đồ án tôt nghiệp thiết kế công trình biển bằng bê tông cốt thép

Trong khi lượng dầu mỏ trên đất liền đang dần cạn kiệt thì đại dương có diện tích chiếm tới 70% diện tích toàn cầu, có chứa những mỏ dầu lớn, do đó các công trình khai thác dầu khí biển

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined LỜI CẢM ƠN Error! Bookmark not defined

MỤC LỤC 1

CÁC KHÁI NIỆM, KÝ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ ÁN 7

CHƯƠNG I 8

KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CÔNG TRÌNH BIỂN 8

I.1 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CÔNG TRÌNH BIỂN TRÊN THẾ GIỚI 8

I.1.1 Công trình biển bằng thép 8

I.1.2 Công trình biển bê tông cốt thép 9

I.1.3 Công trình biển nổi 10

I.1.4 Công trình biển mềm 10

I.1.5 Dàn khoan tự nâng (Jackup) 10

I.1.6 Đường ống ngầm 10

I.2 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CÔNG TRÌNH BIỂN VIỆT NAM 11

I.2.1 Hoạt động thăm dò và khai thác dầu khí tại Việt Nam 11

I.2.2 Công nghệ thu gom và khai thác dầu khí tại mỏ Bạch Hổ 11

I.2.2.1 Tổng quan về mỏ Bạch Hổ 11

I.2.2.2 Các công trình của VSP 11

CHƯƠNG II 15

SỐ LIỆU PHỤC VỤ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 15

II.1 VỊ TRÍ XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH BK-10 15

II.1.1 Vị trí xây dựng 15

II.1.2 Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình 15

II.2 ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG TẠI KHU VỰC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 15

II.2.1 Gió 16

II.2.2 Sóng 17

II.2.3 Dòng chảy 18

II.2.4 Thủy triều 19

II.2.5 Sinh vật biển 19

II.3 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT KHU VỰC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 20

II.3.1 Đặc điểm chung khu vực mỏ Bạch Hổ 20

II.3.2 Số liệu địa chất dùng cho thiết kế dàn BK10 (Hố khoan 745) 20

II.4 VẬT LIỆU SỬ DỤNG 21

II.5 PHƯƠNG TIỆN VÀ ĐIỀU KIỆN THI CÔNG 23

II.5.1 Điều kiện thời tiết 23

II.5.2 Điều kiện về trang thiết bị, công nghệ phục vụ thi công 23

CHƯƠNG III 26

MÔ TẢ CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH VÀ CÁC TIÊU CHUẨN QUY PHẠM ĐƯỢC ÁP DỤNG TRONG THIẾT KẾ 26

III.1 MÔ TẢ CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH 26

III.1.1 Chức năng công trình 26

III.1.2 Mô tả công trình 26

III.1.2.1 Kết cấu chân đế 26

III.1.2.2 Móng cọc 26

III.1.2.3 Sàn chịu lực 27

III.1.2.4 Cấu trúc thượng tầng 27

III.1.2.5 Sơ đồ tổng thể 28

III.2 CÁC TIÊU CHUẨN QUY PHẠM ÁP DỤNG TRONG THIẾT KẾ 28

III.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế API RP 2A – WSD 28

III.2.2 Quy phạm DnV 29

III.2.3 Tiêu chuẩn hàn AWS (American welding society) 29

CHƯƠNG IV 30

XÂY DỰNG - PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU 30

IV.1 CƠ SỞ XÂY DỰNG CÁC PHƯƠNG ÁN 30

IV.1.1 Đặt vấn đề 30

IV.1.2 Bài toán thiết kế phương án 30

IV.1.2.1 Các vấn đề tối ưu trong thiết kế công trình 30

IV.1.2.2 Những phương pháp thiết kế hiện đang được áp dụng thực tế 31

IV.1.3 Cơ sở xây dựng các phương án 32

IV.1.3.1 Theo nhiệm vụ của đồ án thiết kế 32

IV.1.3.2 Phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật công nghệ 32

IV.1.3.3 Phù hợp với khả năng tính toán kiểm tra của chương trình 32

IV.1.3.4 Phù hợp với khả năng thi công của VSP 32

IV.1.3.5 Phù hợp với khả năng kinh tế 32

IV.2 CÁC LỰA CHỌN BAN ĐẦU 32

IV.2.1 Lựa chọn hướng đặt công trình 32

IV.2.2 Xác định chiều cao chân đế 33

IV.2.3 Chiều cao của mặt ngang đầu tiên ( D 1 ) 34

IV.2.4 Cao độ đỉnh khối chân đế 34

IV.2.5 Cao độ cắt cọc 34

IV.2.6 Hình dạng KCĐ và kích thước các cấu kiện 35

IV.3 CÁC YẾU TỐ QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 35

IV.3.1 Kích thước đỉnh của khối chân đế 36

IV.3.2 Độ nghiêng của các ống chính 36

IV.3.3 Lựa chọn số lượng và vị trí mặt ngang 37

IV.3.4 Hệ thống thanh giằng xiên 38

IV.3.5 Đề xuất phương án thiết kế 40

IV.3.5.1 Phương án 1 40

IV.3.5.2 Phương án 2 41

IV.4 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG 42

IV.4.1 Phân tích hai phương án trên 42

IV.4.2 So sánh và lựa chọn phương án 42

IV.4.2.1 Khả năng chịu lực của kết cấu (Tính kỹ thuật ): 42

IV.4.2.2 Tính kinh tế của hai phương án 43

IV.4.2.3 Khả năng thi công 43

CHƯƠNG V 46

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG 46

V.1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 46

V.1.1 Phương pháp luận trong thiết kế công trình biển 46

V.1.2 Xác định các hệ số C D , C m 46

V.1.3 Mô hình làm việc giữa cọc và ống chính 47

V.1.4 Liên kết giữa các cấu kiện ống 47

V.1.4.1 Các thông số hình học của nút đơn giản 47

V.1.4.2 Phân loại nút đơn giản và phức tạp trong kết cấu 48

V.1.5 Phương pháp phần tử hữu hạn và chương trình SESAM 50

V.1.5.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 50

V.1.5.2 Giới thiệu về bộ chương trình SESAM 51

V.1.5.3 Mô hình hoá kết cấu dàn BK10 bằng chương trình DnV - SESAM 55

V.1.5.3.1 Mô hình hoá kết cấu bằng các siêu phần tử 55

V.1.5.3.2 Mô hình hoá KCĐ 55

V.2 XÁC ĐỊNH TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN 56

V.2.1 Tải trọng thường xuyên 56

V.2.1.1 Tải trọng bản thân 56

V.2.2 Hoạt tải 58

V.2.3 Tải trọng môi trường 59

V.2.3.1 Tải trọng gió 59

V.2.3.2 Tải trọng sóng và dòng chảy 63

V.2.3.2.1 Mô hình tính tải trọng sóng và dòng chảy theo công thức Morison 63

V.2.3.2.3 Xác định vận tốc dòng chảy 68

V.2.3.2.4 Tải trọng sóng và dòng chảy theo các hướng tính toán 69

V.2.4 Tải trọng hà bám 69

V.3 CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG 70

V.3.1 Các trường hợp tải trọng 70

V.3.2 Tổ hợp tải trọng cho Siêu phần tử số 31 71

V.3.3 Kết quả tính toán tải trọng môi trường cho Siêu phần tử số 31 72

CHƯƠNG VI 73

TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH KẾT CẤU THEO CÁC TỔ HỢP TẢI TRỌNG 73

VI.1 TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH TĨNH KẾT CẤU 73

VI.2 TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH 74

VI.2.1 Phương trình cơ bản của bài toán động lực học 74

VI.2.2 Giải phương trình động lực học tổng quát 75

VI.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN DAO ĐỘNG RIÊNG 76

CHƯƠNG VII 77

TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU THEO CÁC TỔ HỢP TẢI TRỌNG 77

VII.1 TÍNH TOÁN KIỂM TRA KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CÁC PHẦN TỬ 77

