Bài giảng môn học:

Công trình biển mềm và Phương tiện nổi

Người soạn: TS Phạm Hiền Hậu

Viện XD Công Trình Biển, ĐHXD

---------------- Hà nội Tháng 05-2014 --------

2

MỤC LỤC

Chương 1: MỞ ĐẦU

1. Quá trình chinh phục độ sâu nước dể thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi

2. Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam

2.1. Tình Hình khai thác dầu khí biển trên thế giới hiện nay

2.2. Nhu cầu đẩy mạnh khai thác dầu khí biển ở Việt Nam

3. Sự phát triển các loại công trình biển phục vụ khai thác dầu khí vùng nước sâu

3.1. Phân loại độ sâu nước theo yêu cầu xây dựng công trình biển

3.2. Phân loại công trình biển

3.3. Thành tựu các công trình biển nước sâu trên thế giới đến năm 2010

3.3.1. Các loại CTB nước sâu

3.3.2. Phân phối số lượng các CTB mềm theo thời gian

3.3.3. Phân phối số lượng các CTB mềm theo vùng biển

4. Đặc điểm chung của các công trình biển mềm và phương tiện nổi

4.1. Đặc điểm các công trình biển nổi

4.2. Đặc điểm các phương tiện nổi

5. Phạm vi và nội dung nghiên cứu các công trình biển mềm và phương tiện nổi

6. Phần thực hành

Tài liệu tham khảo (Chương 1)

CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM 1. Khái niệm

1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm 1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển

1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm 1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm

2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm 2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo 2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo 2.1.2. Các loại dây neo 2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình

3

2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình 2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía 3. Tác động của môi trường 3.1. Các điều kiện môi trường 3.2. Tải trọng gió 3.3. Tải trọng dòng chảy 3.4. Tải trọng sóng (lực giạt trung bình, tải trọng động của chuyện động sóng) 4. Tính toán gần đúng hệ thống dây neo chịu tải trọng tĩnh của môi trường 4.1. Đặt bài toán 4.2. Tính toán dây neo một phía 4.3. Tính toán dây neo 2 phía 4.4. Tính toán dây neo nhiều phía 4.5. Hệ số an toàn khi thiết kế hệ thống dây neo công trình biển bán chìm 5. Tính toán gần đúng công trình bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng 5.1. Mở đầu 5.2. Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ 5.3. Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng 5.4. Phản ứng động gần đúng của bài toán động 5.5- Tính toán gần đúng bài toán ĐLH công trình nổi có neo giữ 6. Kiểm tra độ bền của hệ thống dây neo công trình biển bán chìm

CHƯƠNG 3: BỂ CHỨA NỔI

(Floating Production, Storage and Offloading Systems – FPSOs) 1. Mở đầu

1.1. Khái niệm cơ bản về bể chứa nổi 1.2. Phân loại bể chứa nổi theo chức năng

2. Liên kết neo bể chứa nổi 2.1. Các loại neo bể chứa nổi 2.2. Neo tại 1 điểm (Single Point Mooring – SPM):

+ Nguyên lý neo tại 1 điểm + Cấu tạo các loại neo 1 điểm: CALM, Turret, SALM, ALP + Nhận xét

3. Các vấn đề chủ yếu trong tính toán thiết kế hệ thống bể chứa nổi FPSO neo tại 1 điểm 4. Tác động của các yếu tố môi trường lên hệ thống FPSO 4.1. Khái niệm về tác động của các yếu tố môi trường 4.2. Lực thuỷ động của sóng tần số thấp

4

4.3. Tải trọng sóng 4.4. Tải trọng gió 4.5. Tải trọng dòng chảy 4.6. Nhận xét 5. Phản ứng của FPSO chịu tác động của môi trường (chủ yếu theo mô hình tiền định) 5.1. Phản ứng tựa tĩnh 5.2. Phản ứng tựa động 5.3. Phản ứng động 5.4. Nhận xét 6. Bài toán kiểm tra hệ thống dây neo FPSO (mô hình tiền định) 6.1. Khái niệm 6.2. Kiểm tra bền của dây neo (theo Tiêu chuẩn API) 6.3. Kiểm tra mỏi của dây neo (theo Tiêu chuẩn API) 6.4. Giới thiệu phần mềm Hydrotar và Ariane (BV) 7. Kết luận Tài liệu tham khảo (Chương 3)

CHƯƠNG 4: CÔNG TRÌNH BIỂN NEO ĐỨNG

(Tension Leg Platforms – TLPs) 1. Mở đầu 1.1. Nhược điểm của CTB bán chìm và sự ra đời của CTB neo đứng 1.2. Cấu tạo và phân loại CTB neo đứng (Conventional TLP, New Generation TLP – Mini-TLP, TLWP) 1.3. Các thành tựu phát triển TLP 1.4. Đặc điểm chủ yếu của CTB neo đứng 1.5. Các vấn đề chủ yếu trong tính toán thiết kế CTB neo đứng và phạm vi của bài giảng 2. Nguyên lý thiết kế CTB TLP dựa trên Tiêu chuẩn API RP 2T 2.1. Quá trình thiết kế dạng vòng xoắn 2.2. Lưu đồ thiết kế sơ bộ và thiết kế chi tiết 2.3. Lưu đồ thiết kế thi công 2.4. Giới thiệu API RP 2T 3. Tải trọng tác động lên CTB neo đứng 3.1. Phân loại tải trọng tác động lên CTB neo đứng 3.2. Các loại tần số của tải trọng môi trường

5

3.3. Tải trọng gió 3.4. Tải trọng dòng chảy 3.5. Tải trọng sóng 4. Các bài toán xác định phản ứng và kiểm tra kết cấu CTB neo đứng 4.1. Sơ đồ tính và giả thiết 4.2. Phương trình cơ bản của bài toán động lực học kết cấu CTB neo đứng 4.3. Phương pháp đơn giản tính động lực học tiền định kết cấu CTB neo đứng 4.4. Tính toán và thiết kế dây neo đứng 4.5. Nguyên tắc tổ chức thi công công trình biển neo đứng điển hình 5. Kết luận Tài liệu tham khảo (Chương 4)

CHƯƠNG 5: Ph­¬ng tiÖn næi vµ ho¹t ®éng hµng h¶i 1. Më ®Çu

1.1. Ph©n lo¹i c¸c ph­¬ng tiÖn næi ho¹t ®éng trªn biÓn

1.2. C¸c ®Æc tr­ng c¬ b¶n cña PTN

1.3. Nh÷ng bµi to¸n vµ c¸c yªu cÇu c¬ b¶n trong thiÕt kÕ PTN

2. TÜnh lùc häc ph­¬ng tiÖn næi

2.1. TÝnh næi cña PTN

2.2. TÝnh æn ®Þnh

2.3. TÝnh chèng ch×m

3. Lùc c¶n PTN

3.1. Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n

3.2. Lùc c¶n PTN

4. §éng lùc häc PTN

5. Ho¹t ®éng h»ng h¶i

5.1. C¸c yªu cÇu cña ho¹t ®éng h»ng h¶i

5.2. C¸c thiÕt bÞ, tÝn hiÖu trong ho¹t ®éng hµng h¶i

5.3. C¸c c«ng tr×nh x©y dùng phôc vô ®¶m b¶o hµng h¶i.

6

Chương 1: MỞ ĐẦU

1. Quá trình chinh phục độ sâu nước dể thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi

Việc khai thác dầu khí ở ngoài biển trên thế giới được đánh dấu bởi công trình biển cố định đầu tiên xây dựng ở độ sâu nước 5m để khai thác một mỏ trên đất liền mở rộng ra vùng nước nông ven bờ ở Lousiana, Mỹ (thuộc Vịnh Mexico), cuối thập kỷ 40 thế kỷ 20. Tiếp theo đó, trong nửa sau của thế kỷ 20, loại công trình biển cố định (CTBCĐ) bằng thép kiểu jacket - móng cọc (và một số ít bằng CTBCĐ bằng bê tông, móng trọng lực) đã được phát triển mạnh để khai thác các mỏ ở độ sâu trong phạm vi từ 300 - 400 m. CTBCĐ đã xây dựng ở độ sâu nước lớn nhất, 412m (1353 ft) là dàn Bullwinkle (Vịnh Mexico, Mỹ), năm 1991. Nhu cầu năng lượng của thế giới ngày càng lớn đã thúc đẩy việc thăm dò và khai thác các mỏ ở các độ sâu nước ngày càng tăng. Trên Hình 1.1 biểu diễn quá trình chinh phục độ sâu nước để khai thác dầu khí cho tới năm 2004. Đồ thị cho thấy độ sâu nước tăng vọt bắt đầu từ năm 1984 cho đến năm 1994 đạt tới độ sâu nước 1000m, sau đó lại đánh dấu một bước mới tăng nhanh hơn, dạt tới 2000m ở năm 2000 (Offshore Magazine, 8/1998).

Hình 1.1: Quá trình chinh phục độ sâu nước để khai thác dầu khí.

7

Hình 1.2 biểu diễn chi tiết hơn quá trình chinh phục độ sâu nước: các hoạt động thăm dò (đường ở trên) đi trước các hoạt động khai thác dầu khí (đường phía dưới). Từ năm 1975 hoạt động thăm dò khởi đầu bước nhảy vọt từ độ sâu nước 600m, tới năm 1980 đạt 1500m , và 18 năm sau (năm 1998) khai thác mới đạt tới độ sâu 1500m Thăm dò đã đạt tới 2300m trong những năm từ 1987 – 1998, và tiếp tục thăm dò ra sâu tới trên 3047,9m ở những năm 2003 - 2010. Tuy nhiên, đến thập kỷ 90, thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20 và những năm thập kỷ đầu của thế kỷ 21, trước cuộc khủng hoảng về năng lượng dầu khí, việc khai thác các mỏ nước sâu đã có bước nhảy vọt, đã rút ngắn khoảng thời gian giữa thăm dò và khai thác chỉ còn khoảng 10 năm; Việc khai thác đã đạt tới độ sâu trên 1800m ở năm 2000, và khai thác bằng các giàn nổi đã đạt tới độ sâu trên 2438m ở những năm 2008-2010, tới độ sâu gần 3.000m nếu sử dụng công nghệ đầu giếng ngầm (Offshore Magazine, 5/2010).

Hình 1.2: Quá trình chinh phục độ sâu nước để thăm dò và khai thác dầu khí.

Cũng trong thập kỷ cuối của thế kỷ 20, ngành công nghiệp dầu khí thế giới tập trung phát triển kỹ thuật nước sâu và cực sâu, kèm theo là nhiều Công ty Dầu khí chuyên về kỹ thuật nước sâu ra đời và không ngừng mở rộng các hoạt động cho tới ngày nay, có những Công ty lớn như Mustang Engineering, Petrobras (BR), ConocoPhillips, Chevron, Total, Technip, Total, Unocal,...Điển Hình là Tập Đoàn “DeepStar” chuyên về công nghệ nước sâu đã thành lập từ 1992 đến nay, đã liên danh được 56 Đơn vị Thành viên, Hình 1.3 [5].

8

Hình 1.3b: Các Đơn vị Thành viên của Tập Đoàn “DeepStar”

9

2. Trữ lượng và nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu trên thế giới và ở Việt Nam 2.1. Tình Hình khai thác dầu khí biển trên thế giới hiện nay

Trữ lượng dầu thế giới hiện nay có khoảng 140 tỷ tấn dầu, 135 nghìn tỷ m3 khí và trữ lượng này phân bố không đều ở các khu vực khác nhau trên thế giới cụ thể như sau:

- Khu vực Trung Đông : 50 %

- Khu vực Bắc và Nam Mỹ : 25 %

- Khu vực Châu Âu : 13 %

- Khu vực Châu Phi : 6.5 %

- Khu vực Châu Á : 5.5 %

Sản lượng khai thác dầu khí của toàn thế giới là 3260 triệu tấn/năm và phân bố thành 8 khu vực như sau:

- Khu vực Bắc Mỹ chiếm : 15.3 %

- Khu vực Trung Mỹ chiếm : 4.5 %

- Khu vực Châu Mỹ La Tinh chiếm : 3.1 %

- Khu vực Tây Âu chiếm : 9.08 %

- Khu vực Đông Âu và Liên Xô cũ chiếm : 11 %

- Khu vực Châu Phi chiếm : 10.4 %

- Khu vực Trung Đông chiếm : 30 %

- Khu vực Viễn Đông chiếm : 11 %

Như vậy thấy rằng trên thế giới thì Trung Đông và Bắc Mỹ là những khu vực có sản lượng khai thác dầu khí lớn nhất thế giới, trong đó có Mỹ với sản lượng khai thác là 389 triệu tấn dầu mỗi năm chiếm 11.9% sản lượng dầu thế giới.

Bức tranh toàn cảnh các vùng đang khai thác dầu khí biển sâu trên thế giới được thấy trên Hình 1.4 dưới đây, trong đó các nước đang khai thác và có tiềm năng dầu khí biển sâu điển Hình là ở các khu vực Vịnh Mexico (GoM), Tây Phi, Brazil và đặc biệt gần đây là ở khu vực Đông Nam Á.

Hình 1.4 : Bức tranh tổng thể khai thác các mỏ nước sâu trên thế giới (Offshore, 2004).

