Nghiên cứu tính toán ổn định cho giàn tự nâng khi di chuyển và trong khai thác

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố
trong bất kì công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đƣợc chỉ rõ
nguồn gốc.
Tác giả

Cù Huy Chính

i


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình học tập, nghiên cứu tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ, góp ý
chỉ bảo tận tình của Thầy giáo hƣớng dẫn, các Thầy, Cô giáo trong Khoa
Đóng tàu, các Thầy Cô giáo Khoa sau Đại học Trƣờng Đại học Hàng hải Việt
Nam và các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi hoàn thành luận văn:
“Nghiên cứu tính toán ổn định cho giàn tự nâng khi di chuyển và
trong khai thác”
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hƣớng dẫn PGS.TS LÊ HỒNG
BANG ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình giúp đỡ, động viên khích lệ và
tạo mọi điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Đóng tàu,
Khoa sau đại học Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam, các bạn đồng nghiệp
trong và ngoài trƣờng đã tạo điều kiện cho tôi về thời gian và các nguồn tài
liệu tham khảo.
Tác giả

Cù Huy Chính

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................ iii
CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN ................................................ v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài. ................................................................... 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài. ............................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài. ............................................................. 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. ..................................................... 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG .............................................................................. 3
1.1. Cơ sở tính ổn định. ..................................................................................... 5
1.2. Các bƣớc tính ổn định cho giàn trong khai thác. ....................................... 7
1.2.1. Phƣơng pháp kiểm tra an toàn về lật. ...................................................... 7
1.2.2. Tính mô men lật M0 : .............................................................................. 8
1.2.3. Tính mô men hồi phục Mr ....................................................................... 9
1.2.4. Hệ số an toàn lật, S0 .............................................................................. 10
CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ĐỊNH GIÀN KHOAN
TỰ NÂNG ....................................................................................................... 11
2.1. Ổn định của giàn khoan tự nâng ở trạng thái nổi. .................................... 11
2.1.1. Tỉ lệ Bonjean. ........................................................................................ 11
2.1.2. Xây dựng đƣờng cong thủy tĩnh (Hydrostatic Curves)......................... 12
2.1.3. Các đƣờng cong tính nổi. ...................................................................... 15

iii


2.1.4. Xây dựng đƣờng cong cánh tay đòn ổn định hình dáng ....................... 15
2.1.5. Điều kiện ổn định giàn tự nâng ............................................................. 18
2.1.6 Tiêu chuẩn ổn định ................................................................................. 21
2.1.7. Xác định chiều cao giới hạn của trọng tâm giàn. .................................. 23
2.1.8. Cân bằng giàn. ....................................................................................... 24
2.2. Ổn định giàn tự nâng trong khai thác. ...................................................... 26
2.2.1. Giới thiệu chung. ................................................................................... 26
2.2.2. Phƣơng pháp kiểm tra an toàn về lật. .................................................... 26
2.2.2.2. Tính mô men ổn định ( hồi phục ) Mr ................................................ 27
2.2.2.3 Hệ số an toàn lật, S0 ............................................................................ 28
CHƢƠNG 3: TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA GIÀN TAM ĐẢO 02 .......................... 29
3.1. Thông số kích thƣớc và bố trí của giàn Tam Đảo 02 ............................... 29
3.2 Điểm vào nƣớc .......................................................................................... 36
3.3. Tính toán ổn định nguyên vẹn khi di chuyển .......................................... 37
3.4. Cao độ trọng tâm cho phép – VCG Max ................................................. 63
3.5. Ổn định giàn khi khai thác ....................................................................... 64
3.5.1 Kiểm tra an toàn về lật của giàn Tam Đảo 02....................................... 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 71
1. Kết luận ....................................................................................................... 71
2. Kiến nghị và hƣớng phát triển của luận văn ............................................... 72
Tiếng Việt ........................................................................................................ 73
Tiếng Anh ........................................................................................................ 73

iv

CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN VĂN
Ký hiệu

Đơn vị

Nội dung

F

m2

Jx

m4

Mng

MN.m

Momen nghiêng do gió

A

m2

Diện tích chắn gió

Ms

MN.m

Momen lật do sóng

Mr

MN.m

Momen ổn định thực của giàn

LCG

m

Hoành độ trọng tâm giàn

TCG

m

Tung độ trọng tâm giàn

VCG

m

Cao độ trọng tâm giàn

FSM

MT- m

Momen do ảnh hƣởng của mặt thoáng

ABS

CCG

DNV

IMO

NMD

HSE

Diện tích tiết diện dầm tƣơng đƣơng
Mô men quán tính của một tiết diện cột đối
với trục qua tâm của tiết diện

The American Bureau of Shipping
(Tổ chức Đăng kiểm Mỹ)
The Canadian Coast Guard
(Cục cảnh sát biển Canada)
Det Norske Veritas
(Tổ chức Đăng kiểm Nauy)
The International Maritime Organisation
(Tổ chức hàng hải quốc tế)
The Norwegian Maritime Directorate
(Cục hàng hải Nauy)
Health and Safety Executive

(Tổ chức Sức khỏe và An toàn Anh quốc)

v


DANH MỤC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Tiêu chuẩn ổn định tại trạng thái giàn di chuyển của
2.1

22
một số cơ quan quốc tế

2.2

Bảng cân bằng dọc, cân bằng ngang giàn.