VII.1.1 Những phần tử chịu kéo dọc trục 77

VII.1.2 Những phần tử chịu nén dọc trục 77

VII.1.2.1 Ổn định tổng thể 77

VII.1.2.2 Ổn định cục bộ 78

VII.1.3 Phần tử chịu uốn 78

VII.1.4 Phần tử chiu cắt 79

VII.1.4.1 Phần tử chịu cắt dầm 79

VII.1.4.2 Phần tử chịu cắt do xoắn 79

VII.1.5 Phần tử chịu áp lực thuỷ tĩnh 79

VII.1.5.1 Áp suất thuỷ tĩnh thiết kế: 80

VII.1.5.2 Ứng suất vòng gây mất ổn định trong miền đàn hồi 80

VII.1.5.3 Ứng suất vòng tới hạn gây mất ổn định 81

VII.1.6 Tổ hợp ứng suất cho các phần tử ống 81

VII.1.6.1 Phần tử chịu nén uốn đồng thời 81

VII.1.6.2 Phần tử chịu kéo uốn đồng thời 82

VII.1.6.3 Phần tử chịu kéo dọc trục và áp lực thuỷ tĩnh đồng thời 82

VII.1.6.4 Phần tử chịu nén dọc trục và áp lực thuỷ tĩnh đồng thời 83

VII.2 KIỂM TRA ĐIỀU KIỆN LIÊN KẾT TẠI NÚT 83

VII.2.1 Điều kiện liên kết tại đầu các thanh chịu kéo và nén 83

VII.2.2 Đối với nút đơn giản 84

VII.2.2.1 Kiểm tra chọc thủng nút 84

VII.2.2.2 Tải trọng danh nghĩa cho phép trong ống nhánh 86

VII.2.3 Đối với nút phức tạp 87

VII.2.4 Kết quả kiểm tra 88

VII.2.4.1 Kết quả kiểm tra bền 88

VII.2.4.2 Kết quả kiểm tra ổn định 88

VII.2.4.3 Kết quả kiểm tra chọc thủng nút 88

VII.2.4.4 Kết quả kiểm tra chịu lực dọc trục và áp lực thuỷ tĩnh đồng thời 88

CHƯƠNG VIII 91

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ NỀN MÓNG 91

VIII.1 TÍNH TOÁN MÓNG CỌC 91

VIII.1.1 Các mô hình tính toán được sử dụng để tính toán kết cấu chân đế 91

VIII.1.1.1 Mô hình ngàm giả định 91

VIII.1.1.2 Mô hình cọc tương đương 91

VIII.1.1.3 Mô hình làm việc đồng thời 92

VIII.1.2 Xác định sức chịu tải của cọc theo tiêu chuẩn API 92

VIII.1.2.1 Đặt vấn đề 92

VIII.1.2.2 Bài toán cọc chịu kéo nén dọc trục 93

VIII.1.2.3 Bài toán cọc chịu tải trọng ngang 95

VIII.2 TÍNH TOÁN CỌC VÀ ĐẤT NỀN LÀM VIỆC ĐỒNG THỜI 96

VIII.2.1 Xác định độ cứng của các lò xo của phần tử trên thân cọc 98

VIII.2.2 Xây dựng các đường cong quan hệ giữa nội lực và biến dạng 99

VIII.2.2.1 Đường cong quan hệ t - z 99

VIII.2.2.2 Đường cong quan hệ P - y 100

VIII.2.2.3 Đường cong quan hệ Q - Z 101

VIII.3.1 Tính toán khả năng chịu tải và hệ số an toàn của cọc 102

VIII.3.2 Tính toán kiểm tra bền cọc 103

CHƯƠNG IX 104

THIẾT KẾ CHI TIẾT 104

IX.1 Đặt vấn đề 104

IX.2 Thiết kế chi tiết nút 104

IX.3 Thiết kế liên kết giữa cọc-ống chính, côn chuyển tiếp 104

IX.4 Thiết kế đường bơm trám xi măng 104

IX.5 Thiết kế Paker 105

IX.6 Thiết kế giá cập tầu 105

IX.7 Thiết kế sàn chống lún 105

IX.8 Thiết kế chi tiết cọc 106

CHƯƠNG X 107

THIẾT KẾ CHỐNG ĂN MÒN 107

X.1 ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ ĐẶC ĐIỂM CÔNG TRÌNH 107

X.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHỐNG ĂN MÒN 108

X.2.1 Biện pháp sơn phủ 108

X.2.2 Thiết kế chống ăn mòn bằng Protector 110

CHƯƠNG XI 113

QUY TRÌNH THI CÔNG KHỐI CHÂN ĐẾ 113

XI.1 QUY TRÌNH THI CÔNG KHỐI CHÂN ĐẾ TRÊN BÃI LẮP RÁP 113

XI.1.1 Phương án thi công 113

XI.1.2 Công tác chuẩn bị 113

XI.1.2.1 Chuẩn bị bãi lắp ráp 113

XI.1.2.2 Chuẩn bị các thiết bị phục vụ thi công 114

XI.1.2.3 Chuẩn bị vật tư 114

XI.1.2.4 Chuẩn bị nhân lực 115

XI.1.3 Quy trình thi công khối chân đế trên bãi lắp ráp 115

XI.1.3 Các bài toán cơ bản khi thi công trên bãi lắp ráp 120

XI.1.3.1 Bài toán xác định vị trí móc cẩu 121

XI.1.3.2 Bài toán chọn cáp và cẩu cho quá trình quay lật Panel 122

XI.2 QUY TRÌNH THI CÔNG KHỐI CHÂN ĐẾ NGOÀI BIỂN 124

XI.2.1 Công tác chuẩn bị 124

XI.2.2 Quy trình hạ thuỷ khối chân đế 125

XI.2.2.1 Công tác chuẩn bị 125

XI.2.2.2 Thi công hạ thuỷ 125

XI.2.3 Vận chuyển khối chân đế ra vị trí xây dựng 126

XI.2.4 Đánh chìm khối chân đế tại vị trí xây dựng 127

XI.2.4.1 Công tác chuẩn bị 127

XI.2.4.2 Các giai đoạn đánh chìm 127

XI.2.5 Thi công đóng cọc, bơm trám xi măng, cẩu lắp thượng tầng và hoàn thiện KCĐ 130

XI.2.5.1 Thi công đóng cọc 130

XI.2.5.2 Bơm trám xi măng 131

XI.2.5.3 Cẩu lắp modul thượng tầng 131

XI.2.5.4 Lắp giá cập tàu 132

XI.2.5.5 Công tác hoàn thiện, vận hành chạy thử và bàn giao công trình 132

XI.3 TIẾN ĐỘ THI CÔNG 132

XI.3.1 Vật tư sử dụng trong chế tạo láp ráp KCĐ 133

XI.3.1.1 Khối lượng vật liệu thép ống cần thiết 133

XI.3.1.2 Các phương tiện phục vụ thi công 134

XI.3.2 Tổ chức xây dựng, tiến độ thi công 134

XI.3.2.1 Tổ chức nhân lực thi công trên bờ 134

XI.3.2.2 Tổ chức nhân lực thi công trên biển 136

CHƯƠNG XII 138

QUY TRÌNH ĐẢM BẢO AN TOÀN TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG 138

XII.1 AN TOÀN LAO ĐỘNG 138

XII.2 BIỆN PHÁP THỰC HIỆN 138

XII.3 TRÁCH NHIỆM CÁC BÊN LIÊN QUAN 139

XII.3.1 Trách nhiệm của xí nghiệp Liên doanh: 139

XII.3.2 Trách nhiệm của người phụ trách công trình 140

XII.3.3 Trách nhiệm của người lao động 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

DANH MỤC CÁC BẢN VẼ 143

CÁC KHÁI NIỆM, KÝ HIỆU DÙNG TRONG ĐỒ ÁN

MSF - Module Support Frame

MSL - Mean Sea Level

MSP - МОРСКАЯ СТАЦИОНАРНАЯ ПЛАТФОРМА

BK - БЛОК КОНДУКТОР

CTP - Central Technology Plaform

VSP - Xí nghiệp liên doanh dầu khí VietSovPetro

CPP - Central Processing Plaform

WIP - Water Injection Platform

SE - Hướng Đông Nam

SW - Hướng Tây Nam

NW - Hướng Tây Bắc

W.P - Điểm chuyển tiếp giữa cọc và module chịu lực (Working Point) API - American Petrolium Institute

AISC - American Institute of Steel Construction

ANSI - American National Standards Institute

AWS - American Welding Society

DnV - Det Norske Veritas

CHƯƠNG I KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CÔNG TRÌNH BIỂN I.1 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CÔNG TRÌNH BIỂN TRÊN THẾ GIỚI

- Cùng với sự phát triển ngày càng tăng của nhiều ngành công nghiệp, ngành dầu khí phát triển để đáp ứng nhu cầu về nhiên liệu của nhiều ngành công nghiệp khác Trong khi lượng dầu mỏ trên đất liền đang dần cạn kiệt thì đại dương có diện tích chiếm tới 70% diện tích toàn cầu, có chứa những mỏ dầu lớn, do đó các công trình khai thác dầu khí biển lần lượt được nghiên cứu và xây dựng ở rất nhiều nơi trên thế giới

