Tài liệu Tính toán thi công, lắp đặt tuyến ống dẫn dầu rp2 – ubn3

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP “Tính toán thi công, lắp đặt tuyến ống dẫn dầu RP2 – UBN3”. sv Nguyễn Tiến Dũng Lớp Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay ở Việt Nam, Dầu khí là ngành kinh tế mũi nhọn, là chỗ dựa cho sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước, làm đà thúc đẩy phát triển kinh tế quốc dân. Đây là lĩnh vực làm việc đòi hỏi kỹ thuật cao và điều kiện làm việc xa bờ. Một trong những lĩnh vực quan trọng của nền công nghiệp dầu khí là vận chuyển dầu khí. Do phần lớn các giếng khai thác dầu khí ở nước ta là các giếng khai thác ở xa ngoài biển. Việc thu gom, vận chuyển đó dầu đòi hỏi một hệ thống ống dẫn lớn và yêu cầu làm việc hiệu quả, độ tin cậy cao. Vì vậy mọi tuyến ống được xây dựng phải tính toán thi công và lắp đặt chính xác đảm bảo cho quá trình vận hành. Được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Văn Thịnh Bộ môn Thiết bị Dầu khí và Công trình tác giả đã chọn đề tài “Tính toán thi công, lắp đặt tuyến ống dẫn dầu RP2 – UBN3”. Trong quá trình thực hiện đồ án này, tác giả nhận được sự hướng dẫn tận tình của thầy Nguyễn Văn Thịnh, sự giúp đỡ nhiệt tình của kỹ sư Bùi Uy Hùng - Xí nghiệp xây lắp Dầu khí Vietsovpetro, cùng các thầy cô giáo trong Bộ môn Thiết bị Dầu khí và Công trình. Tác giả xin chân thành cảm ơn! Trong quá trình xuất bản đồ án này khó tránh khỏi các sơ suất về kiến thức, in ấn, phương pháp trình bày… Rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Hà Nội, tháng 05 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Tiến Dũng Nguyễn Tiến Dũng 2 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Chương 1 GIỚI THIỆU TUYẾN ỐNG DẪN DẦU TỪ RP2 – UBN3 1.1. Giới thiệu công trình Đường ống ngầm dẫn dầu từ RP2 – UBN3 thuộc mỏ Rồng, là tuyến đường ống được thiết kế và xây dựng bằng ống thép Ø323.8 mm × 15.9 mm theo tiêu chuẩn API – 5LGr – X60 dùng để vận chuyển dầu giữa RP2 và UBN3 với lưu lượng đến 7500 T/ngày – đêm. Việc thi công tuyến ống ngầm dẫn dầu được thực hiện trên tàu Côn Sơn với chiều dài ống là 24m (đây là ống đôi được tổ hợp từ 2 ống đơn 12m đã được bọc compozit và được tổ hợp trước ở trên bờ). Chiều dài của tuyến ống ngầm được thi công là 8500 m. Hệ số không phụ thuộc vào thời tiết dành cho tàu Côn Sơn khi làm việc tương đương K = 2.4 theo quy chế của SP – 25.88. Thiết kế xây dựng hoàn toàn được thực hiện dựa theo yêu cầu kỹ thuật về đường ống ngầm. 1.2. Các đặc trưng khí hậu khu vực thi công tuyến ống Trong vùng biển Việt Nam nói chung hàng năm có hàng chục cơn bão lớn nhỏ thường tập trung từ tháng 6 đến tháng 10. Đối với những cơn bão lớn sóng có thể cao tới 9 ÷ 10m, vận tốc gió đạt tới 40 ÷ 50m/s. Vùng biển thi công tuyến ống vào mùa đông gió có hướng Đông Bắc, gió hơi lớn từ tháng 11 đến tháng 3. Từ tháng 4 đến tháng 5 gió thay đổi chiều nhiều hướng khác nhau. Căn cứ và dựa theo quy chế SP 25-88 (chất lượng các ngày làm việc của các tàu Trường Sa, Côn Sơn và Hoàng Sa đối với Gió – Sóng trong khu vực mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng), dựa vào đặc tính thời tiết của vùng mỏ Bạch Hổ và mỏ Rồng thì thuận lợi nhất cho các tàu thực hiện rải và lắp đặt ống từ tháng 4 đến tháng 5 và từ tháng 9 đến tháng 10. Nguyễn Tiến Dũng 3 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Bảng 1.1 Các thành phần sóng và dòng chảy ở khu vực xây dựng Các đặc tính STT Ký hiệu Đơn vị Kích thước 1 Chiều cao sóng trung bình H m 5.6 2 Chu kỳ Tp Giây 10.4 3 Chu kỳ trung bình của bước sóng τ Giây 9.8 4 Chiều dài trung