Bài Giảng Đường Ống Dầu Khí - Đại Học Xây Dựng Hà Nội

Bài Giảng Đường Ống Dầu Khí - Đại Học Xây Dựng Hà Nội

Bài 2 Công nghệ khai thác và quy hoạch công trình dầu khí biển 8

I Hoạt động khai thác và thăm dò dầu khí ở Việt Nam 8

II Công nghệ thu gom và khai thác Dầu khí tại mỏ Bạch Hổ 9

2.2 Tìm hiểu công trình phục vụ khai thác thu gom vận chuyển dầu khí tại mỏ Bạch

2.3 Những yêu cầu đối việc thiết kế và quy hoạch hệ thống khai thác mỏ 14

Bài 2 Tính toán chiều dày ống chịu áp suất trong 21

II Tính toán thiết kế đờng ống biển chịu áp lực trong theo quy phạm 21

2.3 Tính toán chiều dày của ống chịu áp lực trong theo qui phạm DnV 1981 222.4 Tính chiều dày ống chịu áp lực trong theo quy phạm ASME B31.8 23

II Mất ổn định lan truyền 27

III Mất ổn định tổng thể (global buckling) của đờng ống biển 28

III Bài toán cộng hởng dòng xoáy của nhịp ống 34Bài 5 Tính toán ổn định vị trí của đờng ống dới đáy biển 37

2.3 Dây chuyền thi công thả ống trên tàu Côn Sơn 52

III Phơng pháp thi công bằng sà lan có trống cuộn 55

4.1 Thi công bằng phơng pháp kéo ống trên mặt 58

4.3 Phơng pháp thi công kéo ống trên đáy biển 604.4 Phơng pháp thi công kéo ống sát đáy biển 604.5 Năng lực thi công của liên doanh Vietsovptro 61

IV Hàn cao áp 64

I Phơng pháp thi công lắp đặt ống đứng lên khối chân đế 661.1 Thi công lắp đặt Riser đồng thời với việc chế tạo khối chân đế 661.2 Thi công Riser đợc tiến hành cùng với thi công rải ống 66

II Thi công nối ống Riser với đờng ống ngầm 67

I Vai trò của việc chống ăn mòn trong thiết kế công trình đờng ống biển 79

1.2 Phơng pháp bảo vệ điện hoá bằng dòng điện áp nguồn 83

Bài 2 Lựa chọn tuyến ống trên bờ 86

I Xác định chiều dày ống theo áp lực trong lớn nhất 87

II Kiểm tra độ bền và độ ổn định của tuyến ống 872.1 Kiểm tra độ bền và tính ổn định của đờng ống đặt ở mặt đất 872.2 Kiểm tra sự biến dạng của đờng ống đặt ở mặt đất 88Bài 4 Các dạng địa hình mà đờng ống có thể vợt qua và các yêu cầu 90

Bài 5 Các biện pháp bảo vệ an toàn cho tuyến ống 92

III Chống ăn mòn do độ ẩm của đất và xâm thực của môi trờng 92

Chơng I: Khái niệm về đờng ống dầu khí

Bài 1 Mở đầu

I Tổng quan

Sự tăng lên không ngừng của nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm dầu khí kéo theo sự ra đờicủa hàng loạt dự án khai thác dầu khí trên biển Bắt đầu từ tuyến đờng ống đầu tiên trênvịnh Mêhicô, tới nay hàng vạn kilômet đờng ống đã đợc xây dựng trên khắp thế giới, từbiển Bắc, Địa Trung Hải, Australia, Đông Nam á, Mỹ La Tinh Một số đờng ống đã đợclắp đặt ở độ sâu đến 700m, kích thớc ống lên tới 56 in Các công nghệ liên quan đến côngtrình đờng ống cũng phát triển rất nhanh chóng Điển hình là các thiết bị thi công thả ống,công nghệ gia tải cho ống, công nghệ nối ống v.v

ở Việt Nam, tuyến đờng ống đầu tiên đợc lắp đặt bởi Liên doanh dầu khí ViệtsôvPetrokhi xây dựng mỏ Bạch Hổ Đến nay, trên thềm lục địa nớc ta đã có hàng ngàn kilômet đ-ờng ống các loại, trong đó có cả đờng ống mềm và các đờng ống kích thớc lớn đa khí vào

bờ có chiều dài lên đến 350km

Tuy các lý thuyết tính toán đờng ống biển không phải là mới mẻ nhng thực tế còn rấtnhiều vấn đề còn đang đợc nghiên cứu hoàn thiện Bên cạnh đó các công nghệ chế tạo ống

và thi công đờng ống đều đợc phát triển rất nhanh chóng Vì vậy, thiết kế đờng ống biểnluôn là một lĩnh vực đợc sự quan tâm và liên tục đợc đổi mới

II Phân loại đờng ống

Có nhiều cách phân loại đờng ống khác nhau nh sau:

- Đờng ống dẫn khí gaslift

- Đờng ống dẫn nớc ép vỉa

- Đờng ống dẫn hỗn hợp dầu khí

III Cấu tạo đờng ống

Đờng ống gồm các bộ phận sau: ống ngầm, ống đứng, van ngầm và một số bộ phận phụ khác nh mối nối, vỏ bọc chống ăn mòn, bê tông gia tải, anode hy sinh

Cấu tạo ống ngầm:

ống thép: ống thép là bộ phận chính của đờng ống ống thép thờng đợc chế tạo sẵn

thành các đoạn dài 6m hoặc 12m Đờng kính của ống thờng nhỏ hơn 36”, chiều dày thờng

<16mm Vật liệu thép ống là loại có khả năng chống ăn mòn tốt, phổ biến là thép hợp kimCanxi – Mangan (C-Mn) Theo công nghệ chế tạo mà ống thép có thể chia thành ống thép

đúc hoặc ống thép hàn, trong đó ống thép đúc có độ an toàn cao hơn

Lớp chống ăn mòn: lớp chống ăn mòn ngoài ống theo nguyên tắc sơn phủ, thờng có

chiều dày khoảng 5mm Các loại sơn phủ hay sử dụng là sơn có gốc epoxi hay nhựa đờng

Lớp bê tông gia tải: chiều dày từ 5cm-10cm, có tác dụng tăng trọng lợng để đảm bảo

ổn định vị trí cho đờng ống Vật liệu sử dụng là bê tông thờng hoặc bê tông nặng đặc biệt(có trọng lợng riêng đến 3040kG/m3) Trong lớp bê tông gia tải có bố trí lớp cốt thép cấutạo Trong một số trờng hợp, ngời ta không dùng vỏ bê tông gia tải mà sử dụng khối gia tảicục bộ hoặc dùng vít xoắn để cố định đờng ống dới đáy biển

Mối nối: các đoạn ống đợc nối với nhau bằng mối hàn Chất lợng mối hàn là vấn đề hết

sức quan trọng khi thi công đờng ống Ngoài ra, khi đấu nối đờng ống ngầm với ống đứnghoặc khi sửa chữa đờng ống thì một số loại mối nối khác có thể đợc sử dụng nh mối nối sửdụng mặt bích (Flange) hoặc mối nối cơ khí (Mechanical Connection)

Protector (hay anode hy sinh): là thiết bị chống ăn mòn điện hoá đợc gắn cố định trên

ống Protector có nhiều hình dạng khác nhau, phổ biến nhất là dạng bán khuyên có chiềudày phù hợp với lớp bê tông gia tải

Lớp bê tông gia tải

Lớp bảo vệ chống ăn mòn Lớp

thép ống

Anode hy sinh Mối nối ống

Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của đờng ống biển

- Do ống đứng đợc cố định vào khối chân đế nên không cần gia tải.

