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

VŨ KHẮC TÂM NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD 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

VŨ KHẮC TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2013

VŨ KHẮC TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD

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

quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà nội, ngày …… tháng 10 năm 2013

Tác giả luận văn

Vũ Khắc Tâm

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục hình vẽ

Danh mục bảng biểu

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan về mỏ Thăng Long 4

1.1.1 Giới thiệu chung 4

1.1.2 Tính chất lý hóa của sản phẩm khai thác 4

1.1.3 Kế hoạch phát triển mỏ 5

1.2 Giới thiệu một số phần mềm tính toán trong ngành dầu khí 7

1.2.1 Phần mềm ANSYS 7

1.2.2 Phần mềm HYSYS 7

1.2.3 Phần mền PIPESIM 8

1.2.4 Phần mềm MathCAD 9

Chương 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN 12

2.1 Tính toán lựa chọn tuyến ống 12

2.1.1 Tiêu chuẩn tính toán lựa chọn tuyến ống 12

2.1.2 Khảo sát kĩ thuật sơ bộ 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 ngoài biển 15

2.4 Cơ sở tính toán sơ bộ một số thông số đường ống 16

2.4.1 Chọn sơ bộ đường kính ống 16

2.4.4 Tính toán kiểm tra ổn định vị trí của tuyến ống 22

2.5 Quá trình thi công tuyến ống 26

2.5.1 Một số phương pháp thi công đường ống biển trên thế giới 26

2.5.2 Một số phương pháp thi công nối ống ngầm 34

Chương 3: ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MATHCAD TÍNH TOÁN 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 các thông số đầu vào phục vụ tính tính toán tuyến ống 35

3.1.1 Phân loại vị trí 35

3.1.2 Thông số đầu vào ống đứng 36

3.2 Tính toán chiều dày thành ống 42

3.2.1 Tính toán cho ống đứng 42

3.2.2 Tính toán 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

HAT Mực nước triều cao nhất

Bơm ép Năm

Vị trí 1

Vị trí 2

Hình 1.2 Sơ đồ tuyến ống 6

Hình 1.3 Giao diện MathCAD 10

Hình 2.1 Thả ống bằng tàu thả ống 27

Hình 2.2 Tàu rải ống 28

Hình 2.3 Xà lan thi công thả ống có trống cuộn ống 29

Hình 2.4 Kéo ống trên 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 trong 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 mất ổn định 45

Hình 3.5 Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp tải trọng tạm thời 45

Hình 3.6 Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp vận hành 46

Hình 3.7 Chiều dày danh nghĩa theo áp suất chất lưu trong 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 mất ổn định 50

Hình 3.10 Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp tải trong tạm thời 50

Hình 3.11 Đồ thị tổng hợp chiều dày trong trường hợp vận hành 51

Bảng 3.1 Phân loại vị trí (mục 2 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 3 4 Dữ liệu thủy triều (bảng 4.3 [4]) 38

Bảng 3 5 Dữ liệu nước dâng do bão (bảng 4.4 [4]) 38

Bảng 3 6 Dữ liệu song (bảng 4.5 [4]) 38

Bảng 3 7 Phân loại chất lỏng (mục 2 C200 [1]) 39

Bảng 3 8 Mức an toàn (bảng 3.5 [4]) 39

Bảng 3 9 Cấp an toàn 40

Bảng 3 10 Hệ số bền của vật liệu (mục 5 C306 [1]) 40

Bảng 3 11 Hệ số chế tạo (mục 5 C307 [1]) 41

Bảng 3 12 Hệ số cản của vật liệu (mục 5 C205 [1]) 41

Bảng 3.13 Tổng hợp chiều dày thành ống 46

Bảng 3 14 Bảng tổng hợp chiều dày thành ống 51

Bảng 3 15 Lựa chọn chiều dày thành ống 52

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong công nghiệp khai thác dầu khí, sản phẩm của quá trình khai thác thường được vận chuyển bằng đường ống đễn các điểm cất chứa thương mại Các đường ống thường làm việc trong điều kiện khắc nghiệt dưới đáy biển, do vậy các tuyến ống phải được thiết kế đạt được các yêu cầu kỹ thuật trên cơ sở lý thuyết về thủy lực, bền nhiệt và ổn định…

Việc tính toán và thiết kế tuyến ống phụ thuộc vào rất nhiều tham số đầu vào với các đặc tính động, không quy luật Bên cạnh đó, một số tham số có tính chất ngẫu nhiên rất khó kiểm soát trong quá trình tính toán, làm nhiễu kết quả tính toán

và làm phức tạp hóa thuật toán tính toán Do vậy, khối lượng tính toán và thiết kế là rất lớn, có thể thể nói là không thể thực hiện bằng tay Chính vì vậy, đã có rất nhiều chương trình máy tính được thiết kế để giải các bài toán phức tạp trong thực tế, cho kết quả nhanh, chính xác, trong đó có việc tính toán, thiết kế đường ống vận chuyển dầu trong điều kiện phức tạp

