chương 3 : thiết kế

Phần II: Thiết kế kỹ thuật đường ống

Bài 1: Mở đầu

�Tải trọng, Trình tự và Yêu cầu

1

�Tải trọng, Trình tự và Yêu cầu

�Số liệu khảo sát phục vụ thiết kế

Bài 1: Mở đầu

�Trình tự và Yêu cầu

�Tải trọng

2

�Tải trọng

�Số liệu khảo sát phục vụ thiết kế

Đời sống công trình đường ống

Chế tạo ống

Thi công

Commissioning

3

Thi công

Hydro Test

Vận hành

Gỡ bỏ

Câu hỏi

� Đời sống công trình bao gồm những giai đoạn nào?

� Có những tải trọng gì xét trên toàn đời sống � Có những tải trọng gì xét trên toàn đời sống công trình?

� Vậy trình tự thiết kế là gì? Cần thực hiện những bài toán thiết kế nào?

� Cần những số liệu nào để thiết kế?

4

Các loại tải trọng

� Tải trọng chức năng

� Tải trọng môi trường� Tải trọng gió� Tải trọng gió

� Tải trọng thủy động

� Đất đắp, đẩy nổi

� Tải trọng xây lắp

� Tải trọng sự cố� Va chạm

� Động đất5

Tải trọng chức năng� Träng l−îng;

� NhiÖt ®é cña chÊt trong èng;

� Ph¶n lùc tõ c¸c bé phËn (nh− bÝch nèi, kÑp,...);

� Líp bao phñ (nh− ®Êt, ®¸...);

¸p lùc bªn trong èng ë ®iÒu kiÖn vËn hµnh b×nh th−êng;� ¸p lùc bªn trong èng ë ®iÒu kiÖn vËn hµnh b×nh th−êng;

� Ph¶n lùc tõ nền đất (ma s¸t vµ ®é cøng xoay);

� Sù t¹o øng suÊt tr−íc (pre-stressing);

� BiÕn d¹ng d− cña kÕt cÊu ®ì;

� BiÕn d¹ng d− do lón nÒn theo c¶ hai ph−¬ng ngang vµ däc;

� T¶i träng do vËn hµnh thoi (pig) th−êng xuyªn g©y ra;

6

Tổ hợp các tải trọng

B¶ng 4.5-1: Tæ hîp cña c¸c t¶i träng m«i tr−êng ®Æc tr−ng theo

x¸c suÊt v−ît hµng năm

Giã Sãng Dßng ch¶y Đéng ®Êt

10-2 10-2 10-1

10-1 10-1 10-2

10-1 10-1 10-1

10-2

7

Trình tự và Yêu cầu

1. Trình tự thiết kếVai trò của thiết kế trong quá trình phát triển của công trình đường ống:

- Quy hoạch mỏ

8

- Quy hoạch mỏ- Thiết kế hệ thống công nghệ- Thiết kế kỹ thuật đường ống- Thiết kế thi công đường ống- Thi công- Khai thác- Duy tu, sủa chữa nếu có.- Gỡ bỏ

9

10

Các nội dung của thiết kế kỹ thuật

1. Chọn tuyến2. Tính toán thuỷ lực3. Xác định chiều dày ống chịu áp lực trong

11

3. Xác định chiều dày ống chịu áp lực trong4. Kiểm tra bài toán ổn định đàn hồi của ống dưới áp

lực ngoài.5. Đánh giá nhịp ống (Span assessment)6. Thiết kế chống ăn mòn7. Thiết kế giải pháp thi công

