Tải bản đầy đủ
GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TUYẾN ỐNG

GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TUYẾN ỐNG

Tải bản đầy đủ

63
- Giá cả hợp lý.
Ở phía trong đường ống, khi khảo sát các sự cố ta thường thấy sự phá hủy do han
gỉ có đặc tính cục bộ, ở phía thấp để lại các rãnh cong vênh, gồ ghề. Trong các ống
dẫn nhũ tương, sự phá hủy gây ra bởi các chất phá nhũ vì ở chế độ chảy dòng, phần
thấp không tiếp cận với dầu mà là nước xâm thực làm ống gỉ nhanh. Nếu thực hiện
chế độ chảy rối thì ống sẽ được bảo vệ tốt hơn. Ngoài ra để chống gỉ phía trong đường
ống người ta dùng các loại sơn, nhựa epoxy, silicat kẽm và các hóa chất ức chế. Đặc
biệt chất ức chế chiếm vị trí hàng đầu vì nó tạo ra tấm rào cản giữa môi trường và vật
liệu. Hiệu quả của chất ức chế có thể có thể đạt đến từ 92 - 98%.
5.1.2 Phương pháp bảo vệ chủ động
Được thực hiện đối với bề mặt tiếp xúc với môi trường, chủ yếu là mặt ngoài của
thiết bị. Do tác động của môi trường, biện pháp thụ động không thể đảm bảo bảo vệ
đường ống suốt thời gian sử dụng, sau 6 - 10 năm đã mất tác dụng. Vì vậy tùy theo
tính chất môi trường hoặc kết quả khảo sát, sau thời gian đó phải dùng các protector và
bảo vệ catot, thực hiện theo nguyên tắc ăn mòn điện hóa nhưng không phải bản thân
đường ống mà vật liệu được lắp đặt chủ động ngoài đường ống.
* Bảo vệ protector: được dùng cho các tuyến ống dài, đi qua các vùng xa nguồn
điện. Việc bảo vệ không cần cung cấp điện cho nên dọc theo tuyến ống người ta lắp
đặt (chôn) các thanh hoặc các bản kim loại có điện thế âm cao hơn sắt, chẳng hạn như
kẽm, hợp kim magiê, nhôm …, chúng sẽ đóng vai trò các anot . Đường ống được nối
với các thanh kim loại bằng dây dẫn có bọc cách điện. Khi đó trong dây sẽ xuất hiện
dòng điện, anot sẽ bị gỉ nhanh hơn so với trường hợp không đấu dây. Còn sự han gỉ
của ống (catot) thì ngược lại sẽ ít hơn hoặc hoàn toàn không xảy ra. Dòng điện xuất
hiện do hiệu điện thế giữa protector và đường ống sẽ tạo ra trong ống một điện thế âm
cao hơn so với trường hợp không có bảo vệ.
- Ưu điểm:
• Phương pháp này cho kết quả chống ăn mòn như mong muốn
• Lắp đặt đơn giản
• Dùng được cho các tuyến ống dài, đi qua các vùng xa nguồn điện
• Nguyên vật liệu đơn giản.
- Nhược điểm:
• Trong điều kiện biển luôn có sinh vật sống ký sinh, do vậy bề mặt anot bị
che phủ làm giảm khả năng chống ăn mòn như mong muốn
• Phải khảo sát định kỳ để đánh giá lại khả năng còn, chống ăn mòn của
anot.

64

Hình 5.1: Phương pháp bảo vệ catot bằng anot hy sinh
- Các loại anot thường được sử dụng:
• Anot hình vành khuyên thường được sử dụng cho những đường ống bọc gia tải
• Anot hình thang được sử dụng cho những loại công trình không bọc lớp gia
tải phân bố
• Vật liệu để chế tạo anot thường là nhôm, kẽm hoặc hợp kim của chúng.
- Các sơn phủ thường được sử dụng tại Việt Nam:
• Glass flake epoxy
• Fusion bonded epoxy (FBE)
• Coal tar epoxy
• Asphalt Enamel kết hợp Polyetylen (hoặc Polypropylen)
- Các kiểu Anot hy sinh hay được sử dụng:
• Kiểu hình trụ: “Slender stand - off” ( Hình 5.2.a)
• Kiểu hình thang: “Elongated flush mounted” ( Hình 5.2.b)
• Kiểu hình bán khuyên: “Half shell bracelet” ( Hình 5.2.c)

a)

b)

c)

