Tính toán ổn định công trình biển dạng bán tiềm thủy trong điều kiện biển việt nam

Công trình biển dạng bán tiềm thủy bán chìm là công trình được ứng dụng rất rộng rãi trong việc khai thác dầu khí ở các nước đang phát triển: Mỹ, Brazil, Nauy…Việc tính toán ổn định của

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU……… 4

CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM 5

1.1 Quá trình hình thành và phát triển của công trình biển bán chìm 5

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong tính toán ổn định công trình biển bán chìm 6

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN TIỀM THỦY 8

2.1 Khái niệm về ổn định công trình biển bán tiềm thủy- giàn bán chìm 8

2.1.1 Ổn định góc nhỏ 8

2.1.2 Ổn định góc lớn 9

2.1.3 Đường cong cánh tay đòn hồi phục 14

2.1.4 Mô men hồi phục 16

2.2 Bài toán ổn định công trình biển bán chìm 19

2.3 Kết luận 25

CHƯƠNG III: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO GIÀN KHOAN BÁN CHÌM TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM 26

3.1 Xây dựng mô hình tính toán 26

3.1.1 Xây dựng mô hình tính toán bằng phần mềm ANSYS 26

3.1.2 Xây dựng điều kiện biên tính toán 27

3.1.3 Kết quả phân tích chuyển động của giàn 28

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36

1.Kết luận 36

2.Kiến nghị 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-1: Quá trình hình thành và phát triển giàn bán chìm………5

Bảng 3-1: Thông số hình học dàn bán chìm………23

Bảng 3-2: Thông số khí tượng thủy hải văn………24

Bảng 3-3: Kết quả tính toán ổn định giàn bán chìm………26

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1-1: ……….………5

Hình 2-1: ……… 10

Hình 2-2: ………11

Hình 2-3: ………13

Hình 2-4: ……… 14

Hình 2-5: ……… 16

Hình 2-6: ………17

Hình 2-7: ……… 18

Hình 2-8: ……… 19

Hình 2-9: ……… 20

Hình 2-10: ………21

Hình 3-1……….23

Hình 3-2: ……… 24

Hình 3-3: ……… 25

Hình 3-4: ………26

Hình 3-5: ……… 27

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Công trình biển dạng bán tiềm thủy (bán chìm) là công

trình được ứng dụng rất rộng rãi trong việc khai thác dầu khí ở các nước đang phát triển:

Mỹ, Brazil, Nauy…Việc tính toán ổn định của dạng kết cấu này là tương đối phức tạp, bởi sự đa dạng của các tải trọng tác động lên nó trong quá trình khai thác Trên thế giới, cũng đã có nhiều các công trình, cũng như bài báo khoa học nghiên cứu và đánh giá độ

ổn định của dạng kết cấu này, tuy nhiên những kết quả đó chỉ phù hợp với từng vùng biển nhất định

Ở Việt Nam chúng ta, các tài liệu cũng như các công trình khoa học đánh giá ổn định hoạt động của dàn bán chìm còn tương đối hạn chế Chúng ta mới chỉ có một công trình là giàn khoan Đại Hùng, tuy nhiên số liệu thu thập để tính toán còn chưa đầy đủ, khối lượng tính toán là hết sức phức tạp Do đó, cần phải có những đánh giá cụ thể về độ

ổn định của công trình trong điều kiện biển Việt Nam để áp dụng vào khai thác trong thực tiễn

Mục đích Nghiên cứu, đánh giá độ ổn định của công trình biển bán chìm trong quá

trình khai thác, chịu tác động của tải trọng sóng, gió trên biển Đông- Việt Nam Từ đó,

đưa ra các kết luận để tối ưu tính ổn định của kết cấu này

Nội dung và phương pháp nghiên cứu Trình bày tổng quan về công trình biển

dạng bán chìm, lý thuyết tính toán ổn định, cũng như kết quả phân tích trong điều kiện biển Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu: Áp dụng mô hình toán học hiện đại (module ANSYS- AQWA) dựa trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp đồ thị theo Tiêu chuẩn và Qui phạm về Thiết kế Công trình biển di động để tính toán [1]

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Xây dựng mô hình toán học để đánh giá độ ổn định của

công trình biển bán chìm, đồng thời là cơ sở kiểm nghiệm cho mô hình vật lý sau này Kết quả của đề tài áp dụng vào thiết kế công trình biển dạng bán chìm

CHƯƠNG I: QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM

1.1 Quá trình hình thành và phát triển của công trình biển bán chìm

Giàn khoan bán chìm là công trình nổi trên biển dùng trong thăm dò và khai thác dầu khí Nó có dạng bè mảng nửa chìm, nửa nổi nên tự ổn định được ở trong môi trường biển và đại dương Khi khai thác ở xa bờ, giàn bán chìm dùng chủ yếu là chức năng khoan và khai thác Loại giàn khoan này tiết kiệm chi phí và rất ổn định Giàn khai thác bán chìm đầu tiên là Argyll FPF được chuyển từ giàn khoan bán tiềm thủy Transworld 58 vào năm 1975 sử dụng cho mỏ dầu Argyll Hamilton Brothers North Sea [1] Dàn khoan này được sử dụng cho độ sâu 150 mét nước

Khi ngành công nghiệp dầu khí vươn tới những vùng biển xa hơn, khắc nghiệt hơn, thì những dàn khoan bán chìm chuyên dụng và chuyên nghiệp được đưa vào sử dụng Thập niên 1980-1990, nhiều công ty lớn ở Brazil đã thiết kế các dàn bán chìm có

độ sâu nước 300m, như là các giàn P-15 Pirauna Brazil 243 m nước, P-09 Corvina 230 mét nước Giai đoạn 1990-2000, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, và đặc biệt là sự phát triển mạnh mẽ của các công cụ tính toán hiện đại, các công ty thiết kế công trình biển đã thiết kế được các giàn bán chìm có thể hoạt động ở các độ sâu tới gần 1000m nước Có thể kể đến các giàn P-18 Marlim 910 m nước, và Innovator Marlim 914m nước

Thập niên đầu tiên của thế kỷ 21, ngành khoa học về công trình biển đã tiến một bước rất dài trong việc thiết kế các giàn bán chìm Tiên phong là 3 nước Brazil, Mexico

và Nauy Lần lượt các giàn khoan hoạt động ở độ sâu 2000m nước đã đi vào hoạt động

và đạt hiệu quả cao Ví dụ: Dàn Blind Faith – 1980m nước; Independence Hub- 2015m nước [2]

Bảng 1.1 Sự phát triển của các giàn bán chìm

STT Tên giàn Mỏ Khu vực Độ sâu

5 Innovator Marlim Brazil 914 1996

6 Atlantis PQ Atlantis

Oil Field Vịnh Mexico 2156 2006

7 Independence

Hub 10 fields Vịnh Mexico 2015 2007

8 Blind Faith Blind Faith Vịnh Mexico 1980 2008

9 P-55 Roncador Brazil 1707 2012

c)

Hình 1-1 Giàn bán chìm P-52 Brazil Chiều sâu nước làm việc 1800m

a)- Toàn cảnh giàn P52; b) Vị trí làm việc: c) Chân đế giàn P52

1.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong tính toán ổn định công trình biển bán chìm

Ngày nay trong lĩnh vực xây dựng có rất nhiều công cụ phục vụ việc ứng dụng tự động hóa trong công tác tư vấn thiết kế và tính toán cho giàn bán chìm:

- Sử dụng các chương trình phần mềm như Excel, Flow-3D, MASP 1.0…

- Sử dụng module AQWA- ANSYS

Mỗi chương trình phầm mềm nêu trên đều có những ưu nhược điểm riêng, trong phạm vi đề tài sẽ đi sâu vào giới thiệu ứng dụng module AQWA- ANSYS R.17 để phân tích ổn định cho giàn bán chìm

http://sfmarinausa.com/floating-breakwaters/

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN TIỀM THỦY

2.1 Khái niệm về ổn định công trình biển bán tiềm thủy- giàn bán chìm

Các công trình biển di động có rất nhiều ưu điểm trong quá trình khai thác, song cũng gặp nhiều bất lợi trước tác động của yếu tố môi trường, nhất là đối với giàn bán chìm Do vậy, việc nghiên cứu tác động của môi trường đến giàn bán chìm trong quá trình khai thác và di chuyển là nhu cầu cấp thiết, được đặt ra từ lâu và đến nay chưa có điểm dừng Mối quan hệ đó thể hiện rõ nét qua ứng xử của giàn với môi trường Ứng xử của giàn bán chìm có nhiều nội dung, trong đó ổn định là một nội dung quan trọng Việc tính toán ổn định giàn bán chìm, được thừa hưởng từ việc tính toán ổn định của tàu Tuy nhiên do đặc trưng cấu tạo mà ổn định giàn bán chìm có nhiều điểm khác biệt

Đối với giàn nổi nói chung, lực nổi tương đương với trọng lượng nước bị chiếm chỗ

và đặt tại trọng tâm của thể tích khối chất lỏng bị chiếm chỗ Thể tích này có thể chia làm

n phần [9]:

1

n i i



 (2.1) Với các tọa độ trọng tâm tương ứng (xi, yi, zi) so với đáy của sống giàn K, có thể xác định tâm nổi B0(xB; yB; zB):

0 1

n

i i i B

V x x

n

i i i B

V y y

n

i i i B

V z z

2.1.1 Ổn định góc nhỏ

Nếu giàn từ vị trí cân bằng xoay theo trục ngang một góc nhỏ  sẽ làm thay đổi thể tích chiếm nước và tâm nổi sẽ thay đổi vị trí Phương tác dụng của lực nổi tại vị trí mới giao với phương tác dụng của lực nổi ở vị trí trước tại tâm nghiêng M0 Cánh tay đòn ổn định tĩnh hay hồi phục h= GZ0 Mô men hồi phục:

M R .g V GZ0  .g V GM0sin (2.2) xoay giàn trở về vị trí ban đầu nếu tâm nghiêng nằm trên trọng tâm, GM0>0 Nếu tâm nghiêng nằm dưới trọng tâm thì GM0âm thì giàn mất ổn định Chính vì vậy mà chiều cao

tâm nghiêng ban đầu được gọi là chiều cao ổn định ban đầu GM0 Vì vậy, GM0 là thước

đo ổn định của giàn trong phạm vi góc nghiêng nhỏ

Hình 2.1- Ổn định giàn bán chìm 2.1.2 Ổn định góc lớn

Tại góc nghiêng lớn, các điểm giao nhau của các phương tác dụng của các lực nổi

kề nhau không còn năm trên trục đối xứng dọc của giàn nữa Tâm nghiêng thay đổi vị trí Phương tác dụng của lực nổi giao với mặt phẳng đối xứng của giàn tại tâm nghiêng N Hình vẽ dưới đây thể hiện đường cong vị trí tâm nổi và tâm nghiêng cũng như sự thay đổi đường nước tương ứng của dàn có mạn đứng Vì tâm nổi là giao của hai phương tác dụng liên tiếp của lực nổi trên đường cong M là lũy tích của các tiêu điểm của các đường cong B, nghĩa là nó là đường pháp tuyến bao của đường cong đó Trong trường hợp giàn có mạn đứng thì đường cong B đơn giản là đường parabol Với góc nghiêng lớn thì mô men hồi phục MR được xác định bằng công thức sau:

M R .g V GZ  .g V GNsin  .g V GM 0M N0 sin (2.3)

GN GM M N là do tâm nghiêng biểu kiến nằm trên tâm nghiêng ban đầu M0 Điều này được giải thích là do tâm nổi không chỉ dịch chuyển vuông góc với mặt phẳng đối xứng mà còn chuyển động nâng lên song song với nó

Hình 2.2- Ổn định góc nghiêng lớn

Xác định chiều cao tâm nghiêng đối với ổn định góc lớn [1]

Chiều cao tâm nghiêng được xác định bằng phương trình sau:

GN KB0B M0 0M N0 KG (2.4) Trong trường hợp giàn có mạn đứng thì thì chiều cao tâm nghiêng bên trên tâm nổi ban đầu B N0  có thể xác định được từ mô men hồi phục của giàn nghiêng, nghĩa là từ

mô men do hai thể tích hình nêm, một nổi lên và một chìm xuống Trên hình 2.2 trọng tâm Si và Se nằm trên vị trí (2/3; 1/3) của hình tam giác Với thể tích:

2

1( )( tan ) dl tan

Độ dốc tan B

B

z y

 Khi đó B B0  và S S e i song song

Gọi IT là mô men quán tính ngang mặt cắt đường nước:

3 2

Dưới dạng này, có thể tính toán bán kính tâm nghiêng B N0  đối với dàn nhiều thân ví dụ

như dạng catamaran Ở đây, mô men của phần nổi và phần chìm của giàn được tính toán

bằng hiệu số giữa phần hình nêm theo toàn bộ chiều rộng giàn với phần hình nêm bên

trong Thành phần tham gia của chúng vào mô men hồi phục tính toán tương tự, tuy

nhiên chúng được đưa vào phương trình cân bằng mô men với dấu ngược lại, nghĩa là:

nghĩa là các biểu thức trên nói chung áp dụng cho giàn nổi có dạng 2 thân mạn đứng hay

giàn có cột ổn định miễn là phần đáy giàn không lộ ra khỏi mặt nước hay boong giàn

không chạm nước

Hình 2.3 Xác định chiều cao tâm nghiêng

Đối với giàn nhiều cột, mô men quán tính ngang mặt cắt đường nước của cột có thể xác định theo hình dạng của các cột và khoảng cách tính từ trục nghiêng Với các ký hiệu như trên hình 2.4, có thể xác định được:

3 2

0 0

2

12

h a l

h a

a: là khoảng cách từ tâm cột tới trục nghiêng

A0: diện tích mặt cắt đường nước của cột

I’T: mô men quán tính mặt cắt của đường nước

ati: Khoảng cách từ trọng tâm của từng diện tích mặt cắt đường nước tính từ trục t-t

'

tti

I : là mô men quán tính của mặt cắt đường nước cột tương ứng

Với giàn bán chìm hai thân ngầm thì mô men quán tính mặt cắt đường nước được xác định như sau:

2 0 0

0 0

2sin

0 0

2cos

Hình 2.4 Ổn định của giàn nhiều cột

Nếu bên trong giàn có các bề mặt chất lỏng tự do, ví dụ như các két trong giàn không được đổ đầy chất lỏng, thì nó sẽ ảnh hưởng tới ổn định của giàn do mô men quán

tính mặt cắt đường nước bị giảm do ảnh hưởng của mô men mặt cắt đường nước của các

bề mặt chất lỏng tự do nói trên Đối với góc nghiêng lớn thì (2.13) thay đổi và bán kính tâm nghiêng B N0  được xác định bằng công thức

2 0

1 (I )(1 )

2

m F

 là trọng lượng riêng tương ứng của nước biển

Cánh tay đòn hồi phục đối với giàn có mạn đứng với các mặt nước tự do trong m két dằn được xác định theo công thức:

2

0 1

1 [ (I )(1 ) ]sin

2.1.3 Đường cong cánh tay đòn hồi phục

Đường cong cánh tay đòn hồi phục điển hình của tàu, giàn bán chìm và giàn tự nâng được cho trên hình 2.5 Đối với góc nghiêng nhỏ thì độ dốc ban đầu là không đổi Chiều cao ổn định tổng quan ban đầu GM0 có thể xác định tại φ= 57,3 o Đối với giàn tự nâng, giá trị này có thể rất cao, nằm trong phạm vi 30-40m

Hình 2.5 Đường cong ổn định của các giàn di động

Trong khi đối với tàu và giàn bán chìm thì giá trị này chỉ từ 0,5- 2m Ngoài ra phạm

vi dương của cánh tay đòn hồi phục- vốn thường được gọi là phạm vi ổn định- của giàn

tự nâng là nhỏ

Một đặc điểm điển hình của giàn bán chìm là cánh tay đòn hồi phục gia tăng ở góc nghiêng lớn, do dự thay đổi của M N0  Đối với giàn bán chìm, đường cong cánh tay đòn hồi phục tăng nhảy bậc khi một trong các thân ngầm nhô lên khỏi mặt nước hay boong giàn chạm nước do mô men hồi phục rất lớn phát huy tác dụng Khi tính toán đường cong cánh tay đòn hồi phục, cần phải tính toán nước ngập tạo ra bề mặt chất lỏng tự nhiên bên trong giàn làm giảm mô men quán tính mặt cắt đường nước Các trọng lượng liên quan tăng lên làm tăng lượng chiếm nước và dẫn tới tăng mớn nước Vì vậy, trọng tâm bị thay đổi theo phương ngang và phương dọc

Khi vật trên boong có có trọng lượng dịch chuyển wo dịch chuyển một khoảng d từ

vị trí P tới Pi thì trọng tâm của giàn di chuyển một khoảng song song với PPi:

w0 i

i

s GG

gV



 (2.18)

Hình 2.6 Sự thay đổi cánh tay đòn ổn định khi trọng vật rời chỗ Hình 2.6 cho thấy mối liên hệ khi vật trên boong có trọng lượng w0 thay đổi:

- Khi vật dịch chuyển dọc, ví dụ như bị nâng lên, thì trọng tâm bị dịch chuyển lên phía trên Khi góc nghiêng tăng thì cánh tay đòn hồi phục hiệu dụng GZ giảm một lượng GG1sinφ Kết quả đường cong cánh tay đòn hồi phục trở thành G Z1 1 và chiều cao ổn định tổng quan cũng giảm đáng kể

- Khi vật tiếp tục di chuyển ngang thì trọng tâm dịch chuyển ngang một khoảng

G1G2 và cánh tay đòn hồi phục giảm một lượng G1G2cosφ Kết quả đường cong cánh tay đòn hồi phục trở thanh G Z2 2, giao với trục ngang tại góc nghiêng φ, tạo nên trạng thái cân bằng mới

Nếu giàn có chất tải hoặc dỡ tải thì đường cong cánh tay đòn hồi phục thay đổi

2.1.4 Mô men hồi phục

Các qui phạm thường sử dụng mô men hồi phục MR thay cho cánh tay đòn hồi phục Do đó, mô men hồi phục được xác định trực tiếp như là hàm của góc nghiêng Bằng cách tích phân, có thể xác định được diện tích bên dưới đường cong mô men hồi phục, gọi là năng lượng hồi phục

Thế năng này ứng với năng lượng xoay giàn từ vị trí cân bằng tới vị trí nghiêng ở góc φ Với góc nghiêng nhỏ, thế năng được xác định bằng:

E R gVGM0(1 cos )  (2.20) Hình 2.7 thể hiện

Hình 2.7 Cân bằng mô men

Hình 2.7 thể hiện 1 giàn bán chìm có neo trong trạng thái vận hành, giàn chịu tác dụng của gió và các lực có liên quan Lực gió tác dụng lên giàn phụ thuộc vào diện tích mặt chịu gió của giàn Do đó mà phụ thuộc vào góc nghiêng của giàn Thường thì góc nghiêng của giàn bán chìm tối đa đạt được 10o – 20o, phụ thuộc hình dạng của giàn và phương tác dụng của gió Dưới tác dụng của một xung lực, giàn bị lắc xung quanh vị trí cân bằng đến khi tổng năng lượng của mô men nghiêng cân bằng với năng lượng của mô men hồi phục Phương trình cân bằng của lắc dọc được cho dưới dạng:

: gia tốc góc của giàn

MH: mô men nghiêng

θT: là mô men quán tính khối lượng của giàn có tính tới các yếu tố thủy động , nghĩa là mô men quán tính khối lượng bổ sung Tích phân theo góc nghiêng φ, biến đổi ta thu được năng lượng động của giàn:

Hình 2.8 Ổn định động Hình (2.8a), một mômen nghiêng nhỏ tác dụng lên giàn gây ra góc nghiêng

φ1 Với một xung lực, cộng do mô men nghiêng gây ra tạo thành thế năng của mô men hồi phục Tích phân của đường cong năng lượng gây nghiêng và hồi phục giao nhau tại φ0 do diện tích của 2 đường cong mô men bằng nhau Tại góc giao nhau đó, vận tốc góc . = 0 và ta có:

nghĩa là giàn nghiêng cực đại Tại góc lắc cực đại này, mô men nghiêng nhỏ hơn

mô men hồi phục, nghĩa là cân bằng động này là cân bằng bền

Hình (2.8b) mô men nghiêng được giả thiết lớn hơn Tại trạng thái giới hạn (đường đậm nét), cân bằng năng lượng đạt được tại giao điểm thứ 2 của đường