Số liệu khảo sát phục vụ thiết kế

a. Số liệu công nghệ:- Tuổi thọ công trình

12

- Đường kính ngoài

- Áp lực dọc tuyến

- Chất vận chuyển trong đường ống

- Nhiệt độ vận hành

b. Số liệu môi trường

� Nhiệt độ� Mực nước� Số liệu dòng chảy

13

� Số liệu dòng chảy� Số liệu gió� Tính chất ăn mòn của nước biển

c. Địa chất

� Mặt cắt địa chất dọc tuyến

� Tính chất cơ lý các lớp đất

14

� Khả năng biến động của địa tầng

� Hiện tượng bất thường như sóng cát, dòng bùn …

� Nguy cơ động đất

15

Các thí nghiệm địa chất trong dự án đường ống

16

d. Địa hình

� Bản đồ địa hình hành lang tuyến ống

� Các điểm đặc biệt trên tuyến như hào, rãnh, mỏm san hô, khối đá lớn, điểm giao với cáp

17

mỏm san hô, khối đá lớn, điểm giao với cáp quang, giao với đường ống cũ.

� Sông, hồ, đầm lầy, núi, kênh mương ...

� Đường giao thông giao với đường ống

e. Vật liệu

� Vật liệu thép

� Vật liệu bê tông bọc ống

18

� Vật liệu chống ăn mòn

Chế tạo ống

19

Seamless Pipe

20

21

Các mác thép theo API

22

Bài 2: Lựa chọn tuyến đường ống

1. Mục tiêu

� Đảm bảo vận chuyển sản phẩm từ nguồn cung cấp hiện tại và tương lai (nếu có) đến

23

cung cấp hiện tại và tương lai (nếu có) đến điểm dự kiến.

� An toàn và phù hợp với các điều kiện thi công.

� Đạt hiệu quả cao về kinh tế - kỹ thuật.

24

Hành lang tuyến ống

25

Chọn tuyến:Các yếu tố môi trường – Xã hội

� Yếu tố chính trị, quân sự và kinh tế dài hạn;

� Quyền sử dụng đất và Giá đền bù đất;

� Khu vực bảo tồn thiên nhiên, khu vực quốc phòng, khu vực có di tích lịch sử hoặc khảo cổ;

26

Các yếu tố địa hình và giao thông

� Có thể tiếp cận dễ dàng hay không? Tình trạng đường giao thông?

� Các chướng ngại vật tự nhiên như: sông, hồ, � Các chướng ngại vật tự nhiên như: sông, hồ, núi, đầm lầy

� Các giao cắt với: đường giao thông, đường sắt, đường ống cũ

27

Các yếu tố địa chất trong chọn tuyến

� Nếu có thể, tuyến ống cần tránh các mặt dốc (bên và vuông góc), đặc biệt là các dốc không ổn định;

� Nếu trên tuyến có hiện tượng không ổn định địa chất, cần xác định được nguyên nhân và cấn nhắc đến trong thiết kế;

� Cần cân nhắc biện pháp chống sạt lở kinh tế nhất. Giá thành chống sạt lở cần so sánh với việc chuyển hướng tuyến ống đến vùng ổn định.

� Việc lựa chọn điểm vượt sông (hoặc tiếp bờ) thường là vấn đề ảnh hưởng lớn nhất đến giá thành dự án và chiều dài tuyến

28

29

30

Ví dụ về chọn tuyến

� Dự án PM3- Cà Mau: Final Design Report2.ppt

� Dự án Tangga Barat Cluster Development –� Dự án Tangga Barat Cluster Development –JP KENNY – 2008: ..\Reference books\Pipeline_Route_Selection_And_Optimization_Report.pdf

31

Bài 3: Đường ống chịu áp lực trong

1. Giới thiệu

� Áp lực trong là tải trọng chính lên đường ống

� Bài toán đường ống chịu áp lực trong là bài toán

32

� Bài toán đường ống chịu áp lực trong là bài toán cơ bản quyết định chiều dày ống.

