thiết kế hệ thống kiểm tra đường ống

LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay với tốc độ phát triển nhanh chóng của các nghành công nghiệp nặng, nhu cầu năng lượng không ngừng tăng cao, việc khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch t

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với tốc độ phát triển nhanh chóng của các nghành công nghiệp nặng, nhu cầu năng lượng không ngừng tăng cao, việc khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa thạch tác động nặng nề đến hàng loạt vấn đề về môi trường mà hế thệ sau này của cũng ta phải lãnh chịu

Trong xu thế phát triển bền vững, việc sử dụng các nguồn năng lượng có hạn như: than đá, dầu mỏ, khí đốt, là một trong những vấn đề cấp bách cho toàn thể nhân loại Sử dụng làm sao mà để không gây tổn hại đến môi trường con người, phá hủy hệ sinh thái là một trong những vấn đề đau đầu đối với các chuyên gia trên thế giới Việc

sử dụng và khai thấc than đá thải ra ngoài trái đất lượng lớn khí CO2 gây nên nóng lên toàn cầu, bên cạnh đó là việc đốt cây đề có nguồn cung cấp than Tai nạn khi khai thác

và vận chuyển dầu mỏ gây nên ô nhiễm môi trường biển (tràn dầu ra biển, phá hủy môi trường sinh thái, )

Việt Nam ta được trời phú cho thềm lục địa với rất nhiều mỏ dầu khí vì thế việc khai thác và sử dụng nguồn tài nguyên ấy để phát triển nền kinh tế đất nước là điều cần thiết Bởi vậy việc khai thác phải đi đôi với công cuộc bảo vệ môi trường, có thế thì đất nước Việt Nam mới có thể phát triển bền vững, tạo được môi trường sống sach sẽ không nguy hại đến con người

Thềm lục địa nước ta đang có rất nhiều các máy khai thác dầu mỏ đang hoạt động, bởi vậy vấn đề về chất lượng đường ống dẫn dầu phải được đảm bảo, có như thế thì mới đảm bảo việc an toàn trong khai thác dầu mỏ và tránh được tình trạng ô nhiễm môi trường biển

Việc thiết kế hệ thống kiểm tra khuyết tật đường ống (EMI Inspection Machine)

có thể phần nào giúp được đất nước ta giải quyết nhu cầu về chất lượng đường ống dầu

sử dụng trong ngành dầu khí

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Giới thiệu sơ lược về đường ống khoan 9

2 Ống khoan được sử dụng cho máy kiểm tra đường ống 12

3 Lý do chọn chi tiết ống khoan dầu 14

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN & SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 1 Đối tượng khách hàng và nhu cầu 16

2 Tiêu chí thiết kế 16

3 Tiêu chí ràng buộc 17

4 Đưa ra ý tưởng, đánh giá và lựa chọn 4.1 Phương án 1: Phương pháp siêu âm dùng đầu dò kép 17

4.2 Phương án 2: Thiết bị kiểm tra đường ống dạng thu gọn 18

4.3 Phương án 3: Máy kiểm tra khuyết tật đường ống 20

4.4 Lựa chọn phương án 21

5 Sơ đồ động của máy / hệ thống 5.1 Sơ đồ nguyên lý 22

5.2 Sơ đồ động 24

5.3 Quy trình hoạt động của hệ thống 25

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 1 Thiết kế hệ thống cung cấp ống 1.1 Hệ thống đỡ 1.1.1 Giàn đỡ ống 27

1.1.2 Thông số kỹ thuật 27

1.1.3 Chế tạo 28

1.2 Tay quay 31

1.3 Chọn xylanh 1.3.1 Xylanh lùi 32

1.3.2 Xylanh tiến 33

1.3.3 Chọn xylanh 34

2 Thiết kế hệ thống vận chuyển ống

2.1 Khung đỡ

2.1.1 Bộ đỡ 37

2.1.2 Thân 38

2.1.3 Đế 38

2.2 Con lăn rãnh V 2.2.1 Tính toán chọn trục cho con lăn rãnh V 39

2.2.2 Chọn và kiểm tra then 40

2.2.3 Kiểm nghiệm trục theo hệ số an toàn 41

2.2.4 Chế tạo 43

2.3 Gối đỡ 2.3.1 Sơ lược về gối đỡ 44

2.3.2 Kiếm nghiệm 46

2.4 Tính toán động cơ 2.4.1 Thông số của ống 47

2.4.2 Tính toán chọn động cơ 48

2.5 Hệ thống dẫn hướng 52

2.6 Nối trục 52

3 Thiết kế hệ thống kiểm tra đường ống 3.1 Hệ thống đỡ 3.1.1 Bàn máy 54

3.1.2 Chân bàn 55

3.2 Nơi lắp thiết bị kiểm tra 3.2.1 Tay cần 56

3.2.2 Bộ đỡ tay cần 57

3.2.3 Lò xo 57

4 Mối ghép dùng cho hệ thống 4.1 Bulong M10 & M14 59

4.2 Chốt chặn 59

4.3 Bulong nền 61

4.4 Bulong lục giác chìm đầu cầu 63

CHƯƠNG 4: NGUYÊN LÝ DÙNG CHO BỘ KIỂM TRA ỐNG 1 Kiểm tra không phá hủy 1.1 Khái niệm về kiểm tra không phá hủy 64

1.2 Nguyên lý chung của kiểm tra không phá hủy 65

1.3 Mục đích 65

1.4 Ý nghĩa 66

1.5 Nhiệm vụ 66

1.6 Khi nào sử dụng NDT 66

2 Phương pháp kiểm tra bằng dòng xoáy (Eddy Current Testing) 2.1 Khái niệm về kiểm tra bằng dòng xoáy 66

2.2 Kiểm tra dòng xoáy (ET) 67

2.3 Hạn chế của phương pháp (ET) 68

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.4 - Tín hiệu thu được chuyển hóa thành đồ thị 19

Hình 2.10 - Sơ đồ động hệ thống vận chuyển bằng con lăn rãnh V 24

Hình 2.12 - Quy trình hoạt động của hệ thống kiểm tra đường ống 26

Hình 3.9 - Kích thước của bệ đỡ cho xylanh 31

Hình 3.14a - Hệ thống khi xylanh ở trạng thái tiến 33 Hình 3.14b - Phân tích lực khi xylanh ở trạng thái tiến 34

Hình 3.27 - Phân tích chuyển động của con lăn và ống 48

Hình 3.44 - Khớp nối giữa xylanh, tay quay và bàn máy 60

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Giới thiệu sơ lược về đường ống khoan

Hình 1.1 - Đường ống khoan (Drill Pipe)

- Ống khoan là một ống thép có độ bền cao được sử dụng để truyền chuyển động quay xuống nơi khoan Các đầu nối ống khoan là những phần được tiện ren đặc biệt để nối với nhau tạo nên cột khoan

- Đường kính ngoài của ống phải theo tiêu chuẩn để các nầu nối ren có thế lắp khít vào nhau

- Ống khoan có hai đầu được gọi là đầu cái (Box) và đầu đực (Pin)

Hình 1.2 - Đầu cái (Box)

Hình 1.3 - Đầu đực (Pin)

- Cấu tạo của phần đầu cái:

Hình 1.4 - Cấu tạo của đầu cái

+ Tapered Shoulder: vai ống được ta-ro

+ Hard Banding: dải tăng cứng

+ Tong area: Bộ phận kết nối

- Cấu tạo của đầu đực:

Hình 1.5 - Cấu tạo của đầu đực

+ Thread: Ren

- Hai ống khoan kết nối với nhau:

Hình 1.6 Hai ống khoan kết nối với nhau

- Chiều dài của ống khoan dựa trên tiêu chuẩn API:

Bảng 1.1 – Tiêu chuẩn chiều dài theo API

2 Ống khoan được sử dụng cho máy kiểm tra đường ống

Box Tong

- Trong đó, đầu ống có 3 loại:

Hình 1.7 - Phân loại đầu ống

+ Loại đầu tiên: Internal Upset (IU), dày ở phần ống, mỏng dần ra phía đầu + Loại thứ hai: External Upset (EU), lòng ống thẳng, bề dày giảm ở đầu ống + Loại thứ ba: Internal/External Upset (IEU), kết hợp giữa IU và EU

- Cấp của ống được xác định theo tiêu chuẩn API:

Bảng 1.3 - Cấp của ống khoan

3 Lý do chọn chi tiết ống khoan dầu

- Trải qua 57 năm xây dựng và phát triển (1962-2018), ngành Dầu khí Việt Nam

đã có những bước phát triển vượt bậc, đóng góp vai trò quan trọng trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia, đóng góp lớn vào nguồn thu ngân sách Nhà nước và phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, đi đầu trong mở rộng hội nhập kinh tế quốc tế, tham gia có hiệu quả bảo vệ chủ quyền, quyền tài phán của Việt Nam trên Biển Đông và giữ vai trò quan trọng trong việc thực hiện Chiếc lược biển Việt Nam Ngành Dầu khí đã xây dựng được một đội ngũ cán bộ, vien chức và người lao động có trình độ chuyên môn cao vững vàng, được đào tạo cơ bản, năng động, sáng tạo, đáp ứng yêu cầu, hiệm vụ được giao

Bảng 2.1 - Đóng góp của PVN trong nền kinh tế quốc dân

- Từ điểm mốc khai thác m3 khí đầu tiên vào tháng 6/1981 và khai thác tấn dầu thô đầu tiên vào tháng 6/1986, đến nay Việt Nam đang khai thác 25 mỏ dầu khí ở trong nước và 10 mỏ ở nước ngoài với tổng sản lượng khai thác đến này đạt trên 455 triệu tấn quy dầu (trong đó, khai thác dầu là trên 346 triệu tấn và khai thác khí trên 108 tỷ m3), doanh thu từ bán dầu đạt trên 140 tỷ USD và đi đầu là tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN)

- Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đã và đang triển khai thực hiện 66 hợp đồng dầu khí, với số vốn thu hút đầu tư nước ngoài vào Việt Nam đạt gần 15 tỷ USD Xây dựng được hệ thống cơ sở vật chất kỹ thuật công nghiệp dầu khí hiện đại với 3 hệ thống đường ống dẫn khí: Bể Cửu Long – Dinh Cổ, Nam Côn Sơn 1 – Nam Côn Sơn 2 và PM3 Cà Mau, gắn liền với các nhà máy chế biến khí, hạ tầng công nghiệp khí thấp áp

… đang được vận hành an toàn và hiệu quả, hàng năm đang cung cấp trên 10 tỷ m3 khí cho phát triển công nghiệp tiêu dùng của nhân dân trong cả nước

Bảng 2.2 - Sản lượng khai thác dầu thô hằng năm 1986 - 2016

- Tóm lại, Việt Nam là một nước có tiềm năng về Dầu khí, do đó việc đẩy mạnh phát triển khai thác dầu mỏ sẽ mang lại hiểu quả kinh tế lớn Bên cạnh đó, dầu khí là nguồn năng lượng rất cần thiết trong mọi hoạt động của chúng ta, bởi vì thế nên nhu cầu

về mặt đảm bảo chất lượng về đường ống dẫn dầu cũng phải phát triễn một cách mạnh

mẽ Có như thế thì mới tránh được hiện tượng ô nhiễm môi trường, có thể khai thác lâu dài mà không làm ảnh hưởng hay biến đổi môi trường

CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN & SƠ ĐỒ

NGUYÊN LÝ

1 Đối tượng khách hàng và nhu cầu

- Đối với các đơn vị sản xuất và cung cấp:

+ Sản phẩm tạo ra nếu có năng suất thấp hơn các sản phẩm khác phải đảm bảo giá thành thấp hơn

+ Phương pháp gia công đơn giản khi chế tạo hạn chế thay thế dụng cụ hay gá đặt nhiều lần, dễ dàng sản xuất hàng loạt

+ Kích thước hệ thống giới hạn nằm trong khả năng vận chuyển hiện tại

- Đối với các cơ quan quản lý nhà nước:

+ Khi máy hoạt động, tác động tiêu cực đến môi trường là nhỏ nhất và phải nằm trong quy chuẩn cho phép

+ Đảm bảo an toàn lao động khi vận hành

+ Khi máy được vận hành chủ yếu bằng nguồn năng lượng sạch, không gây hại hay ảnh hưởng môi trường xung quanh

2 Tiêu chí thiết kế

- Quá trình kiểm tra không làm hư hại ống

- Kích thước máy không quá lớn

- Quá trình kiểm tra không quá lâu, tốc độ vận chuyển ống vừa phải

- Dễ dàng tháo lắp hay vệ sinh

- Hệ thống đơn giản, bố trí không phức tạp

- Giá thành tối ưu

3 Tiêu chí ràng buộc

- Ưu tiên phương pháp thông gió tự nhiên

- Kiểm tra được các loại ống có ϕ100 mm

- Có hệ thống cung cấp và tháo dỡ ống

- Có hệ thống băng tải dẫn truyền ống

4 Đưa ra ý tưởng, đánh giá và lựa chọn

4.1 Phương án 1: Phương pháp siêu âm dùng đầu dò kép

Hình 2.1 - Máy dò siêu âm đầu kép

-Nguyên lý: Trong trạng thái kim loại bị ăn mòn, bề mặt ở khu vực đó thường không đều Tất cả các máy đo siêu âm đều đòi hỏi tính thời gian sóng âm truyền vòng trong vật liệu kiểm tra Vì kim loại ở thể rắn có âm trở khác với các chất khí, các chất lỏng, hoặc sản phẩm của ăn mòn như lớp gỉ, sóng âm sẽ phản xạ từ mặt đáy của phần kim loại còn lại Thiết bị được lập trình với vận tốc âm trong vật liệu kiểm tra , và tính chiều dày theo công thức đơn giản là Khoảng cách = Vận tốc x Thời gian

- Ưu điểm:

+ Gọn nhẹ, giá thành không cao

+ Dễ bảo quản, vệ sinh

- Nhược điểm:

+ Đầu dò tiếp xúc trực tiếp bề mặt nên dễ bị xước hay dính bẩn

+ Không kiểm tra được bề mặt bị chất bẩn bám

+ Miền làm việc nhỏ (có một chiều dày tối thiểu mà dưới nó các phép đo không còn đúng nữa)

+ Không thể kiểm tra hết được khuyết tật đường ống

4.2 Phương án 2: Thiết bị kiểm tra đường ống dạng thu gọn

Hình 2.2 - EMI Inspection Equipment

- Nguyên lý: Dựa vào phương pháp Eddy Currents Testing (kiểm tra dòng điện xoáy), một cuộn dây quấn quanh một miếng sắt để tạo ra từ trường, từ trường này tạo ra bởi dòng điện xoáy hình thành trong ống kim loại được kiểm tra Từ trường tạo bởi dòng điện xoáy này có thể được theo dõi bằng chính đầu dò Chúng ta có thể theo dõi từ trường tạo ra bởi dòng điện xoáy này bằng một thiết bị đo gọi là Eddyscope (thiết bị hiển thị dòng xoáy) Nếu có sự thay đổi từ trường tạo bởi dòng điện xoáy, chúng ta có thể nói rằng đã phát hiện một số khuyết tật trong ống kim loại đang kiểm tra Thiết bị

đo sẽ cho thấy sự thay đổi của từ trường bằng cách hiển thị sự thay đổi bằng phát tín hiệu trên màn hình

Hình 2.3 - Eddy Currents Testing

Hình 2.4 - Tín hiệu thu được chuyển hóa thành đồ thị

- Ưu điểm:

+ Gọn nhẹ

+ Kiểm tra được cho đường ống cong, gấp khúc

- Nhược điểm:

+ Không tự động hóa

+ Giới hạn về đường kính đường ống có thể kiểm tra

+ Khối lượng quá nặng cho 1 người vì vậy cần 2 đến 3 người mới có thể

sử dụng và đặt máy đúng vị trí mong muốn

+ Việc di chuyển phụ thuộc hoàn toàn vào con người

4.3 Phương án 3: hệ thống kiểm tra khuyết tật đường ống

Hình 2.5 - EMI Inspection Machine

- Nguyên lý: Giống với phương án 2, chỉ khác ở cách sử dụng và bố trí

- Ưu điểm:

+ Chỉ cần một người điều khiển và 2 hoặc 3 người vân hành

+ Toàn bộ hệ thống đều tự động

- Nhược điểm:

+ Cần có hệ thống vận chuyển ống vào và ra

+ Đường ống có thành quá mỏng hoặc nhẹ thì không kiểm tra được

+ Khó khắn trong việc kiểm tra đường ống cong, gấp khúc hay quá ngắn

4.4 Lựa chọn phương án

- Chọn phương án 3: Hệ thống kiểm tra đường ống (EMI Inspection Machine)

- Lý do: Đa phần các khách hàng ở Việt Nam sử dụng máy kiểm tra đường ống đều là các công ty dầu khí độc quyền, bởi vậy số lượng đường ống cần kiểm tra rất nhiều, nên việc tự động hóa là tiêu chí hàng đầu của sản phẩm Đồng thời việc kiểm tra không quá phức tạp, có thể được vận hành bởi 1 hoặc 2 người

5 Sơ độ động của máy / hệ thống

5.1 Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.6 - Sơ đồ nguyên lý

- Hệ thống con lăn chữ V dùng để vận chuyển đường ống vào và ra

Hình 2.7 - Hệ thống vận chuyển đường ống

-Cụm máy dùng để kiểm tra đường ống

Hình 2.8 – Máy kiểm tra đường ống

-Nguyên lý: đường ống được vận chuyển vào bằng hệ thống cung cấp, sau khi vào cụm máy, bộ phận kẹp ở đầu cụm máy có tác dụng vừa giúp gia tăng chuyển động cho đường ống, đồng thời giúp cho đường ống không bị rung lắc khi đi vào vị trí kiểm tra Tại vị trí kiểm tra, sử dụng nguyên lý kiểm tra bằng phương pháp dòng điện xoay chiều (Eddy Current Testing) nhằm xác định khuyết tật trong đường ống Bộ phận kẹp

ở đuôi máy có công dụng tượng tự như ở đầu máy, vừa kẹp vừa tạo chuyển động cho đường ống

5.2 Sơ đồ động

- Hệ thống cung cấp ống

Hình 2.9 - Sơ đồ động của hệ thống cung cấp ống

- Đường ống được di chuyển thông qua hệ thống băng tải con lăn chữ V và chuyển động được tạo thành do các động cơ qua nối trục

Hình 2.10 - Sơ đồ động hệ thống vận chuyển bằng con lăn rãnh V

- Nơi đặt hệ thống kiểm tra đường ống

Hình 2.11 – Hệ thống để kiểm tra khuyết tật ống

5.3 Quy trình hoạt động của hệ thống

- Do bàn nghiêng 1o-2o, nên ống lăn trên bàn Khi ống ở vị trí thích hợp, xylanh hoạt động, đưa ống vào hệ thống vận chuyển ống đến bộ phận kiểm tra bằng cơ cấu con lăn rãnh V

- Sau khi ống qua bộ phận kiểm tra xong, ống tiếp tục được hệ thống vận chuyển đưa đến cuối hành trình, tại đây ống sẽ được nâng lên bàn bằng xylanh

- Do bàn nghiêng 1o-2o, nên ống sẽ lăn đến vị trí cuối cùng của bàn và được vận chuyển đưa vào kho

Hình 2.12 - Quy trình hoạt động của hệ thống kiểm tra đường ống

+Thép tấm (để hàn vào mặt bên của thép chữ H)

+Bộ phận đỡ cho tay cần và xy lanh

1.1.2 Thông số kỹ thuật

Hình 3.2 - Thép chữ I

- Thông số thép chữ H dùng cho phần tiếp xúc với ống và phần chân:

+ H = 150 (mm), B = 150 (mm), d = 7 (mm), t = 10 (mm)

- Thép tấm cho mặt đầu để gắn bản lề cho tay cầm:

+ Cho mặt trước: cao 150 (mm), rộng 150 (mm), bề dày 10 (mm)

- Thông số thép chữ H dùng làm phần đế:

+ H = 200 (mm), B = 200 (mm), d = 10 (mm), t = 12 (mm)

- Thép chữ H với thiết kế hình chữ H đặc biệt chắc chắn có thể chịu được áp lực lớn Vì vậy mà thép hình chư H là sản phẩm thường được sử dụng rộng rãi trong các công trình như ở nhà, kết cấu nhà tiền chế dành cho các kiến trúc cao tầng, cấu trúc nhịp cầu lớn, tấm chắn sàn Thép hình chữ H cực kì phong phú về hình dạng và kích thước Tùy vào mỗi loại công trình khác nhau với những yêu cầu về kỹ thuật khác nhau mà ứng dụng những loại thép hình chữ H chuyên biệt nhằm đảm bảo cho công trình hoặc máy móc

1.1.3 Chế tạo

- Toàn bộ các chi tiết được hàn với nhau

- Phần bề mặt để ống dầu lăn, có kích thước dài 3 m, rộng 150 mm và cao 150

mm

Hình 3.3 – Bàn (Phần tiếp xúc với ống)

- Phân chân đỡ có kích thước dài 650 mm, rộng 150 mm, cao 150 mm, được hàn vào phần thép tiếp xúc với ống và phần đế

Hình 3.4 - Phần chân đỡ

- Phần đế, nơi tiếp xúc với mặt đất, có kích thước dài 400 mm, rộng 400mm, cao

400 mm

Hình 3.5 - Phần đế

- Phần bản lề cho tay quay

Hình 3.6 - Phần bản lề cho tay quay

Hình 3.7 - Kích thước của bàn lề

- Phần bệ đỡ để gắn xylanh:

Hình 3.8 - Phần bệ đỡ cho xylanh

Hình 3.9 - Kích thước của bệ đỡ cho xylanh

1.2 Tay quay

Hình 3.10 - Tay quay

- Bộ phận dùng để nâng, hạ ống

- Được chế tạo bằng phương pháp đúc

- Có gân tăng cứng dày 10 (mm) cho tay quay

- Có thể xoay được gần như 90o

- Kích thước của tay quay 480(mm) x 200 (mm)

- Có bộ phận để kết nối với bàn vận chuyển và được cố định bằng chốt

1.3 Chọn xylanh

1.3.1 Xylanh lùi

Hình 3.11 - Hệ thống khi xylanh ở trạng thái lùi

- Ghi các đường kích thước cho hệ, xylanh đóng vai trò là gối đỡ cho hệ

Hình 3.12 – Khoảng cách giữa ống và các gối đỡ

- Thay thế các gối đỡ bằng lực, quy ước lực do cơ hệ sinh ra tập trung vào đoạn ống (khối lượng là 90 kg)

Hình 3.13 – Sơ đồ lực của xylanh khi lùi

- Ghi các đường kích thước và phân tích lực tại các gối đỡ

Hình 3.14b - Phân tích lực khi xylanh ở trạng thái tiến

+ Chọn xylanh theo Amech (Việt Nam): AMP3-RC-W

Bảng 3.1 - Xylanh theo Amech