Một số công trình gần đây ứng dụng công nghệ đờng ống mềm Đờng ống mềm làm từnhiều lớp vật liệu sợi thép, chất dẻo, có độ bền cao đồng thời rất mềm dẻo nên rất thuận lợikhi thi công Tuy nhiên, ống mềm có giá thành cao hơn nhiều so với ống cứng thông thờng

Hình 1.2: Cấu tạo điển hình của đờng ống mềm

Bài 2 Công nghệ khai thác và quy hoạch công trình dầu khí

biển

I Hoạt động khai thác và thăm dò dầu khí ở Việt Nam

Hoạt động khai thác dầu khí ở nớc ta do Tổng công ty Dầu Khí Việt Nam (Petro ViệtNam) đảm nhiệm Tổng công ty Dầu khí Việt Nam đợc thành lập từ năm 1975 triển khaimọi hoạt động về thơng mại dầu khí trên toàn lãnh thổ, vùng đất cũng nh vùng thềm lục địangoài biển Việc thăm dò địa vật lí đã đợc tiến hành bắt đầu từ năm 1974, cho đến nay đãthực hiện đợc hàng trăm giếng khoan thăm dò

Năm 1999 xí nghiệp liên doanh Dầu Khí VIETSOVPETRO đã khai thác đợc 8,2triệu tấn dầu thô Từ năm 1986 đến tháng 10 năm 2000 xí nghiệp liên doanh đã nộp ngânsách đợc 4617.61 triệu đô la do bán dầu thô Trong những năm tiếp theo nhu cầu khai thácsản phẩm dầu khí ngày càng cao, do vậy xu hớng mở rộng mỏ và mở rộng khu vực thăm dò

ra xa bờ với qui mô ngày một lớn Trong khi đó nhu cầu sử dụng dầu khí tăng nhanh đặcbiệt là khí để phục vụ cho các nhà máy điện trong tầm cung cấp của mỏ nh nhà máy điện

Bà Rịa, Phú Mỹ tại Vũng Tầu, các khu công nghiệp mới và nhu cầu sử dụng trong sinh hoạtcủa nhân dân Tổng công ty Dầu Khí Việt Nam đã xây dựng một hệ thống đờng ống để vậnchuyển các sản phẩm khí từ mỏ Bạch Hổ đến Thủ Đức, sau đó là đờng ống dẫn khí từ mỏkhí Nam Côn Sơn vào bờ Năm 2004, tiếp tục thi công cụm công trình Khí - Điện - Đạm CàMau có quy mô rất lớn

Từ mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng, VietsoPetro khai thác đợc 36.000tấn/ngày năm 2003.Tuy nhiên, hai mỏ trên đều đang dần cạn kiệt Tháng 4 năm 2004, sản lợng đã giảm xuốngcòn 33.000tấn/ngày (khoảng 12 triệu tấn/năm)

Ngoài hai mỏ Rồng và mỏ Bạch Hổ, hiện hoạt động khai thác dầu kí của Việt Nam

đang đợc triển khai tại các mỏ Đại Hùng, Rạng Đông, Ruby, PM3-Cái Nớc và mỏ khí LanTây (lô 06.1 Nam Côn Sơn)

Ngoài ra, dầu từ mỏ S Tử Đen thuộc lô 15.1 thềm lục địa Việt Nam cũng bắt đầu đợckhai thác, với sản lợng đạt khoảng 60 nghìn thùng dầu/ngày

Trong 3 tháng đầu năm 2004, Việt Nam đã xuất khẩu đợc hơn 3,3 triệu tấn dầu thô,tăng 14,6% so với cùng kỳ năm trớc Sản lợng khai thác dầu khí đạt xấp xỉ 4 triệu tấn quydầu (chỉ tính lợng khí mỏ PM3- Cái Nớc bán cho Malaixia), trong đó dầu thô là gần 3,4triệu tấn và khai thác khí đạt 380 triệu m3

Trong năm 2004, tổng công ty Dầu khí Việt Nam (Petro Vietnam) có kế hoạch khoanthêm các giếng tại hai mỏ S Tử Đen và S Tử Vàng, nhằm khai thác và thu hồi tối đa dầukhí góp phần nâng cao sản lợng dầu thô xuất khẩu

Năm 2003, tổng doanh thu của VietsovPetro ớc đạt 2,9 tỷ USD, trong đó nộp ngânsách nhà nớc 1,69 tỷ USD, vợt dự tính 438 triệu USD

II Công nghệ thu gom và khai thác Dầu khí tại mỏ Bạch Hổ.

2.1 Tổng quan mỏ Bạch Hổ.

Mỏ Bạch Hổ là mỏ lớn nhất Việt Nam và cũng là mỏViệt Nam trực tiếp tham gia khaithác Mỏ nằm ở phía nam thềm lục địa Việt Nam nằm trong lô 09 - 1 thuộc bể trầm tíchCửu Long cách thành phố Vũng Tàu 120 km do Xí nghiệp liên doanh dầu khí VietsoPetrokhai thác Tháng 6 năm 1986 dòng dầu khí đầu tiên đợc khai thác trong tầng trầm tíchMioxen của mỏ Bạch Hổ Năm 1987 phát hiện dầu khí trong tầng trầm tích Oligoxen và

đặc biệt năm 1988 phát hiện dầu khí trong tầng đá móng Granite nứt nẻ Tổng trữ lợng dầukhí thu hồi đợc do khai thác cùng với dầu của toàn mỏ khoảng 31.8 tỷ m3 khí đồng hànhcủa mỏ Bạch Hổ đợc đa vào sử dụng cho các nhà máy Bà Rịa từ tháng 5 năm 1995 và chonhà máy Phú Mỹ 2,1 từ tháng 2 năm 1997 và tơng lai là các khu công nghiệp của VũngTầu nh Vedan, Kidwell v.v

2.2 Tìm hiểu công trình phục vụ khai thác thu gom vận chuyển dầu khí tại mỏ Bạch Hổ.

Để phục vụ cho công tác thăm dò và khai thác dầu khí tại mỏ Bạch Hổ, Xí nghiệp liêndoanh dầu khí VietsoPetro đã xây dựng ở đây một hệ thống các công trình bao gồm: Dàncông nghệ trung tâm CTP, dàn khoan cố định MSP, dàn nhẹ BK, trạm rót đầu không bếnUBN, các tuyến đờng ống nội mỏ Hiện nay mỏ Bạch Hổ có:

- Một dàn công nghệ trung tâm CTP2 đã đợc sử dụng và dự định sẽ xây dựng mới mộtdàn công nghệ trung tâm CTP3

- 10 dàn MSP ( 1,3,4,5,6,7,8,9,10,11 )

- 09 dàn BK, trong đó có 07 dàn BK đã đa vào sản suất là BK (1,2,3,4,5,6,8) BK7,BK9 đang trong quá trình thi công

- 04 trạm rót dầu không bến UBN1, UBN2, UBN3, UBN4

- Dàn nén khí lớn, dàn nén khí nhỏ, dàn bơm nớc, dàn ép vỉa, dàn nhời ở, các cầu dẫn Ngoài ra mỏ Bạch Hổ còn có hệ thống đờng ống ngầm bao gồm:

