bài giảng công trình biển mềm chương 2.1 công trình biển bán chìm

Tính toán gần đúng công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng 4.1.. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển  Công trình biển bán chìm Semi-submersible: Công t

Bài giảng Công trình biển mềm CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM

1 Khái niệm

1.1 Cấu tạo công trình biển bán chìm

1.2 Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển

1.3 Đặc điểm công trình biển bán chìm

1.4 Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm

2 Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm

2.1 Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo

2.1.1 Cấu tạo hệ thống neo

2.1.2 Các loại dây neo

2.1.3 Cấu tạo các neo điển hình

2.2 Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình

2.3 Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía

3 Tác động của môi trường

3.1 Các điều kiện môi trường

3.2 Tải trọng gió

3.3 Tải trọng dòng chảy

3.4 Tải trọng sóng (lực giạt trung bình, tải trọng động của chuyện động sóng)

4 Tính toán gần đúng công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng

4.1 Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ

4.2 Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng

4.3 Phản ứng động gần đúng của bài toán động tiền định

4.4 Phản ứng động gần đúng của bài toán động ngẫu nhiên

5 Tính gần đúng hệ thống dây neo chịu tải trọng tĩnh của môi trường

5.1 Đặt bài toán

5.2 Tính toán dây neo một phía

5.2.1 Tính toán dây neo một phía chịu tải trọng tĩnh 5.2.2 Chiều dài tối thiểu của đường dây neo

5.2.3 Tác dụng tựa tĩnh của lực thuỷ động lên dây neo 5.2.4 Bài toán tĩnh của dây neo khi điểm liên kết A di chuyển 5.3 Tính toán dây neo nhiều phía (BT không gian)

5.3.1 Trường hợp tổng quát 5.3.2 Trường hợp kết cấu nổi được giữ bằng cặp 2 dây neo đối diện 5.5 Hệ số an toàn khi thiết kế hệ thống dây neo CTB bán chìm

6 Kiểm tra độ bền của hệ thống dây neo công trình biển bán chìm

CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM

(Semi-submersible/ Semi-FPU)

1 Khái niệm

Công trình biển bán chìm Semi-FPU: Semi-Submersible Production Unit

1.1 Cấu tạo công trình biển bán chìm

Trên hình 2.2 biểu diễn cấu tạo chung của công trình biển bán chìm bằng thép

Hình 2.1 Hình ảnh công trình biển bán chìm đang khai thác

3

1

4 4

10 5

8

Hình 2.2 Cấu tạo chung của công trình biển bán chìm

1.2 Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển

 Công trình biển bán chìm Semi-submersible: Công trình nổi dùng để khoan khai thác (forage), xử lí tách lọc dầu (production); gồm 4-8 cột được neo giữ bởi hệ thống dây neo xiên 8-12 dây

 Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các

vị trí khác nhau Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định

 Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng

180 đến 1800 m) Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m)

Hình 2.3 Các công trình biển bán chìm cho vùng nước sâu (Semi-FPSs)

Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão

1.3 Đặc điểm công trình biển bán chìm

Công trình biển bán chìm có các đặc điểm chính sau

1) Nguyên lý kết cấu :

- Là kết cấu tự nổi

- Được giữ cố định tại vị trí làm việc bằng kết cấu neo giữ gồm các dây neo và neo

- Có thể tự di chuyển thay đổi vị trí hoặc phải nhờ tàu kéo hỗ trợ

2) Vật liệu chế tạo:

Các công trình biển bán chìm được chế tạo bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép

3) Đặc điểm thi công:

Dù là công trình bằng thép hay bằng bê tông cốt thép, công trình biển bán chìm đều được thi công trong ụ khô, sau đó được kéo ra biển

4) Đặc điểm về sửa chữa:

Công trình biển bán chìm được kéo vào bờ để sửa chữa Đối với công trình biển bê tông cốt thép, sàn chịu lực (kết cấu thượng tầng) được chế tạo bằng thép, có thể tháo dỡ

Khi xét bài toán chuyển vị tổng thể, công trình biển bán chìm được coi là kết cấu tuyệt đối cứng, dao động theo 6 bậc tự do (Hình 2.4)

Công trình biển bán chìm có liên kết với các ống chống Các ống chống có thể tháo

ra khi cần di chuyển công trình Bên trong ống chống có chứa các đường ống giữa dàn công nghệ trung tâm và đáy biển Các ống nhỏ được bọc trong ống lớn

Ví dụ, cụm ống Riser có thể gồm 1 ống 16’’ dẫn dầu để xử lý, 19 ống

''2

14

, 2 ống chứa cáp điện sử dụng cho các phương tiện liên lạc Tất cả các ống này được nối với giếng khoan dầu tại mỏ

