Các phương pháp thi công đường ống dưới biển

Ngành dầu khí Việt Nam tuy còn non trẻ, với hơn 30 năm xây dựng và phát triển nhưng đã sớm khẳng định vị trí của nó trong nền kinh tế quốc dân, cho tới nay dầu khí vẫn luôn được coi là ngành kinh tế mũi nhọn. Tuy nhiên dầu khí Việt Nam chủ yếu là khai thác ngoài khơi, tập trung ở vùng thềm lục địa phía Nam Việt Nam, độ sâu nước biển không lớn và trải dài trên diện tích rộng. Hiện nay nguồn dầu khí khai thác tại các mỏ đang giảm dần, Tập Đoàn dầu khí Quốc gia Việt Nam vẫn đang tiếp tục tìm kiếm, thăm dò và phát hiện các mỏ mới. Một trong những lĩnh vực của nền công nghiệp dầu khí hiện đang rất được quan tâm đó là vận chuyển dầu khí. Nó là khâu quan trọng nối liền khai thác với chế biến và tiêu thụ, mà quá trình phát triển gắn liền với quá trình khai thác dầu khí. Đặc thù chung trong việc khai thác dầu khí ở nước ta là các giếng khai thác ở xa ngoài biển nên việc đưa dầu khí vào đất liền đòi hỏi một hệ thống đường ống dẫn lớn và yêu cầu làm việc hiệu quả, độ tin cậy cao. Với điều kiện khai thác như vậy thì việc thi công, lắp đặt các hệ thống đường ống dẫn dầu khí ngoài biển trở nên hết sức khó khăn, phức tạp. Vì vậy nhóm chúng em sẽ đi sâu tìm hiểu về “các phương pháp thi công đường ống dưới biển”.

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành dầu khí Việt Nam tuy còn non trẻ, với hơn 30 năm xây dựng

và phát triển nhưng đã sớm khẳng định vị trí của nó trong nền kinh tế quốc dân, cho tới nay dầu khí vẫn luôn được coi là ngành kinh tế mũi nhọn Tuy nhiên dầu khí Việt Nam chủ yếu là khai thác ngoài khơi, tập trung ở vùng thềm lục địa phía Nam Việt Nam, độ sâu nước biển không lớn và trải dài trên diện tích rộng Hiện nay nguồn dầu khí khai thác tại các mỏ đang giảm dần, Tập Đoàn dầu khí Quốc gia Việt Nam vẫn đang tiếp tục tìm kiếm, thăm dò và phát hiện các mỏ mới

Một trong những lĩnh vực của nền công nghiệp dầu khí hiện đang rất được quan tâm đó là vận chuyển dầu khí Nó là khâu quan trọng nối liền khai thác với chế biến và tiêu thụ, mà quá trình phát triển gắn liền với quá trình khai thác dầu khí Đặc thù chung trong việc khai thác dầu khí ở nước ta là các giếng khai thác ở xa ngoài biển nên việc đưa dầu khí vào đất liền đòi hỏi một hệ thống đường ống dẫn lớn và yêu cầu làm việc hiệu quả, độ tin cậy cao Với điều kiện khai thác như vậy thì việc thi công, lắp đặt các hệ thống đường ống dẫn dầu khí ngoài biển trở nên hết sức khó

khăn, phức tạp Vì vậy nhóm chúng em sẽ đi sâu tìm hiểu về “các phương pháp thi công đường ống dưới biển”.

TỔNG QUAN

Ngày nay trong các ngành sản xuất công nghiệp,đường ống và bể chứa nói chung được sử dụng rộng rãi ở nhiều phạm vi khác nhau Nó có tác dụng quan trọng trong việc vận chuyển và cất giữ các sản phẩm công nghiệp mà thiếu nó thì quá trình tự động hoá của một số ngành công nghiệp sẽ gặp nhiều khó khăn, thậm chí không thực hiện được Vì vậy, việc xây dựng một tuyến ống phải được tuân thủ nghiêm ngặt theo các bước cơ bản sau:

- Công tác khảo sát: khảo sát chiều dài, vật liệu ; khảo sát địa hình, địa mạo; khảo sát nền móng (ổn định đường ống)