Một trong những chương trình đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu trên, đó là chương trình MathCAD Đây là chương trình có tính ưu việt nổi trội hơn so với các chương trình khác và đang được rất nhiều công ty thiết kế đề xuất sử dụng, đặc biệt

là trong lĩnh vực tính toán, thiết kế các tuyến ống dẫn trong điều kiện biển MathCAD có giao diện người dùng dễ sử dụng, được tích hợp rất nhiều các công cụ tính toán mạnh có thể đáp ứng hầu như tất cả các nhu cầu tính toán Mặt khác, MathCAD còn cho phép người dùng trực tiếp viết các dòng lệnh can thiệp sâu vào chương trình để tùy biến chính xác điều kiên biên bài toán, giúp cho kết quả tính toán phản ánh gần nhất với điều kiện thực tế Chính vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng chương trình này 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 có

ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn

2 Mục đích của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng chương trình MathCAD để tính toán một số thông số phục vụ cho công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô

3 Nội dung của đề tài

Khái quát về công tác vận tải dầu khí bằng đường ống

Các nội dung tính toán, thiết kế một tuyến ống dẫn dầu trong môi trường biển

Yêu cầu đối với quá trình tính toán thiết kế đối với một tuyến ống tuyến ống dẫn dầu trong môi trường biển

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm MathCAD để tính toán thiết kế 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

Một số đề xuất đối với công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô

4 Phương pháp nghiên cứu

Thu thập các tài liệu liên quan đến việc tính toán thiết kế đường ống trong môi trường biển Từ đó ứng dụng chương trình mathCAD để tính toán chiều dày thành ống và độ ổn định vị trí của tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long - Đông Đô

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở tính toán thiết kế, thi công tuyến ống dẫn dầu trong môi trường biển

Chương 3: Ứng dụng chương trình mathCAD tính toán 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

Trong quá trình làm luận văn tác giả cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn học viên lớp Cao học kỹ thuật máy và thiết bị mỏ, dầu khí, các bạn trong lớp Thiết

bị dầu khí K51

Đặc biệt, tôi xin trân trọng cám ơn TS Triệu Hùng Trường đã giành nhiều thời gian quý báu, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này

Cám ơn gia đình, bạn bè và những người thân đã giúp đỡ về mọi mặt để tôi hoàn thành được khóa học này

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về mỏ Thăng Long

1.1.1 Giới thiệu chung

Mỏ Thăng Long được đặt tại phía Tây Nam của blocks 01/97 và 02/97, khoảng

26 km về phía Nam mỏ Ruby và 35 km về phái Nam mỏ Sư Tử Vàng Lô 01&02/97 có diện tích khoảng 11.700 km2 với độ sâu nước biển khoảng 40 - 70m Lô 01&02/97 năm ở rìa Đông Bắc của bể Cửu Long và Nam Côn Sơn, thuộc vùng biển ven bở tình Bình Thuận và cách thành phố Vũng Tàu khoảng 160 km về phái đông

1.1.2 Tính chất lý hóa của sản phẩm khai thác

Các thông số vỉa thu được từ kết quả thử giếng và khảo sát giếng cho thấy, nhiệt

độ vỉa và áp suất vỉa của khu vực mỏ không cao Nhiệt độ thu được trong quá trình thử vỉa tại đối tượng móng mỏ Thăng Long là 100 0C, áp suất vỉa cao nhất có giá trị 3128 psi Giá trị áp suất và nhiệt độ đều có sự biến đổi, tăng dần theo chiều sâu

Theo quá trình phân tích mẫu dầu, tính chất dầu củacác vỉa chứa tại mỏ Thăng Long - Đông Đô có sự thay đổi lớn theo các vỉa sản phẩm Nhìn chung dầu

có tỷ trọng trung bình được phát hiện tại các đối tượng Mioxe, móng của mỏ Thăng Long, các tính chất vỉa và tính chất dầu khí được tổng hợp trên bảng 1.1

Bảng 1.1 Tính chất lý hóa của dầu

dưới

TL-Oligoxen dưới

TL - Móng

ĐĐ - Mioxen giữa

ĐĐ - Móng

mỏ Thăng Long và 23,42 triệu thùng tại mỏ Đông Đô)

Hình 1.1 Dự báo sản lượng khai thác mỏ Thăng Long - Đông Đô

Mỏ dự kiến phát triển với 18 giếng khai thác và 4 giếng bơm ép Trong đó

mỏ Thăng Long có 8 giếng khai thác, 2 giếng bơm ép, mỏ Đông Đô có 10 giếng khai thác và 2 giếng bơm ép

Kế hoạch phát triển đòi hỏi thiết bị xử lý trung tâm được đặt trên FPSO Tàu chứa giàu FPSO được đặt cách giàn Thăng Long 2,84 km, cách giàn Đông Đô 2km