- 20 tuyến ống dẫn dầu với tổng chiều dài 60,7 km

- 10 tuyến ống dẫn khí với tổng chiều dài 24,8 km

- 18 tuyến ống dẫn Gaslift với tổng chiều dài 28,8km

- 11 tuyến ống dẫn hỗn hợp dầu, khí với tổng chiều dài 19,3 km

Hiện nay Xí Nghiệp liên doanh dầu khí VIETSOPETRO đang cải tạo các dàn MSP

tr-ớc đó và lắp đặt thêm các thiết bị khai thác, xây dựng thêm một số dàn nhẹ

2.2.1 Dàn khoan cố định MSP

Là dàn khoan cố định Trên dàn bố trí tháp khoan di động có khả năng khoan ở nhiềugiếng khoan Về mặt công nghệ, MSP có thể khoan, khai thác và xử lý Hệ thống công nghệtrên dàn cho phép đảm nhiệm nhiều công tác, từ xử lý sơ bộ sản phẩm dầu khí cho đến tách

lọc sản phẩm dầu thơng phẩm, xử lý sơ bộ khí đồng hành Mức độ xử lý tuỳ thuộc hệ thốngthiết bị trên từng dàn Sản phẩm dầu khí đợc xử lý trên MSP có thể là từ các giếng khoancủa nó hoặc đợc thu gom từ các dàn nhẹ BK.

Về mặt cấu tạo dàn khoan gồm có phần móng, khối chân đế và phần kết cấu thợng tầng.Chân đế gồm 2 khối nối với nhau bằng bằng sàn chịu lực (MSF) ở phía trên và cố địnhxuống đáy biển bằng các cọc Khối chân đế là kết cấu thép không gian làm từ thép ống Th-ợng tầng có cấu trúc modul đợc lắp ghép lên trên sàn chịu lực

Mỗi chân đế có 8 ống chính (đờng kính 812.8x20.6mm) Phần dới của chân đế ở từngcọc trụ chính có 2 ống dẫn hớng cho các cọc phụ

Các phần tử cấu thành mạng panel và ống giằng ngang của chân đế làm từ các ống có ớng kính 426x12mm đến 720x 16mm Những chỗ tiếp giáp với đáy biển cọc chính và cọcphụ đợc trang bị hệ thống bơm trám xi măng

đ-Modul chịu lực (sàn chịu lực MSF) là các dầm thép tổ hợp Do điều kiện thi công ngoàibiển lên kết cấu này chia làm 3 phần riêng biệt 2 trong số đó đặt hẳn lên các trụ đỡ cònphần thứ 3 liên kết chúng thành 1 sàn chịu lực thống nhất Phần không gian trống giữa cácdầm của modul chịu lực dùng để đặt các thùng chứa với các chức năng khác nhau cần thiếtcho quy trình công nghệ thực hiện trên dàn

Móng khối chân đế là các cọc thép ống đờng kính 720x20mm Cần đóng tất cả 16 cọcchính và 32 cọc phụ

Kết cấu thợng tầng của MSP đợc thực hiện theo thiết kế 16716 của trung tâm thiết kếCorall (Liên Xô cũ) gồm những Block và môdul riêng rẽ đợc chia làm 2 tầng và đợc trang

bị những thiết bị công nghệ cần thiết Thành phần của kết cấu thợng tầng gồm có tổ hợpkhoan khai thác, năng lợng và khu nhà ở

2.2.2 Dàn nhẹ BK.

Là dàn nhỏ nhẹ không có tháp khoan Công tác khoan sẽ do tàu khoan tự nâng thựchiện Dàn BK có các thiết bị công nghệ ở mức tối thiểu để đo lu lợng và tách nớc sơ bộ Sảnphẩm từ BK sẽ đợc dẫn bằng đờng ống về MSP hoặc dàn công nghệ trung tâm để xử lý.Trên dàn không có ngời ở

Về mặt kết cấu phần chân đế dàn BK là kết cấu dàn tháp thép không gian có một mặtthẳng đứng, đợc cấu tạo từ thép ống có đờng kính khác nhau Chân đế có 4 ống chính Hệthống móng cọc gồm 4 cọc chính đờng kính 720x20mm và 8 cọc phụ

Thợng tầng có sân bay trực thăng, các thiết bị công nghệ, máy phát điện

2.2.3 Dàn công nghệ trung tâm CTP2.

Tổ hợp dàn công nghệ trung tâm gồm có:

Giàn công nghệ

Giàn mini số 2- BK

Cẩu nối các đờng ống và dây dẫn

Cơ cấu đuốc với các đờng ống tựa trên các Block chân đế

Bể trao đổi nhiệt dạng tấm phẳng (dầu-dầu)

Bể trao đổi nhệt dạng tấm phẳng (dầu-nớc)

Hệ thống khử nớc bằng điện có khối đốt nóng và phân li

Hệ thống phân li kiểu tháp

Khối chứa và chuyển hoá phẩm (chất khử nhũ và kìm hãm ăn mòn)

Ngoài ra trạm còn có các thiết bị đo và kiểm tra cần thiết, hệ thống van áp lực, hệ thốngtín hiệu báo sự cố và phòng chống cháy đảm bảo vận hành hữu hiệu hệ thống tiếp nhận dầu

Các giải pháp chính trong thiết kế đờng ống ngầm:

- Nguyên tắc chính để xác định lu lợng là cần đảm bảo vận chuyển không ngừng sảnphẩm từ giếng khoan với chi phí thấp nhất về vật t và năng lợng Chi phí vật t đợc xác

định bởi tổng chiều dài đờng ống , đờng kính ống và chiều dày ống Chi phí năng lợng

đợc xác định bởi áp suất cần thiết để bơm vận chuyển Để đảm bảo vận chuyển không

ngừng cần phải có đờng ống dự phòng và hệ thống đờng ống khép kín Trong trờng hợpcần thiết đờng ống dự phòng còn cho phép tăng lu lợng vận chuyển của hệ thống.

- Tất cả các đờng ống ngầm ban đầu khi cha khai thác thứ cấp đợc sử dụng với áp suấtdới 100atm và nhiệt độ dới 100oc

- Do khả năng kỹ thuật của VietsoPetro và chiều dài của các tuyến ống không lớn nênviệc vùi ống là không kinh tế Sự ổn định của đờng ống ngầm dới đáy biển nhờ trọng l-ợng bản thân của ống

- Chống ăn mòn cho ống bằng cách sơn phủ lên bề mặt ống lớp sơn epoxi và gắn cácProtector

- Từ yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm sau khi đi và ra khỏi đờng ống ngầm trong thời gianhiện nay cũng nh nhiệt độ thực tế của sản phẩm trong đó đờng ống ngầm không đợc bọccách nhiệt

- ống đứng của các đờng ống đang vận hành đợc chế tạo từ các loại ống dùng để xâyphần tuyến Khi đặt ống dứng vào kết cấu để ống đứng đợc cố định bằng kẹp cứng vànửa cứng

- Việc vận chuyển sản phẩm theo hệ thống đờng ống ngầm nhờ áp suất của máy bơm lytâm (đối với dầu), áp suất bình tách khí (đối với khí ) và áp suất của vỉa (đối với hỗn hợpdầu khí ) Chính vì vậy việc xác định khả năng vận chuyển của ống giữ vai trò quantrọng

- Các số liệu ban đầu để phục vụ tính toán đợc lấy trong một giai đoạn thiết kế mỏ nhất

