Tài liệu Chương 3 quy mô công suất và nguyên liệu của nhà máy

DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ CHƯƠNG III: QUY MÔ CÔNG SUẤT VÀ NGUYÊN LIỆU CH ́ NHÀ MÁY Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu Nhà máy Trang III-1 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ MỤC LỤC I. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN SẢN PHẨM..............................................................3 I.1. Chiến lược phát triển Công nghiệp Dịch vụ Dầu khí..........................................3 I.2. Các Nhà máy sản xuất ống thép trên thế giới.....................................................4 I.3. Lựa chọn đối tượng và thị trường tiêu thụ sản phẩm cho Nhà máy....................7 II. QUY MÔ CÔNG SUẤT CỦA NHÀ MÁY.........................................................7 III. NHU CẦU NGUYÊN VẬT LIỆU.......................................................................8 II.1. Yêu cầu nguyên liệu cho nhà máy........................................................................8 II.1.1. Khái quát về vật liệu thép.....................................................................................8 II.1.2. Hàm lượng cacbon và cơ tính của thép.................................................................9 II.1.3. Hàm lượng cacbon tương đương và tính hàn của thép........................................10 II.2. Phân tích lựa chọn nguyên liệu cho nhà máy......................................................11 II.2.1. Ống thép kết cấu chế tạo chân đế giàn khoan.....................................................11 II.2.2. Ống thép làm tuyến ống vận tải môi chất...........................................................23 II.3. Tính toán nguyên liệu cần thiết cho Nhà máy.....................................................26 II.3.1. Khối lượng, số lượng thép tấm cần cung cấp......................................................26 II.3.2. Tính khối lượng dây hàn.....................................................................................28 II.4. Điều kiện cung cấp nguồn nguyên liệu cho Nhà máy.........................................30 II.4.1. Nguồn nguyên liệu trong nước...........................................................................30 II.4.2. Nguồn nguyên liệu nhập khẩu............................................................................37 Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-2 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ I. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN SẢN PHẨM I.1. Chiến lược phát triển Công nghiệp Dịch vụ Dầu khí Trong những năm gần đây, nhờ có một nền tảng vững chắc, tốc độ tăng trưởng của Tập đoàn dầu khí Việt Nam luôn ở mức cao, là ngành công nghiệp mũi nhọn của nước ta, hàng năm đóng góp lớn cho nguồn thu ngân sách quốc gia. Hiện nay, công nghiệp dầu khí được coi là ngành công nghiệp đi đầu trong việc áp dụng các công nghệ tiên tiến trên thế giới. Tuy nhiên, các lĩnh vực hoạt động sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực kỹ thuật, phục vụ cho công nghiệp khai thác dầu khí của nước ta còn yếu, chủ yếu tập trung vào các loại hình dịch vụ đơn giản như cung ứng lao động, cung cấp dịch vụ công nghệ thấp… Các dịch vụ công nghệ phức tạp, đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao đều do các Công ty / Nhà thầu nước ngoài cung cấp. Ngày 09/03/2006, Thủ tướng Chính phủ đã có Quyết định số 386/QĐ-TTg về việc phê duyệt Chiến lược phát triển ngành Dầu khí Việt Nam đến năm 2015 và định hướng đến năm 2025 với mục tiêu tổng quát là: “Phát triển ngành Dầu khí trở thành ngành kinh tế - kỹ thuật quan trọng, đồng bộ, bao gồm tìm kiếm, thăm dò, khai thác, vận chuyển, chế biến, tàng trữ, phân phối, dịch vụ và xuất, nhập khẩu. Xây dựng Tập đoàn Dầu khí mạnh, kinh doanh đa ngành trong nước và quốc tế”. Theo Dự thảo Báo cáo chính trị (lần 3) tai Đại hội đại biểu lần thứ I Đảng bộ Tập đoàn Dầu khí Quốc ia Việt Nam (nhiệm kỳ 2010 – 2015) thì giá trị sử dụng dịch vụ trong nội