Dòng chất lưu chưa được xử lý sẽ được vận chuyển bằng đường ống từ đầu giếng trên giàn khoan tới FPSO Tại đây, dầu được tách nước và ổn định để đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật của tàu chứa dầu Khí đồng hành sẽ được sử dụng để cung

cấp nhiên liệu cho FPSO và vận chuyển khí cho giếng Thăng Long và Đông Đô Nước khai thác sẽ được xử lý trước khi thải ra ngoài tàu (hình 1.1)

1.2 Giới thiệu một số phần mềm tính toán trong ngành dầu khí

1.2.1 Phần mềm ANSYS

ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu tính toán trong Phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được đồ mòn, mỏi và phá hủy của chi tiết Nhờ việc xác định đó có thể tìm các thông số tối ưu cho công nghệ chế tạo ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo, đàn nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu siêu đàn hồi, siêu dẻo, các chất lỏng

và chất khí

ANSYS là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn hoàn toàn chỉ dùng

để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện tử, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý

Trong hệ thống tính toán đa năng của ANSYS bài toán cơ kỹ thuật được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn lấy chuyển vị làm gốc

ANSYS có rất nhiều mô đun, các mô đun phân tích kỹ thuật theo các bài toán như tính toán độ bền chi tiết và kết cấu cơ khí, tính toán nhiệt, tính toán dòng chảy thủy khí Tùy theo yêu cầu tính toán mô phỏng mà chọn các mô đun thích hợp

HYSYS có khả năng đáp ứng được hầu hết các công việc thiết kế, nghiên cứu trong ngành lọc hóa dầu cũng như trong ngành xử lý chế biến khí, trong đó có việc tính toán thiết kế các tuyến ống vận chuyển chất lưu là dầu – khí – nước

HYSYS có khả năng báo lỗi (bằng màu đỏ, hoặc viền màu vàng) tại các thiết

bị mô phỏng khi dữ liệu tính toán nhập vào không hợp lệ Việc điều hành và tính toán các thông số công nghệ mang tính logic cao nên việc thêm hay bớt các thiết bị đơn giản và không đòi hỏi nhập lại số liệu ban đầu cũng như lặp lại quy trình

HYSYS có khả năng tính toán hai chiều và sử dụng thông tin một phần Chương trình được chia làm nhiều phần (unit) nhỏ, mỗi unit là một thiết bị và khả năng tự xác định thêm thông số nào có thể tính toán từ các dòng nối với unit đó Khả năng truyền dữ liệu của HYSYS thể hiện khi HYSYS được cung cấp thêm một thông tin mới, chương trình sẽ lập tức được thực hiện các tính toán có thể

và truyền các kết quả mới này tới các thiết bị có thể sử dụng chúng Quá trình này

sẽ được tiếp diễn cho tới khi một khoảng cách giữa hai thiết bị hoặc thiết bị cuối hoàn tất

Ngoài ra HYSYS còn có khả năng tự động tính toán lại Đó là khi người thiết kế loại bỏ một số thông số nào đó thì chương trình sẽ tự động loại bỏ tất cả các thông số tính toán được từ thông số cũ và giả định chúng chưa biết Các thông số không liên quan (trực tiếp hoặc gián tiếp) đến thông số bị loại bỏ sẽ vẫn được giữ lại

1.2.3 Phần mền PIPESIM

PIPESIM là phần mềm được phát triển bởi GeoQuest thuộc công ty dầu khí

đa quốc gia Schlumberger, đây là một phần mềm thiết kế chuẩn đoán phân tích những vấn đề gặp phải trong quá trình khai thác dầu khí, cho phép đưa ra các giải pháp chủ động và ngăn ngừa các trường hợp xấu có thể xảy ra

PIPESIM là phần mềm mô phỏng dòng chảy nhiều pha, dòng chảy ở trạng thái ổn định được sử dụng để thiết kế và chuẩn đoán phân tích hệ thống khai thác dầu và khí Các công cụ của phần mềm PIPESIM xây dựng dòng chảy nhiều pha từ vỉa cho tới miệng giếng PIPESIM phân tích đặc tính mô hình dòng chảy và các thiết bị bề mặt để cho kết quả phân tích cô đọng về hệ thống khai thác

Cùng với mô hình thuật toán tiên tiến cho phân tích tối ưu Nodal, phân tích PVT và xây dựng các mô hình ăn mòn, xói mòn trong các thiết bị, PIPESIM sẽ giúp phân tích tính toán tối ưu các hoạt động bơm ép và khai thác

PIPESIM có thể đáp ứng các nhu cầu tính toán cho: Dòng chảy đa pha trong ống dẫn; Thiết lập profin áp suất và nhiệt độ; Tính toán hệ số truyền tải nhiệt năng; Xây dựng mô hình đặc tính dòng chảy trong ống và qua các thiết bị; Phân tích đặc tính của giếng; Thiết kế giếng; Tối ưu giếng; Xây dựng mô hình đặc tính của dòng chảy vào giếng; Thiết kế khai thác Gaslift; Xây dựng mô hình đặc tính khai thác bằng phương pháp Gaslift; Xây dựng mô hình đặc tính khai thác bằng phương pháp bơm điện chìm; Thiết kế giếng bơm ép vỉa; Dòng chảy trong ống khai thác và trong khoảng không vành xuyến; Mô hình thiết bị đường ống đầy đủ; Hệ thống thu gom

