Bài giảng Công trình ngoài khơi - Chương II: Tải trọng tác dụng lên công trình ngoài khơi

BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM Công trình ngoài khơi TS. Nguyễn Danh Thảo ThS. Đặng Xuân Trường Liên hệ: BM Cảng – Công Trình Biển Tel: 08.3863.8431 Email: ndthao@gmail.com Email: dangxuantruong@hcmut.edu.vn BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 2 Mục đích Công trình ngoài khơi Phục vụ vận tải biển • Cảng đảo • Bến phao • Hệ thống neo • Đèn biển Thăm dò khảo sát, tìm kiếm và khai thác • Dầu khí • Quặng mỏ Nghiên cứu khoa học Trạm cảnh giới, bảo vệ biển đảo BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 3 Đặc điểm công trình ngoài khơi - Đa dạng, quy mô lớn - Tải trọng tác động rất phức tạp - Kết cấu đòi hỏi độ tin cậy, tính an toàn cao - Việc thiết kế phụ thuộc vào điều kiện thi công - Trình tự, biện pháp thi công rất phức tạp BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 4 Điều kiện tự nhiên Công trình ngoài khơi Sóng Gió Dòng chảy Cơ học Xâm thực Ăn mòn Vi sinh vật Hóa lý Bùn cát Địa chất Ổn định BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 5 Phân loại Offshore structures Khả năng di động - Cố định - Di động Vị trí công trình - Ven bờ - Ngoài khơi - Hải đảo Vật liệu - Thép - Bê tông - Vật liệu khác Mục đích sử dụng BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 6 Phân loại Offshore structures Đảo nhân tạo, cảng đảoGiàn khoan biển Bến phao Hệ thống neo xa bờ Các dạng khác Hệ thống cảnh báo sớm Theo mục đích sử dụng BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 7 Đảo nhân tạo Đảo cọ - Dubai BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 8 Hệ thống neo xa bờ BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 9 Hệ thống cảnh báo sớm BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 10 Hệ thống cảnh báo sớm BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 11 Giàn khoan Đặt cố định trên đáy biển Có bệ đặt trực tiếp trên đáy biển Có chân đặt tựa vào đáy biển Giàn khoan Giàn khoan nổi Lịch sử phát triển  Giàn khoan dầu khí đầu tiên được xây dựng vào năm 1887 ở phía Nam California của nước Mỹ. Tuy nhiên ngành xây dựng giàn khoan trên biển trong dầu khí mới xuất hiện khoảng từ năm 1936 – 1947 (Nga 1936, Mỹ 1947).  Sau đó thì có rất nhiều dạng công trình khác nhau tùy theo độ sâu mà có những phương án thiết kế khác nhau như: công trình jackup rig, công trình trọng lực, jacket, tháp mềm, giàn khoan chân xoắn, hoặc giàn treo BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 12 BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 13 Giàn khoan cố định (Fixed Platform) - Được xây dựng bằng bê tông và/hoặc các chân thép neo trực tiếp vào đáy biển. - Được thiết kế để làm việc trong thời gian dài. - Kết cấu: thép ống, thùng chìm bê tông, thép nổi, bê tông nổi. - Thép ống thẳng đứng, cắm sâu vào đáy biển. - Bê tông thùng chìm được đúc riêng, kéo nổi đến đúng vị trí rồi đánh chìm. - Độ sâu nước: khoảng 500m. BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 14 Một số loại Giàn khoan cố định BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 15 Giàn khoan tháp cố định BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 16 Các bộ phận cơ bản BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 17 Cấu tạo sàn công tác BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 18 Các bộ phận chức năng BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 19 Giàn khoan trọng lực (Gravity Base Platform) Các dạng giàn khoan trọng lực (GBP) BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 20 BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 21 Các dạng giàn khoan trọng lực (GBP) BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 22 Cấu tạo của GBP theo chiều sâu nước biển BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 23 Giàn khoan trọng lực thép BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 24 VD: GBP chống băng hiện đại nhất thế giới Giàn khoan Hibernia  Chủ đầu tư: Chính phủ Cananda  Vị trí xây dựng: Khu vực Biển phía Bắc Canada (Hibernia)  Nhà thầu chính: Doris (Pháp)  Chủ trì thiết kế: Kỹ sư Phạm Ngọc Quỳ (Việt Nam)  Đội ngũ thiết kế: 100 kỹ sư và 300 họa viên  Công nhân thi công: 5000 người  Thời gian xây dựng: Từ 1990 - 1996  Bắt đầu hoạt động: Năm 1996 BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 25 Thi công lai dắt giàn khoan trọng lực BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 26 Thi công lai dắt giàn khoan trọng lực BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 27 Thi công lai dắt giàn khoan trọng lực BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 28 Tháp điều khiển (Compliant Towers)  Các tháp nhỏ trên nền cọc.  