trong đờng ống xẩy ra tại vị trí tính toán.
+ Trạng thái vận hành Pli đựơc xác định theo công thức (mục E100_DnV 2000): Pli =Pinc +ρcont.g.h =Pd.γinc +ρcont.g.h (3.2) Trong đó:
Pinc : áp lực trong trờng hợp sự cố.
Pd : áp lực thiết kế. Pd = 4868 KPa = 4.868 MPa
γinc: hệ số tơng quan giữa áp lực thiết kế và áp lực khi xảy ra sự cố, là tỷ số áp lực khi xảy ra sự cố trên đờng ống với áp lực thiết kế.
Theo DnV 2000 mục B305 thì:γinc =1,05 ữ1,1. Thiên về an toàn ta chọn γinc =1,1.
ρcont:Mật độ chất vận chuyển chứa trong ống, ống dẫn hỗn hợp khí ρcont= ρk= 148 kg/m3.
g : Gia tốc trọng trờng, g = 9,81(m/s2).
h : độ chênh cao giữa điểm đo áp lực và điểm tính toán.
+ Trạng thái thử áp lực: áp lực trong ống tại vị trí tính toán lấy bằng áp lực kiểm tra(mục E100 trang 110 của tài liệu DnV 2000):
Plt =Pt +ρt.g.h=1.05.Pinc.+ρt.g.h (3.3) Với :
ρt: là mật độ chất vận hành thử khi kiểm tra. ở đây là nớc biển: ρt=ρnb=1025 kG/m3.
- Pe: áp lực ngoài (trong trờng hợp này áp lực ngoài có lợi cho đờng ống chịu áp lực trong, thiên về an toàn ta tính với Pe min).
Pe =γnb.(h−η.Hmax) (3.4) + h: chiều cao cột nớc tại vị trí tính toán, trong trờng hợp này ta lấy h = d0
+ η: là hệ số kể đến ảnh hởng của lý thuyết sóng, η = 0,5.
năm, trạng thái vận hành Hmax đợc lấy với chu kỳ 100 năm.
- Pb(x): là ỏp lực trong giới hạn mà đường ống cú thể chịu được tớnh theo cụng thức (tài liệu DnV 2000 –sec.5 D403) : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Pb (x)= min{pb,s(x), pbs,u(x)} (3.5) Với:
+ pb,s(x): là khả năng chịu lực trong của đường ống theo TTGH chảy dẻo.
+ pb,u(x) : là khả năng chịu lực trong của đường ống theo TTGH phỏ vỡ(nổ) do ứng suất vũng.
Chỳng được tớnh toỏn theo cụng thức: 3 2 . . 2 ) ( ,s y b f x D x x p − = (3.6) 3 2 . 15 . 1 . 2 ) ( ,u u b f x D x x p − = (3.7) • x: là chiều dày tớnh toỏn của đường ống. Theo DnV 2000-sec.5 C300 thì x
có hai công thức tính là x = t1 hoặc x = t2.
+ Với x = t1 tính cho bài toán liên quan đến áp lực. +Với x = t2 tính cho các trờng hợp khác.
+ ở đây ta tính theo bài toán xác định chiều dày theo điều kiện chịu áp lực trong nên ta tính theo t1
+ Trong trạng thỏi thi cụng thử ỏp lực tại nhà mỏy:
t1 = t - tfab (3.8) + Trong điều kiện vận hành:
t1 = t - tfab - tcorr (3.9) tfab: Độ dự trữ chiều dày đờng ống kể đến sai số do chế tạo
tfab = (5% - 10%).t, do ống sản xuất theo công nghệ đúc ống nên chọn tfab = 0,05.t
tcorr: Độ dự trữ chiều dày đờng ống do kể đến ăn mòn. Theo mục
B700_ DnV 2000 thì chiều ày ăn mòn tối thiểu tcorr= 3 mm, ta chọn luôn giá trị này để tính toán.