đã dần trở thành một tiêu chuẩn công nghiệp cho hàng triệu người dùng trên toàn thế giới

MathCAD đưa ra một giao diện được thiết kế trực quan, giao diện của MathCAD là những ký hiệu toán học đơn giản, những công thức này có tính tương tác vì vậy kết quả luôn cập nhật tương ứng với công thức và dữ liệu trong văn bản

Một đặc tính quan trọng của MathCAD là phần mềm này có tính năng theo dõi đơn vị thông minh Người dùng có thể nhập dữ liệu với bất kỳ đơn vị nào và phần mềm sẽ tự động thực hiện những chuyển đổi cần thiết

Tính năng thiết kế dựa trên thử nghiệm (Design of Experiments - DoE) mới

ra đời giúp tối ưu hóa thiết kế ở mức độ cao hơn trong khi số lần thử nghiệm vật lý

và mô phỏng lại giảm đi DoE cho phép người dùng đồng thời thử nghiệm tất cả các nhân tố ảnh hưởng tới thiết kế và cung cấp những phân tích thống kê giúp phân tách ảnh hưởng của những nhân tố này

Một điểm nổi bật nữa của MathCAD là khả năng hỗ trợ mạnh mẽ việc sử dụng đơn vị kỹ thuật bằng cách xử lý khéo léo những tình huống khi cùng một ký hiệu nhưng lại mang hai ý nghĩa khác nhau (ví dụ “m” có thể là một tham số trong phương trình nhưng cũng có thể là chữ viết tắt của đơn vị mét) Trong những tình huống như vậy, MathCAD sẽ bảo toàn những ký hiệu đó và thể hiện chúng bằng những màu sắc khác nhau để người dùng có thể dễ dàng phân biệt

Hình 1.3 Giao diện MathCAD 1.2.4.2 Ưu điểm của MathCAD

Có thể kể ra những ưu điểm cơ bản của MathCAD như sau:

- Dễ dàng học và sử dung - không đòi hỏi các kỹ năng lập trình đặc biệt

- Tăng năng suất, tiết kiệm thời gian và giảm thiểu lỗi

- Nâng cao sự chính xác và giá trị của các phép tính tới hạn

- Tăng cường các phép tính tối ưu và sử dụng lại nội dung tính toán

- Chức năng toán học toàn diện

- Dễ dàng sử dụng chức năng trợ giúp

- Tương thích các ký hiệu toán học, văn bản và đồ họa

- Khả năng làm việc và giao tiếp với các hệ thống máy tính khác

- Giao diện trực quan sinh động

Tóm lại, đây là một chương trình có tính ưu việt nổi trội so với các chương trình khác và đang được rất nhiều công ty thiết kế đề xuất sử dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực tính toán thiết kế đường ống trong điều kiện biển MathCAD có giao diện người dùng dễ sử dụng được tích hợp các công cụ tính toán mạnh có thể đáp ứng được hầu như tất cả các nhu cầu tính toán Mặt khác, MathCAD còn cho phép người dùng trực tiếp viết các dòng lệnh can thiệp sâu vào chương trình để tùy biến chính xác điều kiện biên bài toán, giúp cho kết quả tính toán phản ánh gần nhất với điều kiện thực tế Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng chương trình MathCAD để tính toán một số thông số phục vụ cho công tác thiết kế tuyến ống dẫn dầu từ giàn Thăng Long đến trạm thu gom xử lý Thăng Long – Đông Đô có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THI CÔNG TUYẾN ỐNG DẪN DẦU

TRONG MÔI TRƯỜNG BIỂN

2.1 Tính toán lựa chọn tuyến ống

2.1.1 Tiêu chuẩn tính toán lựa chọn tuyến ống

Việc thực hiện tính toán lựa chọn tuyến ống phải phù hợp với tiêu chuẩn DNV OS F101 [1], tuyến ống tối ưu nhất được lựa chọn là tuyến ống có chiều dài ngắn nhất có thể và số khuyết tật là ít nhất

Tiêu chuẩn lựa chọn tuyến sẽ bao gồm những quy định bắt buộc sau:

Phù hợp với mọi yêu cầu của chủ đầu tư

Tránh được các chướng ngại vật dưới đáy biển

Số nhịp vượt qua địa hình phức tạp là ít nhất có thể

Góc theo phương ngang hợp với tuyến ống đã có không được nhỏ hơn 300 và nên càng gần 900 thì càng tốt Khoảng cách theo phương đứng với ống đã có tối thiểu là 0,3 (m)

Dưới độ sâu càng lớn thì thiết kế các ống giao nhau với tuyến ống hiện hành càng gần vuông góc càng tốt

Bán kính cong của ống khi thiết kế gây ra ứng suất tương ứng không được vượt quá 10% SMYS và không làm mất ổn định của tuyến ống