Hình 5.2: Các kiểu anot hy sinh
* Bảo vệ catot: cần có nguồn điện một chiều, còn anot không cần đến các kim
loại có điện thế âm thấp mà chỉ cần dùng các thanh sắt bình thường. Các thanh sắt

65
được chôn dọc theo tuyến ống và được nối với cực dương của nguồn bằng các dây dẫn
có bọc cách điện. Các thanh này sẽ trở thành anot, từ đó dòng điện truyền qua đất vào
đường ống qua các điểm bị bong lớp bảo vệ, tới điểm hồi vào theo dây dẫn về cực âm
của nguồn. Đường ống phải có độ dẫn điện tốt vì vậy các điểm có điện trở lớn như các
đầu nối, mặt bích, các van… cần phải tăng thêm độ dẫn điện, tránh biến chúng thành
các vùng anot. Nguồn điện dùng cho bảo vệ catot có thể là các máy phát một chiều
hoặc lấy từ lưới xoay chiều với các bộ nắn dòng. Lượng điện tiêu thụ tăng theo sự
xuống cấp của lớp bảo vệ, khoảng cách các nguồn từ 5 ÷ 25 km tùy theo điện trở của
lớp bảo vệ.
- Ưu điểm:
• Chủ động trong công tác chống ăn mòn
• Độ an toàn.
- Nhược điểm:
• Phụ thuộc vào điều kiện vị trí vật bảo vệ so với nguồn điện, do vậy rất khó cho việc
bảo vệ những công trình chạy dài, xa khu vực có khả năng cung cấp nguồn điện ổn
định
• Khó kiểm soát hệ thống chống ăn mòn theo loại này.

Hình 5.3: Sơ đồ nguyên tắc bảo vệ Catot bằng dòng ngoài

66
5.1.3 Phương pháp bảo vệ kết hợp
Trong thực tế người ta không sử dụng một biện pháp bảo vệ chống ăn mòn mà
thường sử dụng kết hợp các phương pháp sao cho hợp lý, mang lại hiệu quả kinh tế
cao nhất. Như là:
- Để bảo vệ các kết cấu kim loại làm việc trong nước biển người ta thường dùng
kết hợp giữa phương pháp sơn phủ bảo vệ với phương pháp bảo vệ bằng protector
hoặc dòng điện bên ngoài.
- Để bảo vệ các ống dẫn đặt ngầm thì người ta kết hợp sử dụng các lớp bảo phủ
ngăn cách (bitum, xi măng) với bảo vệ bằng dòng điện bên ngoài hoặc protector.
Phương pháp bảo vệ kết hợp có những ưu điểm sau:
- Phân bố dòng điện bảo vệ tốt hơn
- Kinh tế hơn các phương pháp riêng lẻ
- Tránh được những hạn chế các phương pháp trên khi dùng riêng lẻ
- Giảm tốc độ hoà tan anot.
5.2 Tính toán thiết kế chống ăn mòn cho tuyến ống từ gian MSP6 – MSP4 mỏ
Bạch Hổ
5.2.1 Thiết kế lớp sơn phủ chống ăn mòn
Tuyến ống được sơn phủ bởi loại sơn Asphalt Enamel với chiều dày 5mm. Tính
chất cơ lý của loại sơn này:
- Trọng lượng riêng γ = 1400 kG/m3
- Độ dẫn nhiệt 0,3 W/m.oC
* Ta quyết định chọn loại sơn trên là do :
- Các loại sơn Coal tar epoxy, Fusion bonded epoxy (FBE), Glass flake epoxy
được chế tạo trên cơ sở nhựa epoxy biến tính, loại Glass flake epoxy còn có chứa các
sợi thuỷ tinh có các đặc tính chống ăn mòn cao cũng như có độ bền tốt dưới các tác
động cơ học. Tuy nhiên hạn chế là thời hạn làm việc của các loại sơn này chỉ xấp xỉ 10
năm.
- Các loại sơn Intumescent epoxy, Asphalt Enamel không những giữ được các ưu
điểm đã trình bày ở trên mà còn có tuổi thọ cao đáp ứng được yêu cầu của công trình
đường ống đặt ra.
5.2.2 Thiết kế bảo vệ chống ăn mòn điện hoá
Ăn mòn công trình kim loại trong môi trường nước biển là ăn mòn điện hoá chủ
yếu do chất oxy hoá hoà tan trong nước biển gây ra. Nguyên nhân chính dẫn đến việc