Chống lại biến dạng và các lực theo phương ngang lớn đáng kể.  Độ sâu nước: 450 - 900m. BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 29 Giàn khoan nửa chìm (Semi-submersible Platform) - Chân có khả năng nâng nổi công trình. - Đủ nặng để giữ công trình luôn thẳng đứng. - Có thể di chuyển, nâng lên hạ xuống bằng cách thay đổi lượng nước chứa trong các thùng nổi. - Được neo bằng xích hoặc dây cáp xuống đáy biển. - Độ sâu nước: 60 - 3050m. Ví dụ: Giàn khoan bán tiềm của TQ BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 30 Giàn lớp DNV, dài: 104.5m, rộng: 65m, độ cao so với mặt nước 36.85m, tác nghiệp ở khu vực nước sâu: 750m, độ khoan sâu: 7500m, thiết kế mớn nước: 9.5m đến 17.75m, độ giãn nước 27.331 đến 36.402 tấn, tuổi thọ của giàn là 20 năm, nhân viên phục vụ ở trên giàn là 120 người. Hạ thủy vào cuối năm 2011 tại Biển Đông BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 31 Giàn khoan tự nâng (Jack-up Platforms) - Được kích lên phía trên mặt biển bằng các chân đặt ở dưới như bệ đỡ. - Có thể chuyển giàn khoan từ vị trí này sang vị trí khác. - Neo chúng lại bằng cách kích các chân xuống dưới đáy biển thông qua cơ cấu thanh răng và hệ thống bánh răng chuyền có trên mỗi chân. -Độ sâu nước tối đa 120m (có công trình đến 170m). BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 32 Giàn khoan tự nâng (Jack-up Platforms) BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 33 Tàu khoan (Drillships) - Là một loại tàu biển được trang bị hệ thống khoan. - Dùng để khoan thăm dò tìm nguồn dầu mỏ mới hoặc các giếng khí đốt trong vùng nước sâu, cũng như dùng để khoan phục vụ nghiên cứu khoa học. - Thiết kế cụ thể cho từng công việc chuyên biệt. - Trang bị hệ thống định vị động để duy trì yên vị trí trên các giếng dầu. -Khoan với độ sâu nước khoảng 3,660m. BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 34 Hệ thống sản xuất nổi (Floating production systems) - FPSO: hệ thống sản xuất nổi, chứa, và dỡ tải (floating production, storage, and offloading system). - FSO: hệ thống sản xuất nổi và dỡ tải (floating storage and offloading system). - FSU: bộ phận chứa nổi (floating storage unit). - Là loại tàu lớn được trang bị các thiết bị chế biến và được neo cố định vào một vị trí trong thời gian dài. - Thực chất không khoan dầu hay khí đốt. BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 35 Hệ thống sản xuất nổi (Floating production systems) - FPSO: hệ thống sản xuất nổi, chứa, và dỡ tải (floating production, storage, and offloading system). BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 36 - Thường bao gồm 4 cột gần như giàn khoan nửa chìm. - Seastar và MOSES mini TLPs: giá thành rẻ, phù hợp với độ sâu nước từ 200 đến 1,300m. - Giàn khoan mini còn được dùng như vệ tinh hay giàn sản xuất trước khi thăm dò quy mô lớn ở vùng nước sâu. - Các thiết bị nổi được buộc nối với đáy biển theo cách khử phần lớn động năng theo phương thẳng đứng của kết cấu. - Độ sâu nước lên đến 2,000m. Giàn khoan chân căng (Tension-leg platform) BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 37 Giàn khoan chân căng (Tension-leg platform) 4 cột giống giàn khoan nửa chìm Cáp buộc nối với đáy biển BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 38 Giàn khoan trụ (Spar Platforms) - Được neo vào đáy biển tương tự giàn khoan chân căng. - Có dây căng theo phương thẳng đứng và có thêm các dây neo thông thường. - Ổn định hơn giàn khoan chân căng vì có đối trọng lớn ở đáy, đồng thời không phụ thuộc vào việc neo buộc để giữ luôn thẳng đứng. - Khả năng di chuyển theo phương ngang (điều chỉnh tăng đơ trên cáp). -Độ sâu nước: vài trăm đến 1700m. Loại vỏ hình trụ duy nhất Loại trụ giàn Loại trụ ngăn 3 loại BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 39 Giàn khoan trụ (Spar Platforms) BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 40 Giàn khoan trụ (Spar Platforms) BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 41 Thi công lai đắt Giàn khoan trụ BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 42 Hệ thống các loại giàn khoan BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 43 Vị trí đặt giàn khoan BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 44 Vị trí đặt giàn khoan (1,2) Giàn khoan cố định (sâu nhất: 1,353ft); (3) Tháp điều khiển (sâu nhất: 1,754ft); (4,5) Giàn khoan chân căng neo đứng và chân căng mini (sâu nhất: 4,674ft); (6) Giàn khoan trụ (sâu nhất: 5,610ft); (7,8) Giàn khoan nửa chìm (sâu nhất: 6,300ft); (9) Thiết bị sản xuất nổi, chứa, và lấy dầu (sâu nhất: 4,429ft); (10) Hút qua đường ống toàn diện từ dưới đáy biển (sâu nhất: 7,570 ft). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 45 Vị trí đặt giàn khoan BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 46 Nội dung Giới thiệu chung Tải trọng tác dụng lên công trình ngoài khơi Kết cấu sàn công tác Kết cấu giàn chân đế Móng các công trình ngoài khơi Tính ổn định của đáy biển Hiện tượng ăn mòn và xâm thực Hiện tượng mỏi và tuổi thọ mỏi của công trình Chế tạo và lắp đặt công trình ngoài khơi BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 47 Yêu cầu chung về kỹ thuật Xác định tải trọng tác động lên các bộ phận Tính toán các bộ phận kết cấu: sàn, thân và móng giàn khoan. Chế tạo và lắp đặt giàn khoan Phân tích động lực học Phân tích mỏi đối với giàn khoan Cao trình đáy sàn giàn khoan Sức chịu tải của móng giàn khoan Ống dẫn khai thác dầu khí BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 48 Các nhược điểm cần lưu ý Sinh thái biển - Chi phí dỡ bỏ cao - Kim loại nặng - Tràn dầu - Hủy hoại môi trường biển Nguy hiểm, Rủi ro - Áp suất lớn - Môi trường bất lợi - Thiên tai, thảm họa - Rò khí đốt, dầu  khả năng cháy nổ cao - Cô lập giữa biển Hạn chế BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 49 Deepwater Horizon - Thời gian: 20/4/2010. - 11 người chết, 17 người bị thương. - 757.082 lít dầu tràn ra biển mỗi ngày. Thảm họa Deepwater Horizon BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 50 Thảm họa Deepwater Horizon  Deepwater Horizon là một giàn khoan bán tiềm ở vùng nước cực sâu được lắp dựng vào năm 2001. Sau khi công tác khoan hoàn thành, việc bơm dầu được thực hiện bởi các thiết bị khác.  Deepwater Horizon thuộc sở hữu của Transocean và cho BP thuê cho đến tháng 9 năm 2013. Tháng 9/2009, giàn khoan này khoan mỏ dầu sâu nhất trong lịch sử. Deepwater Horizon đã chìm ngày 22/4/2010 do kết quả của một vụ nổ hai ngày trước đó.  Thiết kế ban đầu cho R&B Falcon, Deepwater Horizon được lắp đặt bởi Huyndai Heavy industries tại Ulsan, hàn Quốc. Việc lắp đặt bắt đầu vào tháng 12 năm 1998 và giàn đã được giao vào tháng 2 năm 2001 sau khi Transocean mua lại từ R&B BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 51 Tài liệu tham khảo 1. Nguyễn Danh Thảo, Bài giảng Công trình ngoài khơi, TL Lưu hành nội bộ, 2010. 2. Nguyễn Hữu Bảng và Trần Văn Bản, Cơ sở thiết kế công trình biển phục vụ ngành dầu khí, NXB Khoa Học & Kỹ Thuật, 2009. 3. Nguyễn Ngọc Bích và Nguyễn Việt Dương, Địa kỹ thuật biển và móng các công trình ngoài khơi, NXB Xây Dựng, 2004. 4. Nguyễn Xuân Hùng, Động lực học công trình biển, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 1999. 5. Trần Minh Quang, Công trình biển, NXB Giao Thông Vận Tải, 2007. 6. Vũ Uyển Dĩnh, Môi trường biển tác động lên công trình, NXB Xây Dựng, 2002. 7. Ben C. Gerwick, Jr., Construction of Marine and Offshore Structures, CRC Press, 2000. BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM 52 Đánh giá môn học Điểm cuối kỳ (70%) Kiểm tra (30%) Báo cáo, thuyết trình (30%) 100% Thi cuối kỳ (70%) Điểm tổng kết BM Cảng – Công Trình Biển Trường ĐH Bách Khoa Tp. HCM