Đang tải... (xem toàn văn)
Giáo Trình Công Trình Đường Ống và Trạm Bơm - Bộ Môn Kỹ thuật xây dựng Công Trình Biển và Đường Ống bể Chứa - Viện Xây Dựng Công Trình Biển - Đại Học Xây Dựng Hà Nội
Trờng đại học xây dựng Viện xây dựng công trình biển Bộ môn kỹ thuật xây dựng công trình biển và đờng ống bể chứa Bài giảng Công trình đờng ống và trạm bơm (Biên soạn lần 3) Lu hành nội bộ Hà Nội 03-2006 Mục lục Mục lục 2 Chơng I: Khái niệm về đờng ống dầu khí 7 Bài I. Mở đầu .7 1. Tổng quan 7 2. Phân loại đờng ống 7 3. Cấu tạo đờng ống 8 Bài II. Công nghệ khai thác và quy hoạch công trình dầu khí biển .11 1. Hoạt động khai thác và thăm dò dầu khí ở Việt Nam 11 2. Công nghệ thu gom và khai thác Dầu khí tại mỏ Bạch Hổ. 12 2.1. Tổng quan mỏ Bạch Hổ 12 2.2. Tìm hiểu công trình phục vụ khai thác thu gom vận chuyển dầu khí tại mỏ Bạch Hổ .12 2.3 Những yêu cầu đối việc thiết kế và quy hoạch hệ thống khai thác mỏ .17 Bài III. Lựa chọn tuyến ống .20 1. Mục đích của việc lựa chọn tuyến ống 20 2. Những yêu cầu của việc lựa chọn tuyến 20 Chơng II. Tính toán thiết kế đờng ống biển 21 Bài i. Mở đầu 21 1. Tính toán đờng ống biển: 21 1.1 Trạng giới hạn theo khả năng phục vụ (Serviceability Limit State): 21 1.2 Trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State): .21 1.3 Trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit State) 21 1.4 Trạng thái giới hạn sự cố (Accidental Limit State) .21 2. Tải trọng 22 2.1. Tải trọng chức năng: 22 2.2. Tải trọng môi trờng: 23 2.3. Tải trọng thi công: .23 2.4. Tải trọng sự cố: .23 2.5 Các tải trọng khác: .23 Bài II. Tính toán chiều dày ống chịu áp suất trong .24 1.Bài toán đờng ống chịu áp lực trong 24 2. Tính toán thiết kế đờng ống biển chịu áp lực trong theo quy phạm 24 2.1 Nguyên tắc tính toán theo quy phạm .24 2.2 Một số quy phạm hay đợc áp dụng: 25 2.3 Tính toán chiều dày của ống chịu áp lực trong theo qui phạm DnV 1981 25 2.4 Tính chiều dày ống chịu áp lực trong theo quy phạm ASME B31.8: .26 2.5 Theo qui phạm DnV OS F101 2000 26 2.6 Bài tập áp dụng 27 Bài III. ổn định đàn hồi 29 1. Mất ổn định cục bộ của đờng ống biển 29 1.1 Hiện tợng .29 1.2 Công thức lý thuyết 29 2 1.3 Công thức quy phạm 29 2. Mất ổn định lan truyền 30 2.1 Hiện tợng 30 2.2 Tính toán 31 2.3 Chống lan truyền mất ổn định .32 3. Mất ổn định tổng thể (global buckling) của đờng ống biển 32 3.1 Hiện tợng .32 3.2 Tính toán 32 4. Bài tập áp dụng. 33 Bài IV. độ bền đờng ống khi đi qua các địa hình phức tạp .34 1. Mở đầu 34 2. Bài toán tĩnh của đờng ống qua địa hình đặc biệt 35 2.1 Đặt bài toán .35 2.2 Bài toán đờng ống qua hào (hố lõm) .35 2.3 Bài toán đờng ống qua đỉnh lồi 37 3. Bài toán cộng hởng dòng xoáy của nhịp ống 37 4. Bài tập áp dụng. 39 Bài V. Tính toán ổn định vị trí của đờng ống dới đáy biển .41 1. Hiện tợng 41 2. Tính toán 41 3. Phân tích ổn định vị trí của đờng ống dới tác động của sóng và dòng chảy theo quy phạm DnV. 44 4. Một số phơng pháp xử lý ổn định vị trí cho đờng ống biển 48 4.1 Bọc bê tông gia tải .48 4.2. Gia tải cục bộ: .49 4.3 Sử dụng vít neo: .50 4.4. Vùi ống xuống hào 50 5. Bài tập áp dụng. 50 Chơng III. Thi công đờng ống biển 51 Bài II: Thi công thả ống .51 1. Khái niệm. 51 2. Phơng pháp thi công bằng sà lan thả ống (Lay-Barge Methode). 