67
kim loại bị ăn mòn điện hoá là do sự xuất hiện dòng chuyển dịch điện tích từ kết cấu
ống làm bằng vật liệu kim loại ra môi trường bởi sự chênh lệch về điện thế (xuất hiện
cặp pin), kim loại ống trở thành anot và bị ăn mòn. Nguyên lý bảo vệ chống ăn mòn
điện hoá cho kim loại là tìm cách bù đắp vào lượng điện tích mà anot bị mất đi bằng
một lượng điện tích khác từ bên ngoài hoặc vào thay thế kim loại ống bằng một kim
loại khác có điện thế cao hơn (đóng vai trò làm anot thay cho kim loại ống).
5.2.2.1. Tính toán, thiết kế hệ thống anot hy sinh
* Cơ sở tính toán.
- Cơ sở cho việc tính toán chống ăn mòn bằng anot theo quy phạm DnV RPB401, Recommended Practice RP-B401 Cathodic Protection Design 2005
- Tuổi thọ của hệ thống bảo vệ bằng tuổi thọ của công trình, lấy 30 năm
- Các điều kiện về môi trường biển
- Hệ số phá huỷ sơn, fC , phụ thuộc vào đặc tính của chất sơn phủ được lấy theo
bảng trong DnV RP-B401.
* Diện tích bảo bề mặt tuyến ống cần bảo vệ A, m2.
A = π.D.L (m2)

(5.1)

Bảng 5.1. Các số liệu đầu vào của tuyến ống MSP6 -MSP4
Số Liệu Đầu Vào
L(m)

D(m)

A(m2)

Loại thép

Tuổi thọ(năm)

1284

0.325

1311

CT2O

30

* Mật độ dòng điện bảo vệ ic, A/m2
Mật độ của dòng điện bảo vệ (thiết kế ban đầu) phụ thuộc vào sự thay đổi độ sâu
đáy biển và nhiệt độ vùng cần bảo vệ, được lấy theo bảng sau:
Bảng 5.2. Mật độ dòng điện thiết kế ban đầu /cuối cùng cho thép trần đối
với các vùng khí hậu khác nhau, (A/m2)
Độ sâu

Nhiệt đới

Cận nhiệt đới

Ôn đới

Vùng lạnh

m

>20oC

12o ÷ 20oC

7o ÷ 12o C

< 7o C

0 ÷ 30

0,15

0,09

0,17

0,11

0,2

0,13

0,25

0,17

> 30

0,12

0,08

0,15

0,09

0,18

0,11

0,22

0,13

68
Bảng 5.3. Mật độ dòng điện thiết kế trung bình cho thép trần, A/m2
Độ sâu

Nhiệt đới

Cận nhiệt đới

Ôn đới

Vùng lạnh

m

>20oC

12o ÷ 20oC

7o ÷ 12o C

< 7o C

0 ÷ 30

0,07

0,08

0,1

0,12

> 30 - 100

0,06

0,07

0,08

0,1

Theo như điều kiện vùng thuộc nhiệt đới, độ sâu công trình 56m lớn hơn 30 m
nên ic = 0,06 A/m2.
* Cường độ dòng điện yêu cầu - IYC (A)
IYC = A. ic. fC

(5.2)

Lựa chọn loại anot theo quy phạm DnV RP-B401, tuỳ từng loại anot được chọn
mà công thức xác định điện trở là khác nhau và được xác định theo bảng sau:
Bảng 5.4. Công thức xác định điện trở bề mặt anot
Loại Anot

Công thức xác định điện trở

La ≥ 4.ra
La ≤ 4.ra

Ra =
 
ρ   2.La
Ra =
ln
2.π .La   ra

 

ρ
2.π .La

 4 .L a

 ln
− 1
ra





 ra
1 + 1 + 
 2 .L a



La ≥ 4. δ (bề
dày)
Dạng hình bán
khuyên

Ra =
Ra =





2


 ra
 r
− 1 +  a
 +
 2.La
 2.La


2
 
 
 


ρ
2.S

0,315ρ
Aa

Trong đó:
Ra: Điện trở bề mặt của anot, Ohm
ρ: Điện trở môi trường, Ohm.m
La: Chiều dài của anot, m
ra: Bán kính của anot, m
Nếu anot không ở dạng hình trụ thì ra = C/2 π, với C là chu vi mặt cắt ngang của anot.
S: Trung bình chiều rộng và dài của anot, m
Aa: Diện tích bề mặt của anot, m2.
* Dòng điện ra của anot - Ia , A

69

E ac − E ao
U
Ia =
=
Ra
Ra
(A)

(5.3)

c
Trong đó, U là hiệu điện thế giữa điện thế làm việc tối thiểu của anot E a tuỳ
o
thuộc vào loại anot được chọn và điện thế nhỏ nhất để bảo vệ thép trần E a là 0.8V.