1.4 Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm

Các bài toán đặc biệt cần quan tâm: tương tác giữa sóng và các cột kích thước lớn cùng các thanh giằng kích thước nhỏ, sự chịu lực của các dây neo

Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm trong trường hợp tổng quát là bài toán phi tuyến do

có sự thay đổi phi tuyến hình học của dây neo trong quá trình công trình dịch chuyển dưới tác động của lực môi trường, và khi tính toán công trình nổi được coi là một vật thể đàn hồi được liên kết với nền đất bằng dây neo và neo Bài toán được xét cho cả 2 trường hợp bài toán tĩnh (tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh hoặc tựa tĩnh) và bài toán động (tải trọng tác dụng là tải trọng động), nhằm xác định chuyển vị của dây neo và trong kết cấu

Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm có thể giải theo 2 mô hình:

- mô hình tuyến tính hoá, hoặc

- xét sự làm việc đồng thời của công trình biển nổi và dây neo

Việc xem xét bài toán động lực học theo mô hình thứ hai cho phép mô tả sát sự làm việc của công trình nhưng có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn và phải sử dụng các chương trình chuyên dụng (ví dụ, chương trình ARIANE của Pháp)

Có hai bài toán cơ bản sau trong tính toán thiết kế công trình biển bán chìm:

Bài toán về ổn định tĩnh và ổn định động của công trình được xem xét với giả thiết công trình

là vật thể tuyệt đối rắn, dao động theo 6 bậc tự do

Bài toán 2:

Bài toán thiết kế đường dây neo và neo (tính toán và chọn kích thước, số lượng và chiều dài đường dây neo, tính toán và chọn loại neo)

2 Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm

2.1 Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo

2.1.1 Cấu tạo hệ thống neo

Thiết bị neo là hệ thống dùng để neo đậu hoặc giữ cố định công trình nổi tại một vị trí làm việc ở ngoài biển

- Kích thước chung của tời (hay đường kính tang cuốn dây neo cáp hoặc xính)

- Công suất của máy neo

- Phương thức kéo

- Tốc độ kéo Các tốc độ kéo được phân biệt như sau :

Tốc độ 3 m/s là tốc độ kéo nhanh, lực kéo nhỏ

Tốc độ 1-2 m/s là tốc độ kéo trung bình, lực kéo trung bình

Tốc độ 0,3-0,5 m/s là tốc độ kéo chậm, lực kéo lớn

2) Hầm xích neo : là thùng dùng để chứa dây neo (xích neo)

3) Hãm cáp neo : thiết bị dùng để hãm dây neo sau khi thả neo hoặc giữ ở vị trí lỗ thả

neo khi di chuyển công trình

4) Lỗ thả neo : là vị trí để đặt neo khi di chuyển công trình và hướng cho dây neo khi

thả neo và neo tại chỗ

5) Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi

với neo ở đáy biển

6) Neo

Neo làm nhiệm vụ giữ dây neo cố định với nền đất

2.1.2 Các loại dây neo

Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở

Đầu dây cáp neo có kết cấu sau để liên kết với neo (Hình 2.7):

Hình 2.7 Chi tiết đầu dây cáp neo

- Dây xích có 2 loại :

+ loại với mắt xích không có ngáng (hình 2.8-c)

+ loại xích với mắt xích có ngáng (hình 2.8-a, b)

Hình 2.8 Các loại mắt xích neo a) và b) - mắt xích có ngáng; c) - mắt xích không có ngáng

Hình 2.9 biểu diễn đường kính danh nghĩa của dây xích neo (d)

Hình 2.9 Đường kính danh nghĩa của xích (d)

Thông số quan trọng của dây neo là lực kéo phá huỷ (lực kéo đứt) tối thiểu FR Tất cả các dây cáp phải được thử trước khi sử dụng Chiều dài của đoạn dây thử bằng 30 lần đường kính

dây Bảng các thông số dây neo bằng cáp và xích được cho trong bảng 2.1-a và 2.1-b như một

ví dụ Trên thực tế sẽ lấy theo các quy phạm hoặc các catalog của các nhà sản xuất (VD : hãng Vicinay Cadenas http://www.vicinaycadenas.net/brochure/#/30 )

Bảng 2.1-a Lực kéo đứt tối thiểu của cáp thép (theo DnV)

Bảng 2.1-b Lực kéo thử và lực kéo đứt tối thiểu của xích

Ghi chú: Q2, Q3 - loại mác thép (nước sản xuất) và loại thép (về độ bền)

Pháp, Tây Ban Nha :Q ; Nauy : K ; Anh : U

Thép cấp 1: thép mềm ; Thép cấp 2: thép cường độ cao ; Thép cấp 3,4 : thép cường độ rất cao ;