52 2.1 Phân loại 52 2.2 Nguyên lý hoạt động và cấu tạo 53 2.3 Dây chuyền thi công thả ống trên tàu Côn Sơn 56 2.4 Ưu nhợc điểm của phơng pháp .56 2.5 Tính toán độ bền trong thi công thả ống 57 3. Phơng pháp thi công bằng sà lan có trống cuộn (Reel- Barge Methode). 59 4. Phơng pháp thi công kéo ống. 62 4.1. Thi công bằng phơng pháp kéo ống trên mặt ( Surface Tow ) .62 4.2. Phơng pháp kéo ống sát mặt ( Below - Surface Tow ) .63 4.3 Phơng pháp thi công kéo ống trên đáy biển (Bottom Tow) .64 4.4 Phơng pháp thi công kéo ống sát đáy biển ( off-Bottom Tow ) .64 5. Năng lực thi công của liên doanh Vietsovptro 64 3 Bài III. Thi công nối ống .66 1. Giới thiệu 66 2. Phơng pháp nối ống bằng mặt bích (Flanged Methode). 66 3. Phơng pháp hàn ở áp suất khí quyển ( Atmospheric Welding Methode). 67 4. Hàn cao áp ( Hyperbaric Welding ). 67 5. Sử dụng mối nối cơ khí. 68 B i IV. Thi công ống đứng. 70 1. Phơng pháp thi công lắp đặt ống đứng lên khối chân đế 70 1.1 Thi công lắp đặt Riser đồng thời với việc chế tạo khối chân đế 70 1.2. Thi công Riser đợc tiến hành cùng với thi công rải ống .70 2. Thi công nối ống Riser với đờng ống ngầm. 71 2.1 Nối ống bằng mặt bích: 71 2.2. Nối ống ngầm với ống đứng bằng phơng pháp hàn trên mặt nớc 71 2.3. Phơng pháp ống chữ J thuận .71 2.4. Phơng pháp ống chữ J ngợc .72 2.5. Phơng pháp guốc uốn 72 Bài V. thi công hào đặt ống 73 1. Khái niệm 73 1.1 Mục đích 73 1.2 Phân loại: .73 1.3 Các thông số của hào 73 2. Tác động của neo và lới đánh cá lên đờng ống biển. 73 2.1 Các loại lới đánh cá: 73 2.2 Tác động của lới đánh cá lên đờng ống 74 2.3 Tác động của neo 76 3. Các phơng pháp đào hào. 79 3.1. Phơng pháp phun nớc (Jetting Method): 79 3.2. Máy đào hào tự hành 80 3.3. Phơng pháp hoá lỏng nền đất (Fluidization Method) .81 3.4. Phơng pháp cày: .81 Chơng IV. Chống ăn mòn .84 Bài I. Tổng quan .84 1. Vai trò của việc chống ăn mòn trong thiết kế công trình đờng ống biển 84 2. Môi trờng gây ăn mòn đờng ống 84 2.1 Môi trờng trong ống .84 2.2 Môi trờng ngoài ống .84 Bài II. Chống ăn mòn trong ống 85 Bài III. Chống ăn mòn ngoài ống .86 1. Chống ăn mòn chủ động 86 1.1 Phơng pháp bảo vệ bằng anode hy sinh: 86 1.2 Phơng pháp bảo vệ điện hoá bằng dòng điện áp nguồn: 87 2. Chống ăn mòn bị động 87 3. Bảo vệ kết hợp 88 Chơng V. Đờng ống trên bờ 89 4 Bài I. số liệu đầu vào phục vụ cho thiết kế 89 1. Số liệu tự nhiên 89 2. Yêu cầu về công nghệ 89 Bài II. Lựa chọn tuyến ống trên bờ 90 Bài III.Thiết kế kỹ thuật tuyến ống trên bờ 91 1. Xác định chiều dày ống theo áp lực trong lớn nhất. 91 2. Kiểm tra độ bền và độ ổn định của tuyến ống 91 2.1. Kiểm tra độ bền và tính ổn định của đờng ống đặt ở mặt đất 91 2.2. Kiểm tra sự biến dạng của đờng ống đặt ở mặt đất 92 2.3. Kiểm tra độ bền và độ ổn định của đờng ống đặt nổi 92 Bài IV. Các dạng địa hình mà đờng ống có thể vợt qua và các yêu cầu 94 1. Đờng ống qua đầm lầy 94 2. Đờng ống vợt qua đờng sắt và đờng ô tô 94 2.1 Độ sâu đặt ống qua đờng sắt 95 2.2 Độ sâu đặt đờng ống qua đờng ôtô 95 3. Đờng ống đặt nổi trên mặt đất 95 Bài V. Các biện pháp bảo vệ an toàn cho tuyến ống 96 1. Chống gỉ cho ống thép 96 2. Chống ăn mòn do khí quyển 96 3. Chống ăn mòn do độ ẩm của đất và xâm thực của môi trờng 96 4. Chống ăn mòn trong lòng ống 97 5. Các biện pháp phòng chống cháy nổ 97 Chơng VI: Máy nén Turbin - máy bơm 98 Bài I. Máy nén khí 98 1. Giới thiệu 98 2. Các loại máy nén khí 98 2.1 Máy nén thuận nghịch (máy nén khí pittông) 98 2.2. Máy nén ly tâm .99 Bài II. turbine khí .101 1. Giới thiệu 101 2. Cấu tạo turbine 101 2.1 Máy nén .101 2.2 Buồng đốt .101 2.3 Turbine dẫn động .101 3. Các kiểu turbine khí: 102 3.1 Turbine khí công nghiệp 102 3.2 Turbine Khí phản lực: .102 3.3 Turbine trục đơn/ trục chia .102 4. Các hệ thống phụ cơ bản của turbine khí 103 Bài III. Máy bơm 105 1. Giới thiệu 105 2. Phân loại bơm 105 5 3. C¸c lo¹i m¸y b¬m 105 3.1 B¬m ly t©m .105 3.2 B¬m pitt«ng .107 3.3 B¬m kiÓu mµng .110 3.4 M¸y b¬m quay .111 3.5 M¸y b¬m nhiÒu pha .111 6 Chơng I: Khái niệm về đờng ống dầu khí Bài I. Mở đầu 1. Tổng quan Sự tăng lên không ngừng của nhu cầu tiêu thụ các sản phẩm dầu khí kéo theo sự ra đời của hàng loạt dự án khai thác dầu khí trên biển. Bắt đầu từ tuyến đờng ống đầu tiên trên vịnh Mêhicô, tới nay hàng vạn kilômet đờng ống đã đợc xây dựng trên khắp thế giới, từ biển Bắc, Địa Trung Hải, Australia, Đông Nam á, Mỹ La tinh . Một số đ- ờng ống đã đợc lắp đặt ở độ sâu đến 700m, kích thớc ống lên tới 56in. Các công nghệ liên quan đến công trình 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 Xí nghiệp liên doanh Dầu Khí VietsovPetro khi xây dựng mỏ Bạch Hổ. Đến nay, trên thềm lục địa nớc ta đã có hàng ngàn kilômet đờng 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 rất nhiều 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 biển luôn là một lĩnh vực đợc sự quan tâm và liên tục đợc đổi mới. 2. Phân loại đờng ống Có nhiều cách phân loại đờng ống khác nhau: - Theo vùng sử dụng: o Đờng ống biển o Đờng ống trên bờ - Theo vị trí lắp đặt: o Đờng ống trên dàn o Đờng ống ngầm o Riser (ống đứng) - Theo cấu tạo: o Đờng ống cứng (thông thờng) o Đờng ống mềm - Theo chất vận chuyển: o Đờng ống dẫn dầu o Đờng ống dẫn khí o Đờng ống dẫn khí gaslift o Đờng ống dẫn nớc ép vỉa o Đờng ống dẫn hỗn hợp dầu khí 7 3. 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 nhỏ hơn 16mm. Vật liệu thép ống là loại có khả năng chống ăn mòn tốt, phổ biến là thép hợp kim 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 3040 kG/m 3 ). Trong lớp bê tông gia tải có bố trí lớp cốt thép cấu tạo. Trong một số trờng hợp, ngời ta không dùng vỏ bê tông gia tải mà sử dụng khối gia tải cục bộ hoặc dùng vít xoắn để cố định đờng ống dới đáy biển. - Mối nối: các đoạn ống đợc nối lại 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 đứng hoặc khi sửa chữa đờng ống thì một số loại mối nối khác có thể đợc sử dụng nh mối nối sử dụng 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 chiều dày phù hợp với lớp bê tông gia tải. 8 Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của đờng ống biển Cấu tạo ống đứng : - ống đứng đặt trong vùng chịu tác động ăn mòn và tải trọng rất lớn do môi trờng biển gây ra. Vì thế, cấu tạo ống đứng có một số điểm khác với ống ngầm : o ống thép thờng có chiều dày lớn hơn ống ngầm o Tăng cờng chống ăn mòn bằng phơng pháp đặt ống trong ống, bọc chống ăn mòn bằng cao su . o 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 từ nhiều lớp vật liệu sợi thép, chất dẻo, có độ bền cao đồng thời rất mềm dẻo nên rất thuận lợi khi thi công. Tuy nhiên, ống mềm có giá thành cao hơn nhiều so với ống cứng thông thờng. 9 H×nh 1.2: CÊu t¹o ®iÓn h×nh cña ®êng èng mÒm 10 . là mỏ Việt Nam trực tiếp tham gia khai thác. Mỏ nằm ở phía nam thềm lục địa Việt Nam nằm trong lô 09 - 1 thuộc bể trầm tích Cửu Long cách thành phố Vũng. 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