* Số lượng anot Na

Na =

I yc
I a .u

(5.4)

* Khối lượng anot được sử dụng, M

Ma =

N a .ma
u

(5.5)

ma: Là khối lượng tính của 1 anot
u: Hệ số sử dụng anot, phụ thuộc loại anot.
Bảng 5.5. Bảng tra hệ số sử dụng Anot , u
Loại anot

Hệ số sử dụng (u)

La ≥ 4.ra

0,9

La ≤ 4.ra

0,85

La ≥ 4. δ (bề dày)

0,85

Dạng hình bán khuyên

0,8

5.3.2.2 Thiết kế các thông số hệ thống Anot
* Các thông số thiết kế
- Các thông số bảo vệ :
0
+ Điện thế bảo vệ tối thiểu để bảo vệ thép trần khỏi bị ăn mòn E a là: -800mV
theo điện cực Ag/AgCl/nước biển)

+ Mật độ dòng điện để bảo vệ thép trần khỏi ăn mòn: 0,06 - 0,065 A/m2.
- Các thông số sử dụng trong tính toán :
+ Điện thế của thép cacbon trong nước biển là: - 650mV theo điện cực so sánh
Ag/AgCl/nước biển
+ Hệ số phá hủy sơn lấy theo DnV RP-B401

70
+ Hệ số sử dụng anot hy sinh được tiếp nhận là 90%.
* Số lượng, phân bố và lắp đặt anot.
- Số anot cần bảo vệ phần ngập nước phụ thuộc vào dung lượng điện hoá của
anot, thời gian vận hành của công trình và hệ số phá huỷ sơn
- Phân bố các anot tuân theo các bản vẽ thiết kế
- Lắp đặt anot tuân theo các quy trình kỹ thuật ANSI/AWA D1.1- 94.
* Các số liệu đầu vào
- Lớp sơn phủ
+ Vật liệu sơn : Asphalt Enamel
+ Chiều dày : 5 mm
- Môi trường nước biển
+ Nhiệt độ : 40oC
+ Điện trở riêng : ρ = 0,2 Ohm.m
* Lựa chọn loại Anot sử dụng cho đường ống dẫn dầu MSP6 -MSP4
của mỏ Bạch Hổ:
Bảng 5.6. Bảng số liệu các loại Anot
Loại Anot

Đường kính
trong (mm)

Đường kính
ngoài (mm)

Chiều dài
(mm)

Khối lượng
(kg)

AFA B200

118

198

416

20/25

AFA B126

170

250

235

12.6/16

AFA B186

170

250

368

18.6/16

AFA B235

225

315

410

23.5/28.4

AFA B333

223,5

303,5

475

33,3/37,7

AFA B280

280

360

325

28/35

AFA B380

280

360

450

38/35

AFA B292

328

408

290

29,2/34

AFA B790

363

453

860

90

AFA B1200

410

492

800

120/135

AFA B350

435

515

280

35/47,5

AFA B610

512

592

450

61/85

AFA B520

520

610

315

55/69

AFA B550

550

640

300

55/70

71
⇒ Anot AFA B790 được chọn sử dụng cho tuyến ống với các thông số sau :

+ Khối lượng hợp kim nhôm 90 kg.
+ Đường kính trong 363 mm.
+ Đường kính ngoài 453 mm.
+ Chiều dài Anot 860 mm
+ Chiều rộng anot 40
+ Điện dung của anot 2000A.h/kg
+ Sơn bề mặt bên trong (CTE) dày 100 μ m.
+ Cáp điện 16 mm2/PVC 2 chiếc.
c
+ E a = 1,09 V điện thế thiết kế trong mạch kín của Anot.

* Tính toán các thông số Anot
- Diện tích bề mặt tuyến ống A = 1311 m2
- Hệ số phá huỷ sơn , fC :
tf

+ Giai đoạn đầu : fC = a + b. 2

(5.6)

+ Giai đoạn cuối : fC = a + b.tf

(5.7)

tf là tuổi thọ thiết kế của công trình, 30 năm.
Bảng 5.7. Quy định yếu tố a và b gây phá huỷ trong tính toán sơn phủ
Quy định yếu tố a và b gây phá huỷ trong tính toán sơn phủ
Độ sâu
(m)

Các giá trị a và b cho các cấp bọc I, II và III
I
II
III

(a = 0.10)
0-30
b = 0.10
>30
b=0.05,b=0.01
5
Các hệ số a, b tra theo Bảng 5.7

(a = 0.05)
b = 0.025
b = 0.015

(a = 0.02)
b = 0.01
b = 0.008

Ta lấy a = 0,05; b = 0,015 do sơn ta dùng là sơn Asphalt Enamel và có chiều dày
lớp sơn trong là 100 μ m.