� Phá huỷ ống do áp lực trong (nổ - bursting)

� Hiện tượng vật lý - ống trụ tròn dài vô hạn chịu áp lực trong

Sơ đồ tính

33

2. Hiện tượng vật lý - ống trụ tròn dài vô hạn chịu áp lực trong

t

DmPP eih 2

)( −=σ

34

� σh - øng suÊt vßng (hoop stress)� Pi - ¸p lùc trong èng.� Pe – ¸p lùc ngoài èng� Dm - ®−êng kÝnh trung b×nh cña èng� t - chiÒu dµy èng

t2

Các tiêu chuẩn phổ biến

� ASME B31.4 - 1989: Áp dụng phổ biến cho các đường ống dẫn dầu.

� ASME B31.8 – 1990: Áp dụng phổ biến cho � ASME B31.8 – 1990: Áp dụng phổ biến cho đường ống dẫn khí hoặc hai pha.

� DnV 1981, DnV F101-2000: Áp dụng phổ biến cho đường ống dẫn dầu, khí, hai pha trên biển

35

Khái niệm về hệ số an toàn

txxff

xDmPih 221

=σ

� f1 là hệ số thiết kế, diễn tả ứng suất vòng tối đa cho phép là tích số của ứng suất đàn hồi.

� f2 là hệ số dung sai chế tạo ống, cho phép sự sai lệch của bề dày ống so với bề dày danh nghĩa, thường là 0.875, có nghĩa là bề dày có thể thấp hơn bề dày danh nghĩa tối đa cho phép là 12.5%.

� Hệ số thiết kế hay là hệ số sử dụng hay hệ số hữu dụng thường lấy giá trị 0.72 cho đường ống và lấy giá trị thấp hơn cho ống đứng và các đoạn ống gần với giàn ngoài khơi hoặc các vùng bị hạn chế hay các tuyến đường giao thông đối với đường ống trên đất liền.

36

txxff 221

Chiều dày dự trữ ăn mòn

� Sau khi tính được độ dày tối thiểu theo yêu cầu chịu áp lực trong, cần cộng thêm chiều dày dự trữ chống ăn mòn;dày dự trữ chống ăn mòn;

� Chiều dày dự trữ chống ăn mòn phụ thuộc tính chất ăn mòn của chất vận chuyển, thường từ 2mm-5mm

37

Chiều dày danh định

� Là chiều dày quy ước của ống thép

� Được sản xuất theo tiêu chuẩn, phổ biến là API 5LAPI 5L

� Chiều dày danh định không phải là chiều dày tính toán do còn phải xét đến dung sai chế tạo.

38

Các khái niệm về áp suất(DnV F101-2000, TCVN 6475-5:2007

39

40

Xác đinh các hệ số an toàn theo DnV OS F101-2000

� Phân loại chất lỏng (table 2-1)

� Phân vùng (table 2-2)

� Cấp an toàn (table 2-3, 2-4)

41

DnV 1981

Theo quy ph¹m DnV 1981 th× chiÒu dµy thµnh èng ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau:

Trong ®ã:σ

tFhy k..t2

D).PePi( ση≤−=σ

42

- σy : øng suÊt vßng: Kg/cm2- Pi : ¸p lùc trongtính toán: Kg/cm2- Pe : ¸p lùc ngoµi nhá nhÊt, lÊy víi møc triÒu thÊp nhÊt : Kg/cm2- t : BÒ dµy cña ®−êng èng : cm- σF : øng suÊt ch¶y nhá nhÊt : Kg/cm2- D : §−êng kÝnh ngoµi cña èng : cm- kt : HÖ sè gi¶m øng suÊt do nhiÖt ®é Víi lo¹i èng cã nhiÖt ®é vËn hµnh nhá h¬n 1200 th× lÊy kt = 1.0- ηh : HÖ sè sö dông ®−îc lÊy theo b¶ng, phô thuéc vµo vïng cÇn tÝnh vµ tr¹ng th¸i

lµm viÖc cña kÕt cÊu, ®−îc tra theo b¶ng sau

Bảng hệ số sử dụng

B¶ng tra hÖ sè sö dông

Tr−êng hîp t¶i träng Vïng cÇn

tÝnh a b

1 0.72 0.96

2+Riser 0.5 0.67

43

2+Riser 0.5 0.67

Trong ®ã:

- Vïng 01: Vïng ®−êng èng ngÇm c¸ch xa dµn 500 m.