- Hệ thống thu gom khí với áp suất tách lọc cấp 1 là 16 at thì khí đợc thu gom từ các dàn

cố định đến các trạm nén khí không cần sử dụng máy nén khí Các khí ở cấp lọc tiếptheo đợc nén tới 16 at và đa vào hệ thống thu gom khí

2.2.6 Giàn nén khí trung tâm ( CCP).

CCP là bộ phận cơ bản trong hệ thống vận chuyển khí mỏ Bạch Hổ và đa khí đồng hànhvào bờ vào

Vị trí: Công trình đứng tách riêng trong khu vực của dàn công nghệ trung tâm (CTP2)

thuộc phía nam mỏ và có liên quan công nghệ với CTP2 Thông qua dàn ống đứng bằng cẩunối

Công dụng: Nén khí đồng hành tại mỏ Bạch Hổ đảm bảo lu lợng và áp suất khí đa vào

bờ tiêu thụ 12.5 Mpa đến hệ thống gaslift và các nhu cầu cho bản thân

Trạm nén khí trung tâm bao gồm hệ thống nén khí áp lực cao (Pbx= 1.0 Mpa) và hệthống nén khí áp lực thấp (Pbx=0.095 Mpa)

+ áp lực đầu ra: 12.7Mpa

+ Nhiệt độ đầu vào:26-280C

+ Nhiệt độ đầu ra:450C

+ Đo riêng lợng khí đa vào bờ và lợng khí đến hệ thống gaslift

+ Thu gom phần condensate đen đa đến hệ thống xử lý tại CTP2

+ Thu gom phần condensate trắng đo dung tích và đa vào bờ

+ Thu gom nớc vỉa xử lý đạt chất lợng thải xuống biển

Hệ thống nén khí áp suất thấp:

Trạm nén khí đợc trang bị máy nén khí pittông 2 cấp của hãng NUVO PIGNON đợc truyền động bằng một động cơ điện

+ Lu lợng :240 000 Sm3/ngày

+ áp lực đầu vào :0.095 Mpa

+ áp lực đầu ra:1.084 Mpa

+ Nhiệt độ đầu vào :500C

+ Nhiệt độ đầu ra:450C

Sơ đồ công nghệ:

+ Thu gom khí từ CTP2 và đa vào ống góp CCP

+ Xử lý khí ở đầu vào

+ Nén khí qua 2 cấp với việc làm nguội giữa 2 cấp

+ Đa vào hệ thống nén khí áp suất cao

 Công dụng : Nén khí đồng hành khu vực bắc mỏ Bạch Hổ đảm bảo việc chuyển khí

đến hệ thống gaslift cho sử dụng bản thân và trong trờng hợp cần thiết đa vào bờ

 Thông số công nghệ chính :Trạm đợc trang bị 4 máy nén khí 4 cấp SHMB14 đựoc truyền động từ động động cơ khí 12V-AT27 GL của hãng WAUKESHA

+ Công suất :1 976 000 Sm3/ngày

+ áp suất đầu vào:0.6 Mpa

+ áp suất đầu ra:10.17 Mpa

+ Nhiệt độ đầu vào:26-280C

+ Nhiệt độ đầu ra:>450C

+ Đa khí vào hệ thống gaslift

2.3 Những yêu cầu đối việc thiết kế và quy hoạch hệ thống khai thác mỏ.

Thiết kế xây dựng khu mỏ khai thác dầu khí cần đợc xem nh là một tổ hợp công nghệ

đồng nhất đảm bảo thu nhận đợc sản phẩm có chất lợng đạt yêu cầu với chi phí cho thugom khai thác, xử lý và vận chuyển là thấp nhất

Hệ thống này bao gồm các quy trình công nghệ sau:

+ Thu gom, vận chuyển sản phẩm từ các giếng khai thác

+ Xử lý dầu

+ Xử lý nớc thải

+ Tiếp nhận và đo lờng dầu

+ Hệ thống phục vụ khai thác thử cấp

Các công trình công nghệ thu gom và vận chuyển sản phẩm của các giếng dầu cần phải :

+ Đo đợc sản phẩm khai thác

+ Phân bố các dòng dầu, khí theo tính chất lý hoá và theo các đờng ống công nghệ.+ Tách các sản phẩm của giếng

+ Tính toán khí theo hớng sử dụng

Những yêu cầu cơ bản để thiết kế và khai thác hệ thống thu gom bao gồm:

+ Sơ đồ công nghệ khai thác cần phải đợc cho phù hợp với điêù kiện khí hậu, địa hình,

địa vật của vùng mỏ với các tính chất lý hoá của sản phẩm các giếng khai thác.+ Phơng pháp khai thác đợc lựa chọn nhằm đảm bảo chỉ tiêu thiết kế, khai thác mỏ.+ Các thiết bị công nghệ (bơm nén khí, đo, tách) phải có khả năng hoán cải đợc

+ Các hệ thống thu gom cần phải có khả năng cho phép tiến hành nhanh chóng và kinh

tế công việc hoán cải, xây dựng lại hay thay đổi hình dạng những phần riêng biệt,

đồng thời thay đổi các thông số quy trình công nghệ cho phù hợp với các điều kiệnthay đổi của các quy trình khai thác

+ Các hệ thống thu gom cần phải cho phép tiến hành hiệu quả chống các sự cố mà không phải sửa chữa đáng kể

Trong thiết kế hệ thống thu gom cần phải thấy trớc khả năng quá tải của một số đờngống công nghệ ở những giai đoạn khai thác khác nhau mà thiết kế các đ ờng ống chính với

hệ số n=1,5 theo công suất thiết kế Đờng ống của hệ thống thu gom cần có những đoạn dự

bị, những đờng vòng khép kín để thay đổi dòng đi theo những hớng khác

Bài 3 Lựa chọn tuyến ống

I Mục đích của việc lựa chọn tuyến ống

Trong công tác thiết kế tuyến đờng ống biển, vấn đề đầu tiên là lựa chọn tuyến ống

Đây là một bài toán kinh tế - kĩ thuật cần phải căn cứ vào các số liệu khảo sát địa hình, địachất đã thu thập đợc để lựa chọn tuyến ống sao cho khả thi với giá thành thấp nhất mà vẫn

đảm bảo đợc các chỉ tiêu kĩ thuật Lựa chọn tuyến ống hợp lý sẽ đem lại hiệu quả kinh tế,tăng độ an toàn cho tuyến ống trong quá trình thi công cũng nh quá trình khai thác lâu dài

II Những yêu cầu của việc lựa chọn tuyến

Để tuyến ống đợc lựa chọn đảm bảo các yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật thì việc lựa chọntuyến phải dựa trên những cơ sở sau:

- Tuyến ống lựa chọn phải là ngắn nhất ở mức có thể để giảm chi phí đầu vào cũng nhhạn chế thời gian thi công trên biển

- Tránh những chớng ngại vật dới đáy biển nh đá ngầm, các khu vực đáy biển bị đứtgãy, tránh các điểm ống cắt (giao) ống, ống cắt đờng dây cáp quang (nếu có thể)

- Giảm tối thiểu chiều dài ống trong khu vực nền đất không ổn định (tuỳ thuộc vào điềukiện cụ thể của nền)

- Nếu tuyến ống nằm trong vùng có dòng bùn, phải giảm thiểu các nguy cơ do dịchchuyển đất đáy làm h hại đến tuyến ống bằng cách lái hớng tuyến ống sao cho hớng củatuyến phải song song với dòng bùn

- Tránh những khu vực thả neo và khu vực hoạt động quân sự ( nếu có thể)

