(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu, tính toán thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng phù hợp với đkiện việt nam

TỔNG QUAN

Tổng quan về giàn khoan tự nâng

Giàn khoan tự nâng (Jack up) là thiết bị phức hợp dùng để khoan thăm dò và khai thác dầu khí tại các vùng biển gần bờ, với độ sâu dưới 130m Các giàn khoan này được chế tạo và đăng kiểm theo tiêu chuẩn quốc tế như ABS của Mỹ và DNV của Nauy Quyền thiết kế và thi công lắp đặt giàn khoan tự nâng chỉ thuộc về một số hãng lớn trên thế giới, không phổ biến như thiết kế giàn đầu giếng Các công ty quốc tế có thiết kế được đăng kiểm là những đơn vị đáng tin cậy trong ngành.

- Công ty Keppel FELS (Singapore)

- Công ty Friede & Goldman (Mỹ)

- Công ty PPL (là công ty Singapore đã mua lại công ty thiết kế Baker Marine củaMỹ)

Trong đó có các công ty có khả năng thi công chế tạo giàn khoan theo tiêu chuẩn quốc tế như là:

- Công ty Keppel Fels và các công ty trực thuộc trên toàn thế giới

- Công ty Labroy (là công ty Singapore có bãi chế tạo đặt tại Batam – Indonesia)

- Công ty Le Tourneau (Mỹ)

Ngoài ra còn một số nhà thầu chế tạo giàn khoan theo tiêu chuẩn nội địa phục vụ nhu cầu sử dụng trong nước ở Trung Quốc

Mặc dù nhu cầu về giàn khoan đang tăng cao, nhưng số lượng công ty có khả năng thiết kế và chế tạo giàn khoan lại rất hạn chế do yêu cầu kỹ thuật phức tạp và cần nhiều chất xám Hiện nay, tất cả các công ty chế tạo giàn khoan trên toàn cầu đều đang hoạt động hết công suất để đáp ứng nhu cầu đầu tư mới từ các chủ đầu tư.

Công ty Le Tuornearu (Mỹ) là một trong những đơn vị hàng đầu trong lĩnh vực thiết kế và thi công lắp đặt giàn khoan tự nâng, đáp ứng tiêu chuẩn đăng kiểm quốc tế Với tiềm lực mạnh mẽ, công ty này cam kết cung cấp các giải pháp chất lượng cao cho ngành công nghiệp dầu khí.

Giàn khoan tự nâng đầu tiên, Scorpion, được thiết kế và thi công bởi Le Tuornearu tại Vịnh Mexico vào năm 1955, đã hoàn thành vào năm 1959 Đây được coi là cha đẻ của các giàn khoan tự nâng hiện đại ngày nay.

Ngày nay, Le Tuornearu đã trở thành một trong những công ty hàng đầu thế giới trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo và lắp đặt giàn khoan tự nâng Công ty chuyên cung cấp thiết bị máy móc cho giàn khoan và các thiết kế liên quan, với hơn 35% giàn khoan tự nâng trên toàn cầu có sự tham gia của Le Tuornearu.

Hình 1.1: Giàn Scorpion của Le Tuornearu b) Friede & Goldman(F&G) (Mỹ):

Với hơn 60 năm kinh nghiệm trong thiết kế, chế tạo và lắp đặt giàn khoan tự nâng, chúng tôi đã thi công và đưa vào hoạt động nhiều giàn khoan nổi bật như L-780 MOD II, L-780 MOD V, L-780 MOD VI, Supper M2, JU-2000A và JU-2000E.

Hình 1.2: Các giàn của F&G đã thiết kế thi công c) Keppel FELS:

Với hơn 20 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực giàn khoan tự nâng, Keppel đã khẳng định vị thế là một trong những công ty hàng đầu thế giới về chế tạo, thiết kế, lắp đặt, bảo dưỡng và sửa chữa giàn khoan tự nâng.

Nhiều công ty lớn trên thế giới hiện đang thiết kế, chế tạo và thi công lắp đặt giàn khoan tự nâng với công suất lớn.

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp cơ khí Việt Nam đã được chú trọng phát triển, đặc biệt là trong lĩnh vực công trình phục vụ cho biển và dầu khí Một trong những dự án trọng điểm quốc gia là làm chủ công nghệ thiết kế, chế tạo và lắp đặt giàn khoan tự nâng.

Giàn khoan tự nâng đã được thiết kế và thi công tại nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, công nghệ này vẫn còn mới mẻ và chủ yếu chỉ dừng lại ở mức độ nghiên cứu.

Mod II Super M2 JU-2000A JU-2000E

Trước khi Công ty Cổ phần Chế tạo Giàn khoan Dầu khí (PV Shipyard) ra đời và chế tạo giàn khoan tự nâng Tam Đảo 3, Việt Nam đã có một số giàn khoan tự nâng như PVD I, PVD II, PVD III của Công ty Khoan và Dịch vụ khoan Dầu khí (PV Drilling) được mua từ Singapore, cùng với ba giàn khoan tự nâng Tam Đảo 1, Tam Đảo 2 và giàn Cửu Long của Vietsovpetro Trong số này, chỉ có giàn Tam Đảo 2 áp dụng công nghệ mới, trong khi các giàn còn lại của Vietsovpetro sử dụng công nghệ lạc hậu và chỉ có khả năng khoan ở độ sâu 60m nước Tất cả các giàn khoan này đều không được đóng tại Việt Nam mà được thuê hoặc mua lại từ nước ngoài.

Gần đây, nhu cầu sử dụng giàn khoan thăm dò tại vùng biển Việt Nam đang gia tăng mạnh mẽ, trong khi số lượng giàn khoan tự nâng hiện có không đủ để đáp ứng nhu cầu của các công ty trong nước và quốc tế Hầu hết các hoạt động thăm dò hiện nay phải thuê giàn khoan và tàu khoan từ nước ngoài Để thực hiện chiến lược phát triển biển quốc gia, việc làm chủ công nghệ và thiết kế, thi công các hệ thống trên giàn khoan là rất cần thiết, giúp tăng cường tự chủ trong việc chế tạo phương tiện nổi trên biển Đặc biệt, chân giàn khoan tự nâng là bộ phận quan trọng, yêu cầu thi công chính xác cao, với chiều dài chân thể hiện độ sâu mà giàn có thể hoạt động Nghiên cứu này sẽ tập trung vào các phương án lắp đặt chân giàn khoan tự nâng phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam.

Các công trình nghiên cứu tiền đề

Tại Việt Nam, nghiên cứu về phương pháp chế tạo chân giàn khoan tự nâng vẫn còn là một lĩnh vực mới mẻ, trong khi các đề tài về chân giàn khoan cố định (Jacket) đã được thực hiện Mặc dù chế tạo giàn khoan tự nâng không phải là một khái niệm mới trên thế giới, nhưng đây là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam, nhằm phát triển công nghệ chế tạo giàn khoan tự nâng phù hợp với điều kiện địa phương.

Tại các quốc gia phát triển, nhiều nghiên cứu và bằng sáng chế đã được công nhận trong lĩnh vực chế tạo giàn khoan tự nâng Tác giả đã tìm hiểu một số công trình nghiên cứu liên quan để phục vụ cho đề tài nghiên cứu của mình.

Một vài đề tài có thể kể đến như:

The article published on February 28, 2013, under publication number WO2013027870 A1, presents a method for constructing a Jackup Rig without the use of a crane This innovative approach is credited to authors Jin-Ho An, Kyung-Tak Kang, Hyo-Nyeon Kim, and Zhen-Qian, highlighting advancements in offshore construction techniques.

- Method for installing offshore jack-up structures Xuất bản ngày

5/4/1988, số hiệu xuất bản: US4735526 A, của nhóm tác giả: Akira Kawagoe, Jun Akiyama, Hiromitsu Tateishi

- Offshore tower structure and method of installating the same Xuất bản ngày 16/7/1996, số hiệu xuất bản: US5536117 A, của nhóm tác giả:Malcolm B Frame, Majid A Hesar, Jayan Varghese, David G Woodgate.

Tính cấp thiết

Nhu cầu sử dụng giàn khoan tự nâng đang gia tăng mạnh mẽ ở Việt Nam và trên toàn thế giới, trong khi số quốc gia có khả năng chế tạo và lắp đặt loại giàn khoan này còn hạn chế Hoạt động thăm dò và khai thác dầu khí tại Việt Nam đã phát triển nhanh chóng, nhưng phần lớn giàn khoan tự nâng hiện tại đều phải thuê hoặc mua từ nước ngoài với chi phí cao Điều này không chỉ làm giảm khả năng tận dụng nguồn lực nội địa và tạo việc làm, mà còn tiêu tốn ngoại tệ lớn, ảnh hưởng đến sự chủ động trong phát triển kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền thềm lục địa Do đó, việc phát triển ngành cơ khí chế tạo giàn khoan trong nước là vô cùng cần thiết.

6 tiến đến xuất khẩu giàn khoan, góp phần vào đẩy nhanh công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước

Theo thống kê tháng 8 năm 2010, trước khi Việt Nam hoàn thành chế tạo giàn khoan Tam Đảo 3, nhu cầu và khả năng chế tạo giàn khoan trên toàn cầu được thể hiện trong Bảng 1.1.

Bảng 1.1: Số lượng giàn khoan tự nâng trên thế giới đến năm 2010 và dự kiến đến năm 2013

Loại Đưa vào dịch vụ Giàn được đóng và kế hoạch bàn giao

Theo thống kê từ Rigzon tính đến tháng 5/2015, trên toàn cầu có 658 giàn khoan tự nâng, trong đó Châu Á chiếm 107 giàn Việt Nam sở hữu 8 giàn, bao gồm 4 giàn của PVD (PVD I, II, III, VI) và 4 giàn của liên doanh Vietsovpetro (Cửu Long, Tam Đảo 1, Tam Đảo 2, Tam Đảo 3) Chỉ có giàn Tam Đảo 3 được chế tạo tại Việt Nam, trong khi các giàn còn lại đều được nhập khẩu Hiện tại, Việt Nam đang tiến hành chế tạo giàn Tam Đảo 5 cho Vietsovpetro, đánh dấu giàn khoan thứ hai được sản xuất trong nước.

Bảng 1.2: Thống kê số lượng giàn khoan tự nâng trên thế giới tháng 5/2015

Với nhu cầu gia tăng sử dụng giàn khoan tự nâng cho khoan thăm dò và khai thác dầu khí, việc phát triển công nghệ chế tạo giàn khoan tự nâng tại Việt Nam trở thành yêu cầu cấp thiết Sự thành công trong chế tạo giàn khoan tự nâng không chỉ khẳng định khả năng của ngành cơ khí chế tạo Việt Nam mà còn góp phần vào sự phát triển khoa học công nghệ quốc gia Để đạt được mục tiêu này, cần tiến hành nghiên cứu sâu về thiết kế và công nghệ thi công, đồng thời đào tạo đội ngũ kỹ sư và công nhân có tay nghề cao.

Nghiên cứu về 8 giàn khoan tự nâng tại Việt Nam nhằm đánh giá cơ sở hạ tầng và trang thiết bị hiện có, từ đó đề xuất các giải pháp đầu tư hiệu quả cho thiết bị và bến bãi phục vụ thi công chế tạo giàn khoan tự nâng Đây là nền tảng cho đề tài “Nghiên cứu, tính toán thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng phù hợp với điều kiện Việt Nam”.

Mục tiêu nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu thiết kế cơ sở và thiết kế chi tiết chân giàn khoan tự nâng là cần thiết để phân tích và tính toán lựa chọn phương án thi công lắp đặt phù hợp Việc này giúp làm chủ quy trình công nghệ lắp đặt chân giàn khoan tự nâng, tối ưu hóa hạ tầng, nguồn nhân lực và tiềm năng thi công tại Việt Nam.

Làm chủ công nghệ thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng:

- Nắm vững được các phương án thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng trên thế giới đang áp dụng

- Phân tích, tính toán các phương án thi công lắp đặt chân giàn khoan bằng phương pháp dùng cẩu lớn

Xây dựng quy trình thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng tại Việt Nam cần đảm bảo tính khả thi và an toàn, đồng thời phù hợp với thực tế về cơ sở vật chất, thiết bị và con người.

1.4.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng đề tài nghiên cứu là chân giàn khoan tự nâng 90m nước thuộc mẫu thiết kế 116E của LeTourneau [4] có:

- Kết cấu khung giằng dạng không gian dài 144.96m, đế chân dạng hình nấm có mũi nhọn kích thước chiều rộng 11.4m x chiều cao 8.2m

- Mặt cắt ngang hình vuông 8.07m x 8.07m

- Số lượng chân: 03 chân được bố trí tại 03 góc của thân giàn

Kết cấu chân giàn khoan gồm 03 bộ phận chính:

- Hệ khung kết cấu chịu lực

- Hệ thanh răng nâng hạ chân

1.4.3 Phạm vi nghiên cứu của đề tài Đề tài “Nghiên cứu, tính toán thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng phù hợp với điều kiện Việt Nam” được nghiên cứu trong phạm vi bắt đầu từ công đoạn hoàn thành các đoạn chân, vận chuyển, lật và lắp đặt các phân đoạn chân đến khi hoàn thành hết chiều dài chân trong đó chủ yếu tập trung vào việc phân tích, tính toán phương án cẩu lắp chân giàn khoan bằng phương pháp dùng cẩu lớn

 Tiếp cận về phương pháp luận:

Nghiên cứu tài liệu chuyên ngành về thiết kế và thi công giàn khoan tự nâng, cùng với các phương pháp tính toán hiện đại và chương trình chuyên dụng, là cần thiết để đảm bảo tính bền và ổn định của kết cấu trong quá trình lắp đặt chân giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m nước.

 Tiếp cận thông qua chuyên gia:

Lấy ý kiến chuyên gia, học hỏi kinh nghiệm chuyên gia và kết hợp làm việc với các chuyên gia trong quá trình lắp đặt chân tại PV Shipyard

 Tiếp cận thông qua đào tạo:

Tham gia các lớp đào tạo trong và ngoài nước giúp học hỏi kinh nghiệm thiết kế và thi công Việc tham quan các công trường thi công giàn khoan tự nâng tại các nước phát triển như Singapore và Mỹ sẽ mang lại kiến thức quý giá trong lĩnh vực chế tạo giàn khoan.

Nghiên cứu và phân tích tài liệu chuyên ngành về thiết kế và thi công chân giàn khoan tự nâng là cần thiết để tính toán và lắp đặt chân giàn khoan tự nâng cho độ sâu 90m nước, phù hợp với điều kiện Việt Nam.

 Phương pháp nghiên cứu ứng dụng:

Nghiên cứu ứng dụng các phương pháp tính toán hiện đại và chương trình chuyên dụng nhằm đánh giá độ bền và ổn định kết cấu trong quá trình lắp đặt chân giàn khoan tự nâng 90m nước Tiếp nhận và chuyển giao công nghệ mới cùng các giải pháp thi công tiên tiến từ thế giới, áp dụng vào điều kiện Việt Nam, đặc biệt tại PV Shipyard, để nâng cao hiệu quả thi công lắp đặt.

 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

Dự án Tam Đảo 03 đã hoàn thành việc lắp đặt bộ chân giàn khoan tự nâng 90m với kích thước 8.07m x 8.07m x 144.96m theo mô hình thí nghiệm tỷ lệ 1:1 Trong quá trình lắp đặt và chạy thử, các thiết bị đo được sử dụng để xác định và theo dõi sự biến đổi của các chỉ tiêu cơ lý cũng như các đặc trưng hình học của kết cấu Kết quả thực tế được so sánh với các tính toán lý thuyết và dung sai cho phép, từ đó rút ra bài học kinh nghiệm cho các dự án tương tự trong tương lai, phù hợp với điều kiện tại Việt Nam.

1.4.6 Kỹ thuật sử dụng Ứng dụng công nghệ thông tin: sử dụng các phân mềm tính toán, đồ họa, quản lý dự án:

 Sử dụng phần mềm SAP, ANSYS để phân tích, tính toán các bài toán thi công

 Sử dụng phần mềm đồ họa Auto Cad, Solid works để triển khai bản vẽ thể hiện quy trình thi công

 Sử dụng phần mềm Microsoft Office (Project, Exel, Word,…) để lập kế hoạch, soạn thảo các báo cáo tính toán, báo cáo vật tư, quy trình

Chúng tôi sử dụng các phương tiện máy móc thi công hiện đại, sẵn có tại Việt Nam, bao gồm cẩu 600 tấn và 1250 tấn, cẩu 105 tấn, xe nâng tổng đoạn 270 tấn, xe tải dài 12m và 6m, máy cắt CNC, cùng với các dây chuyền sơn và hàn tự động.

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

Tổng quan về giàn khoan tự nâng 90m nước

Giàn khoan tự nâng là công trình biển phức tạp, chủ yếu được sử dụng để khoan thăm dò, sửa giếng và khai thác dầu khí, hoạt động hiệu quả ở vùng biển sâu dưới 150 mét Nguyên lý hoạt động của giàn khoan tự nâng cho phép nó di chuyển như một sà lan khi chân giàn được rút lên, và khi cố định, hệ thống nâng hạ chân giàn sẽ giữ cho toàn bộ cấu trúc đứng vững trên đáy biển Được thiết kế để chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt của môi trường biển như sóng, gió, dòng chảy, ăn mòn và động đất, giàn khoan tự nâng là một phần quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí.

- Hệ thống chân và đế chân

- Hệ thống nâng hạ thân (chân)

- Cụm tháp khoan (dầm công xôn đỡ sàn khoan, sàn khoan, tháp khoan và các thiết bị khoan)

Hệ thống thiết bị trong giàn tự nâng 90m nước bao gồm các thành phần quan trọng như hệ thống ống công nghệ và hệ thống điện động lực, điều khiển Các thông số về điều kiện hoạt động của giàn này cần được đảm bảo để vận hành hiệu quả và an toàn.

- Độ sâu lớn nhất trong quá trình khoan: 300feet (92m)

- Độ sâu bé nhất trong quá trình khoan: 30feet (9.2m)

- Chiều sâu khoan thiết kế: 2000feet (6080m)

- Chiều sâu ngàm chân trong quá trình hoạt động: 33feet (15m)

- Độ cao tĩnh không đáy của thân giàn tới mặt nước: 75feet (23m)

12 c Thông số về môi trường hoạt động của giàn tự nâng 90m nước tại vùng biển Việt Nam

- Chiều cao sóng: 51.18 feet (15.6m).Chu kỳ sóng: 14.1 giây

- Vận tốc dòng chảy tại độ sâu 5m so với bề mặt nước: 4.35 knots (0.87m/s)

- Vận tốc dòng chảy tại độ sâu 50m so với bề mặt nước: 1.94 knots (0.4m/s).

Phân loại giàn khoan tự nâng

Chân giàn khoan tự nâng trên toàn cầu được thiết kế dưới dạng khung giàn hoặc trụ, sử dụng thép cường độ cao để chịu đựng tải trọng từ môi trường như sóng, gió, dòng chảy và động đất, cũng như trọng lượng của toàn bộ giàn trong quá trình di chuyển và hoạt động.

Hệ thống nâng hạ chân

Khu vực xử lý dung dịch khoan

Phía dưới mỗi chân giàn khoan có đế chân tiếp xúc và cắm xuống đáy biển đảm bảo ổn định trong quá trình hoạt động của giàn

Hiện nay, hệ thống giàn khoan tự nâng có nhiều kiểu dáng thiết kế khác nhau, phù hợp với yêu cầu sử dụng và mục đích khai thác Việc lựa chọn kiểu giàn khoan tự nâng phụ thuộc vào vùng biển hoạt động và các yêu cầu của Chủ đầu tư Phân loại chân giàn khoan tự nâng được chia theo kết cấu thân chân.

- Chân giàn khoan kết cấu dạng khung giằng

+ Tiết diện hình tam giác

Hình 2.2: Chân giàn khoan dạng khung dằng

- Chân giàn khoan kết cấu dạng trụ rỗng

Hình 2.3: Chân giàn khoan tự nâng có kết cấu dạng trụ rỗng b Phân loại chân giàn khoan tự nâng chia theo kết cấu đế chân

- Chân giàn các dạng cọc trụ hoặc dạng giàn có đế chân độc lập

Hình 2.4: Kết cấu có đế chân độc lập

- Chân giàn các dạng cọc trụ hoặc dạng giàn có đế chân dạng bản (móng bè) được liên kết với nhau

Giới thiệu về giàn khoan tự nâng 90m nước

Chân giàn khoan tự nâng 90m nước được thiết kế để đảm bảo sự ổn định cho giàn khoan dưới tác động của môi trường, đồng thời có khả năng nâng đỡ toàn bộ khối lượng giàn khoan trong suốt quá trình hoạt động và di chuyển Thiết kế này tuân thủ các yêu cầu của đăng kiểm và công ước Quốc tế về hoạt động trên biển, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong mọi điều kiện.

- Kết cấu khung giằng không gian có đế chân độc lập

- Mặt cắt ngang hình vuông

- Số lượng chân: 03 chân được bố trí tại 03 góc của thân giàn

- Kết cấu chân giàn khoan gồm 03 bộ phận chính:

+ Hệ khung kết cấu chịu lực (Rack)

Hình 2.6: Kết cấu chân giàn khoan tự nâng 90m nước

Cơ sở hạ tầng và trang thiết bị thi công

Để chọn phương án phù hợp, tác giả phân tích các điều kiện và cơ sở hạ tầng hiện có tại Việt Nam, cùng với khả năng đầu tư thiết bị tương ứng Các bãi thi công tại Việt Nam có điều kiện môi trường và cơ sở vật chất tương đồng, vì vậy tác giả quyết định sử dụng trang thiết bị hiện có tại Công ty.

CP Chế tạo Giàn khoan Dầu khí tại Vũng Tàu để phân tích

2.4.1 Cơ sở hạ tầng a Bãi gia công và bãi tổ hợp chân

Bãi gia công chủ yếu thực hiện việc gia công tổ hợp các kết cấu như ống và thanh răng, tạo thành các phân đoạn chân hoàn chỉnh trước khi được vận chuyển đến bãi tổ hợp chân.

Bãi gia công có kích thước 180x20m, được gia cố móng và nền bê tông, đảm bảo mặt phẳng thi công ổn định Bãi tổ hợp rộng 120x60m, được gia công nền để đặt các phân đoạn chân và phục vụ cho việc cẩu vận chuyển, xoay lật và lắp đặt các phân đoạn chân Phân xưởng làm sạch và sơn tổng đoạn cũng nằm trong khu vực này.

Phân xưởng làm sạch và sơn được đặt ở cuối bãi chế tạo chân, nhằm thực hiện quy trình làm sạch và sơn lại các phân đoạn lớn trước khi chúng được vận chuyển đến bãi tổ hợp chân.

Phân xưởng dự kiến có kích thước 45x72m và cao 18m, bao gồm phân xưởng làm sạch và phân xưởng sơn mỗi bên 30x36m Phần bố trí máy và hệ thống hút ẩm rộng 15x72m Kho được thiết kế với 2 nhịp, trong đó nhịp chính rộng 30m và nhịp phụ che máy rộng 15m Chiều dọc của kho được chia thành 12 gian, mỗi gian có bước rộng 6m.

Phục vụ cho công tác neo đậu để hoàn thiện lắp đặt chân giàn khoan sau khi hạ thủy

Quy mô kích thước bến lựa chọn là:

+ Tổng chiều dài bến là 156m

+ Cao độ đáy bến = -10,2m d Phân xưởng giàn giáo

Phân xưởng lắp đặt hệ thống giàn giáo không chỉ phục vụ cho thi công lắp đặt chân mà còn hoạt động như một kho cất giữ chuyên dụng cho giàn giáo Quy mô của phân xưởng dự kiến có kích thước 20x30m, cao 7m, với thiết kế 1 nhịp 20m và được chia thành 4 gian dọc, mỗi gian có bước rộng 7,5m.

Quá trình chế tạo và lắp đặt chân giàn yêu cầu trang thiết bị thi công chuyên dụng như máy hàn, trạm hàn và mặt nạ hàn, cùng với các dụng cụ cầm tay như máy mài và máy ép thủy lực Những thiết bị này được đầu tư và bảo quản tại các nhà xưởng để đảm bảo hiệu quả thi công Bên cạnh đó, cần thiết phải đầu tư vào thiết bị cơ giới phục vụ cho việc nâng, cẩu và chuyên chở trong quá trình lắp đặt.

Xe nâng động cơ Diesel có khả năng nâng trọng tải lên đến 7000 Kg, với độ cao trọng tâm đạt 600 mm và khả năng nâng tối đa lên tới 4000 mm Kích thước càng nâng tải là 1900 mm (dài) x 150 mm (rộng) x 75 mm (dày).

Công suất nâng định mức lớn nhất: 55 tấn Chiều dài cần (móc chính) : 33.5m

Chiều dài cần khi có cần phụ : 33.5m+17.1m Độ cao lớn nhất của cần khi nâng: 50m (cần phụ)

Hình 2.13: Cẩu bánh xích 105 tấn

Sử dụng xe cẩu bánh xích để có tầm cao đủ lớn nâng hạ cẩu chuyển phân đoạn chân

Khả năng nâng: 105 tấn Chiều dài cần chính: 60m Tốc độ nâng : 37m/phút

+ Cẩu bánh xích tầm với và tải trọng lớn:

Hình 2.14: Cẩu bánh xích tải trọng lớn

Lắp đặt chân giàn khoan tự nâng có thể dùng cẩu có tầm với và tải trọng lớn để lắp đặt

- Các cẩu lớn thông dụng hiện nay là cẩu bánh xích

500 tấn, cẩu bánh xích 600 tấn, riêng tại PV Shipyard đã được đầu tư cẩu bánh xích 1250 tấn, là cẩu đầu tiên lớn nhất tại Việt Nam

Hình 2.15: Xe nâng tổng đoạn

Khối lượng có thể nâng (Kg): 270000;

Vận tốc nâng tải(max): 10mm/giây (có tải);

Vận tốc di chuyển: 12Km/h (không tải); 6km/h (có tải); Độ nâng cao (hành trình) (mm): 700 Kích thước càng (mm): 16250(Dài) x5500(Rộng);

Số bánh xe: 40 (loại vỏ 12-20).

Các phương pháp lắp đặt

Phương án lựa chọn cần đảm bảo an toàn, phù hợp với điều kiện môi trường Việt Nam, tiết kiệm nhân lực và chi phí thi công, đồng thời đáp ứng tiến độ dự án.

Dựa trên điều kiện môi trường và cơ sở vật chất hiện tại, cùng với việc tham khảo các phương pháp thi công chế tạo chân giàn khoan tự nâng từ các quốc gia khác, tác giả đã đề xuất một số phương pháp để phân tích và lựa chọn.

2.5.1 Phương pháp thi công bằng tàu cẩu

Các phân đoạn chân của giàn khoan được chế tạo hoàn thiện tại bãi chế tạo, với phân đoạn dưới cùng và phần đế chân được lắp đặt trước Khi chiều dài chân còn ngắn, các đoạn chân được cẩu lên thân giàn bằng cần cẩu có tầm với lớn Khi không còn đủ tầm với để lắp đặt, giàn khoan sẽ được hạ thủy Các đoạn chân còn lại sẽ được đặt trên boong của tàu cẩu hoặc trên thân giàn khoan Sau đó, tàu cẩu sẽ kéo giàn khoan đến vị trí có độ sâu nước phù hợp và hạ chân giàn khoan xuống, nhằm giảm chiều cao và bán kính cẩu lắp, rồi tiến hành cẩu lắp đặt các tổng đoạn còn lại.

Lắp đặt chân giàn khoan tự nâng bằng phương pháp tàu cẩu giúp giảm chiều cao và bán kính cẩu lắp nhờ vào việc điều chỉnh chiều dài chân chìm trong nước.

Nhược điểm của việc sử dụng cẩu nổi trong thi công lắp đặt chân giàn khoan là chi phí cao cho việc mua hoặc thuê thiết bị này, cùng với yêu cầu phải có tàu dịch vụ để di chuyển giàn đến vị trí có độ sâu nước phù hợp Ngoài ra, việc thi công trên biển làm tăng thêm chi phí và phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, dẫn đến an toàn không cao và tiến độ thi công chậm hơn so với việc thực hiện trên bờ.

Phương pháp lắp đặt chân giàn khoan tự nâng yêu cầu thời gian thi công kéo dài và phức tạp, đặc biệt là trong môi trường biển Bên cạnh đó, chi phí cho thuê hoặc mua các phương tiện phục vụ thi công cũng rất tốn kém.

Khi không có khả năng thi công trong cảng hoặc thiếu phương tiện lắp đặt lớn, lựa chọn thi công ngoài khơi là giải pháp hợp lý Điều này đặc biệt phù hợp khi có sẵn các thiết bị thi công như tàu cẩu và sà lan.

2.5.2 Phương pháp thi công bằng cẩu lớn

Là phương pháp dùng cẩu lớn cẩu trực tiếp lắp đặt toàn bộ các phân đoạn của chân giàn khoan tự nâng ở trên bờ

Các phân đoạn chân giàn khoan được chế tạo và hoàn thiện tại bãi chế tạo trước khi được vận chuyển đến vị trí lắp đặt Quá trình cẩu lắp chân giàn khoan có thể diễn ra trước hoặc sau khi hạ thuỷ, tùy thuộc vào kích thước và khối lượng của các đoạn chân cũng như sức nâng của cẩu Cẩu lớn với tầm với dài có khả năng lắp đặt các đoạn chân khi chiều dài đạt tối đa.

Lắp đặt chân giàn khoan tự nâng bằng phương pháp cẩu lớn mang lại nhiều lợi ích, bao gồm việc rút ngắn thời gian thi công và đảm bảo an toàn trong quá trình lắp đặt Phương tiện phục vụ lắp đặt không phức tạp, giúp quá trình lắp đặt trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.

Nhược điểm của việc sử dụng cẩu lớn từ 900-1200 tấn ở Việt Nam hiện nay là sự hạn chế về số lượng Việc đầu tư mua hoặc thuê các loại cẩu này khá tốn kém, đồng thời yêu cầu hệ thống cảng và bãi phải có khả năng chịu áp lực lớn.

Trong quá trình lắp đặt giàn khoan, việc xoay giàn khoan là cần thiết do tầm với của cẩu bị hạn chế khi giàn khoan đã được hạ thủy xuống cầu cảng Phương pháp thi công này mang lại tính an toàn cao và thời gian thi công nhanh, đặc biệt phù hợp với các giàn khoan tự nâng có chiều dài chân lên đến 167m (tương đương 120m nước) Tuy nhiên, chi phí đầu tư hoặc thuê cẩu là một yếu tố cần xem xét do mức độ lớn của nó.

Phương pháp thi công giàn tự nâng hiện nay rất phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, nhờ vào tính đơn giản và khả năng đáp ứng nhanh chóng tiến độ của chủ đầu tư Đầu tư vào cẩu và bãi lắp ráp là cần thiết để đảm bảo quá trình lắp đặt diễn ra hiệu quả và linh hoạt Phương pháp này không chỉ hỗ trợ lắp đặt chân giàn khoan tự nâng mà còn rất quan trọng cho việc cẩu lắp các cấu kiện siêu trường siêu trọng khác như nhà ở, sân bay, tháp khoan và các thiết bị nặng trên giàn khoan.

2.5.3 Phương pháp thi công bằng cẩu và có sự hỗ trợ của bộ gá trượt

Phương pháp lắp đặt chân giàn khoan sử dụng cẩu kết hợp với bộ gá trượt, giúp quá trình lắp đặt diễn ra hiệu quả Các phân đoạn chân giàn khoan được chế tạo và hoàn thiện tại bãi chế tạo trước khi được vận chuyển đến vị trí lắp đặt.

Trên giàn khoan, các vị trí chân đã được lắp đặt bộ gá trượt sẵn Sử dụng cẩu và bộ gá trượt để nâng các đoạn chân giàn khoan vào vị trí lắp đặt Sau khi các đoạn chân được cẩu vào đúng chỗ, tiến hành nâng thân giàn khoan lên cao để mặt dưới của đoạn chân nằm trên bộ gá trượt ngang bằng với mặt trên của đoạn chân đã lắp Cuối cùng, thực hiện kéo trượt các đoạn chân để hoàn thiện quá trình lắp đặt.

Hình 2.10: Lắp đặt chân giàn khoan tự nâng bằng phương pháp cẩu và có sự hỗ trợ của bộ gá trượt

Bộ gá trượt vào vị trí tổ hợp gồm 23 bộ, cho phép nâng thân giàn khoan một hoặc nhiều lần tùy thuộc vào kích thước và khối lượng của các chân giàn Ưu điểm của phương pháp này là giảm tầm với của cẩu nhờ vào bộ gá trượt, kết hợp với hệ thống nâng hạ chân giàn, giúp hạ chiều cao nâng của cẩu khi lắp đặt chân, từ đó có thể sử dụng các loại cẩu nhỏ Phương pháp này phù hợp với tất cả các loại chân giàn khoan, kể cả những chân giàn ở độ sâu nước lớn, và bộ gá trượt có thể được tái sử dụng cho các chân giàn có hình dáng tương tự.

Đánh giá, lựa chọn phương pháp thi công

2.6.1 Yêu cầu về thi công

Dựa trên trang thiết bị, cơ sở hạ tầng và năng lực con người hiện có tại Việt Nam, nghiên cứu cần đề xuất quy trình thi công lắp đặt chân tối ưu và hiệu quả nhất.

Để đảm bảo chất lượng trong quá trình lắp đặt chân, cần tuân thủ quy trình thi công phù hợp Bên cạnh đó, việc đấu nối các đoạn chân và kiểm tra các mối hàn của kết cấu phải được thực hiện siêu âm (UT) và kiểm tra từ tính (MT) 100% Đặc biệt, các mối hàn chính cần được kiểm soát một cách nghiêm ngặt.

25 vấn đề gia nhiệt hàn, ủ nhiệt sau khi hàn và chỉ được kiểm tra mối hàn sau thời gian 72 giờ sau khi công tác hàn kết thúc

Tiêu chuẩn dung sai lắp ghép và dung sai sau khi hàn được quy định bởi tổ chức đăng kiểm và nhà thiết kế cơ sở Cụ thể, độ thẳng đứng của chân dung sai cho phép là ± 6mm trên 20m dài, trong khi chiều dài của bước răng tại điểm đấu nối có dung sai cho phép là ± 3mm Các dung sai khác cần tham khảo theo tiêu chuẩn AWS D1.1 và các quy trình kiểm soát kích thước của Dự án.

2.6.2 Đánh giá, lựa chọn phương pháp lắp đặt chân giàn khoan

Dựa trên khảo sát và phân tích các phương pháp thi công lắp đặt chân giàn khoan trên thế giới, chúng tôi đã rút ra một số đánh giá về ưu nhược điểm của từng phương pháp để áp dụng phù hợp với cơ sở hạ tầng và trang thiết bị tại Việt Nam Phương pháp thi công bằng tàu cẩu có thời gian thi công kéo dài và phức tạp, đặc biệt khi thi công trên biển, cùng với chi phí thuê và mua phương tiện rất cao Ngược lại, phương pháp thi công bằng cẩu lớn mang lại tính an toàn cao và thời gian thi công nhanh, nhưng chi phí đầu tư hoặc thuê cẩu cũng rất lớn Hơn nữa, nếu tầm với của cẩu không đủ để lắp đặt các phân đoạn cuối cùng của chân giàn khoan tự nâng 90m nước, phương pháp này cũng gặp nhiều hạn chế.

PV Shipyard đã tiến hành nghiên cứu và đầu tư cẩu bánh xích 1250 tấn, đồng thời gia cố nền bãi hoạt động để phục vụ thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng 90m Phương pháp thi công được áp dụng là sử dụng cẩu kết hợp với bộ gá trượt hỗ trợ.

Phương pháp này rất hiệu quả cho các giàn khoan có chiều dài chân lớn, khi mà tầm với của các loại cẩu không đủ để tiếp cận Việc đấu lắp và kéo trượt là những kỹ thuật quan trọng trong quá trình này.

Thực hiện thi công trên bờ hoặc gần cầu cảng yêu cầu nền đất đủ vững chắc để giàn khoan đứng vững Phương án này cần tính toán cẩn thận về độ gá và vẫn tốn kém chi phí thuê cẩu để nâng các phân đoạn lên bộ đồ gá Chi phí cho việc thực hiện và gia công chế tạo bộ đồ gá cũng khá lớn Phương pháp thi công bằng cẩu đặt ngay trên thân giàn là một lựa chọn cần xem xét.

Phương pháp này đòi hỏi một khoản chi phí đầu tư lớn và việc lựa chọn cẩu phù hợp để lắp đặt lên thân giàn gặp nhiều khó khăn, đồng thời không mang lại hiệu quả cao như hai phương pháp trước đó.

Dựa trên phân tích, tác giả nhận định rằng phương pháp lắp đặt chân bằng cẩu có hỗ trợ bộ gá trượt và phương pháp sử dụng cẩu lớn là những giải pháp tối ưu cho điều kiện hiện tại ở Việt Nam.

Sử dụng bộ đồ gá trượt giúp giảm thiểu chi phí đầu tư ban đầu, không cần cẩu lớn hay gia cố nền bãi, và có thể áp dụng rộng rãi trên toàn quốc Việc thiết kế và lắp đặt bộ gá trượt, cũng như tính toán kéo trượt, có thể được thực hiện bởi đội ngũ kỹ sư và công nhân Việt Nam, từ đó tối ưu hóa nguồn nhân lực và thiết bị hiện có trong nước.

Phương án sử dụng cẩu lớn đang được các hãng đóng giàn trên toàn cầu áp dụng, mang lại nhiều lợi ích như rút ngắn tiến độ thi công và khả năng lắp đặt các loại giàn khoan tự nâng ở độ sâu nước từ 60m đến 150m.

Phương án sử dụng cẩu lớn mang lại sự linh hoạt cho quá trình thi công, mặc dù yêu cầu đầu tư ban đầu cao Tuy nhiên, với mục tiêu phát triển ngành cơ khí chế tạo giàn khoan, việc này hoàn toàn hợp lý Bên cạnh đó, phương án này không đòi hỏi đồ gá phức tạp, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Nhờ tiến độ thi công nhanh chóng, đề tài đã quyết định lựa chọn phương án lắp đặt chân giàn khoan bằng cẩu lớn.

TÍNH TOÁN THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP DÙNG CẨU LỚN

Tính toán cẩu nhấc, lắp dựng các đoạn chân

3.1.1 Tiêu chuẩn tính toán và quy phạm áp dụng

Tính toán cẩu nhấc lắp dựng các phân đoạn chân, thiết kế theo tiêu chuẩn, quy định dưới đây:

AISC – ASD 9th Edition là tiêu chuẩn thiết kế cấu trúc thép tại Hoa Kỳ, trong khi API – RP 2A (WSD) quy định tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo các công trình biển cố định do Viện Dầu khí Hoa Kỳ phát triển.

Tính toán cẩu nhấc lắp dựng đoạn chân thực hiện theo lưu đồ sau:

Hình 3.1: Lưu đồ tính toán cẩu nhấc các đoạn chân

3.1.3 Xác định các hệ số và các bước thi công

Trong quá trình cẩu lắp đoạn chân, tải trọng của đoạn chân sẽ thay đổi theo thời gian do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như gió, chiều cao nâng và hệ thống cẩu.

Để đảm bảo an toàn trong quá trình nâng, tải trọng tính toán cho cẩu cần phải bằng tải trọng bản thân nhân với các hệ số tác động, trong đó có hệ số tải trọng động (Dynamic Amplification factors: FDAF).

Căn cứ vào Bảng tra 3.4 để lựa chọn hệ số tải trọng động [11]

Bảng 3.4: Hệ số tải trọng động trong môi trường không khí

Xa bờ Gần bờ Trên bờ

Phân đoạn chân có trọng lượng tối đa 150 tấn được cẩu trong điều kiện không di chuyển, tại cầu cảng gần bờ Dựa vào Bảng 3.4, hệ số tải trọng động được chọn là FDAF = 1.0 Ngoài ra, cần xem xét hệ số đối xứng lệch (Skew Load Factor: FSKL).

Hệ số đối xứng lệch ảnh hưởng đến việc phân phối tải trọng, xuất phát từ sự sai lệch chiều dài của dây chằng buộc và cách bố trí dây với các sai lệch hình học Sự không đồng đều trong quá trình chế tạo và vị trí của móc cáp dẫn đến việc tải trọng không được phân bố đều giữa các sợi cáp.

Do sai số không lớn và không ảnh hưởng nhiều đến trạng thái đoạn chân cũng như thông số hình học khi cẩu, tác giả đã chọn hệ số FSKL là 1.10 Hệ số nghiêng (Tilt factor: FT) cũng được xem xét trong nghiên cứu này.

Trong quá trình cẩu lắp đoạn chân, chỉ sử dụng một cẩu với móc cẩu đôi Tổng trọng lượng vật nâng ở mỗi móc được tính toán bằng cách nhân với các hệ số FT.

=1.03 [11] d Hệ số trượt ngang (Yaw factor: FY)

Quá trình cẩu đoạn chân sử dụng 4 sợi cáp cho móc cẩu, trong đó có thể áp dụng móc cẩu đôi hoặc 2 móc cẩu với 2 dây cáp mỗi móc Khi nâng tải, mỗi điểm nâng sẽ được nhân với hệ số trượt ngang FY = 1.05.

30 e Hệ số lệch trọng lực (Centre of gravity shift factor: FCoG)

Trong trường hợp sử dụng hai móc cẩu hoặc cách móc cáp, cần lưu ý rằng quá trình thi công có thể làm trọng tâm đoạn chân bị sai lệch Do đó, tổng trọng lượng vật nâng ở mỗi móc cẩu sẽ được nhân với hệ số lệch trọng tâm, cụ thể là FCoG 1.03 [11].

Phân đoạn chân hoàn thiện có tư thế nằm ngang trên mặt bằng bến bãi Tiến hành cẩu nhấc phân đoạn chân theo các bước sau:

+ Bước 1: Cẩu nhấc phân đoạn chân ra khỏi vị trí chế tạo

+ Bước 2: Quay lật phân đoạn chân từ tư thế nằm ngang sang tư thế chân đứng thẳng

+ Bước 3: Tổ hợp hai phân đoạn chân thành một đoạn chân

+ Bước 4: Tổ hợp đoạn chân lên thân giàn khoan

3.1.5 Tính toán tải trọng tĩnh và động cho móc cẩu

Tải trọng tĩnh cho móc cẩu = trọng lượng phân đoạn chân + khối lượng vật chằng buộc

- Trong bước 1 và 2 trọng lượng phân đoạn chân là 75 tấn

- Trong bước 3 và 4 trọng lượng vật nâng tổng đoạn chân là 150 tấn

- Khối lượng vật chằng buộc bao gồm dây cáp, Shackle, vòng cáp…

Tải trọng động cho móc cẩu = Tải trọng tĩnh x FDAF x FSKL x FT x FY x FCoG

- Theo mục 2.2 ở trên lựa chọn móc cẩu cho các bước như sau:

- Móc cẩu cho bước 1, 2: M1 = 75 x 1.0 x 1.1 x 1.03 x 1.05 x 1.03 = 91.9 tấn

- Móc cẩu cho bước 3, 4: M2 = 150 x 1.0 x 1.1 x 1.03 x 1.05 x 1.03 183.8 tấn

Dựa vào chủng loại móc cẩu có trên thị trường để lựa chọn móc cẩu có tải trọng ≥ tải trọng đã tính toán ở trên

3.1.6 Cẩu nhấc lắp dựng các đoạn chân

- Bước 1: Cẩu nhấc phân đoạn chân ra khỏi vị trí chế tạo:

- Điểm O là vị trí móc cẩu Chọn góc OAB = góc OBA và bằng 75°

Chiều dài dây cáp được tính theo công thức LAO = AB/(2.cos75°), với AB = 8.5, cho kết quả khoảng 16m Theo mục 3.4, tải trọng của móc cẩu là 91.9 tấn, do đó tải trọng của dây cáp cần thiết là 91.9/4 ≈ 23 tấn Vì vậy, cần chọn dây cáp loại ≥ 23 tấn, với mỗi dây có chiều dài tối thiểu 16m và số lượng là 4 dây.

+ Chọn shackle là loại 23 tấn để kẹp cáp

Hình 3.2: Điểm móc cáp cẩu lật phân đoạn chân

- Các điểm nâng A, B được chọn cách mép phân đoạn chân khoảng 1m

Dây cáp được móc vòng vào phân đoạn chân và được cố định bằng các ống chặn, những ống chặn này sẽ được cắt bỏ sau khi hoàn thành công đoạn cẩu nhấc.

- Bước 2: Phân đoạn chân đang được đặt trên gối đỡ theo phương nằm ngang sẽ được cẩu lật sang tư thế thẳng đứng

Hình 3.3: Cẩu lật phân đoạn chân

Hình 3.4: Cẩu đứng phân đoạn chân

Trong bước 2, sẽ sử dụng hai loại cẩu: cẩu lớn có khả năng nâng toàn bộ phân đoạn chân khi nó ở tư thế thẳng đứng, và cẩu nhỏ hỗ trợ phân đoạn chân khi ở tư thế nằm ngang.

+ Điểm O là vị trí móc cẩu Chọn góc OCD = góc ODC và bằng 75°

Chiều dài dây cáp : LCO = CD/(2.cos75°) = 7/(2.cos75°) ≈ 13.5 Tải trọng của móc cẩu là 91.9 tấn Vậy tải trọng của dây cáp là 91.9/4 ≈ 23tấn

+ Chọn dây cáp loại ≥ 23 tấn, mỗi dây có chiều dài tối thiểu 13.5m, số lượng 4 dây

+ Chọn shackle là loại 23 tấn để kẹp cáp

Hình 3.5: Bố trí dây cáp cho cẩu nhỏ o Xét cẩu nhỏ:

+ Cẩu nhỏ chỉ đỡ phân đoạn chân nên tải trọng móc cẩu cho cẩu nhỏ là :

Sử dụng 2 dây cáp (Hình 3.5) có chiều dài LCO = EF/(2.cos75°)

Để tính toán tải trọng cho mỗi dây cáp, ta có công thức 7/(2.cos75°) ≈ 13.5 Theo đó, tải trọng cho mỗi dây cáp là 46/2# Để đảm bảo an toàn, cần chọn dây cáp loại ≥ 23 tấn, với chiều dài tối thiểu 13.5m và số lượng 2 dây Ngoài ra, shackle sử dụng cần có loại 23 tấn để kẹp cáp.

- Bước 3: Tổ hợp hai phân đoạn chân thành một đoạn chân

Chọn cáp, shackle như bước 2 cho cẩu lớn

- Bước 4: Tổ hợp đoạn chân lên thân giàn khoan

Do tổng đoạn chân có khối lượng lớn gấp đôi phân đoạn chân nên bố trí điểm nâng như bước 3

+ Chọn dây cáp là loại 46 tấn, mỗi dây có chiều dài tối thiểu 13.5m, số lượng 4 dây

+ Chọn Shackle là loại 46 tấn để kẹp cáp

Phụ lục 1 – Bản vẽ cẩu lắp các đoạn chân.

Tính toán, kiểm tra áp lực nền

3.2.1 Tính toán, kiểm tra áp lực nền trong quá trình vận chuyển các phân đoạn chân

Theo quy trình thi công giàn khoan, các phân đoạn chân dài 33ft và nặng 75 tấn được chế tạo tại khu vực tổ hợp Sau khi hoàn tất, các phân đoạn này sẽ được chuyển vào nhà sơn tổng đoạn và sau đó ra bãi tập kết bằng xe nâng.

Tổng trọng lượng của 34 đoạn là 270 tấn Đặc biệt, phần đế chân được chế tạo gần vị trí lắp ráp giàn khoan, do đó, việc di chuyển được thực hiện bằng cách sử dụng cẩu trực tiếp từ khu vực chế tạo đến vị trí lắp đặt trên giàn khoan.

Sơ đồ bố trí vận chuyển các phân đoạn chân

Hình 3.6: Mô hình vận chuyển các cấu kiện chân giàn khoan

Các giả thiết về tính toán áp lực nền trong quá trình vận chuyển:

Trong quá trình vận chuyển, trọng tâm của các phân đoạn chân phải trùng với trọng tâm của xe nâng tổng đoạn, giúp khung xe nâng trở nên cứng cáp Khi đó, tải trọng phân bố đều trên các trục bánh xe, dẫn đến áp lực dưới mỗi bánh xe cũng trở nên đồng nhất.

Bỏ qua tải trọng gió tác động lên xe nâng, tổng đoạn và đoạn chân Khoảng cách giữa các bánh xe trên cùng một trục là 988mm, do đó tải phân bố trên các bánh xe được coi là đều, với bề rộng dải là 0.5m.

+ Hệ số vượt tải trong quá trình vận chuyển là 1.1

Hình 3.7: Mặt bằng xe nâng tổng đoạn 270 tấn

- Tính toán áp lực nền trong quá trình vận chuyển các phân đoạn chân

Q là tải trọng tác động = tải trọng bản thân xe (Qbt) + tải hàng (Qt)

S là diện tích truyền tải của bánh xe xuống nền đất

Giá trị tải trọng của nền đất tại bãi thi công thấp hơn kết quả thử tải sức chịu tải, cụ thể tại PV Shipyard là Ptc = 78 T/m2 Điều này cho thấy nền đất đủ an toàn để vận chuyển các phân đoạn chân của giàn khoan tự nâng có chiều cao 90m dưới nước.

Phụ lục 2 - Các khu vực và tải trọng nền bãi PV Shipyard

3.2.2 Tính toán, kiểm tra áp lực nền trong quá trình cẩu nhấc các đoạn chân

Khối lượng thi công lắp dựng chân giàn khoan tự nâng 90m nước bao gồm 40 mã cẩu nhấc chân và 03 mã nhấc đế chân Việc tính toán và kiểm tra toàn bộ các quá trình trong tất cả các mã cẩu sẽ tốn nhiều thời gian.

36 đây chỉ đưa ra một số trường hợp trước và sau hạ thủy được coi là nguy hiểm nhất

Hiện nay, PV Shipyard đang sử dụng cẩu Terex Demag CC 6800 (1250T), và nhà sản xuất đã cung cấp toàn bộ thông số áp lực nền cho tất cả các cấu hình của cẩu Trong quá trình lắp đặt các phân đoạn chân giàn khoan, tác giả đã tính toán và lựa chọn cấu hình cẩu phù hợp cho từng mã cẩu, sau đó đối chiếu với bảng tra áp lực nền từ nhà sản xuất để đảm bảo khả năng chịu lực của nền bãi và cầu cảng tại PV Shipyard.

Sơ đồ xác định giá trị áp lực nền dưới bánh xích được chia theo điểm như hình vẽ

Hình 3.8: Sơ đồ xác định áp lực nền dưới bánh xích cẩu

Sau đây là một số trường hợp bố trí cẩu các phân đoạn chân được coi là có áp lực nền lớn

- Cẩu phần đế chân giàn khoan: các thông số lựa chọn cẩu như sau:

Cần cẩu có chiều dài chính 60m, bán kính 20m và đối trọng 250 tấn, với chiều cao nâng đạt 10.6m Khối lượng của cần cẩu là 192 tấn Theo bảng áp lực nền đất từ nhà cung cấp, các giá trị áp lực nền được xác định như sau: PA = 40T/m2, PB = 40T/m2, PC = 7T/m2, PD = 7T/m2.

So sánh với kết quả thử tải sức chịu tải của nền đất thì thông số này đảm bảo an toàn

- Cẩu đoạn chân thứ 5 (đoạn trên cùng trước khi hạ thủy)

Các thông số chọn cẩu :

+ Chiều dài boom cẩu là 96m

Kết quả đối chiếu bảng áp lực nền dưới bánh xích của nhà sản xuất như sau:

Giá trị này nhỏ hơn kết quả thử tải sức chịu tải của nền đất tại bãi thi công chế tạo giàn khoan tự nâng PV Shipyard Ptc = 78 T/m2

Vậy nền đất đảm bảo an toàn trong quá trình cẩu nhấc phân đoạn chân.

Tính toán độ bền kết cấu trong trạng thái cẩu

3.3.1 Các tiêu chuẩn và quy phạm áp dụng

Sử dụng tiêu chuẩn sau trong tính toán:

+ AISC – ASD: Tiêu chuẩn về thiết kết cấu thép của Hoa Kỳ [7]

+ API – RP 2A (WSD): Tiêu chuẩn về thiết kế chế tạo công trình biển cố định của Viện Dầu khí Hoa Kỳ [8]

+ IMO – A649: Tiêu chuẩn về chế tạo và các thiết bị đối với công trình biển di động [9]

+ AWS D1.1/ A5.5: Tiêu chuẩn hàn kết cấu thép của Hiệp hội hàn Hoa Kỳ

+ GL Noble Denton: Guilines for Marine Lifting Operations [11]

+ ABS -MODU: Đăng kiểm Hoa Kỳ về phân cấp và đóng mới công trình biển di động [12]

3.3.2 Bố trí cẩu a Chọn cẩu

Dựa trên khối lượng và kích thước của đoạn chân, cùng với quy trình thi công, cần tính toán độ bền kết cấu cho đoạn chân ở bước 4, vì đây là giai đoạn chịu tải trọng lớn nhất Bước 4 liên quan đến việc tổ hợp tổng đoạn lên thân.

38 giàn khoan Phương án cẩu phân đoạn chân lựa chọn cẩu có tầm với lớn 600 tấn trở lên

Thông số của một đoạn chân lớn nhất điển hình: 9.11 x 9.11 x 20.48m, khối lượng 145 tấn

Hình 3.9: Đoạn chân điển hình b Tính toán sức nâng của cẩu

Trọng lượng phân đoạn chân: P = 145 (Tấn)

Sức nâng của cẩu: Jcẩu = 185 (Tấn)

Số lượng cẩu yêu cầu: n = 1 c Mặt bằng bố trí chung

Mặt bằng bố trí cẩu tại vị trí thi công, đảm bảo tầm quay của cẩu phải được thông thoáng, không có chướng ngại vật

Tùy từng chân sẽ bố trí mặt bằng cho cẩu phù hợp với tầm với của cẩu

3.3.3 Tính toán kiểm tra bền kết cấu đoạn chân trong trạng thái cẩu a Các trường hợp tải

Tải trọng bản thân là tổng trọng lượng của phần kết cấu, trong quá trình cẩu nhấc, phân đoạn chân có thể nghiêng lắc theo phương dọc và ngang Sự chuyển động này làm gia tăng trọng lượng bản thân do tác động của gia tốc, do đó, tải trọng bản thân sẽ bao gồm cả tải trọng tĩnh và tải trọng động.

Tính toán áp suất gió: Áp lực gió P được tính theo công thức sau:

Vk = Vận tốc gió tính bằng m/s

Ch = Hệ số ảnh hưởng chiều cao, tra Bảng 3.5 [12]

Cs = Hệ số ảnh hưởng hình dáng, tra Bảng 3.6 [12]

Bảng 3.5: Bảng giá trị hệ số Ch

Chiều cao ảnh hưởng h đo theo phương đứng từ đường nước thiết kế tới tâm của mặt hứng gió (m)

Bảng 3.6: Bảng giá trị hệ số Cs

Các kết cấu như cần cẩu, dầm, thép hình…

Khu vực dưới boong chính (bề mặt trơn)

Khu vực dưới boong chính (không phải bề mặt trơn)

- Tính toán lực do gió tác dụng lên bề mặt

Lực do gió tác dụng lên bề mặt tính theo công thức:

F = P x A [12] (3.4) Trong đó: F = Lực do gió tác dụng lên bề mặt, tính bằng N

P = Áp suất gió, tính bằng N/m2

A = Diện tích mặt hứng gió, tính bằng m2

- Các thông số về môi trường

Môi trường cẩu là môi trường không khí và cẩu trong cẩu bờ Nhiệt độ môi trường T'°C, vận tốc gió Vt m/s

Theo bảng khối lượng của đoạn chân là 145 tấn, phân đoạn chân là P1 75tấn thì tải trọng động được quy về tải trọng tĩnh qua các hệ số

F - Dynamic Aplification Factor : Hệ số tải trọng động

F - Skew Load factor : Hệ số đối xứng lệch

F - Yaw factor : Hệ số trượt ngang

F - Center of Gravity Shift factor : Hệ số sai lệch trọng tâm vật nâng Áp lực gió P được tính theo công thức sau [12]:

Tra bảng Chọn Ch=1, Cs=1.25 , Vận tốc gió Vkm

Hình 3.10: Mô hình tính bền kết cấu đoan chân

Phân đoạn chân được mô hình hóa bằng các thanh ống giằng ngang và giằng chéo, trong đó thanh răng là các phần tử dạng tấm Chỉ một đoạn điển hình của phân đoạn chân được mô hình hóa, phần còn lại được coi như tải trọng Đoạn chân được thiết kế 3D với tỉ lệ 1:1 nhằm kiểm tra các điều kiện biên và tính toán trong quá trình cẩu lắp Trong quá trình cẩu lắp, đoạn chân sẽ chịu tác động từ nhiều yếu tố khác nhau.

- Điều kiện biện A: Tải trọng do lực trọng trường gây ra cho phân đoạn Ở đây mô hình tính sẽ tính tính trên chiều dài đoạn chân 10m của phân đoạn 145T

- Điều kiện biện B: Ngàm cố định tại các vị trí móc dây cáp: Tại các vị trí móc cáp ở 4 góc đoạn chân sẽ phát sinh lực

Trong quá trình cẩu tại cầu cảng, đoạn chân chịu tác động của gió, với áp suất gió theo phương ngang được tính toán là P1.97 Pa, như đã trình bày ở mục 2.3.

Điều kiện biện D yêu cầu tại bốn vị trí kết nối giữa đoạn chân trên và đoạn chân dưới, khi cẩu phân đoạn chân 145T, lực kéo tại vị trí liên kết này được tính toán với giá trị P1 = 961.83 x 10^5 N.

Tác giả đã sử dụng phần mềm CAD và SolidWorks để tạo ra mô hình 3D cho đoạn chân, đồng thời áp dụng phần mềm ANSYS để thiết lập các điều kiện biên và thực hiện mô phỏng tính toán.

Hình 3.11: Điều kiện biên tính bền kết cấu đoạn chân c Vật liệu chân

Tất cả các chi tiết của kết cấu chân do LeTourneau cung cấp và có mác thép theo như Bảng 3.7 hoặc mác thép có cơ tính tương đương [4]

Bảng 3.7: Cơ tính vật liệu chân

TT Chi tiết Mác thép Ứng suất dẻo (ksi) Ứng suất Kéo(ksi)

2 Tấm liên kết N20 CL6 85 100min 43.5 @ -400C

3 Ống giằng ngang M&M CL1 90 104min 46 @ -400C

4 Ống giằng chéo M&M CL1 90 104min 46 @ -400C

5 Ống giằng nhịp M&M CL2 85 100min 36 @ -400C d Kết quả tính

Kết quả tính toán cho thấy chuyển vị tối đa là 0.94419 mm, cho thấy rằng kết cấu không bị phá hủy và đảm bảo an toàn trong quá trình cẩu lắp.

Hình 3.12: Kết quả chuyển vị

Kết quả kiểm tra ứng suất bằng phần mềm cho thấy ứng suất đạt 1.5566x10^8 Pa (tương đương 22.576 ksi), thấp hơn giá trị cho phép của vật liệu (từ 85 đến 100 ksi) Do đó, có thể kết luận rằng quá trình cẩu được đảm bảo an toàn và các thông số đã chọn là phù hợp.

Hình 3.13: Kết quả ứng suất tương đương

Phụ lục 3 – Kết quả tính toán đoạn chân trạng thái cẩu

Kết quả nghiên cứu về thi công lắp dựng chân giàn khoan tự nâng 90m nước đã đảm bảo an toàn, tiết kiệm thời gian, rút ngắn tiến độ thi công và tăng năng suất lao động Điều này phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có tại PV Shipyard, minh chứng cho sự thành công trong Dự án lắp dựng chân giàn khoan tự nâng 90m nước, hoàn thành trước 2 tháng so với kế hoạch của Tập đoàn dầu khí Việt Nam.

Chương 4 ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM.

Chi phí

Việc sử dụng cẩu lớn để lắp đặt chân giàn khoan không chỉ giúp giảm chi phí đáng kể so với phương án dùng bộ đồ gá trượt, mà còn hỗ trợ hiệu quả trong việc cẩu lắp đặt các cấu kiện lớn của giàn khoan như thiết bị hệ thống khoan và tổng đoạn thân giàn.

Khi so sánh chi phí thi công lắp và hàn đoạn chân giữa hai phương án sử dụng bộ đồ gá trượt và cẩu lớn, mặc dù chi phí thi công có thể tương đương, phương án dùng bộ đồ gá trượt sẽ phát sinh thêm một số hạng mục chi phí Cụ thể, chi phí mua vật tư chế tạo khung đỡ và gia cường thân giàn là 30.000 USD (20 tấn x 3 chân x 500 USD/tấn), chi phí thi công, lắp đặt và tháo dỡ khung đỡ là 78.000 USD (1300 USD/tấn x 60 tấn), và chi phí tính toán thiết kế bộ đồ gá trượt là 3.840 USD (2 kỹ sư x 8 giờ/ngày x 30 ngày x 8 USD/giờ).

Tổng chi phí tối thiểu có thể tiết kiệm được: 111,840 USD

Bằng việc này có thể nhận thấy phương án thi công lắp đặt chân giàn khoan bằng phương pháp dùng cẩu lớn có thể tiết kiệm hơn.

Tính toán, thiết kế

Để triển khai phương án sử dụng bộ đồ gá trượt, cần thực hiện một số công việc quan trọng như phân tích và đánh giá bố trí lắp dựng khung trượt trên thân gian khoan, tính toán gia cường thân giàn tại các vị trí lắp dựng khung trượt, và phân tích cũng như đánh giá các căn cứ để lựa chọn hình dáng và kích thước của bộ gá trượt.

Thiết kế và tính toán bền cho bộ gá trượt là rất quan trọng, bao gồm việc lựa chọn và bố trí hệ thống kéo trượt Cần lập quy trình gia công chế tạo và lắp dựng bộ gá trượt, đồng thời thiết kế hệ thống liên kết neo giữa khung trượt và đường trượt để đảm bảo ổn định trong quá trình kéo trượt Tính toán ổn định của hệ khung đỡ và đường trượt ở các phân đoạn chân cũng cần được thực hiện kỹ lưỡng Cuối cùng, việc lập quy trình tháo dỡ bộ gá trượt và phân tích, đánh giá an toàn trong quá trình kéo trượt là những bước không thể thiếu để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Các công việc này làm phát sinh hàng loạt các chi phí liên quan, làm phức tạp quá trình thi công lắp dựng chân.

An toàn

Mọi hoạt động, dù quy mô lớn hay nhỏ, đều tiềm ẩn những nguy cơ có thể ảnh hưởng đến sức khỏe con người, gây thiệt hại về tài sản và tác động tiêu cực đến môi trường.

Công việc nâng, hạ, di chuyển, cẩu lật và lắp dựng các phân đoạn chân giàn khoan là những hoạt động phức tạp và tiềm ẩn nhiều nguy cơ Do đó, việc phân tích và đánh giá an toàn trong quá trình lắp dựng là rất quan trọng, giúp nhận diện và kiểm soát hiệu quả các mối nguy hiện hữu và tiềm ẩn.

Trước khi bắt đầu công việc lắp đặt chân giàn khoan, cần xác định các mối nguy tiềm ẩn và áp dụng các biện pháp phòng ngừa nhằm giảm thiểu rủi ro xảy ra trong quá trình thực hiện.

Cách xác định mức độ mối nguy được thực hiện căn cứ vào bảng 01 và được tính như sau:

Mức độ mối nguy (L) = Tần suất xảy ra (F) x Mức độ nghiên trọng (S) [13]

Bảng 4.1: Ma trận và tiêu chí đánh giá rủi ro

M ứ c đ á n h g iá M ứ c đ ộ n g iê m t r ọ n g ( S ) Ảnh hưởng tới:

Hầu như không xảy ra hoặc chưa xảy ra

Từng xảy ra trong ngành hoặc trên thế giới trước đây

(3) Xảy ra thấp/ Đã xảy ra trong Công ty rất lâu

Xảy ra nhiều lần trong năm

(5) Thường xuyên xảy ra/ Xảy ra hằng tháng

- Đổ trong khu làm việc (