30
+ Giai đoạn đầu: fC = 0,05+ 0,015. 2 = 0,275
+ Giai đoạn cuối: fC = 0,05+ 0,015.30 = 0,50

72
- Mật độ dòng điện bảo vệ chọn là 0,06 A/m2
- Cường độ dòng điện yêu cầu bảo vệ, A:

I yc = A. f C .ic = 1311 .0,5.0,06 = 39,33(A)
* Thông số tính toán Anot AFA B350
- Chiều dài ống cần bảo vệ 1284 (m)
- Diện tích bề mặt tuyến ống, A (m2)

A = π .Do .L = π .0,325.1284 = 1311 m 2
- Cường độ dòng điện yêu cầu, Iyc (A)

I yc = A. f C .ic = 1311 .0,5.0,06 = 39,33(A)
- Điện trở cua anot

Ra =

0,315ρ
Aa

= 0,1009

- Dòng ra của anot , Ia (A)

Ia =

U
E c − Ea0 1,09 − 0,8
= a
=
= 2,07( A)
Ra
Ra
0,1009

- Số lượng anot , Na

Na =

39,33
= 22,35( Anot )
2,07.0,85
⇒ chọn số lượng Anot là Na = 22 chiếc.

- Khoảng cách giữa các anot, Da (m)

Da =

1284.47
− 0,86 = 57,53(m)
22

(5.8)

- Khối lượng anot được sử dụng Ma :

Ma =

N a .m a
u

Trong đó ma la khối lượng của 1 anot.
Ta có bảng kết quả sau:
Bảng 5.8. Kết quả

(5.9)

73
Chiều dài đường ống (m)
Cường đọ dòng điện yêu cầu (A)
Cường độ dòng ra của anot (A)
Điện trở của anot (Ω)
Hệ số sử dụng anot
Số lượng anot (chiếc)
Khối lượng tịnh 1 anot (kg)
Khoảng cách giữa các anot (m)
Tổng khối lượng anot sử dụng (kg)

Lt
Iyc
Ia
Ra
U
Na
ma
L
Ma

1284,47
39.33
2,07
0,1009
0,85
22
133,932
57,53
3466,475

Kết luận : Đường ống ngầm dưới mặt nước biển cần có 22 anot hy sinh ,khoảng cách
giữa các anot là 57,53 m tổng khối lượng anot hi sinh là 3466,475 kg
5.3.2.3 Yêu cầu
Chi tiết Anot phải thỏa mãn các yêu cầu sau :
- Anot dễ dàng tìm kiếm trên thị trường, giá cả hợp lý và đảm bảo các yêu cầu kỹ
thuật.
- Anot phải được bố trí để có được sự phân bố đồng đều của dòng. Đặc biệt
khoảng cách giữa các Anot không được vượt quá 150 m.

KẾT LUẬN
Qua thời gian nghiên cứu tìm hiểu, tham khảo tài liệu cùng với sự hướng dẫn tận
tình của giáo viên hướng dẫn Thầy Hoàng Anh Dũng cùng các thầy cô giáo tại bộ môn
Thiết bị Dầu khí, em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp.
Trong đồ án của mình em đã trình bày về tính toán lựa chọn thi công cho tuyến ống
vận chuyển dầu từ giàn MSP6-MSP4 trong nội mỏ Bạch Hổ. Đồ án đã tìm hiểu, giới thiệu
về các phương pháp thi công tuyến ống được sử dụng hiện nay và lựa chọn được phương
pháp thi công phù hợp cho tuyến ống là phương pháp thi công sử dụng tàu rải ống Nam
Côn Sơn, tính toán đảm bảo độ bền cho tuyến ống. Đồng thời đưa ra giải pháp nâng cao
hiệu quả sử dụng tuyến ống MSP6-MSP4 bằng phương pháp chống ăn mòn cho tuyến
ống. Việc chống ăn mòn cho tuyến ống dẫn dầu là yêu cầu cần thiết nhằm nâng cao khả
năng vận chuyển dầu và làm giảm chi phí sản xuất.