Với ống đi vào giàn cần tránh các khu vực hoạt động như: giá cập tàu, khu vực của giàn khoan khai thác

Ống tiếp cận giàn hợp một góc không được nhỏ hơn 300 và vị trí bắt đầu cong ống đi vào giàn cách giàn tôi thiểu 500m

Tuyến ống chọn lựa tránh được tối thiểu tác động của môi trường nhất có thể

2.1.2 Khảo sát kĩ thuật sơ bộ

Khảo sát về độ sâu nước và địa kĩ thuật của đáy biển

Kết quả của cuộc khảo sát sẽ được tổng hợp lại để xem xét, thảo luận, viết thành bản báo cáo khảo sát cuối cùng

Đề xuất tuyến

Từ báo cáo khảo sát đã được lập bộ phận thiết kế sẽ đưa ra đề xuất tọa độ tuyến ống chính và các tuyến phụ phù hợp yêu cầu của mỏ và các qui định lựa chọn tuyến

Tất cả các tuyến ống đã được lựa chọn mà song với nhau sẽ được giữ khoảng cách tối thiểu là 50m

2.2 Tải trọng tác dụng lên đường ống

Tải trọng tác dụng lên đường ống được phân thành các loại sau: tải trọng chức năng, tải trọng môi trường, tải trọng xét đến trong quá trình xây dựng tuyến ống (lắp đặt, thử áp lực, vận hành, bảo trì và sửa chữa), tải trọng va đập và tải trọng

sự cố Các loại tải trọng này sẽ được xem xét trong từng trường hợp cụ thể của tuyến ống

Trường hợp thi công lắp đặt

Trường hợp thử áp lực

Trường hợp vận hành của tuyến ống (đưa vào sử dụng)

2.2.1 Trường hợp thi công

Ống sẽ chịu các tải trọng sau:

Tải trọng chức năng: trọng lượng bản thân ống và chất thử áp trong ống, áp lực thủy tĩnh, áp lực bên trong khi thử áp

Tải trọng môi trường: tải trọng gió, tải trọng sóng và dòng chảy, lực thủy động

Tải trọng xem xét đến trong quá trình xây dựng tuyến ống: lắp đặt, thử áp (như tải trọng nâng ống, liên kết ống, thử áp vv)

Tải trọng va đập: va vào chướng ngại vật khi lắp đặt

Tải trọng sự cố: nổ, vật rơi vào ống

2.2.2 Trường hợp vận hành

Tải trọng vận hành trong thời gian thử thủy tĩnh và vận hành là tải trọng do trọng lượng, áp suất và nhiệt độ như xác định trong mục 4 của DVN OS F101 [1]

Tải trọng trong quá trình lắp đặt là những tải trọng do trọng lượng, áp suất bên ngoài và lực lắp đặt

Ống chịu các tải trọng sau:

Tải trọng chức năng: tải trọng bản thân ống và chất vận chuyển trong ống, tải trọng do hà bám, áp lực thủy tĩnh, áp lực bên trong khi vận chuyển chất, giãn nở do nhiệt độ

Tải trọng môi trường: Tải trọng do môi trường trên đường ống và ống đứng thường là tải trọng do sóng và hải lưu Tải trọng thủy động được xác định trong C300 mục 4 của DNV OS F101 [1] đối với lực kéo, lực nâng và lực quán tính Hệ

số tính toán lực thủy động do tải trọng sóng và hải lưu được sử dụng trong thiết kế ống bao được thể hiện trong bảng 4.11 DNV - OS - F101 [1]

Tải trọng gió, tải trọng sóng và dòng chảy, lực thủy động

Tải trọng xem xét đến trong quá trình xây dựng tuyến ống: vận hành, bảo trì, sửa chữa (sự gia tăng về áp lực )

Tải trọng sự cố: tải trọng do điều kiện sóng và dòng chảy là cực hạn, tải do

va chạm, do các hoạt động của tàu thuyền hay va chạm với vật chìm hoặc băng trôi,

Tổ hợp tải trọng được lấy bao gồm: tải trọng chức năng (hệ số tổ hợp 1.0), tải trọng môi trường (hệ số tổ hợp 1.0), tải trọng va (hệ số tổ hợp 1.0)

Trạng thái giới hạn sự cố:

Tổ hợp tải bao gồm: tải trọng chức năng, tải trọng môi trường, tải trọng va, tải trọng sự cố (các hệ số tổ hợp của trường hợp tải đều là 1.0)

2.3 Các bước lựa chọn tuyến ống ngoài biển

Bước 1: Thu thập nghiên cứu số liệu về trữ lượng kế hoạch phát triển mỏ Bước 2: Tổng hợp phân tích các số liệu về các hệ thống thu gom, vận chuyển, xử lý dầu, khí nhằm xác định khả năng kết nối, nâng cấp hay xây dựng mới các hạng mục công trình đáp ứng yêu cầu của dự án

