CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Tổng quan tình hình phát triển kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và Việt Nam 1. Giới thiệu cấu tạo kết cấu công trình biển cố định bằng thép Kết cấu công trình biển cố định bằng thép là kết cấu dạng khung giàn không gian, liên kết với đất thông qua hệ thống móng cọc hoặc móng trọng lực bê tông cốt thép, được xây dựng ở ngoài khơi để phục vụ khai thác dầu khí và thực hiện các dịch vụ kinh tế khác, hoặc phục vụ nhiệm vụ quốc phòng… Trong luận án, đối tượng chính được xem xét là các kết cấu công trình biển cố định bằng thép dạng móng cọc, với cấu tạo tổng thể bao gồm thành ba phần chính (Hình 1): - Kết cấu thượng tầng (Topside) sử dụng để đỡ các bộ phận chức năng, không gian kiến trúc phục vụ sinh hoạt của con người, hệ thống thiết bị của công trình - Kết cấu khối chân đế (Substructure) sử dụng để đỡ thượng tầng và hệ thống đầu giếng, các riser.nối giữa công nghệ thượng tầng và công nghệ đáy biển phục vụ khai thác.
Kết cấu khối chân đế được cấu tạo dạng khung không gian, truyền tải trọng vào hệ thống móng cọc. - Kết cấu móng cọc (Pile foundation), bao gồm các cọc đóng lồng trong ống chính, hoặc hệ thống cọc váy làm nhiệm vụ cố định công trình tại vị trí xây dựng và truyền tải trọng vào đất nền. Do được xây dựng trên biển nên kết cấu công trình biển ngoài chịu tải trọng bản thân, các tải trọng công nghệ và tải trọng các hệ thống phụ trợ, còn chịu các tác động trực tiếp của môi trường. Trong số đó, tải trọng sóng là một tác động chính với tính chất ngẫu nhiên và dài hạn, có ảnh hưởng lớn nhất đến an toàn công trình theo cả điều kiện bền và mỏi trong suốt thời gian khai thác.
Với đặc điểm về vị trí và chịu nhiều tác động phức tạp, bất thường, kết cấu công trình biển bằng thép yêu cầu phải được đảm bảo an toàn rất cao, kể từ khâu thiết kế đến quá trình thi công chế tạo, lắp đặt và quá trình vận hành. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu tạo chung kết cấu công trình biển cố định bằng thép móng cọc 1. Tình hình phát triển và phạm vi ứng dụng của kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và tại Việt Nam.
Sự ra đời và phát triển các công trình biển cố định bằng thép gắn liền với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí. Công trình đầu tiên được xây dựng tại mỏ ven bờ Lousiana thuộc vịnh Mê-hi-cô năm 1938, ở độ sâu 5m nước. Tính đến thời điểm năm 2009 [8], các công trình biển cố định kiểu Jacket bằng thép phân bố ở phạm vi 53 quốc gia theo các khu vực như sau: Vịnh Mexico (Mỹ): gần 4.000 giàn; Châu Á: 950 giàn; Khu vực Trung Đông: 700 giàn; Châu Âu, Biển Bắc, Đông Bắc Đại Tây Dương: 490 giàn; Khu vực biển Tây Phi: 380 giàn; Khu vực Nam Mỹ: 340 giàn. Theo nhu cầu cung cấp năng lượng cho xã hội, các công trình biển ngày càng tiến ra ngoài khơi xa hơn, phát triển đa dạng hơn về chức năng và chủng loại dẫn đến sự thay đổi về dạng kết cấu.
Trong số đó, kết cấu công trình biển cố định bằng thép là dạng phổ thông, kinh tế, phù hợp với các khu vực khai thác từ 400m nước trở lại. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các loại công trình biển sử dụng theo độ sâu nước [5] Hình 1. Thống kê phạm vi ứng dụng của các loại công trình biển [5] Bảng 1.
Thống kê một số công trình biển cố định bằng thép điển hình ở độ sâu lớn nhất đã xây dựng trên thê giới [5] Các giàn kiểu Jacket ở độ sâu lớn nhất thế giới STT Tên giàn Năm Độ sâu nước Vùng biển Điều hành XD 1 Cognac 1978 312m Vịnh Mê-xi-cô Shell 2 Amberjack 1991 314m Vịnh Mê-xi-cô BP 3 Heritage 1992 326m Biển Nam Cali Exxon Mobi LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -6- Các giàn kiểu Jacket ở độ sâu lớn nhất thế giới 4 Virgo 1999 344m Vịnh Mê-xi-cô Total-Fina Elf 5 Harmony 1992 366 Biển Nam Cali Exxon Mobi 6 Pompano 1994 393 Vịnh Mê-xi-cô BP 7 Bullvinkle 1991 412 Vịnh Mê-xi-cô Shell Hình 1. Thống kê các công trình biển cố định bằng thép sâu nhất thế giới [5] - Ngày 31/03/1984 là mốc lịch sử của ngành xây dựng CTB Việt Nam, khi lần đầu tiên XNLD Vietsovpetro xây dựng thành công chân đế OB1 của giàn MSP1 tại mỏ Bạch Hổ. Tại Việt Nam tính đến nay đã có trên 70 CTB cố định bằng thép kiểu Jacket được xây dựng, chủ yếu có độ sâu nước khoảng 50m. Phần lớn số lượng công trình tập trung tại khu vực mỏ Bạch Hổ và Rồng thuộc bồn trũng Cửu Long, cách bờ biển Vũng Tàu khoảng 120km về phía Đông Nam.
Công trình có độ sâu nước lớn nhất là giàn khai thác khí tại mỏ Lan Tây với độ sâu 125m, hoàn thành xây dựng và đưa vào khai thác tháng 11 năm 2002. Công trình có độ sâu nước nhỏ nhất là giàn đầu giếng Thái Bình, mỏ Thái Bình với độ sâu nước 29,2m, hoàn thành xây dựng và đưa vào khai thác năm 2013. - Nhìn vào bản đồ trữ lượng dầu khí Việt Nam (Hình 1.5), qua các nghiên cứu về trữ lượng tiềm năng dầu khí của các bồn trũng cũng như sự phân bố độ sâu nước của biển Việt Nam và điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị, con người, có thể thấy rằng xu hướng sử dụng công trình biển cố định kiểu Jacket sẽ vẫn là lựa chọn ưu tiên trong phát triển các mỏ dầu khí ở nước ta với điều kiện thềm lục địa và vùng đặc quyền kinh tế của Việt Nam ở độ sâu tới 300m nước. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Các bể trầm tích và trữ lượng dự báo trong vùng biển Việt Nam - Hiện nay, do nhu cầu tiết kiệm chi phí khai thác, các chủ đầu tư của các mỏ ở Việt Nam đang hạn chế xây dựng các giàn mới mà sẽ hướng tới tận dụng lại các giàn đã có với hai giải pháp chính: + Nâng cấp công nghệ giàn đang khai thác và kết nối mỏ để tăng sản lượng; + Kéo dài thời gian khai thác của giàn sau khi hết tuổi thọ thiết kế. Một số số liệu thống kê minh chứng cho nhận định trên được trình bày trong bảng 1. Thống kê một số giàn điển hình mới được nâng cấp (Theo các báo cáo tính toán của Viện Xây dựng Công trình Biển – Đại học Xây dựng và công ty Technip VN, mà tác giả đã trực tiếp tham gia) Giàn Chủ đẩu tư Thời điểm bắt Thời điểm Nội dung nâng cấp đầu khai thác nâng cấp Đại Hùng PVGas 2011 2013 Mở rộng thượng tầng để II lắp thêm: + Compressor Skid; + Cooler and Scrubber; + Tank; + Metering Skid; + Dehydration Package; + Fuel Gas Skid; + Pig Launcher; + Piping; LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com -8- Lắp thêm 2 Riser trên khối chân đế Topaz A Petronas 2010 2014 Mở rộng thượng tầng để lắp thêm: + Gas Compressor Modul Skid; + LP Production Separator; + Producton Transfer Pump; + Bố trí lại một số thiết bị; Rạng JVPC 1998 2015 Nghiên cứu phương án Đông lắp đặt thêm 2 đầu giếng WHP-C1 12’’ kèm theo hệ thống đường ống đấu nối vào hệ thống hiện hành Bảng 1. Nhu cầu kéo dài khai thác của một số giàn mỏ Bạch Hổ đã hết tuổi thọ tính đến thời điểm năm 2015 (Theo tài liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam) STT Tên giàn Năm xây dựng Tuổi thọ Năm hết tuổi thọ (năm) 1 MSP-1 1984 25 2009 2 CPP-2 1990 25 2015 3 BK-2 1984 25 2009 4 MSP-3 1985 25 2010 5 MSP-4 1987 25 2012 6 MSP-5 1987 25 2012 7 MSP-6 1987 25 2012 8 MSP-7 1988 25 2013 9 MSP-8 1988 25 2013 10 MSP-9 1989 25 2014 11 MSP-4 “BK” 1989 25 2014 12 MSP-4 “OB” 1989 25 2014 Khi tận dụng khả năng khai thác của giàn thì kết cấu giàn phải làm việc ở trạng thái khắc nghiệt, rủi ro hơn, với các điều kiện chưa được kể đến trong giai đoạn thiết kế.
Trong số đó bao gồm điều kiện bất thường của hoạt động khai thác, bất thường của môi trường và tổn thất của giàn bao gồm vết nứt do mỏi, ăn mòn trong thời gian khai thác, khuyết tật do va đập.7 ghi nhận một số sự cố gây tổn thất điển hình đã xảy ra ở một số giàn khoan khu vực biển Việt Nam. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Khuyết tật do sự cố va tàu và vật rơi [5] Hình 1. Kết cấu chân đế bị rỉ và bị nứt sau khi rỉ [5] Theo đánh giá trên, để đáp ứng nhu cầu tận dụng tối đa khả năng khai thác của giàn mà vẫn đảm bảo an toàn, việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển các phương pháp luận đánh giá kết cấu để cho phép gia hạn trong điều kiện Việt Nam là cần thiết và quan trọng.
Các tiêu chuẩn hiện hành áp dụng trong thiết kế và đánh giá an toàn kết cấu công trình biển cố định bằng thép - Hiện nay các hệ thống tiêu chuẩn, quy phạm phổ biến trên thế giới như API [11, 12], DnV [24, 25, 26], ISO [35], NORSOK [47, 48, 50], hay NPD [51]… đều quy định tính toán thiết kế kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo các trạng thái giới hạn, bao gồm: Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS): Phục vụ kiểm tra bền các phần tử kết cấu, tương ứng với các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất trong trạng thái bão cực hạn, khai thác, và thi công. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 10 - Trạng thái giới hạn mỏi (FLS): Phục vụ dự báo phá hủy mỏi giai đoạn 1 của các nút kết cấu theo Palmgren-Miner tương ứng với các trạng thái biển dài hạn trong thời gian khai thác yêu cầu. Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS): Phục vụ đánh giá khả năng sử dụng bình thường của kết cấu phù hợp với chức năng của công trình theo tiêu chí chuyển vị cho phép và mức độ rung động cho phép. Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS) và trạng thái giới hạn sự cố (ALS): Phục vụ đánh giá độ bền cực hạn của giàn khi gặp các sự cố bất thường xảy ra như cháy, nổ, vật rơi, va tàu.
hay chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế khi cho kết cấu làm việc trong giai đoạn ngoài đàn hồi, kể đến ảnh hưởng hệ thống của kết cấu.