bình của sóng λ m 147.7 5 Chiều cao sóng trung bình 13% H13% m 8.7 6 Chiều dài sóng đỗ Η0,1% m 9.6 Vt m/giây 1.37 Vn m/giây 2.24 φv Độ 58 φt Độ 58 ω m/giây 45.8 7 8 9 10 11 Vận tốc sóng lớn nhất theo phương ngang Vận tốc dòng chảy lớn nhất trên bề mặt Góc giữa trục của tuyến ống và hướng sóng chính Góc giữa trục của tuyến ống và hướng dòng chảy Vận tốc gió lớn nhất được lập lại 1 lần với 25 năm trong 10 phút 1.3 Các đặc trưng thiết kế của tuyến ống Nhiệt độ và áp suất của tuyến ống ngầm dẫn dầu đến UBN3 được thực hiện tính toán bằng chương trình tính toán PICAL. Nhiệt độ ở đầu của tuyến ống ngầm tương đương 500C. Các áp lực tính toán được thực hiện dựa trên nhiệm vụ thiết kế và kế hoạch thi công. Các kết quả đặc trưng của tuyến ống dẫn dầu đã được lập thành bảng sau: Nguyễn Tiến Dũng 4 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Bảng 1.2 Kết quả đặc trưng của tuyến ống xây dựng STT Các đặc trưng Đơn vị Kích thước 1 Đường kính ngoài và độ dầy của tuyến ống mm 323.8×15.9 2 Tổng chiều dài của tuyến đường ống ngầm m 8500 3 Lưu lượng vận chuyển T/ ng.đêm 7500 4 Độ dầy bọc ống (compozit/ bọc tổng hợp) mm 35/41 5 Nhiệt độ ở đầu tuyến ống (RP2) 0 C 50 6 Nhiệt độ thấp nhất trên tuyến ống 0 C 22 7 Tốc độ lớn nhất của dòng chảy trong ống m/giây 1.37 8 Áp suất ở đầu tuyến ống kG/cm2 40 9 Áp suất trung chuyển kG/cm2 10.38 10 Áp suất ở cuối tuyến ống kG/cm2 29.62 11 Nhiệt độ ở cuối tuyến ống 0 C 47 Quá trình xây dựng và thiết kế tuyến ống ngầm trên biển phụ thuộc vào áp lực bơm đẩy của thiết bị và áp suất bên trong (áp suất làm việc). Từ đó mới tính toán được độ dầy của tuyến ống cần thiết kế. 1.4 Tìm hiểu vật liệu Compozit Vật liệu composite, còn gọi là Vật liệu compozit hay composite là vật liệu tổng hợp từ hai hay nhiều vật liệu khác nhau tạo lên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng rẽ. Những vật liệu compozit đơn giản đã có từ rất xa xưa. Khoảng 5000 năm trước công nguyên con người đã biết trộn những viên đá nhỏ vào đất trước khi làm gạch để tránh bị cong vênh khi phơi nắng. Và điền hình về compozit chính là hợp chất được dùng để ướp xác của người Ai Cập. Chính thiên nhiên đã tạo ra cấu trúc composite trước tiên, đó là thân cây gỗ, có cấu trúc composite, gồm nhiều sợi xenlulo dài được kết nối với nhau bằng licnin. Kết quả của sự liên kết hài hoà ấy là thân cây vừa bền và dẻo- một cấu trúc composite lý tưởng. Người Hy Lạp cổ cũng đã biết lấy mật ong trộn với đất, đá, cát sỏi làm vật liệu xây dựng. Và ở Việt Nam, ngày xưa truyền lại cách làm nhà bằng bùn Nguyễn Tiến Dũng 5 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất trộn với rơm băm nhỏ để trát vách nhà, khi khô tạo ra lớp vật liệu cứng, mát về mùa hè và ấm vào mùa đông... Mặc dù composite là vật liệu đã có từ lâu, nhưng ngành khoa học về vật liệu composite chỉ mới hình thành gắn với sự xuất hiện trong công nghệ chế tạo tên lửa ở Mỹ từ những năm 1950. Từ đó đến nay, khoa học công nghệ vật liệu composite đã phát triển trên toàn thế giới và có khi thuật ngữ "vật liệu mới" đồng nghĩa với "vật liệu composite". 1.4.1 Thành phần và cấu tạo Nhìn chung, mỗi vật liệu composite gồm một hay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất. (Pha là một loại vật liệu thành phần nằm trong cấu trúc của vật liệu composite.) Pha liên tục gọi là vật liệu nền (matrix), thường làm nhiệm vụ liên kết các pha gián đoạn lại. Pha gián đoạn được gọi là cốt hay vật liệu tăng cường (reinforcement) được trộn vào pha nền làm tăng cơ tính, tính kết dính, chống mòn, chống xước ... * Thành phần cốt Nhóm sợi khoáng chất: sợi thủy tinh, sợi cacbon, sợi gốm; nhóm sợi tổng hợp ổn định nhiệt: sợi Kermel, sợi Nomex, sợi Kynol, sợi Apyeil. Các nhóm sợi khác ít phổ biến hơn: sợi gốc thực vật (gỗ, xenlulô): giấy, sợi đay, sợi gai, sợi dứa, sơ dừa,...; sợi gốc khoáng chất: sợi Amiăng, sợi Silic,...; sợi nhựa tổng hợp: sợi polyeste (tergal, dacron, térylène, ..), sợi polyamit,...; sợi kim loại: thép, đồng, nhôm,...  