PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN KẾT CẤU CHÂN GIÀN TỰ NÂNG

Trong những năm gần đây, vấn đề đánh dấu chủ quyền biển đảo, thăm dò, khai thác dầu khí trên thềm lục địa khu vực biển Đông đang ngày càng bức thiết. Để thực hiện được các mục đích đó, chúng ta cần phải đầu tư vào công tác nghiên cứu khoa học và công nghệ để có thể đi đến thiết kế, chế tạo được những công trình có khả năng hoạt động ở vùng nước sâu. Một trong những công trình đang được quan tâm và phát triển mạnh mẽ hiện nay là giàn khoan tự nâng. Theo thống kê 9, tính tới năm 2012 có 515 giàn tự nâng trong tổng số 876 giàn khoan các loại, đến năm 2014 sẽ có 550 giàn tự nâng trong tổng số 951 giàn các loại, chiếm xấp xỉ 60% số lượng giàn khoan trên thế giới. Nghiên cứu chế tạo giàn khoan dầu khí cũng là một trong những mục tiêu mũi nhọn trong chiến lược phát triển kinh tế biển của nước ta hiện nay. Năm 2011, sau 26 tháng thi công, lắp đặt và hạ thủy thành công giàn khoan tự nâng 90m nước đầu tiên đã đánh dấu bước ngoặt trong lĩnh vực chế tạo giàn khoan dầu khí ở nước ta. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo giàn khoan là nhu cầu về nhân lực đáp ứng cho lĩnh vực này. Nắm bắt nhu cầu đó, năm 2011 chuyên ngành “Kĩ thuật Công trình ngoài khơi – Offshore Engineering” thuộc Khoa Kĩ thuật Tàu thủy – Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh” đã được thành lập và tuyển sinh đào tạo đại học khóa đầu tiên. Cấu tạo của giàn tự nâng gồm hai phần: thân giàn và chân giàn. Kết cấu chân giàn tự nâng được thiết kế để chống chịu nhiều loại tải trọng khác nhau khi làm việc. Các tải trọng bao gồm có: tải trọng thường xuyên (tải bản thân – tải tĩnh); tải trọng hoạt động; tải trọng môi trường; tải trọng do lắp đặt, xây dựng và tải trọng do tai nạn. Khi làm việc, chân giàn chịu ảnh hưởng lớn bởi các tác dụng của tải trọng môi trường gồm có: tải trọng do sóng, gió, dòng chảy, động đất, nhiệt độ, băng đá, hà bám và chuyển động của đáy biển. Trong đó tải trọng sóng và dòng chảy có ảnh hưởng lớn và thường xuyên nhất đến độ bền kết cấu chân giàn tự nâng. Với những lý do trên, tác giả đã đề xuất đề tài luận văn tốt nghiệp cao học: “Phân tích độ bền kết cấu chân giàn tự nâng bằng phương pháp phần tử hữu hạn”.

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục………i

Danh mục các hình iii

Danh mục các bảng iv

Danh mục các chữ viết tắt iv

Danh mục các ký hiệu v

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 4

1 1 GIÀN KHOAN TỰ NÂNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4

1.1.1 Giới thiệu chung về giàn tự nâng 4

1.1.2 Xu thế phát triển giàn tự nâng 7

1.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CHÂN GIÀN TỰ NÂNG 8

1.2.1 Đặc điểm thiết kế giàn tự nâng 8

1.2.2 Đặc điểm kết cấu chân giàn tự nâng 10

CHƯƠNG 2 - TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG TÁC DỤNG 12

LÊN GIÀN TỰ NÂNG 12

2.1 TẢI TRỌNG SÓNG 13

2.1.1 Một số lý thuyết sóng và phạm vi áp dụng 13

2.1.2 Tải trọng sóng 24

2.1.3 Đặc trưng sóng vùng biển phía nam Việt Nam 30

2.2 TẢI TRỌNG GIÓ 32

CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN CHÂN GIÀN TỰ NÂNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 34

3.1 KHÁI QUÁT VỀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 34

3.1.1 Xấp xỉ bằng các phần tử hữu hạn 34

3.1.2 Phương pháp phần tử hữu hạn trong cơ học 35

3.2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN KẾT CẤU CHÂN GIÀN TỰ NÂNG 38

3.2.1 Phân tích dữ liệu đầu vào 38

3.2.2 Mô hình PTHH kết cấu chân giàn tự nâng 39

CHƯƠNG 4 - PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN KẾT CẤU CHÂN GIÀN TAM ĐẢO 01 45

