CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do lựa chọn đề tài Như chúng ta đã biết, các loại tàu chở dầu khí và nhà giàn hoạt động trong môi trường vô cùng khắc nghiệt như rung lắc do sóng biển, mưa bão, muối mặn cao, các sự cố do cháy nổ. Do vậy, để đảm bảo cho con người trên tàu hoạt động an toàn khai thác hiệu quả kinh tế ổn định cần phải có các hệ thống hỗ trợ cao. Đặc biệt là hệ thống cứu sinh trên các con tàu chở dầu khí và nhà giàn hình 1.
Nhà giàn DK1 đã trải qua nhiều thử thách và gặp phải những sự cố nghiêm trọng trong lịch sử hoạt động. Đáng chú ý, vào tháng 12 năm 1990, nhà giàn DK1/3 bị sập, làm hi sinh 3 chiến sỹ. Tiếp đó, vào tháng 12 năm 1996, nhà giàn DK1/6 cũng bị sập do ảnh hưởng của bão số 8, khiến 9 người hy sinh. Một lần nữa, vào tháng 12 năm 1998, nhà giàn DK1/10 bị sập dưới tác động của bão số 5, dẫn đến hy sinh của 1 người.
Như vậy, hệ thống nhà giàn DK1 đã bị sập 3 lần, làm 13 người hy sinh. Những sự cố này diễn ra trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt, phản ánh rõ ràng những nguy hiểm và thách thức mà các chiến sĩ và kỹ sư trên nhà giàn phải đối mặt. a) Nhà giàn DK1 b) Tàu chở dầu khí Hình 1. Hệ thống phóng xuồng cứu sinh Tuy nhiên hiện nay hệ thống cứu sinh trên tàu và nhà giàn trong đó có thiết bị “Hệ thống phóng xuồng cứu sinh” chúng ta vẫn chưa làm chủ được về công nghệ.
Đều phải nhập nguyên kiện từ nước ngoài về, chi phí nhập về khá cao. Đặc biệt đây là thiết bị hết sức quan trọng đối với hệ thống các nhà giàn trên biển. Thiết bị sẽ bảo vệ tính mạng cho các cán bộ chiến sỹ làm việc trên nhà giàn khi có sự cố bất ngờ xảy ra. Đặc biệt thiết bị xuồng cứu sinh hiện nay được lắp trên nhà giàn DK1 chưa phù hợp với đặc điểm kết cấu của nhà giàn.
Qúa trình sử dụng chưa đảm bảo an toàn. Dẫn tới tình trạng tuy trên nhà giàn DK1 có thiết bị xuồng cứu sinh nhưng cán bộ chiến sỹ trên nhà giàn không dám đưa người thật vào để khai thác sử dụng. Xuất phát từ thực trạng đó đề tài đi vào nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh. Để chỉ rõ kết cấu hiện tại của xuồng cứu sinh được lắp trên nhà giàn DK1 là chưa phù hợp.
Từ đó đề xuất phương án hợp lý hơn. 5 Mặt khác hiện nay, nền công nghiệp quốc phòng đang từng bước nghiên cứu tiến tới làm chủ công nghệ và tiến tới tự sản xuất được thiết bị phóng xuồng cứu sinh. Để sản xuất được thiết bị phóng xuồng cứu sinh bước ban đầu là nghiên cứu tổng quan về thiết bị. Trong đó có nội dung “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phóng xuồng cứu sinh bằng phương pháp mô phỏng” đóng vai trò quan trọng trong quá trình thiết kế.
Vì để thiết bị hoạt động hiệu quả phải đánh giá đầy đủ chính xác các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của thiết bị. Để từ đó tính toán tối ưu hóa thiết kế hệ thống phóng xuồng. Các nghiên cứu trong và ngoài nước Hiện tại ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào về mô phỏng quá trình phóng xuồng cứu sinh. Hầu hết các công trình đã thực hiện là từ nước ngoài.
