Ngày 29 tháng 01 năm 2013

Xây dựng hệ thống đường ống dưới biển


Xây dựng hệ thống đường ống dưới biển
By Lee Walden, Engineering Manager, and Chemin Lim (formerly), T-Rex Engineering & Construction L.C., Houston, U.S.A.

Thách thức trong việc ứng dụng hệ thống dẫn dầu trên biển đã thúc đẩy ngành công nghệ mô phỏng phát triển để có thể kiểm tra được các điều kiện tải kết cấu của “xe trượt nội tuyến” (inline sled).
Công nghiệp khoan thăm dò dầu khí ngoài khơi luôn nỗ lực không ngừng để phát triển những công nghệ mới dưới biển, đáp ứng những nhu cầu ngày càng cao các sản phẩm dầu mỏ và khí đốt. Vì hầu hết các khu vực dễ dàng khai thác không còn nhiều, do vậy việc khai thác dầu mỏ trên biển ngày càng trở nên khó khăn bởi các mỏ dầu đều nằm sâu hàng nghìn feet dưới nước.
Công nghệ dưới biển bao gồm rất nhiều các hoạt động. Một trong những công nghệ chính dưới biển là hệ thống đường ống – có những đoạn dài đến hàng trăm dặm, ở đó các sản phẩm dầu và khí ga được vận chuyển từ đáy biển đến những địa điểm khác nhau. Hệ thống đường ống bao gồm các thành phần, như: phần cơ khí, phần điện và thủy lực, được dùng để hỗ trợ các cấu trúc dưới biển.


XE TRƯỢT NỘI TUYẾN - INLINE SLED
Một thành phần chính của hệ thống dưới biển này là hệ thống xe trượt nội tuyến (ILS) – là một cấu trúc hỗ trợ đường ống, cho phép hệ thống ống dẫn có thể được tạo ra một cách nhanh chóng và hiệu quả ngay dưới đáy biển. Xe trượt được thả xuống cuối hệ thống dẫn hướng (stinger) của tàu— một bộ phận chuyên biệt được lắp đặt trên tàu, dài hàng dặm dọc theo đường ống. Khi đó, các đường ống được hàn lại với nhau ngay trên hệ thống dẫn hướng để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình triển khai dưới biển.



Hệ thống ILS bao gồm: nền lót (nền của hệ thống ILS), hệ thống khung hỗ trợ khối chữ Y (dùng để nối các đường ống), đoạn rẽ nhánh, ống chuyển tiếp, các van, và “end hub” (dùng để vạch tuyến đường ống) được tích hợp vào trong các hệ thống đường ống. Như trên hình 1, dầu được chảy từ bên phải sang, các nhánh dầu chảy đến từ các hub và hòa vào nhau tại vị trí khối chữ Y. Các van được dùng để điều khiển dòng chảy của dầu, và hub là mối nối mở để đặt các kết nối đường ống khác trong tương lai. Một đoạn ống chuyển tiếp (vuốt nhỏ ở đầu) được đặt ở cuối mỗi hệ thống ống của xe trượt để làm giảm mô-men uốn, gây ra khi hệ thống ILS đi qua hệ thống dẫn hướng.
CÁC ĐIỀU KIỆN THÁCH THỨC CÒN TỒN TẠI
Thách thức kỹ thuật đặt ra là làm thế nào thiết kế hệ thống ILS để chúng có thể tồn tại được ở độ sâu 7000 feet dưới mực nước biển, chống chịu được tải do môi trường xung quanh, sự ăn mòn do nước biển, trong khi vẫn giảm thiểu được rủi ro phá hủy cho thiết bị và mối nguy hiểm cho con người trong suốt quá trình triển khai. Công ty Kỹ thuật Xây dựng T-Rex đã tiến hành nghiên cứu để hiểu cặn kẽ các điều kiện làm việc mà ở đó các cấu trúc dưới biển sẽ được xây dựng. Công việc của công ty bao gồm: chế tạo, vận chuyển, lắp đặt và đưa sản phẩm vào hoạt động. Dựa trên những kinh nghiệm lâu năm, đội ngũ kỹ thuật của T-Rex đã thu thập tất cả những dữ liệu có thể để mô phỏng kết cấu trong điều kiện làm việc thực tế. Tổ chức này đã có 15 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực phát triển và thiết kế các cấu trúc dưới biển, và các công trình này hiện vẫn còn đang hoạt động dưới biển. Hiện tại, T-Rex đang nắm giữ kỷ lục thế giới về việc triển khai các cấu trúc nằm sâu nhất dưới đáy biển.
Một kết cấu dưới biển phải trải qua các điều kiện tải xấu nhất trong suốt quá trình triển khai lắp đặt, vì hệ thống ILS phải chịu tải do khối lượng của đường ống lơ lửng cũng như các chuyển động trôi của tàu. Khi tàu lắp đặt hệ thống đường ống thông qua hệ thống dẫn hướng, hệ thống ILS phải chịu một số các tải uốn và kéo (tension) tại mặt trên và mặt dưới của đường ống (Hình 3).
Các kỹ sư của T-Rex xác định các giá trị của tải uốn, kéo để đảm bảo thiết kế an toàn và cứng vững, có thể chịu được tải trong quá trình lắp đặt. Các phân tích được thực hiện để dự đoán các ứng suất và chuyển vị vượt quá giá trị cho phép xuất hiện trên hệ thống ILS trong suốt quá trình lắp đặt.
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
Các mô phỏng xác định các điều kiện tải trên hệ thống đường ống; đồng thời cũng giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống ILS điều khiển được các tải trọng đặc thù. Trên mỗi một ứng dụng, các kỹ sư T-Rex sử dụng 
ANSYS Mechanical APDL (MAPDL) phân tích mô hình 2D tổng thể để xác định các điều kiện tải trọng này. Họ sử dụng ANSYS Workbench để áp dụng các điều kiện tải cho mô hình cục bộ 3D của hệ thống ILS. Các hệ thống kiểu này được mô hình hóa với các công cụ của ANSYS cho phép T-Rex khẳng định khả năng thiết kế mạnh mẽ của mình.
Đội ngũ kỹ sư của T-Rex sử dụng mô hình phần tử dầm để hoàn thiện mô hình 2D tổng thể hệ thống đường ống và ILS, như trên hình 3c. Để xác định độ cứng của các phần tử dầm trong hệ thống ILS, T-Rex sử dụng ANSYS Workbench để mô phỏng mô hình phân tách 3D dạng khối solid (Hình 3b).
Đối với mô hình 2D tổng thể, các phần tử tiếp xúc được dùng để xác định các điều kiện tiếp xúc giữa đường ống và các tiếp điểm trên hệ thống dẫn hướng, thông qua hệ thống con lăn (Hình 3d). Các phần tử tấm được sử dụng để mô hình hóa các con lăn đặt trên trên hệ thống dẫn hướng. Mô hình tổng thể này đưa ra chuyển vị của đường ống trên hệ thống dẫn hướng. Tải chuyển vị được áp đặt tại vị trí cuối của đường ống thẳng cho đến khi đường ống tiếp xúc hoàn toàn với các ống con lăn của hệ thống dẫn hướng. Giá trị đầu ra ở cuối của hệ thống ILS trên mô hình tổng thể, gồm các phản lực và mô-men được dùng để xác định điều kiện tải trọng của mô hình cục bộ.