Sợi thuỷ tinh Sợi thủy tinh, được kéo ra từ các loại thủy tinh kéo sợi được (thủy tinh dệt), có đường kính nhỏ vài chục micro mét. Khi đó các sợi này sẽ mất những nhược điểm của thủy tinh khối, như: giòn, dễ nứt gẫy, mà trở nên có nhiều ưu điểm cơ học hơn. Thành phần của thủy tinh dệt có thể chứa thêm những khoáng chất như: silic, nhôm, magiê, ... tạo ra các loại sợi thủy tinh khác nhau như: sợi thủy tinh E (dẫn điện tốt), sợi thủy tinh D (cách điện tốt), sợi thủy tinh A (hàm lượng kiềm cao), sợi thủy tinh C (độ bền hóa cao), sợi thủy tinh R và sợi thủy tinh S (độ bền cơ học cao). Loại thủy tinh E là loại phổ biến, các loại khác thường ít (chiếm 1%) được sử dụng trong các ứng dụng riêng biệt.  Sợi Bazan  Sợi hữu cơ * Các loại sợi hữu cơ phổ biến: Nguyễn Tiến Dũng 6 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Sợi kenvlar cấu tạo từ hợp chất hữu cơ cao phân tử aramit, được gia công bằng phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ thấp (-10 °C), tiếp theo được kéo ra thành sợi trong dung dịch, cuối cùng được sử lý nhiệt để tăng mô đun đàn hồi. Sợi kenvlar và tất cả các sợi làm từ aramit khác như: Twaron, Technora,... có giá thành thấp hơn sợi thủy tinh như cơ tính lại thấp hơn: các loại sợi aramit thường có độ bền nén, uốn thấp và dễ biến dạng cắt giữa các lớp. - Sợi Cacbon Sợi cacbon chính là sợi graphit (than chì), có cấu trúc tinh thể bề mặt, tạo thành các lớp liên kết với nhau, nhưng cách nhau khoảng 3,35 A°. Các nguyên tử cacbon liên kết với nhau, trong một mặt phẳng, thành mạng tinh thể hình lục lăng, với khoảng cách giữa các nguyên tử trong mỗi lớp là 1,42 A°. Sợi cacbon có cơ tính tương đối cao, có loại gần tương đương với sợi thủy tinh, lại có khả năng chịu nhiệt cực tốt. - Sợi Bor Sợi Bor hay Bore (ký hiệu hóa học là B), là một dạng sợi gốm thu được nhờ phương pháp kết tủa. Sản phẩm thương mại của loại sợi này có thể ở các dạng: dây sợi dài gồm nhiều sợi nhỏ song song, băng đã tẩm thấm dùng để quấn ống, vải đồng phương. - Sợi Cacbua Silic Sợi Cacbua Silic (công thức hóa học là: SiC) cũng là một loại sợi gốm thu được nhờ kết tủa. - Sợi kim loại - Sợi ngắn và các hạt phân tán - Cốt vải Cốt vải là tổ hợp thành bề mặt (tấm), của vật liệu cốt sợi, được thực hiện bằng công nghệ dệt. Các kỹ thuật dệt vải chuyền thống thường hay dùng là: kiểu dệt lụa trơn, kiểu dệt xa tanh, kiểu dệt vân chéo, kiểu dệt vải mô đun cao, kiểu dệt đồng phương. Kiểu dệt là cách đan sợi, hay còn gọi là kiểu chéo sợi. Kỹ thuật dệt cao cấp còn có các kiểu dệt đa phương như: bện, tết, và kiểu dệt thể tích tạo nên vải đa phương. 1.4.2 Phân loại vật liệu composite  Vật liệu composite polyme  Vật liệu composite cacbon-cacbon  Vật liệu composite gốm Nguyễn Tiến Dũng 7 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  Vật liệu composite kim loại  Vật liệu composite tạp lai * Theo bản chất vật liệu nền và cốt Composite nền hữu cơ: composite nền giấy (cáctông), composite nền nhựa, nền nhựa đường, nền cao su (tấm hạt, tấm sợi, vải bạt, vật liệu chống thấm, lốp ô tô xe máy),... Loại nền này thường có thể kết hợp với mọi dạng cốt liệu, như: sợi hữu cơ (polyamit, kevlar: đây là sợi aramit cơ tính cao), sợi khoáng (sợi thủy tinh, sợi cacbon,...), sợi