Các nước Khu vực ASEAN (Brunei, Campuchia, Trung Quốc, Indonesia, Malaysia, Thái Lan, Myanmar, Philippines và Việt Nam), trong năm 2005 đã thực hiện 237 thăm dò và đánh giá (trong đó VN-14, Inđô – 61- nhiều nhất), với 20 giếng có độ sâu nước trên 300 m, với nhận xét rất lạc quan về tiềm năng vùng nước sâu ở khu vực; Malaysia đã triển khai dự án nước cực sâu đầu tiên ở độ sâu nước từ 1305 - 1876 m. Tháng 1/2007 vừa qua tại Kuala Lumpur (Malaysia) đã có Hội nghị Khoa học Offshore Asia về “Kỹ thuật và công nghệ các Công trình biển ở vùng nước sâu Châu Á” để đáp ứng nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu ở Khu vực. Indonesia đang khai thác các mỏ ở vùng nước sâu và cực sâu Makassar Strait rất hiệu quả với các CTB nổi, như dàn neo đứngTLP tại mỏ West Seno ở độ sâu nước 3350 ft. Ấn Độ với diện tích TLĐ 3,14 triệu km2, mới thăm dò và khai thác 18% diện tích TLĐ, còn bỏ trống 82% là vùng nước sâu, Chính phủ đang mở rộng đầu tư của nước ngoài để khai thác vùng nước sâu.

2.2. Nhu cầu đẩy mạnh khai thác dầu khí biển ở Việt Nam Dầu và khí được khai thác ở Việt Nam từ 1986 đến nay, đã đóng góp rất quan

trọng vào GDP hàng năm cho quốc gia. Tổng sản lượng dầu và khí ước tính trên 200 triệu tấn dầu khô và hơn 30 tỷ m3 khí với giá trị trên 40 tỷ USD (Hình 1.5).

Hình 1.5 : Tình Hình khai thác dầu khí từ 1989- 2010 ở Việt nam

[Ghi chú: ( Nguồn PetroVietnam): màu đỏ - sản lượng khí (Đơn vị : tỷ feet khối); màu xanh - sản lượng dầu (Đơn vị : triệu thùng) ; 1feet khối ~ 0, 01 m3 ; 1 thùng ~ 0,14 tấn Gas BCF – Gas Billion Cubic Feet ; Oil MMbbls = Oil Million barrels ]

12

Tổng sản lượng dầu qui đổi của năm 2010:

Trong chiến lược biển của Nhà nước tới năm 2020, Nhiệm vụ của ngành Dầu khí Việt Nam trong giai đoạn mới là “Đẩy mạnh tìm kiếm thăm dò, gia tăng trữ lượng có thể khai thác, ưu tiên phát triển những vùng biển nước sâu, xa bờ. Phấn đấu khai thác 25 - 35 Triệu tấn quy dầu / năm” [6]. Tiềm năng dầu khí ở vùng biển VN [8]: Việt Nam - nước sản xuất dầu lớn đứng thứ 3 trong khối các nước Đông Nam Châu Á. Nguồn trữ lượng dầu khí chủ yếu trên thềm lục địa VN, điển Hình là 7 Bể trầm tích gồm Sông Hồng, Phú Khánh, Cửu Long, Nam Côn Sơn, Malay-Thổ Chu, Hoàng Sa và Trường Sa (Hình 1.6).

Các số liệu nghiên cứu mới đây tại 3 Bể trầm tích dầu khí cho kết quả như sau: + Bể Phú Khánh: Diện tích 95.000 km2, Độ sâu nước từ trên 200m đến trên 1000m, xa hơn nữa lên tới 2500m, trữ lượng: 509 triệu tấn dầu quy đổi; + Bể Tư Chính - Vũng Mây & Tây Nam QĐ. TSa: Diện tích 93.000 km2 Độ sâu nước từ 200m trở lên, Trữ lượng: 750 triệu tấn dầu quy đổi; + Khu vực thềm lục địa Tây Nam & vùng chồng lấn: Diện tích 90.000 km2, là vùng nước nông (độ sâu dưới 100 m), Trữ lượng 394 triệu tấn dầu quy đổi.

Hình 1.6: Hình ảnh các bể trầm tích dầu khí trên thềm lục địa VN [Ghi chú Hình 1.6( Nguồn PetroVietnam): Tiềm năng trữ lượng các bể trầm tích – 8,5 tỷ thùng dầu và 100 nghìn tỷ feet khối; trong đó đánh giá trữ lượng khai thác khoảng 4 tỷ

dầu (MMbbls)

dầu (T)

dầu (tr T)

khí (tỷ ft³)

khí (tỷ m³)

khí (tỷ m³) = oil (tr T)

dầu+ khí qui đổi (tr T)

127 17780000 17,78 370 3,7 3,7 21,48

13

thùng dầu và 23 nghìn tỷ feet khí; Đánh giá sản lượng khai thác khoảng 400 nghìn thùng dầu/ngày, và 600 triệu feet khối khí /ngày; Tổng sản lượng thu hồi khoảng trên 200 triệu tấn dầu và trên 20 tỷ m3 khí. Gas TCF = Gas Trillion cubic feet = nghìn tỷ ft3; Gas cfd = Gas ft3 per day].

Triển vọng khai thác các mỏ dầu khí nước sâu ở vùng biển VN Hiện nay Việt Nam mới đang tiến hành khai thác dầu khí đang ở các mỏ ở vùng

nước có độ sâu tới 110m, gồm các bể: Cửu Long - trên dưới 50 m; vùng chồng lấn VN-Malaysia - độ sâu dưới 50 m; Nam Côn Sơn - độ sâu từ 80 m đến 110 m.

Gần đây, một số mỏ đã được phát hiện ở độ sâu tới 150 m và 200 m, cho hứa hẹn khả quan về khả năng khai thác hiệu quả.

Nhiệm vụ cấp bách hiện nay được đặt ra cho chúng ta là: Phải tiếp cận nhanh chóng các kỹ thuật và công nghệ thiết kế- xây dựng các công trình biển ở độ sâu nước 200 m và lớn hơn để đáp ứng nhu cầu khai thác tài nguyên dầu khí nước sâu trên TLĐ.VN. 3. Sự phát triển các loại công trình biển phục vụ khai thác dầu khí vùng nước sâu 3.1. Phân loại độ sâu nước theo yêu cầu xây dựng công trình biển Hiện nay thế giới sử dụng “Phân loại độ sâu nước” theo Định nghĩa của Cơ quan quản ly khoáng sản thuộc Bộ Nội vụ Mỹ (US MMS - The Minerals Management Service) áp dụng cho vùng Vịnh Mexico (GOM), cụ thể như sau [2]:

1) Vùng nước nông (Shallow Water): từ 0 - 1000 ft (304,8 m) 2) Vùng nước sâu (Deep Water): từ 1000 ft - 5000 ft (1523,9 m) 3) Vùng nước cực sâu (Ultra-Deep Water): từ 5000 ft - 10 000 ft (3047,9 m).

Trên thế giới hiện nay, phần lớn sử dụng cách phân chia các vùng nước theo cách phân loại này. Tuy nhiên, việc phân chia vùng nước còn phụ thuộc vào thực tế khai thác dầu khí ở vùng biển của từng nước. Như ở Việt Nam, hiện nay đang phấn đấu thăm dò và khai thác các mỏ ở vùng nước sâu tới 200m.

3.2. Phân loại công trình biển Công trình biển có thể chia làm 2 loại chính, theo Buslov & Karsan, 1985, [1]), và được sử dụng rộng rãi hiện nay [2], như trình bày trên Hình 7: (1) Công trình biển cố định: gồm loại móng cọc và móng trọng lực, và

14

(2) Công trình biển mềm: gồm công trình dạng trụ mềm và các công trình dạng kết cấu nổi có neo.

Loại công trình biển cố định chủ yếu sử dụng cho “vùng nước nông”, vì khi ra nước sâu, trọng lượng kết cấu tăng nhanh kéo theo tăng nhanh giá thành CTB. Mặt khác, về thi công sẽ gặp trở ngại như phải dùng cẩu rất lớn (Jacket Bullwinkle, 412m, ở vùng nước sâu, nặng 70 000 tấn, kể cả cọc), hoặc phải chia jacket thành một số khối nhỏ và dựng lắp tại mỏ. Đối với “vùng nước sâu đến cực sâu”, có độ sâu nước trên 400 m, các loại công trình biển mềm được chế tạo thay thế cho các CTBCĐ, đó là CTB dạng trụ mềm, công trình bán chìm, công trình neo đứng TLP, và các loại bể chứa kiểu SPAR, FPSO. Trên Hình 1.8 cho thấy mối quan hệ giữa độ sâu nước và giá thành công trình, cho phép lựa chọn loại kết cấu thích hợp khi ra vùng nước sâu.

Hình 1.7: Phân loại công trình biển

Tµu chøa dÇu, tµu biÓn cã neo

c¸c lo¹i c«ng tr×nh biÓn(Classes of Offshore Platforms)

(Fixed Structures)ctb cè ®Þnh ctb mÒm

(Compliant Structures)

mãng cäc(Piled)

mãng träng lùC(Gravity)

d¹ng trô(Towers) (Moored Floating Units)

d¹ng kÕt cÊu næi cã neo

(neo ®øng)CT ''TLP''(neo xiªn)

CT b¸n ch×m Mãng cäcCã g¾n phao

(FPSO/moored vessels)(Semi-Submersible)

15

Hình 1.8: So sánh tương đối về giá thành các loại CTB khi tăng độ sâu nước,

gồm CTB cố định - Trụ mềm - TLP (A.Bernard, GEP, France, 1997).

3.3. Thành tựu các công trình biển nước sâu trên thế giới đến năm 2010 3.3.1. Các loại CTB nước sâu

Các loại CTB được sử dụng cho vùng nước sâu trên thế giới hiện nay, bao gồm:

1) CTB cố định (lớn nhất là 412 m)

2) Trụ mềm (lớn nhất là 531m)

3) TLP thế hệ mới (mini-TLP)

4) TLP truyền thống

5) Bán chìm (Semi-FPUs)

6) Trụ nổi kết cấu giàn (Truss Spar)

7) Trụ nổi cổ điển (Classic Spar)

8) Trụ nổi đa thân (Cell Spar)

9) Bể chứa nổi (hoán cải từ tàu biển, đóng mới, phi truyền thống)

10) Phao điều khiển và thiết bị đầu giếng ngầm liên kết với bể chứa nổi

Theo phân loại các CTB (Hình 1.5), các CTB2 đến CTB 9 đều thuộc loại CTB mềm, trong đó các CTB 3 – CTB9 được sử dụng cho các vùng nước sâu và cực sâu (từ 5000 feet /1.523,9m đến 10 000 feet/3047,9 m).

16

Hình 1.9 dưới đây giới thiệu các loại công trình biển nêu trên cho vùng nước sâu [2].

Hình 1.9a: Các loại công trình biển vùng nước sâu

17

Hình 1.9b: Các loại công trình biển vùng nước sâu

Hình 1.10 dưới đây giới thiệu các loại CTB và thiết bị ngầm kết hợp với CTB, để khai thác Dầu khí cho độ sâu nước tương ứng (nông - sâu - cực sâu), số liệu thống kê tới tháng 3/2010 [2].

Hình 1.10: Thành tựu các loại công trình biển ở các vùng nước khác nhau

Trong đó, các loại CTB chủ yếu & Thiết bị sử dụng cho các vùng nước sâu, gồm: (1) CTB cố định truyền thống (Conventional Fixed Deepwater Platforms): Ở

vùng nước nông và nước sâu tới 1650 ft, thực tế mới ở độ sâu 1350 ft (412 m) (Hình 1.11)

18

Hình 1.11: Một số công trình biển cố định truyền thống xây dựng ở vùng nước sâu

(2) CTB trụ mềm (Compliant/Guyed Towers): Có 3 kiểu trụ mềm (Compliant Tower - CT; Compliant Piled Tower - CPT; Compliant Guyed Tower - CGT), được sử dụng ở độ sâu từ 1000 ft - 3000 ft. Trên thế giới hiện có 4 CTB loại Trụ mềm, ở độ sâu nước từ 1000 ft (304,8m-GoM) đến 1754 ft (534,6 m-GoM). Giàn ChevronTexaco’s Petronius xây dựng vào năm 1998 ở độ sâu nước 1,754 ft GOM là giàn Compliant Towers có độ sâu lớn nhất trên thế giới (Hình 1.12).

Hình 1.12: Một số dạng công trình biển trụ mềm ở vùng nước sâu

19

(3) Bể chứa và rót dầu (FPSOs - Floating Production - Storage - Offloading Units: loại hoán cải từ tàu biển, loại chế tạo chuyên dụng, và loại phi truyền thống): dùng được cả 3 vùng nước ( 0 - 10000 ft), tuy nhiên thực tế mới sử dụng tới độ sâu 6000 ft, dự án tới 7500 ft.

Hiện nay có 15 FPSOs có độ sâu nước lớn nhất, ở độ sâu ít nhất P-54 (2006) - BR, 4315 ft (1315 m), và độ sâu lớn nhất Capixiba (2006)-SBM, 6578 ft (2005 m). H.13.