4.1 THÔNG SỐ GIÀN TAM ĐẢO 01 45

4.2 MÔ HÌNH PTHH CHÂN TƯƠNG ĐƯƠNG 47

4.3 TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN 49

4.4 ĐIỀU KIỆN BIÊN 50

4.5 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

I KẾT LUẬN 59

II KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC 62

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Giàn tự nâng 4

Hình 1 2 Cấu tạo giàn khoan tự nâng 5

Hình 1 3 Các trạng thái làm việc của giàn tự nâng 6

Hình 1 4 Sơ thiết kế kết cấu giàn tự nâng 9

Hình 1 5 Các dạng mặt cắt ngang kết cấu chân giàn 11

Hình 1 6 Kết cấu chân đế dạng tấm nền 11

Hình 1 7 Kết cấu chân đế dạng nón 12

Hình 1 8 Hệ thống nâng hạ chân giàn 12

Hình 2 1 Biên dạng sóng Airy 13

Hình 2 2 Biên dạng sóng Stokes bậc 5 16

Hình 2 3 Biên dạng sóng Airy và sóng Stokes bậc 2 22

Hình 2 4 Biên dạng sóng Cnoidal bậc 1 23

Hình 2 5 Phạm vi ứng dụng các lý thuyết sóng (Dean, 1970) 24

Hình 2 6 Thành phần vận tốc sóng tác dụng lên phần tử ống trụ 25

Hình 2 7 Tải trọng sóng tác dụng lên ống trụ đứng 26

Hình 2 8 Cực trị, góc pha của tải trọng sóng thay đổi theo KC 28

Hình 2 9 Cực trị và góc pha của tải trọng sóng thay đổi theo KZ 29

Hình 2 10 Hệ số CD, CM theo qui phạm DNV 30

Hình 3 1 Sơ đồ phân tích độ bền kết cấu theo phương pháp PTHH 38

Hình 3 2 Mô hình đơn giản chân giàn tự nâng 40

Hình 3 3 Mô hình phần tử hữu hạn của chân tương đương 41

Hình 3 4 Rời rạc kết cấu chân tương tương bằng PTHH 42

Hình 3 5 Mô hình phức tạp giàn tự nâng 44

Hình 4 1 Sơ đồ bố trí chân giàn tự nâng Tam Đảo 01 45

Hình 4 2 Kết cấu chân giàn tự nâng Tam Đảo 01 45

Hình 4 3 Trạng thái làm việc giàn Tam Đảo 01 46

Hình 4 4 Bố trí tổng thể giàn tự nâng Tam Đảo 01 47

Hình 4 5 Mô hình chân tương đương giàn Tam Đảo 01 48

Hình 4 6 Mô hình PTHH giàn Tam Đảo 01 49

Hình 4 7 Điều kiện biên liên kết chân giàn-nền đất 51

Hình 4 8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của SAP2000 53

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Thông số một số giàn khoan tự nâng đã khai thác 7

Bảng 1 2 Thống kê số lượng giàn khoan trên thế giới 7

Bảng 1 3 Thống kê giàn tự nâng theo số chân [1] 10

Bảng 2 1 Thông số sóng tuyến tính 14

Bảng 2 2 Thông số sóng Stokes bậc 2 17

Bảng 2 3 Hệ số CM, CD theo tiêu chuẩn API, SNAME 30

Bảng 2 4 Biểu đồ phân tán sóng vùng biển phía Nam 31

Bảng 2 5 Tần suất sóng theo các hướng của vùng biển phía Nam 32

Bảng 2 6 Hệ số hình dạng Cs cho các loại mặt chắn gió 33

Bảng 2 7 Hệ số chiều cao Ch cho các mặt chắn gió 33

Bảng 3 1 Đặc trưng chân tương đương 40

Bảng 4 1 Thông số cơ bản giàn Tam Đảo 01 46

Bảng 4 2 Tọa độ chân tương đương 48

Bảng 4 3 Đặc trưng hình học chân tương đương 48

Bảng 4 4 Kết quả tính mô men uốn và lực cắt cho hai chân sau 53

Bảng 4 5 Kết quả tính mô men uốn và lực cắt cho chân trước 55

Bảng 4 6 Phản lực liên kết chân giàn-thân giàn và chân giàn-nền đất 55

Bảng 4 7 Bảng tính ứng suất chân giàn 56

Bảng 4 8 Kiểm tra độ bền kết cấu chân giàn 58

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

USA United State of America

USSR Union of Soviet Socialist Republics

API American Petroleum Institute

SNAME Society of Naval Architecture and Marine Engineering

W Mô men chống uốn của tiết diện cm3

I Mô men quán tính của tiết diện cm4

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây, vấn đề đánh dấu chủ quyền biển đảo, thăm dò, khai thác dầu khí trên thềm lục địa khu vực biển Đông đang ngày càng bức thiết Để thực hiện được các mục đích đó, chúng ta cần phải đầu tư vào công tác nghiên cứu khoa học và công nghệ để có thể đi đến thiết kế, chế tạo được những công trình có khả năng hoạt động ở vùng nước sâu Một trong những công trình đang được quan tâm

và phát triển mạnh mẽ hiện nay là giàn khoan tự nâng Theo thống kê [9], tính tới năm 2012 có 515 giàn tự nâng trong tổng số 876 giàn khoan các loại, đến năm 2014

sẽ có 550 giàn tự nâng trong tổng số 951 giàn các loại, chiếm xấp xỉ 60% số lượng giàn khoan trên thế giới Nghiên cứu chế tạo giàn khoan dầu khí cũng là một trong những mục tiêu mũi nhọn trong chiến lược phát triển kinh tế biển của nước ta hiện nay Năm 2011, sau 26 tháng thi công, lắp đặt và hạ thủy thành công giàn khoan tự nâng 90m nước đầu tiên đã đánh dấu bước ngoặt trong lĩnh vực chế tạo giàn khoan dầu khí ở nước ta Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế tạo giàn khoan

là nhu cầu về nhân lực đáp ứng cho lĩnh vực này Nắm bắt nhu cầu đó, năm 2011 chuyên ngành “Kĩ thuật Công trình ngoài khơi – Offshore Engineering” thuộc Khoa

Kĩ thuật Tàu thủy – Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh”