kim loại (Bo, nhôm,...). Vật liệu composite nền hữu cơ chỉ chịu được nhiệt độ tối đa là khoảng 200 ÷ 300 °C. Composite nền khoáng chất: bê tông, bê tông cốt thép, composite nền gốm, composite cacbon - cacbon. Thường loại nền này kết hợp với cốt dạng: sợi kim loại (Bo, thép,...), hạt kim loại (chất gốm kim), hạt gốm (gốm cacbua, gốm Nitơ,...). Composite nền kim loại: nền hợp kim titan, nền hợp kim nhôm,... Thường kết hợp với cốt liệu dạng: sợi kim loại (Bo,...), sợi khoáng (cacbon, SiC,...). Composit nền kim loại hay nền khoáng chất có thể chịu nhiệt độ tối đa khoảng 600 ÷ 1.000 °C (nền gốm tới 1.000 °C). * Theo hình dạng cốt liệu - Vật liệu composite cốt sợi Sợi là loại vật liệu có một chiều kích thước (gọi là chiều dài) lớn hơn rất nhiều so với hai chiều kích thước không gian còn lại. Theo hai chiều kia chúng phân bố gián đoạn trong vật liệu composite, còn theo chiều dài thì chúng có thể ở dạng liên tục hay gián đoạn. Ta thường thấy các loại vật liệu cốt sợi này gắn liền với từ composite trong tên gọi. Các sản phẩm composite dân dụng thường là được chế tạo từ loại vật liệu composite cốt sợi, trên nền nhựa là chủ yếu. - Vật liệu composite cốt hạt Hạt là loại vật liệu gián đoạn, khác sợi là không có kích thước ưu tiên. Loại vật liệu composite cốt hạt phổ biến nhất chính là bê tông, thường lại được gọi ngắn gọn chỉ là bê tông, nên ta thường thấy cái được gọi là composite lại là vật liệu composite cốt sợi. - Vật liệu composite cốt hạt và sợi Nguyễn Tiến Dũng 8 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Bê tông là một loại composite (hay compozit) nền khoáng chất[2]. Khi bê tông kết hợp với cốt thép tạo nên bê tông cốt thép, thì đá nhân tạo tạo thành từ xi măng là vật liệu nền, các cốt liệu bê tông là cát vàng và đá dăm thì là cốt hạt, còn cốt thép trong bê tông là cốt sợi. 1.4.3 Công nghệ chế tạo + Công nghệ khuôn tiếp xúc  Lát tay  Phun  Lát máy + Công nghệ khuôn với diaphragm đàn hồi  Khuôn chân không  Khuôn chân không- autoclave  Khuôn ép diaphragm + Công nghệ tẩm áp lực  Tẩm áp lực trong điều kiện thường  Tẩm áp lực trong chân không + Công nghệ dập trong khuôn  Dập trực tiếp  Dập đúc  Dập ép nóng + Công nghệ quấn  Các phương pháp công nghệ  Máy quấn + Công nghệ pulltrusion 1.4.4 Một số sản phẩm từ vật liệu composite  Vỏ động cơ tên lửa  Vỏ tên lửa, máy bay, tàu vũ trụ  Bình chịu áp lực cao.  Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuẩn sản xuất ống dẫn xăng, dầu).  Ống dẫn nước sạch, nước thô, nước nguồn composite (hay còn gọi là ống nhựa cốt sợi thủy tinh);  Ống dẫn nước thải, dẫn hóa chất composite; Nguyễn Tiến Dũng 9 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  Ống thủy nông, ống dẫn nước nguồn qua vùng nước ngậm mặn, nhiễm phèn;  Vỏ bọc các loại bồn bể, thùng chứa hàng, mặt bàn ghế, trang trí nội thất, tấm panell composite;  Hệ thống ống thoát rác nhà cao tầng;  Hệ thống sứ cách điện, sứ polymer, sứ cilicon, sứ epoxy các loại sứ chuỗi, sứ đỡ, sứ cầu giao, sứ trong các bộ thiết bị điện, chống sét, cầu chì;  Lốp xe ô tô, xe máy, xe đạp;  Vỏ tầu thuyền composite (vỏ lãi).....  Thùng rác công cộng  Mô hình đồ chơi trẻ em 1.4.5 Ống dẫn xăng dầu bọc Compozit Công nghệ sản xuất ống dẫn xăng dầu thường có cấu tạo ba lớp thành phần:  Lớp thứ nhất: Là lớp có độ bền lý, hóa cao, trơ với môi trường xăng dầu, hóa chất. Tuy nhiên trong thực tế, lớp này chịu tác động cơ học yếu, cũng như kém bền vững trong môi trường khí hậu khắc nghiệt tại Việt Nam.  