(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tính toán thiết kế kết cấu tháp khoan trên giàn khoan tự nâng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG HÙNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÁP KHOAN TRÊN GIÀN KHOAN TỰ NÂNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 06520103 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG HÙNG NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÁP KHOAN TRÊN GIÀN KHOAN TỰ NÂNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG HÙNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÁP KHOAN TRÊN GIÀN KHOAN TỰ NÂNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hƣớng dẫn khoa học: TS VĂN HỮU THỊNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2015 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Lê Quang Hùng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 16/04/1982 Nơi sinh: Hà Tĩnh Quê quán: Bùi Xá – Đức Thọ - Hà Tĩnh Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: A904, chung cƣ 21 tầng, Phƣờng 7, Tp Vũng Tàu Điện thoại quan: 0643545701 Điện thoại nhà riêng: Fax: 0643512121 E-mail: hunglequang@pvshipyard.com.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2000 đến 05/2005 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngành học: Tự động hóa xí nghiệp cơng nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điều khiển cho biến tần ma trận Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Tháng 5/2005 Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Ngƣời hƣớng dẫn: TS Trần Trọng Minh III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác 2005-2007 Công ty One Stop System 2007 đến Công việc đảm nhiệm Kỹ sƣ thiết kế Công ty Cổ phần Chế tạo Giàn khoan Kỹ sƣ, Tổ trƣởng Dầu khí Phó phịng Phịng Thiết kế Trang LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2015 (Ký tên ghi rõ họ tên) Trang LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tơi xin đƣợc bày tỏ lịng cảm ơn tới tập thể lãnh đạo, cán bộ, giảng viên Trƣờng đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt Bộ phận Sau đại học, Khoa Cơ khí Chế tạo máy chịu trách nhiệm trực tiếp tổ chức đào tạo lớp cao học chun ngành Kỹ thuật khí Để có đƣợc kết luận văn cao học này, xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Văn Hữu Thịnh, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, động viên khích lệ tơi q trình làm luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo phòng Thiết kế, lãnh đạo Công ty - Công ty Cổ phần Chế tạo Giàn khoan Dầu khí, nơi tơi cơng tác tạo điều kiện thuận lợi thời gian, sở vật chất, phần mềm nhƣ tài liệu để tơi hồn thành khóa học luận văn cao học Tôi xin cảm ơn tất bạn bè, đồng nghiệp, ngƣời thân yêu gia đình giúp đỡ, động viên, khích lệ tơi q trình học tập hồn thành luận văn, đặc biệt hỗ trợ, góp ý đồng nghiệp ThS Ngô Tuấn Dũng, KS Đỗ Thanh Phƣơng, KS Nguyễn Văn Quân, KS Nguyễn Đông Anh Một lần xin chân thành cảm ơn! Vũng Tàu, ngày 15 tháng 10 năm 2015 Học viên LÊ QUANG HÙNG Trang TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu tổng thể giàn khoan tự nâng, kết cấu, chức cấu tạo tháp khoan giàn khoan tự nâng, thiết bị cơng nghệ, bố trí thiết bị cơng nghệ tháp khoan Từ đề tài đề xuất bƣớc (quy trình) tính tốn, thiết kế tháp khoan giàn khoan tự nâng gồm việc hệ thống hóa yêu cầu tiêu chuẩn, quy phạm, thiết lập tổ hợp tải trọng tác dụng lên tháp khoan tính kiểm tra bền cho mơ hình kết cấu tháp khoan Quy trình đề đƣợc áp dụng phân tích, tính tốn thiết kế kết cấu tháp khoan theo yêu cầu vận hành giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05 phần mềm Sesam hãng DNV Trang ABSTRACT The thesis study overall of Jack Up, structure and function of derrick, technological equipment involve to derrick, derrick equipment arrangement, detail of equipment requirement and operation Base on that, the thesis propoes design, calculation and analysis procedure of derrick on Jack Up Rig It includes summarizing code and standard, calculation combined load, carrying out strength analysis of derrick model It applies the proposed calculation and analysis to carrying out strength analysis of derrick model by using Sesam software Trang MỤC LỤC CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 13 1.1 TỔNG QUAN VỀ GIÀN KHOAN TỰ NÂNG VÀ THÁP KHOAN 13 1.1.1 Tổng quan giàn khoan giới 13 1.1.2 Giàn khoan tự nâng 14 1.1.2.1 Thân giàn khoan 15 1.1.2.2 Khối nhà sân bay trực thăng 15 1.1.2.3 Chân giàn khoan 15 1.1.2.4 Hệ thống nâng hạ 16 1.1.2.5 Dầm chìa (hệ thống kết cấu đỡ sàn khoan cụm thiết bị khoan) 16 1.1.2.6 Tháp khoan 16 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LĨNH VỰC LIÊN QUAN TRONG VÀ NGOÀI NƢỚC 19 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 21 CHƢƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THÁP KHOAN TRÊN GIÀN KHOAN TỰ NÂNG 22 2.1 TIÊU CHUẨN, QUY PHẠM, HƢỚNG DẪN KỸ THUẬT THIẾT KẾ 22 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA GIÀN 23 2.3 YÊU CẦU VỀ HỆ THỐNG THIẾT BỊ, CÔNG NGHỆ TRÊN THÁP KHOAN (PHƢƠNG ÁN CÔNG NGHỆ) 24 Đầu quay di động (Top Drive) 25 Hệ thống nâng hạ đầu quay di động, khoan cụ 26 Nhóm thiết bị hỗ trợ lắp dựng cần khoan 30 2.3.4 Nhóm sàn thao tác thiết bị phụ trợ khác 32 2.4 XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN KẾT CẤU THÁP KHOAN 40 2.4.1 Hình dạng 40 2.4.2 Vật liệu 42 2.5 QUY TRÌNH THIẾT KẾ, TÍNH TỐN KẾT CẤU THÁP KHOAN 43 2.6 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN, KIỂM TRA ĐỘ BỀN THANH 46 Trang 2.6.1 Thanh chịu kéo dọc trục 46 2.6.2 Thanh chịu nén dọc trục 46 2.6.2.1 Chiều dài tính tốn cột chịu nén dọc trục 46 2.6.2.2 Thiết kế chịu nén tâm theo ứng suất cho phép 46 2.6.3 Thanh chịu lực cắt 47 2.6.4 Thanh chịu uốn 47 2.6.5 Thanh chịu nén uốn 48 2.6.6 Thanh chịu kéo uốn 48 2.7 CHỌN TIẾT DIỆN CÁC THANH TRÊN THÁP KHOAN 48 2.7.1 Chọn tiết diện chịu nén 49 2.7.2 Chọn tiết diện chịu kéo 49 CHƢƠNG III: TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU THÁP KHOAN 50 MỞ ĐẦU 50 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ GIẢ ĐỊNH 50 PHẦN MỀM ỨNG DỤNG 51 3.4 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG 51 3.4.1 Tải trọng thân 51 3.4.2 Tải trọng công nghệ 53 Tải trọng gió 55 3.4.4 Tải trọng động (Motion Load) 57 3.4.5 Tổ hợp tải trọng 59 3.5 MÔ HÌNH KẾT CẤU THÁP KHOAN TRÊN PHẦN MỀM 65 3.6 KẾT QUẢ KIỂM TRA BỀN KẾT CẤU THÁP KHOAN 66 3.7 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 68 CHƢƠNG IV: TÍNH TỐN, KIỂM TRA CHI TIẾT NÚT ĐIỂN HÌNH 69 PHƢƠNG PHÁP TÍNH TỐN VÀ GIẢ ĐỊNH 69 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN, KIỂM TRA NÚT 69 Trang Tính tốn, kiểm tra nút Tính tốn, kiểm tra dạng nút chữ X 4.4.1.1 Mơ hình nút Vị trí nút kiểm tra Hình 4-2: Vị trí nút kiểm tra Trang 74 Hình 4-3: Chiều dày chi tiết nút Hình 4-4: Vật liệu Trang 75 Gối cố định Gối cố định Hình 4-5: Điều kiện biên Bm 296 Bm 82 Bm 298 Bm 295 Hình 4-6: Tải trọng tác dụng lên nút Trang 76 Bảng 4-3: Tải trọng tác dụng lên nút Thanh Tải trọng Fx (N) Fy (N) Fz (N) Mx(N.m) My(N.m) Mz(N.m) Bm 82 -248954 2268 3884 -7 -367 2005 Bm 295 172764 -5055 -785 -64 -1184 8521 Bm 296 -243348 462 -806 3719 1808 Bm 298 41532 -4640 -1030 13 -116 -814 4.4.1.2 Kết kiểm tra nút Ứng suất Von-mises Hình 4-7: Ứng suất Von-mises Trang 77 Hình 4-8: Ứng suất Von-mises Tính tốn, kiểm tra dạng nút chữ K 4.4.2.1 Mơ hình nút Vị trí nút kiểm tra Hình 4-9: Vị trí nút kiểm tra Trang 78 Hình 4-10: Chiều dày chi tiết nút Hình 4-11: Vật liệu Trang 79 Gối cố định Gối cố định Hình 4-12: Điều kiện biên Bm 126 Bm 258 Bm 303 Bm 256 Bm 328 Bm 257 Bm 329 Bm 254 Bm 302 Hình 4-13: Tải trọng tác dụng lên nút Trang 80 Bảng 4-4: Tải trọng tác dụng lên nút Tải trọng Thanh Fx (N) Fy (N) Fz (N) Mx(N.m) My(N.m) Mz(N.m) Bm 254 -2553 -360 -2066 -0.27 -2669 -326 Bm 256 16983 -1525 -1786 2.7 1805 -944 Bm 257 445 1216 778 8.14 1676 -1436 Bm 258 -61621 8635 474 0.66 3056 863 Bm 303 -458629 -592 2273 926 1294 Bm 328 487012 -4627 -100 6.78 6476 2724 Bm 329 -173305 -331 3665 -6.6 2958 4005 4.4.2.2 Kết kiểm tra nút Ứng suất Von-mises Hình 4-14: Ứng suất Von-mises Trang 81 Đánh giá kết kiểm tra nút 4.4.3 - Ứng suất Von-mises cho phép thép AH36 =319.82 MPa - Ứng suất Von-mises lớn kết cấu chi tiết nút chữ X = 268.4 MPa Hệ số UC = 268.4/319.82 = 0.84 < Ứng suất Von-mises lớn kết cấu chi tiết nút chữ K = 193.6 MPa - Hệ số UC = 268.4/319.82 = 0.60 < Kết luận: 4.5 - Kết cấu nút đảm bảo điều kiện bền - Hệ số sử dụng vật liệu hợp lý Tính tốn chi tiết bu lơng Tính tốn bu lơng cho điển hình cho nút dạng nút chữ X (mục 4.4.1) Bm 82 Hình 4-15: Kết cấu nút dạng chữ X Thanh Bm 82, lực dọc -248954 N Chọn ghép dày t = 35mm Chọn bu lơng đƣờng kính D =20 mm, cƣờng độ chịu cắt 150 MPa, cƣờng độ chịu kéo 170 MPa - Khả chịu cắt bu lông: Rnc = FnAb = 150.(102.3.14) = 47123 N Trang 82 - Khả chịu ép mặt bu lông: Rne=1,2Lc.t.Fu = 1,2.15.18.170= 55080 N Số lƣợng bu lông cần thiết: N= N 0.75*Min(R nc , R ne ) = 248954/(0.75*47123) = 7.04 Lấy N= bu lông Trang 83 CHƢƠNG V: KẾT LUẬN Các kết đạt đƣợc 5.1 Luận văn nghiên cứu tổng thể giàn khoan tự nâng, kết cấu, chức cấu tạo tháp khoan giàn khoan, thiết bị công nghệ, thiết kế bố trí thiết bị cơng nghệ tháp khoan, chi tiết yêu cầu kỹ thuật, vận hành tháp khoan nhƣ yêu cầu thiết kế Nội dung luận văn trình bày quy trình bao gồm bƣớc tính tốn, thiết kế tháp khoan, hệ thống lại tiêu chuẩn, quy phạm áp dụng để thiết kế tháp khoan cơng trình khoan thăm dị khai thác dầu khí Trên sở u cầu kỹ thuật-cơng nghệ chủ đầu tƣ (Dự án Tam Đảo 05), yêu cầu tiêu chuẩn quy phạm, số liệu môi trƣờng, tải trọng tác động, nội dung luận văn nghiên cứu, phân tích lựa chọn kết cấu tháp khoan cho giàn khoan tự nâng, tính tốn loại tải trọng tác động lên tháp khoan, thiết lập tổ hợp tải trọng phù hợp với trạng thái vận hành khai thác để tiến hành phân tích bền ổn định kết cấu tháp khoan Áp dụng Quy trình phân tích tính tốn thiết kế tháp khoan nghiên cứu, Sử dụng phần mềm phân tích phần tƣ hữu hạn SESAM DNV, luận văn tiến hành phân tích & tính tốn thiết kế chi tiết tháp khoan cho giàn khoan tự nâng Tam Đảo 05 Quy trình áp dụng rộng rãi để phân tích tính tốn tháp khoan giàn khoan tƣơng tƣ với quy mơ, kích cỡ, cơng nghệ khoan khác Việc làm chủ quy trình sở vững để đầu tƣ nghiên cứu thiết kế chế tạo tháp khoan Việt Nam 5.2 Hƣớng nghiên cứu luận văn Tháp khoan kết cấu quan trọng giàn khoan thăm dò khai thác dầu khí, thƣờng xuyên phải chịu tác động khắc nghiệt mơi trƣờng biển nhƣ sóng, gió, ăn mịn,… tải trọng cơng nghệ khai thác Do để nghiên cứu thiết kế chế tạo kết cấu hồn chỉnh, bên cạnh nghiên cứu tính toán bền ổn định Trang 84 kết cấu cần phải nghiên cứu sâu thêm phân tích, tính tốn mà luận văn chƣa đề cập đến + Tải trọng gió tác động vào tháp khoan thực chất loại tải trọng động, kết hợp tải trọng công nghệ trình khai thác vận hành tải trọng động, q trình thiết kế tháp khoan, cần phải tiến hành phân tích động kết cấu tháp khoan + Nhƣ phân tích trên, kết cấu tháp khoan trình làm việc chịu tác động tải trọng động môi trƣờng công nghệ, tải trọng lặp lặp lại theo chu kỳ cần phải tiến hành phân tích bền mỏi kết cấu tháp khoan đánh giá tuổi thọ mỏi kết cấu cơng trình, đồng thời đánh giá độ tin cậy kết cấu tháp khoan trình vận hành tháp khoan Trang 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tam Dao 05 Technical specification_Yêu cầu kỹ thuật hợp đồng chế tạo giàn khoan Tam Đảo 05 chủ đầu tƣ “Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro” nhà thầu “Công ty CP Chế tạo Giàn khoan Dầu khí” [2] Load-Carrying Capacity Analysis on Derrick of Offshore Module Drilling Rig (Phân tích khả mang tải tháp khoan giàn khoan biển di động) nhóm tác giả Feng Guan, Chuaxi Zhou, Shizhong Wei, Wenxiu Wu Xianzhong Yi cơng bố Tạp chí “The Open Petroleum Engineering Journal” năm 2014 [3] Vibration test and assessment for an ocean drilling rig derrick: Taking the ZJ50/3150DB drilling rig as an example (Kiểm tra đánh giá rung động tháp khoan giàn khoan biển: Áp dụng cụ thể giàn khoan ZJ50/3150DB) nhóm tác giả HU Jun, TANG Yougang, LI Shixi xuất Petroleum Exploration and Development, Volume 40, Issue 1, 2013 [4] Safety Evaluation of Marine Derrick Steel Structures Based on Dynamic Measurement and Updated Finite Element Model (Đánh giá an toàn kết cấu tháp khoan biển phƣơng pháp đo động lực học cập nhật mơ hình phần tử hữu hạn) nhóm tác giả HAN Dongying, SHI Peiming, ZHOU Guoqiang, LI Zifeng, LI Xujia, WANG Lianjin đƣợc Elsevier Ltd xuất năm 2011 [5] The wind tunnel tests of wind pressure acting on derrick of deepwater semisubmersible drilling platform (Thử nghiệm tác động áp lực gió tháp khoan giàn khoan nửa nửa chìm) nhóm tác giả Gangjun Zhai, Zhe Ma, Hang Zhu đƣợc Elsevier Ltd Xuất năm 2011 theo tổ chức ICAEE [6] ABS MODU 2012 American Bureau Shipping Mobile Offshore Drilling Units_Bộ tiêu chuẩn xây dựng phân cấp giàn khoan di động khơi cục đăng kiểm hàng hải Mỹ [7] API Spec 4F: Specification for Drilling and Well Servicing Structures_Bộ tiêu chuẩn Viện Dầu khí Mỹ kết cấu thiết bị khoan dịch vụ giếng khoan [8] AISC (American Institute of Steel Construction)_Bộ tiêu chuẩn Viện kết cấu thép xây dựng Mỹ [9] API Spec 8C/ISO 13535 Specification for drilling and production hoisting equipment _Bộ tiêu chuẩn Viện Dầu khí Mỹ thiết bị nâng hạ khoan khai thác Trang 86 [10] API RP 4G: Recommendation practice for use and procedures for inspection, maintenance and repair of drilling and well servicing structures_Hƣớng dẫn thực hành quy trình khảo sát, bảo dƣỡng sửa chữa kết cấu dịch vụ khoan giếng khoan Viện Dầu khí Mỹ [11] ASTM (American Society for Testing and Materials)_Hiệp hội vật liệu quy định kiểm tra vật liệu Mỹ [12] SESAM Manual_Hƣớng dẫn sử dụng phần mềm SESAM hãng DNV Trang 87 S K L 0 ... hƣớng dẫn kỹ thuật thiết kế tháp khoan giàn khoan tự nâng để từ nắm bắt, sử dụng cơng tác thiết kế tính tốn tháp khoan Nghiên cứu yêu cầu công nghệ kết cấu tháp khoan, kết cấu tháp khoan phải đáp... dụng cụ thể cho việc thiết kế, tính tốn kết cấu tháp khoan giàn khoan tự nâng 400ft Tam Đảo 05 Trang 21 CHƢƠNG II: CƠ SỞ TÍNH TỐN, THIẾT KẾ THÁP KHOAN TRÊN GIÀN KHOAN TỰ NÂNG 2.1 Tiêu chuẩn,... tài nghiên cứu tổng thể giàn khoan tự nâng, kết cấu, chức cấu tạo tháp khoan giàn khoan tự nâng, thiết bị công nghệ, bố trí thiết bị cơng nghệ tháp khoan Từ đề tài đề xuất bƣớc (quy trình) tính