bộ Tập đoàn chiếm tỷ trọng 50% tổng nhu cầu dịch vụ toàn Tập đoàn và tăng trưởng đạt 20%/ năm. * Về nhóm dịh vu ky thuâ ̣t dâu khí: Tập trung đầu tư để thực hiện được Hợp đồng EPC chế tạo và lắp đặt các công trình dầu khí (đóng giàn khoan, tàu dịch vụ, tàu chứa dầu, lắp đặt đường ống, chế tạo lắp đặt giàn khoan khác, sửa chữa giàn khoan khai thác, các phương tiện nổi, …), tự đảm nhận cung cấp 100% các loại hình dịch vụ khảo sát trên bờ; 50% thiết kế cơ sở đối với các công trình phức tạp cao về công nghệ; cung cấp 100% nhu cầu dịch vụ hỗ trợ sản xuất phục vụ cho các hoạt đô ̣ng dầu khí trên biển cũng như trên đất liền. * Về nhóm dịh vu vận hành bảo dưỡng: Tiến tới đảm nhâ ̣n vâ ̣n hành 100% các giàn khai thác tại Viê ̣t Nam; đảm nhận toàn bộ công tác vận hành các công trình khí; vận hành nhà máy lọc dầu, hoá dầu, phân bón, điện; thực hiện công tác bảo dưỡng thường xuyên các nhà máy, công trình dầu khí; tự thực Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-3 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ hiện sửa chữa vừa và nhỏ các công trình dầu khí, hợp tác với đối tác nước ngoài cho dịch vụ sửa chữa lớn, sửa chữa các trang thiết bị chuyên ngành. * Về lĩnh vự̣ dịh vu khạ́: Đảm nhâ ̣n 100% dịch vụ vâ ̣n chuyển và phân phối khí và các sản phẩm khí; vâ ̣n chuyển dầu thô và các sản phẩm hoá dầu đă ̣c dụng; tiếp tục phát triển các hình thức Dịch vụ tư vấn thu xếp vốn; chuyển đổi doanh nghiê ̣p; các hình thức cho thuê tài chính, Dịch vụ bảo hiểm dầu khí; Dịch vụ ngân hàng và chứng khoán… I.2. Các Nhà máy sản xuất ống thép trên thế giới Theo thống kê của Lloyd ‘s Register, hiện nay trên thế có 38 nhà máy sản xuất ống thép hàn. Trong số đó, có 15 nhà máy sản xuất ống đường kính từ 16  30 inch chiếm tỷ lệ cao nhất là 44% phân bố ở Nhật Bản và Hàn Quốc mỗi nước có 4 nhà máy, ở châu Âu có 3 nhà máy, còn Trung quốc và Đài Loan mỗi nước có 2 nhà máy. Tiếp theo, có 10 nhà máy sản xuất ống có đường kính từ 32  48 inch chiếm 29% và 3 nhà máy sản xuất ống có đường kính 48  66 inch chiếm 9%. Còn lại là 18% với 6 nhà máy sản xuất ống có đường kính từ 10  16 inch. Biểu đồ thống kê các nhà máy sản xuất ống thép hàn trên thế giới như Hình III-1 và phân bố các nhà máy sản xuất ống có đường kính từ 16  30 inch như Hình III-2 dưới đây. Hình III.1: Thống kê các nhà máy sản xuất ống thép hàn trên thế giới Tại châu Á có các nhà máy sản xuất ống loại 26 inch dày 22 mm của JFE STEEL tại Nhật Bản, 30 inch dày 13 mm của SeAH STEEL tại Hàn Quốc và loại 31 inch dày 25 mm của Shang Hai tại Trung Quốc. Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-4 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Hình III.2: Phân bố các nhà máy sản xuất ống thép đường kính từ 1630” Các loại nhà máy nêu trên được áp dụng công nghệ khác nhau như Roll Bending, JCO và UOE. Các hình thức công nghệ này quy định quy trình sản xuất rõ ràng, tuân thủ nghiêm ngặt theo những tiêu chuẩn chuyên ngành và phải được kiểm định bởi các hãng đăng kiểm uy tín. Bảng III-1: Các nhà máy sản xuất ống thép hàn kích thước từ 10  157 inch trên thế giới được đăng kiểm bởi Lloyd ‘s Register Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-5 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Phân bố và danh sách các nhà máy sử dụng công nghệ Roll Bending trên thế giới như Hình II-3 và Bảng II-2 dưới đây. Hình III.3: Phân bố các nhà máy sử dụng công nghệ Roll Bending Bảng III-2: Các nhà máy sử dụng công nghệ Roll Bending Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-6 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ I.3. Lựa chọn đối tượng và thị trường tiêu thụ sản phẩm cho Nhà máy Khi đi vào hoạt động, Nhà máy sẽ tăng năng lực sản xuất ống thép của PVC nói chung và của PV-PIPE nói riêng đáp ứng được nhu cầu của thị trường trong nước. Đối tượng và thị trường tiêu thụ sản phẩm của nhà máy sẽ ống thép công nghệ cung cấp cho các dự án đường ống dẫn dầu khí, các ống thép kết cấu chế tạo chân đế giàn khoan, ... Sản phẩm được sản xuất trên