Lớp thứ hai: Là lớp kết dính trung gian, đây là lớp rất quan trọng để cho lớp thứ nhất kết hợp được với lớp composite bền ngoài. Lớp này được sấy, gia nhiệt bằng tia hồng ngoại ở nhiệt độ nhất định. Tạo nên sự gắn kết bền vững cho hai lớp vật liệu thứ nhất và thứ ba.  Lớp thứ ba: là lớp ngoài cùng, được chế tạo bằng vật liệu composit cốt sợi thủy tinh nền epoxy, hóa rắn bằng andehit. Là một trong những công nghệ sản xuất composite cao cấp với phương pháp cuốn ướt, vớt keo trực tiếp từ máng chứa, cuốn theo nhiều chiều đan xen. Đảm bảo độ bên vững cơ, lý, hóa học trong mọi điều kiện môi trường. Đây là lớp ngoài cùng, khắc phục được tất cả các nhược điểm mà lớp trong cùng không có. Nó giúp cho đường ống được bảo vệ an toàn trước các tác động của các tác nhân cơ, lý, hóa và sự khắc ngiệt của môi trường. Ống dẫn xăng dầu được lắp ghép theo các phương pháp thông thường, với kỹ thuật đơn giản. Tuy nhiên, khi thi công phải tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn trong quy trình lắp đặt. Để đường ống hoạt động tốt, không bị sự Nguyễn Tiến Dũng 10 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất cố trong khi vận chuyển xăng dầu vvv..... Sản phẩm được sản xuất dựa trên các tiêu chuẩn sản xuất ống dẫn xăng dầu trên thế giới. Nguyễn Tiến Dũng 11 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Chương 2 TÍNH TOÁN TRONG THI CÔNG TUYẾN ỐNG 2.1 Tính toán độ chịu lực của ống 2.1.1 Tính toán khả năng chịu lực của ống Đường kính ngoài của ống: D = 323.8 mm = 32.38 cm Tỷ khối của nước biển: γnb = 1025 kg/m3 = 0.001025 kg/cm3 Áp suất làm việc của ống: Plv = 40 at = 40 kG/cm2 Áp suất thử: Pt = Plv × 1,50 = 40 × 1,50 = 60 kG/cm2 Giới hạn bền của thép: δb = 5170 kG/cm2 Giới hạn chảy của thép:δc = 4130 kG/cm2 Độ sâu của nước ở vùng mỏ: h ≈ 50 m ≈ 5000 cm Độ dày của thép theo áp lực bên ngoài được tính theo công thức: (2.1) Trong đó:  δ: độ dầy của ống thép  n: hệ số quá tải đối với ống ngầm (n = 1.2)  r: bán kính ngoài của ống (r = 16.19 cm)  E: hệ số mô đun đàn hồi dọc (E = 2.1×106 kG/cm2) Thay các giá trị vào công thức ta có: Độ dày của ống theo suất bên trong được tính theo hai công thức sau:  Theo giới hạn bền của thép: (2.2) Trong đó:  δ: độ dày của ống (cm)  P: áp suất làm việc (P = 40 kG/cm2)  n: hệ số tăng áp suất của ống Nguyễn Tiến Dũng 12 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  D n: đường kính ngoài của ống (D = 32.38 cm)  δb: giới hạn bền của thép (δb = 5170 kG/cm2) Thay các giá trị vào công thức ta có: Với hệ số hao mòn K = 1.5 thì sẽ có: δ = 1.55 × 1.5 = 2.325 mm.  Theo giới hạn chảy của thép thì độ dày của ống được tính theo công thức: (2.3) Trong đó:  δc: là giới hạn chảy của thép (δc = 4130 kG/cm2) Thay các giá trị vào công thức ta có: Với hệ số hao mòn K = 1.5 thì δ = 2.149 × 1.5 = 3.223 mm Kết luận: Từ các kết quả tính trên ta nhận thấy lấy độ dày của ống theo giới hạn chảy của thép là phù hợp với loại ống Ø323.8 mm × 15.9mm theo tiêu chuẩn API – 5LGr – X60. 2.1.2. Độ ổn định của ống dưới đáy biển  Tính trọng lượng 1m ống trong không khí: P = π × l × δ × (Dn - δ) × γT ( 2.4) Trong đó:  l: chiều dài ống (m)  δ: độ dày ống (m)  D n: đường kính ngoài của ống (m)  γT: tỷ trọng của thép (γT = 7850 kg/m 3) Thay các giá trị vào công thức ta có: P = 3.14 ×1× 0.016 × (0.3238 – 0.016) × 7850 = 121.39 kg/m  Tính lực đẩy của nước biển trên 1m ống thép trơn không bọc Compozit: Nguyễn Tiến Dũng 13 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất (2.5) Trong đó:  γ nb: tỷ trọng của nước biển (γ nb = 1025 kg/m3) Thay các giá trị vào công thức ta có:  Như vậy trọng lượng của 1m ống thép trơn trong nước biển sẽ là: Pt.n = P – GT = 121.39 – 84.362 = 37.028 (kg/m)  Tính trọng lượng của Compozit bọc trên 1m ống trong không khí: G copozit = π × l × δcopozit × (Dn – δcopozit) × γcopozit (2.6) Trong đó:  l: chiều dài 1 m ống compozit (m).  