- Vïng 02 + Riser: Vïng ®−êng èng ®øng vµ ®−êng èng ngÇm tõ 500 m trë l¹i

Platfom.

- a: Tr¹ng th¸i vËn hµnh.

- b: Tr¹ng th¸i l¾p ®Æt.

Chiều dày ống

ChiÒu dµy èng (t) ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau:t = tnom - tcorr (tr¹ng th¸i khai th¸c)

44

tnom - tfab (tr¹ng th¸i kiÓm tra ¸p lùc võa thi c«ng xong èng)

tnom: chiÒu dµy danh nghÜa (nominal) cña èng (th−êng cho trong lý lÞch èng, ch−a kÓ ®Õn sai sè do chÕ t¹o).

tfab: phÇn dung sai do chÕ t¹o (fabrication)tcorr: chiÒu dµy dù tr÷ do kÓ ®Õn ¨n mßn

45

Bài tập

� Tuyến ống dẫn khí từ trạm tiếp bờ Long Hải đến nhà máy GPP2� Chiều dài: 09 km;

46

� Chiều dài: 09 km;

� Đường kính ống: 26 inches;

� Áp suất thiết kế: 160 barg;

� Ăn mòn cho phép: 2 mm;

� Lớp bọc bê tông gia tải: 35 mm;

� Lớp bảo vệ chống ăn mòn 03 lớp PE có chiều dày: 3,2 mm;

� Bảo vệ chống ăn mòn bằng phương pháp dòng điện cưỡng bức.� Xác định chiều dày cần thiết theo ASME B31.8

Bµi 3. æn ®Þnh ®µn håi

1. MÊt æn ®Þnh côc bé cña ®−êng èng biÓn

2. MÊt æn ®Þnh lan truyÒn 2. MÊt æn ®Þnh lan truyÒn 3. MÊt æn ®Þnh tæng thÓ (global

buckling)

47

1. MÊt æn ®Þnh côc bé cña ®−êng èng do

HiÖn t−îng� Khi ¸p lùc bªn ngoµi cao h¬n ¸p lùc bªn trong èng, øng suÊt vßng

cã dÊu ©m vµ g©y nÐn vá èng theo ph−¬ng chu vi. Tíi mét giãi h¹n nhÊt ®Þnh, øng suÊt nµy g©y o»n vá èng trªn tiÕt diÖn ngang, th−êng x¶y ra d−íi d¹ng vÕt lâm.

48

� VÒ b¶n chÊt, hiÖn t−îng nµy t−¬ng tù nh− hiÖn t−îng mÊt æn ®Þnh cña thanh ¥le nh−ng x¶y ra trªn chu vi èng t¹i mét tiÕt diÖn côc bé. trªn chu vi èng t¹i mét tiÕt diÖn côc bé.

� CÇn ph©n biÖt hiÖn t−îng nµy víi hiÖn t−îng mÊt æn ®Þnh tæng thÓ x¶y ra trªn ®o¹n èng chÞu nÐn däc trôc.

� T¸c ®éng g©y ra mÊt æn ®Þnh côc bé lµ ¸p lùc ngoµi, th−êng xÐt lµ ¸p lùc thuû tØnh.

49

Công thức

� Trong đó R là bán kính trung bình, t là bề dày ống, E là modul đàn hồi và n là tỷ số Poisson.