Có 1 số loại thép chất lượng siêu cao : Ví dụ : QS (Pháp), K4 (Nauy), ORQ (Anh)

Mỗi loại thép phải được thử ở cường độ thử và không xuất hiện bất kỳ dấu hiệu nào của sự tổn thất Một vài phần tử phải được thử cho tới lực kéo đứt tối thiểu

2.1.3 Cấu tạo các neo điển hình: Neo cọc, neo mỏ, neo mút:

Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc

Hình dưới biểu diễn cấu tạo và sơ đồ chịu lực ngang của neo cọc Việc tính toán khả năng chịu lực của neo cọc tương tự việc tính toán cọc của công trình biển cố định bằng thép

Hình 2.10 Sơ đồ neo cọc chịu lực

Trong đó: Pile head - đỉnh cọc;

Mooring line - Đường dây neo;

Load - tải trọng tác dụng lên đường dây neo;

Latera earth pressure - áp lực ngang của đất nền Skin friction - lực ma sát hông

Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV)

Cấu tạo chung của neo mỏ như sau:

Hình 2.11-a Neo mỏ không có cơ cấu thăng bằng

Shackle - móc neo; Fluke - mỏ neo; Shank - thân neo

Fluke angle - góc mở của mỏ neo; Fluke tip - đỉnh (mũi) mỏ neo

Tripping palms - bề rộng vào đất của neo

Crow or head - Đầu neo; Stabilizer - cơ cấu thăng bằng của neo

Hình 2.11-b Neo mỏ có cơ cấu thăng bằng

Các loại neo mỏ (neo bừa) được nêu trên hình 2.12 dưới đây:

Hình 2.12 Các loại neo mỏ (neo bừa) Quá trình neo mỏ cắm vào nền đất khi chịu lực như sau:

Hình 2.13 Quá trình cắm neo

Việc lựa chọn loại neo và kích thước neo phải đảm bảo khả năng giữ của neo (anchor holding capacity) Hmax:

H

* FS

trong đó: FS - hệ số an toàn, phụ thuộc vào loại neo;

H - lực ngang tác dụng lên xích neo

2.2 Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình

Người ta phân biệt 3 loại neo (theo 3 mục tiêu sử dụng):

* Neo "di động": thời gian neo đậu từ vài giờ đến vài ngày

Ví dụ, neo sử dụng cho những công trình cần di chuyển thường xuyên như tàu đặt ống hoặc tàu thả cáp, sà lan thi công, tàu nạo vét luồng, tàu khảo sát địa chất,…

* Neo "tạm thời": Thời gian neo đậu từ vài tuần đến vài tháng

Ví dụ, neo của dàn khoan bán chìm neo giữ khi khoan, một số sà lan thi công,…

* Neo "cố định" (neo "thường xuyên"): thời gian neo đậu “nhiều năm”

Ví dụ, neo dùng cho phao chứa nổi, dàn khoan bán chìm sản xuất và khai thác, trạm nhập/xuất dầu 1 điểm neo (Single Point Mooring)

Neo cố định đòi hỏi tính kiên cố cao vì thời gian hoạt động của neo lâu dài Neo loại này

có thể là :

Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc,

Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV)

2.3 Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía

Một đường dây neo có thể cấu thành từ một trong các dạng sau:

+ dây cáp,

+ dây xích,

+ hoặc hỗn hợp cả cáp và xích (đoạn tiếp xúc với đất thường là xích)

Đường dây neo có trọng lượng đơn vị không đổi chịu tác dụng của lực ngang có dạng một đường dây Như vậy, dạng hình học của đường dây neo phụ thuộc vào giá trị lực căng trong dây neo (ký hiệu là T - tension), quan trọng nhất là thành phần nằm ngang của lực đó (ký hiệu là H - horizontal) Giá trị của thành phần lực ngang này phụ thuộc vào 5 dạng hình học cơ bản của đường dây neo được trình bày dưới đây

Hình 2.16 Các dạng hình học của đường dây neo

Dạng 1 Đường dây neo hoàn toàn chùng không có lực căng tác dụng lên dây neo, lực

căng ngang TH = 0

Dạng 2 Đường dây neo không bị căng, dây neo thoải, có 1 đoạn tiếp xúc với đất với

chiều dài là D

Dạng 3 Đường dây neo căng tới hạn (D=0) Khi lực ngang tăng, điểm dây neo tiếp xúc

với đất tiến gần đến vị trí của neo Góc tiếp xúc giữa dây và đất ở đầu neo bằng 0

Dạng 4 Dạng hình học của dây có độ căng lớn Góc của tiếp tuyến với đường dây neo

tại vị trí neo >0

Dạng 5 Dây neo bị căng hoàn toàn Lực tác dụng lên kết cấu là lớn

Dạng 3 là dạng cơ bản của đường dây neo Trong thiết kế cố gắng tránh 2 trường hợp 4

và 5, vì neo làm việc ở trạng thái bất lợi Cần thiết kế sao cho khi làm việc neo chỉ chịu lực ngang T0 (T0710 trọng lượng neo) Nếu neo chịu lực dọc thì phải dùng neo cọc

3 Tải trọng môi trường biển tác động lên công trình biển bán chìm

3.1- Xác định các điều kiện của môi trường biển khi thiết kế

Môi trường biển gây ra hai loại tải trọng tác dụng lên công trình biển :

- Tải trọng thường xuyên (tác dụng tựa tĩnh): lực gió, lực dòng chảy, một phần tải trọng sóng, lực giữ của các dây neo

- Tải trọng thay đổi: tải trọng do sóng thay đổi theo chu kỳ sóng (tác dụng động lực học)

Để tính toán tải trọng môi trường tác dụng lên công trình nổi cần phải:

1) biết sự phân bố các yếu tố môi trường biển (gió, sóng, dòng chảy) theo thời gian và tần suất xuất hiện của các yếu tố đó trong khoảng thời gian đời sống công trình

2) thực hiện các đo đạc tại vị trí sẽ xây dựng công trình hoặc có được một mô hình nghiên cứu môi trường đúng đắn

Khi tính toán hệ thống neo có 3 điều kiện tác dụng của ngoại lực môi trường biển lên công trình nổi được xem xét :

+ Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường;

+ Điều kiện cực trị (ngoại lệ): điều kiện nguy hiểm nhất xảy ra trong đời sống của công trình nổi (công trình nổi không rời vị trí, mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt);

+ Điều kiện sống còn của công trình nổi sau khi có 01 dây neo bị đứt (công trình vẫn phải tồn tại) Khi đó:

- Mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt

- Tháo ống chống đối với dàn khoan thăm dò và dàn khoan khai thác

a) Điều kiện để công trình biển hoạt động bình thường

Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường là điều kiện xảy ra nhiều nhất về mặt thống kê Trong điều kiện bình thường, tất cả các hoạt động sản xuất diễn ra một cách an toàn tại mỏ

Giá trị thông số của môi trường là hàm mật độ xác suất của một thông số nào đó (ví dụ, gió hoặc sóng)

Hàm phân phối xác suất của một sự kiện xảy ra trong khoảng (x1, x2) được xác định theo công thức sau:

trong đó: f(x)  mật độ xác suất; (x1, x2)  khoảng xét của thông số x đang xét

S  hàm phân phối xác suất

Điều kiện môi trường bình thường được coi là điều kiện với xác suất xảy ra là 95% hoặc 99% (hình 2.6-a)

b) Điều kiện cực trị

Điều kiện cực trị có xác suất xảy ra, ví dụ 5% (hay 1%) trong giai đoạn đang xét Do vậy, cần phải xác lập luật phân phối xác suất các giá trị cực đại của thông số đang xét (sóng, gió,…) trong đời sống công trình Giá trị cực đại này sẽ được sử dụng làm giá trị tính toán của thiết kế (hình 2.17-b)

f(x)

Hình 2.17-a Điều kiện bình thường Hình 2.17-b Điều kiện cực trị

Trên hình 2.17-c là luật phân phối xác suất của các giá trị cực trị trong đời sống thiết kế của công trình

1

2 3

Hình 2.17-c

Trên hình 2.17-c : 1) là luật phân phối xác suất của thông số đang xét (sóng, gió hoặc dòng chảy) ; 2) là luật phân phối xác suất của giá trị cực đại của thông số đang xét xảy ra trong đời sống công trình ; 3) là giá trị cực đại xảy ra với xác suất lớn nhất

Trong điều kiện cực trị :

Đối với neo “thường xuyên” (neo giữ dàn bán chìm khai thác, kho chứa nổi, ): mọi

hoạt động công nghệ tạm dừng, cần hạn chế sự trôi dạt của công trình

Đối với neo “tạm thời”: cần phải xác định 2 giá trị liên quan đến điều kiện khai thác

- đến ngưỡng xác suất 5%: công trình nổi hoạt động bình thường, ví dụ, sà lan công tác vẫn ở tại vị trí làm việc; không tháo ống chống của dàn khoan nổi… Cần hạn chế sự trôi dạt của các công trình

- đến ngưỡng xác suất 1%: công trình nổi ở trong điều kiện sống còn, tháo ống