δcopozit: độ dày của compozit (m).  D n: đường kính ngoài của ống compozit (m).  γcopozit: tỷ trọng của compozit tổng hợp = 1887 kg/m3 Thay các giá trị vào công thức ta có: Gcopozit = 3.14×1×0.038×(0.3998 – 0.038)×1887 = 81.462 (kg/m). Trọng lượng của 1m ống thép bọc Compozit trong không khí sẽ bằng: Trọng lượng của 1m ống thép trơn + trọng lượng của 1m compozit bọc ống ↔ Pcompozit = P + Gcompozit = 121.39 + 81.462 = 202.852 (kg/m).  Tính lực đẩy của nước biển trên 1m ống thép bọc Compozit: ( 2.7) Trong đó:  D: đường kính ngoài của compozit bọc ống.  γ nb : tỷ trọng của nước biển (γnb = 1025 kg/m3)  l: chiều dài tính toán của đoạn ống thép bọc Compozit Thay các giá trị vào công thức ta có: Như vậy trọng lượng 1m ống thép bọc compozit trong nước biển: Nguyễn Tiến Dũng 14 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Pcom.n = Pcompozit – G1m Pcom.n = 202.852 – 128.611 = 74.241 (kg/m). Và trọng lượng của compozit bọc trên 1m ống trơn khi nằm trong nước biển bằng (trọng lượng của 1m ống thép bọc compozit trong nước biển trừ trọng lượng của 1m ống thép trơn trong nước biển): G com.n = Pcon.n – Ptn G com.n = 74.241 – 37.028 = 37.213 (kg/m). Tính lực đẩy của dòng chảy trên 1m ống thép được bọc bêtông với góc φ 0 = 58 và vận tốc trung bình V = 2.24 m/s (V = V. Sinφ) theo công thức: (2.8) Trong đó:  V: là vận tốc dòng chảy lớn nhất trên bề mặt.  D: đường kính ngoài của lớp compozit bọc ống thép.  g: gia tốc trọng trường (g = 10m/s2) Thay các giá trị vào công thức ta có: Trong điều kiện ổn định thì dao động ngang được xác định bằng công thức: G2 × K gđ < Kms × ( Pcompozit – G 1m × K n ) (2.9) Trong đó:  K gđ : hệ số ổn định với dao động ngang (Kgđ = 1.15).  K ms: hệ số ma sát của ống đối với mặt đáy biển (Kms = tg 390).  K n: hệ số ổn định chống nổi (K n = 1.2). Thay các giá trị vào công thức ta có: 59.88×1.15 < tg390 (202.852 – 128.611×1.2) 68.862 < 72.162 Để cho một tuyến ống ngầm bất kì được nằm ổn định dưới đáy biển thì cần phải thỏa mãn điều kiện sau: (2.10) Trong đó: Nguyễn Tiến Dũng 15 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  G: trọng lượng cần thiết nhỏ nhất cho 1m đơn vị chiều dài của ống bọc trong nước biển (G = 74.241 theo tính toán thiết kế).  G tn: trọng lượng của 1m ống trong nước biển.  G com: trọng lượng của compozit được bọc trên 1m ống.  G n: hệ số ổn định chống nổi (G n = 1.2).  m 3: hệ số ổn định khi ống nằm trên đáy biển (m3 = 0.95).  m 4: hệ số ổn định của ống với dao động ngang (m 4 = 0.90). (G n, m3, m4 là các hệ số trong tiêu chuẩn thiết kế thi công các tuyến đường ống dẫn dầu khí của viện NIPI). Thay các giá trị vào công thức ta có: Kết luận: Qua các tính toán ổn định cho tuyến ống ngầm dẫn dầu RP2 – UBN3 cho thấy rằng, đã thỏa mãn các điều kiện về tính ổn định của tuyến ống khi dùng loại ống Ø323.8 mm × 15.9 mm bọc Compozit dầy 30 ÷ 38 mm để thi công lắp đặt mà không cần thay thế loại ống khác hay gia tăng thêm trọng lượng ống nhưng vẫn đảm bảo độ ổn định dưới tác dụng của môi trường và dòng chảy trong khu vực này. 2.2. Tính toán chọn cáp để cẩu ống Việc tính toán chọn cáp là công việc rất quan trọng, vì đây là công việc quyết định cho toàn bộ tải trọng khi di chuyển ống trong thi công. Do đó khi tính toán chọn cáp phải dựa trên các công thức tính toán cơ sở và phải đảm bảo chính xác và an toàn. 2.2.1. Tính sức căng của dây cáp khi treo hàng Để vận chuyển ống thép Ø323.8 mm15.9 mm ta dùng 2 nhánh dây cáp móc trực tiếp vào đầu ống thông qua móc cẩu ống chuyên dùng: Tính lực căng quang treo theo công thức: (2.11) Trong đó:  Sp: lực căng trên mỗi nhánh dây.  