Luận văn Nghiên cứu, tính toán ổn định tai nạn giàn khoan bán chìm

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, tính toán ổn định tai nạn giàn khoan bán chìm

1. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT “Nghiên cứu, tính toán ổn định tai nạn giàn khoan bán chìm” Học viên: KS. Đồng Đức Tuấn Lớp: KTTT 2012 Người hướng dẫn: PGS.TS. Lê Hồng Bang Hải Phòng - 2015
2. NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 1. CHƢƠNG MỞ ĐẦU 2. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TAI NẠN CÔNG TRÌNH BIỂN DI ĐỘNG 3. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TAI NẠN 4. CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TAI NẠN CHO GIÀN KHOAN ĐẠI HÙNG 01 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
3. CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1. TÍNH BỨC THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Bài toán tính toán ổn định tai nạn tàu thủy hiện nay sử dụng phƣơng pháp xác suất để giải quyết và đáp ứng đƣợc những yêu cầu của Công ƣớc Quốc tế. Tuy nhiên bài toán tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm áp dụng phƣơng pháp xác suất thì chƣa thấy đƣợc công bố ở Việt Nam. Việc nghiên cứu những quy định của IMO về bài toán tính ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm là rất cần thiết trong trong giai đoạn hiện nay. 2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Hiểu và áp dụng có hiệu quả phƣơng pháp tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm phù hợp với các yêu cầu do Quy phạm và Công ƣớc quốc tế SOLAS74-Bổ sung sửa đổi.
4. 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Đối tƣợng nghiên cứu: Các giàn khoan bán chìm và áp dụng tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm ĐH01. Phạm vi nghiên cứu: Áp dụng phƣơng pháp xác suất để giải quyết bài toán ổn định tai nạn. Các kết quả tính toán đƣợc sự hỗ trợ của phần mềm AUTOSHIP. 4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp lý thuyết có sự hỗ trợ của phần mềm AUTOSHIP. Đề tài có 3 nội dung chính: - Giới thiệu chung về phƣơng pháp tính toán ổn định tai nạn cho công trình biển di động - Xây dựng mô hình tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm - Áp dụng tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan Đại Hùng 01
5. 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đề tài sẽ xây dựng mô hình tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm và áp dụng tính toán cho giàn khoan Đại Hùng 01. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là mẫu tính toán phục vụ cho việc tính toán thiết kế giàn bán chìm nói chung và giàn khoan bán chìm nói riêng, là tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành Thiết kế tàu và công trình ngoài khơi và những ngƣời có quan tâm tới ổn định tai nạn của công trình nổi.
6. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TAI NẠN CÔNG TRÌNH BIỂN DI ĐỘNG 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI Trƣớc đây, việc tính toán ổn định tai nạn cho tàu hoặc công trình biển di động theo phƣơng pháp áp dụng các công thức giải tích. Ngày (10-19/05/2005) IMO đã thông qua nghị quyết MSC.194(80), trong đó có nội dung sửa đổi bổ sung chƣơng II-1 SOLAS 74 về ổn định tai nạn, xây dựng mối quan hệ giữa phân khoang và ổn định tai nạn dựa trên quan điểm xác suất. Thi hành ngày 1/1/2009. Hiện nay, trên thế giới, các phần mềm chuyên dụng nhƣ: Tribon, Autoship, Napa v.v. đƣợc sử dụng để tính toán ổn định tai nạn theo tiêu chuẩn mới của SOLAS 74 với bổ sung, sửa đổi 2010
7. 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƢỚC Hiện nay ở nƣớc ta, việc tính toán ổn định tai nạn đang đƣợc áp dụng cho tất cả các loại tàu hàng có chiều dài L1 ≥ 80 m và tuân thủ đầy đủ các qui định của SOLAS 74 với bổ sung, sửa đổi 2010. Tuy nhiên, việc áp dụng lý thuyết xác suất vào việc giải quyết bài toán ổn định tai nạn cho công trình biển di động chƣa thấy đƣợc công bố. Với mong muốn đƣợc đƣa ra các cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp xác suất trong tính ổn định tai nạn cho tàu cũng nhƣ công trình biển di động và áp dụng nó để đƣa ra một lộ trình giải quyết cụ thể
8. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TAI NẠN 2.1. Quy định chung. Những yêu cầu về ổn định tai nạn trong những phần dƣới đây đƣợc áp dụng với những tàu có chiều dài từ 80 m trở lên và sẽ đƣợc áp dụng cho việc tính toán ổn định tai nạn đối với công trình biển di động một cách hợp lý. Cơ sở tính toán ổn định tai nạn của công trình biển di động đó là lý thuyết xác suất áp dụng cho ổn định tai nạn của tàu thủy. Yêu cầu: A ≥ R A: Hệ số phân khoang đạt đƣợc R: Hệ số phân khoang yêu cầu
9. 2.2. Tính toán hệ số R Trong trƣờng hợp Ls ≥ 100 m thì: 푹 = − 푳푺+ 2.3. Tính toán hệ A = . ퟒ 푺 + . ퟒ 푷 + . 풍 Trong đó: = 풑풊풔풊 (đƣợc xđ từ các trƣờng hợp tai nạn) i: Chỉ số tƣơng ứng với 1 khoang hoặc 1 nhóm khoang tính toán, pi: Xác suất ngập khoang, si: Xác suất ngập an toàn.
10. 2.4. Quy tắc tính toán hệ số pi 2.4.1. Phân chia các khu vực thiệt hại theo chiều dài. Với mục đích tính toán chỉ số phân khoang thực A, chiều dài LS của tàu sẽ đƣợc phân chia ra làm các khu vực tai nạn riêng biệt (damage zone). Không có quy tắc nào trong việc phân chia, ngoại trừ yêu cầu về LS theo định nghĩa. Tuy nhiên, lựa chọn cách phân chia thích hợp là điều quan trọng để thu đƣợc giá trị A lớn.
11. 2.4.2. Quy tắc tính toán hệ số pi Tính toán ứng với trƣờng hợp một, hai hoặc ba vùng hƣ hỏng liền kề ppxxi (1,2 j j 1 ).[(1,2 rxx j j 1 , b k ) rxx (1,2 j j 1 , b k 1) ] Pj,2 - pxx(1,2).[(1,2,j j rxxb j j k ) rxxb (1,2, j j k 1) ] - px(1,2).[(1,2,j 1 x j rx j 1 xb j k ) rx (1,2, j 1 xb j k 1) ] X1 X2 x1: Khoảng cách từ mút đuôi của j j X1j+1 X2j+1 Ls đến mút đuôi của vùng đang xét Vùng j j+1 đến; n = 2 x : Khoảng cách từ mút đuôi của 2 Hình 2.4. Hư hỏng hai vùng liền kề Ls đến mút mũi của vùng đang xét đến;
12. 2.5. TÍNH TOÁN XÁC SUẤT NGẬP KHOANG AN TOÀN si Xác suất ngập an toàn si đối với các trƣờng hợp tai nạn tại ở các trạng thái tải ban đầu đƣợc xác định theo công thức sau: si = min{sintermediate,i, sfinal,i, smon,i}  sintermediate,i: Xác suất để duy trì ổn định ở tất cả các giai đoạn ngập trung gian đến giai đoạn cân bằng cuối cùng  sfinal,i: Xác suất để duy trì ổn định trong giai đoạn cân bằng cuối cùng của quá trình ngập  smon,i: Xác suất để duy trì ổn định với mômen nghiêng 1 푍 ax 푅 푛 푒 4 휃 ax − 휃푒 푠 푖푛 푙,푖 = 퐾 퐾 = 0,12 16 휃 ax − 휃min
13. 2.6. HỆ SỐ NGẬP KHOANG. [18] Bảng 2.1. Hệ số ngập của các không gian của tàu thủy Các không gian Hệ số ngập Các kho dự trữ 0,60 Các buồng ở 0,95 Buồng máy 0,85 Các khoang trống 0,95 Các khoang chứa chất lỏng 0 hoặc 0,95* Bảng 2.5. Hệ số ngập của các không gian đối với giàn bán chìm [18] Các không gian Hệ số ngập Các kho dự trữ 0,95 Các buồng ở 0,95 Buồng máy 0,85 Các khoang chứa chất lỏng 0,95
14. 2.8. CÁC YÊU CẦU ĐỐI VỚI ĐẶC TÍNH TƢ TẾ CHÚI VÀ ỔN ĐỊNH TAI NẠN ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH NỔI [18] [19] 1. Kích thước của lỗ thủng Chiều dài lỗ thủng bằng (3L%+3) m hoặc bằng 11 m Chiều sâu của lỗ thủng (xuất hiện trong pônton) bằng 1,5 hoặc 0,2 chiều rộng phần chiếm nƣớc của ponton đối với giàn khoan bán chìm Chiều cao của lỗ thủng bằng khoảng cách từ mặt phẳng cơ bản tới boong trên của ponton. Tại vị trí khai thác (đối với giàn khoan bán chìm) chiều dài lỗ thủng bằng 1/8 chu vi trụ ổn định, chiều sâu =1,5 m và chiều cao =3 m. 2. Chiều cao tâm nghiêng GM>= 0.3 m. 3. Tay đòn lớn nhất Gzmax>=0,5 m, độ dài đƣờng cong ổn định tĩnh có chú ý đến góc nghiêng khi gặp tai nạn không nhỏ hơn 10 độ
15. 4. Góc nghiêng tĩnh không đƣợc vƣợt quá 10 độ 5. Đường mớn nước của công trình khi gặp tai nạn đến trƣớc thời điểm thăng bằng, trong thời gian lấy lại cân bằng và sau khi thăng bằng phải nằm dƣới mép boong kín nƣớc và ngoài vùng bị chìm hoặc nằm dƣới 0,3 m so với lỗ khoét trên vách ngăn, boong, mạn, mà nƣớc có thể tiếp tục tràn qua đó. 6. Giàn phải có đủ lực nổi và ổn định để hoạt động và di chuyển khi ngập từng phần hoặc cả một khoang nào đó phía dƣới đƣờng nƣớc đang xét nhƣ là buồng bơm, buồng máy có hệ thống làm mát bằng nƣớc mặn hoặc một khoang thông biển.
16. Hình 3.5. Yêu cầu về đường cong ổn định tĩnh Yêu cầu: RoS ≥ 70 + 1.5qs ; RoS ≥ 100
17. (Initial waterline) Đƣờng nƣớc ban đầu (Final Damage waterline including 50 kt wind) Đƣờng nƣớc sau tai nạn với gió thổi 50 knots Yêu cầu: Giá trị nhỏ nhất của Zone A là 4m Giá trị nhỏ nhất của Zone B là 7 độ Hình 3.6. Yêu cầu về tư thế sau tai nạn
18. CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TAI NẠN CHO GIÀN KHOAN ĐẠI HÙNG 01 3.1. Giới thiệu giàn khoan Đại Hùng 01 3.1.1. Tình hình khai thác hiện nay [17] 3.1.2. Giới thiệu sơ lược chung về hình dáng, kiến trúc và kết cấu của giàn khoan bán chìm Đại Hùng 01 3.1.3. Các kích thước chủ yếu của giàn khoan bán chìm Đại Hùng 01 3.1.4. Sơ đồ bố trí khoang két của giàn khoan bán chìm Đại Hùng 01
19. Hình 3.3. Giàn khoan Đại Hùng ở chế độ khai thác.
20. PT20 PT19 PT18 PT16 ER.P PT15 PT13 PT11 PT09 PT07 PT05 PT03 PT01 PT14 PT12 PT10 PT08 PT06 PT04 PT02 ER.P PT01 PT15 PT13 PT11 PT09 PT07 PT05 PT03 ST15 ST13 ST11 ST09 ST07 ST05 ST03 ER.S ST01 ST14 ST12 ST10 ST08 ST06 ST04 ST02 Hình 3.4. Sơ đồ bố trí khoang két
21. 3.2. Tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan ĐH01 Bước 1. Tính toán ÔĐ nguyên vẹn cho ĐH01 tại 3 trang thái quy định Bước 2. Tính toán A và R theo SOLAS 74 bổ sung, sửa đổi. Hai chỉ số này đƣợc tính toán tại các mớn nƣớc yêu cầu của SOLAS 74, đó là các mớn nƣớc:  Mớn nƣớc phân khoang Ts = 21.336 m  Mớn nƣớc tàu không Tl=5.180 m  Mớn nƣớc trung gian Tp = Tl + 0.6(Ts-Tl) = 14.874 m Bước 3. Kiểm tra điều luật bổ sung “Cross flooding” (Bỏ qua) Bước 4. Tính toán lại tƣ thế và ổn định cho giàn khoan Đại Hùng 01 trong các trƣờng hợp tai nạn giả định Bước 5. Thiết lập sơ đồ kiểm soát tai nạn cho giàn khoan ĐH 01
22. 3.2.3. Phân chia khu vực tai nạn theo chiều dài Ls ZONE 1 ZONE 2 ZONE 3 ZONE 4 ZONE 5 ZONE 6 ZONE 7 ZONE 8 ZONE 9 Ls = 108,2 m Hình 3.7. Phân chia vùng tai nạn cho giàn ĐH01
23. 3.2.5. Tính toán ổn định tai nạn Tính toán chỉ số phân khoang đạt được Chỉ số phân khoang đạt đƣợc A = 0.4908 Tính chỉ số phân khoang yêu cầu Chỉ số phân khoang yêu cầu: 1 3 푅 = 0.002 + 0.006퐿푆 = 0.4631 Nhƣ vậy A = 0.4908 > R = 0.4631, tức là chỉ số phân khoang đạt đƣợc lớn hơn chỉ số phân khoang yêu cầu theo quy định của IMO.
24. 3.2.6. Tính toán ổn định tai nạn cho một số trường hợp Trường hợp thủng két ST02.S (Chiều chìm phân khoang) PT20 PT19 PT18 PT16 ER.P PT15 PT13 PT11 PT09 PT07 PT05 PT03 PT01 PT14 PT12 PT10 PT08 PT06 PT04 PT02 ER.P PT01 PT15 PT13 PT11 PT09 PT07 PT05 PT03 ST15 ST13 ST11 ST09 ST07 ST05 ST03 ER.S ST01 ST14 ST12 ST10 ST08 ST06 ST04 ST02
25. Tƣ thế giàn khoan
26. 3.2.6. Tính toán ổn định tai nạn cho một số trường hợp Trường hợp thủng két ST10.S (Chiều chìm phân khoang) M/n mũi 19.906 m Heel stbd 5.17 độ. GM(Solid) 6.201 m M/n giữa 21.136 m Equil Yes F/S Corr. 0.000 m M/n đuôi 22.367 m Wind 50.0 kn GM(Fluid) 6.201 m Trim aft 2.45/108.20 Wave No KMT 19.684 m LCG 0.286a m VCG 13.510 m TPcm 3.26 Các giới hạn Min/Max Thực tế Pass (1) GZ lớn nhất hoặc tại 30 độ >0.500 m 3.676 3.176 Yes (2) GM khi cân bằng >0.300 m 7.860 7.560 Yes (3) Góc nghiêng tĩnh 7.00 độ 51.93 44.93 Yes
27. 3.2.9. Sơ đồ kiểm Sự cố tai nạn soát tai nạn Cảnh báo chung: Cung cấp thông tin tới toàn bộ sĩ quan vận hành và người liên quan Đóng các cửa kín nước, miệng khoang hàng cũng như các bộ phận kín thời tiết và các van Kiểm tra mức độ tai nạn và kiểm tra dung tích các két Tính toán mức độ ngập khoang Yes Công suất bơm Tiếp tục bơm > Mức độ ngập khoang No Tính toán trạng thái nổi cuối cùng No Nước ngừng tràn vào khoang
28. 3.2.9. Sơ đồ kiểm soát tai nạn Nước ngừng No tràn vào khoang Tính toán lượng nước dằn để cải thiện tư thế Điều chỉnh chất lỏng, kiểm tra kết quả Thông báo tình trạng hiện thời tới lực lượng bảo vệ bờ biển và cơ quan liên quan
29. Nhận xét Dựa và mô hình tính toán và kết quả đƣa ra, ta thấy ở một số trƣờng hợp tai nạn thì yêu cầu về ổn định và tƣ thế của giàn khoan Đại Hùng 01 không đảm bảo yêu cầu theo luật. Đối với các trƣờng hợp tai nạn không thỏa mãn điều kiện theo luật thì ta phải đƣa ra các phƣơng án dằn nhằm thay đổi tƣ thế của giàn một cách hợp lý.
30. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết quả thu đƣợc từ đề tài nghiên cứu Đề tài đã tổng hợp đƣợc các yêu cầu của SOLAS 74 với sửa đổi bổ sung 2010 quy định về tính toán ổn định tai nạn theo phƣơng pháp xác suất. Ngoài ra, đề tài cũng đã đƣa ra mô hình toán học tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm nói chung và tính toán ổn định tai nạn cho giàn khoan bán chìm Đại Hùng 01 nói riêng theo các quy định của IMO. Đã áp dụng AUTOSHIP để tính toán ổn định tai nạn cho ĐH01 Những nghiên cứu và kết quả của đề tài sẽ là tài liệu tham khảo để tính toán ổn định tai nạn cho các giàn khoan bán chìm có kiểu kiến trúc và kết cấu gần giống với giàn khoan bán chìm Đại Hùng 01.
31. 2. Kiến nghị và hƣớng phát triển của đề tài Mặc dù đã có cố gắng trong quá trình làm luận văn, tuy nhiên, bài toán tính toán ổn định tai nạn theo SOLAS 74 với sửa đổi bổ sung 2010 là tƣơng đối phức tạp. Tác giả cần thêm nhiều thời gian để có thể nghiên cứu sâu sắc hơn về lĩnh vực này. Trong thời gian tới, tác giả sẽ tham khảo thêm kết quả tính toán thực tế đã đƣợc các tổ chức đăng kiểm uy tín trên thế giới chấp thuận và sẽ tiếp tục cập nhật những nội dung mới để hoàn thiện bài toán tính toán ổn định tai nạn cho giàn bán chìm hơn nữa. Với hƣớng nghiên cứu này thì đề tài sẽ có tính ứng dụng cao hơn và cho kết quả tính toán chính xác hơn và so sánh đƣợc kết quả nghiên cứu với kết quả tính toán đã đƣợc một tổ chức đăng kiểm công nhận.
32. TÀI LIỆU THAM KHẢO [9] Viện khoa học công nghệ Việt Nam, Viện Cơ học (2003), Cơ sở khoa học cho việc xây dựng và hoàn thiện TCVN về công trình biển di động, Hà Nội [11]. The International Convention for the Safety of Life at Sea, 1974 (SOLAS1974). [12]. Revised guidance to the master for avoiding dangerous situations in adverse weather and sea conditions, IMO (2007). [13]. Interim explanatory notes to the solas chapter II-1subdivision and damage stability regulations, IMO (2007). [14]. Stability calculations for Jack-up and semi-submersible, J A Van Saten, Washington (1986) [15]. Dai Hung 01 Project, Petrol Vietnam (2009) [16]. Subdivision and damage stability of ships, M. Pawlowski, Gdansk, (2004) [17]. Rules for MODU, ABS (2012) [18] Rules and classification for offshore structures, BV (2013)
33. Chân thành cám ơn sự lắng nghe của các Thầy, Cô và các bạn!