Đã có một số thử nghiệm vật lý đối với việc hạ thủy xuồng cứu sinh trong suốt hai thập kỷ qua. Cung cấp nhiều dữ liệu thực nghiệm có giá trị tạo điều kiện thuận lợi cho việc thiết kế xuồng cứu sinh an toàn hơn (Kauczynski và các cộng sự [1]; Hwang và các cộng sự [2]). Trong dự án OLF, MARINTEK đã thực hiện một chương trình thử nghiệm mô hình rộng rãi (trên 25000 thử nghiệm) với 14 loại xuồng cứu sinh rơi tự do khác nhau (được phóng bằng phương pháp thả thẳng đứng hoặc từ đường trượt). Hiệu suất của thuyền đã được kiểm tra trong các điều kiện thời tiết khác nhau, từ nước tĩnh đến chiều cao sóng 11m (sóng và gió thông thường) hoặc 7m (chiều cao sóng đáng kể không đều với gió tương ứng).
Kết quả thử nghiệm mô hình nước lặng đã được so sánh với kết quả thử nghiệm toàn diện. Tài liệu về giới hạn hoạt động của xuồng cứu sinh DNV tiêu chuẩn (DNV, 2019) được ban hành. Ngoài ra, một số hiện tượng quan trọng cũng đã được quan sát thấy trong các thử nghiệm vật lý. Ví dụ, đã có báo cáo rằng có thể tìm thấy một số vết nứt và hư hỏng ở các bộ phận khác nhau của xuồng cứu sinh sau khi thử nghiệm (Hwang và các cộng sự [1].
Điều này đã được Tregde và các cộng sự [3] xác nhận thêm thông qua mô phỏng số. Mặc dù các cuộc thử nghiệm thực nghiệm có thể tái tạo chính xác quá trình vật lý thực tế của việc phóng xuồng cứu sinh. Nhưng rõ ràng là phương pháp này rất tốn kém và thiệt hại đối với xuồng cứu sinh là không thể khắc phục được. Quan trọng hơn, rất khó để đánh giá các phản ứng thủy động lực học (ví dụ như vận tốc và áp suất) của xuồng cứu sinh ở mọi nơi.
Vì vậy, việc sử dụng các công cụ số cho bài toán như vậy sẽ được ưu tiên hơn để tiết kiệm chi phí và cung cấp dữ liệu thủy động lực phong phú hơn về việc phóng xuồng cứu sinh. Là một phương pháp dựa trên lưới Euler, phương pháp Thể tích hữu hạn (FVM) đã được sử dụng rộng rãi để mô phỏng việc phóng xuồng cứu sinh và nhiều phát hiện quan trọng đã được báo cáo. Một công trình nghiên cứu đã được thực hiện bởi Tregde và các cộng sự [3]. Trong đó các tác động của khí nén lên áp suất va đập tác động lên 6 xuồng khi đi vào nước đã được nghiên cứu.
Người ta đã chứng minh rằng không thể bỏ qua khả năng nén của không khí khi mô phỏng sự xâm nhập của nước vào xuồng cứu sinh. Nếu không thì áp suất động và bất ngờ có thể bị đánh giá thấp ở mức độ lớn. Luofeng Huanga và các cộng sự [4] đã nghiên cứu phân tích CFD về quá trình vào nước của xuồng cứu sinh rơi tự do. Nghiên cứu đã thực hiện một loạt mô phỏng có hệ thống đã được thực hiện để nghiên cứu quá trình nước đi vào nước bị ảnh hưởng như thế nào bởi góc nghiêng và độ cao mà xuồng cứu sinh được thả.
Kết quả cho thấy góc thả cao hơn có thể làm giảm tác động của áp suất, nhưng góc thả cũng quyết định kiểu chuyển động của xuồng cứu sinh khi đi vào nước. Người ta đã chứng minh rằng góc thả tốt nhất là khoảng 70 độ đối với trường hợp đang nghiên cứu. Vì góc thả quá thấp hoặc quá cao sẽ khiến xuồng cứu sinh xuất hiện ở trạng thái không mong muốn sau khi hạ. Điều này cho thấy tầm quan trọng to lớn của việc đánh giá góc thả tối ưu cho mỗi lần phóng xuồng cứu sinh rơi tự do.2: Quá trình đi vào nước của xuồng cứu sinh được hạ ở độ cao H = 30 m nhưng có góc thả khác nhau; ảnh chụp nhanh từ trái sang phải được chụp ở thời điểm t = t0, t = t0 + 0,3 s, t = t0 + 1,2 s, t = t0 + 2,4 s.
[4] 7 Nghiên cứu ảnh hưởng của góc thả tới khả năng phóng rơi tự do của xuồng cứu sinh. Mục đích là để chọn góc hạ xuồng tối ưu giúp xuồng cứu sinh có trạng thái phù hợp sau khi hạ thủy, đồng thời giảm thiểu tác động của áp lực nước lên thân tàu. Để đạt được điều này, các mô phỏng đã được thực hiện với các góc rơi khác nhau nằm trong khoảng 𝜃 = 30 ° − 80 °. Các mô phỏng được ghi lại của θ = 30°, 50°, 70° và 80°.
Khi θ = 30°, xuồng cứu sinh chuyển động lên xuống sau khi chạm vào mặt nước. Xuồng cứu sinh không thể di chuyển đủ xa về phía trước so với vị trí nằm ngang ban đầu. Điều này gây ra nguy cơ xuồng cứu sinh có thể bị gió/sóng đẩy lùi và va chạm với tàu mẹ. Vì vậy, nên tránh góc rơi thấp như vậy.
Khi θ = 50°, xuồng cứu sinh di chuyển được khoảng cách xa hơn về phía trước và khoảng cách tăng lên khi tăng góc thả. Cho đến khi θ = 70°, xuồng cứu sinh có chuyển động lý tưởng sau khi hạ thủy với khoảng cách mong muốn về phía trước. Tuy nhiên, khi θ = 80°, xuồng cứu sinh lặn quá sâu xuống nước và việc nổi lên mặt nước bị cản trở. Trong tình huống này, do góc thả quá cao, nước đã tạo ra lực cản lớn cho xuồng cứu sinh, cản trở nhiệm vụ tiếp theo của nó.
Các cuộc điều tra sâu hơn đã được tiến hành trên xuồng cứu sinh được thả ở độ cao H = 10, 20 và 30 m, và với nhiều θ khác nhau. Có thể thấy rằng tồn tại một góc thả tối ưu để đạt được tốc độ về phía trước tối đa và góc tối ưu là khoảng 70 độ cho cả ba độ cao thả thử nghiệm (và tác động của áp suất nhìn chung ở mức thấp khi θ ≈ 70°). Khi H = 30 m và θ = 70°, xuồng cứu sinh có thể đạt tốc độ tiến 5,5 m/s sau khi vào trong nước. Đối với mẫu xuồng cứu sinh hiện nay có công suất 55 mã lực, tốc độ ban đầu 5,5 m/s có thể tiết kiệm khoảng 7 giây để tàu tăng tốc.
Khoảng thời gian như vậy có thể là vô giá trong các sự cố hàng hải, đặc biệt là đối với các vụ nổ. Một ví dụ khác tương ứng với Huang và các cộng sự [4] trong đó động lực đi vào nước của xuồng cứu sinh với các góc thả khác nhau đã được thảo luận chi tiết thông qua bộ giải FVM. Người ta đã chứng minh rằng tồn tại một góc thả tối ưu cho việc hạ rơi tự do của mỗi xuồng cứu sinh. Ngoài ra, do xuồng cứu sinh thường có kết cấu thành mỏng và hỗn hợp nên việc đánh giá chính xác các phản ứng của kết cấu cũng đóng vai trò quan trọng trong giai đoạn tiền thiết kế.
Để đạt được mục đích này, bộ giải FVM cũng đã được kết hợp với bộ giải Phần tử hữu hạn (FE) để đánh giá toàn diện mức độ an toàn của xuồng cứu sinh ( Brinchmann và các cộng sự [5].