50

C«ng thøc lý thuyÕt� Gi¶ thiÕt:

� − èng trßn tuyÖt ®èi

� − VËt liÖu ®ång chÊt� − VËt liÖu ®ång chÊt

� Sö dông lý thuyÕt ®µn håi, cã c«ng thøc g©y ra mÊt æn ®Þnh côc bé nh− sau:

Trong ®ã:

� Pc : ¸p lùc g©y ra mÊt æn ®Þnh côc bé

� E : M« ®un ®µn håi cña vËt liÖu èng

� D : §−êng kÝnh ngoµi

� ν : HÖ sè Poisson

� t : ChiÒu dµy èng

(C«ng thøc ( 2.2.1 ) chØ ¸p dông trong tr−êng hîp > 250) 51

MÊt æn ®Þnh lan truyÒn

HiÖn t−îng� HiÖn t−îng mÊt æn ®Þnh lan truyÒn ®−îc ph¸t hiÖn vµo nh÷ng n¨m

®Çu cña thËp kû 70 bëi Battelle Columbus Laboratories.

� HiÖn t−îng nµy ®−îc m« t¶ lµ d−íi ¸p suÊt ngoµi cao nhÊt ®Þnh, nÕu trªn èng cã mét ®iÓm ®· bÞ bãp mÐo v× lý do nµo ®ã (vÝ dô do va ch¹m víi neo tµu, do v−íng l−íi ®¸nh c¸ v.v..), th× vÕt lâm ®ã sÏ lan truyÒn sang c¸c ®iÓm l©n cËn däc theo tuyÕn èng.

� Khi x¶y ra hiÖn t−îng nµy, ®−êng èng bÞ ph¸ háng trªn chiÒu dµi lín, g©y tæn thÊt ®¸ng kÓ vµ khã kh¾c phôc cho c«ng tr×nh.

52

TÝnh to¸n

Víi ®−êng èng cho tr−íc, cÇn tÝnh to¸n x¸c ®Þnh ¸p lùc ngoµi g©y mÊt æn ®Þnh lan truyÒn.

So s¸nh víi ¸p lùc ngoµi thùc tÕ t¹i ®Þa ®iÓm x©y d−ng, nÕu ¸p lùc ngoµi nhá h¬n ¸p lùc g©y mÊt æn ®Þnh lan truyÒn lµ an toµn. NÕu ng−îc l¹i, cÇn xem xÐt c¸c gi¶i ph¸p phßng chèng

53

Theo qui ph¹m DnV 1981

54

Theo c«ng thøc Battelle

55

Chèng lan truyÒn mÊt æn ®Þnh

� §Ó chèng lan truyÒn mÊt æn ®Þnh, cã thÓ sö dông c¸c biÖn ph¸p kh¸c nhau, trong ®ã ®¬n gi¶n nhÊt lµ t¨ng chiÒu dµy èng.

� BiÖn ph¸p trung gian hiÖn ®−îc sö dông réng r·i lµ dïng c¸c vµnh chÆn (buckle aresstor). C¸c vµnh chÆn ®Æt c¸ch ®Òu mét kho¶ng chÆn (buckle aresstor). C¸c vµnh chÆn ®Æt c¸ch ®Òu mét kho¶ng nhÊt ®Þnh trªn tuyÕn, cã h×nh d¹ng rÊt ®a d¹ng nh−ng ®Òu trªn nguyªn t¾c lµ lµm t¨ng chiÒu dµy èng ë vÞ trÝ ®ã. Khi x¶y ra lan truyÒn mÊt æn ®Þnh, ®o¹n èng bÞ háng sÏ bÞ giíi h¹n trong kho¶ng gi÷a hai vµnh chÆn liªn tiÕp.

� ViÖc quyÕt ®Þnh kho¶ng c¸ch gi÷a hai vµnh chÆn lµ bµi to¸n tèi −u. Bè trÝ nhiÒu vµnh chÆn sÏ h¹n chÕ ®−îc chiÒu dµi ®o¹n èng háng khi cã sù cè nh−ng tèn kÐm vËt liÖu vµ c«ng thi c«ng vµnh chÆn ban ®Çu, nÕu bè trÝ Ýt vµnh chÆn th× nguîc l¹i.

56

57

Một số dạng Arrestor

58

59

60

61