- Tính toán công nghệ: tính toán bền, nhiệt, thủy lực

- Xây lắp, thi công tuyến ống: ở đất liền, trên biển

I Công tác khảo sát

Công việc đầu tiên để tiến hành lắp đặt hệ thống đường ống là khảo sát địa hình thực tế khu vực tuyến ống sẽ đi qua, làm cơ sở cho việc thiết

kế tuyến ống và lắp đặt sau này Những vấn đề quan trọng cần phải quan tâm là:

- Việc lựa chọn tuyến ống là công việc then chốt trong quá trình xây lắp đường ống trên đất liền và cần xem xét toàn diện các vấn đề liên quan đến xây lắp trước khi hoàn thành tuyến ống Thông thường sau khi

đã xác định tuyến ống sơ bộ bằng các bản đồ có sẵn, các kỹ sư phải khảo sát dọc tuyến ống để thay đổi tuyến ống sơ bộ bằng các bản đồ có sẵn, để thay đổi tuyến ống cho phù hợp với các vị trí gây khó khăn cho quá trình lắp ống Trong giai đoạn này người kỹ sư có thể lựa chọn các tuyến ống thay thế tại các đoạn trong tuyến ống đã được xác định trước đó Trong điều kiện hệ thống giao thông tốt, việc vận chuyển thiết bị ra vào để lắp đặt tuyến ống trở nên dễ dàng

Tuy nhiên, nếu điều kiện giao thông đường bộ và đường sắt yếu kém, các kỹ sư cần phải giải quyết vấn đề vận chuyển một số lượng lớn ống đến các vị trí dọc theo tuyến ống Nếu các đường để vận chuyển không có sẵn thì phải xem xét khả năng xây dựng các đường mới Do vậy thường tuyến ống được chọn sao cho nằm dọc theo hệ thống đường bộ và đường sắt có sẵn Quá trình khảo sát để lựa chọn tuyến ống chính xác đi kèm với quá trình đóng các trụ bê tông đánh dấu các điểm giao nhau của tuyến ống Thường thì cứ khoảng 250 m sẽ được đóng một cọc bê tông để đánh dấu tuyến ống

- Vật liệu chế tạo ống: chúng ta phải xác định được ngoại lực tác động lên đường ống khi làm việc rồi chọn vật liệu và bề dày thích hợp để ống làm việc an toàn

- Tổn thất áp suất trên tuyến: đây là vấn đề quan trọng nhất, để đảm bảo các thông số vận hành Vấn đề này liên quan đến việc lựa chọn đường kính ống, lựa chọn những góc ngoặt thay đổi hướng của tuyến ống, lựa chọn các thiết bị và phụ kiện của đường ống phải thích hợp

- Công việc lắp đặt phải thuận tiện: nơi tuyến ống lắp đặt thuận tiện khi vận chuyển tập kết vật tư ống cùng các phụ kiện cũng như phương tiện cơ giới, sử dụng máy móc phục vụ công tác lắp đặt

- Tuổi thọ lâu dài của đường ống thể hiện ở chất lượng thép vật liệu làm ống, độ bền vững của các mối hàn ống, phương pháp bảo vệ ăn mòn đường ống, thiết bị cũng như việc bảo vệ và bảo dưỡng sau này

- Đảm bảo tính ổn định của đường ống, thể hiện ở việc tính toán khối lượng, số lượng các gối đỡ, khối bê tông gia tải (đối với đường ống trên bờ trong các trạm phân phối khí) Để tránh hiện tượng giãn nở vi nhiệt

- Yêu cầu về môi trường: nhằm mục đích đảm bảo sức khoẻ cho con người, tuổi thọ của thiết bị và bảo vệ môi trường trong suốt quá trình xây dựng và vận hành tuyến ống Luật môi trường Việt Nam được áp dụng trong phần lớn các trường hợp Luật môi trường Quốc tế sẽ được sử dụng chỉ khi luật môi trường Việt Nam chưa đầy đủ hoặc không thích hợp

II Xây lắp, thi công tuyến ống

Quá trình xây lắp đường ống đất liền đòi hỏi sự chuẩn bị cẩn thận

và lập kế hoạch chi tiết, với một số đường ống có thể dài tới hàng ngàn

km, các vấn đề hậu cần trở nên rất lớn Do đó,tất cả các công việc tiến hành quá trình xây lắp phải được phối hợp đặc biệt cẩn thận đẻ công trường xây lắp không trải dài ra đến hàng trăm km với quá trình kiểm soát và giám soát rất khó khăn và thiếu hiệu quả

