CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU GIÀN TỰ NÂNG 1.1 Lịch sử phát triển của giàn tự nâng Nhu cầu thăm dò và khai thác dầu khí ở các vùng biển sâu hơn, với các điều kiện tự nhiên khắc nghiệt là một nhu cầu thực tế luôn đƣợc đặt ra. Trong các điều kiện nhƣ vậy các giàn khoan di động trở thành các công cụ rất quan trọng và cần thiết. Có ba loại giàn khoan di động chủ yếu là: Giàn tự nâng; Tàu khoan và Giàn bán chìm. Năm 1869, Samuel Lewis đƣợc liên bang Mỹ công bố bằng sáng chế ứng dụng về sự mô tả của thiết bị tự nâng.
Nhƣng cho đến tận 85 năm sau đó tức là vào năm 1954 thiết bị Delong McDermott No. 1 trở thành thiết bị đầu tiên sử dụng các nguyên lí của giàn tự nâng phục vụ cho việc khoan xa bờ. Có thể nói Delong McDermott No. 1 là một trong những thiết bị đƣợc cải tiến thành công nhất của các bến tàu Delong từ một thiết bị phao nổi với một số các chân hình trụ mà chúng có thể di chuyển lên hoặc xuống.
Các bến tàu Delong hầu hết đƣợc sử dụng nhƣ các cầu tàu di động cho các mục đích công nghiệp trong Hình .1 suốt những năm 40 của thế kỷ 20. Các bến tàu này có thể đƣợc kéo đến một vị trí nào đó với các chân đƣợc nâng lên. Khi định vị ở một vị trí nào đó các chân đƣợc hạ xuống đáy biển và khoang nổi đƣợc nâng lên khỏi mặt nƣớc sử dụng nguyên lý giống nhƣ nguyên lý của giàn khoan di động hiện đại ngày nay. Một điều thú vị, các cầu tàu Delong đã đƣợc quân đội Mỹ sử dụng trong chiến tranh thế giới thứ hai nhƣ là các bến Học viên: Nguyễn Hữu Cường TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 11 Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học tàu di động và trƣớc khi các bến cảng chính của phía tây châu âu đƣợc giải phóng.
Cũng giống nhƣ rất nhiều giàn khoan di động trƣớc đó và sau này, thiết bị Delong McDermott No. 1 giống nhƣ một thiết bị xà lan khoan đƣợc gắn với các chân đế và các thiết bị kích nâng, thƣờng với số lƣợng chân nhiều hơn 3. Giàn tự nâng có cấu trúc nhƣ ngày nay là thiết kế của kỹ sƣ ngƣời Mỹ Le Tourneau vào năm 1956 dùng cho công tác khoan thăm dò dầu khí ngoài biển, theo thiết kế của ông số lƣợng chân đế của các giàn khoan ngày nay đƣợc giảm xuống còn 3 chân. Một sự cải tiến đáng kể trong thiết kế đó là sự trang bị các hệ thống kích nâng và hệ thống chốt đƣợc điều khiển bằng điện mà chúng cho phép các chân đế di chuyển liên tục một cách độc lập.
Hế thống chốt khoá này hạn chế đáng kể sự trƣợt xảy ra trên các chân có bề mặt trơn nhẵn khi thiết bị ở chế độ nâng. Các thiết bị giàn khoan tự nâng đầu tiên đƣợc sử dụng khai thác dầu khí ở vùng Gulf của Mexico. Chúng đƣợc thiết kế để làm việc ở vùng nƣớc sâu khoảng 25 mét và là các sản phẩm đầu tiên của công ty Marathon Letourneau. Trong suốt những năm từ 1960 đến 1970 Marathon Letourneau là công ty độc quyền thiết kế các thiết bị giàn tự nâng.
Trong thời gian đó các giàn tự nâng đƣợc khai thác ở các vùng nƣớc nông lên cấu tạo của các chân đế thƣờng rất to, cồng kềnh và phức tạp. Cùng với nhu cầu sử dụng và khai thác năng lƣợng dầu ngày càng ra tăng, các thiết bị giàn tự nâng liên tục đƣợc cải tiến để khai thác ở các vùng nƣớc sâu hơn. Đã có nhiều công ty khác trong đó phải kể đến các công ty: Bethlehem, Friede and Goldman, Marine Structures Consultans và Mitsui.đã góp phần làm tăng khả năng làm việc của giàn tự nâng trong các vùng nƣớc sâu (Veldman and Layers 1997). Sự phát triển này đƣợc tiếp tục với các thiết bị có cấu tạo lớn hơn đƣợc sử dụng trong các vùng nƣớc sâu khoảng 120 mét với sự tác động khắc nghiệt của môi trƣờng biển bắc.
Ngày nay các thiết bị Học viên: Nguyễn Hữu Cường TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 12 Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học giàn khoan di động là một bộ phận quan trọng không thể thiếu đƣợc trong việc khai thác dầu khí và xây dựng các công trình trên biển. Vì vậy việc nghiên cứu, phân tích ứng xử của giàn khoan di động dƣới tác động khắc nghiệt của môi trƣờng có một ý nghĩa quan trọng trong thiết kế, gia cố và sửa chữa các thiết bị nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động cũng nhƣ giảm thiểu các rủi ro tai nạn. Tuy giàn tự nâng có nhiều dạng nhƣng về bản chất nó là một tổ hợp thiết bị lắp đặt trên một sàn công tác. Sàn công tác này có hai trạng thái: khi di chuyển nó là phao nổi, khi công tác nó đƣợc nâng lên trên các chân đế và làm việc nhƣ các giàn cố định.
Tất nhiên không thể vững chãi nhƣ các giàn cố định, nhƣng so với các giàn di động khác thì giàn tự nâng có độ ổn định cao hơn cả. Khi các chân giàn đƣợc hạ xuống nƣớc thì đồng thời phần thân giàn đƣợc nâng nên khỏi mặt nƣớc tạo nên một diện tích làm việc giống nhƣ giàn cố định. Sóng biển chỉ tác dụng vào chân – cột có kính thƣớc nhỏ và độ chắn sóng rất bé do đó giảm thiểu đƣợc tác động của sóng biển lên giàn. Hạn chế của giàn tự nâng là chỉ làm việc đƣợc trên các vùng biển không sâu lắm (độ sâu lớn nhất hiện nay mà giàn tự nâng có thể làm việc đƣợc là 180m).
Tuy nhiên nếu quan tâm đến việc khai thác tiềm năng biển ở các vùng nƣớc nông (<180m) thì giàn tự nâng là một dạng công trình không thể bỏ qua và cần thiết đƣợc tìm hiểu.2 Cấu tạo và chức năng của các bộ phận Cấu tạo một thiết bị giàn tự nâng gồm ba bộ phận chính: thân giàn, các chân và các chân đế, và thiết bị. Học viên: Nguyễn Hữu Cường TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học 1. Thân giàn Thân giàn là một công trình kín nƣớc có khả năng cung cấp nhà ở, thiết bị công tác, không gian làm việc… sao cho cho phép thiết bị giàn thực hiện các nhiệm vụ và chức năng của chúng. Khi di chuyển thân giàn làm nhiệm vụ phao nổi mang theo trọng lƣợng của các chân, các chân đế, thiết bị, và chịu tác động của các tải trọng thay đổi từ môi trƣờng nhƣ sóng, gió và dòng chảy.
Các thông số khác nhau của thân giàn ảnh hƣởng đến các chế độ làm việc khác nhau của thiết bị. Chúng đƣợc mô tả một cách sơ bộ nhƣ sau Nói chung, thân giàn càng lớn tức là chiều dài, bề rộng và chiều cao của thân giàn lớn sẽ cho phép giàn mang các tải trọng và khối lƣợng thiết bị càng lớn. Đặc biệt trong chế độ di chuyển (do sự ra tăng của không gian sàn và không gian phao nổi) Tƣơng tự nhƣ vậy, các thân giàn lớn hơn đem lại không gian máy móc và khoảng trống rộng hơn trên sàn chính để cất giữ các ống khoan, và cung cấp các không gian làm việc rộng lớn hơn. Thân giàn lớn có thể có khả năng mang tải trọng ban đầu lớn hơn do đó có thể cho phép ra tăng tính mềm trong các thao tác gia tải ban đầu.
Thân giàn lớn nói chung có khả năng chống lại cao hơn các ảnh hƣởng của các tải trọng gió, sóng và dòng chảy. Tuy nhiên các thân giàn lớn sẽ có khối lƣợng lớn do đó chúng yêu cầu các thiết bị nâng với các lực nâng và giữ lớn hơn. Khối lƣợng lớn này cũng ảnh hƣởng tới tuổi thọ tự nhiên của thiết bị trong chế độ nâng. Nói chung kích thƣớc của thân giàn có ảnh hƣởng rất lớn đến khả năng chịu tải và mức độ ổn định của thiết bị đặc biệt trong khi di chuyển.
Học viên: Nguyễn Hữu Cường TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học 1.2 Các chân và các chân đế Các chân và các chân đế của giàn tự nâng là các kết cấu làm bằng thép để chống đỡ thân giàn khi thiết bị ở chế độ nâng và cung cấp tính ổn định để chống lại các tải trọng bên. Việc sử dụng các chân đế là cần thiết để ra tăng vùng nền đỡ bằng cách đó giảm thiểu độ bền yêu cầu của nền. Việc tính toán thiết kế về cấu tạo và độ bền của các chân giàn sao cho chúng chịu đƣợc các tải trọng thiết kế và giảm thiểu ảnh hƣởng do tác động của môi trƣờng là một bài toán khó và đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Ngày nay các giàn tự nâng thƣờng có dạng 3 chân và các chân có cấu tạo dạng thanh giằng để tăng độ cứng, giảm khối lƣợng và giảm độ chắn sóng.
Các chân của giàn tự nâng có thể kéo dài tới 155m bên trên mặt nƣớc biển khi thiết bị ở trạng thái đƣợc kéo đi với các chân đƣợc rút lên hoàn toàn. Khi di chuyển trọng tâm khối lƣợng của thiết bị ở một độ cao nhất định cộng với sự tác động của tải trọng sóng gió của môi trƣờng nên thiết bị rất dễ mất ổn định. Với các thiết bị có cùng một kích thƣớc thân giàn và sức kéo, các thiết bị với các chân lớn hơn sẽ có độ ổn định nhỏ hơn khi di chuyển. Khi ở trong chế độ nâng, các chân của giàn chịu ảnh hƣởng của các tải trọng sóng, gió và dòng chảy.
Cƣờng độ và tỷ lệ của các tải trọng môi trƣờng này là hàm của chiều sâu mức nƣớc, khoảng hở không khí (khoảng cách từ mặt nƣớc tới thân giàn) và độ sâu của chân đế đâm xuyên vào đáy biển. Nói chung các chân và các chân đế càng to thì tải trọng sóng, gió, và dòng chảy tác dụng lên chúng càng lớn. Độ cứng của giàn sẽ giảm cùng với sự gia tăng của chiều sâu mực nƣớc, chính xác hơn là khoảng cách từ chân đế đến thân giàn. Hơn nữa Học viên: Nguyễn Hữu Cường TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 15 Luận văn thạc sĩ Viện Cơ học đối với các giàn làm việc ở vùng nƣớc sâu hơn ảnh hƣởng của biến dạng trƣợt đến độ cứng chống uốn là không đáng kể.
Độ cứng của chân giàn liên hệ trực tiếp với độ cứng của giàn trong chế độ nâng, do đó nó ảnh hƣởng đến dao động lắc ngang và tuổi thọ tự nhiên của thân giàn.3 Các thiết bị Có ba nhóm thiết bị chính trên một giàn tự nâng đó là: thiết bị tàu, thiết bị thực hiện nhiệm vụ của giàn và thiết bị nâng.