- Công trình biển phục vụ cho khai thác dầu khí đầu tiên trên thế giới được xây dựng vào năm 1940 tại vùng vịnh Mexico đạt độ sâu nước 36m Hai mươi năm sau

đã xuất hiện những công trình biển ở độ sâu 50m sử dụng dạng kết cấu khung thép

Từ đó đến nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và các phương pháp tính toán, thì các công trình biển đã được xây dựng tại những độ sâu nước lớn hơn và đa dạng hơn cả về mặt kết cấu, vật liệu

I.1.1 Công trình biển bằng thép

- +) Đây là loại công trình biển được xây dựng phổ biến nhất thế giới hiện nay Loại công trình này thường được sử dụng cho khoan thăm dò, khai thác và xử lý dầu khí trên biển

- +) Công trình được xây dựng bằng thép ống đặc biệt, kết cấu dạng khung và được

cố định bằng hệ thống cọc

- +) Công nghệ xây dựng các loại kết cấu dạng này đã được phát triển trong một quá trình lâu dài hiện đã xây dựng được những công trình có độ sâu nước trên 400m Hiện nay trên thế giới có gần 6000 công trình biển cố định bằng thép trong đó 80% được xây dựng tại vịnh Mexico và vùng Biển Bắc nơi có điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất

- +) Dàn khoan biển bằng thép có độ sâu lớn nhất là dàn Bullwinkle được xây dựng tại vịnh Mexico với độ sâu nước 492m nặng 56.000 tấn

- Ưu điểm:

- Công trình có độ bền cơ học cao, giảm được tác dụng của môi trường

- Yêu cầu chế tạo cao khe nên chất lượng sản phẩm tốt, độ tin cậy cao

- Chế tạo và thi công tương đối thuận tiện so với công trình biển bê tông cốt thép

- Công trình biển bằng thép thường thích hợp cho vùng có độ sâu nước nhỏ hơn 200m

- Nhược điểm:

- Không tận dụng được nguồn vật liệu địa phương

- Việc thi công trải qua hai giai đoạn nên thời gian kéo dài, giá thành cao, độ rủi ro tăng

- Khi hạ thuỷ và đánh chìm đòi hỏi độ chính xác cao, cần có các thiết bị chuyên dụng

- Trong quá trình sử dụng thép bị ăn mòn, chi phí cho công tác bảo dưỡng và chống

ăn mòn cao

I.1.2 Công trình biển bê tông cốt thép

- Công trình biển dạng kết cấu bê tông cốt thép đầu tiên trên thế giới được thiết kế bởi công ty Doris, xây dựng năm 1973 tại mỏ Ekofish (Biển Bắc) Cho đến nay trên thế giới đã có khoảng 30 dàn trọng lực bê tông, phần lớn được xây dựng tại Biển Bắc

- Giới thiệu một số công trình biển trọng lực tiêu biểu:

- + Sleipner A condeep: Công trình xây dựng tại Nauy với độ sâu nước là 83m khởi công đầu năm 1991 và đưa vào sử dụng tháng 7 năm 1993

- + Draugen Condeep: Công trình này do liên doanh Nauy và Mỹ hợp tác, đó là công trình bê tông 1 trụ đầu tiên trên thế giới với độ sâu nước là 252m khởi công tháng 7 năm 1990 và đưa vào sử dụng tháng 5 năm 1993

- + Troll Condeep: Công trình biển trọng lực có độ sâu nước lớn nhất thế giới với

độ sâu nước là 303m, tổng chiều cao công trình là 370m khởi công 7-1990 và đưa vào sử dụng 5-1995 Ngoài ra còn một số dàn được xây ở các độ sâu nước từ

80150m hầu hết được xây dựng tại Nauy, Hà Lan, Thuỵ Điển

- Ưu điểm:

- Sử dụng được nhân lực và vật liệu địa phương

- Nếu có nhu cầu về bể chứa thì giải pháp bê tông rẻ hơn so với kết cấu jacket

vì có thể tận dụng khoang rỗng của đế móng làm bể chứa

- Khả năng chống ăn mòn trong môi trường biển khá cao, cao hơn công trình

biển bằng thép nên chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp

- Nhược điểm:

- Yêu cầu về công nghệ chế tạo và thi công cao, cần có những thiết bị thi công

chuyên dụng như ụ khô hay đốc nổi lên chi phí xây dựng ban đầu cho công trình lớn chỉ phù hợp khi có chiến lựơc phát triển lâu dài

- Yêu cầu phải có những vùng biển đủ sâu ở gần bờ để phục vụ thi công lai dắt

I.1.3 Công trình biển nổi

- Là loại công trình được phát triển trong nhưng năm gần đây nhằm mục đích khai thác những mỏ nhỏ, độ sâu nước lớn, không kinh tế nếu xây dựng những công trình biển cố định Loại công trình này có thể vừa khoan thăm dò, khoan khai thác và có thể sử dụng ở các độ sâu nước khác nhau

- Một số loại kết cấu nổi điển hình được sử dụng làm các phương tiện khoan thăm

dò, khai thác và người ở hiện nay:

- Công trình khai thác/bể chứa nổi và hệ thống một điểm neo

- Công trình bán chìm

- Công trình nổi neo đứng

- Hệ thống nổi NOMAD

I.1.4 Công trình biển mềm

- Là loại công trình cho phép kết cấu chuyển động để giảm tác dụng của tải trọng sóng và dòng chảy

- Một số loại công trình điển hình như sau:

- Trụ một khớp

- Trụ có dây neo

- Trụ mềm

- Công trình biển mềm phát huy được hiệu quả tốt tại những vùng nước sâu

I.1.5 Dàn khoan tự nâng (Jackup)

Là loại công trình có khả năng tự di chuyển được, có thể dùng để khoan thăm dò các mỏ mới, đồng thời cũng có thể dùng để khoan khai thác cho những công trình không

có thiết bị khoan như BK

I.1.6 Đường ống ngầm

Đây là phương tiện được sử dụng để vận chuyển dầu thô và các sản phẩm dầu khí

Độ sâu đặt ống có thể lên tới 500ft (Biển Bắc) Cùng với sự phát triển về độ sâu thì

đường kính ống cũng được tăng lên rất nhiều

- Kỹ thuật đường ống mềm đã ra đời khắc phục được những khó khăn trong nối ống

ở những vùng nước sâu, tại các điểm nối giữa ống đứng và ống ngang Ngày nay đường ống mềm đã được sử dụng phổ biến để vận chuyển nhiên liệu dầu, khí lỏng

có áp ở những vùng nước sâu Các tính chất đặc biệt của đường ống mềm là có khả năng thích hợp với các chuyển vị tương đối lớn mà không gây ra ứng suất cục bộ

I.2 KHÁI QUÁT VỀ NGÀNH CÔNG TRÌNH BIỂN VIỆT NAM

I.2.1 Hoạt động thăm dò và khai thác dầu khí tại Việt Nam

- Hoạt động khai thác dầu khí ở nước ta chủ yếu do tổng công ty dầu khí Việt Nam thực hiện Tổng công ty dầu khí Việt Nam được thành lập từ năm 1975 để triển khai mọi hoạt động về thương mại dầu khí trên lãnh thổ Việt Nam Việc thăm dò địa vật

lý bắt đầu được tiến hành từ năm 1974 cho tới nay đã thực hiện được hàng trăm giếng khoan thăm dò Dẫn đầu trong hoạt động của Petrovietnam là XNLD Vietsovpetro

- Năm 1999 xí nghiệp liên doanh dầu khí VIETSOVPETRO đã khai thác được 8,2 triệu tấn dầu thô Trong những năm tiếp theo nhu cầu khai thác sản phẩm dầu khí ngày một tăng cao, do vậy xu hướng mở rộng mỏ và mở rộng quy mô thăm dò ra các vùng biển sâu là một xu hướng tất yếu Trong khi nhu cầu dầu khí tăng nhanh đặc biệt là khí để phục vụ cho hoạt động của các nhà máy như điện, đạm tại Phú Mỹ

Bà Ria-Vũng Tàu, các khu công nghiệp mới và nhu cầu sinh hoạt của nhân dân Tổng công ty dầu khí Việt Nam đã xây dựng một hệ thống đường ống để vận chuyển khí từ Bạch Hổ vào Dinh Cố Sau đó xây dựng hệ thống đường ống dẫn khí

từ mỏ Nam Côn Sơn vào bờ Hiện nay đang tiếp tục thi công cụm công nghiệp Điện-Đạm Cà Mau có quy mô rất lớn