Q: trọng lượng vật cẩu (kg) = 4868.448 kg (ống bọc Compozit 24m).  m: số nhánh dây = 2. Nguyễn Tiến Dũng 16 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  : góc hợp bởi nhánh dây và phương thẳng đứng (chọn trong trường hợp là góc lớn nhất để chọn cáp = 450) 2.2.2 Chọn cáp Để đảm bảo an toàn tuyệt đối trong quá trình nâng hạ và vận chuyển ống trong khi thi công, dựa vào công thức sau để chọn cáp: (2.12) Trong đó:  R: là sức kéo cho phép trên mỗi nhánh dây.  : lực căng trên mỗi nhánh dây.  K: hệ số an toàn của cáp được lấy theo tiêu chuẩn TCVN. Tiêu chuẩn này được tra trong qui phạm của Cục Đăng kiểm cho thiết bị máy trên công trường biển và hệ số này được lấy K = 4. R = K  Sp = 4  3442.513 = 13770.052 kg Theo bảng lực kéo cho phép của các loại thép, ta chọn được cáp Ø19.5 mm Loại cáp TK637 có Sb = 150 kg/mm2 có lực kéo cho phép là: R = 17300 kg > 13770.052 kg. 2.2.3 Chọn các thiết bị nâng hạ  Để đẩy nhanh tiến độ thi công, đòi hỏi các phương tiện nâng hạ phải đảm bảo đúng và đủ các yêu cầu an toàn về tải trọng.  Phải chọn các phương tiện vận tải để có thể nâng hạ các mã hàng ở tầm với và các độ cao cần thiết.  Đối với việc nâng hạ và cẩu ống đôi có chiều dài 24m và mỗi lần nâng cẩu là 2 ống đôi, phải căn cứ trên các thông tin về máy móc thiết bị mà các nhà máy cung cấp, từ đó có thể tính toán và lựa chọn các thiết bị cho phù hợp với các loại ống và các loại tải trọng cần nâng hạ. Nguyễn Tiến Dũng 17 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất Chương 3 NHỮNG YÊU CẦU KỸ THUẬT LẮP GHÉP ỐNG 3.1 Đặc tính và yêu cầu kỹ thuật của tuyến đường ống cần xây dựng Tuyến ống ngầm dẫn dầu cần xây dựng từ RP2 – UBN3 dài 7590 m, chiều dài tổng cộng kể cả ống đứng 7655 m. Toàn bộ chiều dài tuyến ống bao gồm: ống Compozit và 5% ống dự phòng theo thiết kế xây dựng tuyến ống là 8500 m. Toàn bộ tuyến ống xây dựng theo thiết kế được chia làm 2 công đoạn: * Công đoạn 1: Tổng chiều dài sử dụng 2598 m (Dùng 1296 m cho giai đoạn đầu của tuyến ống, 1860 m cho giai đoạn cuối của tuyến ống và dùng cho ống cong là 65 m). Loại ống thép sử dụng: Ø323.8 mm×15.9 mm, API – 5LGr – X6O. Ống được bọc Compozit dầy 35 mm: Chiều dài 1 ống bọc Compozit đơn ≈ 12 m Trọng lượng 1m ống bọc Compozit ≈ 195.8 kg. Vậy 1 ống đơn bọc Compozit chiều dài 12 m có trọng lượng: 12×195.8 = 2349.6 kg. Số lượng ống Compozit cần sử dụng cho giai đoạn đầu của tuyến ống: 1296 : 12 = 108 ống. Số lượng ống Compozit cần sử dụng cho giai đoạn cuối của tuyến ống: 1860 : 12 = 155 ống Số lượng ống Compozit cần sử dụng để chế tạo ống cong (ống đứng): 65 : 12 = 5.5 ống Tổng số ống bọc Compozit dầy 35 mm dùng cho công đoạn 1: 108 + 155 + 5.5 = 268.5 ống Tổng trọng lượng ống cần sử dụng cho công đoạn 1 của tuyến ống: 268.5 × 2349 = 630867.6 kg Do nhu cầu để đẩy nhanh tiến độ thi công trên tàu Côn Sơn, mặt khác nhờ vào cơ tính của ống Compozit là có độ đàn hồi cao, nên có thể cho phép tổ hợp trước thành các ống đôi có chiều dài 24 m (được tổ hợp sẳn ở trên bờ). 