FPSO là loại được sử dụng rộng rãi từ vùng nước nông và đang dẫn đầu trong các loại CTB nước sâu, nên đã có nhiều công bố trong hầu hết các Hội nghị KH quốc tế về CTB, đưa ra các kết quả nghiên cứu nhằm hoàn thiện và phát triển FPSO đặc biệt cho vùng nước ngày càng sâu hơn, trong đó có phần về kết cấu nổi và các loại hệ thống neo, chống phá huỷ mỏi tích luỹ từ các sóng nhỏ (điển Hình là kiểu TURRET ngoài và trong, đang được sử dụng phổ biển hiện nay).

Hình 1.13: Các dạng bể chứa và rót dầu FPSOs

(4) CTB neo đứng (TLPs) : dùng được cho cả 3 vùng, thực tế mới tới độ sâu 4760 ft, và dự án tới 9000 ft; gồm loại TLP truyền thống (Conventional TLPs), các loại thế hệ mới (Mini-TLP, Dàn Đầu giếng -TLWP ). Hiện nay có 23 CTB loại TLP, trong đó 2 CT ở vùng nước nông, 21 CT ở vùng nước sâu (từ 335 m đến 1425 m), 5 Mini-TLPs và 5 TLWPs; 15 TLPs ở vùng GoM, 3 TLPs ở Biển Bắc, 4 TLPs - Châu Phi và 1 TLP - Châu Á (Indonesia), tính đến 10/2005. Giàn TLP có độ sâu nước lớn nhất trên thế giới đó là giàn ConocoPhillips’ Magnolia (Garden Banks Block 783), xây dựng vào tháng 09/2004 tại độ sâu 4674ft (khoảng 1425 m). Hình 1.14.

20

Hình 1.14: Các dạng công trình biển neo đứng TLPs CTB neo đứng TLP là thế hệ CTB nổi ra đời sau CTB bán chìm neo xiên, được sử

dụng khá phổ biến cho vùng nước sâu, nên đã có nhiều nghiên cứu để hoàn thiện và phát triển các thế hệ mới, đặc biệt là điều khiển tối ưu lực căng trước trong hệ neo đứng để giảm dao động và khống chế rủi ro khi 1 dây neo bi đứt trong bão cực hạn .

(5) Trụ nổi có neo các loại (Spars, DDFs, DDCVs, SCFs): ở vùng nước sâu và cực sâu, thực tế tới độ sâu 5600 ft, dự án tới 10000 ft;

Hiện nay có 15 SPARs, trong đó CTB ở độ sâu ít nhất là Neptune (1996), 1930 ft (588 m) và CTB ở độ sâu lớn nhất là Devils Tower (2004)-Dominion ở độ sâu 5610 ft (1710m). Hình 1.15.

CTB loại spar đã phát triển 3 thế hệ: Thế hệ 1 - “Classic Spar”; Thế hệ 2- “Truss Spar”; Thế hệ 3 - “Cell Spar” TECHNIP và “Wet Tree Spar” SparTEC. Loại này được

phát triển gần đây với đa chức năng (vừa khai thác và chứa đựng), sử dụng hiệu quả cho vùng nước sâu và cực sâu. Một số nghiên cứu mới đây về sử dụng Spar để khai thác các mỏ nhỏ vùng nước sâu, đánh giá phản ứng động bậc 1 và 2 của Truss Spar và nghiên cứu điều kiện địa kỹ thuật để thiết kế neo của Spar.

21

Hình 1.15: Các dạng công trình biển trụ nổi SPARs

(6) CTB bán chìm - Dàn khai thác (Semi-FPSs): Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định. Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng 180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m). Hình 1.16.

Hình 1.16: Các dạng công trình biển bán chìm (Semi-FPSs).

22

Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão.

(7) Phao điều khiển / Thiết bị đầu giếng ngầm (Control Buoy/ Subsea tieback): ở cả 3 vùng nước. 3.3.2. Phân phối số lượng các CTB mềm theo thời gian Trên Hình 1.17 cho Hình ảnh về số lượng các loại CTB mềm được sử dụng trong các giai đoạn [2]: (1) 1980-1989; (2) 1990- 1994; (3) 1995 – 1999; (4) 2000 – 2004; (5) 2005 – 2009; (6) 2010 – 2015 (dự báo). Trong đó khối các loại CTB mềm được xếp từ trên xuống dưới:

1) Các loại Trụ mềm (Compliant Towers) 2) Các trụ nổi (Spar) / Trụ có mớn nước sâu (DDCV) 3) Giàn neo đứng (TLPs) 4) Giàn Bán chìm (Semi-FPUs) 5) Bể chứa nổi (FPSOs)

Hình 1.17: Phân phối số lượng các loại CTB mềm được sử dụng trong các giai đoạn

1980-2015 [2].

23

Nhận xét: Loại Bể chứa nổi (FPSO) chiểm ưu thế tuyệt đối khi ra biển sâu và cực sâu,

tiếp theo là loại Giàn bán chìm, Giàn neo đứng TLP, rồi đến Trụ nổi Spar.

3.3.3. Phân phối số lượng các CTB mềm theo vùng biển

Trên Hình 1.18 cho số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng

biển khác nhau, tại thời điểm tháng 3/2010 [2].

Hình 1.18: Phân phối số lượng các loại CTB mềm đang được sử dụng tại các vùng

biển khác nhau, tới thời điểm tháng 3/2010.

24

Nếu kể tất cả các vùng biển và các CTB mềm đã dựng lắp, tổng số CTB mềm trên thế giới tính đến tháng 3/2010 là 262 công trình. Nhận xét: Phân bố tỷ lệ từng loại CTB mềm + Loại FPSO : 65 %

+ CT bán chìm : 17,5 % + CT Spar : 6,5 % + CTB neo đứng TLP: 9,5 % + CTB trụ mềm: 2,5%

Số lượng các CTB mềm đang khai thác/dựng lắp ở các vùng biển được nêu trong bảng sau. Số lượng từng loại CTN mềm phân bố tại các vùng biển

Loại CTB Trụ mềm TLP Spar

Semi-FPU

FPSO Tổng cộng Vùng biển

Canada 2 2 Vịnh Mexico 3 16 17 4 8 48 Brazil 1 21 33 55 Biển Bắc 3 15 25 43 Tây Âu 1 1 Bắc Phi 5 5 Tây Phi 2 4 1 38 45 Nam Phi 1 1 Trung Quốc 1 17 18 Ấn Độ 1 1 2 Đông Nam Á 1 1 1 22 25 Úc 17 17 Tổng cộng 5 25 18 44 170 262 Tỷ lệ % 2,5 9,5 6,5 17,5 65 100%

4. Đặc điểm chung của các công trình biển mềm và phương tiện nổi 4.1. Đặc điểm các công trình biển nổi 1) Các CTB mềm đều có “liên kết mềm” với đáy biển: thể hiện bởi chu kỳ dao động riêng lớn nhất (Tmax) của kết cấu lớn hơn chu kỳ lớn nhất trong dải chu kỳ của sóng biển (từ 2 – 20 sec). Hình 1.19 minh họa các CTB mềm luôn nằm bên phải của đường cong

25

phổ sóng biểu diễn theo chu kỳ, ngược lại, CTB cố định (Fixed Jacket) có liên kết cứng với đáy biển nên chu kỳ cơ bản luôn nằm ở bên trái đường cong phổ sóng. 2) CTB mềm có chuyển vị tựa tĩnh lớn (vì liên kết mềm), nhưng chuyển vị động có thể khống chế để có giá trị nhỏ, bằng cách thiết kế kết cấu sao cho có chu kỳ dao động riêng nằm xa vùng chu kỳ sóng.

Hình 1.19: Minh hoạ Chu kỳ cơ bản của các CTB mềm ở bên phải đường cong phổ sóng 3) Các CTB mềm dạng nổi phục vụ khai thác có 2 trạng thái: + Trạng thái có neo giữ: là trạng thái “hoạt động” của công trình, phải được tính toán thiết kế sao cho đảm bảo công trình hoạt động được an toàn trong suốt cả thời gian vận hành công trình, hoặc thời gian khai thác mỏ; + Trạng thái di chuyển: là trạng thái “nghỉ” của công trình, với hệ neo được nhổ lên, để đưa công trình đến “hoạt động” tại vị trí khác, hoặc kéo vào bờ để duy tu sửa chữa.

4.2. Đặc điểm các phương tiện nổi Các phương tiện nổi như các tàu biển hoặc xà lan dịch vụ các hoạt động thi công

CTB, sửa chữa các CTB, dịch vụ chuyên chở cung cấp ống cho tàu thả ống. Các phương tiện nổi cũng có 2 trạng thái:

26

+ Trạng thái di chuyển: là trạng thái “hoạt động chủ yếu” của phương tiện nhằm đưa “đối tượng vận chuyển” đến vị trí mới trên biển, phải được tính toán thiết kế sao cho phương tiện được an toàn (ổn định của phương tiện trên biển, an toàn cho đối tượng vận chuyển) trên suốt hành trình vận chuyển. + Trạng thái cố định: là trạng thái “nghỉ”, phương tiện nổi được neo đậu để chuyển giao đối tượng vận chuyển ở vị trí mới. Nhận xét: Tính chất của 2 trạng thái cố định và di chuyển của CTB mềm dang nổi và phương tiện nổi là ngược nhau. 5. Phạm vi và nội dung nghiên cứu các công trình biển mềm và phương tiện nổi Trong phạm vi của bài giảng sẽ đề cập:

1) Các loại CTB mềm: chỉ xét các loại CTB nổi hiện đang được sử dụng rộng rãi: (1) CTB bán chìm phục vụ khai thác mỏ (Semi-Submersible/ Semi-FPU= Semi- Floating Production Unit) (2) Bể chứa nổi (FPSO- Floating Production, Storage and Offloading System) (3) CTB neo đứng (TLP- Tension Leg Platform) Nội dung nghiên cứu: + Cấu tạo và vận hành công trình + Xác định các loại tải trọng môi trường (chủ yếu mô Hình sóng tiền định) + Bài toán tựa tĩnh và động + Tính toán kiểm tra bền và mỏi (dựa trên Tiêu chuẩn API [4]) 2) Phương tiện nổi: + Phân loại phương tiện nổi (chủ yếu là các loại tàu biển) + Vai trò PTN trong hoạt động CTB + Mô tả cấu Hình phương tiện nổi + Ổn định tĩnh của tàu biển + Ổn định động của tàu biển 6. Phần thực hành: Tiểu luận: Tính toán hệ thống neo của Giàn bán chìm / FPSO

27

Tài liệu tham khảo (Chương 1) [1] Zeki Demirbilek, (1989). Tension Leg Platform: An Overview of the Concept, Analysis, and Design. TLP – A state of the Art Review, The Task Group on Compliant Offshore Platforms. ASCE – The American Society of Civil Engineers.

[2] Lindsey Wilhoit and Chad Supan, Mustang Engineering, (2008). 2010 Deepwater Solutions & Records for Concept Selection. Offshore Magazine, May 2010, Houston, USA.

[3] Minoo H Patel, Joel A Witz, University College London (2007). Compliant Offshore Structures. Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford.

[4] API RP 2SK, (2005), Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures. 3rd Edition.

[5] Phạm Khắc Hùng, (2009). Báo cáo đánh giá tổng hợp về sự phát triển các loại công trình biển nước sâu trên thế giới và dự báo nhu cầu xây dựng các CTB nước sâu ở VN trong thời gian tới. Đề tài NCKH cấp Nhà nước KC.09.15/06-10, Sản phẩm 1/2009.

[6] Đinh La Thăng, Chủ tịch Tập đoàn Dầu khí QG.VN, (2007). Xây dựng Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam trở thành tập đoàn kinh tế mạnh của đất nước. Tạp chí Dầu khí , số 1-2007.

[7] Phạm Khắc Hùng, (2005). Tổng hợp CTB mềm loại neo đứng TLP bằng thép và bê tông cốt thép ở các độ sâu nước trên 200m, nguyên tắc thiết kế và thi công. Chuyên đề 01, Sản phẩm 9, Đề tài KHCN cấp Nhà nước KC.09.16.

[8] Nguyễn Huy Quý (2006). Nghiên cứu cấu trúc địa chất và địa động lực làm cơ sở đánh giá tiềm năng dầu khí ở các vùng biển sâu và xa bờ của Việt Nam. Báo cáo kết quả NCKH Đề tài cấp NN KC.09.06, Tuyển tập các kết quả chủ yếu của Chương trình KC.09, Tập I.

28

CHƯƠNG 2: CÔNG TRÌNH BIỂN BÁN CHÌM

(Semi-submersible/ Semi-FPU)

1. Khái niệm

Công trình biển bán chìm Semi-FPU: Semi-Submersible Production Unit 1.1. Cấu tạo công trình biển bán chìm

Trên Hình 2.2 biểu diễn cấu tạo chung của công trình biển bán chìm bằng thép.

Hình 2.1. Hình ảnh công trình biển bán chìm đang khai thác

1

3

7

6

22

3

1

44

1058

29

Hình 2.2. Cấu tạo chung của công trình biển bán chìm

Hệ thống một công trình biển bán chìm gồm : - Kết cấu nổi - Dây neo - Neo

Các bộ phận của công trình gồm có:

1) Phao 2) Cột 3) Thanh giằng 4) Kết cấu thượng tầng 5) Dây neo 6) Cơ cấu thả neo 7) Tời kéo thả dây neo 8) Ống chống (riser) 9) Neo 10) Kết cấu giằng ngang

30

1.2. Công dụng CTB bán chìm và các thành tựu phát triển

Công trình biển bán chìm Semi-submersible: Công trình nổi dùng để khoan khai thác (forage), xử lí tách lọc dầu (production); gồm 4-8 cột được neo giữ bởi hệ thống dây neo xiên 8-12 dây.