24

3.1

Kích thƣớc chính giàn Tam Đảo 02

29

3.2.

Két KÉT NƢỚC DẰN(SpGr 1.025)

33

3.3

Két KÉT NƢỚC NGỌT:(SpGr 1.000)

34

3.4

Két MUD (SpGr 2.200)

34

3.5

Két KÉT DẦU FO(SpGr 0.870)

35

3.6

Két KÉT DẦU DO(SpGr 0.870)

35

3.7

Két LUBE KÉT DẦU KHÁC (SpGr 0.924)

35

3.8

Két KÉT DẦU KHÁC (SpGr 0.900)

35

3.9

Két BRINE (SpGr 1.100)

36

3.10

Két CEMENT (SpGr 1.100)

36

3.11

Két MUDT (SpGr 1.600)

36

3.12

Tất cả các két

36

3.13

Tọa độ các điểm vào nƣớc

36

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Số

Tên hình

hình

Trang

2.1

Hình dáng mặt cắt ngang giàn

11

2.2

Hình dáng đƣờng nƣớc giàn

12

2.3

Các đƣờng cong tính nổi.

15

2.4

Cánh tay đòn ổn định hình dáng.

16

2.5

Sơ đồ xác định cánh tay đòn ổn định hình dáng.

20

2.6

Kiểm tra ổn định cho giàn khoan tự nâng

21

2.7

Chuyển vị ngang của giàn tự nâng

27

3.1

3.2.

3.3

Sơ đồ bố trí két của giàn Tam Đảo 02 tại Tank Top trên BL
1.8m
Sơ đồ bố trí két của giàn Tam Đảo 02 tại Intermediate deck
trên BL 5.15 m
Sơ đồ bố trí két của giàn Tam Đảo 02 tại Main deck trên
BL 8.5 m

30

31

32

3.4

Giàn Tam Đảo 02 ở trạng thái Ocean Tow

37

3.5

Giàn Tam Đảo 02 ở trạng thái Field Tow

38

3.6

Sơ đồ hƣớng gió tác dụng lên giàn Tam Đảo 02

39

3.7

Đƣờng cong VCG max

64

3.8

Sơ đồ chịu tải của giàn tam đảo

65

vii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam với vị trí địa lý trải dài ven biển Đông và có một thềm lục địa
rộng lớn với nguồn tài nguyên dầu mỏ dồi dào. Các công trình biển nổi đóng
vai trò hết sức quan trọng trong chiến lƣợc phát triển kinh tế quốc dân đặc biệt
là kinh tế biển cũng nhƣ an nình quốc phòng, bảo vệ chủ quyền vùng biển và
vùng thềm lục địa.
Giàn khoan tự nâng là phƣơng tiện hiện đại, phổ biến và quan trọng
trong việc thăm dò, khai thác dầu khí. Việc khảo sát, phân tích và nghiên cứu
để đƣa ra các phƣơng pháp tính toán có thể tin cậy đƣợc để áp dụng vào điều
kiện thực tế của nƣớc ta là một việc rất quan trọng.
Để thỏa mãn các yêu cầu về kỹ thuật thi công, khai thác, tính kinh tế.
việc thiết kế một giàn khoan nói chung phải trải qua các bƣớc nhƣ: mô hình
hóa môi trƣờng biển; tính ổn định; tính tải trọng; kết cấu; phƣơng pháp cố
định giàn. Trong đó việc tính toán ổn định cho giàn tự nâng ở hai trạng thái
khi nổi và khi khai thác là vô cùng quan trọng, đảm bảo an toàn và hiệu quả
trong khai thác. Nó cũng là điều kiện tiên quyết khi đóng mới giàn tự nâng.
Mặt khác việc áp dụng các chƣơng trình tự động hóa nhằm đẩy nhanh
tiến độ và tăng độ chính xác cho công việc tính toán, phù hợp với xu thế ứng
dụng của khoa học công nghệ hiện nay.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài.
Mục đích nghiên cứu của đề tài là xậy dựng phƣơng pháp tính toán ổn
định cho giàn khoan tự nâng khi di chuyển và khi khai thác phù hợp với hình
dáng, kết cấu, khí tƣợng thủy văn và địa chất ở vị trí làm việc của giàn.

1


Nghiên cứu, ứng dụng một cách hiệu quả phần mềm AutoShip vào việc
tính toán và kiểm tra tính ổn định của giàn Tam Đảo 02 hoạt động tại vùng
biển phía Nam.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài.

