Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp dầu khí, đặc biệt là công tác chế tạo và vận chuyển các cấu kiện siêu trường siêu trọng như cọc chân đế giàn khoan, việc đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận chuyển và hạ thủy đóng vai trò then chốt ảnh hưởng trực tiếp đến tiến độ và chi phí dự án. Dự án Biển Đông 1 với giàn PQP Hải Thạch có tổng khối lượng cọc chân đế lên đến khoảng 4.500 tấn cho 12 cọc, đòi hỏi hệ thống đồ gá vận chuyển và hạ thủy (LOSF) phải được thiết kế tối ưu, vừa đảm bảo an toàn vừa tiết kiệm chi phí. Luận văn tập trung vào thiết kế đồ gá phục vụ công tác chế tạo, vận chuyển và hạ thủy cọc chân đế giàn PQP HT, với mục tiêu chính là thay thế vật liệu mác cao bằng vật liệu mác thấp hơn nhằm giảm chi phí chế tạo mà vẫn đảm bảo độ bền và an toàn kết cấu.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm 12 cọc chân đế dài 135 m, đường kính 2,134 m, trọng lượng khoảng 400 tấn mỗi cọc, cùng hệ thống dầm hạ thủy bố trí trên sà lan vận chuyển POSH GIANT I. Nghiên cứu áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích kết cấu đồ gá trên phần mềm SAP 2014 và ANSYS Workbench, với tải trọng chính là khối lượng bản thân đồ gá và kiện hàng. Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả vận chuyển, hạ thủy trong dự án Biển Đông 1 mà còn có giá trị ứng dụng rộng rãi cho các dự án tương tự trong ngành xây lắp dầu khí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết tính toán vận chuyển trong công trình biển và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Lý thuyết vận chuyển tập trung vào phân tích chuyển động, gia tốc và tính ổn định của sà lan vận chuyển, sử dụng các mô hình chuyển động theo tiêu chuẩn Noble Denton với các thông số như góc lắc roll 20 độ, chu kỳ 10 giây, gia tốc heave 0.2g, và vận tốc gió thiết kế 20.8 m/s. Tính ổn định của sà lan được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển.

Phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ chủ đạo trong việc mô hình hóa và phân tích kết cấu đồ gá. Phương pháp này chia miền liên tục phức tạp thành các phần tử hữu hạn đơn giản (1D, 2D, 3D), áp dụng nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần để giải gần đúng các phương trình vi phân mô tả ứng suất, biến dạng và chuyển vị của kết cấu. Luận văn sử dụng các phần tử 3 chiều lăng trụ và tứ diện để mô hình hóa chi tiết kết cấu, đồng thời áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế như API RP2A, AISC-ASD89 để kiểm tra độ bền và an toàn.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: ứng suất và biến dạng trong vật liệu đàn hồi tuyến tính, nguyên lý cực tiểu hóa thế năng toàn phần, và các điều kiện biên trong mô hình phần tử hữu hạn. Ngoài ra, các tiêu chuẩn vật liệu như API 2W GR50, ASTM A36 và API 2W GR60 được áp dụng để xác định đặc tính cơ học của thép sử dụng trong đồ gá.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thiết kế chi tiết của cọc chân đế và hệ thống dầm hạ thủy, dữ liệu môi trường vận chuyển (gió, sóng, nhiệt độ), cùng các tiêu chuẩn kỹ thuật và tài liệu công nghệ liên quan. Mô hình hình học 3D được xây dựng bằng phần mềm Autocad 2010 dựa trên bản vẽ thiết kế chi tiết, sau đó nhập vào phần mềm SAP 2014 và ANSYS Workbench để phân tích kết cấu.

Phương pháp phân tích sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với cỡ mẫu gồm 12 cọc chân đế và 4 khung dầm hạ thủy cho mỗi cụm cọc. Phương pháp chọn mẫu là toàn bộ hệ thống đồ gá phục vụ cho dự án Biển Đông 1 nhằm đảm bảo tính đại diện và độ chính xác cao. Phân tích được thực hiện theo timeline nghiên cứu gồm: xây dựng mô hình, thiết lập điều kiện biên và tải trọng, giải bài toán trên phần mềm, đánh giá kết quả và điều chỉnh thiết kế.

Quá trình phân tích bao gồm: khai báo đặc tính vật liệu (A36, API 2W GR50, GR60), thiết lập mô hình phần tử hữu hạn, gán điều kiện biên và tải trọng (khối lượng bản thân, tải trọng gió), giải bài toán tĩnh và kiểm tra độ bền theo tiêu chuẩn AISC-ASD89. Kết quả được so sánh giữa hai phần mềm SAP và ANSYS để đánh giá độ tin cậy và hiệu quả phân tích.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thay đổi vật liệu: Việc thay thế vật liệu mác cao API 2W GR60 bằng vật liệu mác thấp hơn ASTM A36 cho hệ thống dầm hạ thủy giúp tiết kiệm chi phí chế tạo đáng kể, trong khi vẫn đảm bảo độ bền và an toàn kết cấu. Kết quả phân tích cho thấy ứng suất tối đa trên các chi tiết không vượt quá giới hạn cho phép, với hệ số an toàn đạt khoảng 1.2 - 1.5 tùy chi tiết.

  2. Phân tích ứng suất và chuyển vị: Mô hình FEM cho thấy các chi tiết gân tăng cứng đỡ ống cọc chịu ứng suất lớn nhất, với ứng suất tương đương đạt khoảng 250 MPa, thấp hơn giới hạn chảy của vật liệu. Chuyển vị lớn nhất của hệ thống dầm hạ thủy dưới tải trọng bản thân và kiện hàng là khoảng 15 mm, nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế.

  3. So sánh phần mềm SAP và ANSYS: Kết quả phân tích từ SAP 2014 và ANSYS Workbench tương đồng với sai số dưới 5% về ứng suất và chuyển vị, chứng tỏ tính chính xác và tin cậy của hai công cụ phân tích. ANSYS cung cấp khả năng phân tích chi tiết hơn ở các chi tiết phi tiêu chuẩn và các vùng tập trung ứng suất.

  4. Điều chỉnh thiết kế: Qua hai lần điều chỉnh mô hình thiết kế, các chi tiết có dấu hiệu biến dạng lớn được gia cố hoặc thay đổi tiết diện, giúp tăng hệ số an toàn lên trên 1.5 và giảm chuyển vị tối đa xuống dưới 10 mm, đảm bảo an toàn trong vận chuyển và hạ thủy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các ứng suất tập trung và biến dạng lớn là do thiết kế ban đầu sử dụng vật liệu mác cao nhưng chưa tối ưu về hình học chi tiết, đặc biệt là các gân tăng cứng. Việc thay đổi vật liệu sang mác thấp hơn kết hợp với điều chỉnh thiết kế tiết diện đã khắc phục được nhược điểm này, đồng thời giảm chi phí chế tạo khoảng 15-20%.

So với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này phù hợp với xu hướng tối ưu hóa vật liệu và thiết kế đồ gá nhằm giảm chi phí mà vẫn đảm bảo an toàn. Việc sử dụng phần mềm FEM hiện đại như ANSYS giúp phát hiện sớm các điểm yếu trong thiết kế, từ đó đưa ra các giải pháp cải tiến hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh ứng suất tối đa và chuyển vị giữa các phương án thiết kế, bảng thống kê hệ số an toàn từng chi tiết, và hình ảnh mô phỏng biến dạng kết cấu trên phần mềm ANSYS để minh họa trực quan.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng vật liệu mác thấp hơn cho đồ gá: Khuyến nghị sử dụng thép ASTM A36 thay thế cho các chi tiết không chịu tải trọng cao nhất trong hệ thống dầm hạ thủy, nhằm giảm chi phí chế tạo khoảng 15-20% mà vẫn đảm bảo an toàn. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng kỹ thuật và nhà thầu chế tạo phối hợp.

  2. Tối ưu thiết kế chi tiết gân tăng cứng: Thiết kế lại các chi tiết gân tăng cứng đỡ ống cọc để giảm ứng suất tập trung và biến dạng lớn, tăng hệ số an toàn lên trên 1.5. Thời gian hoàn thành trong 3 tháng, do bộ phận thiết kế kết cấu đảm nhiệm.

  3. Sử dụng phần mềm FEM trong kiểm tra thiết kế: Áp dụng thường xuyên phần mềm SAP và ANSYS Workbench để phân tích và kiểm tra các thiết kế đồ gá trước khi chế tạo, giúp phát hiện sớm các điểm yếu và điều chỉnh kịp thời. Đề xuất đào tạo kỹ sư trong 2 tháng để nâng cao năng lực sử dụng phần mềm.

  4. Kiểm tra không phá hủy (NDT) sau chế tạo: Thực hiện kiểm tra NDT cho các chi tiết đồ gá sau khi chế tạo để đảm bảo chất lượng vật liệu và kết cấu, giảm thiểu rủi ro trong vận chuyển và hạ thủy. Thời gian thực hiện song song với công tác chế tạo, do phòng kỹ thuật và nhà thầu phối hợp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu trong ngành dầu khí: Luận văn cung cấp phương pháp thiết kế và phân tích đồ gá vận chuyển, hạ thủy cọc chân đế, giúp kỹ sư tối ưu hóa thiết kế, tiết kiệm chi phí và nâng cao an toàn.

  2. Nhà thầu chế tạo và vận chuyển công trình biển: Thông tin chi tiết về vật liệu, mô hình tính toán và quy trình kiểm tra giúp nhà thầu cải tiến quy trình chế tạo, vận chuyển và hạ thủy các cấu kiện siêu trường siêu trọng.

  3. Chuyên gia quản lý dự án xây lắp dầu khí: Luận văn cung cấp dữ liệu và phân tích giúp quản lý dự án đánh giá rủi ro, lập kế hoạch vận chuyển và hạ thủy hiệu quả, đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

  4. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí, xây dựng công trình biển: Tài liệu nghiên cứu thực tế kết hợp lý thuyết phần tử hữu hạn và tiêu chuẩn thiết kế giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và kỹ năng ứng dụng phần mềm phân tích kết cấu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là gì và tại sao được sử dụng trong nghiên cứu này?
    FEM là phương pháp số để giải các bài toán cơ học phức tạp bằng cách chia nhỏ kết cấu thành các phần tử hữu hạn. Nó giúp mô phỏng chính xác ứng suất, biến dạng và chuyển vị của đồ gá, từ đó tối ưu thiết kế và đảm bảo an toàn.

  2. Việc thay đổi vật liệu từ mác cao sang mác thấp có ảnh hưởng gì đến an toàn kết cấu?
    Kết quả phân tích cho thấy vật liệu mác thấp vẫn đáp ứng được yêu cầu chịu lực với hệ số an toàn từ 1.2 đến 1.5, đảm bảo an toàn trong vận chuyển và hạ thủy, đồng thời giảm chi phí chế tạo đáng kể.

  3. Tại sao cần sử dụng hai phần mềm SAP và ANSYS để phân tích?
    SAP phù hợp với phân tích kết cấu khung tổng thể, trong khi ANSYS cung cấp phân tích chi tiết hơn ở các chi tiết phức tạp và phi tiêu chuẩn. Việc sử dụng cả hai giúp kiểm chứng kết quả và nâng cao độ tin cậy.

  4. Các tiêu chuẩn nào được áp dụng trong thiết kế và kiểm tra đồ gá?
    Luận văn áp dụng các tiêu chuẩn quốc tế như API RP2A (thiết kế giàn khoan cố định), AISC-ASD89 (thiết kế thép kết cấu), cùng các tiêu chuẩn vật liệu API 2W GR50, ASTM A36 để đảm bảo chất lượng và an toàn.

  5. Làm thế nào để kiểm tra chất lượng đồ gá sau khi chế tạo?
    Kiểm tra không phá hủy (NDT) được thực hiện để phát hiện các khuyết tật vật liệu và hàn, đảm bảo đồ gá đạt yêu cầu kỹ thuật trước khi vận chuyển và hạ thủy, giảm thiểu rủi ro trong quá trình sử dụng.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và phân tích thành công hệ thống đồ gá phục vụ chế tạo, vận chuyển và hạ thủy cọc chân đế giàn PQP HT, với trọng lượng mỗi cọc khoảng 400 tấn, chiều dài 135 m.
  • Việc thay đổi vật liệu từ mác cao sang mác thấp giúp tiết kiệm chi phí chế tạo khoảng 15-20% mà vẫn đảm bảo an toàn kết cấu với hệ số an toàn trên 1.2.
  • Phân tích bằng phần mềm SAP và ANSYS Workbench cho kết quả tương đồng, chứng minh tính chính xác và hiệu quả của phương pháp phần tử hữu hạn trong thiết kế kết cấu.
  • Các chi tiết có dấu hiệu biến dạng được điều chỉnh thiết kế, gia cố nhằm nâng cao độ bền và giảm chuyển vị tối đa xuống dưới 10 mm.
  • Đề xuất áp dụng rộng rãi kết quả nghiên cứu cho các dự án tương tự trong ngành dầu khí, đồng thời khuyến nghị đào tạo kỹ sư sử dụng phần mềm FEM và thực hiện kiểm tra NDT sau chế tạo để đảm bảo chất lượng.

Tiếp theo, các đơn vị liên quan nên triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong vòng 6-12 tháng, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về tối ưu thiết kế đồ gá và ứng dụng công nghệ mới trong vận chuyển công trình biển. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, quý độc giả vui lòng liên hệ với tác giả hoặc khoa Cơ khí, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.