đã được thành lập và tuyển sinh đào tạo đại học khóa đầu tiên

Cấu tạo của giàn tự nâng gồm hai phần: thân giàn và chân giàn Kết cấu chân giàn tự nâng được thiết kế để chống chịu nhiều loại tải trọng khác nhau khi làm việc Các tải trọng bao gồm có: tải trọng thường xuyên (tải bản thân – tải tĩnh); tải trọng hoạt động; tải trọng môi trường; tải trọng do lắp đặt, xây dựng và tải trọng do tai nạn Khi làm việc, chân giàn chịu ảnh hưởng lớn bởi các tác dụng của tải trọng môi trường gồm có: tải trọng do sóng, gió, dòng chảy, động đất, nhiệt độ, băng đá,

hà bám và chuyển động của đáy biển Trong đó tải trọng sóng và dòng chảy có ảnh hưởng lớn và thường xuyên nhất đến độ bền kết cấu chân giàn tự nâng

Với những lý do trên, tác giả đã đề xuất đề tài luận văn tốt nghiệp cao học:

“Phân tích độ bền kết cấu chân giàn tự nâng bằng phương pháp phần tử hữu hạn”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Thiết lập được mô hình tính toán, phân tích độ bền kết cấu của chân giàn tự nâng trên cơ sở nghiên cứu các vấn đề sau:

- Phân tích đặc điểm kết cấu chân giàn tự nâng

- Nghiên cứu xác định lý thuyết sóng và phạm vi áp dụng lý thuyết sóng để tính toán tải trọng tác dụng lên chân giàn tự nâng

- Thiết lập mô hình tính toán độ bền kết cấu chân giàn tự nâng Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán độ bền kết cấu giàn tự nâng

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm tích hợp phương pháp phần tử hữu hạn (SAP2000) để phân tích độ bền kết cấu chân giàn tự nâng cụ thể

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

Đối tượng nghiên cứu: độ bền kết cấu chân giàn tự nâng

Phạm vi nghiên cứu: phân tích độ bền phá hủy của kết cấu chân giàn tự nâng dưới tác dụng của tải trọng cực đại do sóng và dòng chảy Lý thuyết sóng áp dụng

để tính toán tải trọng sóng là theo lý thuyết sóng tiền định

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu lý thuyết, thuật toán xác định các thông số của mô hình sóng tiền định kết hợp với tìm hiểu số liệu thống kê để xác định các đặc trưng của sóng biển ở vùng biển phía nam Việt Nam

Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng của phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán cơ học

Nghiên cứu ứng dụng phần mềm tích hợp phương pháp phần tử hữu hạn (SAP2000) để tính toán, mô phỏng các đặc trưng sóng, tải trọng sóng và phân tích

độ bền kết cấu chân giàn tự nâng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Đề tài xây dựng cơ sở lý thuyết, trình tự để tính toán độ bền kết cấu chân giàn tự nâng bằng phương pháp phần tử hữu hạn Trên cơ sở đó phát triển được phương pháp tính toán, kiểm tra độ bền kết cấu trong thiết kế giàn khoan tự nâng

 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài:

Nội dung nghiên cứu của đề tài sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc học tập, nghiên cứu tiếp theo trong quá trình thiết kế giàn khoan tự nâng Phương pháp tính toán đưa ra trong đề tài là phương pháp đang được sử dụng rất mạnh mẽ hiện nay bởi tính linh hoạt, độ chính xác và rút ngắn thời gian tính toán của nó Đồng thời phương pháp này cũng được tích hợp trong rất nhiều các phần mềm chuyên dụng

Do đó kết hợp giữa việc nghiên cứu phương pháp phần tử hữu hạn với ứng dụng phần mềm chuyên dụng sẽ giúp cho các kỹ sư thiết kế giàn khoan giải quyết được công việc nhanh hơn, hiệu quả hơn trong quá trình thiết kế

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1 1 GIÀN KHOAN TỰ NÂNG VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1.1.1 Giới thiệu chung về giàn tự nâng

Giàn tự nâng có kết cấu gồm thân giàn giống như một sà lan và các chân giàn có thể di chuyển theo phương thẳng đứng Sau khi chế tạo, giàn được kéo đến nơi làm việc và các chân được hạ xuống, cắm vào đáy biển và nâng thân giàn lên cao Loại giàn khoan này chủ yếu được dùng để khoan thăm dò có đặc điểm làm việc như sau:

- Chiều sâu vùng nước khai thác: 90 - 140 m,

- Tính cơ động cao nhờ chân giàn có khả năng nâng hạ để di chuyển hoặc cố định giàn tại nơi khai thác,

- Thân giàn ổn định khi khai thác nhờ sự chống đỡ của các chân giàn,

- Giá thành đầu tư thấp và khai thác hiệu quả,

- Tuy nhiên việc lắp đặt giàn loại này phụ thuộc vào điều kiện thời thiết; bị hạn chế bởi chiều sâu vùng nước làm việc và phụ thuộc lớn vào nền địa chất tại nơi lắp đặt, khai thác

Hình 1 1 Giàn tự nâng

Cấu tạo giàn tự nâng: Cấu tạo giàn tự nâng gồm có thân giàn và các chân đế

của giàn Thân giàn chứa thiết bị máy móc, phòng sinh hoạt, phân xưởng, sàn hạ

Mực nước biển

Đáy biển Chân đế giàn

máy bay và được thiết kế nhằm đảm bảo tính nổi cho bản thân và toàn bộ thiết bị máy móc và các chân giàn Chân giàn thường có kết cấu dạng khung giàn bao gồm các ống trụ chính thẳng đứng và các thanh giằng nằm ngang hoặc nằm xiên liên kết với ống trụ chính bằng các mối hàn Cuối chân giàn có kết cấu đế thường là dạng hộp làm từ những tấm dầy - gọi là “spud cans” Các chân đế có khả năng di chuyển lên phía trên hoặc xuống dưới thân giàn nhờ hệ thống nâng hạ - “pinion jacking system” - được gắn trên thân giàn và chân đế Ở trạng thái làm việc, chân đế được cắm xuống cố định dưới đáy biển và thân giàn được nâng đỡ bởi các chân đế Ở trạng thái không làm việc giàn nổi trên nước, các chân được rút lên cao; trường hợp này giàn nổi như tàu thủy thông thường