Đối tượng nghiên cứu: Đề tài hƣớng tới nghiên cứu tính toán ổn định
cho giàn khoan tự nâng khi di chuyển và khai thác đồng thời lấy giàn khoan
Tam Đảo 02 hiện đang khai thác tại vùng biển phía Nam làm ví dụ minh họa.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
Trong nội dung luận văn, tác giả tập trung đi vào vấn đề tính toán kiểm
tra ổn định cho một số trạng thái của giàn tự nâng khi di chuyển và trong khai
thác với sự hỗ trợ của phần mềm AutoShip.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài.
Đề tài sử dụng phƣơng pháp lý thuyết trên cơ sở các tiêu chuẩn về ổn
định cho giàn khoan tự nâng của Việt Nam cũng nhƣ tham khảo các tiêu
chuẩn của các nƣớc có nền khoa học tiên tiến về công trình biển trên thế giới.
Cùng với sự hỗ trợ của phần mềm Autoship ứng dụng trong tính toán cho tàu
và công trình nổi.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Đề tài đƣa ra phƣơng pháp tính toán ổn định cho giàn khoan tự nâng
khi di chuyển và trong khai thác, phù hợp với hình dáng, kết cấu, điều kiện
khí tƣợng thủy văn, địa chất tại nơi giàn hoạt động.
Ý nghĩa thực tiễn.
Đề tài này đƣợc thực hiện sẽ góp một phần thiết thực cho việc nghiên
cứu, thiết kế giàn các khoan tự nâng ở trong nƣớc.

2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH CHO
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
Giàn khoan tự nâng (Jack-up rig) có chân tựa lên đáy biển đƣợc tạo nên
từ một ponton trên đó đƣợc lắp đặt hệ thống các chân giàn, trang thiết bị
khoan, thiết bị công nghệ khoan và hàng loạt các tổ hợp trang thiết bị khác

nhƣ tổ hợp trang thiết bị năng lƣợng chính và phụ, cơ cấu nâng hạ giàn..v.v.
Tại điểm khoan hệ thống chân giàn khoan sẽ đƣợc hạ xuống đáy biển và sau
đó thân giàn cùng trang thiết bị trên đó sẽ đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc với
độ cao xác định nhờ các cơ cấu nâng hạ giàn (các Jack đặc biệt hoặc hệ thanh
răng – bánh răng). Phụ thuộc vào khả năng chịu tải của nền đất nơi đặt giàn
khoan mà các chân giàn có thể ngập sâu vào đáy biển từ 4 – 14 m.
Ƣu điểm của giàn khoan tự nâng là có thể hoạt động trong phạm vi khá
rộng của chiều sâu biển (80 – 200 m).
Nhƣợc điểm chính của loại giàn khoan này là ở chỗ khi nền đáy biển yếu
hoạt động của giàn sẽ gặp khó khăn nhất định.
Khi tính toán cho giàn tự nâng cần dựa trên các cơ sở sau đây:


Liên kết chân đế - đất:
Trong điều kiện môi trƣờng tƣơng đối khắc nghiệt ở vùng biển Việt Nam

và với chiều sâu nƣớc 60 m, việc tính toán đòi hỏi phân tích động lực của giàn
có xét đến mức độ ngàm của chân đế trong nền đáy biển. Tuy nhiên, mức độ
liên kết chân để/ đất phụ thuộc vào loại đất nền và kích thƣợc của đế cột.
Trong đất rắn (cát chặt hay đất sét) với độ lún ít, liên kết đế/ đất đƣợc coi nhƣ
khớp cầu hoặc ngàm một phần; còn trong đất mềm. chân đƣợc vùi sâu có thể
tạo ra các mô men, do đó có thể coi liên kết này là một ngàm.

3


Đối với đế cột kích thƣớc bé (đƣờng kính cỡ vài mét), độ cứng chống
xoay là nhỏ, khi đó liên kết đế/đất đƣợc coi là khớp cầu (xoay tự do, không có
chuyển vị dài và không có mô men ở chân cột).
Kết quả khoan địa chất công trình vùng mỏ Bạch Hổ cho thấy ở độ sâu

<200m chủ yếu là lớp cát lỏng lẫn sét và vỏ sò. Do giàn Tam Đảo 02 làm việc
trong vùng nền đất tƣơng đối mềm nhƣ vậy ( lún 7,925m) với đƣờng kính cột
lớn ( xấp xỉ  14,63m), nên liên kết đế/đất cần đƣợc cho là ngàm đàn hồi.


Liên kết thân giàn / chân đế.
Ở trạng thái khai thác thân giàn tựa trên các cột chân nhờ hệ thống bánh

răng/thanh răng. Các ổ trụ bánh răng gắn với khung thiết bị nâng và gắn chặt
với thân còn thanh răng đƣợc hàn dọc theo cột. Nói chung khe hở bánh
răng/thanh răng cho phép thân và chân giàn có chuyển bị xoay tƣơng đối. Tuy
nhiên, đối với giàn Tam Đảo 02, mỗi phía thanh răng có 3 bánh răng ăn khớp,
do đố hai bánh răng trên và dƣới lại làm hạn chế chuyện động xoay và tạo ra
mô men uốn chân giàn. Nhƣ vậy, thân giàn/ chân đế có thể đƣợc mô tả bằng
một liên kết cứng tại vị trí của bánh răng giữa.


Mô hình hoá kết cấu chân đế.
Các ống giằng chéo và ngang không tham gia chịu uốn. Tuy nhiên khi

tính tải trọng song cần phải kể tới lực cản và lực quán tính của tất cả những
ống này cùng với cột.
Mỗi đốt đƣợc coi là một phần tử thanh dầm có tính hình học và vật liệu
không đổi. Với đƣờng kính ngoài và chiều dày thành cột đã cho, có thể xác
định đƣợc các đặc trƣng hình học của tiết diện dầm tƣơng đƣơng ở mỗi đốt
nhƣ sau, khi sóng tác dụng theo hƣớng trƣớc – sau.
Diện tích tiết diện dầm tƣơng đƣơng:
F =4 F0 = 4

 12   d 2 )

4

4

( 1.1 )


Trong đó : F0 – diện tích diện (vành khăn ) của một cột.
Mô men quán tính của một tiết diện cột đối với trục X qua tâm của tiết diện
Jx =

 12   d 2 )
4

( 1.2 )

Mô men quán tính của tiết diện tƣơng đƣơng đối với trục qua trọng tâm của
tiết diện tƣơng đƣơng:
Jx = 2Jx +2(Jx + a2F0);

(1.3)

1.1. Cơ sở tính ổn định.
Khi giàn tự nâng ở trạng thái làm việc nó sẽ chịu tác dụng của các lực
môi trƣờng (ngoại lực): gió, dòng chảy, sóng biển. Khi tính ảnh hƣởng của
gió, mô men nghiêng do gió tính theo công thức:
Mng = pv Av Zvk (  )

(1.4)

Trong đó :
pv : áp lực gió;
Av : diện tích mặt hứng gió ( có kể đến hệ số thoát gió Ki và hệ số
chiều cao vùng ni )
k (  ) : hệ số phụ thuộc vào góc nghiêng của giàn;
Z: tay đòn ( tính đến tâm chịu gió );
Áp lực gió tính bằng công thức :
Pv = Cw  a (v2/2)
Trong đó:

( 1.5 )

Cw - hệ số thu nhận từ kết quả thí nghiệm

 a - mật độ không khí
Khi tính toán áp lực của gió đƣợc tính cho trong trƣờng hợp khắc nghiệt
nhất của thời tiết mà giàn có khả năng chịu đựng đƣợc.
Áp lực gió : áp lực gió thay đổi theo vận tốc, còn vận tốc gió phụ thuộc
vào chiều cao so với mặt chuẩn. Ta có quan hệ:

5


v Ln ( Z / Z 0 )

v1 Ln (Z1 / Z 0 )

(1.6)

Trong đó: V: vận tốc gió tại độ cao Z trên mặt biển, còn v 1 – vận tốc cho

trƣớc tại độ cao xác định Z1, Z0 – đặc trƣng độ gồ ghề mặt biển, tính bình
quân bằng 0,002m. Trong thanh Beaufort độ cao cho trƣợc để làm chuẩn là
6m trên mặt biển.
Áp lực thay đổi theo chiều cao, tính theo tỷ lệ bậc hai của vận tốc gió.
(p/p1) = {v/v1}2

( 1.7 )

Tải trọng gió tính theo công thức quen thuộc :
P = (  /2)v2Av

(1.8)

Giá trị  /2 đƣợc tính trong hệ thống đƣợc chọn, ví dụ trong sử dụng hệ mét
thì giá trị này sẽ là:
2

 /2 = 0,611 N/m

Vận tốc gió v tính theo độ cao so với mặt biển. Diện tính hứng gió đƣợc
coi là mặt chiếu vuông góc với hƣớng gió tác động. Cách tính hình chiếu mặt
hứng gió của giàn hoàn toàn giống cách trong tàu thuỷ nói chung.
Những hƣớng dẫn chung đƣợc đề cập khi tính tải trọng gió theo [6]:
1. Với các giàn tựa trên các chân, diện tích hình chiều của các chân
đƣợc đƣa vào tính toán đầy đủ, bất chấp chân có bị che khuất hay không.
2. Tất cả mặt hứng gió của giàn đều phải đƣa vào tính toán. Với mỗi
dàn cấu hình cần điều chỉnh diện tích hình chiều nhờ hệ số hình dáng;
3.

Thƣợng tầng giàn đƣợc tính theo hệ số hình dạng thích hợp. Các

kết cấu khác nhƣ kết cấu thép hình, cần cẩu, “ cột buồm ”vv… tính với hệ số
hình dáng qui định riêng cho chúng;
4.