Là các kết cấu giàn bán chìm, phần nổi đủ trọng lượng để cho công trình luôn giữ ở trạng thái thẳng đứng. Những giàn bán chìm có thể di chuyển được tới các vị trí khác nhau. Chúng có khả năng hạ thấp hoặc nổi lên nhờ vào sự điều chỉnh của những thùng chìm. Tuy nhiên nói chung trong quá trình hoạt động (khoan khai thác) thì những giàn này đều được neo giữ bởi hệ thống cáp neo nhằm tăng tính ổn định.

Giàn sử dụng cho vùng nước có độ sâu thay đổi từ 600 đến 6000 feet (khoảng 180 đến 1800 m). Ví dụ, Independence Hub - giàn bán chìm ở độ sâu nước 8000 feet (khoảng 2438m).

Hình 2.3. Các công trình biển bán chìm cho vùng nước sâu (Semi-FPSs).

Semi-FPS là loại CTB nổi neo xiên dùng trong khai thác đa chức năng (công nghệ sơ chế, chứa đựng) được sử dụng phổ biến cho vùng nước sâu và cực sâu, nên cũng được thường xuyên nghiên cứu hoàn thiện cả về mặt lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình, đặc biệt là hệ thống neo giữ để làm giảm độ rung lắc của giàn khi chịu tác động của sóng bão.

31

1.3. Đặc điểm công trình biển bán chìm Công trình biển bán chìm có các đặc điểm chính sau. 1) Nguyên lý kết cấu : - Là kết cấu tự nổi - Được giữ cố định tại vị trí làm việc bằng kết cấu neo giữ gồm các dây neo và neo - Có thể tự di chuyển thay đổi vị trí hoặc phải nhờ tàu kéo hỗ trợ 2) Vật liệu chế tạo: Các công trình biển bán chìm được chế tạo bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép 3) Đặc điểm thi công: Dù là công trình bằng thép hay bằng bê tông cốt thép, công trình biển bán chìm đều được thi công trong ụ khô, sau đó được kéo ra biển. 4) Đặc điểm về sửa chữa: Công trình biển bán chìm được kéo vào bờ để sửa chữa. Đối với công trình biển bê tông cốt thép, sàn chịu lực (kết cấu thượng tầng) được chế tạo bằng thép, có thể tháo dỡ để sửa chữa. 5) Đặc điểm về chịu lực: Tải trọng môi trường tác động lên công trình biển bán chìm có thể là tải trọng tĩnh hoặc tải trọng động. Tải trọng tĩnh được sử dụng để xét bài toán ổn định tĩnh của công trình nổi. Tải trọng động được sử dụng để xét bài toán ổn định động, xác định nội lực và chuyển vị của công trình nổi. Khi xét bài toán chuyển vị tổng thể, công trình biển bán chìm được coi là kết cấu tuyệt đối cứng, dao động theo 6 bậc tự do (Hình 2.4).

32

1. Dịch chuyển dọc (surge) 2. Dịch chuyển ngang (sway) 3. Dao động đứng (heave) 4. Lắc ngang (roll) 5. Lắc dọc (pitch) 6. Xoay đứng (yaw)

Hình 2.4. Các dạng dao động lắc

6) Ống chống (Riser): Công trình biển bán chìm có liên kết với các ống chống. Các ống chống có thể tháo ra khi cần di chuyển công trình. Bên trong ống chống có chứa các đường ống giữa dàn công nghệ trung tâm và đáy biển. Các ống nhỏ được bọc trong ống lớn.

Ví dụ, cụm ống Riser có thể gồm 1 ống 16’’ dẫn dầu để xử lý, 19 ống ''

2

14

, 2 ống chứa cáp điện sử dụng cho các phương tiện liên lạc. Tất cả các ống này được nối với giếng khoan dầu tại mỏ.

1.4. Các bài toán trong tính toán công trình biển bán chìm

Các bài toán đặc biệt cần quan tâm: tương tác giữa sóng và các cột kích thước lớn cùng các thanh giằng kích thước nhỏ, sự chịu lực của các dây neo. Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm trong trường hợp tổng quát là bài toán phi tuyến do có sự thay đổi phi tuyến Hình học của dây neo trong quá trình công trình dịch chuyển dưới tác động của lực môi trường, và khi tính toán công trình nổi được coi là một vật thể đàn hồi được liên kết với nền đất bằng dây neo và neo. Bài toán được xét cho cả 2 trường hợp bài toán tĩnh (tải trọng tác dụng là tải trọng tĩnh hoặc tựa tĩnh) và bài toán động (tải trọng tác dụng là tải trọng động), nhằm xác định chuyển vị của dây neo và trong kết cấu.

Bài toán thiết kế công trình biển bán chìm có thể giải theo 2 mô hình: - mô Hình tuyến tính hoá, hoặc - xét sự làm việc đồng thời của công trình biển nổi và dây neo.

33

Việc xem xét bài toán động lực học theo mô Hình thứ hai cho phép mô tả sát sự làm việc của công trình nhưng có nhược điểm là khối lượng tính toán lớn và phải sử dụng các chương trình chuyên dụng (ví dụ, chương trình ARIANE của Pháp). Có hai bài toán cơ bản sau trong tính toán thiết kế công trình biển bán chìm: Bài toán 1: Bài toán thiết kế công trình nổi (lựa chọn kích thước cơ bản, chọn quy cách kết cấu, kiểm tra bền, tính toán ổn định tĩnh và ổn định động của công trình). Khi kiểm tra bền công trình nổi được coi là vật thể đàn hồi, sau khi xác định được nội lực trong kết cấu người ta tiến hành kiểm tra bền của kết cấu. Bài toán về ổn định tĩnh và ổn định động của công trình được xem xét với giả thiết công trình là vật thể tuyệt đối rắn, dao động theo 6 bậc tự do. Bài toán 2: Bài toán thiết kế đường dây neo và neo (tính toán và chọn kích thước, số lượng và chiều dài đường dây neo, tính toán và chọn loại neo). Khi thiết kế đường dây neo và neo công trình nổi được coi là vật thể tuyệt đối rắn. 2. Mô tả hệ thống neo CTB bán chìm 2.1. Cấu tạo hệ thống neo, cấu tạo và phân loại dây neo và mố neo 2.1.1. Cấu tạo hệ thống neo Thiết bị neo là hệ thống dùng để neo đậu hoặc giữ cố định công trình nổi tại một vị trí làm việc ở ngoài biển. Hệ thống thiết bị neo gồm (Hình 2.5) :

34

Hình 2.5. Hệ thống thiết bị neo 1) Máy neo

Máy neo dùng để kéo hoặc thả dây neo và điều chỉnh chiều dài của dây neo khi cần thiết. Máy neo thường là tời điện, nhưng có khi là máy neo thuỷ lực. Máy neo được đặc trưng bởi các thông số sau : - Kích thước chung của tời (hay đường kính tang cuốn dây neo cáp hoặc xính) - Công suất của máy neo - Phương thức kéo - Tốc độ kéo. Các tốc độ kéo được phân biệt như sau : Tốc độ 3 m/s là tốc độ kéo nhanh, lực kéo nhỏ. Tốc độ 1-2 m/s là tốc độ kéo trung bình, lực kéo trung bình. Tốc độ 0,3-0,5 m/s là tốc độ kéo chậm, lực kéo lớn. 2) Hầm xích neo : là thùng dùng để chứa dây neo (xích neo) 3) Hãm cáp neo : thiết bị dùng để hãm dây neo sau khi thả neo hoặc giữ ở vị trí lỗ thả neo khi di chuyển công trình 4) Lỗ thả neo : là vị trí để đặt neo khi di chuyển công trình và hướng cho dây neo khi thả neo và neo tại chỗ. 5) Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở đáy biển. 6) Neo

Neo làm nhiệm vụ giữ dây neo cố định với nền đất.

2.1.2. Các loại dây neo

Dây neo : Là kết cấu dạng dây (dây cáp hoặc dây xích) dùng để liên kết kết cấu nổi với neo ở đáy biển.

35

- Dây cáp cấu tạo từ lõi bằng các sợi thép, có 6 bó sợi thép (mỗi bó gồm 19 hoặc 36 sợi) cuốn xung quanh (Hình 2.6).

Hình 2.6. Dây cáp neo lõi thép (Loại 6 bó-19 sợi và 6 bó-36 sợi)

Đầu dây cáp neo có kết cấu sau để liên kết với neo (Hình 2.7):

Hình 2.7 Chi tiết đầu dây cáp neo

- Dây xích có 2 loại : + loại với mắt xích không có ngáng (Hình 2.8-c) + loại xích với mắt xích có ngáng (Hình 2.8-a, b)

Hình 2.8. Các loại mắt xích neo

a) và b) - mắt xích có ngáng; c) - mắt xích không có ngáng

Hình 2.9 biểu diễn đường kính danh nghĩa của dây xích neo (d).

36

Hình 2.9. Đường kính danh nghĩa của xích (d)

Thông số quan trọng của dây neo là lực kéo phá huỷ (lực kéo đứt) tối thiểu FR. Tất cả các dây cáp phải được thử trước khi sử dụng. Chiều dài của đoạn dây thử bằng 30 lần đường kính dây. Bảng các thông số dây neo bằng cáp và xích được cho trong bảng 2.1-a và 2.1-b như một ví dụ. Trên thực tế sẽ lấy theo các quy phạm hoặc các catalog của các nhà sản xuất. Catalog dây neo của hãng Vicinay Cadenas http://www.vicinaycadenas.net/brochure/#/30

Bảng 2.1-a Lực kéo đứt tối thiểu của cáp thép (theo DnV)

Loại cáp Đường kính danh nghĩa của

cáp (mm)

Lực kéo đứt tối thiểu

Khối lượng cáp trên 1m dài

(kg) Loại thép

1570 N/mm2 Loại thép 1770 N/mm2

6 bó 19 sợi/bó

24 26 28 30

323 379 440 505

364 428 496 569

2,4 2,8 3,3 3,8

Bảng 2.1-b Lực kéo thử và lực kéo đứt tối thiểu của xích

37

Ghi chú: Q2, Q3 - loại mác thép (nước sản xuất) và loại thép (về độ bền). Pháp, Tây Ban Nha :Q ; Nauy : K ; Anh : U Thép cấp 1: thép mềm ; Thép cấp 2: thép cường độ cao ; Thép cấp 3,4 : thép cường độ rất cao ; Có 1 số loại thép chất lượng siêu cao : Ví dụ : QS (Pháp), K4 (Nauy), ORQ (Anh). Mỗi loại thép phải được thử ở cường độ thử và không xuất hiện bất kỳ dấu hiệu nào của sự tổn thất. Một vài phần tử phải được thử cho tới lực kéo đứt tối thiểu. 2.1.3. Cấu tạo các neo điển hình: Neo cọc, neo mỏ, neo mút:

. Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc

Hình 2.10 dưới biểu diễn cấu tạo và sơ đồ chịu lực ngang của neo cọc. Việc tính toán khả năng chịu lực của neo cọc tương tự việc tính toán cọc của công trình biển cố định bằng thép.

38

Hình 2.10 Sơ đồ neo cọc chịu lực

Trong đó: Pile head - đỉnh cọc; Mooring line - Đường dây neo; Load - tải trọng tác dụng lên đường dây neo; Latera earth pressure - áp lực ngang của đất nền Skin friction - lực ma sát hông

. Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV). Cấu tạo chung của neo mỏ như sau:

Hình 2.11-a Neo mỏ không có cơ cấu thăng bằng

Shackle - móc neo; Fluke - mỏ neo; Shank - thân neo Fluke angle - góc mở của mỏ neo; Fluke tip - đỉnh (mũi) mỏ neo Tripping palms - bề rộng vào đất của neo Crow or head - Đầu neo; Stabilizer - cơ cấu thăng bằng của neo

39

Hình 2.11-b Neo mỏ có cơ cấu thăng bằng

Các loại neo mỏ (neo bừa) được nêu trên Hình 2.12 dưới đây:

Hình 2.12 Các loại neo mỏ (neo bừa)

Quá trình neo mỏ cắm vào nền đất khi chịu lực như sau:

40

Hình 2.13 Quá trình cắm neo

Việc lựa chọn loại neo và kích thước neo phải đảm bảo khả năng giữ của neo (anchor

holding capacity) Hmax: H*FSHMax

trong đó: FS - hệ số an toàn, phụ thuộc vào loại neo; H - lực ngang tác dụng lên xích neo

. Neo mút : Một loại neo khác được sử dụng để neo giữa công trình nổi ở vùng biển có độ sâu

nước lớn là neo mút (Hình 2.14). Hình ảnh một neo mút được trình bày trên Hình 2.15:

41

Hình 2.14: neo mút

Hình 2.15 Neo mút trên bãi chế tạo

2.2. Phân loại hệ thống neo theo thời gian neo giữ công trình

Người ta phân biệt 3 loại neo (theo 3 mục tiêu sử dụng): * Neo "di động": thời gian neo đậu từ vài giờ đến vài ngày. Ví dụ, neo sử dụng cho những công trình cần di chuyển thường xuyên như tàu đặt

ống hoặc tàu thả cáp, sà lan thi công, tàu nạo vét luồng, tàu khảo sát địa chất,… * Neo "tạm thời": Thời gian neo đậu từ vài tuần đến vài tháng. Ví dụ, neo của dàn khoan bán chìm neo giữ khi khoan, một số sà lan thi công,… * Neo "cố định" (neo "thường xuyên"): thời gian neo đậu “nhiều năm”.