Khí Trong những năm gần đây VSP có sản lượng khai thác khoảng 33 ngàn tấn dầu/ngày đêm và đã khai thác được trên 150 triệu tấn dầu thô, đưa trên gần 1,9 tỷ m3

khí vào bờ trong năm 2004, tính đến nay VSP đã đưa được 13,2 tỷ m3 khí vào bờ, gom từ các mỏ Bạch Hổ, Rạng Đông, trong vòng 5 năm qua VSP đã thu về ngân sách khoảng 1,6 1,9 tỷ USD/năm cho chính phủ Việt Nam, chiếm từ 1619% tổng thu ngân sách của nhà nước Để đạt được điều đó VSP đã cho tiến hành xây dựng rất nhiều công trình phục vụ cho công tác khoan thăm dò và khai thác dầu khí

I.2.2 Công nghệ thu gom và khai thác dầu khí tại mỏ Bạch Hổ

I.2.2.1 Tổng quan về mỏ Bạch Hổ

- Mỏ Bạch Hổ là mỏ lớn nhất của Việt Nam, nằm ở phía nam thềm lục địa Việt Nam, cách thành phố Vũng Tàu khoảng 120 Km về phía đông nam do Xí nghiệp liên doanh VietsovPetro khai thác Tháng 6 năm 1986 dòng dầu khí đầu tiên đã được khai thác tại mỏ Bạch Hổ, sau gần 20 năm khai thác trữ lượng của mỏ đã giảm

đi nhiều và hiện nay đã chuyển sang giai đoạn khai thác thứ cấp

I.2.2.2 Các công trình của VSP

- Để phục vụ cho công tác thăm dò và khai thác dầu khí tại mỏ Bạch Hổ, Xí nghiệp liên doanh dầu khí VietsovPetro đã xây dựng ở đây một hệ thống các công trình bao

gồm: Dàn công nghệ trung tâm CTP, dàn khoan cố định MSP, dàn nhẹ BK, trạm rót dầu không bến UBN và các tuyến đường ống nội mỏ

- Các công trình hiện có tại VSP:

- 10 Dàn MSP

- 2 Tổ hợp công nghệ trung tâm

- 2 Dàn giữ áp suất vỉa

- Xử lý nước thải theo tiêu chuẩn quốc tế và thải chúng xuống biển

- Xử lý sơ bộ khí đồng hành và đưa chúng vào các trạm nén khí

I.2.2.2.2 Dàn khoan cố định MSP

- Dàn MSP có thể khoan khai thác, xử lý các sản phẩm dầu và khí đồng hành Mức

độ xử lý tuỳ thuộc vào hệ thống thiết bị công nghệ bố trí trên từng dàn

- Về mặt cấu tạo dàn khoan gồm có phần móng, KCĐ và phần kết cấu thượng tầng (MSF) Khối lượng thượng tầng nặng hơn 4000 tấn được đỡ bởi hai KCĐ mỗi khối nặng hơn 1200 tấn Trên thượng tầng của dàn MSP có tổ hợp khoan khai thác, năng lượng và nhà ở

I.2.2.2.3 Dàn nhẹ BK

chuyển đến dàn công nghệ trung tâm, bằng hệ thống đường ống ngầm Dàn BK có quy mô nhỏ nên vốn đầu tư ít và thời gian xây dựng nhanh, khối lượng thượng tầng nhỏ và đơn giản nên có thể sản xuất được trong nước Thượng tầng của dàn BK thường có: sân bay trực thăng, các thiết bị công nghệ, máy phát điện

I.2.2.2.4 Dàn bơm nước ép vỉa

- Dàn bơm nước ép vỉa có nhiệm vụ là duy trì áp suất mỏ và tăng hiệu quả thu gom dầu khí bằng phương pháp bơm nước Dàn bơm nước ép vỉa được xếp vào loại dàn nặng có một chân đế và 4 modul trên thượng tầng Nước biển được xử lý qua hệ thống lọc vật lý và hoá chất sau đó được bơm với áp lực cao tới các dàn thông qua

hệ thống đường ống ngầm

I.2.2.2.5 Dàn nén khí trung tâm CCP

- Dàn nén khí có nhiệm vụ tiếp nhận khí đồng hành (khí thấp áp) được chuyển đến

từ các dàn cố định và dàn BK Sau đó khí sẽ được nén tới áp suất cao phục vụ cho công tác khai thác (khí gaslift, khí động cơ) và đưa vào bờ

- Sơ đồ công nghệ của dàn nén khí trung tâm:

- Đo lượng khí trước khi nén

- Nén khí giữa hai cấp với việc làm nguội và xử lý khí giữa hai cấp

- Sấy khô khí

- Đo riêng lượng khí đưa vào bờ và lượng khí dẫn tới hệ thống Gaslift

I.2.2.2.6 Dàn khoan tự nâng

- Dàn tự nâng (Jack-up) mang tên Tam Đảo và Cửu Long được mua của Singapore Hai dàn này đều là dạng dàn 3 chân, có nhiệm vụ khoan thăm dò và khoan khai thác tại các dàn BK

II.2.2.2.7 Trạm rót dầu không bến UBN

- Sơ đồ công nghệ của trạm rót dầu không bến gồm có: Hệ thống van áp lực, hệ thống tín hiệu báo sự cố và phòng chống cháy đảm bảo vận hành hữu hiệu hệ thống tiếp nhận dầu

- Các trạm rót dầu không bến của VSP gồm có:

- Trạm rót dầu không bến Ba Vì (UBN1) có khả năng tiếp nhận 10000 tấn/ ngày đêm

- Trạm rót dầu không bến Chí Linh (UBN2) với công suất tiếp nhận 15000 tấn/ngày đêm

- Trạm rót dầu không bến Chi Lăng sử dụng cho mỏ Rồng với công suất suất tiếp nhận 15000 tấn/ngày đêm

- Trạm rót dầu Vietsovpetro1 (UBN4) vừa mới được xây dựng tại mỏ Bạch Hổ có khả năng tiếp nhận 30000 tấn dầu/ ngày đêm

I.2.2.2.8 Hệ thống đường ống ngầm

- Hệ thống đường ống ngầm: Mỏ Bạch Hổ có hệ thống đường ống ngầm đa dạng phục vụ cho công tác vận chuyển dầu thô, khí đồng hành vào bờ và hệ thống ống dẫn nước ép vỉa

- Hiện VSP đã xây dựng được 260Km đường ống ngầm gồm có:

-

II.1.2 Độ sâu nước tại vị trí xây dựng công trình

- Công trình được thiết kế xây dựng tại vị trí có độ sâu nước 50 m

II.2 ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG TẠI KHU VỰC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

- Điều kiện môi trường được lấy từ báo cáo: “Bach Ho - Rong Field’s Environmental Extreme Conditions” - là kết quả nghiên cứu đo đạc của trung tâm khí tượng hải văn biển cho khu vực vùng mỏ Rồng và Bạch Hổ

II.2.1 Gió

- Khu vực xây dựng công trình là khu vực chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa Gió mùa Đông Bắc (vào mùa đông), gió mùa Tây Nam (mùa hè) Gió mùa Đông Bắc kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 hàng năm, trong khoảng thời gian này gió thổi

ổn định, có tốc độ mạnh và thịnh hành trong suốt mùa Gió mùa chuyển tiếp ( kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10 hàng năm), gió thổi không ổn định theo các hướng Tốc

độ gió được đo ở độ cao tiêu chuẩn 10m so với mực nước trung bình (MSL) với các tần suất xẩy ra lần lượt là: 100, 50, 25, 10, 5, 1 năm Với các thông số đo như sau:

- Tốc độ gió được đo ở 8 hướng:

Hướng Bắc (N)

Hướng Đông Bắc (NE)

Hướng Đông (E)

Hướng Đông Nam (SE)

- Tốc độ gió trung bình được đo ở các mốc thời gian trong: 3 giây, 1 phút và 2 phút

Bảng 2.1: Tốc độ gió trung bình trong khoảng thời gian 2 phút (m/s)

rõ rệt Trong thời kì có gió mùa Đông Bắc (từ tháng 11 đến tháng 3) sóng theo hướng Đông Bắc, độ cao cực đại của sóng đáng kể hướng Đông Bắc có thể đạt 6.5

m và có thể lớn hơn Trong thời kì gió mùa Tây Nam, sóng theo hướng Tây Nam có

độ cao cực đại sóng đáng kể chỉ trong tháng 8, có thể vượt qua 6.0 m Chế độ sóng được mô tả bởi hai thông số chính là chiều cao sóng và chu kỳ sóng với các thông

số sau:

- Các thông số sóng được đo ở 8 hướng: N, NE, E, SE, S, SW, W, NW

- Các thông số sóng ở các hướng khác được tính bằng cách nội suy tuyến tính từ các hướng lân cận

- Các thông số sóng được thống kê với các tần suất xuất hiện là: 100, 50, 25, 5, 1 năm

Bảng 2.4: Các thông số sóng theo các tần suất khác nhau

- +) Vận tốc dòng chảy mặt được đo cách mực nước trung bình là 5m

- +) Vận tốc dòng chảy đáy được đo cách đáy là 5m

- Các vận tốc dòng chảy trung gian được tính bằng cách nội suy tuyến tính dòng chảy mặt và dòng chảy đáy

- Vận tốc dòng chảy được thống kê với các tần suất xuất hiện là 100, 1 năm

Thông số Hướng sóng

Góc lệch so

II.2.3.2 Vận tốc dòng chảy đáy

Bảng 2.7: Vận tốc dòng chảy đáy với tần suất 100 năm theo các hướng sóng

II.2.4 Thủy triều

- Trong khu vực mỏ Bạch Hổ, đặc trưng dao động mực nước là bán nhật triều không đều Mực nước trung bình tháng phân bố không đều trong năm, các tháng mùa đông mực nước dâng lên 23.4 (cm), còn trong mùa hè mực nước hạ xuống 14.5 (cm) so với mực nước trung bình hàng năm Biên độ dao động triều được tính toán lên xuống so với mực nước trung bình (MSL)

- Biên độ triều cao nhất so với MSL: + 1.03 m

- Biên độ triều thấp nhất so với MSL: - 1.62 m

- Nước dâng do gió bão so với MSL: + 0.87 m

- Biên độ triều xuống do gió so với MSL: - 0.68 m

II.2.5 Sinh vật biển

- Sự phát triển của sinh vật biển (hà) được lấy trung bình theo các báo cáo khảo sát cho vùng mỏ Bạch Hổ năm 1997, tại các cao độ sau:

Cao độ (m) Chiều dày

(mm)

Từ cao độ () 0.000 đến cao độ (-) 4.000 80

Từ cao độ (-) 4.000 đến cao độ (-) 8.000 87

Từ cao độ (-) 8.000 đến cao độ (-) 10.000 100

Từ cao độ (-) 10.000 đến đáy biển 70

II.3 ĐIỀU KIỆN ĐỊA CHẤT KHU VỰC XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

II.3.1 Đặc điểm chung khu vực mỏ Bạch Hổ

Trên cơ sở kết quả khảo sát địa chất phục vụ quá trình thiết kế và xây dựng các

công trình biển trên hai khu mỏ Bạch Hổ và Rồng Chúng ta có thể đưa ra một số nhận

định chung về điều kiện địa chất công trình trên khu mỏ như sau:

- Trên bề mặt đáy biển thường có một lớp trầm tích lắng đọng có thành phần hỗn

hợp, ở dạng bùn nhão kết hợp với sạn sỏi Chiều dày lớp này thường là 0.51.0 m, đặc

tính cơ lý không ổn định

- Nền đất trên toàn bộ khu mỏ là tương đối giống nhau, gồm khá nhiều lớp, chiều

dày các lớp đất không lớn (ít có lớp đất nào dày hơn 10m) Chiều dày trung bình của các

- Chưa thấy sự xuất hiện của các lớp sỏi và tầng đá trong khoảng độ sâu đến 100m

II.3.2 Số liệu địa chất dùng cho thiết kế dàn BK10 (Hố khoan 745)

Bảng 2.9: Số liệu địa chất dùng cho thiết kế dàn BK10

Góc nội

ma sát  (độ)

Ứng suất cắt không thoát nước

Góc nội

ma sát  (độ)

Ứng suất cắt không thoát nước

Bảng 2.10: Các loại vật liệu sử dụng trong thiết kế

Ký hiệu Loại vật liệu Mác vật liệu

Cường độ đàn hồi (F v ,Mpa) Cường độ chảy dẻo

Ký hiệu Loại vật liệu Mác vật liệu

Cường độ đàn hồi (F v ,Mpa) Cường độ chảy dẻo

Ký hiệu Loại vật liệu Mác vật liệu

Cường độ đàn hồi (F v ,Mpa) Cường độ chảy dẻo

(UTS, MPa) API

II.5 PHƯƠNG TIỆN VÀ ĐIỀU KIỆN THI CÔNG

II.5.1 Điều kiện thời tiết

- Công trình được thi công trong điều kiện thời tiết như sau :

- Chiều cao sóng không vượt quá 1.2m/s

- Tốc độ gió không quá 10m/s

II.5.2 Điều kiện về trang thiết bị, công nghệ phục vụ thi công

- Công trình được thi công tại cảng dịch vụ dầu khí của Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro, có các đặc điểm như sau :

- Bãi lắp ráp: VSP có bãi lắp ráp với diện tích 210000m2 bao gồm diện tích bãi

trống và khu vực nhà xưởng Diện tích đường đi và khu vực thao tác hoạt động là 18000m2 Bãi lắp ráp được xây dựng với thiết kế cường độ áp lực nền chịu được 6 KG/cm2

- Đường trượt : Trên bãi lắp ráp có bố trí hai hệ thống đường trượt

- +) Đường trượt số 0 dài 183m, gồm 3 ray trượt khoảng cách giữa các ray là 16 và 20m có áp lực chịu tải là 100T/m dài

- +) Đường trượt số 1 dài 216m, gồm 2 ray trượt khoảng cách giữa các ray là 16m

có áp lực chịu tải là 100T/m dài

- Đây là hai đường trượt chuyên dụng để trượt khối chân đế lên hai hệ ponton hoặc

- Trên đường trượt có bố trí các máng trượt để đỡ và trượt khối chân đế (KCĐ) ra

mép cảng khi thi công hạ thuỷ từ trên bãi lắp ráp xuống các phương tiện vận

chuyển

- Bến cảng:

- Ngoài ra trên bãi lắp ráp còn có hệ thống ống dẫn nước cứu hoả, nước sinh hoạt,

hệ thống đường dây điện và hệ thống đường giao thông

- Trên bãi lắp ráp còn có 10 trạm biến áp để cung cấp điện cho các thiết bị hàn ở 60

đơn vị hàn, công suất trung bình của trạm là gần 6854KVA Để phục vụ cho thi

công vào ban đêm trên bãi lắp ráp có 6 cột đèn pha cao 21m với 12 đèn loại

TBC-45, trên mỗi cột lắp 2 đèn pha, trong mỗi đèn pha có 3 bóng 1000W

- Nhu cầu về điện của bãi lắp ráp có thể được cung cấp 8,4MA Nhu cầu về nước

được cung cấp đầy đủ từ các nhà máy nước của thành phố

Bảng 2.11: Phương tiện thi công của VSP

1 Cẩu bánh xích DEMAG (sức nâng 140 ¸ 400T) 13

6

Búa đóng cọc chuyên dụng: 7

- Loại MRBS: 1800 4

- Loại MRBS: 3000 3

Stt Tên gọi Số Lượng

CHƯƠNG III

MÔ TẢ CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH VÀ CÁC TIÊU CHUẨN QUY PHẠM ĐƯỢC

ÁP DỤNG TRONG THIẾT KẾ III.1 MÔ TẢ CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH

III.1.1 Chức năng công trình

- Dàn BK10 được thiết kế cho mục đích khai thác dầu khí với sự trợ giúp của dàn khoan tự nâng

- Thu nhận và phân loại các sản phẩm dầu trong đo lường và vận chuyển

- Đo sản lượng dầu cung cấp của giếng khoan

- Tách sơ bộ sản phẩm khí và nước phun lên từ giếng khoan

- Tập trung và tận dụng các phế phẩm

- Tự động ngắt giếng trong điều kiện khẩn cấp (động đất, hoả hoạn, bão lớn )

- Kiểm tra việc sửa chữa ngầm chủ yếu với sự trợ giúp của dàn khoan tự nâng

- Dập giếng với phương tiện nổi qua các đường ống công nghệ

- Số lượng giếng khoan:12 giếng(09 giếng khai thác, 03 giếng bơm nước ép vỉa)

- Chế độ làm việc liên tục 24 giờ, không có chỗ ở thường xuyên cho người Theo định kỳ dàn sẽ được kiểm tra để duy tu và bảo quản