• fy : đặc trng ứng suất chảy dẻo của đờng ống. Theo bảng 5-2. DnV 2000 ta có: fy=(SMYS –fy,temp). αu
+ fy,temp là phần giảm ứng suất chảy dẻo đặc trưng do nhiệt ( tra theo đồ thị 5.1_ DnV 2000). Với nhiệt độ t = 50oC đợc fy,temp = 0
+ SMYS là ứng suất chảy dẻo nhỏ nhất đặc trưng của thộp ống. Ta có SMYS = 413 MPa
+ αu hệ số cường độ vật liệu được tra bảng 5.1 DnV 2000.
Bảng 3.2(5-1. DnV 2000): bảng hệ số cờng độ vật liệu
Hệ số Thụng thường Đề nghị bổ sung U
αu 0.96 1.00
Vậy ta chọn αu = 0.96
• fu : đặc trng độ bền chịu kéo của đờng ống, theo bảng 5-2. DnV 2000 ta có: fu=(SMTS –fu,temp). αu .αA
+ fu,temp là phần giảm khả năng chịu kộo đặc trưng do nhiệt. Trong phạm vi đồ án lấy fu,temp = 0
+ SMTS là khả năng chịu kộo nhỏ nhất của thộp ống. Ta có STMS = 517 MPa
+ αA hệ số khụng đẳng hướng.
Đốivới hớng dọc trục ống αA = 0,95;
Với các trờng hợp khác ta lấy theo bảng 6-3.DnV 2000 nó phụ thuộc vào khả năng chịu kéo nhỏ nhất và ứng suất chảy dẻo nhỏ nhất. Ta đợc αA =0.92. Vậy ta lấy αA = 0.92.
-γsc hệ số theo cấp an toàn của cụng trỡnh. γsc phụ thuộc vào cấp an toàn. Mặt khác theo [1] phạm vi ứng dụng cấp an toàn phụ thuộc vào loại chất vận chuyển và vùng tính toán.
Bảng 3.3(2-1. DnV 2000) : Phân loại chất vận chuyển (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Loại Mô tả
A Chất không cháy đợc, nguồn gốc từ nớc ( VD : nớc ...)
B Chất cháy đợc , hoặc có chứa thành phần độc hại ở dạng lỏng trong điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển ( VD: sản phẩm dầu khí ... ) C Các chất không cháy đợc mà là khí không độc hại ở điều kiện nhiệt
độ và áp suất khí quyển ( VD : nitơ , cacbonic ...) D Các chất khí không độc hại
E Các chất cháy đợc và độc hại dới dạng khí ở điều kiện nhiệt độ và áp suất khí quyển ( VD : khí thiên nhiên , etylen ...)
Chất vận chuyển là hỗn hợp khí, tra bảng 3.3, ta cú cụng trỡnh thuộc loại B.
Bảng 3.4(2-2. DnV 2000) : Phân loại vùng
Vùng Định nghĩa
1 Là vùng dọc theo tuyến ống không có hoạt động của con ngời 2
Vùng mà đờng ống/ riser ở gần dàn và vùng có hoạt động thờng xuyên của con ngời. Giới hạn vùng đợc xác định dựa trên các phân tích rủi ro của đờng ống và các hậu quả có thể xảy ra . Vùng này lấy trong phạm vi nhỏ nhất là 500m từ dàn ra phía ngoài.
Tra bảng 3.4 ta cú tuyến ống thuộc cả 2 vựng là vựng 1 và vựng 2
+Phõn loại cấp an toàn: (căn cứ theo sự phõn cấp khu vực, theo phõn loại nhiờn liệu đồng thời căn cứ vào cỏc hậu quả của sự cố nếu xảy ra)
Bảng 3.5(2-3. DnV 2000): Phân loại cấp an toàn
Cấp an toàn Định nghĩa
Thấp Khi sự cố xảy ra khụng gõy thương vong đến con người và hậu quả đối với kinh tế và mụi trường là nhỏ
Trung bỡnh
Khi xảy ra sự cố trong điều kiện nhất thời gõy ra rủi ro đối với con người nhưng ảnh hưởng ụ nhiễm mụi trường là đỏng kể hoặc hậu quả kinh tế là lớn.