Đội kỹ sư của T-Rex sử dụng Autodesk® Inventor® 2010 để tạo ra mô hình chi tiết 3D (cục bộ) và nhập trực tiếp vào trong ANSYS Workbench. Việc truyền từ Inventor vào Workbench rất mượt, và mỗi thành phần được nhập vào đều không có lỗi xảy ra. Mô hình cục bộ trên Workbench chứa 177,991 phần tử, bao gồm cả các phần tử tiếp xúc. Các kỹ sư sử dụng phương pháp chia lưới quét (sweep) để tạo ra lưới cho mô hình, và sau đó các vùng quan trọng được chia lưới lại cho hợp lý. ANSYS Workbench tự động nhận diện các vùng tiếp xúc để tạo ra các phần tử tiếp xúc mặt - mặt. Hầu hết các vùng tiếp xúc được xác định bằng các ứng xử tiếp xúc gắn cứng (bonded). Khi đó, lưới chất lượng cao được tạo ra trong Workbench dễ dàng hội tụ, về cả mặt thời gian tính toán và độ chính xác của các kết quả.





Hình 5. Mô hình ban đầu (bên trên) và mô hình cuối cùng (dưới) của phần kết nối giữa đường ống và hệ thống ILS chỉ ra các đường ứng suất thông qua hệ thống ống bên trong. Thiết kế mới có thể giảm ứng suất lớn nhất xuống hơn 80%.



Hình 6. Ứng suất Von Mises

Để mô phỏng các điều kiện tải trọng tiếp xúc với ống con lăn, các kỹ sư đã áp đặt các điều kiện ngàm (support) không ma sát (cho tải kéo/nén) ở cả hai đầu ống, và điều kiện ngàm cố định được áp đặt ở phía đối diện của kết cấu. Tải trọng thu được từ mô hình MAPDL tổng thể được áp đặt ở phía đối diện của kết cấu, như đã được chỉ ra trên hình 4.
Theo thiết kế, mô hình hình học của các bộ phận sẽ được thay đổi dựa trên các kết quả về ứng suất. Ví dụ, phần liên kết giữa đường ống và hệ thống ILS có sự khác biệt lớn về độ cứng, điều này gây ra sự tập trung ứng suất cao tại các vị trí đó (Hình 5a). Ở cuối của quá trình này, thiết kế mới sẽ giảm được giá trị ứng suất lớn nhất xuống hơn 80% khi so sánh với mô hình ban đầu (Hình 5b).
ĐỘ CHÍNH XÁC ĐẢM BẢO AN TOÀN
Sự kết hợp giữa 
ANSYS Workbench và ANSYS MAPDL đã mô phỏng thành công các điều kiện tải lắp đặt hệ thống đường ống trong dự án này. Phân tích có thể đưa ra chính xác các điều kiện tải trọng cho mô hình phức tạp. Và điều này hầu như không thể đạt đến độ chính xác như thế nếu như không sử dụng hệ thống sản phẩm phần mềm của ANSYS. Việc tiến hành mô phỏng các hệ thống này cung cấp một loạt các giải pháp cho việc phân tích quá trình triển khai lắp đặt hệ thống đường ống. Hơn thế nữa, vấn đề an toàn là một vấn đề vô cùng quan trọng. Các hệ thống đường ống dưới biển phải được thiết kế để lắp đặt và bảo trì một cách an toàn trong suốt quá trình sản xuất dầu mỏ và khí đốt. Các mô phỏng trong ứng dụng này giúp các kỹ sư của T-Rex chắc chắn rằng các cấu trúc dưới biển được tuân thủ theo các yêu cầu về an toàn.






Theo  daisi.vn