- Nước ngọt và dầu diezen được cung cấp từ tàu

III.1.2 Mô tả công trình

III.1.2.1 Kết cấu chân đế

- Là bộ phận chịu lực quan trọng nhất của công trình, được cấu tạo từ tổ hợp các thanh thép ống gồm ống chính và ống nhánh làm nhiệm vụ truyền tải trọng từ kết cấu phần trên xuống móng của công trình

- Một trong 4 mặt bên của chân đế là mặt thẳng đứng để đảm bảo cho dàn tự nâng khi cập vào để thực hiện khoan khai thác được đảm bảo an toàn

- Kích thước chân đế được tính toán cụ thể trong phần sau

III.1.2.2 Móng cọc

- Đường kính, chiều dài và số lượng cọc phụ thuộc vào tải trọng tác dụng lên kết cấu, khả năng chịu tải của nền đất và giải pháp thi công công trình

- Các cọc sẽ được đóng xuống độ sâu thiết kế qua ống chính của chân đế, giữa ống chính và cọc được bơm trám bằng dung dịch xi măng

III.1.2.3 Sàn chịu lực

- Là bộ phận trung gian giữa thượng tầng và kết cấu chân đế Làm nhiệm vụ tiếp nhận và truyền tải trọng từ khối thượng tầng xuống chân đế Sàn chịu lực thường được chế tạo từ các dầm thép hình hoặc các dầm thép tổ hợp

III.1.2.4 Cấu trúc thượng tầng

- Là tổ hợp kiến trúc xây dựng dân dụng và công nghiệp đảm bảo các hoạt động của công trình ở xa bờ Được bố trí theo kiến trúc modul, quy hoạch hợp lý và liên hợp giữa các hạng mục của công trình và thiết bị Quy hoạch thượng tầng đảm bảo tính

an toàn cao về cháy nổ và cứu sinh

- Khối Block công nghệ: là những kết cấu không gian hình lăng trụ

- Tại sàn chính đặt các thiết bị công nghệ cơ bản

- Tại sàn trên đặt các khối Block phụ trợ, trong đó bố trí các phòng máy năng lượng, máy biến áp, thiết bị phân phối, phòng ở tạm thời cho người

III.1.2.5 Sơ đồ tổng thể

III.2 CÁC TIÊU CHUẨN QUY PHẠM ÁP DỤNG TRONG THIẾT KẾ

III.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế API RP 2A – WSD

- Tiêu chuẩn API là tiêu chuẩn do hiệp hội dầu mỏ Mỹ ấn bản cho thiết kế công

trình biển có tên là: ’’Recommended Pratice for planning, Design and contructing

Fixed offshore platform’’ Tiêu chuẩn này được dùng khá phổ biến trong thiết kế

các công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và ở Việt Nam nó là tiêu chuẩn chính được dùng cho công tác phân tích thiết kế

- Nội dung: API RP 2A WSD là tiêu chuẩn thiết kế theo trạng thái ứng suất cho phép, bao gồm các phần:

- Phần 1: Lập kế hoạch dự án

- Phần 2: Tiêu chuẩn và quy trình thiết kế

- Phần 3: Thiết kế các cấu kiện thép

- Phần 11: Qui trình xây lắp chế tạo

- Phần 12: Qui trình thi công

- Phần 13: Qui trình kiểm tra

- Theo qui phạm này: Công tác thiết kế một công trình biển bao gồm 5 giai đoạn:

- +) Giai đoạn 1: Xây dựng chế tạo

- Tiến hành xây dựng chế tạo các kết cấu trên bờ và kết cấu gần biển (trên biển)

- +) Giai đoạn 2: Vận chuyển

- Giai đoạn này bao gồm vận chuyển kết cấu hoặc từng bộ phận kết cấu từ bờ biển

ra biển hoặc từ bờ tới sà lan vận chuyển và neo trong vùng nước được bảo vệ

- +) Giai đoạn 3: Lắp đặt

- Giai đoạn này gồm lắp đặt và hoàn thiện công trình tại vị trí xây dựng

- +) Giai đoạn 4: Khai thác

- Giai đoạn này được tính từ lúc đưa công trình vào hoạt động cho đến khi thanh lí hoặc di chuyển vị trí

- +) Giai đoạn 5: Phục hồi và sửa chữa

- Giai đoạn này gồm khôi phục lại hoặc dời chỗ công trình

III.2.3 Tiêu chuẩn hàn AWS (American welding society)

- Đây là tiêu chuẩn cho phép thiết kế, thực hiện và kiểm tra đường hàn đối với các loại thép, các tiêu chuẩn về góc hàn, bề rộng đường hàn, bề dày đường hàn, cường

độ mối hàn , đều được phân tích rõ

CHƯƠNG IV XÂY DỰNG - PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU IV.1 CƠ SỞ XÂY DỰNG CÁC PHƯƠNG ÁN

IV.1.1 Đặt vấn đề

- Đối với các công trình biển, do các công trình có vị trí ở ngoài biển, chịu tác động của môi trường khắc nghiệt, các điều kiện khác cũng không giống như trên đất liền nên đặc điểm riêng nổi bật là giá thành công trình lớn Do vậy, đối với mỗi công trình việc đưa ra các giải pháp thiết kế sao cho phù hợp với các yêu cầu về chức năng và nhiệm vụ là một bài toán phức tạp, đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm và công cụ tính toán mạnh Việc lựa chọn một phương án tối ưu có tính quyết định đến chất lượng và giá thành của công trình sau này Phương án được chọn phải thoã mãn 3 yêu cầu sau:

- +) Tính kỹ thuật: Các yêu cầu về công năng của công trình, thường do chủ đầu tư quy định

- +) Tính khả thi: Phương án được chọn phải đảm bảo thi công được

- +) Tính kinh tế: Phương án được chọn phải có giá thành hợp lý, khi đi vào thi công và vận hành phải đạt hiệu quả cao nhất

- Chính vì vậy việc xây dựng và lựa chọn các phương án thiết kế là giai đoạn quan trọng nhất trong thiết kế công trình, mỗi một phương án đưa ra là cả một quá trình

tích luỹ lớn về kiến thức và kinh nghiệm thiết kế Việc thiết kế phương án tối ưu đòi

hỏi nhiều lần tính lặp kết hợp với kinh nghiệm thiết kế dày dặn

IV.1.2 Bài toán thiết kế phương án

- Như đã nêu trong phần đặt vấn đề, phương án được chọn phải thoã mãn tối ưu về

kỹ thuật, khả thi và kinh tế Đó là bài toán tối ưu đa mục tiêu

- +) Tối ưu hoá kết cấu

- Trong thiết kế kết cấu có rất nhiều vấn đề cần tối ưu, là những bài toán rất phức tạp hiện đang được nghiên cứu và phát triển ở nhiều cơ quan nghiên cứu kết cấu công trình

- Các lĩnh vực tối ưu hoá kết cấu:

- Tối ưu hoá hình học: Tính toán lựa chọn số lượng, vị trí các phần tử kết cấu sao cho tối ưu về trọng lượng và hợp lý về chịu lực

- Tối ưu hoá tiết diện: Tiết diện của các phần tử phải phù hợp với khả năng chịu lực

- Tối ưu hoá liên kết: Các liên kết của kết cấu phải đảm bảo được tính chất chịu lực cũng như tính siêu tĩnh của kết cấu, đảm bảo thuận lợi cho quá trình thi công, …

+) Tối ưu hoá trong thi công công trình

- Thi công công trình biển là rất phức tạp bởi điều kiện thi công phức tạp, tính rủi ro cao Do vậy, ảnh hưởng rất lớn đến giá thành công trình nên tối ưu trong thi công chỉ dừng lại ở kinh nghiệm và những xu hướng thi công đã được thực tế kiểm nghiệm là đúng đắn:

- Sử dụng những liên kết đơn giản, và ít nút trong kết cấu Điều đó cho phép giảm thiểu thời gian thi công chế tạo và tránh được sự tập trung ứng suất

- Sử dụng cọc và ống chính có đường kính lớn, điều đó cho phép giảm thời gian đóng cọc (chiều dài cọc giảm, không cần sử dụng cọc váy) và do vậy rút ngắn thời gian thi công trên biển

+) Khả năng mô phỏng của người thiết kế

- Xây dựng phương án thiết kế công trình biển đã được đơn giản khi mô phỏng, bởi

lẽ trong quá trình thiết kế, để đơn giản người thiết kế đã giản ước nhiều yếu tố trong khi điều kiện tải trọng và kết cấu là rất phức tạp và có nhiều yếu tố chưa được xét hết

+) Khả năng của chương trình tính toán và lý thuyết toán học

- Lý thuyết tối ưu là một lĩnh vực toán học mới, được bắt đầu từ sự ra đời của phương pháp đơn hình vào năm 1947 do Dantzig khởi nguyên Cho đến nay đã có những thành tựu to lớn về lý thuyết cũng như ứng dụng, song trong lĩnh vực kết cấu mới chỉ dừng lại ở những bài toán nhỏ (kết cấu chịu tải trọng tĩnh dạng tấm, conson hoặc khung phẳng…) Bên cạnh đó các chương trình tính toán mặc dầu có những bước đột phá nhưng chưa đủ để giải quyết bài toán tối ưu hoá đa mục tiêu và nhiều thông số trong thiết kế công trình biển

Từ những phân tích ở trên hiện nay có 2 phương pháp chính trong thiết kế công trình:

+) Phương pháp bài toán ngược (bài toán thiết kế)

- Từ những yêu cầu thiết kế, người thiết kế sử dụng các quan hệ toán học để thiết lập bài toán tối ưu sau đó dùng lý thuyết tối ưu để tìm ra các thông số thiết kế Phương pháp này chỉ áp dụng cho những bài toán cỡ nhỏ và khó có thể áp dụng cho thiết kế phương án kết cấu khối chân đế

+) Phương pháp bài toán thuận (bài toán kiểm tra)

- Từ những yêu cầu thiết kế người thiết kế đưa ra những phương án thiết kế sau đó tính toán kiểm tra, phân tích để chọn ra phương án tốt nhất Phương pháp thiết kế này đòi hỏi người thiết kế phải có kinh nghiệm và chương trình tính toán kiểm tra Phương pháp thiết kế này rất phù hợp với điều kiện thiết kế tại Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro

IV.1.3 Cơ sở xây dựng các phương án

IV.1.3.1 Theo nhiệm vụ của đồ án thiết kế

- Thiết kế khối chân đế dàn đầu giếng BK-10 thuộc tổ hợp BK10/BK1 – LQ

IV.1.3.2 Phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật công nghệ

- Diện tích mặt bằng yêu cầu của sàn thượng tầng: 15m x 15 m

- Đáp ứng sơ đồ bố trí các Block-Module và các thiết bị, vật tư trên thượng tầng

- Điều kiện địa hình, địa chất tại khu vực xây dựng công trình

- Đảm bảo chiều cao sóng thiết kế không chạm vào sàn công tác

IV.1.3.3 Phù hợp với khả năng tính toán kiểm tra của chương trình

- Hiện nay với khả năng của chương trình tính toán kết cấu công trình biển thì các chương trình như SESAM, StruCAD 3D*, SAP2000 Advance cho phép tính toán, kiểm tra những sơ đồ kết cấu phức tạp Vì vậy việc lựa chọn kết cấu phụ thuộc rất ít vào yếu tố này

IV.1.3.4 Phù hợp với khả năng thi công của VSP

- Phương án thiết kế được chọn phải đảm bảo tính khả thi trong thi công, sao cho phù hợp với trình độ và khả năng thi công của VSP, tận dụng được các thiết bị thi công hiện có trong nước, hạn chế tối đa việc thuê, mua thêm các thiết bị thi công của nước ngoài

IV.1.3.5 Phù hợp với khả năng kinh tế

- Phương án được chọn ngoài thoả mãn các điều kiện trên, thì nó còn phải có giá thành xây dựng hợp lí, phù hợp khả năng tài chính của chủ đầu tư, sao cho khi đưa công trình vào hoạt động khai thác đạt được hiệu quả kinh tế cao nhất, đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu kĩ thuật và công nghệ

IV.2 CÁC LỰA CHỌN BAN ĐẦU

IV.2.1 Lựa chọn hướng đặt công trình

- Hướng đặt công trình được xác định theo các cơ sở sau:

- Đảm bảo về yêu cầu sơ đồ bố trí công nghệ, liên kết các dàn khác trong cụm

- Hướng đặt công trình sao cho tối ưu về tải trọng tác dụng lên công trình cũng như khả năng chịu lực của kết cấu

- Thuận lợi cho việc bố trí giá cập tầu để giảm tối đa tải trọng do môi trường tác động khi cập tầu hoặc tác động trực tiếp lên giá cập tầu

- Phù hợp với khả năng đáp, đỗ máy bay trực thăng

- Theo yêu cầu vị trí xây dựng công trình thì dàn BK 10 có hướng đặt như hình vẽ sau:

-

IV.2.2 Xác định chiều cao chân đế

- Chiều cao khối chân đế được chọn sao cho công trình đảm bảo sóng không đánh tới thượng tầng trong điều kiện cực hạn cũng như trong điều kiện hoạt động bình thường

- Khoảng cách từ mép dưới của hệ thống sàn công tác (tức mép dưới của phần thượng tầng) tới mực nước trung bình MSL là:

- H1 = d1 + d2 + Ho + 0

- Trong đó:

- d1: Chiều cao nước dâng do gió

- d2: Chiều cao nước dâng do triều

- : Hệ số được lấy dựa theo lí thuyết sóng tính toán, với lí thuyết sóng Stokes,  = 0,6  0,75

- Ho: Chiều cao sóng tính toán được lấy theo điều kiện thiết kế cực đại

- 0: Độ tĩnh không của công trình, là khoảng cách từ đỉnh sóng cao nhất tới mép

dưới của kết cấu sàn thượng tầng 0  5 feet  1.524 m (Theo API - 2.3.4.g) 

Chọn 0 = 1.62 m

- Tại khu vực mỏ Bạch Hổ các thông số trên có giá trị như sau:

IV.2.3 Chiều cao của mặt ngang đầu tiên ( D 1 )

- Do sử dụng mặt ngang đầu tiên D1 làm sàn công tác khi thi công nên mặt ngang

đầu tiên D1 phải nằm trên đỉnh sóng khi thi công (Htc = 2.5 m) một khoảng 1 m nên

chiều cao của mặt ngang đầu tiên xác định theo công thức :

H2 = d1 + Htc + 1 = 1.03 + 2.5 + 1 = 4.53 m Chọn H2 = 5.0 m

IV.2.4 Cao độ đỉnh khối chân đế

- Theo tiêu chuẩn API RP2A WSD về điều kiện liên kết nút (Section 4 - 4.3.1) thì

khoảng cách từ mép ngoài của ống nhánh đến mép của vách gia cường tối thiểu là

12” (305 mm) và D/4 Với các thông số như trên thì đường kính ống chính trong

vùng biến động nước dự định sẽ là 1330 mm  D/4 = 332.5 mm Để đảm bảo

khoảng cách liên kết và khoảng cách lặp đặt chi tiết nối (bút chì) ta chọn khoảng

cách từ đỉnh KCĐ đến vách ngang D1 là 1000 mm

- Như vậy cao độ đỉnh KCĐ là :

- H3 = H2 + 1 = 5.0 + 1.0 = 6.0 m

IV.2.5 Cao độ cắt cọc

- Theo tiêu chuẩn API RP2A WSD (Section 6 - 6.11) vị trí cắt cọc được xác định

nhô ra khỏi đầu trên ống chính khoảng 0.5  1.5 m (2  5 ft) Dựa vào yêu cầu

chính khoảng 1 m Do độ dốc ống chính nhỏ nên ta lấy cao độ cắt cọc cách mép trên ống chính là 1 m

- Như vậy cao độ cắt cọc là :

- H4 = H3 + 1 = 6.0 + 1.0 = 7.0 m

- Công trình được chia thành ba phần:

- Phần khối chân đế có chiều cao từ cao trình (-) 50.000m đến (+) 6.000m Chiều cao tổng cộng của khối chân đế là 56 m

- Từ (+) 6.000m đến (+) 7.500m là phần chuyển tiếp Điểm chuyển tiếp ở cao độ (+) 7.500m

- Từ (+) 7.500m đến (+) 15.000 m là phần hệ khung sàn chịu lực

IV.2.6 Hình dạng KCĐ và kích thước các cấu kiện

- Hình dạng KCĐ có dạng hình tháp loại 4 ống chính (chóp cụt chữ nhật có kích thước đỉnh 15m x 15m) Kích thước các cấu kiện được chọn theo quy định về độ mảnh (xem phần dưới)

- Các đoạn cọc có tiết diện: 1219 x 30 (mm)

- Đoạn cọc tăng cường tại đáy biển là: 1219 x 65 (mm) (Chịu mô men uốn lớn)

- Các đoạn cọc chuyển tiếp: 1219 x 40 (mm)

