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

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


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


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.


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. 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.


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

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


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

2.2. Tính toán hệ số R

Trong trƣờng hợp Ls ≥ 100 m thì:

𝑹=𝟏−

𝟏𝟐𝟖
𝑳𝑺 +𝟏𝟓𝟐

2.3. Tính toán hệ A
𝑨 = 𝟎. 𝟒𝑨𝑺 + 𝟎. 𝟒𝑨𝑷 + 𝟎. 𝟐𝑨𝒍

Trong đó: 𝑨 =

𝒑𝒊 𝒔𝒊 (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.


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.


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

pi  p( x1j , x2 j 1 ).[r ( x1j , x2 j 1, bk )  r ( x1 j , x2 j 1, bk 1) ]
- p( x1j , x2 j ).[r ( x1 j , x2 j , bk )  r ( x1 j , x2 j , bk 1) ]

P j,2

- p( x1j 1 , x2 j ).[r ( x1 j 1, x2 j , bk )  r ( x1 j 1, x2 j , bk 1) ]
x1: Khoảng cách từ mút đuôi của

X1 j

X2 j
X1 j+1

Ls đến mút đuôi của vùng đang xét
đến;
x2: Khoảng cách từ mút đuôi của

Ls đến mút mũi của vùng đang xét
đến;

Vùng
n=2

j

X2 j+1

j+1

Hình 2.4. Hư hỏng hai vùng liền kề


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

𝑠𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙,𝑖

𝐺𝑍𝑚ax 𝑅𝑎𝑛𝑔𝑒
=𝐾
0,12
16

1

4

𝐾=

𝜃𝑚ax − 𝜃𝑒
𝜃𝑚ax − 𝜃min


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
Các kho dự trữ
Các buồng ở
Buồng máy
Các khoang chứa chất lỏng

Hệ số ngập
0,95
0,95
0,85
0,95


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


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.


Hình 3.5. Yêu cầu về đường cong ổn định tĩnh
Yêu cầu: RoS ≥ 70 + 1.5qs ; RoS ≥ 100


(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


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


Hình 3.3. Giàn khoan Đại Hùng ở chế độ khai thác.


PT20

PT19

PT18

PT16

ER.P

ER.P

ER.S

PT15

PT13

PT11

PT09

PT07

PT05

PT03

PT14

PT12

PT10

PT08

PT06

PT04

PT02

PT15

PT13

PT11

PT09

PT07

PT05

PT03

ST15

ST13

ST11

ST09

ST07

ST05

ST03

ST14

ST12

ST10

ST08

ST06

ST04

ST02

Hình 3.4. Sơ đồ bố trí khoang két

PT01

PT01

ST01

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


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

Ls = 108,2 m

Hình 3.7. Phân chia vùng tai nạn cho giàn ĐH01

ZONE 9


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:
𝑅 = 0.002 + 0.006𝐿𝑆

1 3

= 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.

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
ER.P

PT15

ER.P

ER.S

PT19
PT13

PT11

PT16

PT18
PT09

PT07

PT05

PT03

PT14

PT12

PT10

PT08

PT06

PT04

PT02

PT15

PT13

PT11

PT09

PT07

PT05

PT03

ST15

ST13

ST11

ST09

ST07

ST05

ST03

ST14

ST12

ST10

ST08

ST06

ST04

ST02

PT01

PT01

ST01

Tƣ thế giàn khoan