42

Ví dụ, neo dùng cho phao chứa nổi, dàn khoan bán chìm sản xuất và khai thác, trạm nhập/xuất dầu 1 điểm neo (Single Point Mooring).

Neo cố định đòi hỏi tính kiên cố cao vì thời gian hoạt động của neo lâu dài. Neo loại này có thể là :

. Neo cọc : cọc đơn hay nhóm cọc, . Neo mỏ (Anchor) có trọng lượng lớn (ví dụ, neo Vryhof ankers BV).

2.3. Các trạng thái chịu tải của giây neo một phía

Một đường dây neo có thể cấu thành từ một trong các dạng sau: dây cáp, dây xích, hoặc hỗn hợp cả cáp và xích (đoạn tiếp xúc với đất thường là xích).

Đường dây neo có trọng lượng đơn vị không đổi chịu tác dụng của lực ngang có dạng một đường dây. Như vậy, dạng Hình học của đường dây neo phụ thuộc vào giá trị lực căng trong dây neo (ký hiệu là T - tension), quan trọng nhất là thành phần nằm ngang của lực đó (ký hiệu là H - horizontal). Giá trị của thành phần lực ngang này phụ thuộc vào 5 dạng Hình học cơ bản của đường dây neo được trình bày dưới đây.

Hình 2.16. Các dạng Hình học của đường dây neo

Dạng 1. Đường dây neo hoàn toàn chùng không có lực căng tác dụng lên dây neo, lực căng ngang TH = 0.

Dạng 2. Đường dây neo không bị căng, dây neo thoải, có 1 đoạn tiếp xúc với đất với chiều dài là D.

Dạng 3. Đường dây neo căng tới hạn (D=0). Khi lực ngang tăng, điểm dây neo tiếp xúc với đất tiến gần đến vị trí của neo. Góc tiếp xúc giữa dây và đất ở đầu neo bằng 0.

43

Dạng 4. Dạng Hình học của dây có độ căng lớn. Góc của tiếp tuyến với đường dây neo tại vị trí neo >0.

Dạng 5. Dây neo bị căng hoàn toàn. Lực tác dụng lên kết cấu là lớn.

Dạng 3 là dạng cơ bản của đường dây neo. Trong thiết kế cố gắng tránh 2 trường hợp 4 và 5, vì neo làm việc ở trạng thái bất lợi. Cần thiết kế sao cho khi làm việc neo chỉ chịu lực ngang T0 (T0710 trọng lượng neo). Nếu neo chịu lực dọc thì phải dùng neo cọc.

3. Tải trọng môi trường biển tác động lên công trình biển bán chìm 3.1- Xác định các điều kiện của môi trường biển khi thiết kế Môi trường biển gây ra hai loại tải trọng tác dụng lên công trình biển : - Tải trọng thường xuyên (tác dụng tựa tĩnh): lực gió, lực dòng chảy, một phần tải trọng sóng, lực giữ của các dây neo. - Tải trọng thay đổi: tải trọng do sóng thay đổi theo chu kỳ sóng (tác dụng động lực học).

Để tính toán tải trọng môi trường tác dụng lên công trình nổi cần phải: 1) biết sự phân bố các yếu tố môi trường biển (gió, sóng, dòng chảy) theo thời gian

và tần suất xuất hiện của các yếu tố đó trong khoảng thời gian đời sống công trình. 2) thực hiện các đo đạc tại vị trí sẽ xây dựng công trình hoặc có được một mô Hình

nghiên cứu môi trường đúng đắn.

Khi tính toán hệ thống neo có 3 điều kiện tác dụng của ngoại lực môi trường biển lên công trình nổi được xem xét : + Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường;

+ Điều kiện cực trị (ngoại lệ): điều kiện nguy hiểm nhất xảy ra trong đời sống của công trình nổi (công trình nổi không rời vị trí, mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt); + Điều kiện sống còn của công trình nổi sau khi có 01 dây neo bị đứt (công trình vẫn phải tồn tại). Khi đó:

- Mọi hoạt động khai thác cần chấm dứt - Tháo ống chống đối với dàn khoan thăm dò và dàn khoan khai thác.

a) Điều kiện để công trình biển hoạt động bình thường

Điều kiện để công trình nổi hoạt động bình thường là điều kiện xảy ra nhiều nhất về

mặt thống kê. Trong điều kiện bình thường, tất cả các hoạt động sản xuất diễn ra một cách an toàn tại mỏ.

44

Giá trị thông số của môi trường là hàm mật độ xác suất của một thông số nào đó (ví dụ, gió hoặc sóng).

Hàm phân phối xác suất của một sự kiện xảy ra trong khoảng (x1, x2) được xác định theo công thức sau:

2

1

x

x

dx)x(fS

trong đó: f(x) mật độ xác suất; (x1, x2) khoảng xét của thông số x đang xét S hàm phân phối xác suất

Điều kiện môi trường bình thường được coi là điều kiện với xác suất xảy ra là 95% hoặc 99% (Hình 2.6-a).

b) Điều kiện cực trị

Điều kiện cực trị có xác suất xảy ra, ví dụ 5% (hay 1%) trong giai đoạn đang xét. Do vậy, cần phải xác lập luật phân phối xác suất các giá trị cực đại của thông số đang xét (sóng, gió,…) trong đời sống công trình. Giá trị cực đại này sẽ được sử dụng làm giá trị tính toán của thiết kế (Hình 2.17-b).

Hình 2.17-a. Điều kiện bình thường

Hình 2.17-b. Điều kiện cực trị

Trên Hình 2.17-c là luật phân phối xác suất của các giá trị cực trị trong đời sống thiết kế của công trình.

x1 x2

f(x)

45

Hình 2.17-c

Trên Hình 2.17-c : 1) là luật phân phối xác suất của thông số đang xét (sóng, gió hoặc dòng chảy) ; 2) là luật phân phối xác suất của giá trị cực đại của thông số đang xét xảy ra trong đời sống công trình ; 3) là giá trị cực đại xảy ra với xác suất lớn nhất.

Trong điều kiện cực trị : . Đối với neo “thường xuyên” (neo giữ dàn bán chìm khai thác, kho chứa nổi, ...):

mọi hoạt động công nghệ tạm dừng, cần hạn chế sự trôi dạt của công trình. . Đối với neo “tạm thời”: cần phải xác định 2 giá trị liên quan đến điều kiện khai

thác. - đến ngưỡng xác suất 5%: công trình nổi hoạt động bình thường, ví dụ, sà lan

công tác vẫn ở tại vị trí làm việc; không tháo ống chống của dàn khoan nổi… Cần hạn chế sự trôi dạt của các công trình.

- đến ngưỡng xác suất 1%: công trình nổi ở trong điều kiện sống còn, tháo ống chống khỏi công trình, sà lan công tác rời xa vị trí làm việc, không cần hạn chế sự trôi dạt của công trình. c) Điều kiện sống còn sau khi 1 dây neo bị đứt

Trong điều kiện cực trị khi có 1 dây neo bị đứt thì công trình ở trong tình trạng sống còn. Khi đó :

- ngừng mọi hoạt động của mọi loại công trình - tháo ống chống đối với giàn khoan hoặc giàn sản xuất

3.2. Tác động của gió

3.2.1. Đặc trưng của gió

Có 2 cách mô tả gió: + Mô Hình tiền định: đặc trưng bởi vận tốc gió trung bình và vận tốc gió giật xét trong một khoảng thời gian nào đó (thường là 10 phút hay 1 giờ); + Mô Hình ngẫu nhiên: gió được đặc trưng bởi phổ năng lượng.

Trong tính toán công trình biển bán chìm, do chuyển động có quán tính của kết cấu nổi và của khối lượng nước kèm hấp thụ lực tác dụng của gió giật, nên tác dụng của gió lên kết cấu nổi truyền sang dây neo được coi là lực tựa tĩnh.

1

2

3

46

a) Đo vận tốc gió

Gió được đặc trưng bởi vận tốc và hướng gió. Các số liệu đo vận tốc và hướng gió được trung bình hoá trong khoảng thời gian 10 phút hoặc 1 giờ. Các số liệu đo gió được quy về độ cao 10 mét nằm phía trên mặt nước tĩnh (Still Water Level - SWL).

Mặt nước tĩnh được xác định như sau : SWL= Mực nước trung bình + Biên độ triều cao + Nước dâng do bão hoặc SWL= Mực nước triều cao + Nước dâng do bão b) Profil của vận tốc gió theo chiều cao

Giá trị của vận tốc gió trung bình theo thời gian ở độ cao z tính từ mặt nước tĩnh (SWL) của biển được xác định theo công thức sau :

10

zV.V 1tz (2.1)

trong đó : Vtz vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z mét ; z độ cao (mét) tính từ mặt nước biển ; V1 vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 1h ở độ cao 10 mét so với mặt nước biển ; số mũ, phụ thuộc thời gian tính toán vận tốc gió trung bình; - hệ số gió giật. Các hệ số và được cho trong bảng 2.2-a.

Bảng 2.2-a. Hệ số và để tính toán profil vận tốc gió Hệ số Thời gian tính toán vận tốc gió trung bình

1h 10' 1' 15s 5s 3s 1,00 1,06 1,18 1,26 1,31 1,33 0,15 0,13 0,113 0,106 0,102 0,10

c) Phổ của gió Phổ của gió được xác định theo công thức sau:

6

52

21

)f~

2(

f~

f

1KV4)f(S

(2.2)

trong đó:

47

1VL.f

f~ tần số không thứ nguyên

S mật độ áp lực gió (m2/Hz) f tần số (Hz) L chiều dài qui chiếu (m) K hệ số ma sát V1 vận tốc gió xác định theo mục b) nêu trên Tuỳ theo điều kiện từng vùng biển, có thể sử dụng các công thức phổ gió khác. Chiều dài L trong trường hợp chung được lấy L=1800m. Hệ số K được lấy như sau: K=0,0020 đối với biển động K=0,0015 đối với biển bình thường

3.2.2. Lực gió

Lực gió tác dụng lên kết cấu phụ thuộc vào Hình dáng của kết cấu. Có 3 loại mô Hình

kết cấu được sử dụng để tính toán lực gió như sau : a) Kết cấu gồm các phần tử (ví dụ, công trình biển thép Jacket) : để tính toán lực gió tác dụng lên công trình có thể tách kết cấu ra thành các phần tử có dạng Hình học đơn giản; lực gió được tính toán cho từng phần tử kết cấu có kể đến hệ số cản tương ứng với Hình dạng phần tử kết cấu và được tổng hoá cho toàn bộ công trình. b) Kết cấu khối lớn (tàu thủy, bể chứa nổi,...) : lực gió được xác định bằng các công thức tổng quát. c) Kết cấu hỗn hợp gồm kết cấu khối lớn và kết cấu có thể chia ra thành các phần tử kết cấu (ví dụ, dàn khoan bán chìm, tàu khoan có tháp khoan phía trên) : lực gió được tính toán theo 2 trường hợp nêu trên. Trường hợp cần thiết, để xác định lực gió cần phải thử nghiệm mô Hình trong ống thổi khí động lực học. a) Lực gió tác dụng lên kết cấu gồm các phần tử kết cấu Hình dạng đơn giản

Lực gió tác dụng lên phần tử kết cấu có Hình dạng đơn giản được xác định theo công thức sau :

2tzw VAC

2

1F (2.3)

trong đó:

- khối lượng riêng của không khí ( 3m/kg 225,1 đối với không khí khô) A- diện tích Hình chiếu bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông

48

góc với hướng gió thổi; Vtz- vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian t ở độ cao z tính từ mặt nước biển trung bình ; C - hệ số cản, phụ thuộc vào số Reynolds )R( e , Hình dạng mặt cắt hứng gió và chiều dài của phần tử kết cấu;

Hệ số Reynolds:

tze

V.DR (2.5)

với D - kích thước đặc trưng của bề mặt hứng gió của phần tử kết cấu (với ống tròn D là đường kính ống)

- hệ số nhớt động học của không khí )s/m(10.46,1 25 ở nhiệt độ

C15t oo . Bảng 2.2-b cho giá trị hệ số cản vận tốc ( C ) của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản. Đối với các phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn thì hệ số cản vận tốc (C) được tính toán theo công thức sau:

C = k . C (2.6)

trong đó: C - hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt cắt ngang đơn giản (bảng 2.2-b);

Bảng 2.2-b. Các hệ số cản vận tốc của các phần tử kết cấu có chiều dài vô hạn và mặt

cắt ngang đơn giản Tiết diện Sơ đồ C

Tròn 0,6

Chữ I đứng 1,6

Chữ I ngang 1,9

Chữ nhật ngang 0,75

Chữ nhật đứng 2,1

Hình vuông 2,0

Hình vuông xoay 1,5

49

k - hệ số qui đổi (cho trong bảng 2.2c), là hàm số phụ thuộc vào:

l - chiều dài phần tử kết cấu; D - kích thước đặc trưng của mặt cắt vuông góc với hướng gió (đối với mặt cắt tròn D là đường kính ngoài).

Bảng 2.2c Hệ số qui đổi k cho phần tử kết cấu có chiều dài hữu hạn TT l/D 2 5 10 20 40 50 100 1 Trụ (Đk trước tới hạn) 0,58 0,62 0,68 0,74 0,82 0,87 0,98 1,0 2 Trụ (Đk trên tới hạn) 0,8 0,8 0,82 0,9 0,98 0,99 1,0 1,0 2 Tấm phẳng vuông góc

với hướng gió

0,62

0,66

0,69

0,81

0,87

0,90

0,95

1,0 Khi xét trường hợp kết cấu có nhiều phần tử kết cấu Hình dạng đơn giản đặt kề nhau người ta phân biệt hai trường hợp sau. * Trường hợp 1: Hiệu ứng đậm đặc: Các phần tử kết cấu nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi.

Hình 2.18 Các phần tử kết cấu nằm kề nhau

Lực gió được xác định theo công thức sau :

2tz1w VAC

2

1F (2.7)

trong đó:

LD

50

- khối lượng riêng của không khí C - hệ số cản có xét đến hệ số đậm đặc cho trong bảng 2.2-d.

Bảng 2.2-d. Hệ số cản C có xét đến hệ số đậm đặc

Hệ số đậm đặc

Hệ số cản C Phần tử phẳng

Phần tử có mặt cắt ngang Hình tròn

5e 10.2,4R 5

e 10.2,4R 0,1 1,9 1,2 0,7 0,2 1,8 1,2 0,8 0,3 1,7 1,2 0,8 0,4 1,7 1,1 0,8 0,5 1,6 1,1 0,8

0,75 1,6 1,5 1,4 1,0 2,0 2,0 2,0

- hệ số đậm đặc, được tính theo công thức sau :

A

AN

1ii

(2.8)

Ai diện tích Hình chiếu mặt chắn gió của phần tử kết cấu thứ i lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi A - diện tích Hình chiếu của Hình bao các phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi tzV - vận tốc trung bình của gió được xác định như trong mục 3.2.2-b nêu trên. * Trường hợp 2: Hiệu ứng che khuất : Các phần tử nằm kề nhau trong cùng một mặt phẳng song song với hướng gió thổi.

Hình 2.19 Các phần tử kết cấu che khuất nhau

Vz

1 2 i . . . n

51

Lực gió được xác định theo công thức sau :

.FF w2w (2.9)

trong đó: - hệ số che khuất (bảng 2.2-e) wF - lực gió tác động lên phần tử đầu tiên. Chú ý: Trong trường hợp các phần tử đặt gần nhau trong cùng một mặt phẳng song song với hướng gió, nếu số vật thể lớn hơn 2, thì lực gió tác dụng lên phần tử thứ 3 trở đi lấy bằng lực gió tác dụng lên phần tử thứ 2.

Bảng 2.2e. Các hệ số để xét đến hiệu ứng che khuất

Hệ số khoảng cách

Giá trị hệ số tương ứng với một giá trị của hệ số cho dưới đây

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 1 1,0 0,96 0,90 0,80 0,68 0,54 0,44 0,37 2 1,0 0,97 0,91 0,82 0,71 0,58 0,49 0,43 3 1,0 0,97 0,92 0,84 0,74 0,63 0,54 0,48 4 1,0 0,98 0,93 0,86 0,77 0,67 0,59 0,54 5 1,0 0,98 0,94 0,88 0,80 0,71 0,64 0,66

Các đại lượng trong bảng 2.2-e: hệ số khoảng cách được tính như sau: khoảng cách giữa các trục phần tử nằm trùng với hướng gió = khoảng cách giữa các trục phần tử nằm vuông góc với hướng gió - hệ số đậm đặc khí động lực học, a . - hệ số đậm đặc (bảng 2.2d) a - hệ số lấy theo các giá trị sau: a=1,6 đối với phần tử phẳng a=1,2 đối với phần tử trụ tròn ở chế độ chảy trước tới hạn a=0,5 đối với phần tử trụ tròn ở chế độ chảy trên tới hạn b) Lực gió tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn Đối với các kết cấu nổi dạng khối lớn như tàu thuỷ, tàu khoan, ... , để tính toán lực gió lên phần kết cấu nằm phía trên mặt nước người ta sử dụng công thức của Hughes:

52

)cos(

cos.Bsin.AVC

2

1F

222

xw

(2.10)

trong đó: Cx - hệ số cản vận tốc phụ thuộc góc . - góc tới của gió so với trục dọc của tàu - khối lượng riêng của không khí V- vận tốc gió tại vị trí trọng tâm của Hình chiếu diện tích bề mặt hứng gió lên mặt phẳng vuông góc với hướng gió thổi; - góc giữa hướng tác dụng của lực gió so với trục dọc của tàu (trường hợp tổng quát = )

Hình 2.20. Các mặt đón gió của tàu

A - diện tích Hình chiếu phần kết cấu thân tàu nằm phía trên mặt nước lên mặt phẳng đứng dọc thân tàu (A = AC + AS) B = Bs + 0,3.Bc Bs diện tích Hình chiếu kết cấu thượng tầng của tàu (phần kết cấu nằm phía trên boong chính) lên mặt phẳng đứng vuông góc với trục dọc thân tàu; Bc diện tích Hình chiếu của phần thân tàu nằm giữa đường mặt nước và boong chính lên mặt phẳng đứng vuông góc với trục dọc thân tàu; Trên Hình 2.21. biểu diễn hệ số cản Cx phụ thuộc góc thổi của gió lên tàu khoan.

Ac Bc

BsAs

hướng gió

y

y

x

x

z

53

Hình 2.21. Hệ số cản Cx phụ thuộc góc thổi của gió

3.3. Tác động của dòng chảy

Dòng chảy của nước biển là tổng cộng của các dòng chảy sau :

- dòng chảy tuần hoàn thường xuyên của nước biển do đặc điểm địa Hình gây nên ; - dòng chảy do gió : liên hệ trực tiếp với các đặc trưng của gió ; vận tốc của dòng chảy này trên mặt nước = 1- 3% vận tốc gió, hướng có thể tạo với hướng gió 1 góc 45°, chỉ ảnh hưởng đến 1 lớp nước bề mặt độ dày một vài m. - dòng chảy do triều : thay đổi cả về vận tốc và hướng theo chu kỳ 12h hoặc 24h.

3.3.1. Vận tốc dòng chảy

Trường hợp không có số liệu đo dòng chảy tại vị trí xây dựng, có thể xác định vận tốc dòng chảy tổng cộng ở độ cao z so với mặt nước tĩnh theo công thức sau :

V(z) = Vtriều(z) + Vgió(z) (2.11)

trong đó: . Vận tốc dòng chảy do triều :

Vtriều(z) = Vtriều 7

1

)d

zd(

đối với 0z (2.12)

. Vận tốc dòng chảy do gió :

0)z(Vgiã khi odz (2.13-a)

)d

zd(V)z(V

o

ogiãgiã

khi odz0 (2.143-b)

với Vtriều vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do triều gây ra Vgió vận tốc của dòng chảy trên mặt nước do gió gây ra

54

d - độ sâu nước m50do theo Qui phạm DnV z - khoảng cách tính từ mặt nước biển, m

Trong các công thức trên, vận tốc

dòng chảy được tính toán trong hệ toạ độ oxyz có mặt phẳng oxy trùng với mặt nước tĩnh, trục z hướng lên trên (Hình 2.22).

Vận tốc dòng chảy do gió V(z) phụ thuộc vào thời gian gió thổi và độ sâu nước.

Hình 2.22. Vận tốc dòng chảy

3.3.2. Lực dòng chảy tác dụng lên kết cấu Hình dạng đơn giản

Fc =2

1 ..C.A.sin.Vc2 (2.14)

trong đó: Fc - lực dòng chảy đặt tại trọng tâm phần diện tích bề mặt phần tử kết cấu nằm trong nước. - khối lượng riêng của nước A - Hình chiếu diện tích bề mặt ướt của phần tử kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với phương của dòng chảy C - hệ số cản vận tốc (lấy tương tự như đối với gió) - góc hợp bởi hướng của vận tốc dòng chảy và trục của phần tử kết cấu Vc - vận tốc dòng chảy tại trọng tâm của diện tích Hình chiếu mặt ướt của kết cấu lên mặt phẳng vuông góc với hướng của dòng chảy. 3.3.2. Lực dòng chảy tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn

Công trình nổi như sà lan, tàu thuỷ, tàu khoan là những kết cấu dạng khối lớn. Lực dòng chảy tác dụng lên kết cấu dạng khối lớn gồm 2 thành phần :

- lực cản Hình dáng : là lực tác dụng lên bề mặt ướt của kết cấu nổi vuông góc với hướng của dòng chảy

- lực ma sát bề mặt : là lực liên quan đến ma sát trên bề mặt ướt của kết cấu nổi có phương song song với phương dòng chảy ;

được tính theo công thức sau :

55

Fc = 2

1 .. Vc2 (3.10-3.Am + 1,2.Ap) (2.15)

trong đó: Am - tổng diện tích bề mặt ướt của kết cấu nổi

Ap - diện tích phần Hình chiếu của Am lên mặt phẳng vuông góc với hướng của dòng chảy.

Lực dòng chảy tác dụng lên một số công trình nổi (kN) được cho trong bảng dưới đây :

TT Vận tốc dòng chảy V (m/s) 0,5 1 2 1 Tàu 2000T

(dòng chảy ngang thân tàu) 30,0 120 480

2 Tàu 10000T - dòng chảy dọc thân tàu - dòng chảy ngang thân tàu

2,5 75,0

10 300

40

1200 3 Dàn khoan bán chìm (S/S)

15000T 175,0 700 2800

3.4. Tác động của sóng - Số liệu đo sóng tiến hành trong 20m đến 3h. - Các đặc trưng sóng : Hmax, Tmax, (hướng sóng), S (), m0, m2, Hs, H1/3, Tz, , Tp

Các mô Hình sóng sử dụng để tính toán tải trọng sóng gồm có: - Mô Hình sóng tiền định : được mô tả bởi lý thuyết sóng Airy, hoặc lý thuyết sóng Stokes bậc 5 - Mô Hình sóng ngẫu nhiên : được đặc trưng bởi phổ năng lượng sóng

- Phổ của 1 trạng thái biển ngắn hạn dạng tổng quát:

S()= A-m exp(-B-n ) A,B : hằng số phụ thuộc Hs, TP (TZ) m,n : số nguyên, dương

Thông thường dùng: phổ P-M, phổ JONSWAP, các phổ sóng được các Hội nghị quốc tế về bể thử sóng công nhận. Tải trọng sóng là tải trọng động, thay đổi theo thời gian cả về hướng và cường độ tác dụng. + Đối với mô Hình sóng tiền định, với mọi hướng đều tính toán cho trường hợp sóng nguy hiểm. + Đối với mô Hình sóng ngẫu nhiên, phải xét đến hàm phân phối hướng sóng dựa vào đo đạc thực tế.

56

Phổ hướng sóng:

Phổ 2 chiều của sóng không gian 3 chiều được tính theo công thức sau: )(F)(S),(S (2.16)

trong đó: )(F hàm phân phối hướng sóng, theo định luật bảo toàn năng lượng:

1)(max

min

dF

Trường hợp không có số liệu, ta sử dụng: F() = 2 cos² (đối với 22

)

góc giữa các con sóng thành phần với hướng lan truyền chính của sóng Phổ 1 chiều của sóng 3 chiều:

d.),(S)(S2

2

(2.17)

1d.)(F2

2

(2.18)

Khi tính toán tải trọng sóng người ta phân biệt 2 trường hợp sau : . Đối với kết cấu mảnh (D/L <= 0,2) : sử dụng công thức Morison để tính tải

trọng sóng. . Đối với kết cấu khối lớn ( D/L > 0,2) : cần sử dụng lý thuyết sóng nhiễu xạ

để tính toán tải trọng sóng.

a) Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu mảnh ( 2,0L

D )

Đối với kết cấu mảnh, tải trọng sóng được tính theo công thức Morison dưới dạng véc tơ như sau:

rRmrrd aV)C1(VVAC2

1F (2.19)

trong đó : rrd1 VVAC2

1F lực cản vận tốc,

rRm2 aV)C1(F lực cản quán tính. - khối lượng riêng của nước Cd - hệ số cản vận tốc. Cd lấy như trường hợp tải trọng gió

57

rV - vận tốc tương đối của nước, Vr=Vnước-Vkết cấu Vnước - vận tốc của phần tử nước Vkết cấu - vận tốc chuyển động của kết cấu nổi A diện tích Hình chiếu của bề mặt kết cấu nổi lên phương vuông góc với phương lan truyền sóng. VR thể tích kết cấu bị ngập nước

ar - gia tốc tương đối của phần tử nước, rr Va Cm- hệ số khối lượng nước kèm

Cm (khi 2,0L

D ) được lấy theo bảng sau:

Phần tử dài vô hạn (l) Vật thể 3 chiều

Tiết diện Sơ đồ Cm Khối Sơ đồ Cm Tròn

1.00 Phẳng tròn 2.00

Chữ nhật 1.36 Tấm chữ nhật

0.84

Chữ nhật

1.70

Tấm vuông

0.47

Vuông

1.51

Hình cầu

0.50

Vuông

0.76

Lập phương

2.32

Phẳng 1.00 Khối hộp chữ nhật

0.86

Đồ thị phạm vi sử dụng lý thuyết sóng để tính toán tải trọng sóng được cho trong

Hình 2.23 dưới đây.

58

Hình 2.23. Phạm vi sử dụng lý thuyết sóng

Ký hiệu trên Hình vẽ: L - chiều dài sóng; H - chiều cao sóng, a2H (a - biên độ sóng) D - kích thước đặc trưng của kết cấu nổi (D là đường kính đối với trụ tròn đơn)

Miền 1: 0,1D

H hay 0,2a

D ; Sử dụng công thức Morison để tính toán cho cả 2 thành

phần lực cản vận tốc và lực quán tính của sóng.

Miền 2: 0,1D

H và 2,0L

D (ví dụ, phao chứa nổi); Số hạng tính lực quán tính trong

công thức Morison là trội.

Cả hai miền 1) và 2) có 2,0L

D .

Miền 3: 2,0L

D (ví dụ như trường hợp sà lan, bể chứa dầu); cần phải xét đến hiện tượng

nhiễu xạ sóng. Tải trọng sóng nhiễu xạ được xác định theo các phương pháp chuyên dụng. b) Tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu khối lớn

Sóng xung quanh công trình = Sóng tới + Sóng nhiễu xạ + Sóng bức xạ

Để xác định tải trọng sóng tác dụng lên công trình cần giải quyết bài toán sóng nhiễu xạ và bức xạ. Trong khuôn khổ bài toán tuyến tính, đại lượng cần tìm là hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ và sóng bức xạ (xem chương 3 FPSO).

59

c) Lực trôi dạt Công trình nổi có chu kỳ dao động riêng lớn, nên rất cần quan tâm tới miền tần số thấp. Khi tải trọng sóng là không đổi theo thời gian cần phải tính toán lực trôi dạt do sóng tác động lên công trình.

Lực trôi dạt được xác định bằng các cách sau: + thử mô Hình trong bể thử sóng, hoặc + sử dụng các phương pháp tính toán: - phương pháp tích phân áp lực của Pinkster - phương pháp nghiên cứu động lượng chuyển động của Maruo và Newman - phương pháp tính theo trường trung bình của X.B CHEN (2004). Kết quả nghiên cứu cho thấy: Lực trôi dạt tỷ lệ với bình phương chiều cao sóng H Khi chiều cao sóng H không đổi, nếu chu kỳ sóng giảm thì lực trôi dạt tăng lên. Qui phạm API đưa ra phương pháp đơn giản tính lực trôi dạt trung bình đối với tàu biển và dàn khoan bán chìm sau đây. * Lực trôi dạt trung bình tác dụng lên tàu biển :

- Theo phương ngang thân tàu: Fngang=CdeB2LHs

2, (N) (2.20) trong đó: Cde- hệ số trôi dạt trung bình (N/m5), phụ thuộc vào chu kỳ sóng đáng kể Ts và chu kỳ đặc trưng Th của sóng.

Th = 1,16(B+2.Dh)1/2 (2.21) với Dh - mớn nước của tàu

- Theo phương dọc thân tàu (bởi sóng đến từ mũi tàu hay từ đuôi tàu) Fdọc=0,13.CdeB2LHs

2, (N) (2.22) trong đó: Cde phụ thuộc vào Ts và

Th=0,6(L)1/2 (2.23)

Hệ số Cde được xác định bằng đồ thị Hình 2.24. Trường hợp chưa có số liệu của Ts tại vị trí xây dựng có thể sử dụng đồ thị Hình 2.25 để xác định Ts.

60

Hình 2.24. Hệ số trôi dạt trung bình của tàu thuỷ

Hình 2.25. Quan hệ giữa chu kỳ sóng Ts và chiều cao sóng Hs đáng kể

* Lực trôi dạt trung bình tác dụng lên dàn khoan bán chìm:

F = CdeD2(Hs/Ts)2, (N) (2.24) trong đó: Cde- hệ số trôi dạt trung bình : Cde=1175 (N.s2/m4) D- đường kính cột

- phép tính tổng chỉ tính đối với hàng cột đối diện sóng, không tính với hàng cột che khuất.

4. Tính toán gần đúng hệ thống dây neo của CTB bán chìm chịu tải trọng tĩnh của môi trường

Dạng 3 : Đường dây neo căng tới hạn, góc tiếp xúc giữa dây và đất ở đầu neo bằng 0 là dạng cơ bản của đường dây neo. Sau đây chúng ta thiết lập bài toán xác định lực căng neo và dây neo và chủ yếu xét bài toán tĩnh và tựa tĩnh.

4.1. Đặt bài toán Các giả thiết của bài toán:

- Kết cấu nổi được neo với số lượng dây neo: chẵn, đối xứng - Tải trọng tổng cộng của môi trường biển lên kết cấu trùng với một mặt

phẳng dây

61

- Khi chịu tải trọng ngang, cặp dây neo vẫn coi như trong một mặt phẳng sau khi dịch chuyển.

- Bỏ qua lực tác động trực tiếp của các yếu tố môi trường biển (sóng, dòng chảy) lên dây neo;

- Bỏ qua biến dạng đàn hồi của dây khi chịu lực; Các giả thiết này tương đương với việc coi lực ngang tác dụng lên mọi điểm

trên chiều dài dây neo là như nhau. Giải gần đúng: - Quy đổi tải trọng môi trường tác dụng lên dây thành tải trọng tác dụng lên từng cặp dây (có hệ số quy đổi). - Bài toán 1 cặp dây:

Hình 2.26 Sơ đồ tính bài toán một cặp dây

Với F1: dây 1 căng, dây 2 chùng; Với F2: dây 1 chùng, dây 2 căng => Xét dây 1 chịu tải trọng F1, sau đó chuyển về bài toán 1 dây (do tính chất đối xứng) 4.2. Tính toán dây neo một phía (dây neo đơn) Bài toán về tính toán đường dây neo được phân thành hai bài toán : + Bài toán tĩnh lực học (hay tựa tĩnh) + Bài toán động lực học 4.2.1 Tính toán dây neo một phía chịu tải trọng tĩnh Xét một công trình nổi được neo giữ bằng một dây neo OBA (OB là đoạn dây ảo, BA là đoạn dây thật) (Hình 27). Tại điểm A dây neo gắn với kết cấu nổi có góc xiên A , còn tại điểm B dây neo nối với neo có góc xiên B .

62

Hình 2.27a. Sơ đồ bài toán tĩnh lực học đường dây neo đơn Số liệu cho trước :

oT : thành phần lực nằm ngang của lực căng dây = H0= HA

B : góc xiên tại điểm B, O =0 ABL : chiều dài dây neo nằm giữa điểm A và điểm B. Mục đích của bài toán là: - Viết phương trình của đường dây neo. - Xác định lực căng trong dây neo để xác định độ bền dây neo và cơ cấu giữ tại điểm A và điểm B; Giải bài toán: Gọi q là trọng lượng trên một đơn vị chiều dài dây neo nằm trong nước. Đặt ký hiệu: chiều dài L = LOA, trọng lượng dây neo: P = q.L. Giả sử kéo dài đoạn dây từ điểm B đến điểm O để tiếp tuyến của dây neo là một đường thẳng nằm ngang. Việc kéo dài này không ảnh hưởng đến nội lực trong dây. Các phương trình cân bằng của đường dây neo: Theo phương trục x: X 0 H TA o = H0= TA cosA

Theo phương trục z: 0 Z V q L PA . = TA sinA

Lực căng trong dây neo tại điểm A: T T V HA A A 2 2 . Xét một đoạn dây có chiều dài s (hình 28). Ta có:

63

dx=ds.cos Hoành độ của điểm A được xác định bằng công thức sau: (LA=LOA)

AA L

0

L

0A ds.cosdxx

Ta có:

2tg1

1cos ; tg

V

H

Đặt V=s.q, H To .

Hình 2.27b.

Suy ra : đặt tgqs

To

; dq

Tds

o

; dsT

qdo .

Vậy xT

qdA

oA

1

1 20

với Ao

Aq

TL

Chú ý tới biểu thức dx

xArshx C

1 2 , ta nhận được:

xT

qArsh

q

TLA

o

oA ( ) . Suy ra L

T

qsh

q

TxA

o

oA ( )

Tương tự ta cũng có: LT

qsh

q

TxB

o

oB ( ) (với LB=LOB)

Vậy chiều dài của dây neo giữa điểm A và B là :

)x

T

q(sh)x

T

q(sh

q

TLLLL B

oA

oBAAB

Tương tự ta có: AA L

0

L

0A ds.sindzz ]1)x

T

q(ch[

q

Tz A

o

oA

Vậy phương trình đường dây neo là :

)1( Ao

oA z

TqArch

qT

x

Ghi chú: trong phần diễn giải ở trên đã sử dụng các công thức toán sau:

21

cos.tgsin

;

2

21

1

d ; 22 sh1ch .

Ví dụ 1:

To

TV

Hq

O

S

O

64

Xét công trình nổi được neo giữ bởi dây neo đơn biểu diễn trên hình vẽ. Cho lực căng ban đầu To=10 kip (~4,53T); trọng lượng dây neo trên một đơn vị dài trong nước q=6lbs/ft (1 p = 0,453 kg; 1 foot=0,305m) Tại điểm B có

omax 30 , độ sâu nước tượng

trưng d=160'. Xác định chiều dài ABL và lực căng AT .

Hình 2.28: Hình vẽ ví dụ 1

Lời giải: Phản lực tại điểm B: kips77,530tg.10L.qtg.TV o

BBoB . Suy ra:

'9626

10.77,5

q

VLL

3B

BOB (1)

)L10

6(Arsh

610.10

)LTq

(ArshqT

x B4

3

Bo

oB (2)

Thay (1) vào (2) nhận được:

'915)96210

6(Arsh

6

10.10x

4

3

B

Mặt khác:

]1)xT

q(ch[

q

Tz A

o

oA

]1)xT

q(ch[

q

Tz B

o

oB

và '160zz BA Từ các biểu thức này suy ra '1167xA

'1263xTq

shqT

L Ao

oOA

Chiều dài của dây neo:

B OB=30°

O

A

ZB

ZA

TAVA

Z

xXB XA

d =160

'

To

TO

VB

65

'305]xT

qshx

T

qsh[

q

TL B

oA

o

oAB

Lực theo phương đứng tại điểm A : kips6,7lbs 75781263.6L.qV OAA Lực căng tại điểm A:

kips56,12106,7TVTT 222o

2AmaxA .

4.2.2. Chiều dài tối thiểu của đường dây neo Trường hợp lực căng tới hạn, điểm O trùng với điểm B, tức là 0xB ,

0zB . Khi đó:

)xT

q(sh

q

TL A

o

oAB

Quan hệ giữa lực căng dây và chiều dài dây: )LT

q(Arsh

q

Tx

o

oA .

Suy ra minAo

o L)xT

q(sh

q

TL (*)

Biểu thức (*) xác định chiều dài tối thiểu của đường dây neo tức là chiều dài dây neo khi tiếp tuyến với đường dây neo tại vị trí dây liên kết với neo là đường nằm ngang. Ta lại có:

]1)xT

q(ch[

q

Tz A

o

oA qdTq.zT)x

Tq

(chT 0A0A0

0

Mặt khác : oo o A o

o o o

Tq q qT qd T ch( X ) T ch[ Arsh( L)]T T q T

2

00

2

oo )L

Tq

(1T])LTq

(1Arch[chT (*)

])LT

q(1[T)qL(TTVT 2

o

2o

22o

2o

2A

2 (**)

Từ (*) và (**) 2o

2 )qdT(T (1)

và 22o

2A

22o )qL()Tqd(VTT (2)

Từ biểu thức (2) suy ra: )dd

L(

2

qT

2

o (3)

66

Từ biểu thức (3) suy ra: 1qd

T2

d

L o .

Vậy ta có:

1qd

T2dL o

min (4)

Lưu ý: (3) cho phép tính T0 khi đã biết L=Lmin, ngược lại (4) cho phép tính Lmin khi biết T0.

Thay biểu thức (3) vào (1) ta có:

)dd

L(

2

qT

2

(5)

Vậy 1qd

T2

q

L . Suy ra

1qd

T2dLmin (6)

Ký hiệu trong các công thức trên: d - khoảng cách từ đáy biển đến lỗ luồn neo/dây neo hoặc điểm liên kết đầu dây neo với kết cấu nổi. minL - chiều dài tối thiểu của dây neo T = TA : lực căng của dây neo tại vị trí liên kết dây neo với kết cấu nổi To- lực ngang tác dụng trong dây neo. Chiều dài an toàn của dây neo : để đảm bảo cho dây neo chịu được tác dụng của các lực có giá trị lớn hơn, cần thiết kế để có được một đoạn dây neo nằm trên mặt đất. Chiều dài của đoạn dây này gọi là chiều dài an toàn D (Hình 2.29), tuỳ thuộc vào loại dây sử dụng.

Hình 2.29. Chiều dài đường dây neo

Lmin

B

D

d

TAVA

TOA

d

MNT

X

67

Đối với dây neo bằng cáp, thường lấy D=200300 m Đối với dây neo bằng xích, thường lấy D=50100 m Trong thực hành các biểu thức (4) và (6) được sử dụng để xây dựng các đồ thị quan hệ giữa chiều dài tối thiểu của dây neo minL và lực ngang 0T với quy ước sau (Hình 30):

- Nếu 5d

L1 min thì dây neo được coi là dây neo ngắn,

- Nếu 5d

Lmin thì dây neo được coi là dây neo dài.