268.5 : 2 ≈ 134 ống đôi + 1 ống đơn. Trong đó sử dụng đầu nối 1 ống đơn 12 m (1/2 ống đôi 24 m) với đầu bịt và sử dụng đầu tiên. 134 ống đôi 24 m sử dụng tiếp theo: Nguyễn Tiến Dũng 18 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  Sử dụng cho giai đoạn đầu của tuyến ống: 54 ống  Sử dụng cho giai đoạn cuối của tuyến ống: 77.5 ống  Chế tạo ống cong (ống đứng): 3 ống * Công đoạn 2: Chiều dài sử dụng 4992m (sử dụng cho giai đoạn giữa của tuyến ống). Loại ống thép sử dụng: Ø323.8 mm×15.9 mm, API - %LGr – X60. Ống được bọc Compozit dày 38 mm. Trọng lượng 1 m ống bọc Compozit ≈ 202.852 kg. Vậy: Ống được bọc Compozit chiều dài 12 m có trọng lượng: 12 × 202.852 = 2434.224 Kg. Tổng số ống Compozit cần sử dụng cho giai đoạn giữa của tuyến ống: 4992 : 12 = 416 ống. Tổng trọng lượng ống cần sử dụng cho giai đoạn giữa là: 416 × 2434.224 = 1012637.184 kg. Cũng như đối với công đoạn 1, công việc tổ hợp trước các ống đơn 12 m bọc Compozit cho giai đoạn 2 cũng được tiến hành trước trên bờ: 416 : 2 = 208 ống đôi. Như vậy: Tổng toàn bộ trọng lượng 2 công đoạn của tuyến ống RP2 – UBN3 là: = Trọng lượng ống công đoạn 1 + Trọng lượng ống công đoạn 2 = 630867.6 + 1012637 = 1643504.784 Kg ≈ 1643.5 T. Toàn bộ ống đều được kiểm tra chất lượng và đảm bảo mọi yêu cầu, cũng như các thông số kỹ thuật của Viện Thiết kế VSP. Sử dụng que hàn Ø 3.2 mm mác LB – 52U cho lớp lót, và Ø4 mm mác LB – 52 cho các lớp hàn tiếp theo trong tiêu chuẩn API 1104. Các mối hàn được thực hiện liên tục, không kéo dài sự gián đoạn cho đến khi hàn đầy mối hàn. 100% mối hàn được kiểm tra bằng tia Rơn ghen. Thực hiện lắp đặt và rải ống với việc sử dụng cầu phao dẫn hướng nâng đỡ ống (hệ thống Stinger). Để ngăn chặn sự phá hủy của môi trường, đồng thời kéo dài tuổi thọ cho ống dưới đáy biển phải sử dụng hệ thống chống ăn mòn, gồm 2 phương pháp sau:  Phương pháp thụ động: sơn lên ống. Nguyễn Tiến Dũng 19 Thiết bị dầu khí K50 Đồ án tốt nghiệp Trường Đại học Mỏ – Địa Chất  Phương pháp chủ động: hàn cục chống ăn mòn loại ΠAKM – 65 bằng hợp kim nhôm với các bước hàn cách nhau 36 m. Như vậy số lượng cục chống ăn mòn cho tuyến là: 7655 : 36 = 213 cục. 3.2 Kỹ thuật lắp ghép ống Để rút ngắn thời gian và đẩy nhanh tiến độ thi công ngoài biển và phù hợp với yêu cầu của các hệ thống nối rải ống trên tàu Côn Sơn do đó các ống đơn bọc Compozit 12 m được tổ hợp trước thành ống đôi 24 m và 100% mối hàn tổ hợp này đã được thực hiện và kiểm tra theo thiết kế. Để đảm bảo thi công tổ hợp các ống đứng theo đúng quy trình thiết kế việc lắp nối cần phải tuân theo một số các quy chuẩn sau:  Việc nối ống được tổ hợp trên mặt phẳng chuẩn (trên các giá nối ống)  Hai đầu ống nối với nhau được mài đến độ sáng hoàn toàn của kim loại, mài sạch cả trong lẫn ngoài 2 phía với L = 50 mm.  Đường kính của 2 ống không lệch quá 0.5 mm.  Dụng cụ định tâm ngoài để ghép nối 2 đầu ống với nhau.  Dùng que hàn Ø 3.2 mm mác LB – 52U cho lớp lót.  Dùng que hàn Ø 4 mm mác LB – 52 cho các lớp tiếp theo. Tất cả các mối hàn được thực hiện theo tiêu chuẩn API – 1104 và 100% mối hàn phải được kiểm tra bằng phương pháp chụp tia Rơn ghen. 3.3 Tổ chức sản xuất và nhân công 3.3.1 Tổ chức sản xuất trên bờ Tất cả các công trình xây dựng, lắp đặt trên biển để đạt được hiệu quả và năng suất, đòi hỏi phải có sự chuẩn bị chu đáo, tính toán triệt để và đảm bảo công tác an toàn cho quá trình thi công, tổ chức sản xuất. Việc làm đầu tiên để quyết định chất lượng của tuyến đường ống đó là công tác tiếp nhận ống. Toàn bộ ống theo thiết kế phải được kiểm tra đúng chủng loại và số lượng theo đúng thiết kế đã quy định (như thành phần, đặc tính của thép, …và đặc biệt là các điều kiện để phục vụ cho công tác tổ hợp và hàn liên kết). Theo yêu cầu của công trình, qui trình hàn các góc vát của đầu ống có góc phải đạt 30 + 50 và mép cùn của đầu ống phải đảm bảo 1.5 ± 0.5mm. Toàn bộ ống đơn bọc Compozit phải được tổ hợp thành ống đôi 24m. Hàn chuẩn bị trước các cục chống ăn mòn lên các ống theo thiết kế. Nguyễn Tiến Dũng 20 Thiết bị dầu khí K50