1 Bài giảng Công trình biển mềm 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 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 công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng 4.1. Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ 4.2. Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng 4.3. Phản ứng động gần đúng của bài toán động tiền định 4.4. Phản ứng động gần đúng của bài toán động ngẫu nhiên 5. Tính gần đúng hệ thống dây neo chịu tải trọng tĩnh của môi trường 5.1. Đặt bài toán 5.2. Tính toán dây neo một phía 5.2.1 Tính toán dây neo một phía chịu tải trọng tĩnh 5.2.2. Chiều dài tối thiểu của đường dây neo 5.2.3. Tác dụng tựa tĩnh của lực thuỷ động lên dây neo 5.2.4. Bài toán tĩnh của dây neo khi điểm liên kết A di chuyển 5.3. Tính toán dây neo nhiều phía (BT không gian) 5.3.1. Trường hợp tổng quát 5.3.2. Trường hợp kết cấu nổi được giữ bằng cặp 2 dây neo đối diện 5.5. Hệ số an toàn khi thiết kế hệ thống dây neo CTB bán chìm 6. Kiểm tra độ bền của hệ thống dây neo công trình biển bán chìm 2 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 2 2 3 1 44 10 5 8 3 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 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. 4  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. 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 5 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). 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. 6 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. 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. 7 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) : 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 8 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. - 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) 9 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). 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 F R . 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 (VD : 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/mm 2 Loại thép 1770 N/mm 2 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 10 Bảng 2.1-b Lực kéo thử và lực kéo đứt tối thiểu của xích 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 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. Hình 2.10 Sơ đồ neo cọc chịu lực [...]... chỉ chịu lực ngang T0 (T0710 trọng lượng neo) Nếu neo chịu lực dọc thì phải dùng neo cọc 15 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... 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. .. 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... trong đời sống công trình ; 3) là giá trị cực đại xảy ra với xác suất lớn nhất Hình 2.17 -c 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... 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 17 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... biển có độ sâu nước lớn là neo mút (Hình 2.14 ) Hình ảnh một neo mút được trình bày trên hình 2.15 : Hình 2.14 : neo mút Hình 2.15 Neo mút trên bãi chế tạo 13 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... 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) f(x) x1 x2 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 2 3 1 Trên hình 2.17 -c : 1) là luật phân phối xác suất của thông số đang... trọng sóng tác dụng lên kết cấu khối lớn Sóng xung quanh công trình = Sóng tới + Sóng nhiễu xạ + Sóng bức xạ Để xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình cần giải quyết bài toán sóng nhiễu xạ và bức xạ Trong khuôn khổ bài toán tuyến tính, đại lượng cần tìm là hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ và sóng bức xạ (xem chương 3 FPSO) c) Lực trôi dạt Công trình nổi có chu kỳ dao động riêng lớn, nên rất cần quan... 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... mỏ (neo bừa) Quá trình neo mỏ cắm vào nền đất khi chịu lực như sau: Hình 2.13 Quá trình cắm neo 12 Việc lựa chọn loại neo và kích thước neo phải đảm bảo khả năng giữ của neo (anchor holding capacity) Hmax: H Max  FS * H 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 . 1 Bài giảng Công trình biển mềm 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 dây neo công trình biển bán chìm 2 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 2 2 3 1 44 10 5 8