dây chuyền thiết bị hiện đại, công nghệ tiên tiến, đáp ứng mọi yêu cầu của khách hàng theo tiêu chuẩn Việt Nam và Quốc tế… Có đủ khả năng thay thế sản phẩm nhập khẩu cùng loại cung cấp cho thị trường Việt Nam, tiến tới xuất khẩu sang thị trường khu vực. Mặt khác với lợi thế là đơn vị trong ngành dầu khí thì khi đi vào hoạt động, dự kiến thị trường tiêu thụ sản phẩm của nhà máy sẽ là các kho chứa chuẩn bị xây dựng như: Kho lạnh LPG Long An, kho lạnh LPG Thị Vải, mở rộng kho chứa condensat Cái Mép, mở rộng kho xăng dầu Nhà Bè, ... II. QUY MÔ CÔNG SUẤT CỦA NHÀ MÁY Việc lựa chọn quy mô công suất của nhà máy dựa trên cơ sở như sau:  Như đã phân tích và tổng hợp trong các mụ III.1 đến mụ III.3 và Bảng I.6, dựa trên nhu cầu thị trường trong nước và xuất khẩu ống thép ra thị trường nước ngoài thì nhu cầu về ống thép như sau: - Từ năm 2011 đến 2015: Nhu cầu ước tính khoảng 436.200 tấn tức là trung bình ước tính khoảng 87.200 tấn/năm, cung cấp cho các Dự án đường ống dẫn khí, lọc hóa dầu, các nhà máy điện, các ngành công nghiệp khác và xuất khẩu ra thị trường nước ngoài. - Từ năm 2016 đến 2025: Nhu cầu thống kê khoảng 382.000 tấn, tức là ước tính trung bình khoảng 38.200 tấn/năm. Ngoài việc cung cấp ống cho các Dự án như trên, từ năm 2014 dự kiến còn bổ sung thêm lượng ống của các Dự án chế tạo khối chân đế giàn khoan và xuất khẩu ra nước ngoài thì sản lượng ống thép sẽ tăng thêm.  Đối với nhà máy chế tạo ống thép, do kinh phí đầu tư rất lớn nên cần lựa chọn quy trình công nghệ chế tạo và sản phẩm đáp ứng nhu cầu và có thể cung cấp ngay cho thị trường để có thể thu hồi vốn nhanh chóng và tăng hiệu quả đầu tư của Dự án.  Điểm qua công nghệ chế tạo ống tiên tiến hiện nay trên thế giới bao gồm dây chuyền công nghệ JCO có công suất từ 70  100 ngàn tấn/năm, công nghệ UOE có công suất từ 250  300 ngàn tấn/năm và công nghệ 3-Roll Bending có công suất từ 100  240 ngàn tấn/năm. Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-7 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ  Căn cứ theo Biên bản họp ngày 31/5/2010 về việc lập Dự án đầu tư xây dựng công trình Nhà máy chế tạo ống thép giữa Công ty PV-PIPE, Công ty PVC-MS và Công ty PVE.  Căn cứ vào Biên bản họp ngày 11/6/2010 về việc triển khai Dự án Nhà máy sản xuất ống thép Dầu khí Việt Nam giữa Tổng Công ty PVC, Tổng Công ty PV GAS, Công ty PV-PIPE, Công ty PVC-MS, Công ty PVE. Từ các cơ sở trên đây, để đáp ứng nhu cầu về ống thép trong nước cho các Dự án Lô B – Ô Môn và dự án đường ống Nam Côn Sơn II và xuất khẩu, sự tương thích về nhu cầu với dây chuyền công nghệ, hợp lý trong bố trí dây chuyền với diện tích khu đất và đảm bảo Dự án đạt hiệu quả cao, chọn công suất nhà máy đạt khoảng 100,000 tấn/ năm phù hợp với dây chuyền công nghệ 3-Roll Bending với chế đô ̣ làm viêc̣ 1 ca và 200,000 tấn/ năm với chế đô ̣ làm viêc̣ 2 ca. Việc lựa chọn dây chuyền công nghệ cho Nhà máy sản xuất ống thép sẽ được phân tích cụ thể trong Chương IV: Lựa ̣họn phương án ̣ông nghệ của Thuyết minh Dự án đầu tư và Thuyết minh thiết kế cơ sở. III. NHU CẦU NGUYÊN VẬT LIỆU II.1. Yêu cầu nguyên liệu cho Nhà máy II.1.1. Khái quát về vật liệu thép Trong cuộc sống cũng như trong các ngành công nghiệp hiện nay, thép là loại vật liệu phổ biến nhất được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới. Trong khoa học vật liệu người ta chia thép làm hai loại chính gồm có thép cacbon (hay còn gọi là thép thường) và thép hợp kim. Với những ưu điểm về giá thành và cơ tính nên thép cacbon hiện chiếm tỷ trọng lên đến 90% tổng sản lượng thép được sản xuất. Thép là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2,14% với đặc tính nổi bật là tính dẻo. Tuy nhiên khi phân tích thành phần hoá học của thép chúng ta thường thấy sự hiện diện của các nguyên tố hoá học khác (gồm cả phi kim lẫn kim loại) với hàm lượng nhỏ. Nguyên nhân có mặt của các nguyên tố hoá học trong thép là do trong giai đoạn luyện kim các nguyên tố đã đi vào trong thép mà không cần phải khử bỏ do chúng cũng có lợi hoặc không cần khử bỏ triệt để mặc dù chúng có hại nhưng rất tốn kém để khử bỏ hoàn toàn. Các tạp chất có lợi trong thép bao gồm Mangan (Mn) và Silic (Si): bất kỳ loại thép nào dù có thành phần rất đơn giản thì cũng có Mangan và Silic với hàm lượng không lớn hơn 1%. Hai nguyên tố này đi vào thành phần của thép theo 2 con đường: Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-8 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ  Quặng sắt có lẫn các hợp chất khác như ôxyt mangan, ôxyt silic, trong quá trình luyện gang chúng bị hoàn nguyên (MnO  Mn, SiO2  Si) đi vào gang rồi vào thép.  