Kết cấu bằng ống, đặt thƣa nhau nhƣ tháp khoan, tay cẩu, một số

kết cấu dạng cột ..v.v… diện tích hứng gió đƣợc tín0h bằng 30% diện tích phủ

6


bì kết cấu, tính cho cả mặt trƣớc và mặt sau, và nhƣ vậy diện tích hứng gió
tính toán của những kết cấu này là 6-% diện tích phủ bì.
1.2. Các bƣớc tính ổn định cho giàn trong khai thác.
Giàn tự nâng thƣờng đƣợc lắp đặt ở vùng biển có chiều sau nƣớc nhỏ
hơn 100m. Trong một số trƣờng hợp, loại giàn này còn đƣợc dùng cho những
mục đích ngắn hạn khác. Có một số giàn đƣợc dùng cho sửa chữa, thi công
hay khai thác ở một mức độ hạn chế. Giàn đƣợc thiết kế cho một tập các điều
kiện môi trƣờng nhất định, nhƣng trong nhiều trƣờng hợp, do tính cơ động
của nó, có thể giàn phải chịu những điều kiện môi trƣờng khác với thiết kế.
Khi chuyển tới một vị trí mới, thƣờng đòi hỏi phải kiểm tra an toàn với các
điều kiện môi trƣờng mới, trong đó an toàn về lật là một yêu cầu. Theo [1],
khả năng chống lật của giàn đƣợc đặc trƣng bằng một hệ số an toàn về lật
đƣợc quy định theo Tiêu chuẩn/ Quy phạm.
Tuy nhiên do tính không chắc chắn của các dữ liệu, thực tế xảy ra sự
kiên hệ số an toàn đã đủ lớn nhƣng giàn có thể bị lật. Cần đánh giá xác suất
của sự kiện đó. Ký hiệu xác suất lật là Pf ; ta có 1 – Pf = R là xác suất không
lật. R còn đƣợc gọi là độ tin cậy chống lật của giàn [1].
Thực tế, tính ổn định của giàn còn phụ thuộc cả vào sự lún sụt của đất

nền và sự xói lở đất quanh đế do dòng cháy đáy gây ra. Khi có đủ thông tin
liên quan, ta có tể xét những ảnh hƣởng phức tạp này.
1.2.1. Phương pháp kiểm tra an toàn về lật.
Xét một giàn tự nâng 3 chân độc lập đã lắp đặt ở một vị trí khai thác
sóng, gió và dòng chảy gây ra các lực ngang; các lực ngang này gây ra mô
men lật. Trong khi đó các trọng lƣợng và tải trọng thẳng đứng gây ra mô men
ổn định ngƣợc chiều với mô men lât. Trục lật của giàn đƣợc voi là đƣờng qua

7


tâm của 2 chân phía sau nằm ở đế chân (spud can) của 2 chân này, hƣớng của
các tải trọng ngang là vuông góc với trục lật.
Kiểm tra an toàn về lật của giàn cần đƣợc tiến hành ở trạng thái biển cực
trị trong thiết kế.
Trong tính toán có thể giả thiết rằng gió, sóng và dòng chảy là cùng
chiều, tác dụng theo hƣớng bất lợi nhất về lật, liên quan đến việc bố trí các
chân.
Trọng lƣợng đặc trƣng đƣợc lấy bằng tổng các trọng lƣợng của bản thân
giàn, các chân và các đế, các trọng lƣợng trên sàn và các hoạt tải thẳng đứng
hƣớng xuống khác. Trọng lƣợng này đƣợc hiệu chỉnh với lực đẩy nổi ở phần
chân bị ngập nƣớc; còn các hoạt tải cần chọn theo giới hạn dƣới.
Tải trọng ngang do sóng và do dòng chảy đƣợc tính theo những phƣơng
pháp kinh điển. Theo [2] có thể áp dụng lý thuyết sóng Airy hay Stock bậc 5,
nhƣng bỏ qua thành phần lực sóng thẳng đứng vì ảnh hƣởng biến đổi của nó.
1.2.2. Tính mô men lật M0 :
Mô men lật đƣợc tính theo các bƣớc sau:
-

Mô men lật do gió Mw:

Với tốc độ gió tính toán, diện tích các mặt chắn gió, hệ số cản tƣơng

ứng, khoảng cách thẳng đứng từ trọng tâm đến trục lật, ta xác định đƣợc mô
men lật do gió gây ra.
-

Mô men lật do sóng và dòng chảy Ms:
Tốc độ dòng chảy đƣợc cộng với tốc độ phần tử nƣớc trong chuyển

động sóng. Lực ngang của sóng và dòng chảy đƣợc tính theo công thức
Morison. Sau đó tính đƣợc mô men do sóng và dòng chảy.
Để xác định đƣợc quá trình bất lợi nhất về mô men lật, ta có thể phân
tích tựa tỉnh hoặc động lực. Trong phƣơng pháp tựa tỉnh, cần xét nhiều vị trí

8


sóng (pha) khác nhau; thƣờng chọn ít nhất 12 vị trí sóng (góc pha cách nhau
300). Từ đó xác định đƣợc momen trong bình Mm và biên độ momen M2’ chƣa
kể tới hệ số động lực.
Hệ số động lực đƣợc tính theo công thức đƣợc chỉ dẫn trong tài liệu
“Công trình biển di động “ – [1].
k=

1
2

  T0    T0 
1       2 
  T    T 

2

(1.9)
2

Trong đó:
T0- chu kỳ dao động riêng của kết cấu theo phƣơng của tải trọng;
T- chu kỳ sóng;
ξ- Tỷ số cản. Khi kể đến cản của đất, kết cấu và thủy động, có thể lấy
ξ = (6÷8)% giá trị cản tới hạn.
Nếu T0 và T khác xa nhau, có thể bỏ qua số hạng thứ hai ở mẫu số.
Mô men lật do sóng và dòng chảy bằng:
Ms = Mm + kMa

( 1.10)

Cuối cùng, mô men lật tổng cộng bằng:
M0 = Mw + Ms

( 1.11)

1.2.3. Tính mô men hồi phục Mr
Mô men ổn định đƣợc tính theo các bƣớc sau:
-

Mô men ổn định với giả thiết kết cấu không bị biến dạng M ro. Khi đã

biết tải trọng thẳng đứng và vị trí trọng tâm của chúng, ta có thể tính đƣợc mô
men này khi coi giàn là một vật thể cứng.
-

Tuy nhiên, vì kết cấu có biến dạng ta cần kể tới hiệu ứng P- ∆. Chuyển

vị ngang tổng cộng ở đầu cột bằng:
∆ = e0 + e = e1 + e2 + e3 + e

9

(1.12)


Trong đó:
e1 - sai số kích thƣớc của cột do chế tạo (trục cột không thẳng đứng);
e2 - khe hở giữa cột và bộ dẫn hƣớng;
e3 - độ nghiêng nói chung khi lắp đặt xong trên đáy biển;
e - chuyển vị ngang ở đàu cột do sóng, gió và dòng chảy.
-

Momen ổn đinh đƣợc tính bằng:
Mr  Mr0 

trong đó:

n – số chân;

nP
 C M r 0
P
l
P

,kN.m [1]

(1.13)

P – tải trung bình thẳng đứng ở mỗi chân, kN;
C∆ - hệ số kể tới sự biến dạng của giàn;
PE – lực tới hạn Euler ở mỗi chân đƣợc tính bằng công thức:

 2 EJ
PE 
2
 l 
trong đó:

(1.14)

E- modul đàn hồi, kN/m2;
l – chiều cao cột, m;
J – momen quán tính của tiết diện cột, m4;
µ - hệ số quy đổi chiều dài cột.

1.2.4. Hệ số an toàn lật, S0
Chỉ tiêu an toàn về lật của giàn tự nâng là dựa vào việc đánh giá hệ số
an toàn. Hệ số này thƣờng đƣợc quy định trong khoảng 1,0÷1,5, tùy thuộc vào
quy phạm của mỗi quốc gia, chẳng hạn: 1,25 theo BV-[8]; hay 1 theo ABS –
[9].
Điều kiện an toàn về lật đƣợc thỏa mãn nếu:
Mr
 S0

M0

10


CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÍNH ỔN ĐỊNH
GIÀN KHOAN TỰ NÂNG
Nội dung ổn định theo quy phạm đăng kiểm Việt Nam (VR) phần phân
cấp chế tạo giàn khoan biển và tham khảo quy phạm ABS của Mỹ.
2.1. Ổn định của giàn khoan tự nâng ở trạng thái nổi.
Đối với giàn khoan tự nâng cần thiết xác định tính nổi của giàn theo
tham số chiều chìm. Công thức tính toán các đặc trƣng tính nổi của giàn có
cấu hình bất kỳ trùng với công thức tính toán cho tàu thủy nói chung. Các
công thức biểu diễn dƣới dạng tích phân và công thức gàn đúng theo [5] và
[7].
2.1.1. Tỉ lệ Bonjean.
Z

dz

H

y
O
y

Hình 2.1. Hình dáng mặt cắt ngang giàn
-

Các yếu tố của đƣờng sƣờn:

Diện tích sƣờn:
z

F ( z )  2 y.dz  2T  yi
0

11

(2.1)


Momen tĩnh của diện tích sƣờn lấy đối với trục oy:
z

M ( z )  2  y.z.dz  2T 2C jm

(2.2)

0

Chiều cao trọng tâm mặt sƣờn:
z

M ( z)
Z

F ( z)

 y.z.dz

0
z

 y.dz



T .C jm

(2.3)

 yi

0

Với mỗi một sƣờn giàn, từ kết quả tính diện tích sƣờn và momen tĩnh ta
có thể vẽ hai đƣờng cong biểu diễn sự biến thiên của hai giá trị trên theo chiều
chìm Z. Tập hợp tất cả các đƣờng cong đó, lập cho tất cả sƣờn tính toán ta
đƣợc đồ thị gọi là tỉ lệ Bonjean.
2.1.2. Xây dựng đường cong thủy tĩnh (Hydrostatic Curves)
-Các yếu tố của đƣờng nƣớc:
y

x
o

a

b
dx

X

Hình 2.2: Hình dáng đường nước giàn
Diện tích đƣờng nƣớc:
b

Fdn   y.dx  2Lyi
a

12

(2.4)


Momen tĩnh của diện tích đƣờng nƣớc lấy đối với trục Ox:
b

M y   x. y.dx  2L2Ci

(2.5)

a

Hoành độ trọng tâm mặt đƣờng nƣớc:
b

a

 x. y.dx
a

b

 y.dx



LCi
yi

(2.6)

a

Momen quán tính của diện tích đƣờng nƣớc lấy đối với trục Oy:
b

I L  2 x 2 . y.dx  2L3 f ( I x )

(2.7)

a

Momen quán tính của diện tích đƣờng nƣớc lấy đối với trục O’y’ qua tâm
diện tích đƣờng nƣớc:
I’L = IL – a2 . Fđn = 2∆L3f(Ix) – a2.Fđn

(2.8)

Momen quán tính của diện tích đƣờng nƣớc lấy đối với trục Ox:
b

2
2
I t   y 3 .dx  L3 f ( I y )
3a
3

(2.9)

Momen chúi giàn trên 1m:
MTRIM = γ.I’L/L = (2γ∆L3f(Ix)-Fđna2)/L
-

(2.10)

Các yếu tố của tính nổi:

Thể tích ngâm nƣớc của tàu:
z

V ( z )   Fdn .dz  T ( F0  F1  ..  Fm 
0

F0  Fm
)
2

(2.11)

Hoành độ tâm nổi:

z

F

dn

X B ( z) 

.a.dz

0

V ( z)



( F0 x f 0  F1 x f 1  ...  Fm x fm 

F0 x f 0  Fm x f
2

F  Fm
( F0  F1  ...  Fm  0
)
2

13

)

(2.12)


Cao độ tâm nổi:
z

F

dn

KB( z ) 

.a.dz

0

V ( z)



m.Fm
)
2
F  Fm
F0  F1  ...  Fm  0
2

T (0.F0  1.F1  ...  m.Fm 

(2.13)

Bán kính tâm nghiêng ngang:
BM ( z ) 

2
Lf ( I y )
3

It

V ( z ) ( F  F  ...  F  F0  Fm )
0
1
m
2

(2.14)

Bán kính tâm nghiêng dọc:
BM 1 ( z ) 

I 't
I L  a 2 Fdn

V ( z ) ( F  F  ...  F  F0  Fm )
0
1
m
2

(2.15)

Các hệ số béo:
Hệ số béo đường nước:
Cw = Fđn(z) / L.B = 2∆LΣyi/ LB

(2.16)

CM = Fo(z) / T.B = 2∆TΣyi/T.B

(2.17)

Hệ số béo sườn giữa:

Hệ số béo thể tích:

CB  V ( z ) / L.B.T  T ( F0  F1  ...  Fm 

F0  Fm
) / L.B.T
2

(2.18)

Hệ số béo dọc:
Cp = CB / CM

(2.19)

CWP = CB / CW

(2.20)

Hệ số béo thẳng đứng:
Kết quả tính các đặc trƣng trên đƣợc tập hợp trong một bản vẽ chung
gọi là các đƣờng cong tính nổi.

14


2.1.3. Các đường cong tính nổi.
Các đƣờng cong tính nổi của giàn có dạng nhƣ trên hình 2.3.
Hydrostati c Pr operti es at
31.48f

30.98f

Trim = 0.00, Heel = 0.00

Long. Locati on i n m
30.48f
29.98f

29.48f

28.98f
6. 0

LCB m
LCF m

VCB m
Displ. MT
MT/ cm I mm.
Mom/ Deg Trim
KML
KMT

5. 5

D
r
a
f
t

5. 0
@
4. 5
4. 0
3. 5

0
.
0
0
0
a

3. 0
2. 5

2. 0
VC B m x 1

0.0

1.0

D is p l.MT x 1 000 0

4.0
2.0

32 3.5

Mom /D e g Tr im x 100 0
KMT x 1 00

3.0

1.0

MT/c m Imm. x 0.1
KML x 1 00

2.0
32 4.0

32 4.5

20 .0

21 .0

0.5

1.0
0.5

1.5

2.0

1.0

Hình 2.3. Các đường cong tính nổi.
2.1.4. Xây dựng đường cong cánh tay đòn ổn định hình dáng
Họ đƣờng cong cánh tay đòn ổn định hình dáng LK = f(V,  ) lập trƣờng
hợp V = const, i = 1,2,… với góc nghiêng  thay đổi từ 0 đến góc bất kì, ví
dụ đến 900 gọi là Cross Curves.
Tay đòn hình dáng LK đƣợc do từ điểm K (keel) giao điểm của sống
chính với mặt cắt ngang giữa giàn, đến hƣớng tác dụng của lực đi qua tam nổi
B’ của phần dầm giàn tại thời điểm tính toán, ứng với góc nghiêng cho trƣớc.
Điểm K cố đing trong mọi trƣờng hợp tính toán [3].
2.1.4.1. Thuật toán xác định tâm nổi cho giàn nghiêng góc bất kỳ.
Để xác định tọa độ trọng tâm phần ngâm nƣớc B’ khi giàn nghiêng góc
bất kì, xét trong hệ tọa độ chung toàn giàn, tiến hành cách rời rạc hóa bài toán
theo các bƣớc sau:

15

Phân chia toàn bộ chiều dài giàn thành những phân đoạn ngắn hơn
nhiều lần chiều dài giàn. Chiều dài các phân đoạn không nhất thiết bằng nhau.
Mỗi phân đoạn, mặt cắt ngang của lăng trụ đúng bằng mặt cắt ngang giữa
đoạn lăng trụ.
Trong mỗi phân đoạn trụ bài toán chuyển về dạng bài toán trong mặt
Phẳng 2D. Nhƣ vậy dễ dàng tính đƣợc thể tích phần chìm, tọa độ tâm nổi so
với đáy và mặt giữa sàn.
z


K

GZ

G

KG

a


E
BO

D


F

KB- KB

R
B
P

ZBo

YCB

0

y

Hình 2.4. Cánh tay đòn ổn định hình dáng.
Lời giải chung sẽ nhận đƣợc sau khi tập hợp kết quả tính tất cả các
“strip” vừa nêu theo qui tắc chung dùng trong cơ học.
2.1.4.2. Thuật toán tính thể tích và momen tĩnh lăng trụ.
+ Thể tích phần chìm đoạn trụ dài đơn vị diện tích tính bằng diện tích
mặt cắt bị ngâm trong nƣớc. Diện tích này bị hạn chế bởi vết của đƣờng nƣớc
nghiêng và đƣờng bao vỏ giàn dƣới đƣờng nƣớc nghiêng đó.
+ Tâm nổi phần của phần chìm đoạn trụ (hay trọng tâm của nó) là tâm
của diện tích mặt bị hạn chế trên.

16


+ Diện tích phần mặt cắt nằm dƣới nƣớc trong trƣờng hợp giàn nghiêng
này tính bằng tích phân gới hạn, hàm dƣới tích phân là khoảng cách vừa nêu,
giới hạn tích phân từ vị trí thấp nhất đến vị trí cao nhất và vỏ giàn choán chỗ

ngập nƣớc.
+ Trọng tâm phần diện tích mặt bị hạn chế tính bằng tích của momen
tĩnh chia cho diện tích vừa tính. Tại mỗi mặt sƣờn tiến hành kẻ nhiều đƣờng
nƣớc nghiêng dƣới góc ɸ so với mặt đáy, cắt sƣờn giàn. Tại mỗi chiều chìm
Z, tính trên trục OZ, kẻ đƣờng nƣớc song song với mặt thoáng nƣớc tĩnh. Xác
định các giá trị bổ trợ a, b, c theo hình học phẳng [3]:

a

Z
t
tg

(2.21)

1
b  ( y  a)
2

(2.22)

c = y-a

(2.23)

Trong đó:
y - nửa chiều rộng giàn, đo tại mớn nƣớc Z, áp dụng cho sƣờn đang xét.
t- khoảng cách từ giao điểm mặt nƣớc nghiêng tại đáy đến mặt cắt dọc
giữa giàn.
Tính toán các yếu tố:

-

Diện tích mặt sƣờn phần nằm dƣới nƣớc nghiêng:
z

A( x)   c( z ).dz

(2.24)

0

-

Momen tĩnh của diện tích sƣờn so với mặt đáy:
z

M B ( x)   c( z ).z.dz
0

17

(2.25)


-

Momen tĩnh của diện tích sƣờn so với mặt giữa giàn:
z

M c ( x)   c( z ).b( z ).dz

(2.26)

0

-

-

Tọa độ trọng tâm của mặt sƣờn:
RB  M C ( X ) / A( X )

(2.27)

SB  M B ( X ) / A( X )

(2.28)

Thể tích ngâm của nƣớc tàu:
V   A( x).dx

(2.29)

L

-

Tay đòn hình dáng LK xác định nhƣ sau:
Lk  RB.sin   SB.cos

(2.30)

2.1.4.3. Dựng đồ thị ổn định trên cơ sở đường cong Pantokaren.
Từ họ đƣờng cong Pantokaren dựng đƣợc đồ thị ổn định dƣới dạng đƣờng
GZ = f(  ) theo quan hệ (2.31).

GZ  Lk  KG.sin 

(2.31)

Ứng với mỗi trƣờng hợp V=D/γ = const từ đồ thị Pantokaren dễ dàng đo
đƣợc Lk, tính theo góc nghiêng, ví dụ 100, 200, 300, … Thay giá trị Lk vừa đo
đƣợc vào biểu thức (2.31) ta xác lập đƣợc giá trị GZ( ) tính cho  = 100, 200,
300,…
Mô men ổn định dựng dƣới dạng momen hồi phục bằng tích số của
GZ( ) với lƣợng chiếm nƣớc ∆= const.

2.1.5. Điều kiện ổn định giàn tự nâng
Dƣới tác dụng của ngoại lực giàn luôn có cách phản ứng. Giả sử dƣới tác
động của momen do gió gây ra từ mạn phải, giàn sẽ bị nghiêng sang mạn trái.
Giàn bị nghiêng đến giới hạn nào đó thì momen chống nghiêng của bản thân

18