Ngoài các yêu cầu chung nh trên việc lựa chọn tuyến ống còn xem xét các yếu tố sau:

- Tuyến ống phải đảm bảo yêu cầu mở rộng khai thác của mỏ trong tơng lai

- Khả năng kết nối của tuyến ống với các thiết bị công nghệ trong hệ thống mỏ (nếutuyến ống là tuyến nội mỏ)

- Sự phát triển của san hô…

- Khả năng động đất

Trong trờng hợp không tránh khỏi các bất lợi khi thiết kế phải chú ý bổ sung các phơng

án bảo vệ tuyến ống

Chơng II Tính toán thiết kế đờng ống biển

Bài 1 Mở đầu

I Tính toán đờng ống biển

Đờng ống phải đợc thiết kế sao cho đảm bảo hoạt động trong mọi trạng thái có thể cótrong suốt đời sống công trình đồng thời có chi phí chế tạo, thi công và vận hành thấp nhất

Có hai phơng pháp tính toán thiết kế độ bền đờng ống chính là theo ứng suất cho phép

và trạng thái giới hạn Các quy phạm hiện đại đều sử dụng phơng pháp thứ 2

Theo phơng pháp trạng thái giới hạn, mọi trạng thái giới hạn đều phải đợc thoả mãnvới :

1.1 Trạng giới hạn theo khả năng phục vụ (Serviceability Limit State):

- Trạng thái giới hạn về độ ovan;

- Trạng thái giới hạn về biến dạng đàn dẻo;

- Trạng thái giới hạn về mất hoặc hỏng vỏ bê tông gia tải;

1.2 Trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State):

- Trạng thái giới hạn nổ ống;

- Trạng thái giới hạn về méo ống (ôvan) dẫn đến hỏng ống;

- Trạng thái giới hạn về mất ổn định cục bộ;

- Trạng thái giới hạn về mất ổn định tổng thể (global buckling)

- Trạng thái giới hạn về phá hoại đàn dẻo và vết nứt;

- Trạng thái giới hạn về va chạm;

1.3 Trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit State)

1.4 Trạng thái giới hạn sự cố (Accidental Limit State)

- Mọi trạng thái giới hạn đều phải đợc thoả mãn với mọi tổ hợp tải trọng theo quy phạm

- Mọi trạng thái giới hạn đều phải đợc thoả mãn với mọi giai đoạn làm việc trong suốt

đời sống công trình Các giai đoạn điển hình trong đời sống công trình đờng ống gồmcó:

+ Giai đoạn thi công lắp đặt;

+ Giai đoạn sau lắp đặt, ống nằm trên đáy biển;

- Tải trọng môi trờng;

- Tải trọng khi thi công;

- Tải trọng sự cố;

Để xác định các tải trọng này có thể sử dụng các công thức đơn giản, các phầm mềmtính toán hoặc trong một số trờng hợp phải dùng đến phơng pháp thí nghiệm mô hình

2.1 Tải trọng chức năng

Tải trọng chức năng là các tải trọng phát sinh từ sự tồn tại vật lý của hệ thống đờng ống

và chức năng sử dụng của nó Các yếu tố sau cần đợc xét đến nh tải trọng chức năng:

đ-định) thì giá trị của áp lực thuỷ tĩnh không đợc lấy thấp hơn giá trị tính đợc ởmực nớc triều cao

- áp lực thiết kế và nhiệt độ thiết kế lớn nhất (hoặc nhỏ nhất) phải đợc dùng chomọi tính tính toán đối với điều kiện vận hành, trừ trờng hợp sau đây sẽ đợc dùng

áp lực và nhiệt độ vận hành bình thờng:

+ Khi tính toán mỏi;

+ Khi tính toán mà tải trọng môi trờng là trội;

2.2 Tải trọng môi trờng

Tải trọng môi trờng do các yếu tố môi trờng quanh đờng ống gây ra (trừ các tải trọng đãliệt kê nh tải trọng chức năng hoặc tải trọng sự cố) Các tải trọng môi truờng gồm:

- Tải trọng gió (khi tính toán riser);

- Tải trọng sóng và dòng chảy – tải trọng thuỷ động;

- Băng trôi;

- Động đất;

Khi xác định các tải trọng này, cần lu ý một số vấn đê sau:

- Do công trình đờng ống có chiều dài lớn nên giá trị và hớng của tải trọng có thểthay đổi dọc theo tuyến

- Khi tính toán tác động của đồng thời nhiều yếu tố môi trờng (ví dụ sóng và dòngchảy), cần lu ý tần suất của mỗi yếu tố cho phù hợp

Bài 2 Tính toán chiều dày ống chịu áp suất trong

I Bài toán đờng ống chịu áp lực trong

Xét ống trụ tròn đờng kính ngoài D0, chiều dày t, dài vô hạn chịu áp lực trong Pi, áp lựcngoài Pe (Hình 2.2.1)

Thành phần ứng suất chủ yếu trên ống có phơng vòng xung quanh tiết diện vànhkhuyên của ống Thành phần ứng suất này gọi là ứng suất vòng (Hoop stress), ký hiệu

e i h

2.1 Nguyên tắc tính toán theo quy phạm

- Đảm bảo xét mọi trạng thái làm việc và sự cố của công trình – Phải xét nhiều tr ờng hợpkhác nhau

- Kể đến các sai số chế tạo, thi công bằng hệ số an toàn

- Kể đến các biến dạng, ăn mòn có thể xảy ra

- Phơng pháp tính: thờng sử dụng phơng pháp tính toán theo trạng thái giới hạn, công thứcgiải tích

2.2 Một số quy phạm hay đợc áp dụng

- DnV: Submarine pipeline system 1981, 1986, 1993, 1996, 2000

- ASME B31.8 Gas transmission and distribution Piping System – The americansociety of mecanical engineers – 1989

- API Recommended Practice for Design and Installation of Offshore ProductionPlatform Piping Systems RP 14E – 1991

2.3 Tính toán chiều dày của ống chịu áp lực trong theo qui phạm DnV 1981

Theo qui phạm DnV -1981 chiều dày thành ống đợc xác định theo công thức sau:

D : Đờng kính ngoài danh định của ống

t : Bề dày danh định của ống

F : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu làm ống

kt : Hệ số giảm ứng suất do nhiệt độ - với loại ống có nhiệt độ vận hành nhỏ hơn 120

C thì lấy kt = 1.0, nếu t 120 C kt có kể đến đặc tính vật liệu

h : Hệ số sử dụng đợc lấy theo bảng phụ thuộc vào vùng cần tính và trạng thái làmviệc của kết cấu, đợc tra theo bảng sau:

Trong thiết kế thờng lấy Pe = 0, để tính thiên về an toàn

Từ công thức ( 2.1.2 ) ta có tính chiều dày cần thiết:

t   

t F h

e i

k

D P P

*

*

*2

2.4 Tính chiều dày ống chịu áp lực trong theo quy phạm ASME B31.8

Mục 841.11 - ASME B31.8, công thức xác định chiều dày ống chịu áp lực trong nh sau:

P = E F T

D

t S 2

P: áp suất trong thiết kế

S: ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu làm ống

b e li

t p p p



 .

) (1

x 2

f x D

x

fy = (SMYS - fy,temp).u (2.2.9)

fu = (SMYS - fu,temp).u.A (2.2.10)

Pb,s(x) : khả năng chịu lực trong của đờng ống theo TTGH chảy dẻo

Pb,u(x) : khả năng chịu lực trong theo TTGH phá vỡ (nổ) do ứng suất vòng (Hoop stress)

x : chiều dày tính toán của đờng ống

- Trong điều kiện thử áp lực tại nhà máy:

t1 = t - tfab

- Trong điều kiện vận hành:

t1 = t - tfab - tcorr

Trong đó :

SMYS : là ứng suất chảy dẻo nhỏ nhất đặc trng của thép ống

SMTS: là khả năng chịu kéo nhỏ nhất của thép ống

fy,temp: là phần giảm ứng suất chảy dẻo đặc trng do nhiệt (tra theo đồ thị 5.1 - DnV 2000)

fu,temp: là phần giảm khả năng chịu kéo đặc trng do nhiệt

Tác động gây ra mất ổn định cục bộ là áp lực ngoài, thờng xét là áp lực thuỷ tỉnh.

t

( 2.3.1 )

Trong đó:

Pc : áp lực gây ra mất ổn định cục bộ

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu ống

* 2 3

1 1

( 2.3.3 )

Y : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu

E : Mô đun đàn hồi của vật liệu

áp lực gây mất ổn định cục bộ Pc đợc so sánh với áp lực ngoài lớn nhất Pe Nếu Pc ≥Pethì đờng ống tại vị trí đó bị mất ổn định cục bộ

1.3.2 Theo quy phạm DnV 2000

áp lực tới hạn Pc đợc tính bằng cách giải phơng trình bậc 3 sau đây:

(Pc - Pel).(Pc - Pp2) = Pc.Pel.Pp.f0

2 t

1

)D

t.(

E2

c 1 1

f0: hệ số ô van Theo DnV OS F101 - 2000, không lấy nhỏ hơn 0.005

Dmax: đờng kính lớn nhất của tiết diện ô van

Dmin: đờng kính nhỏ nhất của tiết diện ô van

fy: đặc trng ứng suất chảy dẻo của vật liệu ống

fab: hệ số chế tạo (bảng 5-3 DnV OS F101 - 2000, “Submarine pipelinesystems”)

t2: chiều dày thép ống tính toán (mục C 300 DnV OS F101 - 2000),

II Mất ổn định lan truyền

2.2 Tính toán

Với đờng ống cho trớc, cần tính toán xác định áp lực ngoài gây mất ổn định lantruyền So sánh với áp lực ngoài thực tế tại địa điểm xây dng, nếu áp lực ngoài nhỏ

hơn áp lực gây mất ổn định lan truyền là an toàn Nếu ngợc lại, cần xem xét các giảipháp phòng chống ở mục 2.3.

t

( 2.3.9 )

Trong đó :

Pp : áp lực tới hạn gây ra mất ổn định lan truyền ( KN/m2 )

Y : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu ống ( KN/m2 )

+ Pp : áp lực tới hạn khi đờng ống bị mất ổn định lan truyền

+ F : ứng suất chảy nhỏ nhất của vật liệu làm ống

+ D : Đờng kính ngoài của ống

+ t : Chiều dày của ống

2.2.3 Theo DnV 2000

2.5 2 SC m

fab y

t γ γ

α f 35.

+ Ppr : áp lực tới hạn khi mất ổn định lan truyền

+ D : Đờng kính ngoài của ống

+ t : Chiều dày ống

+ fy : Hệ số phụ thuộc đặc điểm cờng độ vật liệu

+ m : Hệ số phụ thuộc độ bền vật liệu

+ sc : Hệ số an toàn

+ fab : Hệ số phụ thuộc chế tạo

2.3 Chống lan truyền mất ổn định

Trong trờng hợp tính toán thấy áp lực ngoài lớn hơn hoặc bằng áp lực gây mất ổn địnhlan truyền thì hiện tợng này có thể thể xảy ra với điều kiện đờng ống bị mất ổn định cục bộtại một điểm (do va chạm với neo, lới, hay bị khi thi công thả ống …) Khi đó, vết lõm sẽlan dọc ống cho đến điểm nào trên tuyến có áp lực ngoài nhỏ hơn áp lực gây mất ổn địnhlan truyền Do thông thờng đờng ống biển đặt dới đáy biển có chiều sâu không quá chênhlệch (trừ đờng ống từ mỏ vào bờ) nên khả năng hỏng toàn bộ tuyến ống là rất dễ xảy ra

Để chống lan truyền mất ổn định, có thể sử dụng các biện pháp khác nhau, trong đó đơngiản nhất là tăng chiều dày ống Tuy nhiên, phơng pháp này không kinh tế lắm Mặt khác,nếu không có biện pháp phòng chống thì rủi ro lại quá cao Biện pháp trung gian hiện đợc

sử dụng rộng rãi là dùng các vành chặn (buckle aresstor) Các vành chặn đặt cách đều mộtkhoảng nhất định trên tuyến, có hình dạng rất đa dạng nhng đều trên nguyên tắc là làm tăngchiều dày ống ở vị trí đó Khi xảy ra lan truyền mất ổn định, đoạn ống bị hỏng sẽ bị giớihạn trong khoảng giữa hai vành chặn liên tiếp

Việc quyết định khoảng cách giữa hai vành chặn là bài toán tối u Bố trí nhiều vànhchặn sẽ hạn chế đợc chiều dài đoạn ống hỏng khi có sự cố nhng tốn kém vật liệu và côngthi công vành chặn ban đầu, nếu bố trí ít vành chặn thì nguợc lại

III Mất ổn định tổng thể (global buckling) của đờng ống biển

3.1 Hiện tợng

Đờng ống có xu hớng dãn ra theo phơng dọc trục do nhiệt độ tăng hoặc do áp lực trong.Nếu ống bị chặn không cho chuyển vị thì hiện tợng mất ổn định tổng thể có thể xảy ra.Hiện tợng này hoàn toàn giống nh mất ổn định của thanh ơle

3.2 Tính toán

Chiều dài nhịp gây mất ổn định tổng thể nh sau:

- Nhịp ống có hai đầu liên kết ngàm:

P

EI L

25 0

49 0

4

2



I: Mô đun quán tính của tiết diện ống, m4L: Chiều dài nhịp gây mất ổn định, mP: lực nén dọc trục, N

Bài 4 Độ bền đờng ống khi đi qua các địa hình phức tạp

I Mở đầu

Thông thờng đờng ống nằm tiếp xúc liên tục với đáy biển và do đó không chịu mômenuốn Tuy nhiên trong một số trờng hợp ống buộc phải vợt qua địa hình đặc biệt làm phátsinh nhịp treo trên tuyến Các dạng địa hình đặc biệt thờng gặp là:

- Chớng ngại vật dạng lõm xuống: hào, rãnh, địa hình có sóng cát

- Chớng ngại vật dạng đỉnh lồi: mỏm san hô, đờng ống đã có trớc đó

Khi đờng ống có nhịp treo thì bài toán độ bền của ống trở nên rất phức tạp Cần phảixét các bài toán sau đây:

- Bài toán nhịp ống chịu tải trọng tĩnh, thờng xét các tải trọng nh trọng lợng bản thân,lực căng còn d trong ống khi thi công

- Bài toán nhịp ống chịu tải trọng động là lực thuỷ động của sóng và dòng chảy

- Bài toán cộng hởng dòng xoáy của nhịp ống

- Bài toán ổn định tổng thể (global buckling)

- Bài toán mỏi

Các bài toán trên là tơng đối quen thuộc Tuy nhiên, với công trình đờng ống thì kháphức tạp do nhiều lý do nh sau:

- Tính đa dạng của liên kết

- Tính phi tuyến của đất nền

- ảnh hởng của phi tuyến hình học

- ảnh hởng của nhiệt độ, ma sát và lực căng d trong ống

Dới góc độ thiết kế, do rất khó dự báo chính xác nhịp treo sẽ có trên tuyến ống nên

ng-ời ta thờng tính toán để xác định đợc chiều dài nhịp treo tối cho phép Số liệu này sẽ làmcăn cứ cho giai đoạn thi công, vận hành và bảo dỡng định kỳ sau này

II Bài toán tĩnh của đờng ống qua địa hình đặc biệt

2.1 Đặt bài toán

Xét hai dạng địa hình đặc biệt thờng gặp là hố lõm và đỉnh lồi, tải trọng là trọng lợngbản thân ống trong nớc và lực căng còn d trong ống Vấn đề khó khăn nhất là xây dựng đợcmô hình liên kết giữa ống và nền tại hai đầu nhịp Trong thực tế, liên kết giữa ống và nềnrất đa dạng nh ống dựa hoàn toàn trên nền, ống vùi một phần trong nền hoặc ống vùi hoàntoàn trong nền v.v, mặt khác sự làm việc của đất nền dới ống thực chất là đàn dẻo hay đànhồi phi tuyến Nh vậy, rất khó có thể đa ra công thức tính toán chung cho mội trờng hợp.Các nghiên cứu trớc đây theo nguyên tắc mô hình hoá sự làm việc của đất nền bằng các lò

xo, sử dụng máy tính điện tử để khảo sát các nhịp ống khác nhau với lực căng và trọng lợngkhác nhau đã xây dựng đợc các đồ thị cho phép nhanh chóng tra đợc các đặc trng của nhịp,ứng suất lớn nhất trên ống và biên dạng tơng ứng Các đồ thị này có thể sử dụng để tínhtoán sơ bộ bài toán tĩnh của ống vợt qua địa hình đặc biệt

2.2 Bài toán đờng ống qua hào (hố lõm)

Trạng thái ống qua hố lõm đợc mô tả nh hình vẽ

Xét hình dạng của ống khi đi qua hào trên hình trên Ta thấy có 2 vùng cách biệt có thểdùng để định rõ hình dạng của ống

- Vùng 1 : Đoạn nhịp ống ở chỗ trũng, chiều dài L

- Vùng 2 : Đoạn nhịp ống ngoài chỗ trũng, chiều dài l

Sơ đồ trên là đối xứng ứng suất lớn nhất xảy ra ở mép hào (m)

Tra đồ thị 3.19 trong tài liệu Offshore Pipeline Design Alalysis and Methods theo các đại l ợng vô hớng xác định đợc ứng suất lớn nhất trong nhịp m

Lực kéo vô hớng:

C

L W

L 

- ứng suất đặc trng:

C C

L

C E





Trong đó :

- W: Trọng lợng của ống dới nớc trên một đơn vị chiều dài

- E: Mô đun đàn hồi của vật liệu làm ống

- J: Mô men quán tính của tiết diện ống

v M y

T

x

T v M

v R

T T

Free - Body Diagram

Tơng tự, tra đồ thị 3.20, xác định đợc ứng suất giữa nhịp Đồ thị 3.21 cho phép tra độ võnggiữa nhịp

Đồ thị 3.22 cho phép tra chiều dài nhịp phụ l Có thể sử dụng hàm sau đây thay cho đồthị:

835 0 0

, 11

10 71

16 98

10 112 0

3 2

m c

m c

m c

2 2

L: ứng suất dọc trục do mô men uốn;

2.3 Bài toán đờng ống qua đỉnh lồi

Gọi độ nhô lên của đỉnh lồi là , và tổng độ dài nhịp là L

Trạng thái ống vợt qua đỉnh lồi đợc mô tả nh hình vẽ

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

0.1

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0

0

 10

 5

L/Lc

Khi đã có c, Lc, , tra đồ thị 3.24 và 3.25 tài liệu Offshore Pipeline Design Analysis and Methods, xác định đợc các thông số m, L

405 0 0

, 02

16 18

52 251

1 02323 0

m c

III Bài toán cộng hởng dòng xoáy của nhịp ống

Khi dòng chảy cắt ngang một nhịp ống, các xoáy xuất hiện sau tiết diện ngang Cácxoáy này gây dòng chảy nhiễu loạn và không ổn định sau ống Dòng xoáy dẫn đến sự biến

đổi có chu kỳ của áp lực thuỷ động lên ống và làm ống rung động

Chu kỳ của dòng xoáy phụ thuộc đờng kính ngoài D và vận tốc dòng chảy V

Dao động xảy ra theo cả hai phơng, phơng vuông góc với dòng chảy và phơng trùng vớihớng dòng chảy Các nghiên cứu cho thấy đờng ống bắt đầu dao động theo phơng dọc dòngkhi tần số dòng xoáy đạt khoảng 1/3 tần số dao động riêng của nhịp Nếu tốc độ dòng chảytăng đến mức cao, tần số dao động của dòng xoáy xấp xỉ tần số dao động riêng của nhịp và

L



T T

dao động ngang dòng xuất hiện Lúc này, trên nhịp ống xảy ra hiện tợng dao động cộng ởng gây chuyển vị và ứng suất rất lớn dẫn tới phá huỷ ống.

h-Theo Offshore Pipeline Design Alalysis and Methods, điều kiện để không xảy ra hiện ợng cộng hởng là:

.V S

f 

 St : Số Stroulhal phụ thuộc vào hệ số cản vận tốc CD:

 D0,75

t c

0,21

S 

 CD : Hệ số cản vận tốc

 Vdc : Vận tốc dòng chảy trung bình trên nhịp đang xét

 Dn : Đờng kính ngoài của ống :

- Trong phần lớn trờng hợp, số stroulhal có thể lấy bằng 0,2

- Tần số dao động riêng của nhịp ống (Hz):

M

E.I L

C

fn  2

- L : Chiều dài nhịp ống;

- E: Môdul đàn hồi của vật liệu thép ống;

- C: Hằng số phụ thuộc vào điều kiện liên kết hai đầu của ống:

Hai đầu liên kết là khớp: C = 1,57Hai đầu liên kết là ngàm: C = 3,50

- I: Mô men quán tính;

- M: Khối lợng tổng cộng trên một đơn vị chiều dài của ống (kể cả chất vận chuyển, vỏ bọc, hà bám, nớc kèm )

Bài 5 Tính toán ổn định vị trí của đờng ống dới đáy biển

I Hiện tợng

Trong quá trình vận hành, đờng ống luôn chịu tác động của điều kiện môi trờng nhsóng, dòng chảy, sự vận chuyển của dòng cát hay dòng bùn, đặc biệt là lực đẩy nổi Nhữngtác động này làm cho đờng ống có xu hớng bị dịch chuyển dới đáy biển, trôi dạt đờng ống

và có thể phá huỷ đờng ống do gây quá ứng suất Để đờng ống vận hành an toàn cần thiết

kế sao cho đờng ống không bị dịch chuyển khỏi vị trí của nó, hoặc nếu có thì nằm tronggiới hạn cho phép Do đó, việc tính toán ổn định vị trí là nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế

đờng ống, công việc tính toán nhằm tìm ra đợc trọng lợng yêu cầu của ống để ống ổn địnhdới đáy biển trong suốt thời gian vận hành

II Tính toán

Việc tính toán ổn định vị trí cần đảm bỏo ống ổn định tại mọi vị trí, trong mọi điều kiệnhoạt động và môi trờng Do đó, khi tính toán cần xét trạng thái thi công và trạng thái khaithác với những tổ hợp bất lợi nhất của sóng và dòng chảy Đối với đờng ống dài đi qua cácvùng có số liệu môi trờng khác nhau hoặc đờng ống có đổi hớng thì bài toán ổn định vị trícần đợc thực hiện hiện ở tất cả các vị trí đại diện

Xét một đoạn ống dài 1m chịu tác động của sóng, dòng chảy nh sau:

Sơ đồ tính ổn định vị trí đờng ống biển

Trong đó :

 : Góc nghiêng bề mặt đáy biển

 W : Trọng lợng trong nớc của ống, bao gồm : vỏ bọc bê tông ( nếu có ), vỏ chống

ăn mòn, ống thép, các sản phẩm bên trong ( Dầu , khí …), hà bám, lực đẩy nổi

 U :Vận tốc của phần tử chất lỏng trong lớp biên (từ 1 đến 3m tính từ đáy biển lên)

Để tìm ra trọng lợng yêu cầu của ống để ống ổn định dớc đáy biển, ta chiếu các lực lênphơng ox, oy

* μ

F

* μ F F

 : Khối lợng riêng của nớc biển  = 1025 kg/m3

D : Đờng kính ngoài của ống ( kể cả lớp bọc nếu có ), m

Ue : Vận tốc hiệu quả của phần tử nớc trong lớp biên, vận tốc xác định theo hớng vuônggóc trục ống, (m/s)

Cách xác định Ue trong tính toán thực hành nh sau :

Ue2 = 0.778*U0 *

286 , 0

Khi kết quả tính toán cho thấy trọng lợng yêu cầu lớn hơn trọng lợng thực tế của

đờng ống thì cần xem xét các biện pháp làm ổn định vị trí cho đ ờng ống Các biệnpháp hiện dùng gồm có :

-Tăng chiều dày vỏ thép của ống

-Bọc vỏ bê tông gia tải

-Gia tải cục bộ bằng khối bê tông

-Đa ống xuống hào

-Sử dụng vít xoắn neo ống xuống nền

Biện pháp bọc vỏ bê tông gia tải hiện đợc sử dụng rộng rãi nhất do có giá thành rẻ và

t-ơng đối dễ thi công Một số lu ý khi bố trí lớp bê tông gia tải nh sau :

- Bố trí lới cốt thép cấu tạo có đờng kính tối thiểu 6mm

- Chiều dày nên chọn tối thiểu 4 cm

- Cờng độ chịu nén tối thiểu 40 MPa (ASTM C 39)

- Độ hút nớc tối đa 8% (về thể tích)

- Tỷ trọng tối thiểu 1900 kg/m3

III Phân tích ổn định vị trí của đờng ống dới tác động của sóng

và dòng chảy theo quy phạm DnV

Tính toán ổn định vị trí của đờng ống dới đáy biển đợc xét trong hai trờng hợp sau:

Giai đoạn 1: Điều kiện ống mới đợc lắp đặt xong.

Trong điều kiện này, ổn định đợc thờng đợc tính trong điều kiện sóng – dòng chảy 01năm, đờng ống cha có hà bám, chất trong ống là không khí hoặc nớc biển.

Giai đoạn 2: Điều kiện vận hành.

Trong điều kiện này, ổn định vị trí của ống thờng đợc tính trong điều kiện sóng – dòngchảy tần suất xuất hiện là 100 năm Lu ý tổ hợp giữa sóng và dòng chảy có hai lựa chọn:

Nếu sóng là trội: Sóng 100 năm + dòng chảy 10 năm

Nếu dòng chảy là trội: Dòng chảy 100 năm + sóng 10 năm

Xét đờng ống có chiều dày hà bám bằng chiều dày cực đại tơng ứng với đời sống côngtrình, trong ống chứa chất vận chuyển

Theo tài liệu DnV RP E305 - 1988, “On bottom stability design of submarinepipelines”, để đờng ống ổn định dới tác động của môi trờng thì trọng lợng ống dới nớc tínhcho một đơn vị dài phải thoả mãn điều kiện:

I D L

γ

F μ

μF ) F (F

WS: trọng lợng ống trong nớc gồm trọng lợng ống thép, lớp bê tông gia tải, lớp

bọc chống ăn mòn và trọng lợng chất vận chuyển trong ống

FW: hệ số hiệu chỉnh phụ thuộc vào hệ số Keulegan-Carpenter (K) và M tỷ lệgiữa vận tốc dòng chảy và vận tốc sóng (M)

: hệ số ma sát giữa ống và đáy biển, xác định theo đồ thị hình 5.11 - DnV E305

Nếu số Renol <3.10 và M ≥0,8 thì CD =1.2.

+ Hệ số Reynold: Re =



D

US: vận tốc sóng đáng kể tác động vuông góc với trục ống

US = U*.RU*: vận tốc sóng tác dụng vuông góc với trục ống không kể đến yếu tố giảm củahớng truyền sóng, đợc xác định theo đồ thị 2.1 DnV - 1988 - E305

R: hệ số giảm kể đến sự phân bố giữa hớng sóng chính với các hớng sóng khác

và góc giữa hớng sóng chính và hớng tuyến ống) xác định theo đồ thị 2.3 DnV

1988 - E305 Khi sử dụng hệ số R thì chỉ cần tính toán với hớng sóng chính là

đủ Tuy nhiên, các thông số n và C dùng để tra đồ thị trên phụ thuộc từng địa

ph-ơng và cha có các hệ số dùng cho biển Việt nam

UC: vận tốc dòng chảy trung bình tác dụng vuông góc với trục ống

AS: gia tốc chuyển động ứng với chiều cao sóng đáng kể

AS =

u

S T

U 2

: góc pha tại đó tải trọng sóng tác dụng cực đại lên đờng ống

Tu: tra theo đồ thị 2.2 DnV E305 1988 thông qua tỷ số:

p

n T T

Tp: chu kỳ sóng

Tn =

g d

ở đây:

d, g là độ sâu nớc tại vị trí xây dựng công trình và gia tốc trọng trờng

Trong tính toán ta đi xác định biên độ vận tốc và gia tốc đáng kể trong trờng hợp tổngquát là US , AS là theo hớng sóng tính toán Để tính toán cần chiếu các đại lợng này lên ph-

ơng vuông góc với trục ống:

USt = US.sin

ASt = AS.sin

( là góc giữa hớng sóng và trục ống)

Khi đó, hệ số R lấy bằng 1

Trình tự tính toán bài toán ổn định vị trí – ph ơng pháp đơn giản hoá (simplified method - DnV Rp E-305):

 B1: Xác định vận tốc, gia tốc sóng đáng kể theo hớng sóng tính toán.

+ Dùng đồ thị 2.1 DnV - 1988 - E305, xác định *

S

U

* S S



+ Hệ số giảm hớng lan truyền R = 1(coi là không giảm)

+ Xác định đợc vận tốc sóng tác dụng vuông góc lên trục ống US

.R.sinα U

T

U

* 2π

z z ln k

* U

z1

*1z

zln

1U

U

0 r

0

r r

zr : Độ sâu tham chiếu, kể đến ảnh hởng của lớp biên

z0 : Hệ số phụ thuộc vào độ nhám của đáy hay tính chất nhám của đất bề mặt

đáy biển