Cao
Là cấp an toàn xảy ra trong điều kiện vận hành cụng trỡnh,khi xảy ra sự cố sẽ gõy thương vong lớn đối với con người, ảnh hưởng nghiờm trọng đến mụi trường và cú hậu quả lớn về kinh tế chớnh trị
Bảng 3.6(2-4. DnV 2000): Phạm vi ứng dụng cấp an toàn
Trạng thái Chất vận chuyển loại A , C Chất vận chuyển loại B Chất vận chuyển loại D , E
Vùng Vùng Vùng
1 2 1 2 1 2
Thử áp lực Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp
Vận hành Thấp Thấp Trung bình Cao Trung bình Cao
Tra bảng 3.6 ta cú được cấp an toàn của tuyến đường ống.
Bảng 3.7(5-5.DnV 2000): hệ số sức bền theo cấp an toàn, γSC
Cấp an toàn Thấp Trung bình Cao
Chịu áp lực 1.046 1.138 1.308
Trờng hợp khác 1.04 1.14 1.26 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết hợp bảng 3.6 và 3.7 ta cú hệ số theo cấp an toàn của tuyến đường ống:
Bảng 3.8: Kết quả hệ số sức bền theo cấp an toàn, γSC
Thử áp lực Vận hành
Vùng 1 2 1 2
Cấp an toàn Thấp Trung bình Thấp Cao
sc 1.046 1.138 1.046 1.308
- γm :hệ số độ bền vật liệu, theo bảng 5-4 của [1].
Bảng 3.9(5-4.[1]): Hệ số phụ thuộc độ bền vật liệu
Trạng thỏi giới hạn SLS/ULS/ALS FLS
γm 1.15 1.00
+ SLS: Trạng thái giới hạn theo khả năng phục vụ. Nếu vợt quá giới hạn này thì đờng ống không làm việc bình thờng đợc (giới hạn về độ ôvan, biến dạng đàn dẻo, hỏng lớp vỏ bê tông gia tải ). …
+ ULS: Trạng thái giới hạn cực hạn. Là một điều kiện mà nếu vợt quá thì sẽ làm tổn hại đến tính toàn vẹn của đờng ống (nổ ống, mất ổn định cục bộ, nứt ống, mất ổn định tổng thể ). …
+ ALS: Trạng thái giới hạn do sự cố + FLS: Trạng thái giới hạn mỏi
Do trong đồ án chỉ kiểm tra bền chứ không tính mỏi nên ta sẽ chọn hệ số phụ thuộc độ bền của vật liệu. γm = 1.15
3.5.2.5. Kết quả tính toán:
Do tuyến ống thiết kế có độ sâu nớc thay đổi nên khi tính toán ta sẽ tính cho những vị trí đại diện. Từ đó ta sẽ có kết luận về toàn tuyến ống thông qua những vị trí đó. Những vị trí đại diện cho toàn tuyến ống đó là những vị trí nh là: vị trí có độ sâu nớc lớn nhất, nhỏ nhất, vị trí thuộc vùng 1, vùng 2,.. cụ thể ta sẽ đi tính toán cho những vị trí sau:
Bảng 310: Những vị trí tính toán của bài toán
Vị trí 1 2 3 4
Đặc điểm độ sâu nớc lớn nhất độ sâu nớc nhỏ nhất
Vùng tính toán 1 2 2 1
Độ sâu nớc (m) 51 50.5 48.4 46.5
+ Kết quả tính toán bề dày đờng ống trong trạng thái thử áp lực tại nhà máy:
Trong điều kiện thử áp lực thì:
- Chiều dày tính toán: x = t1 = t - tfab - Chiều dày yêu cầu: tyc = t1 + tfab Ta có các bảng kết quả sau:
Bảng 3.11: Kết quả tính chiều dày
1 1 0.492 6.145 915.631*x/(0.3556-x) 2.622 2.753
2 2 0.487 6.140 915.631*x /(0.3556-x) 2.622 2.753
3 2 0.465 6.119 915.631*x/(0.3556-x) 2.622 2.753 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4 1 0.436 6.089 915.631*x/(0.3556-x) 2.622 2.753
Vậy tyc≥ 2.753 (mm)
+ Kết quả tính toán bề dày đờng ống trong điều kiện vận hành: