Bài giảng ctb mềm và PTN 2014

100 %
0 %
Information about Bài giảng ctb mềm và PTN 2014

Published on September 30, 2015

Author: AnHTenAnHNTA

Source: slideshare.net

1. Bài giảng môn học: Công trình biển mềm và Phương tiện nổi Người soạn: TS Phạm Hiền Hậu Viện XD Công Trình Biển, ĐHXD ---------------- Hà nội Tháng 05-2014 --------

2. 2 MỤC LỤC Chương 1: MỞ ĐẦU 1. Quá trình chinh phục độ sâu nước dể thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi 2. Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam 2.1. Tình Hình khai thác dầu khí biển trên thế giới hiện nay 2.2. Nhu cầu đẩy mạnh khai thác dầu khí biển ở Việt Nam 3. Sự phát triển các loại công trình biển phục vụ khai thác dầu khí vùng nước sâu 3.1. Phân loại độ sâu nước theo yêu cầu xây dựng công trình biển 3.2. Phân loại công trình biển 3.3. Thành tựu các công trình biển nước sâu trên thế giới đến năm 2010 3.3.1. Các loại CTB nước sâu 3.3.2. Phân phối số lượng các CTB mềm theo thời gian 3.3.3. Phân phối số lượng các CTB mềm theo vùng biển 4. Đặc điểm chung của các công trình biển mềm và phương tiện nổi 4.1. Đặc điểm các công trình biển nổi 4.2. Đặc điểm các phương tiện nổi 5. Phạm vi và nội dung nghiên cứu các công trình biển mềm và phương tiện nổi 6. Phần thực hành Tài liệu tham khảo (Chương 1) CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM 1. Khái niệm 1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm 1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển 1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm 1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm 2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm 2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo 2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo 2.1.2. Các loại dây neo 2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình

3. 3 2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình 2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía 3. Tác động của môi trường 3.1. Các điều kiện môi trường 3.2. Tải trọng gió 3.3. Tải trọng dòng chảy 3.4. Tải trọng sóng (lực giạt trung bình, tải trọng động của chuyện động sóng) 4. Tính toán gần đúng hệ thống dây neo chịu tải trọng tĩnh của môi trường 4.1. Đặt bài toán 4.2. Tính toán dây neo một phía 4.3. Tính toán dây neo 2 phía 4.4. Tính toán dây neo nhiều phía 4.5. Hệ số an toàn khi thiết kế hệ thống dây neo công trình biển bán chìm 5. Tính toán gần đúng công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng 5.1. Mở đầu 5.2. Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ 5.3. Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng 5.4. Phản ứng động gần đúng của bài toán động 5.5- Tính toán gần đúng bài toán ĐLH công trình nổi có neo giữ 6. Kiểm tra độ bền của hệ thống dây neo công trình biển bán chìm CHƯƠNG 3: BỂ CHỨA NỔI (Floating Production, Storage and Offloading Systems – FPSOs) 1. Mở đầu 1.1. Khái niệm cơ bản về bể chứa nổi 1.2. Phân loại bể chứa nổi theo chức năng 2. Liên kết neo bể chứa nổi 2.1. Các loại neo bể chứa nổi 2.2. Neo tại 1 điểm (Single Point Mooring – SPM): + Nguyên lý neo tại 1 điểm + Cấu tạo các loại neo 1 điểm: CALM, Turret, SALM, ALP + Nhận xét 3. Các vấn đề chủ yếu trong tính toán thiết kế hệ thống bể chứa nổi FPSO neo tại 1 điểm 4. Tác động của các yếu tố môi trường lên hệ thống FPSO 4.1. Khái niệm về tác động của các yếu tố môi trường 4.2. Lực thuỷ động của sóng tần số thấp

4. 4 4.3. Tải trọng sóng 4.4. Tải trọng gió 4.5. Tải trọng dòng chảy 4.6. Nhận xét 5. Phản ứng của FPSO chịu tác động của môi trường (chủ yếu theo mô hình tiền định) 5.1. Phản ứng tựa tĩnh 5.2. Phản ứng tựa động 5.3. Phản ứng động 5.4. Nhận xét 6. Bài toán kiểm tra hệ thống dây neo FPSO (mô hình tiền định) 6.1. Khái niệm 6.2. Kiểm tra bền của dây neo (theo Tiêu chuẩn API) 6.3. Kiểm tra mỏi của dây neo (theo Tiêu chuẩn API) 6.4. Giới thiệu phần mềm Hydrotar và Ariane (BV) 7. Kết luận Tài liệu tham khảo (Chương 3) CHƯƠNG 4: CÔNG TRÌNH BIỂN NEO ĐỨNG (Tension Leg Platforms – TLPs) 1. Mở đầu 1.1. Nhược điểm của CTB bán chìm và sự ra đời của CTB neo đứng 1.2. Cấu tạo và phân loại CTB neo đứng (Conventional TLP, New Generation TLP – Mini-TLP, TLWP) 1.3. Các thành tựu phát triển TLP 1.4. Đặc điểm chủ yếu của CTB neo đứng 1.5. Các vấn đề chủ yếu trong tính toán thiết kế CTB neo đứng và phạm vi của bài giảng 2. Nguyên lý thiết kế CTB TLP dựa trên Tiêu chuẩn API RP 2T 2.1. Quá trình thiết kế dạng vòng xoắn 2.2. Lưu đồ thiết kế sơ bộ và thiết kế chi tiết 2.3. Lưu đồ thiết kế thi công 2.4. Giới thiệu API RP 2T 3. Tải trọng tác động lên CTB neo đứng 3.1. Phân loại tải trọng tác động lên CTB neo đứng 3.2. Các loại tần số của tải trọng môi trường

5. 5 3.3. Tải trọng gió 3.4. Tải trọng dòng chảy 3.5. Tải trọng sóng 4. Các bài toán xác định phản ứng và kiểm tra kết cấu CTB neo đứng 4.1. Sơ đồ tính và giả thiết 4.2. Phương trình cơ bản của bài toán động lực học kết cấu CTB neo đứng 4.3. Phương pháp đơn giản tính động lực học tiền định kết cấu CTB neo đứng 4.4. Tính toán và thiết kế dây neo đứng 4.5. Nguyên tắc tổ chức thi công công trình biển neo đứng điển hình 5. Kết luận Tài liệu tham khảo (Chương 4) CHƯƠNG 5: Ph­¬ng tiÖn næi vµ ho¹t ®éng hµng h¶i 1. Më ®Çu 1.1. Ph©n lo¹i c¸c ph­¬ng tiÖn næi ho¹t ®éng trªn biÓn 1.2. C¸c ®Æc tr­ng c¬ b¶n cña PTN 1.3. Nh÷ng bµi to¸n vµ c¸c yªu cÇu c¬ b¶n trong thiÕt kÕ PTN 2. TÜnh lùc häc ph­¬ng tiÖn næi 2.1. TÝnh næi cña PTN 2.2. TÝnh æn ®Þnh 2.3. TÝnh chèng ch×m 3. Lùc c¶n PTN 3.1. Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n 3.2. Lùc c¶n PTN 4. §éng lùc häc PTN 5. Ho¹t ®éng h»ng h¶i 5.1. C¸c yªu cÇu cña ho¹t ®éng h»ng h¶i 5.2. C¸c thiÕt bÞ, tÝn hiÖu trong ho¹t ®éng hµng h¶i 5.3. C¸c c«ng tr×nh x©y dùng phôc vô ®¶m b¶o hµng h¶i.

6. 6 Chương 1: MỞ ĐẦU 1. Quá trình chinh phục độ sâu nước dể thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi Việc khai thác dầu khí ở ngoài biển trên thế giới được đánh dấu bởi công trình biển cố định đầu tiên xây dựng ở độ sâu nước 5m để khai thác một mỏ trên đất liền mở rộng ra vùng nước nông ven bờ ở Lousiana, Mỹ (thuộc Vịnh Mexico), cuối thập kỷ 40 thế kỷ 20. Tiếp theo đó, trong nửa sau của thế kỷ 20, loại công trình biển cố định (CTBCĐ) bằng thép kiểu jacket - móng cọc (và một số ít bằng CTBCĐ bằng bê tông, móng trọng lực) đã được phát triển mạnh để khai thác các mỏ ở độ sâu trong phạm vi từ 300 - 400 m. CTBCĐ đã xây dựng ở độ sâu nước lớn nhất, 412m (1353 ft) là dàn Bullwinkle (Vịnh Mexico, Mỹ), năm 1991. Nhu cầu năng lượng của thế giới ngày càng lớn đã thúc đẩy việc thăm dò và khai thác các mỏ ở các độ sâu nước ngày càng tăng. Trên Hình 1.1 biểu diễn quá trình chinh phục độ sâu nước để khai thác dầu khí cho tới năm 2004. Đồ thị cho thấy độ sâu nước tăng vọt bắt đầu từ năm 1984 cho đến năm 1994 đạt tới độ sâu nước 1000m, sau đó lại đánh dấu một bước mới tăng nhanh hơn, dạt tới 2000m ở năm 2000 (Offshore Magazine, 8/1998). Hình 1.1: Quá trình chinh phục độ sâu nước để khai thác dầu khí.

7. 7 Hình 1.2 biểu diễn chi tiết hơn quá trình chinh phục độ sâu nước: các hoạt động thăm dò (đường ở trên) đi trước các hoạt động khai thác dầu khí (đường phía dưới). Từ năm 1975 hoạt động thăm dò khởi đầu bước nhảy vọt từ độ sâu nước 600m, tới năm 1980 đạt 1500m , và 18 năm sau (năm 1998) khai thác mới đạt tới độ sâu 1500m Thăm dò đã đạt tới 2300m trong những năm từ 1987 – 1998, và tiếp tục thăm dò ra sâu tới trên 3047,9m ở những năm 2003 - 2010. Tuy nhiên, đến thập kỷ 90, thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20 và những năm thập kỷ đầu của thế kỷ 21, trước cuộc khủng hoảng về năng lượng dầu khí, việc khai thác các mỏ nước sâu đã có bước nhảy vọt, đã rút ngắn khoảng thời gian giữa thăm dò và khai thác chỉ còn khoảng 10 năm; Việc khai thác đã đạt tới độ sâu trên 1800m ở năm 2000, và khai thác bằng các giàn nổi đã đạt tới độ sâu trên 2438m ở những năm 2008-2010, tới độ sâu gần 3.000m nếu sử dụng công nghệ đầu giếng ngầm (Offshore Magazine, 5/2010). Hình 1.2: Quá trình chinh phục độ sâu nước để thăm dò và khai thác dầu khí. Cũng trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20, ngành công nghiệp dầu khí thế giới tập trung phát triển kỹ thuật nước sâu và cực sâu, kèm theo là nhiều Công ty Dầu khí chuyên về kỹ thuật nước sâu ra đời và không ngừng mở rộng các hoạt động cho tới ngày nay, có những Công ty lớn như Mustang Engineering, Petrobras (BR), ConocoPhillips, Chevron, Total, Technip, Total, Unocal,...Điển Hình là Tập Đoàn “DeepStar” chuyên về công nghệ nước sâu đã thành lập từ 1992 đến nay, đã liên danh được 56 Đơn vị Thành viên, Hình 1.3 [5].

8. 8 Hình 1.3b: Các Đơn vị Thành viên của Tập Đoàn “DeepStar”

9. 9 2. Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam 2.1. Tình Hình khai thác dầu khí biển trên thế giới hiện nay Trữ lượng dầu thế giới hiện nay có khoảng 140 tỷ tấn dầu, 135 nghìn tỷ m3 khí và trữ lượng này phân bố không đều ở các khu vực khác nhau trên thế giới cụ thể như sau: - Khu vực Trung Đông : 50 % - Khu vực Bắc và Nam Mỹ : 25 % - Khu vực Châu Âu : 13 % - Khu vực Châu Phi : 6.5 % - Khu vực Châu Á : 5.5 % Sản lượng khai thác dầu khí của toàn thế giới là 3260 triệu tấn/năm và phân bố thành 8 khu vực như sau: - Khu vực Bắc Mỹ chiếm : 15.3 % - Khu vực Trung Mỹ chiếm : 4.5 % - Khu vực Châu Mỹ La Tinh chiếm : 3.1 % - Khu vực Tây Âu chiếm : 9.08 % - Khu vực Đông Âu và Liên Xô cũ chiếm : 11 % - Khu vực Châu Phi chiếm : 10.4 % - Khu vực Trung Đông chiếm : 30 % - Khu vực Viễn Đông chiếm : 11 % Như vậy thấy rằng trên thế giới thì Trung Đông và Bắc Mỹ là những khu vực có sản lượng khai thác dầu khí lớn nhất thế giới, trong đó có Mỹ với sản lượng khai thác là 389 triệu tấn dầu mỗi năm chiếm 11.9% sản lượng dầu thế giới. Bức tranh toàn cảnh các vùng đang khai thác dầu khí biển sâu trên thế giới được thấy trên Hình 1.4 dưới đây, trong đó các nước đang khai thác và có tiềm năng dầu khí biển sâu điển Hình là ở các khu vực Vịnh Mexico (GoM), Tây Phi, Brazil và đặc biệt gần đây là ở khu vực Đông Nam Á.

10. Hình 1.4 : Bức tranh tổng thể khai thác các mỏ nước sâu trên thế giới (Offshore, 2004).

11. Các nước Khu vực ASEAN (Brunei, Campuchia, Trung Quốc, Indonesia, Malaysia, Thái Lan, Myanmar, Philippines và Việt Nam), trong năm 2005 đã thực hiện 237 thăm dò và đánh giá (trong đó VN-14, Inđô – 61- nhiều nhất), với 20 giếng có độ sâu nước trên 300 m, với nhận xét rất lạc quan về tiềm năng vùng nước sâu ở khu vực; Malaysia đã triển khai dự án nước cực sâu đầu tiên ở độ sâu nước từ 1305 - 1876 m. Tháng 1/2007 vừa qua tại Kuala Lumpur (Malaysia) đã có Hội nghị Khoa học Offshore Asia về “Kỹ thuật và công nghệ các Công trình biển ở vùng nước sâu Châu Á” để đáp ứng nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu ở Khu vực. Indonesia đang khai thác các mỏ ở vùng nước sâu và cực sâu Makassar Strait rất hiệu quả với các CTB nổi, như dàn neo đứngTLP tại mỏ West Seno ở độ sâu nước 3350 ft. Ấn Độ với diện tích TLĐ 3,14 triệu km2 , mới thăm dò và khai thác 18% diện tích TLĐ, còn bỏ trống 82% là vùng nước sâu, Chính phủ đang mở rộng đầu tư của nước ngoài để khai thác vùng nước sâu. 2.2. Nhu cầu đẩy mạnh khai thác dầu khí biển ở Việt Nam Dầu và khí được khai thác ở Việt Nam từ 1986 đến nay, đã đóng góp rất quan trọng vào GDP hàng năm cho quốc gia. Tổng sản lượng dầu và khí ước tính trên 200 triệu tấn dầu khô và hơn 30 tỷ m3 khí với giá trị trên 40 tỷ USD (Hình 1.5). Hình 1.5 : Tình Hình khai thác dầu khí từ 1989- 2010 ở Việt nam [Ghi chú: ( Nguồn PetroVietnam): màu đỏ - sản lượng khí (Đơn vị : tỷ feet khối); màu xanh - sản lượng dầu (Đơn vị : triệu thùng) ; 1feet khối ~ 0, 01 m3 ; 1 thùng ~ 0,14 tấn Gas BCF – Gas Billion Cubic Feet ; Oil MMbbls = Oil Million barrels ]

12. 12 Tổng sản lượng dầu qui đổi của năm 2010: Trong chiến lược biển của Nhà nước tới năm 2020, Nhiệm vụ của ngành Dầu khí Việt Nam trong giai đoạn mới là “Đẩy mạnh tìm kiếm thăm dò, gia tăng trữ lượng có thể khai thác, ưu tiên phát triển những vùng biển nước sâu, xa bờ. Phấn đấu khai thác 25 - 35 Triệu tấn quy dầu / năm” [6]. Tiềm năng dầu khí ở vùng biển VN [8]: Việt Nam - nước sản xuất dầu lớn đứng thứ 3 trong khối các nước Đông Nam Châu Á. Nguồn trữ lượng dầu khí chủ yếu trên thềm lục địa VN, điển Hình là 7 Bể trầm tích gồm Sông Hồng, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Hoàng Sa và Trường Sa (Hình 1.6). Các số liệu nghiên cứu mới đây tại 3 Bể trầm tích dầu khí cho kết quả như sau: + Bể Phú Khánh: Diện tích 95.000 km2 , Độ sâu nước từ trên 200m đến trên 1000m, xa hơn nữa lên tới 2500m, trữ lượng: 509 triệu tấn dầu quy đổi; + Bể Tư Chính - Vũng Mây & Tây Nam QĐ. TSa: Diện tích 93.000 km2 Độ sâu nước từ 200m trở lên, Trữ lượng: 750 triệu tấn dầu quy đổi; + Khu vực thềm lục địa Tây Nam & vùng chồng lấn: Diện tích 90.000 km2 , là vùng nước nông (độ sâu dưới 100 m), Trữ lượng 394 triệu tấn dầu quy đổi. Hình 1.6: Hình ảnh các bể trầm tích dầu khí trên thềm lục địa VN [Ghi chú Hình 1.6( Nguồn PetroVietnam): Tiềm năng trữ lượng các bể trầm tích – 8,5 tỷ thùng dầu và 100 nghìn tỷ feet khối; trong đó đánh giá trữ lượng khai thác khoảng 4 tỷ dầu (MMbbls) dầu (T) dầu (tr T) khí (tỷ ft³) khí (tỷ m³) khí (tỷ m³) = oil (tr T) dầu+ khí qui đổi (tr T) 127 17780000 17,78 370 3,7 3,7 21,48

13. 13 thùng dầu và 23 nghìn tỷ feet khí; Đánh giá sản lượng khai thác khoảng 400 nghìn thùng dầu/ngày, và 600 triệu feet khối khí /ngày; Tổng sản lượng thu hồi khoảng trên 200 triệu tấn dầu và trên 20 tỷ m3 khí. Gas TCF = Gas Trillion cubic feet = nghìn tỷ ft 3 ; Gas cfd = Gas ft3 per day]. Triển vọng khai thác các mỏ dầu khí nước sâu ở vùng biển VN Hiện nay Việt Nam mới đang tiến hành khai thác dầu khí đang ở các mỏ ở vùng nước có độ sâu tới 110m, gồm các bể: Cửu Long - trên dưới 50 m; vùng chồng lấn VN- Malaysia - độ sâu dưới 50 m; Nam Côn Sơn - độ sâu từ 80 m đến 110 m. Gần đây, một số mỏ đã được phát hiện ở độ sâu tới 150 m và 200 m, cho hứa hẹn khả quan về khả năng khai thác hiệu quả. Nhiệm vụ cấp bách hiện nay được đặt ra cho chúng ta là: Phải tiếp cận nhanh chóng các kỹ thuật và công nghệ thiết kế- xây dựng các công trình biển ở độ sâu nước 200 m và lớn hơn để đáp ứng nhu cầu khai thác tài nguyên dầu khí nước sâu trên TLĐ.VN. 3. Sự phát triển các loại công trình biển phục vụ khai thác dầu khí vùng nước sâu 3.1. Phân loại độ sâu nước theo yêu cầu xây dựng công trình biển Hiện nay thế giới sử dụng “Phân loại độ sâu nước” theo Định nghĩa của Cơ quan quản ly khoáng sản thuộc Bộ Nội vụ Mỹ (US MMS - The Minerals Management Service) áp dụng cho vùng Vịnh Mexico (GOM), cụ thể như sau [2]: 1) Vùng nước nông (Shallow Water): từ 0 - 1000 ft (304,8 m) 2) Vùng nước sâu (Deep Water): từ 1000 ft - 5000 ft (1523,9 m) 3) Vùng nước cực sâu (Ultra-Deep Water): từ 5000 ft - 10 000 ft (3047,9 m). Trên thế giới hiện nay, phần lớn sử dụng cách phân chia các vùng nước theo cách phân loại này. Tuy nhiên, việc phân chia vùng nước còn phụ thuộc vào thực tế khai thác dầu khí ở vùng biển của từng nước. Như ở Việt Nam, hiện nay đang phấn đấu thăm dò và khai thác các mỏ ở vùng nước sâu tới 200m. 3.2. Phân loại công trình biển Công trình biển có thể chia làm 2 loại chính, theo Buslov & Karsan, 1985, [1]), và được sử dụng rộng rãi hiện nay [2], như trình bày trên Hình 7: (1) Công trình biển cố định: gồm loại móng cọc và móng trọng lực, và

14. 14 (2) Công trình biển mềm: gồm công trình dạng trụ mềm và các công trình dạng kết cấu nổi có neo. Loại công trình biển cố định chủ yếu sử dụng cho “vùng nước nông”, vì khi ra nước sâu, trọng lượng kết cấu tăng nhanh kéo theo tăng nhanh giá thành CTB. Mặt khác, về thi công sẽ gặp trở ngại như phải dùng cẩu rất lớn (Jacket Bullwinkle, 412m, ở vùng nước sâu, nặng 70 000 tấn, kể cả cọc), hoặc phải chia jacket thành một số khối nhỏ và dựng lắp tại mỏ. Đối với “vùng nước sâu đến cực sâu”, có độ sâu nước trên 400 m, các loại công trình biển mềm được chế tạo thay thế cho các CTBCĐ, đó là CTB dạng trụ mềm, công trình bán chìm, công trình neo đứng TLP, và các loại bể chứa kiểu SPAR, FPSO. Trên Hình 1.8 cho thấy mối quan hệ giữa độ sâu nước và giá thành công trình, cho phép lựa chọn loại kết cấu thích hợp khi ra vùng nước sâu. Hình 1.7: Phân loại công trình biển Tµu chøa dÇu, tµu biÓn cã neo c¸c lo¹i c«ng tr×nh biÓn (Classes of Offshore Platforms) (Fixed Structures) ctb cè ®Þnh ctb mÒm (Compliant Structures) mãng cäc (Piled) mãng träng lùC (Gravity) d¹ng trô (Towers) (Moored Floating Units) d¹ng kÕt cÊu næi cã neo (neo ®øng) CT ''TLP''(neo xiªn) CT b¸n ch×m Mãng cäcCã g¾n phao (FPSO/moored vessels)(Semi-Submersible)

15. 15 Hình 1.8: So sánh tương đối về giá thành các loại CTB khi tăng độ sâu nước, gồm CTB cố định - Trụ mềm - TLP (A.Bernard, GEP, France, 1997). 3.3. Thành tựu các công trình biển nước sâu trên thế giới đến năm 2010 3.3.1. Các loại CTB nước sâu Các loại CTB được sử dụng cho vùng nước sâu trên thế giới hiện nay, bao gồm: 1) CTB cố định (lớn nhất là 412 m) 2) Trụ mềm (lớn nhất là 531m) 3) TLP thế hệ mới (mini-TLP) 4) TLP truyền thống 5) Bán chìm (Semi-FPUs) 6) Trụ nổi kết cấu giàn (Truss Spar) 7) Trụ nổi cổ điển (Classic Spar) 8) Trụ nổi đa thân (Cell Spar) 9) Bể chứa nổi (hoán cải từ tàu biển, đóng mới, phi truyền thống) 10) Phao điều khiển và thiết bị đầu giếng ngầm liên kết với bể chứa nổi Theo phân loại các CTB (Hình 1.5), các CTB2 đến CTB 9 đều thuộc loại CTB mềm, trong đó các CTB 3 – CTB9 được sử dụng cho các vùng nước sâu và cực sâu (từ 5000 feet /1.523,9m đến 10 000 feet/3047,9 m).

16. 16 Hình 1.9 dưới đây giới thiệu các loại công trình biển nêu trên cho vùng nước sâu [2]. Hình 1.9a: Các loại công trình biển vùng nước sâu

17. 17 Hình 1.9b: Các loại công trình biển vùng nước sâu Hình 1.10 dưới đây giới thiệu các loại CTB và thiết bị ngầm kết hợp với CTB, để khai thác Dầu khí cho độ sâu nước tương ứng (nông - sâu - cực sâu), số liệu thống kê tới tháng 3/2010 [2]. Hình 1.10: Thành tựu các loại công trình biển ở các vùng nước khác nhau Trong đó, các loại CTB chủ yếu & Thiết bị sử dụng cho các vùng nước sâu, gồm: (1) CTB cố định truyền thống (Conventional Fixed Deepwater Platforms): Ở vùng nước nông và nước sâu tới 1650 ft, thực tế mới ở độ sâu 1350 ft (412 m) (Hình 1.11)

18. 18 Hình 1.11: Một số công trình biển cố định truyền thống xây dựng ở vùng nước sâu (2) CTB trụ mềm (Compliant/Guyed Towers): Có 3 kiểu trụ mềm (Compliant Tower - CT; Compliant Piled Tower - CPT; Compliant Guyed Tower - CGT), được sử dụng ở độ sâu từ 1000 ft - 3000 ft. Trên thế giới hiện có 4 CTB loại Trụ mềm, ở độ sâu nước từ 1000 ft (304,8m-GoM) đến 1754 ft (534,6 m-GoM). Giàn ChevronTexaco’s Petronius xây dựng vào năm 1998 ở độ sâu nước 1,754 ft GOM là giàn Compliant Towers có độ sâu lớn nhất trên thế giới (Hình 1.12). Hình 1.12: Một số dạng công trình biển trụ mềm ở vùng nước sâu

19. 19 (3) Bể chứa và rót dầu (FPSOs - Floating Production - Storage - Offloading Units: loại hoán cải từ tàu biển, loại chế tạo chuyên dụng, và loại phi truyền thống): dùng được cả 3 vùng nước ( 0 - 10000 ft), tuy nhiên thực tế mới sử dụng tới độ sâu 6000 ft, dự án tới 7500 ft. Hiện nay có 15 FPSOs có độ sâu nước lớn nhất, ở độ sâu ít nhất P-54 (2006) - BR, 4315 ft (1315 m), và độ sâu lớn nhất Capixiba (2006)-SBM, 6578 ft (2005 m). H.13. FPSO là loại được sử dụng rộng rãi từ vùng nước nông và đang dẫn đầu trong các loại CTB nước sâu, nên đã có nhiều công bố trong hầu hết các Hội nghị KH quốc tế về CTB, đưa ra các kết quả nghiên cứu nhằm hoàn thiện và phát triển FPSO đặc biệt cho vùng nước ngày càng sâu hơn, trong đó có phần về kết cấu nổi và các loại hệ thống neo, chống phá huỷ mỏi tích luỹ từ các sóng nhỏ (điển Hình là kiểu TURRET ngoài và trong, đang được sử dụng phổ biển hiện nay). Hình 1.13: Các dạng bể chứa và rót dầu FPSOs (4) CTB neo đứng (TLPs) : dùng được cho cả 3 vùng, thực tế mới tới độ sâu 4760 ft, và dự án tới 9000 ft; gồm loại TLP truyền thống (Conventional TLPs), các loại thế hệ mới (Mini-TLP, Dàn Đầu giếng -TLWP ). Hiện nay có 23 CTB loại TLP, trong đó 2 CT ở vùng nước nông, 21 CT ở vùng nước sâu (từ 335 m đến 1425 m), 5 Mini-TLPs và 5 TLWPs; 15 TLPs ở vùng GoM, 3 TLPs ở Biển Bắc, 4 TLPs - Châu Phi và 1 TLP - Châu Á (Indonesia), tính đến 10/2005. Giàn TLP có độ sâu nước lớn nhất trên thế giới đó là giàn ConocoPhillips’ Magnolia (Garden Banks Block 783), xây dựng vào tháng 09/2004 tại độ sâu 4674ft (khoảng 1425 m). Hình 1.14.

20. 20 Hình 1.14: Các dạng công trình biển neo đứng TLPs CTB neo đứng TLP là thế hệ CTB nổi ra đời sau CTB bán chìm neo xiên, được sử dụng khá phổ biến cho vùng nước sâu, nên đã có nhiều nghiên cứu để hoàn thiện và phát triển các thế hệ mới, đặc biệt là điều khiển tối ưu lực căng trước trong hệ neo đứng để giảm dao động và khống chế rủi ro khi 1 dây neo bi đứt trong bão cực hạn . (5) Trụ nổi có neo các loại (Spars, DDFs, DDCVs, SCFs): ở vùng nước sâu và cực sâu, thực tế tới độ sâu 5600 ft, dự án tới 10000 ft; Hiện nay có 15 SPARs, trong đó CTB ở độ sâu ít nhất là Neptune (1996), 1930 ft (588 m) và CTB ở độ sâu lớn nhất là Devils Tower (2004)-Dominion ở độ sâu 5610 ft (1710m). Hình 1.15. CTB loại spar đã phát triển 3 thế hệ: Thế hệ 1 - “Classic Spar”; Thế hệ 2- “Truss Spar”; Thế hệ 3 - “Cell Spar” TECHNIP và “Wet Tree Spar” SparTEC. Loại này được phát triển gần đây với đa chức năng (vừa khai thác và chứa đựng), sử dụng hiệu quả cho vùng nước sâu và cực sâu. Một số nghiên cứu mới đây về sử dụng Spar để khai thác các mỏ nhỏ vùng nước sâu, đánh giá phản ứng động bậc 1 và 2 của Truss Spar và nghiên cứu điều kiện địa kỹ thuật để thiết kế neo của Spar.

21. 21 Hình 1.15: Các dạng công trình biển trụ nổi SPARs (6) CTB bán chìm - Dàn khai thác (Semi-FPSs): Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định. Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng 180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m). Hình 1.16. Hình 1.16: Các dạng công trình biển bán chìm (Semi-FPSs).

22. 22 Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão. (7) Phao điều khiển / Thiết bị đầu giếng ngầm (Control Buoy/ Subsea tieback): ở cả 3 vùng nước. 3.3.2. Phân phối số lượng các CTB mềm theo thời gian Trên Hình 1.17 cho Hình ảnh về số lượng các loại CTB mềm được sử dụng trong các giai đoạn [2]: (1) 1980-1989; (2) 1990- 1994; (3) 1995 – 1999; (4) 2000 – 2004; (5) 2005 – 2009; (6) 2010 – 2015 (dự báo). Trong đó khối các loại CTB mềm được xếp từ trên xuống dưới: 1) Các loại Trụ mềm (Compliant Towers) 2) Các trụ nổi (Spar) / Trụ có mớn nước sâu (DDCV) 3) Giàn neo đứng (TLPs) 4) Giàn Bán chìm (Semi-FPUs) 5) Bể chứa nổi (FPSOs) Hình 1.17: Phân phối số lượng các loại CTB mềm được sử dụng trong các giai đoạn 1980-2015 [2].

23. 23 Nhận xét: Loại Bể chứa nổi (FPSO) chiểm ưu thế tuyệt đối khi ra biển sâu và cực sâu, tiếp theo là loại Giàn bán chìm, Giàn neo đứng TLP, rồi đến Trụ nổi Spar. 3.3.3. Phân phối số lượng các CTB mềm theo vùng biển Trên Hình 1.18 cho số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng biển khác nhau, tại thời điểm tháng 3/2010 [2]. Hình 1.18: Phân phối số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng biển khác nhau, tới thời điểm tháng 3/2010.

24. 24 Nếu kể tất cả các vùng biển và các CTB mềm đã dựng lắp, tổng số CTB mềm trên thế giới tính đến tháng 3/2010 là 262 công trình. Nhận xét: Phân bố tỷ lệ từng loại CTB mềm + Loại FPSO : 65 % + CT bán chìm : 17,5 % + CT Spar : 6,5 % + CTB neo đứng TLP: 9,5 % + CTB trụ mềm: 2,5% Số lượng các CTB mềm đang khai thác/dựng lắp ở các vùng biển được nêu trong bảng sau. Số lượng từng loại CTN mềm phân bố tại các vùng biển Loại CTB Trụ mềm TLP Spar Semi- FPU FPSO Tổng cộngVùng biển Canada 2 2 Vịnh Mexico 3 16 17 4 8 48 Brazil 1 21 33 55 Biển Bắc 3 15 25 43 Tây Âu 1 1 Bắc Phi 5 5 Tây Phi 2 4 1 38 45 Nam Phi 1 1 Trung Quốc 1 17 18 Ấn Độ 1 1 2 Đông Nam Á 1 1 1 22 25 Úc 17 17 Tổng cộng 5 25 18 44 170 262 Tỷ lệ % 2,5 9,5 6,5 17,5 65 100% 4. Đặc điểm chung của các công trình biển mềm và phương tiện nổi 4.1. Đặc điểm các công trình biển nổi 1) Các CTB mềm đều có “liên kết mềm” với đáy biển: thể hiện bởi chu kỳ dao động riêng lớn nhất (Tmax) của kết cấu lớn hơn chu kỳ lớn nhất trong dải chu kỳ của sóng biển (từ 2 – 20 sec). Hình 1.19 minh họa các CTB mềm luôn nằm bên phải của đường cong

25. 25 phổ sóng biểu diễn theo chu kỳ, ngược lại, CTB cố định (Fixed Jacket) có liên kết cứng với đáy biển nên chu kỳ cơ bản luôn nằm ở bên trái đường cong phổ sóng. 2) CTB mềm có chuyển vị tựa tĩnh lớn (vì liên kết mềm), nhưng chuyển vị động có thể khống chế để có giá trị nhỏ, bằng cách thiết kế kết cấu sao cho có chu kỳ dao động riêng nằm xa vùng chu kỳ sóng. Hình 1.19: Minh hoạ Chu kỳ cơ bản của các CTB mềm ở bên phải đường cong phổ sóng 3) Các CTB mềm dạng nổi phục vụ khai thác có 2 trạng thái: + Trạng thái có neo giữ: là trạng thái “hoạt động” của công trình, phải được tính toán thiết kế sao cho đảm bảo công trình hoạt động được an toàn trong suốt cả thời gian vận hành công trình, hoặc thời gian khai thác mỏ; + Trạng thái di chuyển: là trạng thái “nghỉ” của công trình, với hệ neo được nhổ lên, để đưa công trình đến “hoạt động” tại vị trí khác, hoặc kéo vào bờ để duy tu sửa chữa. 4.2. Đặc điểm các phương tiện nổi Các phương tiện nổi như các tàu biển hoặc xà lan dịch vụ các hoạt động thi công CTB, sửa chữa các CTB, dịch vụ chuyên chở cung cấp ống cho tàu thả ống. Các phương tiện nổi cũng có 2 trạng thái:

26. 26 + Trạng thái di chuyển: là trạng thái “hoạt động chủ yếu” của phương tiện nhằm đưa “đối tượng vận chuyển” đến vị trí mới trên biển, phải được tính toán thiết kế sao cho phương tiện được an toàn (ổn định của phương tiện trên biển, an toàn cho đối tượng vận chuyển) trên suốt hành trình vận chuyển. + Trạng thái cố định: là trạng thái “nghỉ”, phương tiện nổi được neo đậu để chuyển giao đối tượng vận chuyển ở vị trí mới. Nhận xét: Tính chất của 2 trạng thái cố định và di chuyển của CTB mềm dang nổi và phương tiện nổi là ngược nhau. 5. Phạm vi và nội dung nghiên cứu các công trình biển mềm và phương tiện nổi Trong phạm vi của bài giảng sẽ đề cập: 1) Các loại CTB mềm: chỉ xét các loại CTB nổi hiện đang được sử dụng rộng rãi: (1) CTB bán chìm phục vụ khai thác mỏ (Semi-Submersible/ Semi-FPU= Semi- Floating Production Unit) (2) Bể chứa nổi (FPSO- Floating Production, Storage and Offloading System) (3) CTB neo đứng (TLP- Tension Leg Platform) Nội dung nghiên cứu: + Cấu tạo và vận hành công trình + Xác định các loại tải trọng môi trường (chủ yếu mô Hình sóng tiền định) + Bài toán tựa tĩnh và động + Tính toán kiểm tra bền và mỏi (dựa trên Tiêu chuẩn API [4]) 2) Phương tiện nổi: + Phân loại phương tiện nổi (chủ yếu là các loại tàu biển) + Vai trò PTN trong hoạt động CTB + Mô tả cấu Hình phương tiện nổi + Ổn định tĩnh của tàu biển + Ổn định động của tàu biển 6. Phần thực hành: Tiểu luận: Tính toán hệ thống neo của Giàn bán chìm / FPSO

27. 27 Tài liệu tham khảo (Chương 1) [1] Zeki Demirbilek, (1989). Tension Leg Platform: An Overview of the Concept, Analysis, and Design. TLP – A state of the Art Review, The Task Group on Compliant Offshore Platforms. ASCE – The American Society of Civil Engineers. [2] Lindsey Wilhoit and Chad Supan, Mustang Engineering, (2008). 2010 Deepwater Solutions & Records for Concept Selection. Offshore Magazine, May 2010, Houston, USA. [3] Minoo H Patel, Joel A Witz, University College London (2007). Compliant Offshore Structures. Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford. [4] API RP 2SK, (2005), Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. 3rd Edition. [5] Phạm Khắc Hùng, (2009). Báo cáo đánh giá tổng hợp về sự phát triển các loại công trình biển nước sâu trên thế giới và dự báo nhu cầu xây dựng các CTB nước sâu ở VN trong thời gian tới. Đề tài NCKH cấp Nhà nước KC.09.15/06-10, Sản phẩm 1/2009. [6] Đinh La Thăng, Chủ tịch Tập đoàn Dầu khí QG.VN, (2007). Xây dựng Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam trở thành tập đoàn kinh tế mạnh của đất nước. Tạp chí Dầu khí , số 1-2007. [7] Phạm Khắc Hùng, (2005). Tổng hợp CTB mềm loại neo đứng TLP bằng thép và bê tông cốt thép ở các độ sâu nước trên 200m, nguyên tắc thiết kế và thi công. Chuyên đề 01, Sản phẩm 9, Đề tài KHCN cấp Nhà nước KC.09.16. [8] Nguyễn Huy Quý (2006). Nghiên cứu cấu trúc địa chất và địa động lực làm cơ sở đánh giá tiềm năng dầu khí ở các vùng biển sâu và xa bờ của Việt Nam. Báo cáo kết quả NCKH Đề tài cấp NN KC.09.06, Tuyển tập các kết quả chủ yếu của Chương trình KC.09, Tập I.

28. 28 CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM (Semi-submersible/ Semi-FPU) 1. Khái niệm Công trình biển bán chìm Semi-FPU: Semi-Submersible Production Unit 1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm Trên Hình 2.2 biểu diễn cấu tạo chung của công trình biển bán chìm bằng thép. Hình 2.1. Hình ảnh công trình biển bán chìm đang khai thác 1 3 7 6 22 3 1 44 10 5 8

29. 29 Hình 2.2. Cấu tạo chung của công trình biển bán chìm Hệ thống một công trình biển bán chìm gồm : - Kết cấu nổi - Dây neo - Neo Các bộ phận của công trình gồm có: 1) Phao 2) Cột 3) Thanh giằng 4) Kết cấu thượng tầng 5) Dây neo 6) Cơ cấu thả neo 7) Tời kéo thả dây neo 8) Ống chống (riser) 9) Neo 10) Kết cấu giằng ngang

30. 30 1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển  Công trình biển bán chìm Semi-submersible: Công trình nổi dùng để khoan khai thác (forage), xử lí tách lọc dầu (production); gồm 4-8 cột được neo giữ bởi hệ thống dây neo xiên 8-12 dây.  Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định.  Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng 180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m). Hình 2.3. Các công trình biển bán chìm cho vùng nước sâu (Semi-FPSs). Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão.

31. 31 1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm Công trình biển bán chìm có các đặc điểm chính sau. 1) Nguyên lý kết cấu : - Là kết cấu tự nổi - Được giữ cố định tại vị trí làm việc bằng kết cấu neo giữ gồm các dây neo và neo - Có thể tự di chuyển thay đổi vị trí hoặc phải nhờ tàu kéo hỗ trợ 2) Vật liệu chế tạo: Các công trình biển bán chìm được chế tạo bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép 3) Đặc điểm thi công: Dù là công trình bằng thép hay bằng bê tông cốt thép, công trình biển bán chìm đều được thi công trong ụ khô, sau đó được kéo ra biển. 4) Đặc điểm về sửa chữa: Công trình biển bán chìm được kéo vào bờ để sửa chữa. Đối với công trình biển bê tông cốt thép, sàn chịu lực (kết cấu thượng tầng) được chế tạo bằng thép, có thể tháo dỡ để sửa chữa. 5) Đặc điểm về chịu lực: Tải trọng môi trường tác động lên công trình biển bán chìm có thể là tải trọng tĩnh hoặc tải trọng động. Tải trọng tĩnh được sử dụng để xét bài toán ổn định tĩnh của công trình nổi. Tải trọng động được sử dụng để xét bài toán ổn định động, xác định nội lực và chuyển vị của công trình nổi. Khi xét bài toán chuyển vị tổng thể, công trình biển bán chìm được coi là kết cấu tuyệt đối cứng, dao động theo 6 bậc tự do (Hình 2.4).

32. 32 1. Dịch chuyển dọc (surge) 2. Dịch chuyển ngang (sway) 3. Dao động đứng (heave) 4. Lắc ngang (roll) 5. Lắc dọc (pitch) 6. Xoay đứng (yaw) Hình 2.4. Các dạng dao động lắc 6) Ống chống (Riser): Công trình biển bán chìm có liên kết với các ống chống. Các ống chống có thể tháo ra khi cần di chuyển công trình. Bên trong ống chống có chứa các đường ống giữa dàn công nghệ trung tâm và đáy biển. Các ống nhỏ được bọc trong ống lớn. Ví dụ, cụm ống Riser có thể gồm 1 ống 16’’ dẫn dầu để xử lý, 19 ống '' 2 1 4 , 2 ống chứa cáp điện sử dụng cho các phương tiện liên lạc. Tất cả các ống này được nối với giếng khoan dầu tại mỏ. 1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm Các bài toán đặc biệt cần quan tâm: tương tác giữa sóng và các cột kích thước lớn cùng các thanh giằng kích thước nhỏ, sự chịu lực của các dây neo. Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm trong trường hợp tổng quát là bài toán phi tuyến do có sự thay đổi phi tuyến Hình học của dây neo trong quá trình công trình dịch chuyển dưới tác động của lực môi trường, và khi tính toán công trình nổi được coi là một vật thể đàn hồi được liên kết với nền đất bằng dây neo và neo. Bài toán được xét cho cả 2 trường hợp bài toán tĩnh (tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh hoặc tựa tĩnh) và bài toán động (tải trọng tác dụng là tải trọng động), nhằm xác định chuyển vị của dây neo và trong kết cấu. Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm có thể giải theo 2 mô hình: - mô Hình tuyến tính hoá, hoặc - xét sự làm việc đồng thời của công trình biển nổi và dây neo.

33. 33 Việc xem xét bài toán động lực học theo mô Hình thứ hai cho phép mô tả sát sự làm việc của công trình nhưng có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn và phải sử dụng các chương trình chuyên dụng (ví dụ, chương trình ARIANE của Pháp). Có hai bài toán cơ bản sau trong tính toán thiết kế công trình biển bán chìm: Bài toán 1: Bài toán thiết kế công trình nổi (lựa chọn kích thước cơ bản, chọn quy cách kết cấu, kiểm tra bền, tính toán ổn định tĩnh và ổn định động của công trình). Khi kiểm tra bền công trình nổi được coi là vật thể đàn hồi, sau khi xác định được nội lực trong kết cấu người ta tiến hành kiểm tra bền của kết cấu. Bài toán về ổn định tĩnh và ổn định động của công trình được xem xét với giả thiết công trình là vật thể tuyệt đối rắn, dao động theo 6 bậc tự do. Bài toán 2: Bài toán thiết kế đường dây neo và neo (tính toán và chọn kích thước, số lượng và chiều dài đường dây neo, tính toán và chọn loại neo). Khi thiết kế đường dây neo và neo công trình nổi được coi là vật thể tuyệt đối rắn. 2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm 2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo 2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo Thiết bị neo là hệ thống dùng để neo đậu hoặc giữ cố định công trình nổi tại một vị trí làm việc ở ngoài biển. Hệ thống thiết bị neo gồm (Hình 2.5) :

34. 34 Hình 2.5. Hệ thống thiết bị neo 1) Máy neo Máy neo dùng để kéo hoặc thả dây neo và điều chỉnh chiều dài của dây neo khi cần thiết. Máy neo thường là tời điện, nhưng có khi là máy neo thuỷ lực. Máy neo được đặc trưng bởi các thông số sau : - Kích thước chung của tời (hay đường kính tang cuốn dây neo cáp hoặc xính) - Công suất của máy neo - Phương thức kéo - Tốc độ kéo. Các tốc độ kéo được phân biệt như sau : Tốc độ 3 m/s là tốc độ kéo nhanh, lực kéo nhỏ. Tốc độ 1-2 m/s là tốc độ kéo trung bình, lực kéo trung bình. Tốc độ 0,3-0,5 m/s là tốc độ kéo chậm, lực kéo lớn. 2) Hầm xích neo : là thùng dùng để chứa dây neo (xích neo) 3) Hãm cáp neo : thiết bị dùng để hãm dây neo sau khi thả neo hoặc giữ ở vị trí lỗ thả neo khi di chuyển công trình 4) Lỗ thả neo : là vị trí để đặt neo khi di chuyển công trình và hướng cho dây neo khi thả neo và neo tại chỗ. 5) Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở đáy biển. 6) Neo Neo làm nhiệm vụ giữ dây neo cố định với nền đất. 2.1.2. Các loại dây neo Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở đáy biển.

35. 35 - Dây cáp cấu tạo từ lõi bằng các sợi thép, có 6 bó sợi thép (mỗi bó gồm 19 hoặc 36 sợi) cuốn xung quanh (Hình 2.6). Hình 2.6. Dây cáp neo lõi thép (Loại 6 bó-19 sợi và 6 bó-36 sợi) Đầu dây cáp neo có kết cấu sau để liên kết với neo (Hình 2.7): Hình 2.7 Chi tiết đầu dây cáp neo - Dây xích có 2 loại : + loại với mắt xích không có ngáng (Hình 2.8-c) + loại xích với mắt xích có ngáng (Hình 2.8-a, b) Hình 2.8. Các loại mắt xích neo a) và b) - mắt xích có ngáng; c) - mắt xích không có ngáng Hình 2.9 biểu diễn đường kính danh nghĩa của dây xích neo (d).

36. 36 Hình 2.9. Đường kính danh nghĩa của xích (d) Thông số quan trọng của dây neo là lực kéo phá huỷ (lực kéo đứt) tối thiểu FR. Tất cả các dây cáp phải được thử trước khi sử dụng. Chiều dài của đoạn dây thử bằng 30 lần đường kính dây. Bảng các thông số dây neo bằng cáp và xích được cho trong bảng 2.1-a và 2.1-b như một ví dụ. Trên thực tế sẽ lấy theo các quy phạm hoặc các catalog của các nhà sản xuất. Catalog dây neo của hãng Vicinay Cadenas http://www.vicinaycadenas.net/brochure/#/30 Bảng 2.1-a Lực kéo đứt tối thiểu của cáp thép (theo DnV) Loại cáp Đường kính danh nghĩa của cáp (mm) Lực kéo đứt tối thiểu Khối lượng cáp trên 1m dài (kg) Loại thép 1570 N/mm2 Loại thép 1770 N/mm2 6 bó 19 sợi/bó 24 26 28 30 323 379 440 505 364 428 496 569 2,4 2,8 3,3 3,8 Bảng 2.1-b Lực kéo thử và lực kéo đứt tối thiểu của xích

37. 37 Ghi chú: Q2, Q3 - loại mác thép (nước sản xuất) và loại thép (về độ bền). Pháp, Tây Ban Nha :Q ; Nauy : K ; Anh : U Thép cấp 1: thép mềm ; Thép cấp 2: thép cường độ cao ; Thép cấp 3,4 : thép cường độ rất cao ; Có 1 số loại thép chất lượng siêu cao : Ví dụ : QS (Pháp), K4 (Nauy), ORQ (Anh). Mỗi loại thép phải được thử ở cường độ thử và không xuất hiện bất kỳ dấu hiệu nào của sự tổn thất. Một vài phần tử phải được thử cho tới lực kéo đứt tối thiểu. 2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình: Neo cọc, neo mỏ, neo mút: . Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc Hình 2.10 dưới biểu diễn cấu tạo và sơ đồ chịu lực ngang của neo cọc. Việc tính toán khả năng chịu lực của neo cọc tương tự việc tính toán cọc của công trình biển cố định bằng thép.

38. 38 Hình 2.10 Sơ đồ neo cọc chịu lực Trong đó: Pile head - đỉnh cọc; Mooring line - Đường dây neo; Load - tải trọng tác dụng lên đường dây neo; Latera earth pressure - áp lực ngang của đất nền Skin friction - lực ma sát hông . Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV). Cấu tạo chung của neo mỏ như sau: Hình 2.11-a Neo mỏ không có cơ cấu thăng bằng Shackle - móc neo; Fluke - mỏ neo; Shank - thân neo Fluke angle - góc mở của mỏ neo; Fluke tip - đỉnh (mũi) mỏ neo Tripping palms - bề rộng vào đất của neo Crow or head - Đầu neo; Stabilizer - cơ cấu thăng bằng của neo

39. 39 Hình 2.11-b Neo mỏ có cơ cấu thăng bằng Các loại neo mỏ (neo bừa) được nêu trên Hình 2.12 dưới đây: Hình 2.12 Các loại neo mỏ (neo bừa) Quá trình neo mỏ cắm vào nền đất khi chịu lực như sau:

40. 40 Hình 2.13 Quá trình cắm neo Việc lựa chọn loại neo và kích thước neo phải đảm bảo khả năng giữ của neo (anchor holding capacity) Hmax: H*FSHMax  trong đó: FS - hệ số an toàn, phụ thuộc vào loại neo; H - lực ngang tác dụng lên xích neo . Neo mút : Một loại neo khác được sử dụng để neo giữa công trình nổi ở vùng biển có độ sâu nước lớn là neo mút (Hình 2.14). Hình ảnh một neo mút được trình bày trên Hình 2.15:

41. 41 Hình 2.14: neo mút Hình 2.15 Neo mút trên bãi chế tạo 2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình Người ta phân biệt 3 loại neo (theo 3 mục tiêu sử dụng): * Neo "di động": thời gian neo đậu từ vài giờ đến vài ngày. Ví dụ, neo sử dụng cho những công trình cần di chuyển thường xuyên như tàu đặt ống hoặc tàu thả cáp, sà lan thi công, tàu nạo vét luồng, tàu khảo sát địa chất,… * Neo "tạm thời": Thời gian neo đậu từ vài tuần đến vài tháng. Ví dụ, neo của dàn khoan bán chìm neo giữ khi khoan, một số sà lan thi công,… * Neo "cố định" (neo "thường xuyên"): thời gian neo đậu “nhiều năm”.

42. 42 Ví dụ, neo dùng cho phao chứa nổi, dàn khoan bán chìm sản xuất và khai thác, trạm nhập/xuất dầu 1 điểm neo (Single Point Mooring). Neo cố định đòi hỏi tính kiên cố cao vì thời gian hoạt động của neo lâu dài. Neo loại này có thể là : . Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc, . Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV). 2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía Một đường dây neo có thể cấu thành từ một trong các dạng sau: dây cáp, dây xích, hoặc hỗn hợp cả cáp và xích (đoạn tiếp xúc với đất thường là xích). Đường dây neo có trọng lượng đơn vị không đổi chịu tác dụng của lực ngang có dạng một đường dây. Như vậy, dạng Hình học của đường dây neo phụ thuộc vào giá trị lực căng trong dây neo (ký hiệu là T - tension), quan trọng nhất là thành phần nằm ngang của lực đó (ký hiệu là H - horizontal). Giá trị của thành phần lực ngang này phụ thuộc vào 5 dạng Hình học cơ bản của đường dây neo được trình bày dưới đây. Hình 2.16. Các dạng Hình học của đường dây neo Dạng 1. Đường dây neo hoàn toàn chùng không có lực căng tác dụng lên dây neo, lực căng ngang TH = 0. Dạng 2. Đường dây neo không bị căng, dây neo thoải, có 1 đoạn tiếp xúc với đất với chiều dài là D. Dạng 3. Đường dây neo căng tới hạn (D=0). Khi lực ngang tăng, điểm dây neo tiếp xúc với đất tiến gần đến vị trí của neo. Góc tiếp xúc giữa dây và đất ở đầu neo bằng 0.

43. 43 Dạng 4. Dạng Hình học của dây có độ căng lớn. Góc của tiếp tuyến với đường dây neo tại vị trí neo >0. Dạng 5. Dây neo bị căng hoàn toàn. Lực tác dụng lên kết cấu là lớn. Dạng 3 là dạng cơ bản của đường dây neo. Trong thiết kế cố gắng tránh 2 trường hợp 4 và 5, vì neo làm việc ở trạng thái bất lợi. Cần thiết kế sao cho khi làm việc neo chỉ chịu lực ngang T0 (T0710 trọng lượng neo). Nếu neo chịu lực dọc thì phải dùng neo cọc. 3. Tải trọng môi trường biển tác động lên công trình biển bán chìm 3.1- Xác định các điều kiện của môi trường biển khi thiết kế Môi trường biển gây ra hai loại tải trọng tác dụng lên công trình biển : - Tải trọng thường xuyên (tác dụng tựa tĩnh): lực gió, lực dòng chảy, một phần tải trọng sóng, lực giữ của các dây neo. - Tải trọng thay đổi: tải trọng do sóng thay đổi theo chu kỳ sóng (tác dụng động lực học). Để tính toán tải trọng môi trường tác dụng lên công trình nổi cần phải: 1) biết sự phân bố các yếu tố môi trường biển (gió, sóng, dòng chảy) theo thời gian và tần suất xuất hiện của các yếu tố đó trong khoảng thời gian đời sống công trình. 2) thực hiện các đo đạc tại vị trí sẽ xây dựng công trình hoặc có được một mô Hình nghiên cứu môi trường đúng đắn. Khi tính toán hệ thống neo có 3 điều kiện tác dụng của ngoại lực môi trường biển lên công trình nổi được xem xét : + Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường; + Điều kiện cực trị (ngoại lệ): điều kiện nguy hiểm nhất xảy ra trong đời sống của công trình nổi (công trình nổi không rời vị trí, mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt); + Điều kiện sống còn của công trình nổi sau khi có 01 dây neo bị đứt (công trình vẫn phải tồn tại). Khi đó: - Mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt - Tháo ống chống đối với dàn khoan thăm dò và dàn khoan khai thác. a) Điều kiện để công trình biển hoạt động bình thường Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường là điều kiện xảy ra nhiều nhất về mặt thống kê. Trong điều kiện bình thường, tất cả các hoạt động sản xuất diễn ra một cách an toàn tại mỏ.

44. 44 Giá trị thông số của môi trường là hàm mật độ xác suất của một thông số nào đó (ví dụ, gió hoặc sóng). Hàm phân phối xác suất của một sự kiện xảy ra trong khoảng (x1, x2) được xác định theo công thức sau:  2 1 x x dx)x(fS trong đó: f(x)  mật độ xác suất; (x1, x2)  khoảng xét của thông số x đang xét S  hàm phân phối xác suất Điều kiện môi trường bình thường được coi là điều kiện với xác suất xảy ra là 95% hoặc 99% (Hình 2.6-a). b) Điều kiện cực trị Điều kiện cực trị có xác suất xảy ra, ví dụ 5% (hay 1%) trong giai đoạn đang xét. Do vậy, cần phải xác lập luật phân phối xác suất các giá trị cực đại của thông số đang xét (sóng, gió,…) trong đời sống công trình. Giá trị cực đại này sẽ được sử dụng làm giá trị tính toán của thiết kế (Hình 2.17-b). Hình 2.17-a. Điều kiện bình thường Hình 2.17-b. Điều kiện cực trị Trên Hình 2.17-c là luật phân phối xác suất của các giá trị cực trị trong đời sống thiết kế của công trình. x1 x2 f(x)

45. 45 Hình 2.17-c Trên Hình 2.17-c : 1) là luật phân phối xác suất của thông số đang xét (sóng, gió hoặc dòng chảy) ; 2) là luật phân phối xác suất của giá trị cực đại của thông số đang xét xảy ra trong đời sống công trình ; 3) là giá trị cực đại xảy ra với xác suất lớn nhất. Trong điều kiện cực trị : . Đối với neo “thường xuyên” (neo giữ dàn bán chìm khai thác, kho chứa nổi, ...): mọi hoạt động công nghệ tạm dừng, cần hạn chế sự trôi dạt của công trình. . Đối với neo “tạm thời”: cần phải xác định 2 giá trị liên quan đến điều kiện khai thác. - đến ngưỡng xác suất 5%: công trình nổi hoạt động bình thường, ví dụ, sà lan công tác vẫn ở tại vị trí làm việc; không tháo ống chống của dàn khoan nổi… Cần hạn chế sự trôi dạt của các công trình. - đến ngưỡng xác suất 1%: công trình nổi ở trong điều kiện sống còn, tháo ống chống khỏi công trình, sà lan công tác rời xa vị trí làm việc, không cần hạn chế sự trôi dạt của công trình. c) Điều kiện sống còn sau khi 1 dây neo bị đứt Trong điều kiện cực trị khi có 1 dây neo bị đứt thì công trình ở trong tình trạng sống còn. Khi đó : - ngừng mọi hoạt động của mọi loại công trình - tháo ống chống đối với giàn khoan hoặc giàn sản xuất 3.2. Tác động của gió 3.2.1. Đặc trưng của gió Có 2 cách mô tả gió: + Mô Hình tiền định: đặc trưng bởi vận tốc gió trung bình và vận tốc gió giật xét trong một khoảng thời gian nào đó (thường là 10 phút hay 1 giờ); + Mô Hình ngẫu nhiên: gió được đặc trưng bởi phổ năng lượng. Trong tính toán công trình biển bán chìm, do chuyển động có quán tính của kết cấu nổi và của khối lượng nước kèm hấp thụ lực tác dụng của gió giật, nên tác dụng của gió lên kết cấu nổi truyền sang dây neo được coi là lực tựa tĩnh. 1 2 3

46. 46 a) Đo vận tốc gió Gió được đặc trưng bởi vận tốc và hướng gió. Các số liệu đo vận tốc và hướng gió được trung bình hoá trong khoảng thời gian 10 phút hoặc 1 giờ. Các số liệu đo gió được quy về độ cao 10 mét nằm phía trên mặt nước tĩnh (Still Water Level - SWL). Mặt nước tĩnh được xác định như sau : SWL= Mực nước trung bình + Biên độ triều cao + Nước dâng do bão hoặc SWL= Mực nước triều cao + Nước dâng do bão b) Profil của vận tốc gió theo chiều cao Giá trị của vận tốc gió trung bình theo thời gian ở độ cao z tính từ mặt nước tĩnh (SWL) của biển được xác định theo công thức sau :         10 z V.V 1tz (2.1) trong đó : Vtz  vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z mét ; z  độ cao (mét) tính từ mặt nước biển ; V1  vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 1h ở độ cao 10 mét so với mặt nước biển ;   số mũ, phụ thuộc thời gian tính toán vận tốc gió trung bình;  - hệ số gió giật. Các hệ số  và  được cho trong bảng 2.2-a. Bảng 2.2-a. Hệ số  và  để tính toán profil vận tốc gió Hệ số Thời gian tính toán vận tốc gió trung bình 1h 10' 1' 15s 5s 3s  1,00 1,06 1,18 1,26 1,31 1,33  0,15 0,13 0,113 0,106 0,102 0,10 c) Phổ của gió Phổ của gió được xác định theo công thức sau: 6 5 2 2 1 )f ~ 2( f ~ f 1 KV4)f(S   (2.2) trong đó:

47. 47 1V L.f f ~   tần số không thứ nguyên S  mật độ áp lực gió (m2 /Hz) f  tần số (Hz) L  chiều dài qui chiếu (m) K  hệ số ma sát V1  vận tốc gió xác định theo mục b) nêu trên Tuỳ theo điều kiện từng vùng biển, có thể sử dụng các công thức phổ gió khác. Chiều dài L trong trường hợp chung được lấy L=1800m. Hệ số K được lấy như sau: K=0,0020 đối với biển động K=0,0015 đối với biển bình thường 3.2.2. Lực gió Lực gió tác dụng lên kết cấu phụ thuộc vào Hình dáng của kết cấu. Có 3 loại mô Hình kết cấu được sử dụng để tính toán lực gió như sau : a) Kết cấu gồm các phần tử (ví dụ, công trình biển thép Jacket) : để tính toán lực gió tác dụng lên công trình có thể tách kết cấu ra thành các phần tử có dạng Hình học đơn giản; lực gió được tính toán cho từng phần tử kết cấu có kể đến hệ số cản tương ứng với Hình dạng phần tử kết cấu và được tổng hoá cho toàn bộ công trình. b) Kết cấu khối lớn (tàu thủy, bể chứa nổi,...) : lực gió được xác định bằng các công thức tổng quát. c) Kết cấu hỗn hợp gồm kết cấu khối lớn và kết cấu có thể chia ra thành các phần tử kết cấu (ví dụ, dàn khoan bán chìm, tàu khoan có tháp khoan phía trên) : lực gió được tính toán theo 2 trường hợp nêu trên. Trường hợp cần thiết, để xác định lực gió cần phải thử nghiệm mô Hình trong ống thổi khí động lực học. a) Lực gió tác dụng lên kết cấu gồm các phần tử kết cấu Hình dạng đơn giản Lực gió tác dụng lên phần tử kết cấu có Hình dạng đơn giản được xác định theo công thức sau : 2 tzw VAC 2 1 F  (2.3) trong đó:  - khối lượng riêng của không khí ( 3 m/kg225,1 đối với không khí khô) A- diện tích Hình chiếu bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông

48. 48 góc với hướng gió thổi; Vtz- vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z tính từ mặt nước biển trung bình ; C - hệ số cản, phụ thuộc vào số Reynolds )R( e , Hình dạng mặt cắt hứng gió và chiều dài của phần tử kết cấu; Hệ số Reynolds:   tz e V.D R (2.5) với D - kích thước đặc trưng của bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu (với ống tròn D là đường kính ống)  - hệ số nhớt động học của không khí )s/m(10.46,1 25  ở nhiệt độ C15t oo  . Bảng 2.2-b cho giá trị hệ số cản vận tốc ( C ) của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản. Đối với các phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn thì hệ số cản vận tốc (C) được tính toán theo công thức sau: C = k . C (2.6) trong đó: C - hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản (bảng 2.2-b); Bảng 2.2-b. Các hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản Tiết diện Sơ đồ C Tròn  0,6 Chữ I đứng  1,6 Chữ I ngang  1,9 Chữ nhật ngang  0,75 Chữ nhật đứng  2,1 Hình vuông  2,0 Hình vuông xoay  1,5

49. 49 k - hệ số qui đổi (cho trong bảng 2.2c), là hàm số phụ thuộc vào: l - chiều dài phần tử kết cấu; D - kích thước đặc trưng của mặt cắt vuông góc với hướng gió (đối với mặt cắt tròn D là đường kính ngoài). Bảng 2.2c Hệ số qui đổi k cho phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn TT l/D 2 5 10 20 40 50 100  1 Trụ (Đk trước tới hạn) 0,58 0,62 0,68 0,74 0,82 0,87 0,98 1,0 2 Trụ (Đk trên tới hạn) 0,8 0,8 0,82 0,9 0,98 0,99 1,0 1,0 2 Tấm phẳng vuông góc với hướng gió 0,62 0,66 0,69 0,81 0,87 0,90 0,95 1,0 Khi xét trường hợp kết cấu có nhiều phần tử kết cấu Hình dạng đơn giản đặt kề nhau người ta phân biệt hai trường hợp sau. * Trường hợp 1: Hiệu ứng đậm đặc: Các phần tử kết cấu nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi. Hình 2.18 Các phần tử kết cấu nằm kề nhau Lực gió được xác định theo công thức sau : 2 tz1w VAC 2 1 F  (2.7) trong đó: L D

50. 50  - khối lượng riêng của không khí C - hệ số cản có xét đến hệ số đậm đặc  cho trong bảng 2.2-d. Bảng 2.2-d. Hệ số cản C có xét đến hệ số đậm đặc  Hệ số đậm đặc  Hệ số cản C Phần tử phẳng Phần tử có mặt cắt ngang Hình tròn 5 e 10.2,4R  5 e 10.2,4R  0,1 1,9 1,2 0,7 0,2 1,8 1,2 0,8 0,3 1,7 1,2 0,8 0,4 1,7 1,1 0,8 0,5 1,6 1,1 0,8 0,75 1,

Add a comment

Related pages

Bài giảng môn học CTB mềm và PTN 2014 | Offshore.VN | Diễn ...

Bài giảng môn học CTB mềm và PTN 2014. Thảo luận trong 'Sách Công trình biển – Handbook Offshore' bắt đầu bởi NTA_57CB2, 30/9/15.
Read more

Sách Công trình biển – Handbook Offshore | Offshore.VN ...

Bài giảng môn học CTB ... Trả lời: 0 Đọc: 369. NTA_57CB2 3/10/15. Bài giảng môn học CTB mềm và PTN ... Công trình biển mềm và ...
Read more

Diễn đàn Kỹ sư Công trình biển - Dầu khí | Facebook

... quả công tác và cam kết đầy đủ các chế độ dành cho NLĐ theo quy định. Được đào tạo các phần mềm tiên ...
Read more

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - dce.hcmut.edu.vn

... Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước, Thi Công và Quản lý Xây dựng ... PTN Kết cấu công trình; ... Ngày hội tỏa sáng tiềm năng 2014 ...
Read more

[giasunhatrang net]giải chi tiết đề thi Đại học môn Hóa ...

We're trying Google Ads to subsidize server costs. If you are logged in, you won't see ads. Hover to learn more.
Read more

Xác định hợp chất PCB trong mẫu môi trường bằng phương ...

"Xác định hợp chất Polybiphenyl Clorua (PCB) trong mẫu môi trường bằng phương pháp sắc ký khí ghép nối khối phổ (GC/MS)" LINK ...
Read more