- Để tăng khả năng làm việc đồng thời giữa cọc và ống chính thì khoảng hở giữa cọc và ống chính được bơm trám xi măng, với cường độ tối thiểu của vữa xi măng

là 30Mpa (sau 28 ngày) chiều dày của lớp xi măng bơm trám là 36,5mm

IV.3 CÁC YẾU TỐ QUYẾT ĐỊNH PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

- Phương án thiết kế được chọn trong phạm vi của đồ án phải đảm bảo tối ưu về thi công cũng như về kết cấu chịu lực và giá thành công trình sau này Các yếu tố được xem xét ở đây nằm trong một trong số các vấn đề tối ưu: Tối ưu hình học, tối ưu tiết diện, tối ưu liên kết, tối ưu thi công…

IV.3.1 Kích thước đỉnh của khối chân đế

- Kích thước đỉnh khối chân đế phải đủ rộng để đỡ khối thượng tầng, đảm bảo diện tích bố trí các thiết bị và vận hành Đồng thời kích thước của đỉnh khối chân đế phải phù hợp với các điều kiện thi công đã lựa chọn Trong thiết kế công trình BK10 này, kích thước đỉnh của khối chân đế được chọn là: 15m x 15 m

IV.3.2 Độ nghiêng của các ống chính

- Độ nghiêng của các ống chính ảnh hưởng đến nhiều yếu tố khi thiết kế và thi công công trình Tăng độ nghiêng thu được những ưu điểm:

- Lực cắt trong cọc giảm

- Độ sâu cọc giảm

- Do tăng diện tích móng KCĐ góp phần giảm tải dọc trục trong cọc

- Tăng tính ổn định trong quá trình thi công

- Bên cạnh đó có những nhược điểm sau:

- Tăng khối lượng vật liệu làm KCĐ

- Gây khó khăn cho quá trình thi công, về phương tiện thi công

- Các phần tử phải dài hơn, tăng độ mảnh, dễ mất ổn định hơn và làm tăng tải trọng sóng do tăng diện tích phần tử KCĐ

- Các đoạn cọc phải ngắn để chịu được mô men uốn gây ra do búa dẫn đến số lần nối cọc nhiều hơn…

- Ngoài ra độ nghiêng của ống chính còn phụ thuộc vào độ xuyên âm và xuyên dương của búa đóng cọc Việc lựa chọn búa đóng cọc phải chọn sao cho phù hợp với quá trình đóng cọc Trên cơ sở tính toán sơ bộ, khả năng thiết bị đóng cọc hiện

có và tham khảo các công trình được thi công trước đây, chọn độ nghiêng các mặt bên nằm trong khoảng 1/8  1/12 Từ các yêu cầu trên ta chọn độ nghiêng các mặt đứng và ống chính như sau:

-

- +) Mặt đứng trục 1 thẳng đứng đảm bảo cho tàu khoan có thể cập

- +) Mặt đứng trục 2 nghiêng 1/8

- +) Trên mặt đứng trục A, B chọn độ nghiêng của trục A1 và B1 là 1/10

- Từ các quan hệ hình học ta có thể tính được độ nghiêng của trục A2 và B2 là 1/6.25

IV.3.3 Lựa chọn số lượng và vị trí mặt ngang

- Tác dụng của các mặt ngang:

- Đỡ và giữ ổn định cho hệ thống Conductor, Caisson

- Tăng độ cứng tổng thể cho công trình

- Đảm bảo độ cứng chống xoắn khi chịu các tải trọng ngang

- Đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu trong quá trình chế tạo và lắp dựng

- Các mặt ngang được bố trí sao cho số lượng các thanh nhánh phía trên là ít nhất, làm giảm diện cản sóng Khoảng cách giữa các mặt ngang được chọn sao cho khả năng chịu lực và phân bố lực hợp lí nhất Đảm bảo độ mảnh cho phép của các phần

tử trong khoảng 60  80 và tỉ số D/t vào khoảng 20  60 (Đường kính ngoài so với

bề dày) Đảm bảo các yêu cầu cấu tạo của các thanh xiên trên mỗi mặt đứng, góc giữa thanh xiên và ống chính từ 30o  60o Trong mặt ngang các thanh nhánh được

bố trí sao cho các góc giữa các thanh nhánh là 450  550 (Tài liệu công trình biển nước sâu)

- Căn cứ vào các điều kiện trên ta lựa chọn sơ bộ là 4 vách ngang ở các cao độ như sau:

- Diafragma 1 ở vị trí có cao trình là (+) 5.000 (m)

- Diafragma 2 ở vị trí có cao trình là (-) 14.000 (m)

- Diafragma 3 ở vị trí có cao trình là (-) 33.000 (m)

- Diafragma 4 ở vị trí có cao trình là (-) 49.500 (m)

- Cao độ đáy mặt sàn chống lún MUDMAT ở cao trình (-) 50 (m)

IV.3.4 Hệ thống thanh giằng xiên

- Khối chân đế được tạo bởi hệ thống các thanh giằng xiên liên kết với ống chính tạo thành một hệ thống không gian tổng thể Các thanh giằng xiên được thiết kế với các đặc tính sau:

- Phân bố đều lực tác dụng lên các ống chính giảm sự chênh lệch lực tác dụng lên các ống chính (tại nút phần tử)

- Chịu tải trọng theo phương ngang

- Làm hợp lý hoá sự làm việc của nút

- Tăng độ cứng tổng thể cho công trình, giúp cho công trình ổn định chống được các loại tải trọng động mang yếu tố ngẫu nhiên

- Tăng tính siêu tĩnh cho kết cấu, hạn chế được sự phá huỷ luỹ tiến cho kết cấu

- Các yếu tố cần xem xét khi lựa chọn hình dạng các thanh giằng xiên:

- Khả năng chịu lực và phân bố nội lực trong từng phần tử

- Các yêu cầu về cấu tạo hình học

- Khả năng và trình độ thi công

- Đảm bảo các điều kiện bền và ổn định trong suốt quá trình thi công chế tạo và lắp dựng KCĐ

- Hệ thống thanh giằng xiên bao gồm:

- Các thanh giằng xiên theo phương đứng (Trên các Panel)

- Các thanh giằng xiên theo phương ngang (Trên các Diafragma)

- Đối với kết cấu Jacket thường có các kiểu thanh giằng chéo đơn, kiểu chữ X và kiểu chữ K như ( hình vẽ 4.3) dưới đây

-

- a Giằng chéo đơn:

- Loại này có cấu tạo đơn giản ít mối hàn, thường được áp dụng với những dàn nhỏ Đối với dàn lớn chiều dài lớn không thoả mãn điều kiện về độ mảnh Bậc siêu tĩnh loại này nhỏ do đó rất dễ xảy ra phá huỷ luỹ tiến

b Giằng chéo chữ X:

- Đường kính thanh chéo nhỏ hơn so với loại thanh giằng chéo đơn, các ống can tại ống chính có thể nhỏ đi, bậc siêu tĩnh tăng lên làm chậm quá trình phá huỷ luỹ tiến Tuy nhiên khối lượng của kết cấu có thể tăng lên, lực sóng tác dụng lên kết cấu lớn hơn Kiểu này cũng làm tăng số lượng mối hàn do đó làm tăng thời gian và giá thành thi công

c Giằng chéo chữ K:

- Kiểu này thường phù hợp với khoảng cách ngắn giữa các vách ngang chịu tải trọng đứng lớn Trong trường hợp này đường kính các ống chống ngang phải bằng đường kính các thanh chống xiên Tại vị trí nút phải có cấu tạo gia cường cho thanh ngang Momen uốn do độ lệch tâm tại nút K phải được xem xét trong tính toán Kiểu này hiện nay ít được dùng do ứng suất tập trung lớn, dễ phá huỷ nút do mỏi

+) Các dạng thanh giằng theo phương ngang:

- Các mặt ngang có cấu tạo thích hợp làm nhiệm vụ chống xoắn cho công trình, đỡ

hệ thống Conductor (ống dẫn), và làm tăng độ cứng cho công trình Tuy nhiên các mặt ngang là một trong những nguyên nhân làm tăng tải trọng sóng lên công trình

Vì vậy các mặt ngang phải được thiết kế sao cho hợp lý nhất về mặt hình học cũng như kết cấu

- Một số dạng kết cấu điển hình được thể hiện trong ( hình 4.4) dưới đây:

IV.3.5 Đề xuất phương án thiết kế

- Dựa vào những phân tích trên cùng việc tham khảo các thiết kế đã có ta sơ bộ đưa

ra hai phương án kết cấu cho dàn nhẹ BK như sau: