Luận văn Nghiên cứu tính toán ổn định nguyên vẹn giàn khoan bán chìm

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu tính toán ổn định nguyên vẹn giàn khoan bán chìm

1. TRƢỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN GIÀN KHOAN BÁN CHÌM LUẬN VĂN THẠC SỸ KĨ THUẬT Hải Phòng - 2014
2. MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài - Xu hướng sử dụng giàn di động như giàn bán chìm, giàn tự nâng, - Nhu cầu về giàn di động của Việt Nam trong giai đoạn 2012-2020; - Giá trị đầu tư cho một dự án giàn dầu khí di động rất lớn; - Khoa Đóng tàu trường ĐHHHVN vừa qua cũng đã mở thêm chuyên ngành mới “Thiết kế tàu và Công trình ngoài khơi” 1.2. Mục đích của đề tài Hiểu và áp dụng phương pháp tính toán ổn định nguyên vẹn cho loại công trình đặc biệt này để làm cơ sở cho việc xây dựng hồ sơ tính toán ổn định phù hợp với các yêu cầu do Quy phạm về giàn khoan biển và IMO A1023(26)-MODU code 2009.
3. 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đề tài hướng tới nghiên cứu tính toán ổn định nguyên vẹn giàn bán chìm và áp dụng tính toán giàn ĐH01, hiện đang khai thác tại mỏ Đại Hùng. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài Phương pháp nghiên cứu của đề tài là dựa trên các phương pháp lý thuyết có sự hỗ trợ của phần mềm AUTOSHIP. 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ở Việt Nam do chưa có công trình thiết kế nào dành cho loại công trình này nên việc công bố kết quả cũng chưa tìm thấy. Như vậy đề tài này rất cần cho thực tế về thiết kế giàn khoan bán chìm.
4. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO GIÀN KHOAN BÁN CHÌM 1.1. Phƣơng pháp phân tích ổn định Có hai phương pháp có thể sử dụng : - Áp dụng một góc chúi thích hợp (free trim); - Hay thay đổi hướng của trục nghiêng (free twist). Đối với phương pháp thứ hai thì góc nghiêng của GKBC sẽ là góc dốc lớn nhất so với mặt phẳng nằm ngang ban đầu và mặt phẳng đường nước sẽ luôn song song với trục nghiêng.
5. Hình 1.1. Trường hợp thay đổi hướng trục nghiêng
6. 1.2 Ổn định góc nghiêng nhỏ. Hình 1.2. Tác dụng của trọng lực và lực nổi làm nghiêng giàn ℎ = ∗ 푍 = ∗ 푙 = ∗ ℎ0 sin 휃 푙 = 푠𝑖푛 휃 = ℎ0 푠𝑖푛 휃 = + 퐾 − 퐾 = + −
7. • M1hp = ∆.H0. • H0 = zB + R – zg Hình 1.3. Tác dụng của trọng lực và lực nổi làm chúi tàu • h = zB + r – zg 2 2 • r = r cos + R sin Hình 1.4. Biểu đồ ổn định ban đầu
8. Moment nghiêng lớn nhất khi diện tích hứng gió là lớn nhất Hình 1.5. Xác định diện tích hứng gió Góc nghiêng lớn nhất trong trường hợp này được tính bằng: Mng = Mhn = .h  M ng  .h
9. 1.2. Ổn định góc nghiêng lớn. Hình 1.6. Tác dụng của trọng lực và lực kéo trong trường hợp nghiêng góc lớn 푙 = 휃 표푠휃 + 휃 − 푠𝑖푛휃 − 𝑔 − 푠𝑖푛휃
10. 휃 휃 = 휃휑 표푠휃 휃 0 Đối với trục nghiêng không cố định: 푙휑 = 휃휑 표푠휃휑 + 휃휑 − sin 휃휑 − 𝑔 − sin 휃휑 휃휑 휃 휃휑 = 휃휑 표푠휃 휃 휃휑 − = 휃휑 푠𝑖푛휃 휃 0 0
11. Hình 1.7. Đường cong ổn định tĩnh a) Tay đòn ổn định tĩnh; b) Mô men hồi phục Hình 1.8. Xác định góc nghiêng tĩnh và góc nghiêng động a) Góc nghiêng tĩnh; b) Góc nghiêng động
12. CHƢƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO GIÀN KHOAN BÁN CHÌM 2.1. Tốc độ gió • Tối thiểu là 100 knot (51,5 m/s) cho tình trạng bão, • 70 knot (36 m/s) trong điều kiện di chuyển, vận hành và trung gian • có thể giảm xuống 50 knot khi đánh giá ổn định cho công trình hoạt động ở vùng biển kín. 2.2. Ảnh hƣởng của hệ thống dây neo Hầu hết bỏ qua ảnh hưởng của hệ thống dây neo trong đánh giá ổn định của GKBC, tuy nhiên khối lượng của dây neo nên được đưa vào tính toán lượng chiếm nước và cao độ trọng tâm.
13. 2.3. Momen nghiêng do gió • Momen nghiêng do gió được vẽ nhờ tính toán lực gió theo công thức sau: 2 F = 0.5CSCHρV A • Moment nghiêng do gió phải được tính ở một số góc nghiêng cho mỗi trạng thái hoạt động để xác định đường cong, ngoài ra momen do gió còn phải được tính cho các hướng gió khác nhau để xác định “trục tới hạn”.
14. 2.4. Tiêu chuẩn ổn định nguyên vẹn Hình 2.1. Kiểm tra ổn định cho GKBC - Diện tích dưới đường cong momen ổn định tới góc vào nước phải lớn hơn 30% diện tích dưới đường cong momen nghiêng do gió tới góc vào nước tương tự: Diện tích A+B ≥ 1,3 (diện tích B+C) - Ngoài ra còn có các yêu cầu riêng biệt được trình bày trong bảng sau.
15. Bảng 2.1. Tiêu chuẩn ổn định của một số cơ quan quốc tế Yêu cầu NMD CCG IMO ABS DNV Tỉ số diện tích ≥ 1.3 ≥ 1.3 ≥ 1.3 ≥ 1.3 ≥ 1.3 Góc nghiêng ≤ 17° ≤ 15° Không yêu cầu Không yêu cầu Không yêu cầu tĩnh do gió Góc nghiêng tại góc giao điểm ≥ 30° Không yêu cầu Không yêu cầu Không yêu cầu Không yêu cầu thứ 2 Minimum GM. ≥ 1 m Tại trạng thái ≥ 1 m Tại trạng Không yêu cầu ≥ 0.0 m. ≥ 1 m Tại trạng vận hành, di chuyển thái vận hành, di thái vận hành, di và bão; chuyển và bão; chuyển và bão; ≥ 0,3 m Tại trạng ≥ 0,3 m Tại trạng ≥ 0,3 m Tại trạng thái trung gian. thái trung gian. thái trung gian. Momen tĩnh Dương trong phạm Không yêu cầu Dương trong phạm Dương trong phạm Dương trong phạm hay GZ nhỏ vi từ 0o đứng đến vi từ góc 0o đến góc vi từ góc 0o đến góc vi từ góc 0o đến góc nhất. góc giao điểm thứ 2 giao điểm thứ 2 giao điểm thứ 2 giao điểm thứ 2
16. CHƢƠNG 3. VÍ DỤ MINH HỌA CHO GIÀN BÁN CHÌM ĐẠI HÙNG 01 (1). Ponton (2). Cột ổn định lớn (3). Cột ổn định nhỏ (4). Cột ổn định thứ cấp Hình 3.1.a. Giàn Đại Hùng nhìn từ mạn
17. (5). Thanh giằng chéo (6). Thanh giằng ngang 5 6 Hình 3.1.b. Giàn Đại Hùng nhìn từ đuôi
18. Hình 3.2. Sơ đồ bố trí két của giàn Đại Hùng 01
19. Moment nghiêng do gió được tính ở một số góc nghiêng và các hướng gió khác nhau. Bảng 3.1. Chiều chìm 20.7 m (Survival) với tốc độ gió 100 knot (51.5 m/s) Hƣớng 0 20 40 60 80 (độ) (t.m) (t.m) (t.m) (t.m) (t.m) Góc Nghiêng (độ) 0 9307.2 10850.3 11333.8 10645.8 8908.4 5 10263.3 11800.7 12306.6 11656.3 9946.4 10 11101.1 12643.1 13273.6 12740.8 11064.0 15 12001.4 13602.3 14372.1 13998.9 12513.8 20 12940.6 14558.9 15463.2 15220.9 14069.0 25 13932.9 15488.3 15994.1 15898.1 15063.9 30 14643.6 15688.7 16378.9 16626.2 15801.6
20. Biểu đồ moment do gió tại chiều chìm 20.7 m (Trạng thái bão) với tốc độ gió 100 knot (51.5 m/s) t.m
21. Ổn định nguyên vẹn giàn bán chìm ĐH-01 được tính toán cho các trạng thái: Trạng thái: - Di chuyển tại chiều chìm T = 55 ft (16.8 m) - Vận hành, khai thác tại chiều chìm T = 70 ft (21.3 m) và T = 65ft (19.8 m) - Bão nguy hiểm tại chiều chìm T = 68 ft (20.7 m) Điều kiện gió: - Vận tốc gió 70 knot ( 36 m/s) tại trạng thái di chuyển, vận hành khai thác - 100 knot tại trạng thái bão (51.5 m/s)
22. Trình bày kết quả tính toán tại trạng thái bão nghiêm trọng tại chiều chìm T = 68 ft (20.7 m) tại các hướng gió 80, 60, ,0, ,280 độ (tức gió thổi từ các hướng mạn trái) theo tiêu chuẩn IMO và NMD, chủ yếu là: • Tỉ số diện tích dưới đường cong momen tĩnh tới góc vào nước và diện tích dưới đường cong momen nghiêng do gió tới góc vào nước tương tự lớn hơn 1.3 ; • Góc nghiêng tĩnh do gió không lớn hơn 17 độ ; • Góc tại giao điểm thứ hai của đường cong momen tĩnh và momen nghiêng do gió không nhỏ hơn 30 độ.
23. Trạng thái nổi ban đầu MN mũi 20.646 m Nghiêng zero GM(Solid) 6.732 m MN giữa tàu 20.646 m Cân bằng Yes F/S Corr. 0.000 m MN đuôi 20.646 m Gió Off GM(Fluid) 6.732 m Chúi zero Sóng No KMt 20.38 m LCG 1.129a m VCG 13.534 m TPcm 3.88 Lượng chiếm 20,271.41 nước MT Tóm tắt các thành phần LCN Các thành phần Khối lượng LCG TCG VCG (MT) (m) (m) (m) KL tàu không 10,714.70 2.375f 0.080p 26.310 Trọng tải DW 9,556.71 5.058a 0.091s -0.791 Lượng chiếm nước 20,271.41 1.129a 0.000 13.534
24. Đối với hướng gió 20 độ Tay Rightingđòn ổn định Arms tĩnh vs. và gâyHeel nghiêng - INTACT - ỔN STABILITY ĐỊNH NGUYÊN VẸN Heel angle (Degrees) 0.0s 50.0s 100.0s 15.0 TĐRighting ổn định Arm tĩnh A TĐ nghiêng r Heeling Arm m TĐR. động Area s GócEquilibrium cân bằng Góc vào nước i Flood Pt n 10.0 m 5.0 0.0 Giới hạn Min/Max Thực tế Dư Đánh giá (1) Tỉ số diện tích từ góc 0 độ đến góc vào >1.300 5.266 3.966 Đạt nước (2) Góc nghiêng tĩnh 30.00 deg 88.15 58.15 Đạt
25. Đối với hướng gió 40 độ TayRighting đòn ổn địnhArms tĩnh vs. và Heel gây -nghiêng INTACT - STABILITYỔN ĐỊNH NGUYÊN VẸN Heel angle (Degrees) 0.0s 50.0s 100.0s TĐRighting ổn định Arm tĩnh A TĐ nghiêng r Heeling Arm m TĐR. động Area 10.0 s GócEquilibrium cân bằng Góc vào nước i Flood Pt n m 5.0 0.0 -5.0 Giới hạn Min/Max Thực tế Dư Đánh giá (1) Tỉ số diện tích từ góc 0 độ đến >1.300 2.943 1.643 Đạt góc vào nước (2) Góc nghiêng tĩnh 30.00 deg 89.58 59.58 Đạt
26. Đánh giá • Giàn bán chìm Đại Hùng 01 đảm bảo ổn định theo tiêu chuẩn của IMO và NMD tại chiều chìm T = 20.65 m ( 68 ft) với vận tốc gió 100 knot tới từ các hướng khác nhau ở mạn trái. • Một trong các trục tới hạn của giàn Đại Hùng 01 là tại hướng gió 40 độ.
27. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận • Đã tìm hiểu và nghiên cứu tổng quan về phương pháp tính toán ổn định giàn bán chìm. • Chỉ ra mô hình tính toán ổn định cho giàn bán chìm dạng cột ổn định nói chung; • Đã áp dụng mô hình nêu trên để tính toán ổn định cho giàn bán chìm ĐH-01 có sự hỗ trợ của phần mềm Autoship. 2. Kiến nghị Đề tài mới chỉ nghiên cứu tính toán ổn định nguyên vẹn và tìm hiểu về giàn khoan bán chìm (semi-submersible) vì vậy tác giả kiến nghị cần có sự nghiên cứu sâu hơn nữa về các về tính toán ổn định tai nạn, nghiên cứu tính toán ổn định các dạng giàn bán chìm khác như dạng Jackup, SPAR,