Khi luyện thép phải dùng fero-mangan và fero-silic để khử oxy, phần không tác dụng hết với oxy sẽ đi vào thành phần của thép. Các tạp chất có hại trong thép bao gồm Phốt pho (P) và Lưu huỳnh (S): hai nguyên tố này đi vào thành phần của gang và thép qua con đường quặng sắt và nhiên liệu (than coke khi luyện gang). Những nguyên tố này làm cho thép trở nên giòn do đó phải khử bỏ đến giới hạn cho phép, thông thường quy định hàm lượng của mỗi nguyên tố này trong thép không vượt quá 0,05%. Trong quá trình luyện gang, thép một số nguyên tố phi kim có mặt trong không khí cũng hoà tan vào thép lỏng trong lò luyện. Các nguyên tố này đặc biệt có hại như làm thép không đồng đều về tổ chức (gây nên tập trung ứng suất) và tăng tính giòn. Tuy nhiên hàm lượng của các tạp chất này rất nhỏ, khó phân tích nên chúng không được quan tâm trong thành phần của thép. Trong công nghiệp luyện kim hiện nay sử dụng ngày càng nhiều gang, thép, hợp kim phế liệu nên ngày càng tăng lên hàm lượng các nguyên tố Crôm (Cr), Niken (Ni) và đồng (Cu) chúng có lợi nhưng được khống chế thành phần nhỏ hơn 0,3% cho mỗi nguyên tố và tổng lượng của các nguyên tố này không quá 0,5%. Ngoài ra còn có các nguyên tố như Vonfram, Môlipđen, Titan với hàm lượng được khống chế 0,05% cho từng nguyên tố. II.1.2. Hàm lượng cacbon và cơ tính của thép Cacbon có ảnh hưởng rất lớn đến cơ tính của thép nên nó quyết định phần lớn công dụng của thép. Muốn quyết định ứng dụng một loại thép nào đó vào một mục đích cụ thể thì việc đầu tiên cần xem xét là hàm lượng của cacbon sau đó mới xem xét đến các nguyên tố hợp kim. Điều đặc biệt là khi ta thay đổi một lượng cacbon khoảng 0,05% có thể tạo ra các nhóm thép có cơ tính đối lập nhau mà không nguyên tố nào khác có được tính chất này.  Thép cacbon thấp (≤ 0,25%) có độ dẻo, độ dai cao nhưng độ bền, độ cứng lại thấp, chúng được dùng làm kết cấu xây dựng, tấm lá để dập nguội.  Thép cacbon trung bình (0,3 ÷ 0,5%) có độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ dai đều khá cao tuy không phải là cao nhất nhưng nói chung nhóm thép này có cơ tính tổng hợp cao nên được sử dụng nhiều làm các chi chịu tải trọng tĩnh lớn và chịu va đập tốt. Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-9 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ  Thép cacbon tương đối cao (0,55 ÷ 0,65%) với ưu điểm là có độ cứng tương đối cao, giới hạn đàn hồi cao nhất phù hợp làm các chi tiết chịu đàn hồi.  Thép cacbon cao (≥ 0,70%) có ưu điểm độ cứng và độ chống mài mòn đều rất cao và làm dụng cụ cắt gọt trong gia công cơ khí. Hàm lượng cacbon trong thép ảnh hưởng lớn đến tính hàn và khả năng dập nguội, dập sâu của thép. Thép có hàm lượng cacbon thấp dễ hàn và dễ dập. Hàm lượng cacbon cũng ảnh hưởng đến khả năng cắt của thép. Hàm lượng cacbon cao (thép cứng) và hàm lượng cacbon thấp (thép dẻo) đều gây khó khăn cho gia công cắt. II.1.3. Hàm lượng cacbon tương đương và tính hàn của thép Trong công nghệ chế tạo ống thép chịu lực bằng phương pháp hàn cần quan tâm đến tính hàn của thép tấm được sử dụng làm thành ống. Ở phần trên chúng ta đã xem xét đến đặc trưng cơ tính của thép phụ thuộc vào hàm lượng của cacbon đơn thuần, tuy nhiên khi xem xét đến tính hàn của thép chúng ta không chỉ quan tâm đến hàm lượng cacbon trong thép mà cần xét đến thành phần của các nguyên tố khác có trong thép. Trong công nghệ vật liệu chúng ta sử dụng khái niệm hàm lượng cacbon quy đổi hay còn gọi tên hàm lượng cacbon tương đương (Carbon Equivalent - CE) để đánh giá tính hàn của một vật liệu thép, tính theo công thức: CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15 (tính theo phân trăm khối lượng) Nhìn chung để đảm bảo tính hàn của thép phải đảm bảo hàm lượng C ≤ 0,22% (nếu hàm lượng C ≥ 0,25% tính hàn của thép đã trở nên kém) đồng thời hàm lượng cacbon tương đương phải nhỏ hơn 0,55%. Ý nghĩa thực tế của chỉ số cacbon tương đương được giải thích trên cơ sở nghiên cứu tổ chức vật liệu xung quanh mối hàn. Khi thực hiện mối hàn trên vật liệu thép, một phần thép sẽ bị nung nóng đến nhiệt độ cao (khoảng trên 1.000 0C) và chảy mềm, hạt austenit bị lớn lên và khi nguội trong không khí sẽ chuyển pha thành hỗn hợp ferit + xêmentit nhỏ, mịn dạng xoócbit hay trôxtit tuy bền nhưng kém dẻo dai. Do đó tại vị trí lân cận vật liệu mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt (vùng sát với vùng chảy mềm) là những vùng giòn nhất, dễ bị gãy nhất khi làm việc. Chính vì lí do này mà chúng ta phải giới hạn hàm lượng cacbon và các nguyên tố hợp kim trong thép. Kết luận: Như vậy thép được sử dụng để Chế tạo ống thép dùng làm kết cấu hoặc làm tuyến ống dẫn chịu áp lực là loại thép có hàm lượng cacbon thấp và có tính hàn tốt. Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-10 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ II.2. Phân tích lựa chọn nguyên liệu cho nhà máy Các công trình phục vụ khai thác, vận chuyển đầu khí đều là những công trình đồ sộ, giá thành rất cao. Kết cấu các công trình dầu khí đều làm việc trong các điều kiện tải trọng lớn và điều kiện môi trường khắc nghiệt, do vậy từ vật liệu đến qui trình chế tạo, lắp dựng… đều phải tuân thủ theo các tiêu chuẩn Quốc tế như: API, ASTM, DNV, JIS. Trong công nghiệp chế tạo chân đế giàn khoan phục vụ việc khai thác dầu thô hoặc khí đốt trên biển cần sử dụng một khối lượng lớn ống thép được chế tạo bằng phương pháp hàn theo tiêu chuẩn chế tạo ống thép kết cấu API SPEC 2B. Trong công nghiệp khai thác, chế biến hoá chất dầu khí các tuyến ống vận tải môi chất dưới dạng pha lỏng, pha khí hoặc hỗn hợp hai pha lỏng – khí có áp lực vận hành lớn được chế tạo từ ống thép hàn theo tiêu chuẩn API SPEC 5L. Hình III.1: Thi công chế tạo chân đế giàn khoan dầu khí II.2.1. Ông thép kết cấu chế tạo chân đế giàn khoan Do điều kiện làm việc và điều kiện môi trường khắc nghiệt cũng như tải trọng bản thân của kết cấu lớn nên các loại thép dùng để chế tạo kết cấu chân đế giàn khoan phải tuân thủ theo tiêu chuẩn chế tạo xác định. Độ bền cơ tính, phân lớp và phân nhóm của từng vật liệu thép sử dụng trong kết cấu phải được ấn định bởi đơn vị thiết kế công trình. Các công trình dầu khí thường đòi hỏi độ an toàn cao cho nên phải kiểm soát chặt chẽ các công đoạn trong từng quá trình tính toán, thiết kế, gia công chế tạo và thực hiện thi công lắp đặt bằng Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-11 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ các quy trình hoặc tiêu chuẩn. Trong giai đoạn gia công chế tạo ống thép hàn, nguyên liệu thép được nhập về phải được kiểm soát cẩn thận do vậy chứng chỉ sản xuất của xưởng cán thép, chứng nhận của đơn vị kiểm định cấp cho lô thép theo tiêu chuẩn ASTM A6 hoặc ASTM A20 là những tài liệu, chứng cứ xác nhận lô thép được sản xuất theo đúng tiêu chuẩn của nhà thiết kế công trình yêu cầu. Những vật liệu thép không rõ ràng về nguồn gốc xuất sứ hoặc không đáp ứng được các thông số kỹ thuật yêu cầu tuyệt đối không sử dụng trong công trình. Thép kết cấu dù được sản xuất theo các tiêu chuẩn khác nhau trên thế giới thì đều được phân nhóm và phân lớp theo phương thức nhất định. Việc phân lớp và phân nhóm các loại thép kết cấu cho phép chúng ta phân biệt được cơ tính của vật liệu và tính công nghệ của thép. Phân nhóm thép: thép được phân nhóm theo cấp độ sức bền và theo tính hàn của chúng như sau: Phân nhóm I: đại diện cho loại thép mềm với giới hạn chảy tối thiểu (specified minimum yield strength) không lớn hơn 280 Mpa (40 ksi) đồng thời hàm lượng cacbon tương đương không vượt quá 0,4%. Phân nhóm I là các thép có đặc trưng mềm và dễ hàn cho nên có thể áp dụng bất kỳ phương pháp hàn nào được mô tả trong hàn thép kết cấu AWS D1.1. Phân nhóm II: là nhóm thép có sức bền trung bình với giới hạn chảy tối thiểu nằm trong dải giá trị trên 280 Mpa (40 ksi) đến 360 Mpa (52 ksi). Thép kết cấu thuộc phân nhóm II có hàm lượng cacbon tương đương lên đến 0,45% hoặc cao hơn nên công nghệ hàn áp dụng cho thép thuộc phân nhóm này được sử dụng là công nghệ hàn hydro thấp (low hydrogen welding process). Phân nhóm III: là nhóm thép có sức bền cao với giới hạn chảy tối thiểu lớn hơn 360 MPa (52 ksi). Thép thuộc phân nhóm III khi được sử dụng cần quan tâm đến các yếu tố sau:  Chú ý đến tính hàn của thép và có thể phải áp dụng quy trình hàn đặc biệt.  Chú ý đến độ bền mỏi của thép do nguyên nhân bắt nguồn từ việc sử dụng trong điều kiện ứng suất làm việc cao.  Chú ý đến độ bền nứt của vật liệu có quan hệ với yếu tố chế tạo như quy trình sản xuất, quy trình kiểm tra hoặc do yếu tố hoạt động như ứng suất sinh ra trong quá trình hoạt động, môi trường nhiệt độ xung quanh. Phân lớp: Trong giai đoạn thiết kế công trình dầu khí hoạt động trên biển, đơn vị tư vấn thiết kế công trình luôn quan tâm đến tính bền nứt của loại vật liệu thép được sử dụng có phù hợp với điều kiện làm việc của chúng trong Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-12 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ công trình hay không. Xét theo mục đích này thép được phân lớp theo các phân lớp A, B và C như sau: Phân lớp C: những thép đã có một quá trình ứng dụng thành công trong các kết cấu hàn với nhiệt độ làm việc trên nhiệt độ đóng băng nhưng không yêu cầu kiểm tra độ dai va đập. Những loại thép thuộc phạm vi phân lớp này thường được ứng dụng cho các thành phần kết cấu quan trọng mà có bề dày bị hạn chế, ít ràng buộc liên kết, ít tập trung ứng suất, gần như chỉ chịu tải trọng tĩnh. Như vậy thép thuộc phân lớp C có ứng dụng làm cọc, chân ống và thanh giằng của chân đế, làm chân đỡ và hệ giằng của sàn công nghệ trên topside của giàn khoan. Phân lớp B: thép thuộc phạm vi của phân lớp B thường áp dụng cho các chi tiết có bề dày trung bình làm việc trong môi trường mà nhiệt độ thấp gần điểm đóng băng, các chi tiết đó chịu ràng buộc liên kết, tập trung ứng suất, chịu tải trọng va đập, không có các chi tiết phụ bảo vệ chúng, cần thiết phải tăng cường độ dai nứt. Nếu yêu cầu kiểm tra độ dai va đập, các loại thép thuộc phân lớp B thường có năng lượng hấp thụ tối thiểu 20J đối với phân nhóm I và 35J đối với phân nhóm II tại nhiệt độ hoạt động thấp nhất dự đoán được. Nhìn chung thép thuộc phân lớp B thoả mãn yêu cầu kiểm tra độ dai kiểm tra va đập ở nhiệt độ nằm trong khoảng 0 oC ÷ 10oC (32oF ÷ 50oF) với phương pháp kiểm tra theo quy định của tiêu chuẩn ASTM A673. Phân lớp A: những chi tiết đòi hỏi phải làm việc ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng và chịu tác động của các tổ hợp lực gây ra ứng suất tới hạn, các tổ hợp tải trọng tác động trong trường hợp này đối lập với các tải trọng đã được nêu ra như ở phân lớp C và B. Để đảm bảo khả năng làm việc ổn định do tổ hợp tải trọng gây ra ứng suất tới hạn cần đảm bảo kết quả kiểm tra độ dai va đập của vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ làm việc dự đoán được từ 20 oC ÷ 30oC (36oF ÷ 54oF) có năng lượng hấp thụ thoả mãn yêu cầu đặt ra trong thiết kế. Sở dĩ phải thực hiện việc kiểm tra độ dai va đập ở nhiệt độ thấp nhất có thể là để dự trữ độ bền nứt giúp ngăn cản sự phát triển mầm vết nứt từ những khuyết tật đã tồn tại bên trong vật liệu và làm ngưng quá trình rách trong các tấm thép có bề dày lớn. Thép thuộc phân lớp A thông thường có thể thoả mãn yêu cầu kiểm tra độ dai va đập trong dải nhiệt độ -40oC ÷ -20oC (-40oF ÷ -4oF). Tần suất kiểm tra độ dai va đập đối với thép thuộc phân lớp A tuân thủ theo đặc tính kỹ thuật ấn định trong đơn đặt hàng, trong trường hợp không có yêu cầu nào khác việc kiểm tra theo lô hàng sẽ được thực hiện. Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-13 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Hình III.2: Mô tả kết cấu một chân đế giàn khoan dầu khí Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-14 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Hình III.3: Minh họa thông số đường kính và bề dày ống thép của một panel trong kết cấu chân đế giàn khoan Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-15 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Bảng III.1: Thông số thép kết cấu dạng tấm. Độ bền chảy (MPa) Độ bền kéo (MPa) ASTM A36 (to 50 mm thk.) ASTM A131 Gr.A (to 13 mm thk.) ASTM A285 Gr.C (to 19 mm thk.) API 5L Gr.B 250 235 205 240 400 – 550 400 – 490 380 – 515 415 min. B ASTM A131 Gr.B, D ASTM A516 Gr.65 ASTM A573 Gr.65 ASTM A709 Gr.36T2 235 240 240 250 400 – 490 450 – 585 450 – 530 400 – 550 I A ASTM A131 Gr.CS, E 235 400 – 490 II C ASTM A572 Gr.42 (to 50 mm thk.)* ASTM A572 Gr.50 (to 50 mm thk.)* ASTM A591 (required over 13 mm thk.) 290 345 415 min. 450 min. II B ASTM A709 Gr.50T2, 50T3 ASTM A131 Gr.AH32 (to 13 mm thk.) ASTM A131 Gr.AH36 (to 13 mm thk.) 345 315 350 450 min. 470 – 585 490 – 620 II A API Spec. 2H Gr.42 Gr.50 (to 64 mm thk.) (over 64 mm thk.) 290 345 325 430 – 550 483 – 620 483 – 620 API Spec. 2W Gr.42 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) Gr.50 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) Gr.50T (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) Gr.60 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) 290 – 462 290 – 427 345 – 517 345 – 483 345 – 522 345 – 517 414 – 621 414 – 586 427 min. 427 min. 448 min. 448 min. 483 min. 483 min. 517 min. 517 min. API Spec. 2Y Gr.42 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) Gr.50 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) Gr.50T (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) 290 – 462 290 – 427 345 – 517 345 – 483 345 – 552 345 – 517 427 min. 427 min. 448 min. 448 min. 483 min. 483 min. ASTM A131 Gr.DH32, EH32 Gr.DH36, EH36 ASTM A537 Cl.I (to 64 mm thk.) ASTM A633 Gr.A Gr.C, D ASTM A678 Gr.A 315 350 345 290 345 345 470 – 585 490 – 620 485 – 620 435 – 570 485 – 620 485 – 620 ASTM A537 Cl.II (to 64 mm thk.) ASTM A678 Gr.B 415 415 550 – 690 550 – 690 Phân nhóm Phân lớp I C I III A Tên vật liệu và thông số kỹ thuật Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-16 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Phân nhóm Phân lớp Tên vật liệu và thông số kỹ thuật Độ bền chảy (MPa) Độ bền kéo (MPa) 414 – 621 414 – 586 414 – 621 414 – 586 517 min. 517 min. 517 min. 517 min. 515 450 415 585 515 485 API Spec. 2W Gr.60 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) API Spec. 2Y Gr.60 (to 25 mm thk.) (over 25 mm thk.) ASTM A710 Gr.A Cl.3 (quenched & precipitation heat treated) Thru 50 mm 50 mm to 100 mm Over 100 mm (*): hàm lượng Vanadium lớn nhất cho phép = 0,1% V. Bảng III.2: Thông số ống thép kết cấu theo tiêu chuẩn API RP 2A-LRFD. Độ bền chảy (MPa) Độ bền kéo (MPa) ASTM A53 Gr.B ASTM A135 Gr.B ASTM A139 Gr.B ASTM A500 Gr.A ASTM A501 API 5L Gr.B 240 240 240 230 250 240 415 min. 415 min. 415 min. 310 min. 400 min. 415 min. B ASTM A106 (Normalized) ASTM A524 Gr.I (thru 10mm) Gr.II (over 10mm) 240 240 205 415 min. 415 min. 380-550 I A ASTM A333 Gr.6 ASTM A334 Gr.6 240 240 415 min. 415 min. II C API 5L Gr. X42; 2% max. cold expansion API 5L Gr. X52; 2% max. cold expansion ASTM A500 Gr.B ASTM A618 290 360 290 345 415 min. 455 min. 400 min. 485 min. II B API 5L Gr.X52 with SR5, SR6, or SR8 360 455 min. Phân nhóm Phân lớp I C I Tên vật liệu và thông số kỹ thuật Kết luận: Với mục đích chế tạo chân đế giàn khoan các vật liệu thép thuộc phân nhóm II và phân lớp A, B, C phù hợp để chế tạo ống thép hàn làm cấu kiện của kết cấu. Tên gọi và thông số cơ tính của thép tấm phục vụ mục đích chế tạo chân đế giàn khoan được chỉ ra trong bảng liệt kê dưới đây. Trong bảng liệt kê các mác thép tấm được sử dụng làm kết cấu chân đế giàn khoan của tiêu chuẩn API RP 2A-LRFD có bốn mác thép nổi bật, được sử Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-17 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ dụng phổ biến đó là các mác thép sản xuất theo tiêu chuẩn API SPEC 2H, API SPEC 2W, API SPEC 2Y và API SPEC 5L. Dưới đây chúng ta sẽ lần lượt xem xét sơ bộ đến cơ tính và thành phần hoá học của 4 mác thép này. Hình III.4: Các thông tin vật liệu ống thép theo tiêu chuẩn API SPEC 2B II.2.1.1. Thép tấm cacbon mangan – API SPEC 2H Thép tấm theo tiêu chuẩn API SPEC 2H gồm có hai cấp (Grade 42 và Grade 50) với sức bền cơ tính trung bình, bề dày của tấm thép có thể lên đến 4 in (100mm) được sử dụng với mục đích chính là làm ống thép kết cấu chân đế giàn khoan tại vị trí nút liên kết. Thành phần hoá học: Nguyên tố hoá học Cấp C Gr.42 0.18 Mn 0.901.35 P S Si Co 0.03 0.01 0.05- 0.04 0.40 Gr.50 0.18 1.151.60 0.03 0.01 0.05- 0.01 0.0050.40 0.05 0.04 Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Ti 0.05 Al 0.020.06 N 0.012 0.020.06 0.012 CEmax 0.43 (t≤2.5”) 0.45 (t>2.5”) 0.43 (t≤2.0”) 0.45 (t>2.0”) Trang III-18 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Cơ tính của vật liệu: Giới hạn chảy t ≤ 2.5” t > 2.5” Giới hạn bền kéo Độ giãn dài tương đối (%) t = 2.0” t = 8.0” Gr.42 Gr.50 289 (MPa) 289 (MPa) 427 – 565 (MPa) 345 (MPa) 324 (MPa) 483 – 620 (MPa) 24 20 23 18 Năng lượng hấp thụ va đập: Cấp Kiểu mẫu Cỡ mẫu (mm) Bộ mẫu (min) Mẫu đơn (min) A B C D E A B C D E 10 x 10 7.5 x 10 5 x 10 7.5 x 10 5 x 10 10 x 10 7.5 x 10 5 x 10 7.5 x 10 5 x 10 34 34 34 26 18 41 41 41 31 20 27 27 27 20 14 34 34 34 26 18 Gr.42 Gr.50 Nhiệt độ kiểm nghiệm - 40oC - 40oC - 40oC - 46oC - 62oC - 40oC - 40oC - 40oC - 46oC - 62oC II.2.1.2. Thép tấm cacbon sản xuất theo công nghệ điều khiển cơ nhiệt (TMCP) – API SPEC 2W: Thép tấm theo tiêu chuẩn API SPEC 2W có bốn cấp với sức bền cơ tính trung bình, bề dày của tấm thép có thể lên đến 6 in (150mm) đối với các cấp Gr.40, Gr.50 và Gr.50T; đến 4 in. đối với cấp Gr.60 được sử dụng với mục đích chính là làm ống thép kết cấu chân đế giàn khoan tại vị trí nút liên kết hoặc làm các tấm tăng cứng. Thành phần hoá học: Nguyên tố hoá học Cấp Gr.42 C 0.16 Gr.50 &50T Gr.60 0.16 0.16 Mn 0.901.35 1.151.60 1.151.60 P 0.03 S 0.01 0.03 0.01 0.03 0.01 Si 0.050.50 0.050.50 0.050.50 Ni 0.75 Cr 0.25 Mo 0.08 Cu 0.35 0.75 0.25 0.08 0.35 1.00 0.25 0.15 0.35 Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy CEmax 0.39 (t≤1.5”) 0.41 (t>1.5”) 0.39 (t≤1.5”) 0.41 (t>1.5”) 0.42 (t≤1.5”) 0.45 (t>1.5”) Trang III-19 DỰ ÁN ĐẦU TƯ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH “NHÀ MÁY CHẾ TO ́ ÔNG THÉP” THUYẾT MINH DỰ ÁN ĐẦU TƯ Cơ tính của vật liệu Gr.42 Giới hạn chảy t ≤ 1.0” 290 – 462 (MPa) t > 1.0” 290 – 427 (MPa) Giới hạn bền 427 (MPa) kéo Độ giãn dài tương đối (%) t = 2.0” 24 t = 8.0” 20 Gr.50 Gr.50T Gr.60 345 – 517 (MPa) 345 – 483 (MPa) 448 (MPa) 345 – 552 (MPa) 345 – 417 (MPa) 483 (MPa) 414 – 612 (MPa) 414 – 586 (MPa) 517 (MPa) 23 18 23 18 22 16 Năng lượng hấp thụ va đập Cấp Gr.42 Gr.50 Gr.60 Kiểu mẫu Cỡ mẫu (mm) Bộ mẫu (min) Mẫu đơn (min) A 10 x 10 34 27 Nhiệt độ kiểm nghiệm - 40oC B 7.5 x 10 34 27 - 40oC C 5 x 10 34 27 - 40oC D 7.5 x 10 26 20 - 46oC E 5 x 10 18 14 - 62oC A 10 x 10 41 34 - 40oC B 7.5 x 10 41 34 - 40oC C 5 x 10 41 34 - 40oC D 7.5 x 10 31 26 - 46oC E 5 x 10 20 18 - 62oC A 10 x 10 48 41 - 40oC B 7.5 x 10 48 41 - 40oC C 5 x 10 48 41 - 40oC D 7.5 x 10 35 31 - 46oC E 5 x 10 24 20 - 62oC II.2.1.3. Thép tấm cacbon được tôi và ram – API SPEC 2Y: Thép tấm theo tiêu chuẩn API SPEC 2Y có bốn cấp với sức bền cơ tính trung bình, bề dày của tấm thép có thể lên đến 6 in (150mm) đối với các cấp Gr.40, Gr.50 và Gr.50T; đến 4 in. đối với cấp Gr.60 được sử dụng với mục đích chính là làm ống thép kết cấu chân đế giàn khoan tại vị trí nút liên kết hoặc làm các tấm tăng cứng. Chương III: Quy mô công suất và nguyên liệu cho Nhà máy Trang III-20