Quá trình xây lắp đường ống bao gồm nhiều phương tiện như các trạm bơm và máy nén, các thiết bị đo đếm và phóng thoi, hệ thống bảo vệ cathode, các phòng điều khiển, các trạm valve, bồn chứa…đi kèm với quá trình lắp đặt hệ thống đường ống thật sự Đây chính là lý do của mức độ phức tạp cao khi lắp đặt một hệ thống đường ống

Các quá trình cơ bản xây lắp đường ống :

- Lựa chọn và đánh dấu tuyến ống,

- Quá trình đào rãnh,

- Quá trình rải ống và uốn ống,

- Quá trình hàn ống,

- Phủ ống và hạ ống xuống rãnh,

- Quá trình lấp rãnh,

- Thi công tại các vị trí cắt ngang ống qua các khu vực đặc biệt,

- Phục hồi trạng thái ban đầu

2 Tổng quan về thi công tuyến ống biển

+ Mục đích

- Thi công đường ống là đặt ống vào đúng vị trí thiết kế dưới đáy biển

- Là giai đoạn thi công chính, chiếm nhiều thời gian và chi phí nhất

- Thường sử dụng các phương tiện thi công chuyên dụng

- Lựa chọn ra phương án thi công thích hợp nhất để vừa đảm bảo yêu

cầu kỹ thuật cũng như giá trị kinh tế…

+ Các phương pháp thi công tuyến ống biển

Hiện nay có rất nhiều phương pháp thi công đường ống ngầm, bao gồm phương pháp thi công bằng xà lan (tàu) thả ống, phương pháp thi công kéo ống và nhiều phương pháp khác Việc lựa chọn phương pháp thi công thích hợp phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể và đặc điểm của loại ống cần thi công như đặc trưng về kích thước ống, ống có được bọc gia tải hay không được bọc gia tải, độ sâu thi công, điều kiện thời tiết, đội tàu thi công sẵn có, thời gian thi công cho phép, tính kinh tế của từng phương pháp…

* Các phương pháp thi công chủ yếu:

- Thả ống theo phương ngang bằng xà lan chuyên dụng (S - lay);

- Xà lan thả ống có trống cuộn (Reel barge);

- Kéo ống trên mặt nước (Surface float);

- Kéo ống sát mặt nước (Below surface float);

- Kéo ống sát đáy biển (Controlled about bottom pull);

- Thả ống bằng ống chữ J từ platform;

- Thả ống theo phương đứng bằng xà lan chuyên dụng (J - lay);

2.1 Giới thiệu cỏc phương phỏp thi cụng đường ống hiện đang được

ỏp dụng

a) Phương phỏp thi cụng bằng xà lan thả ống (Lay - Barge Methode)

0.0 m

56 m

tời kéo

đầu kéo

cáp neo

đáy biển

cáp kéo thiết bị căng

cáp neo stinger

đường ống

Hỡnh 1 Phương phỏp thi cụng bằng xà lan thả ống

* Phõn loại

- Box shaped: là thế hệ đầu tiờn, hạn chế khả năng thi cụng trong điều kiện thời tiết xấu ( súng < 5ft);

- Ship shaped: là thế hệ thứ hai, thi cụng được trong điều kiện súng 12ft chớnh diện;

- Semi - submersible: là thế hệ thứ ba, thi cụng được trong điều kiện súng từ 15 ữ 17ft, ổn định cao, thi cụng được ở độ sõu nước lớn

* Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động

+ Cấu tạo:

Xà lan lắp đặt đường ống là loại tàu biển được trang bị cỏc thiết bị chuyờn dụng cho việc rải ống

- Trờn boong tàu người ta lắp đặt cỏc thiết bị dựng cho việc kiểm tra cỏc mối hàn rỏp nối, cẩu dựng cho nõng hạ ống, cỏc vật liệu khỏc nhau

để thực hiện cho việc lắp rỏp, nõng ống và thả trượt, cỏc tời neo, thiết bị động lực, thiết bị dựng cho kộo căng đường ống Tensioner, bục điều khiển và sàn dựng cho mỏy bay hạ cỏnh

- Trờn tàu cũn cú nơi ăn ở và sinh hoạt, việc cung cấp ống và cỏc vật liệu khỏc nhau được trợ giỳp bởi cỏc tàu bổ trợ

- Xà lan lắp đặt đường ống trong thời gian làm việc di chuyển nhờ

hệ thống neo, hệ thống neo này đảm bảo vị trí bền vững của xà lan khi thi công

+ Nguyên lý hoạt động:

Công nghệ lắp đặt đường ống từ xà lan là nối theo trật tự các ống hàn thành các nhánh Việc hàn ống được thực hiện trên các đoạn nghiêng, hơi xoắn của boong, có trang bị giàn con lăn và đồng thời được dùng làm thiết bị thả ống Khi lắp đặt ở đường ống ở độ sâu không lớn được thả trực tiếp hay gián tiếp từ thiết bị thả hay sử dụng dạng cầu trượt thẳng Khi độ sâu lắp đặt tăng lên, tải trọng tăng lúc đó cần thiết phải sử dụng các phương tiện làm giảm tải trọng dư Ứng suất lớn nhất xuất hiện ở đoạn nằm giữa điểm xuống dốc của ống dẫn từ xà lan và đáy biển Để hạn chế ứng suất này trên xà lan lắp đặt đường ống có trang bị các cầu trượt cong đều và các thiết bị kéo tạo ra các ứng suất dọc Để lắp đặt đường ống xuống đáy người ta sử dụng Stinger hình dáng đường cong chữ S, ở đây các ứng suất xuất hiện trên các đoạn lồi và lõm của nó Các ứng suất xuất hiện trên đoạn cong lồi được giới hạn bằng cầu trượt tạo cho đường ống góc nghiêng an toàn, còn trên đoạn cong lõm nhờ thiết bị kéo tạo ra sức căng và được bố trí trên đoạn nghiêng của đường lắp ráp Có ba loại cầu trượt là: thẳng, cong thẳng liền và cong đều có khớp cầu

* Ưu, nhược điểm của phương pháp

+ Ưu điểm:

- Phương pháp này cho phép thi công liên tục

- Mọi công việc từ khâu thực hiện đến khâu kiểm tra đều được thực hiện trên tàu do vậy độ an toàn tương đối cao

- Sử dụng được với loại ống có lớp bọc gia tải hoặc không gia tải

- Sử dụng được với nhiều loại đường ống có đường kính khác nhau

- Thi công được cả trong vùng nước tương đối sâu và nước nông

- Việc hàn nối được thực hiện trên tàu đồng thời trong lúc thả ống nên không đòi hỏi phải có xưởng thi công hàn nối trên bờ

+ Nhược điểm:

- Đòi hỏi tàu chuyên dụng, giá thuê tàu đắt

- Luôn cần có tàu dịch vụ để phục vụ công tác thả neo cũng như cung cấp ống

- Tốc độ thi công thấp hơn so với một số phương pháp khác

* Phạm vi áp dụng

- Áp dụng chủ yếu cho vùng nước nông

- Loại ống có đường kính vừa và nhỏ

- Áp dụng thả ống liên tục với các tuyến ống dài

- Áp dụng trong điều kiện thời tiết thuận lợi

b) Phương pháp thi công bằng xà lan có trống cuộn (Reel - Barge Methode)

Khác với phương pháp thi công bằng xà lan thả ống, phương pháp này

không thực hiện công tác hàn nối ống trên tàu Ống được hàn nối liên tục

và được cuộn sẵn quanh các trống có kích thước lớn đặt trên tàu Việc thả ống cũng được sử dụng Stinger, di chuyển bằng neo tương tự như phương pháp thả ống bằng xà lan thả ống

Hình2 Phương pháp thi công bằng xà lan có trống cuộn

* Phân loại

Tàu thả ống có trống cuộn bao gồm hai loại:

- Trống ngang trục xoay thẳng đứng

- Trống đứng trục xoay nằm ngang Loại này linh hoạt hơn, ống có thể đưa từ bên dưới hoặc bên trên nên áp dụng được cho cả vùng nước sâu và vùng nước nông, giảm thiểu tối đa ứng suất uốn xuất hiện trong đoạn cong lồi Có thể không cần dùng đến Stinger

Hình dạng ống khi thả có thể là S - lay hoặc J - lay

Hình 3 Hình dạng ống khi thả kiểu S - lay

Hình 4 Hình dạng ống khi thả kiểu J - lay

* Nguyên lý hoạt động và cấu tạo

- Đường ống được chế tạo trên bờ: hàn nối, bọc chống ăn mòn, sau

đó cuộn đều lên trống cuộn có đường kính lớn

- Tàu thả ống cùng trống cuộn di chuyển đến vị trí xây dựng và tiến hành rải ống

- Khi thả ống, đường ống được thả dần khỏi trống, ống được làm thẳng, làm tròn sau đó đưa xuống biển

- Khi thi công ở vùng nước sâu, có thể dùng Tensioner để tạo lực căng

- Tùy điều kiện thời tiết, thường tốc độ thả ống khoảng 0,514 m/s

- Khi thả hết một cuộn ống, hàn đầu kéo vào cuối ống và thả tiếp bằng cáp, tàu quay về cảng lấy trống cuộn thay thế

- Tại vị trí thi công, ống đã thả được kéo ngược lên tàu để hàn vào đầu ống mới và thả tiếp

* Ưu, nhược điểm của phương pháp

+ Ưu điểm:

- Tốc độ thi công cao, thích hợp với điều kiện thời tiết thuận lợi

- Chất lượng mối hàn, vỏ chống ăn mòn cao do được thi công và kiểm tra trong nhà máy

- Có thể không cần Stinger

+ Nhược điểm:

- Đường kính ống bị hạn chế, thường đường kính là 10 – 16 inch

- Không cho phép bọc gia tải

- Thi công nối cuối ống rất phức tạp và tốn thời gian

- Cần phải gia tăng chiều dày ống để tránh các hiện tượng ống bị bóp méo trong khi cuộn hoặc thả ống

* Phạm vi áp dụng

- Áp dụng cho tuyến ống dài liên tục

- Thích hợp vùng nước nông

c) Phương pháp thi công kéo ống

Thi công bằng phương pháp kéo ống trên mặt nước là các phân

đoạn ống được nối liên tiếp thành những đoạn phụ thuộc vào khả năng của tàu kéo Để duy trì được mức nổi sát mặt cần có hệ thống cầu phao (ponton) để nâng đỡ ống Hệ thống ponton tạo thành những gối đỡ, ống phải làm việc như một dầm liên tục Các đoạn ống được kéo ra vị trí thi công nhờ tàu kéo và tàu giữ

* Ưu, nhược điểm của phương pháp

+ Ưu điểm:

- Thi công trên biển tương đối nhanh

- Yêu cầu sức kéo không quá lớn

- Mọi công việc hàn, kiểm tra được thực hiện trên bờ do vậy đường ống có chất lượng cao

- Chỉ cần một loại phao phục vụ cho công tác thi công thả ống, phao có cấu tạo đơn giản

+ Nhược điểm:

- Đòi hỏi phải chế tạo mặt bằng thi công trên bờ là lớn, độ dốc của bãi chế tạo là nhỏ

- Phải chế tạo hệ thống ponton và các thiết bị phụ trợ cho công tác lắp ghép các ponton vào đường ống

- Việc thi công sẽ là bất lợi khi thi công tuyến ống xa khu vực bãi lắp ráp do thời gian di chuyển trên biển dài

- Gây cản trở các hoạt động dân sự trên biển như sự đi lại của tàu thuyền, các hoạt động đánh cá…

* Phạm vi áp dụng

- Áp dụng cho vùng nước nông

- Tàu kéo có công suất thấp

- Tuyến ống ngắn

Phương pháp kéo ống sát mặt biển (Below Surface Tow)

Để hạn chế tác động của sóng - dòng chảy và sự cản trở giao thông hàng hải, người ta bố trí cho ống nổi cách mặt nước một khoảng tuỳ theo thiết kế nhờ hệ thống phao nâng và hệ thống phao điều chỉnh khoảng cách, công tác kéo ống cũng sử dụng tàu kéo và tàu giữ Việc thi công diễn ra tương đối nhanh do điều kiện thi công tuyến ống khá thuận lợi, ít gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Phương pháp thi công này sử dụng đồng thời hai loại phao nổi khác nhau là: phao điều chỉnh và phao phụ và nó có thể áp dụng thi công cho mọi độ sâu nước Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi mặt bằng thi công trên bờ là lớn, độ dốc của bãi chế tạo nhỏ và thường gặp nhiều khó khăn khi thi công tuyến ống xa khu vực bãi lắp ráp do tốn nhiều thời gian di chuyển trên biển dài

Hình 5 Phương pháp thi công kéo ống sát mặt biển