Hình 1 2 Cấu tạo giàn khoan tự nâng Các trạng thái làm việc của giàn tự nâng: Giàn tự nâng được thiết kế cần phải

đảm bảo an toàn vận hành và khai thác trong các trạng thái làm việc sau: Chịu bão lớn; ở chế độ khai thác hoặc di chuyển trong vùng làm việc Các trạng thái làm việc trên biển của giàn tự nâng được mô tả như sau:

- Di chuyển giàn: Thân giàn nổi trên mặt nước như một tàu thủy, các chân giàn

đã được kéo lên toàn phần hoặc bán phần và giàn được các tàu hỗ trợ kéo đến vị trí làm việc mới hoặc vị trí trú bão

Chân giàn

Chân giàn

Thân giàn

- Quá trình định vị giàn và khai thác: Tại vị trí làm việc các chân giàn hạ xuống

chạm đáy vùng nước Sau đó các chân giàn được cắm cố định xuống đáy biển Cuối cùng tiến hành nâng thân giàn cùng trang thiết bị lên cao Khi đáy thân giàn đạt chiều cao so với mặt nước như thiết kế thì cố định thân giàn và các công việc liên quan để đưa giàn vào khai thác (khoan)

- Quá trình hạ thân giàn đang làm việc để di chuyển giàn đến vùng làm việc khác

hoặc tránh bão: Chân giàn được rút lên cao đồng thời thân giàn được hạ xuống nước đóng vai trò như một vật thể nổi Sau đó giàn tự nâng sẽ được di chuyển đến nơi khác nhờ tàu kéo

Trạng thái nâng thân giàn Trạng thái khai thác Chịu tải trọng môi trường

Hình 1 3 Các trạng thái làm việc của giàn tự nâng Kích thước giàn tự nâng phụ thuộc vào chiều sâu của vùng nước làm việc và

thường tăng lên theo chiều sâu vùng nước Thông số cơ bản của một số giàn đã hoạt động như sau [1]:

Bảng 1 1 Thông số một số giàn khoan tự nâng đã khai thác

Tên giàn Đặc tính

Offshore Mercury

Fielddrill Ednarina Period

69

60 Let Oktiabria

Nơi chế tạo Scotland USA Nhật bản USA USSR

đều

Tam giác đều

Tam giác đều

Hình vuông

Hình vuông

1.1.2 Xu thế phát triển giàn tự nâng

Theo thống kê tính đến tháng 11 năm 2011, trên thế giới có 823 giàn khoan các loại và đến năm 2014 sẽ đạt 951 giàn Trong đó số lƣợng giàn khoan tự nâng là 550, chiếm xấp xỉ 60% số lƣợng giàn khoan trên thế giới

Bảng 1 2 Thống kê số lƣợng giàn khoan trên thế giới

Hiện nay Việt Nam có 07 giàn khoan tự nâng đang hoạt động là: giàn Tam Đảo

01, Tam Đảo 02, Tam Đảo 03 và Cửu Long của Xí nghiệp liên doanh Việt Xô; giàn khoan tự nâng PVD 01, 02 và 03 của Tổng Công Ty CP Khoan và Dịch vụ Khoan dầu khí (PV Drilling) Trong đó giàn tự nâng Tam Đảo 03 được thiết kế, chế tạo tại nước ta dưới sự phối hợp của Viện Nghiên cứu Thiết kế Cơ khí và Công ty Cổ phần Chế tạo giàn khoan Dầu khí; các giàn khoan còn lại đều được mua hoặc thuê chế tạo trọn gói tại nước ngoài

Bên cạnh đó, các nhà thầu liên doanh trong nước và nước ngoài đang mở rộng việc khoan thăm dò trên vùng biển Đông với nhu cầu ngày càng tăng lên Tình hình biển Đông đang rất căng thẳng với các hành động gây hấn của Trung Quốc về lãnh thổ Do đó việc chế tạo các giàn khoan tự nâng sau đó tàu lai dắt đến và hạ thủy đi vào hoạt động sẽ khẳng định chủ quyền lãnh thổ của đất nước

Với những nhu cầu trên kết hợp với những ưu điểm về tính cơ động, ổn định khi làm việc và giá thành đầu tư thấp, giàn tự nâng đang có xu hướng phát triển mạnh

mẽ ở nước ta cũng như trên thế giới

1.2 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU CHÂN GIÀN TỰ NÂNG

1.2.1 Đặc điểm thiết kế giàn tự nâng

Thông số quan trọng nhất để thiết kế giàn kết cấu giàn khoan là tài nguyên và chiều sâu khai thác cũng như điều kiện môi trường Tiêu chuẩn kinh tế kết hợp với điều kiện môi trường và dữ liệu địa kĩ thuật ảnh hưởng đến sự lựa chọn hệ thống và các kích thước chính Trong trường hợp cụ thể, việc chế tạo, di chuyển, lắp đặt, khai thác và tháo dỡ cũng rất quan trọng Kích thước kết cấu phụ thuộc rất lớn vào tải trọng hoạt động và tải trọng lâu dài do môi trường Tiêu chuẩn kỹ thuật sẽ được xác định dựa trên điều kiện môi trường cực đại và tải trọng thủy động lực học môi trường biển Thiết kế kết cấu giàn khoan có một số đặc trưng đặc biệt; hình 1.4:

Hình 1 4 Sơ đồ thiết kế kết cấu giàn tự nâng

- Lực theo phương ngang nói chung gấp khoảng 10 lần so với kết cấu trên đất liền lực này gây ra bởi lực sóng và gây ra momen uốn và momen lật cực đại

- Kích thước phụ thuộc vào trạng thái vùng biển và thiết kế được xác định dựa trên tải trọng cực đại hoặc độ bền mỏi

- Nền địa chất đáy biển

Kết cấu giàn khoan

Điều kiện ban đầu và yêu cầu chức năng

Điều kiện môi trường

Mật độ, thành phần nước,

Độ gắn kết, xói lở của địa chất

Dữ liệu hệ thống Khoảng cách từ đất liền, sản lượng khai thác, chi phí đầu tư và hoạt động, giá xăng dầu, dữ liệu về tính kinh tế và chính trị, khối lượng và chiều sâu khai thác tài nguyên

- Chất lỏng bao quanh kết cấu sẽ tạo ra lực nâng một phần hoặc toàn bộ kết cấu,

do đó cho phép chế tạo giàn khoan nổi giống như tàu thủy được neo giữ tại nơi khai thác

- Không giống như kết cấu xây dựng trên đất liền, kết cấu giàn khoan thường được xây dựng trên vùng bờ biển cách xa nơi lắp đặt và không có sự chuẩn bị nền móng

1.2.2 Đặc điểm kết cấu chân giàn tự nâng

- Chức năng làm việc của chân giàn:

+ Nâng thân giàn lên độ cao tránh sóng đánh khi làm việc,

+ Chống lại tác động trực tiếp tải trọng môi trường,

+ Truyền tải trọng phát sinh từ môi trường, thân giàn và hệ thống chân đế trong

quá trình giàn khoan làm việc

- Số lượng chân của giàn tự nâng: phụ thuộc vào chiều sâu của vùng nước hoạt

động Ở chiều sâu vùng nước lớn hơn 60m, thường dùng ba chân và đây là xu hướng sử dụng hiện nay Đầu những năm bảy mươi chỉ có 60% giàn ba chân, giữa những năm bảy mươi con số đó đã vượt quá 75%, sau những năm tám

mươi tỷ lệ này dần tiến đến 100%

Bảng 1 3 Thống kê giàn tự nâng theo số chân, [1]

- Kết cấu chân giàn:

+ Chân giàn có mặt cắt ngang hình vuông gồm có 4 cột chống chính bố trí tại 4

đỉnh hình vuông và thanh giằng ngang, giằng chéo liên kết với nhau tạo thành

+ Chân giàn có mặt cắt ngang hình tam giác đều với ba cột chống chính bố trí tại ba đỉnh tam giác liên kết với các thanh giằng ngang và thanh giằng chéo tạo

thành Đây là dạng kết cấu đang được sử dụng phổ biến hiện nay

Hình 1 5 Các dạng mặt cắt ngang kết cấu chân giàn

- Kết cấu chân đế dạng tấm nền (mat footing): có dạng hình khối chữ nhật với

vách ngăn và có thể chứa nước khi cần đánh chìm chân đế Loại chân đế này được sử dụng cho tất cả các loại chân giàn

Hình 1 6 Kết cấu chân đế dạng tấm nền

Ưu điểm: Tất cả các chân giàn đều liên kết và truyền tải trọng xuống một chân

đế chung; tải trọng truyền qua chân đế và xuống nền đất sẽ nhỏ hơn so với chân đế hình nón nên thường áp dụng cho những giàn tự nâng hoạt động ở vùng biển nền đất yếu Ngoài ra, thân chân đế này tạo ra lực nổi đáng kể để nâng toàn giàn lên phía trên tạo điều kiện thuận lợi cho việc di chuyển giàn

Nhược điểm: không thích hợp khi làm việc ở vùng đáy biển không bằng phẳng,

hoặc đáy biển có độ nghiêng vì sẽ gây ra mô men uốn lớn lên chân giàn và chân đế khi làm việc Đồng thời chân đế này cũng khó sử dụng khi đáy biển có những vật cản trở như đường ống dẫn, các mảnh vỡ…Ngoài ra khi bơm nước vào các khoang của chân đế trong quá trình hạ giàn có thể gây ra mô men nghiêng lớn và tổn thất ổn định của toàn giàn và phải trang bị thêm thêm thiết bị bơm nước

- Chân đế dạng hình nón:

Hệ thống nâng hạ chân giàn (pinion jacking system): Mỗi chân giàn có một

cụm chi tiết nâng hạ gồm sáu bộ bánh răng đặt tại ba cột chống chính ở ba góc của chân; mỗi bộ bánh răng có bộ phận truyền động riêng Hệ thống truyền động bánh răng được đặt tại lầu trên boong Mỗi bộ răng có khả năng nâng tải trọng tối đa đến

200 hoặc 300 tấn Vận tốc bình quân đang sử dụng trên các giàn là 0,5m/phút

CHƯƠNG 2 - TẢI TRỌNG MÔI TRƯỜNG TÁC DỤNG

LÊN GIÀN TỰ NÂNG

Tải trọng do môi trường gồm có: tải trọng do sóng và dòng chảy, tải trọng do gió, tải trọng do chuyển động của nền địa chất đáy biển Trong đó tải trọng sóng và

dòng chảy; tải trọng do gió có ảnh hưởng lớn và là các thành phần tải trọng do môi trường được xem xét đầu tiên trong thiết kế kết cấu giàn tự nâng

2.1 TẢI TRỌNG SÓNG

2.1.1 Một số lý thuyết sóng và phạm vi áp dụng

2.1.1.1 Lý thuyết sóng Airy

Lý thuyết sóng này thừa nhận các giả thiết sau:

- Độ dâng mặt sóng được biểu diễn dưới dàng hàm sinus hoặc cosine:

z = (x,z,t) = acos = acos(kx - t) (2.1)

- Chiều cao sóng H nhỏ hơn nhiều so với chiều dài sóng  và chiều sâu vùng nước d

- Hình dạng sóng không thay đổi theo phương ngang y

- Thế vận tốc được biểu diễn là tích số của ba hàm số mà mỗi hàm số này là hàm của một biến số độc lập với nhau:

cosh k(z+d)  sinh k(z+d)  cosh kd  sinh kd 

- Đối với vùng nước nông: d/ 0,04 hay kd  0,25:

cosh k(z+d)  cos kd  1; 2

= gk2d sinh k(z+d)  k(z+d) và sinh kd  kd

Độ dâng mặt sóng, áp suất thủy động, vận tốc, gia tốc của phần tử nước xác định dựa trên thế vận tốc sóng được tổng hợp trong Bảng 2.1

Bảng 2 1 Thông số sóng tuyến tính Thông số của

2 = gk2d 2 = gk tanh kd 2 = gk

Chiều dài sóng

gd T

Số sóng

Quỹ đạo hạt

2.1.1.2 Lý thuyết sóng Stokes

Độ dâng mặt sóng trong trường hợp sóng 2 chiều:

Điều kiện biên áp suất trên mặt thoáng không đổi:

Đưa phương trình Bernoulli vào biểu thức này ta được điều kiện biên chính xác trên mặt thoáng:

Thế vận tốc và độ dâng mặt sóng được khai triển dưới dạng chuỗi lũy thừa của tham số nhiễu :

 = 1 + 22 + 33 +…+ nn (2.7)

 = 1 + 22 + 33 +…+ nn (2.8) Mỗi thế vận tốc i đều thỏa mãn phương trình Laplace và các điều kiện biên ở trên Tại mặt thoáng thế vận tốc được khai triển dưới dạng chuỗi Taylor quanh bề mặt nước tĩnh sẽ thu được sự xấp xỉ của sóng bậc cao

(2.9) Thay biểu thức này vào biểu thức độ dâng mặt sóng và điều kiện biên mặt thoáng ở trên ta sẽ xác định được thế vận tốc và độ dâng mặt sóng Tương ứng với

bậc n của khai triển Taylor này ta xác định được thế vận tốc, từ đó xác định được độ

dâng mặt sóng, vận tốc và gia tốc của phần tử nước; áp suất thủy động trong toàn miền chất lỏng khảo sát và gọi là lý thuyết sóng Stokes bậc n

Hình 2 2 Biên dạng sóng Stokes bậc 5

 Các thông số sóng Stokes bậc 2 được liệt kê trong Bảng 2.2

 Các thông số sóng Stokes bậc 5 nhƣ sau:

- Thế vận tốc sóng:

kx)-td)}cos(

+cosh{k(z5

H

55 35 5 1 - i 33 1 - i 3 5

kd g

4 1

i i

k

kx t i

- Vận tốc hạt nước theo phương x:

Di cosh{k(z + d)}sin{i( t - kx)}

5 1

- Vận tốc hạt nước theo phương z:

kx)}

t d)}cos{i(

-+ sinh{ik(z

Di5 1

- Gia tốc hạt nước theo phương x:

kx)}

t d)}cos{i(

-+ cosh{ik(z

Di5

-+ sinh{ik(z

Di5

3 1 11 1

24

4 1 22

2 1

35

5 1 33

3 1

13

)sinh(

8

1)cosh(

5)cosh(

kd

kd kd

})sinh(

1536/{

}18)cosh(

249)

cosh(

2641

)cosh(

1992)

cosh(

1140)

cos(

1184{

11 2

4

6 8

10 15

kd kd

kd

kd kd

kd A

)sinh(

8

3

kd

768/{

}17)cosh(

480

)cosh(

312)

cosh(

424)

cosh(

192

{

10 2

4 6

8 24

kd kd

kd kd

kd A

)sinh(

64

)cosh(

413

kd

kd

)}1)cosh(

6)(

)(sinh(

4096/{

}107)

cosh(

3154)

cosh(

16704

)cosh(

12808)

cosh(

6800)

cosh(

4224)

cosh(

512

{

2 13

2 4

6 8

10 12

kd kd

kd kd

kd kd

A

)}

1)cosh(

6)(

)(sinh(

1536{

}197)

cosh(

1338)

cosh(

816)

cosh(

80{

2 10

2 4

kd kd

kd A

)}

3)cosh(

11)cosh(

8)(

1)cosh(

6)(

)(sinh(

61440

/{

}16245)

cosh(

163470)

cosh(

432000

)cosh(

324000)

(72480)

cosh(

2880{

2 4

2 11

2 4

6 8

10 55

kd kd

kd kd

kd kd

kd A

3

2

22

)sinh(

4

)cosh(

}1)cosh(

2

{

kd

kd kd



})sinh(

384/{

}21)cosh(

322

)cosh(

192)

cosh(

504)

cosh(

272){

cosh(

9 2

4 6

8 24

kd kd

kd kd

kd kd

64

})cosh(

6()sinh(

12288

/{

}81)cosh(

54)cosh(

6264)

cosh(

21816)

cosh(

54000

)cosh(

70848)

cosh(

208224)

cosh(

88128

{

2 12

2 4

6 8

10 12

14 35

kd kd

kd kd

kd kd

kd B

)}

1)cosh(

6()sinh(

384/{

)}

21)cosh(

106

)cosh(

48)cosh(

48)cosh(

448)

cosh(

768)(

{cosh(

2 9

2

4 6

8 10

kd

kd kd

kd kd

kd B

)}

3)cosh(

11)cosh(

8)(

1)cosh(

6()sinh(

12288

/{

}225)

cosh(

1050)

cosh(

1800

)cosh(

7160)

cosh(

7280)

cosh(

20160

)cosh(

83680)

cosh(

262720)

cosh(

192000

{

2 4

2 10

2 4

6 8

10

12 14

16 55

kd kd

kd kd

kd kd

kd

kd kd

kd B

4

2 4

1

)sinh(

8

9)cosh(

8)cosh(

8

kd

kd kd

6()sinh(

512/{

}147)

cosh(

1830)

cosh(

5944

)cosh(

1008)

cosh(

2592)

cosh(

4096)

cosh(

3840{

2 10

2 4

6 8

10 12

kd kd

kd kd

kd kd

C

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5

a=0.25 a=0.30

Hình 2 3 Biên dạng sóng Airy và sóng Stokes bậc 2

Ở đó K, E tương ứng là các tham số của tích phân elliptic đầy đủ bậc 1 và bậc2

phụ thuộc vào modun m Mối quan hệ giữa K, m, H,  và d qua biểu thức:

Đại lượng min biểu diễn qua độ cao sóng bằng công thức:

- Vận tốc của hạt nước theo phương ngang x:

- Gia tốc hạt nước theo phương x được xác định:

- Sóng dùng để áp đặt các lực từ môi trường cho những công trình quan trọng trên biển thường là sóng “thế kỷ”, có nghĩa là với chu kỳ 100 năm mới có con sóng như vậy thì cần sử dụng các lý thuyết sóng phi tuyến Lý thuyết sóng miêu tả sát nhất là sóng Stokes bậc năm hoặc lý thuyết hàm dòng

- Trên đồ thị, vùng phía trên đường giới hạn (Braking limit) gọi vùng sóng vỡ được khuyến cáo không áp dụng khi thiết kế công trình trên biển

2.1.2 Tải trọng sóng

2.1.2.1 Tải trọng sóng tác dụng lên ống trụ nằm xiên

Đối với những kết cấu đường kính nhỏ (D/ < 0,2), tải trọng sóng xác định dựa trên mô hình tính của Morison Trong đó, tải trọng sóng là tổ hợp của lực quán tính

và lực cản Lực quán tính do gia tốc dòng chảy gây ra và lực cản gắn liền với vận tốc của dòng chảy

Lực do sóng, dF, tác dụng lên phần tử ống trụ nằm xiên đường kính D, chiều dài

ds được xác định theo công thức Morison:

Hình 2 6 Thành phần vận tốc sóng tác dụng lên phần tử ống trụ

Phần tử ống trụ ds được xác định theo véc tơ đơn vị:

Vận tốc hạt nước được biểu diễn dưới dạng véc tơ:

Véc tơ lực sóng theo phương trình Morison trở thành:

Trong đó: CM, CD lần lượt gọi là hệ số lực quán tính và hệ số lực cản

- Mặt khác ta có số Keulegan-Carpenter, KC, biểu diễn mối quan hệ giữa vận tốc sóng cực đại theo phương ngang ua và chu kỳ sóng T với đường kính hình trụ D Với sóng tuyến tính trên nước sâu:

Do đó ta có tỷ lệ giữa lực cản lớn nhất và lực quán tính lớn nhất ở độ sâu z:

Như vậy ở vùng nước sâu, cực trị và góc pha của tải trọng sóng phụ thuộc vào

tỷ lệ H/D hay KC và độ sâu của vùng nước Xét trường hợp CM = 2, CD = 1 ta có:

o : (fd)max > 0,5 (fm)max, có nghĩa là lực cản chiếm giá trị vƣợt trội trong tải trọng sóng

o : (fd)max 0,5 (fm)max, có nghĩa là lực cản chiếm giá trị vƣợt trội trong tải trọng sóng

Cực trị của tải trọng sóng và góc pha thay đổi theo KC hay tỷ lệ H/D, tại vị trí mặt thoáng đƣợc minh họa nhƣ sau:

Hình 2 10 Hệ số C D , C M theo qui phạm DNV Bảng 2 3 Hệ số C M , C D theo tiêu chuẩn API, SNAME

2.1.3 Đặc trƣng sóng vùng biển phía nam Việt Nam

2.1.3.1 Đặc trưng của sóng theo trạng thái biển ngắn hạn

Ở mỗi trạng thái biển ngắn hạn ngẫu nhiên đƣợc đặc trƣng bởi chiều cao sóng

Hmax và chu kì sóng Tmax hoặc chiều cao sóng hữu dụng Hs và chu kì sóng trung bình Tz Theo Đăng kiểm BV ta có:

Tmax = 2 + 0,476Hmax, với Hmax < 31,5m ;

KC

CD

Hs = Hmax/1,86 ; Hs = 1,65Tz – 4,33

Trong đó: H đo bằng [m]; T đo bằng [s]

Tùy theo đặc điểm vùng biển, thời gian hoạt động của công trình, trường hợp tính toán mà phân tích, lựa chọn đặc trưng của sóng để tính toán tải trọng sóng và kiểm nghiệm độ bền cho công trình

2.1.3.2 Đặc trưng của sóng theo trạng thái biển dài hạn

Đặc trưng quan trọng của trạng thái biển dài hạn là biểu đồ phân tán sóng Vùng biển thềm lục địa phía Nam có biểu đồ phân tán sóng trong một năm (không

kể hướng) được cho bởi bản đồ sóng Hogben và Lumb ứng với khu vực N062

Số con sóng vùng biển phía Nam nước ta ứng với các cặp (Hi,Ti) khác nhau theo

số liệu thống kê như bảng dưới đây Tổng cộng có khoảng 5 triệu sóng một năm

Bảng 2 4 Biểu đồ phân tán sóng vùng biển phía Nam (Bản đồ sóng Hogben-Lumb)

So sánh với chu kì riêng của giàn tự nâng được thiết kế để khai thác trong vùng biển này ta sẽ xác định được chiều sóng, chu kì sóng tương ứng với xác suất xuất hiện của con sóng đó là lớn nhất để áp dụng tính toán tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu giàn tự nâng

0 ÷ 1,86 315000 710000 520000 180000 40000 5000 5000 35,4

Tần suất

fi (%)

Theo số liệu thống kê của Vietsovpetro, tần suất sóng theo các hướng được cho trong bảng sau

Bảng 2 5 Tần suất sóng theo các hướng của vùng biển phía Nam

Tần suất (%) 0,6 44,5 9,4 2,2 3,3 26,3 12,9 0,7

Như vậy, cùng với hướng gió mùa, sóng hướng Đông Bắc chiếm tỉ lệ cao nhất (44,5%), sau đó là sóng hướng Tây Nam (26,3%) và hướng Tây (12,9%) Do đó, khi thiết kế các công trình biển làm việc trung vùng này ta giả thuyết rằng chúng được đặt theo hướng bất lợi nhất là hướng Đông Bắc

2.2 TẢI TRỌNG GIÓ

Tải trọng gió thường được xác định trong thiết kế bằng hai cách như sau:

1- Tải trọng gió được coi là lực không đổi (đều), vận tốc gió là vận tốc trung bình trong một phút được sử dụng để tính tải trọng

2- Tải trọng gió kể đến ảnh hưởng của thành phần động bằng tổ hợp tải trọng tĩnh và thành phần biến đổi theo thời gian tính từ phổ gió phù hợp Vận tốc gió trung bình trong một giờ được sử dụng để tính tải trọng gió tĩnh

Cách thứ nhất thường được sử dụng hơn để tính toán tải trọng gió vì không cần thiết phải xây dựng phổ năng lượng gió Áp suất gió pw trên mặt chắn gió cụ thể:

p w = 0,610 CsChVr 2 N/m2 ; (2.35) Trong đó:

Cs: hệ số hình dạng được xác định bằng tra bảng

Ch: hệ số tính đến sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao:

Vr = vận tốc gió tại độ cao tham chiếu z r = 10 m (33ft)

β = 0,09- 0,16: đối với vận tốc gió trung bình một phút

0,125 : đối với vận tốc gió trung bình một giờ

Bảng 2 6 Hệ số hình dạng Cs cho các loại mặt chắn gió

Phần thân giàn phía trên mực nước 1,0

Các kết cấu độc lập (cần cẩu, dầm, ) 1,5

Các phần tử dưới boong có dạng mặt trơn nhẵn 1,0

Các phần tử dưới boong (dầm và xà lộ thiên) 1,3

Bảng 2 7 Hệ số chiều cao Ch cho các mặt chắn gió

0 đến < 15,3 0 đến <50 1,00 1,00 15,3 đến < 30,5 50 đến <100 1,18 1,23 30,5 đến < 46,0 100 đến <150 1,31 1,40 46,0 đến < 61,0 150 đến <200 1,40 1,52 61,0 đến < 76,0 200 đến <250 1,47 1,62 76,0 đến < 91,5 250 đến <300 1,53 1,71 91,5 đến < 106,5 300 đến <350 1,58 1,78

Tải trọng do gió: F w = p w A w (2.36)

A w =diện tích hình chiếu theo phương vuông góc với hướng gió, m2

CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH ĐỘ BỀN CHÂN GIÀN TỰ NÂNG THEO

- Xấp xỉ nút trên mỗi miền con ve chỉ liên quan đến những biến nút gắn vào nút của ve và biên của nó,

- Các hàm xấp xỉ trong mỗi miền con ve được xây dựng sao cho chúng liên tục trên ve và phải thoả mãn các điều kiện liên tục giữa các miền con khác nhau

- Các miền con ve được gọi là các phần tử

Do vậy dạng hình học của phần tử sẽ phụ thuộc vào dạng hình học của V Đối với mỗi bài toán cụ thể thì số phần tử, hình dạng hình học và kích thước của mỗi phần tử sẽ phụ thuộc vào hàm xấp xỉ lựa chọn và độ hội tụ của bài toán Các hàm xấp xỉ này được tính thông qua các giá trị của nó (đôi khi qua các giá trị đạo hàm của nó) tại các điểm nút trên phần tử và các giá trị này được gọi là các bậc tự do của

phần tử đồng thời cũng là ẩn số cần tìm của bài toán

Các dạng PTHH thường gặp bao gồm: phần tử một chiều, hai chiều và ba chiều Trong mỗi dạng đó, đại lượng khảo sát có thể biến thiên bậc nhất (gọi là phần tử bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba:

- Phần tử một chiều:

Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba

- Phần tử hai chiều: