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 Thiết kế và thi công lắp đặt giàn khoan tự nâng chủ yếu thuộc về một số hãng lớn trên thế giới, không phổ biến như thiết kế của giàn đầu giếng Các công ty quốc tế có thiết kế được đăng kiểm đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp dầu khí.
- 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 thi công giàn khoan lại rất hạn chế do yêu cầu kỹ thuật phức tạp và cần nhiều chất xám Hiện tại, tất cả các công ty chế tạo giàn khoan trên toàn cầu đều 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 có tiềm lực mạnh mẽ trong lĩnh vực thiết kế và thi công lắp đặt giàn khoan tự nâng, đáp ứng các tiêu chuẩn đăng kiểm quốc tế.
Giàn khoan tự nâng đầu tiên, Scorpion, được thiết kế và lắp đặt bởi Le Tuornearu tại Vịnh Mexico vào năm 1955 Hoàn thành vào năm 1959, Scorpion đánh dấu sự ra đời của công nghệ giàn khoan tự nâng hiện đại ngày nay.
Le Tuornearu hiện nay là 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 và thiết kế cho giàn khoan tự nâng, với hơn 35% số giàn khoan tự nâng 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 mô hình giàn khoan 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 đóng giàn khoan tự nâng, Keppel hiện đang là một trong những công ty hàng đầu thế giới về chế tạo, thiết kế, lắp đặt, bảo trì và sửa chữa giàn khoan tự nâng.
Nhiều công ty lớn trên toàn cầu hiện đang thiết kế, chế tạo và 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 biển và dầu khí Một trong những dự án quan trọng của 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 ở nhiều quốc gia trên thế giới, tuy nhiên tại Việt Nam, công nghệ này vẫn còn mới mẻ và chủ yếu đang trong giai đoạn 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 nhập khẩu từ Singapore, cùng với ba giàn khoan Tam Đảo 1, Tam Đảo 2 và giàn Cửu Long của Vietsovpetro Trong số này, chỉ có giàn Tam Đảo 2 sử dụng công nghệ mới, trong khi các giàn còn lại của Vietsovpetro có 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.
Trong thời gian gần đây, nhu cầu sử dụng giàn khoan thăm dò tại biển Việt Nam tăng cao, nhưng số lượng giàn khoan tự nâng hiện có không đủ đáp ứng nhu cầu của các công ty trong nước và quốc tế Hầu hết hoạt động thăm dò đều phải thuê giàn khoan nước ngoài Để thực hiện chiến lược phát triển biển quốc gia, việc làm chủ công nghệ của các hệ thống trên giàn khoan và từng bước thiết kế, thi công, lắp đặt các hệ thống này là rất cần thiết Đặc biệt, chân giàn là bộ phận quan trọng, yêu cầu thi công chính xác, và chiều dài chân giàn ảnh hưởng đến độ sâu hoạt động Đề tài này nghiên cứu 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 nghiên cứu về chân giàn khoan cố định (Jacket) đã xuất hiện Mặc dù công nghệ chế tạo giàn khoan tự nâng không phải là mới trên thế giới, nhưng đây là nghiên cứu đầu tiên tại Việt Nam, nhằm phát triển các giải pháp phù hợp với điều kiện địa phương.
Tại các quốc gia phát triển, lĩnh vực chế tạo giàn khoan tự nâng đã được nghiên cứu sâu rộng, với nhiều đề tài và bằng sáng chế được công nhận Tác giả đã tiến hành tìm hiểu một số công trình nghiên cứu liên quan để hỗ trợ cho đề tài nghiên cứu của mình.
Một vài đề tài có thể kể đến như:
A novel method for constructing a Jackup Rig without the use of a crane has been developed, as detailed in the publication WO2013027870 A1, released on February 28, 2013 This innovative approach was created by a team of authors including Jin-Ho An, Kyung-Tak Kang, Hyo-Nyeon Kim, and Zhen-Qian.
- 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 trên toàn cầu, đặc biệt là tại Việt Nam, nơi mà hoạt động thăm dò và khai thác dầu khí đang phát triển nhanh chóng Tuy nhiên, số lượng quốc gia có khả năng chế tạo và lắp đặt giàn khoan tự nâng rất hạn chế Hiện tại, các công ty Việt Nam chủ yếu phải thuê hoặc mua giàn khoan từ nước ngoài với chi phí cao, dẫn đến việc không tận dụng được nguồn lực nội địa, không tạo ra nhiều việc làm và tiêu tốn ngoại tệ Điều này cũng gây khó khăn trong việc phát triển kinh tế biển và bảo vệ chủ quyền thềm lục địa Do đó, việc phát triển nền cơ khí chế tạo trong nước để sản xuất giàn khoan tự nâng là một yêu cầu cấp 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 việc chế tạo giàn khoan Tam Đảo 3, nhu cầu và khả năng chế tạo giàn khoan trên toàn cầu đã được ghi nhận, như 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 thế giới có 658 giàn khoan tự nâng, trong đó Châu Á chiếm 107 cái Tại Việt Nam, có 8 giàn khoan, 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) Trong số này, chỉ có giàn Tam Đảo 3 được chế tạo tại Việt Nam, các giàn còn lại đều nhập khẩu từ nước ngoài Hiện tại, Việt Nam đang 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 về giàn khoan tự nâng phục vụ cho ngành dầu khí tại Việt Nam và toàn cầu, việc phát triển và làm chủ công nghệ chế tạo giàn khoan tự nâng trở nên cấp thiết Sự thành công trong việc chế tạo giàn khoan tự nâng tại Việt Nam không chỉ khẳng định sự tiến bộ trong khoa học công nghệ mà còn thúc đẩy ngành cơ khí chế tạo chính xác Để đạt được mục tiêu này, cần tập trung nghiên cứu thiết kế và công nghệ thi công, đồng thời đào tạo đội ngũ kỹ sư và công nhân có tay nghề cao để đảm bảo chất lượng và hiệu quả trong quá trình chế tạo.
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 đầu tư vào thiết bị và bến bãi phục vụ thi công chế tạo giàn khoan tự nâng một cách hiệu quả Đề tài này đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán và lắp đặt chân giàn khoan tự nâng phù hợp với điều kiện cụ thể của Việt Nam, nhằm tối ưu hóa hiệu quả đầu tư.
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 cho chân giàn khoan tự nâng là cần thiết để phân tích và lựa chọn quy trình công nghệ thi công lắp đặt phù hợp Điều này giúp tối ưu hóa khả năng thi công tại Việt Nam, dựa trên cơ sở vật chất, nguồn nhân lực và tiềm năng hiện có.
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 là cần thiết để đảm bảo tính khả thi và an toàn, phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị và con người tại Việt Nam.
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, áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại và phần mềm chuyên dụng để đảm bảo độ 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 khóa đào tạo trong và ngoài nước giúp học hỏi kinh nghiệm thiết kế và thi công, đồng thời tham quan các công trường thi công giàn khoan tự nâng tại các quốc gia phát triển như Singapore và Mỹ.
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 hệ thống này ở độ sâu 90m nước, phù hợp với điều kiện địa lý và môi trường tại 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 Tiếp nhận công nghệ mới và giải pháp thi công tiên tiến từ thế giới, nghiên cứu này được áp dụng vào điều kiện Việt Nam, đặc biệt tại PV Shipyard, để thi công lắp đặt chân giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m nước.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Dự án Tam Đảo 03 tiến hành lắp đặt hoàn chỉnh 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 Các thiết bị đo được sử dụng để xác định và theo dõi chính xác các chỉ tiêu cơ lý cũng như đặc trưng hình học của kết cấu trong quá trình lắp đặt và chạy thử Kết quả thực tế tại hiện trường được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết và dung sai cho phép trong lắp đặt, từ đó rút ra bài học kinh nghiệm cho các dự án tương tự trong tương lai, phù hợp với điều kiện 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 áp dụng các thiết bị thi công hiện đại có sẵn 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, được sử dụng để khoan thăm dò và khai thác dầu khí, chủ yếu hoạt động ở vùng biển sâu dưới 150 mét Khi di chuyển, chân giàn được rút lên, cho phép giàn nổi và di chuyển như sà lan Khi cố định, hệ thống nâng hạ chân giàn đảm bảo giàn đứng vững trên đáy biển, chịu đựng tải trọng khắc nghiệt từ sóng, gió, dòng chảy, ăn mòn và động đất Giàn khoan tự nâng bao gồm nhiều bộ phận chính, mỗi bộ phận đều đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của giàn.
- 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)
Các hệ thống thiết bị khác bao gồm hệ thống ống công nghệ và hệ thống điện động lực, điều khiển Thông số về điều kiện hoạt động của giàn tự nâng là 90m nước.
- 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 có cấu trúc dạng khung giàn hoặc trụ, được chế tạo từ thép cường độ cao Chúng có khả năng chịu đựng toàn bộ 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 đa dạng, phù hợp với yêu cầu sử dụng, mục đích khai thác, vùng biển hoạt động và các tiêu chí của Chủ đầu tư Việc phân loại chân giàn khoan tự nâng được thực hiện dựa trên kết cấu thân chân, giúp lựa chọn giàn khoan phù hợp với từng dự án cụ thể.
- 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 khai thác Các đặc điểm chính của hệ thống chân giàn khoan 90m nước bao gồm khả năng chống chịu tốt và tính ổn định cao.
- 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 lựa phương án phù hợp, tác giả phân tích điều kiện và cơ sở hạ tầng hiện có tại Việt Nam, đồng thời xem xét khả năng đầu tư thiết bị phù hợp Các bãi thi công tại Việt Nam có điều kiện môi trường và cơ sở vật chất tương đối đồng nhất Tác giả đã quyết định sử dụng trang thiết bị hiện có tại Công ty để đảm bảo hiệu quả thi công.
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 gia công các kết cấu ống, thanh răng và các thành phần khác thành các phân đoạn chân hoàn chỉnh Những phân đoạn này sẽ được vận chuyển đến bãi tổ hợp chân để tiếp tục quá trình lắp ráp.
Bãi gia công có kích thước 180x20m với nền bê tông được gia cố, đảm bảo mặt phẳng và ổn định trong quá trình gia công tổ hợp Ngoài ra, bãi tổ hợp kích thước 120x60m được chuẩn bị để đặt các phân đoạn chân và phục vụ cho việc cẩu vận chuyển, xoay lật, cũng như lắp đặt các phân đoạn chân Phân xưởng làm sạch và sơn tổng đoạn cũng là một phần quan trọng trong quy trình này.
Phân xưởng làm sạch và sơn được đặt ở cuối bãi chế tạo chân, nhằm mục đích làm sạch và sơn lại các phân đoạn lớn trước khi chúng được vận chuyển ra bãi tổ hợp chân.
Phân xưởng dự kiến sẽ có kích thước 45x72m và chiều cao 18m, bao gồm khu vực làm sạch 30x36m, khu vực sơn 30x36m và khu vực bố trí máy cùng hệ thống hút ẩm 15x72m Thiết kế kho có 2 nhịp, với 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 đóng vai trò như một kho cất giữ chuyên dụng cho giàn giáo Dự kiến, phân xưởng sẽ được xây dựng với kích thước 20x30m và chiều cao 7m Thiết kế phân xưởng gồm 1 nhịp rộng 20m, 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 như máy hàn, trạm hàn, mặt nạ hàn và các dụng cụ cầm tay như máy mài, máy ép thủy lực Những thiết bị này được đầu tư và bảo quản tại các nhà xưởng để phục vụ cho thi công Bên cạnh đó, việc đầu tư vào thiết bị cơ giới để nâng, cẩu và chuyên chở cũng là điều cần thiết.
Xe nâng động cơ Diesel có khả năng nâng tối đa 7000 kg với độ cao nâng lên đến 4000 mm Trọng tâm của xe đạt 600 mm, giúp đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành Kích thước càng nâng tải là 1900 mm chiều dài, 150 mm chiều rộng và 75 mm chiều dày, phù hợp cho nhiều loại hàng hóa khác nhau.
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 được 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 phân tích và lựa chọn hiệu quả.
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 trước Khi chiều dài chân còn ngắn, các đoạn chân được lắp đặt bằng cẩu có tầm với lớn Khi không còn đủ tầm với, giàn khoan sẽ được hạ thủy, và các đoạn chân còn lại sẽ được đặt trên mặt boong của tàu cẩu hoặc trên thân giàn khoan Sau đó, tàu cẩu sẽ di chuyển đến vị trí có độ sâu nước phù hợp để hạ chân giàn khoan xuống, nhằm giảm chiều cao và bán kính cẩu lắp, từ đó tiến hành lắp đặt các tổng đoạn còn lại.
Lắp đặt chân giàn khoan tự nâng bằng phương pháp tàu cẩu mang lại ưu điểm là giảm chiều cao và bán kính cẩu lắp nhờ vào việc điều chỉnh chiều dài chân chìm trong nước.
Nhược điểm của phương pháp thi công lắp đặt chân giàn khoan trên biển bao gồm chi phí cao cho việc mua hoặc thuê cẩu nổi và cần có tàu dịch vụ để kéo giàn ra vị trí thích hợp Việc thi công trên biển không chỉ tốn kém mà còn phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, làm tăng thêm chi phí Tổng thể, phương pháp này có chi phí lớn, an toàn không cao và tiến độ thi công chậm hơn so với thi công trên bờ.
Phương pháp lắp đặt chân giàn khoan tự nâng yêu cầu thời gian thi công kéo dài và phức tạp, đặc biệt khi thực hiện trên biển Ngoài ra, chi phí thuê hoặc mua các phương tiện phục vụ thi công cũng rất tốn kém.
Khi không có khả năng thi công trong cảng hoặc không đủ phương tiện lớn để lắp đặt chân trong cảng hoặc ụ khô, lựa chọn thi công ngoài khơi là giải pháp hợp lý Việc sử dụng các thiết bị như tàu cẩu và sà lan sẽ giúp thực hiện công việc hiệu quả hơn.
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 thủy, 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 ưu điểm, bao gồm việc rút ngắn thời gian thi công và đảm bảo an toàn trong quá trình lắp đặt Phương tiện lắp đặt không phức tạp, giúp quá trình thực hiện trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.
Hiện nay, tại Việt Nam, các loại cẩu lớn từ 900 đến 1200 tấn vẫn còn rất hạn chế Việc đầu tư mua hoặc thuê cẩu trong khoảng trọng tải này tốn kém và đòi hỏi hệ thống cảng, bãi phải có khả năng chịu được 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 hạ xuống cầu cảng Phương pháp thi công này đơn giản, an toàn và cho thời gian lắp đặt nhanh, 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 lại rất cao.
Phương pháp thi công giàn tự nâng hiện nay rất phù hợp với điều kiện tại Việt Nam, nhờ vào sự đơn giản trong lắp đặt và ít yêu cầu tính toán phức tạp, giúp đáp ứng nhanh chóng tiến độ của chủ đầu tư Đầu tư vào cẩu và bãi lắp ráp là cần thiết cho quá trình lắp đặt giàn tự nâng một cách lâu dài, cơ động và linh hoạt Phương pháp này không chỉ hỗ trợ việc lắp đặt chân giàn khoan tự nâng mà còn rất cần thiết 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 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 sẵn bộ gá trượt để hỗ trợ quá trình cẩu Sử dụng cẩu và bộ gá trượt, các đoạn chân giàn khoan được cẩu vào vị trí lắp đặt Sau khi hoàn tất việc cẩu lắp, tiến hành nâng thân giàn khoan lên cao cho đến khi mặt dưới của đoạn chân nằm trên bộ gá trượt ngang bằng với mặt trên của đoạn chân đã lắp đúng vị trí, sau đó kéo trượt các đoạn chân.
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, giúp nâng thân giàn khoan một, hai 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 cẩu nhờ vào bộ gá trượt, kết hợp với hệ thống nâng hạ chân giàn, cho phép sử dụng các loại cẩu nhỏ hơn khi lắp đặt Phương pháp này có thể áp dụng cho 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 nhiều lần 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 công trình, ngoài việc lắp đặt chân đúng quy trình, cần phải thực hiện kiểm tra siêu âm (UT) và kiểm tra từ tính (MT) 100% cho các đoạn chân và các mối hàn của kết cấu Đặc biệt, các mối hàn chính phải 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 chiều 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 tiêu chuẩn AWS D1.1 và 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 đưa ra những đánh giá quan trọng cho từng phương pháp Phương pháp thi công bằng tàu cẩu mặc dù là một lựa chọn phổ biến, nhưng gặp khó khăn về thời gian thi công kéo dài và chi phí cao cho việc thuê hoặc mua thiết bị Ngược lại, phương pháp thi công bằng cẩu lớn mang lại sự đơn giản và an toàn, với thời gian thi công nhanh chóng Tuy nhiên, chi phí đầu tư hoặc thuê cẩu rất lớn, và nếu tầm với của cẩu không đủ để lắp đặt các phân đoạn cuối cùng, phương pháp này cũng gặp hạn chế, đặc biệt trong việc lắp đặt chân giàn khoan tự nâng ở độ sâu 90m nước.
PV Shipyard đã đầu tư vào cẩu bánh xích 1250 tấn và gia cố nền bãi hoạt động để 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 để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình lắp đặt.
Phương pháp này rất hiệu quả cho giàn khoan có chiều dài chân lớn, đặc biệt khi các loại cẩu không thể với tới Việc lắp đặt và kéo trượt là những bước quan trọng trong quá trình này.
Thực hiện công việc trên bờ hoặc gần cầu cảng yêu cầu nền đất đủ cứng để giàn khoan đứng vững Phương án này cần tính toán kỹ lưỡng về độ gá, đồng thời vẫn phải chi trả 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 là khá lớn Phương pháp thi công bằng cẩu đặt ngay trên thân giàn cũng là một lựa chọn.
Phương pháp này đòi hỏi chi phí đầu tư lớn và việc lựa chọn cẩu phù hợp để lắp đặt trên 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 việc lắp đặt chân bằng phương pháp cẩu kết hợp với bộ gá trượt, cùng với việc sử dụng cẩu lớn, là những phương pháp phù hợp với điều kiện hiện tại tại Việt Nam.
Sử dụng bộ đồ gá trượt mang lại chi phí đầu tư ban đầu thấp, không cần đầu tư cẩu lớn hay gia cố nền bãi, và có thể áp dụng rộng rãi trên toàn quốc Việc thiết kế, lắp đặt bộ gá trượt và tính toán kéo trượt có thể được thực hiện bởi đội ngũ kỹ sư và công nhân Việt Nam, giúp tận dụng tối đa nguồn nhân lực và thiết bị sẵn có trong nước.
Sử dụng cẩu lớn trong thi công giàn khoan đang được áp dụng rộng rãi bởi các hãng đóng giàn trên thế giới Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tiến độ thi công nhanh chóng 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 trong lắp đặt chân giàn khoan mang lại sự linh hoạt và phù hợp với mục tiêu phát triển ngành cơ khí chế tạo Mặc dù cần đầu tư ban đầu cho cẩu lớn, nhưng phương án này không yêu cầu đồ gá phức tạp, giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Hơn nữa, tiến độ thi công nhanh chóng cũng là một lợi thế đáng kể, khiến cho việc lựa chọn cẩu lớn trở thành giải pháp tối ưu cho dự án.
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 kết cấu thép của Hoa Kỳ, trong khi API – RP 2A (WSD) quy định tiêu chuẩn thiết kế và chế tạo công trình biển cố định do Viện Dầu khí Hoa Kỳ ban hành.
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 biến 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 Một trong những hệ số quan trọng là 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 nặng nhất đạt 150 tấn và 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 phân phối tải do sai lệch chiều dài dây chằng buộc và bố trí dây có hình học không đồng nhất Sự sai lệch trong quá trình chế tạo và vị trí của móc cáp dẫn đến việc tải không được phân bố đều trên 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 được ký hiệu là FT.
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 tương ứng.
=1.03 [11] d Hệ số trượt ngang (Yaw factor: FY)
Quá trình cẩu đoạn chân sử dụng 4 sợi cáp cho móc cẩu, với khả năng nâng tải tối ưu khi áp dụng móc cẩu đôi hoặc 2 móc cẩu, mỗi móc có 2 dây cáp Mỗi điểm nâng tải sẽ được nhân với hệ số trượt ngang FY = 1.05, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình nâng.
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, quá trình thi công cần chú ý đến trọng tâm của đoạn chân bị sai lệch Mỗi móc cẩu sẽ có tổng trọng lượng vật nâng được điều chỉnh bằng 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, kết quả khoảng 16m Tải trọng của móc cẩu là 91.9 tấn, do đó tải trọng của dây cáp là khoảng 23 tấn Vì vậy, cần chọn dây cáp có khả năng chịu tải ≥ 23 tấn, mỗi dây có chiều dài tối thiểu 16m, và sử dụng tổng cộng 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 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 ở tư thế thẳng đứng và cẩu nhỏ hỗ trợ phân đoạn chân khi nằm ngang Cẩu lớn sẽ được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình này.
+ 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°)
Tính toán tải trọng cho mỗi dây cáp là 46/2#, tương đương với 7/(2.cos75°) khoảng 13.5 Do đó, cần chọn dây cáp có trọng tải tối thiểu 23 tấn, với chiều dài tối thiểu 13.5m và số lượng là 2 dây Ngoài ra, cần sử dụng shackle 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
Trong quy trình thi công và lắp dựng chân 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.
Phần đế chân của giàn khoan có tổng trọng lượng 270 tấn và được vận chuyển trực tiếp từ vị trí chế tạo đến vị trí lắp đặt nhờ cẩu Điều này giúp tiết kiệm thời gian và tối ưu hóa quy trình lắp ráp 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 cần phải trùng với trọng tâm của xe nâng tổng đoạn, coi như khung xe nâng hoàn toàn cứng Khi đó, tải trọng trên các trục bánh xe sẽ đồng đều, dẫn đến áp lực dưới các bánh xe cũng sẽ giống nhau.
Bỏ qua tải trọng do gió tác động lên xe nâng, ta xác định tải phân bố trên các bánh xe trong cùng một trục với khoảng cách 988mm Do đó, tải trọng được coi là phân bố đều trên các bánh xe, 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 sức chịu tải của nền đất tại bãi thi công nhỏ hơn kết quả thử tải, với Ptc tại PV Shipyard đạt 78 T/m2 Điều này chứng tỏ rằng nền đất đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển các phân đoạn chân của giàn khoan tự nâng 90m 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 rất nhiều thời gian.
36 đây chỉ đưa ra một số trường hợp trước và sau hạ thủy được coi là nguy hiểm nhất
Hiện tại, PV Shipyard đang sử dụng cẩu Terex Demag CC 6800 (1250T) và đã nhận được toàn bộ thông số áp lực nền từ nhà sản xuất cho tất cả các cấu hình của cẩu Trong quá trình lắp đặt các phân đoạn chân giàn khoan, tác giả chỉ định cấu hình cẩu phù hợp cho từng mã cẩu và so sánh với bảng tra áp lực nền do nhà sản xuất cung cấp, nhằm 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 60m và bán kính 20m, với đối trọng nặng 250 tấn và chiều cao nâng tối đa 10.6m Tổng 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, và 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 vào khối lượng và kích thước của đoạn chân, cùng với quy trình thi công, cần lựa chọn và tính toán độ bền kết cấu cho đoạn chân ở bước 4, vì đây là giai đoạn có tải trọng tác động lớn nhất Bước 4 thực hiện 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 bị nghiêng lắc theo cả phương dọc và phương ngang, dẫn đến việc trọng lượng bản thân phần kết cấu tăng lên do chuyển động lắc gây gia tốc Do đó, tải trọng bản thân 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, trong khi phần còn lại được xem như tải trọng Đoạn chân được thiết kế 3D với tỉ lệ 1:1 để kiểm tra các điều kiện biên và tính toán trong quá trình cẩu lắp, nơi mà nó sẽ chịu tác động từ nhiều yếu tố.
- 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, theo các bước đã nêu 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 đạt 0.94419 mm, điều này cho thấy 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 tính toán thi công lắp dựng chân giàn khoan tự nâng 90m nước đã đảm bảo an toàn, tiết kiệm thời gian và rút ngắn tiến độ thi công Điều này không chỉ tăng năng suất lao động mà còn phù hợp với cơ sở hạ tầng hiện có tại PV Shipyard Nhờ vào những kết quả này, Dự án lắp dựng chân giàn khoan tự nâng 90m nước đã được thực hiện thành công và 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 sử dụng bộ đồ gá trượt, mà còn hỗ trợ hiệu quả trong việc lắp đặt các cấu kiện lớn của giàn khoan như thiết bị hệ thống khoan và các 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, nhưng phương án 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) Ngoài ra, chi phí thiết kế bộ đồ gá trượt là 3.840 USD (480 giờ 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, và phân tích, đánh giá các yếu tố lựa chọn hình dáng cũng như kích thước của bộ gá trượt.
Thiết kế và tính toán bền cho bộ gá trượt là bước đầu tiên, tiếp theo là lựa chọn và bố trí hệ thống kéo trượt Quy trình gia công, chế tạo và lắp dựng bộ gá trượt cần được lập rõ ràng Hệ thống liên kết neo giữa khung trượt và đường trượt phải được thiết kế để đảm bảo tính ổn định trong quá trình kéo trượt Đồng thời, việc tính toán ổn định cho hệ khung đỡ và đường trượt của các phân đoạn chân cũng rất quan trọng Cuối cùng, quy trình tháo dỡ bộ gá trượt và phân tích an toàn trong quá trình kéo trượt cần được thực hiện một cách nghiêm ngặt.
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 ảnh hưởng đến sức khỏe con người, gây thiệt hại 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 có tính chất 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 các mối nguy hiện hữu cũng như tiềm ẩn một cách hiệu quả.
Trước khi bắt đầu lắp đặt chân giàn khoan, cần xác định các mối nguy tiềm ẩn để từ đó triển khai các biện pháp phòng ngừa hiệu quả, nhằm giảm thiểu rủi ro trong quá trình thực hiện công việc.
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 (