Bước 3: Khảo sát thực địa tuyến ống hiện hữu

Bước 4: Thu thập các số liệu về địa hình, địa chất đáy biển, khí tượng thuỷ văn, bản đồ hành lang an toàn cáp viễn thông … trong khu vực tuyến ống dự kiến đi qua khu vực cho việc vạch định tuyến ống ngoài biển

Bước 5: Lập tiêu chí đánh giá phương án tuyến ống theo các dữ liệu đầu vào gồm:

Tổng chiều dài đường ống ngắn nhất

Tuyến đường ống có điểm bắt đầu từ nguồn cung cấp dầu lớn đã được thẩm lượng chắc chắn

Cơ sở hạ tầng cho việc kết nối

Thuận lợi cho việc thi công và đấu nối với các hệ số thưc tế

Đảm bảo an toàn, an ninh và môi trường

Đảm bảo lưu lượng vận chuyển dầu, đáp ứng khả năng khai thác, điều tiết sản lượng dầu vào bờ một cách độc lập trong những năm đầu

Bước 6: Phác thảo các phương án, tổ chức thảo luận xin ý kiến các đơn vị tham gia

Bước 7: Phân tích hiệu chỉnh các phương án tuyến

Bước 8: Đánh giá chấm điểm theo các tiêu chí đã lập để lựa chọn ra tuyến ống tối ưu

2.4 Cơ sở tính toán sơ bộ một số thông số đường ống

Tùy thuộc yêu cầu mà lựa chọn đường kính ống theo 2 phương án lựa chọn sau:

Tăng đường kính ống (d) thì tổn thất năng lượng nhỏ, chi phí máy nén khí

giảm, chi phí vật liệu tăng

Giảm đường kính ống (d) thì tổn thất năng lượng tăng, chi phí máy nén khí

tăng, chi phí vật liệu giảm

2.4.2 Tính toán chiều dày đường ống chịu áp lực trong

Chiều dày thành ống được xác định trên quan điểm đường kính trong là hằng

số Phương pháp tính toán chiều dày đường ống đối đường ống trên biển được thực hiện theo tiêu chuẩn DNV - OS - F101 [1]

t t t (trong trạng thái khai thác) (mm)

t t t t (trạng thái kiểm tra áp lực vừa thi công xong ống) (mm)

f : Sự giảm ứng suất kéo do nhiệt độ (MPa)

SMYS: Là ứng suất chảy dẻo nhỏ nhất đặc trưng của thép ống (MPa)

f : Sự giảm khả năng chịu kéo do nhiệt độ (MPa)

D: Đường kính ngoài của ống (mm)

t sẽ được thay thế bằng t1 trong các công thức trên nhưng nó sẽ thay thế bằng

t2 khi có sự giảm áp suất Pb được sử dụng để kiểm tra sự mất ổn định cục bộ cho sự kết hợp tải trọng tiêu chuẩn

2.4.2.2 Biến dạng cục bộ và áp suất bên ngoài (áp suất bóp méo)

Việc tính toán áp suất bên ngoài được thực hiện phù hợp với tiêu chuẩn DNV

- OS - F101 [1] mục 5 D200

Khả năng chịu áp lực bên ngoài (bóp méo) được tính theo DNV – OS – F101 mục 5 D401 [1]

1

el

t E D

( )

c e

P : Áp suất bên trong nhỏ nhất (giả định bằng 0)

Kiểm tra áp suất bóp méo bên ngoài là rất quan trọng trong quá trình lắp đặt

do áp suất lớn nhất khác nhau và trong quá trình hoạt động khi đường ống bị ăn mòn lớn

Sự lan truyền mất ổn định chỉ xảy xa khi sự biến dạng cục bộ xảy ra Khi sự biến dạng cục bộ đường ống duy trì liên tục, sự biến dạng của ống có thể lan truyền nếu áp suất thủy tĩnh bên ngoài Pe vượt quá áp suất lan truyền Ppr Sự biến dạng không bị lan truyền nếu áp suất bên ngoài đáp ứng công thức sau:

pr e

m sc

P P

2 2

Hiện tượng: khi áp lực bên ngoài cao hơn áp lực bên trong ống ứng suất vòng

có dấu âm và gây nén vỏ ống theo phương chu vi Tới một giới hạn nhất định ứng suất này gây nên oằn vỏ ống trên tiết diện ngang thường xảy ra dưới dạng vết lõm

Về bản chất hiện tượng này tương tự như hiện tượng mất ổn định của thanh

Ơ le nhưng xảy ra trên chu vi ống tại một tiết diện cục bộ

Tác động gây ra mất ổn định cục bộ là áp lực ngoài thường xét là áp lực thủy tĩnh

Mất ổn định lan truyền: Hiện tượng này là dưới áp suất ngoài cao nhất định nếu trên ống có một điểm bị bóp méo vì lý do nào đó (ví dụ do va chạm với neo tàu,

do vướng lưới đánh cá…) thì vết lõm đó sẽ lan truyền sang các điểm lân cận và dọc theo tuyến ống

Khi xảy ra hiện tượng này, đường ống bị phá hỏng trên chiều dài lớn, gây tổn thất đáng kể và khó khắc phục cho công trình

Với đường ống cho trước cần tính toán xác định áp lực ngoài gây mất ổn định lan truyền

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

Biên pháp trung gian được sử dụng rộng rãi là dùng các vành chặn Các vành chặn đặt cách đều một khoảng nhất định trên tuyến, có hình dạng rất đa dạng nhưng đều trên nguyên tắc 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 ưu Bố trí nhiều vành chạn sẽ hạn chế được chiều dài đoạn ống hỏng khi có sự cố nhưng tốn kém vật liệu

2.4.4 Tính toán kiểm tra ổn định vị trí của tuyến ống

Trong quá trình vận hành đường ống luôn chịu tác động của điều kiện môi trường như sóng, dòng chảy, sự vận chuyển của dòng bùn cát đặc biệt là lực đẩy nổi, những tác động này làm cho đường ống có xu hướng bị dịch chuyển dưới đáy biển và có thể phá hủy đường ống Để đường ống vận hành an toàn phải thiết kế sao cho đường ống không bị dịch chuyển khỏi vị trí của nó, hoặc nếu có thì nằm trong giới hạn cho phép Việc tính toán ổn định vị trí nhắm tìm ra được trọng lượng yêu của của ống để ống ổn định dưới đáy biển trong suốt thời gian vận hành

Theo quy phạm DNV - RP - E305 (1988) [5] để đường ống ổn định dưới tác động của môi trường thì trọng lượng ống nước tính cho một đơn vị chiều dài phải thỏa mãn điều kiện

Các thông số môi trường

Vận tốc trung bình của dòng chảy tác dụng vuông góc với đường ống (Uavg)

và vạn tốc dòng chảy tác dụng vuông góc với đường ống (UCP) được xác định theo quan hệ sau

Thông số tải trọng (KC) U T s u

K D



Đối với đường ống dưới biển, điều kiện giới hạn để đường ống nổi lên là khi

có sự mất cân bằng giữa lực nâng và trọng lượng ống Hệ số ổn định được tính bằng

tỷ số giữa trọng lượng ống chìm trong nước và lực nâng, cụ thể:

W: Trọng lượng ống chìm trong nước

B: Lực đẩy của nước

Sự chìm của ống do trọng lượng bản thân sẽ làm giảm tác động của lực do môi trường Sự ổn định ngang do áp lực quá tải có thể tính bằng công thức tính khả

năng chịu lực đối với bệ đỡ liên tục Sức nâng lớn nhất, không tính lớp đất đá có thể được tính như sau

1

1 2

Ws: trọng lượng của ống trong nước

ult

q : Khả năng chịu tải lớn nhất của đất

Bề rộng tính toán của đường ống trong nước được xác định theo công thức sau

L D(Trong trường hợp LD bé hơn đướng kính ngoài ống bọc)

D: đường kính ngoài của ống bọc

2.5 Quá trình thi công tuyến ống

2.5.1 Một số phương pháp thi công đường ống biển trên thế giới

Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau thi công đường ống ngầm bao gồm:

Phương pháp thả ống bằng xà lan thả ống hoặc xà lan có trống cuộn (áp dụng theo hai cách):

Các đoạn ống được đặt trên boong tàu

Ống được cuộn tròn trên trống đặt trên boong tàu

Phương pháp kéo ống (có 4 cách kéo):

Kéo ống trên mặt biển

Kéo ống sát mặt biển

Kéo ống sát đáy biển

Kéo ống dưới đáy biển

Việc lựa chọn phương pháp thi công thích hợp phụ thuộc vào đặc điểm của loại ống cần thi công như đặc trưng về kích thước ống, ống có bọc hay không bọc,

độ sâu thi công cũng như khả năng sử dụng tàu thi công và tính kinh tế của từng phương pháp

Điểm đầu ống được hàn vào đầu kéo thông qua cáp được mắc vào giàn hoặc neo chéo khi không có giàn Tàu di chuyển về phía trước nhờ việc nhả cáp phía sau

và thu cáp phía trước bằng các tời kéo Ống được thả dần xuống có sự hỗ trợ của hệ

thống phao hoặc với stinger Điểm cuối của ống được xác định chính xác thông qua phao đánh dấu (xem hình 2.1):

Hình 2.1 Thả ống bằng tàu thả ống

Ưu điểm:

Phương pháp này cho phép thi công được liên tục

Công tác thi công phần lớn được thực hiện trên tàu thuận lợi cho việc kiểm tra và xử lí Do vậy độ an toàn cao, quá trình thi công nhanh hơn tránh được sự rủi

ro do sự kéo dài thời gian thi công trên biển

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

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

Thời gian thi công nhanh

Nhược điểm:

Chỉ thích hợp đối với vùng nước nông

Khi ống thả xuống nước khó kiểm tra và phát hiện sự cố

Chỉ thi công được tuyến đường ống đơn, nếu thi công nhiều tuyến cùng lúc thì khi thi công xong một tuyến thì tàu lại phải quay lại thi công đoạn tiếp theo nên mất nhiều thời gian

Thi công phụ thuộc vào thời tiết

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

Phạm vi áp dụng:

Áp dụng chủ yếu 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

Hình 2.2 Tàu rải ống 2.5.1.2 Phương pháp thi công dùng xà lan thả ống có trống cuộn ống

Ống đã được gia công sẵn trên bờ và được kiểm tra rồi cuộn vào trống cuộn (trống đứng hoặc trống nằm ngang) Đường kính trống cuộn có khi lên đến vài chục mét Việc thả ống cũng thông qua stinger, trống có thể nằm hoặc ở dạng thẳng đứng

và quay tròn trên hệ thống trụ đỡ để tải ống Sau khi thả hết một trống, thì cần cẩu trên xà lan sẽ cẩu trống khác từ một tàu dịch vụ Quá trình thả ống cho điểm đầu và điểm cuối ống tương tự như phương pháp thả ống bằng xà lan thả ống

Hình 2.3 Xà lan thi công thả ống có trống cuộn ống

Ưu điểm:

Các ống được thi công liên tục, thời gian thi công nhanh

Các ống được gia công sẵn trên bờ, thuận lợi cho việc kiểm tra

Có thể đồng thời thả từ hai ống hoặc nhiều hơn hai ống cùng một lúc

Nhược điểm:

Chỉ thích hợp với vùng nước nông (nếu dùng trống đứng thì có thể áp dựng cho vùng nước sâu)

Thi công phụ thuộc vào thời tiết

Đường kính ống thả phụ thuộc vào đường kính trống và kích thước tàu

Chỉ áp dụng cho đường ống không được bọc lớp gia tải

Đường kính ống bị hạn chế, thường đường kính từ 10 đến 16 inch

Cần phải tăng chiều dày đường ống để tránh được các hiện tượng ống bị bẹp trong khi cuộn hoặc thả ống

Phạm vi áp dụng:

Áp dụng cho trường hợp tuyến ống dài, liên tục

Thích hợp vùng nước nông

2.5.1.3 Phương pháp kéo ống trên mặt nước

Ống được gia công sẵn trên bờ hoặc trên bãi lắp ráp, được hàn nối, bọc lớp chống ăn mòn, bọc bê tông, kiểm tra rồi đưa ra biển Các phân đoạn ống được nối liên tiếp thành những đoạn dài phụ thuộc vào khả năng của tàu kéo Các đoạn ống được kéo ra vị trí thi công nhờ tàu kéo và tàu giữ Dùng một tàu kéo chính cùng với hai hoặc ba tàu kéo cùng kích thước và một tàu giữ để kéo đoạn ống ra vị trí thi công, đoạn ống được nổi trên mặt nước Để duy trì được mức nổi sát mặt nước cần

có hệ thống các ponton để nâng đỡ ống Hệ thống ponton tạo thành những gối đỡ, ống phải làm việc như một dầm liên tục Quá trình thi công điểm đầu và điểm cuối tương tự như phương pháp thi công bằng xà lan thả ống

Hình 2.4 Kéo ống trên mặt nước

Ưu điểm:

Do ống được kéo sát mặt lên ảnh hưởng bởi tác động của sóng và dòng chảy

là nhỏ, vì vậy sức kéo của tàu cho phép kéo được đoạn ống lớn

Ống được gia công sẵn trên bờ nên dễ kiểm tra và xử lý, nối ống dễ dàng Do vậy đường ống có chất lượng cao

Ống nổi trên mặt nước nên trong khi kéo ta có thể kiểm tra ống được thường xuyên

Sử dụng một loại phao

Không ảnh hưởng của địa hình đáy

Nhược điểm:

Nhạy cảm với tác động của môi trường

Cản trở các hoạt động đi lại của tàu thuyền

Việc đánh chìm xuống biển là rất khó Thường gặp những sự cố khi ngắt ponton để đánh chìm đường ống

Không thi công được liên tục

Chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường (sóng, gió, dòng chảy…)

Đòi hỏi mặt bằng thi công trên bờ là lớn, độ dốc của bãi lắp ráp phải 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 là lớn

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

Phạm vi sử dụng:

Áp dụng cho vùng nước nông

Tàu kéo có công suất thấp

hệ thống phao nâng và hệ thống phao điều chỉnh khoảng cách

Ưu điểm:

Ít chịu ảnh hưởng của môi trường hơn phương pháp kéo trên mặt biển

Thi công nhanh, hạn chế được ảnh hưởng đến các hoạt động trên biển

Nối ống dễ dàng

Không chịu ảnh hưởng của địa hình đáy

Nhược điểm:

Sử dụng tàu kéo có công suất cao hơn

Công việc kiểm tra trong khi kéo khó khăn

Phải sử dụng hai loại phao nổi khác nhau

Không thể thực hiện được trong điều kiện thời tiết xấu

Do kéo ống ngập cùng phao dưới nước nên lực cản lớn do vậy cần có sức kéo lớn hơn phương pháp kéo ống trên mặt

Hình 2.5 Kéo ống gần sát đáy