Trên hình 30-a biểu diễn chiều dài tối thiểu của đường dây neo ngắn, hình 30-b biểu diễn chiều dài tối thiểu của đường dây neo dài cho đến giá trị

20d/Lmin .

Hình 2.30-a.

Hình 2.30-b. Ví dụ 2: Xác định chiều dài tối thiểu Lmin và chiều dài thiết kế của dây neo của kết cấu nổi ở độ sâu d=100m, chịu tác

5

10

15

0,25

0

1 2 3 4 5

0

20

0,50

0,75

1,00

HAqd

TAqd ;L-X

A d

5

10

15

0,25

0

1 2 3 4 5

0

20

0,50

0,75

1,00

HAqd

Lmin-XA d

68

dụng của lực căng ngang ban đầu là To=400kN cho 2 trường hợp: - Dây neo bằng cáp có q=100 N/m - Dây neo bằng xích có q=420 N/m, đường kính =44 mm.

(Hình vẽ ví dụ 2)

Lời giải : a) Trường hợp dây neo bằng cáp:

Chiều dài tối thiểu: m9001100.100

10.400.21001

qd

T2dL

3o

min

Chiều dài thiết kế của dây neo: m1100200900DLL mintk . b) Trường hợp dây neo bằng xích:

Chiều dài tối thiểu: m4481100.420

10.400.21001

qd

T2dL

3o

min

Chiều dài thiết kế của dây neo: m548100448DLL mintk . Lấy tròn số Ltk=550m. 4.2.3. Tác dụng tựa tĩnh của lực thuỷ động lên dây neo Xét ảnh hưởng trực tiếp của yếu tố dòng chảy do sóng tác dụng lên đường dây neo. Giả sử dây có tiết diện tròn. Lực tác dụng lên dây được phân thành 2 thành phần: - Lực theo phương pháp tuyến:

2NDN V.D.C.

2

1F

2N

22D sin.Fsin.V.D.C.

2

1

Hình 2.31.

- Lực theo phương tiếp tuyến:

2N

22T

2TTT cos.Fcos.V.D.C.

2

1V.D.C.

2

1F

B

A

d

To

F

FT

FNV

O

69

trong đó: V – vận tốc của dòng chảy; VN, VT – tương ứng là vận tốc theo phương pháp tuyến và tiếp tuyến của đường dây neo; CD - hệ số cản vận tốc chính diện, thường lấy CD=0,6-0,8 CT - hệ số cản vận tốc theo phương tiếp tuyến của dây neo, thường lấy DT C.02,0C Các lực cản vận tốc FN và FT phân bố dọc theo chiều dài dây neo được bổ sung vào trọng lượng của dây neo. Trong tính toán khi kể đến hai thành phần lực FN và FT nêu trên, cần thiết lập phương trình cân bằng, giải bằng phương pháp lặp (gần đúng dần) để xác định mối quan hệ giữa lực căng trong dây và yếu tố hình học của dây. 4.2.4. Bài toán tĩnh của dây neo khi điểm liên kết A di chuyển Khi lực tác động của môi trường hoặc độ sâu nước thay đổi thì công trình nổi bị dịch chuyển và điểm liên kết đầu dây neo với công trình nổi (điểm A) cũng thay đổi vị trí trong không gian. Dưới đây sẽ xét các trường hợp di chuyển của điểm A. a) Điểm A di chuyển theo phương nằm ngang

Hình 2.32. Trường hợp điểm A dịch chuyển sang phải

Đặt bài toán: + Cho trước (Hình 32):

d

X1Xn

Ao A1 An

B

B1

x

Z

ZB1

Z A1

Z1

x1XB1 XAo

XA1

70

- Chiều dài của dây neo min0 LL , - Góc tiếp tuyến của dây neo với phương ngang tại điểm neo B=0, - Lực căng ban đầu: Ho=To , - Chiều cao điểm A0 so với đáy biển: constzd

0A ,

- Trọng lượng của dây neo nằm trong nước trên đơn vị chiều dài : q. + Yêu cầu: xác định mối quan hệ H=f(x) giữa lực căng ngang H và chuyển vị của kết cấu nổi theo phương ngang x. Lời giải: a-1) Điểm A dịch chuyển sang bên phải Giả sử từ vị trí cân bằng ban đầu A0 điểm A dịch chuyển sang bên phải tới các vị trí 1A , 2A , 3A ,..., nA , tức là sự dịch chuyển của kết cấu nổi làm cho dây neo bị căng và góc B0. Thuật toán gồm các bước sau: - Chọn 01 LL , hay kéo dài dây neo đến điểm B1 sao cho 0

1B

(ký hiệu 1BA LL11 ).

- Xác định tung độ của điểm B1 (tính zB1):

Xét đoạn dây 01BB có: ]zz

)LL([

2

qH

11

BB

201

1

(a)

Xét đoạn dây 11AB có: ]zz

)L([

2

qH

11

AA

21

1 (b)

với 101 BAA zzz

Lực căng ngang tại mọi điểm trên đường dây neo bằng nhau nên từ (a) = (b) =>:

)zz(zz

Lz

z

)LL(10

101

1

BABA

21

BB

201

0

110

AB

201

BA

21 z

z

)LL(

zz

L

.

Từ đây giải phương trình bậc 2 xác định được 1Bz và dzz

11 BA .

- Xác định lực căng H1: Thay giá trị 1Bz vừa tìm được vào (a), xác định

được lực căng ngang H1.

71

- Xác định hoành độ của điểm B1:

)]LL(Hq

[Arshq

H)L

Hq

(Arshq

Hx 01

1

1B

1

1B 11

- Xác định hoành độ điểm A1:

)1zH

q(Arch

q

Hx

11 A1

1A

- Xác định độ dịch chuyển của đầu điểm A : )xx(xx

101 BAA1

- Trạng thái dây căng hoàn toàn xảy ra khi: 0A

220n xdLx

a-2) Điểm A dịch chuyển sang bên trái Khi điểm A dịch chuyển từ vị trí ban đầu A0 sang bên trái tới các vị trí 1A ,

2A , 3A ,..., nA , thì dây neo bị chùng dần và chiều dài đoạn dây neo tiếp đất tăng dần lên.

Hình 2.33. Trường hợp điểm A dịch chuyển sang trái

Tại vị trí ban đầu: 0

200 LLBA .

Các số liệu ban đầu là: 0LL ; 0Azd và q.

Khi A dịch đến 1A thì 01 LL và o1 HH . Thuật toán như sau:

72

- Xác định giá trị các thông số tương ứng với vị trí ban đầu:

1qdT2

dL 00

)dd

L(

2

qTH

20

00

)1dHq

(Archq

Hx

0

0A0

00 qLV - Chọn giá trị 01 LL , tính được các giá trị sau:

11 qLV

)dd

L(

2

qH

21

1

)1dH

q(Arch

q

Hx

1

11A

)xHq

(shq

HL 1A

1

11

11B LLX

1AA1 xxx - XB-1

- Thực hiện các bước tính toán trên cho trường hợp điểm A dịch chuyển đến vị trí A-2, A-3,..., A-n xác định được các giá trị

2Ax

, 3Ax

,…,nAx

. Khi điểm A đạt

tới vị trí nA thì dL n . Hoành độ của điểm nB sẽ là : dLx 0B n

, và điểm A dịch

chuyển đi một đoạn là : )dL(xx 0An 0

Cuối cùng ta vẽ được đồ thị quan hệ H=f(x) cho trường hợp điểm A dịch chuyển theo phương ngang (Hình 2.34).

73

Hình 2.34. Lực căng ngang trong dây neo khi điểm A dịch chuyển ngang

(bố sung nhận xét về độ cứng của dây)

Hình 2.34a. Biểu đồ quan hệ R, H1, H2 t theo dịch chuyển của đầu dây theo phương

ngang cho 1 cặp dây b) Điểm A di chuyển theo phương thẳng đứng do thay đổi mực nước hay thay đổi H0

Số liệu cho trước: - Chiều dài dây neo giữa 2 điểm A và B là LAB, - Vị trí điểm A0, B0 - Lực căng ngang ban đầu H0 - Trọng lượng đơn vị của dây neo nằm trong nước : q. Yêu cầu : Xét sự dịch chuyển của điểm Ao theo phương thẳng đứng với

constxoA .

Theo bài ra ta có lực tác dụng theo phương đứng L.qVo . Lần lượt xét sự dịch chuyển của điểm A lên và xuống theo phương thẳng đứng. b-1) Xét điểm Ao di chuyển xuống phía dưới: - Khi điểm Ao di chuyển xuống phía dưới đến điểm A-1, dây neo sẽ bị chùng xuống. Ta có:

H

xoXA-2 XA-1 XA1 XA2

Dây 2

H

X

Ho

Dây 1

X-n

1

H2(x)

H1(x)

R(x)

74

]1)xH

q(ch[

q

Hzzz

1o1 Ao

o1AA

(*)

Từ biểu thức (*) xác định được 1Ax

. Và 1L được xác định theo công thức sau:

)xH

q(sh

q

HL

1Ao

o1

Hình 2.35. Trường hợp điểm A dịch chuyển xuống dưới theo phương thẳng đứng Lực tác dụng lên dây neo theo phương đứng tại điểm A : 11 L.qV . Vì dây neo bị chùng, nên điểm B dịch chuyển đến vị trí B-1. Ta có: 1ABB LLx

1

- Bước tiếp theo cho điểm A di chuyển từ điểm 1A xuống phía dưới đến điểm 2A , dây neo tiếp tục bị chùng xuống. Tương tự như trên ta xác định được các giá trị của

2Az

, 2L , 2Ax

, 22 L.qV , 2B LLx

2

.

Z-n= Zmax = L0 - xA0 = L-n

b-2) Xét điểm Ao di chuyển lên phía trên :

75

Hình 2.36. Trường hợp điểm A dịch chuyển lên trên theo phương thẳng đứng

Khi điểm Ao di chuyển lên phía trên đến điểm A1, dây neo sẽ bị căng lên và góc giữa tiếp tuyến của đường dây neo tại vị trí neo và mặt đất trở nên 0

oA . Thuật

toán trong trường hợp này như sau : - Xét điểm A0 di chuyển đến A1 . Để giải quyết bài toán kéo dài dây neo đến điểm

1B có 01B bằng cách chọn o1 LL .

- Xác định 1Bz :

Xét đoạn dây 01BB có: ]zz

)LL([

2

qH

11

BB

201

1

(a)

Xét đoạn dây 11AB có: ]zz

)L([

2

qH

11

AA

21

1 (b)

với 101 BAA zzz

Lực căng ngang tại mọi điểm trên đường dây neo bằng nhau nên từ (a) và (b) có:

)zz(zz

Lz

z)LL(

10

10

1

1

BABA

21

BB

201

0

110

AB

201

BA

21 z

z

)LL(

zz

L

(c)

Giải phương trình (c) xác định được 1Bz và

011 ABA xxx .

- Xác định lực căng H1: Thay giá trị 1Bz vừa tìm được vào (a), xác định

được lực căng ngang H1. - Xác định tung độ của điểm A1:

76

]1)xHq

(ch[q

Hz

11 A1

1A

- Xác định độ dịch chuyển của điểm A: dzzz

11 BA1

- Lực căng dây neo theo phương đứng : 11 qLV Tiếp theo xét điểm A dịch chuyển từ điểm 1A đến 2A , 3A ,…, nA bằng cách chọn 12 LL , 23 LL ,…, 1nn LL và thực hiện các bước tính toán như trên ta xác định định 2V , 3V ,…, nV . - Trạng thái dây căng hoàn toàn xảy ra khi:

220max 0

; AAnAoAnn xLzzzzz

Lần lượt cho điểm Ao dịch chuyển lên và xuống theo phương thẳng đứng và thực hiện các tính toán ta vẽ được đồ thị quan hệ giữa lực căng theo phương đứng và chuyển vị (Hình 2.37). Độ cứng của dây theo phương đứng:

1

1

ii

ii

i

iZi ZZ

VVZVk

Hình 2.37. Lực căng trong dây neo theo phương đứng

4.3. Tính toán dây neo nhiều phía (Bài toán không gian) 4.3.1. Trường hợp tổng quát Trong trường hợp tổng quát khi kết cấu nổi liên kết với nền đất bằng hệ thống đường dây neo với số lượng n>2, cần phải tính toán lực tác động của môi trường lên kết cấu nổi, sau đó phân phối cho từng dây neo. Các số liệu cần thiết cho tính toán gồm có: a) Số liệu đầu vào:

V

xoZA-2 ZA-1 ZA1 ZA2

77

+ Số liệu môi trường: - Vị trí neo đậu công trình - Độ sâu nước - Số liệu về sóng, gió, dòng chảy, biên độ triều, nước dâng + Số liệu kết cấu nổi: - Số liệu kích thước chủ yếu, hình dạng công trình - Vị trí liên kết dây neo với công trình + Số liệu về dây neo: - Trọng lượng trên đơn vị dài ở trong không khí và trong nước - Lực kéo đứt tối thiểu của dây neo - Chiều dài sẵn có của dây neo + Số liệu về khai thác kết cấu nổi: - Chuyển vị trôi dạt tối đa max . Thông thường lấy: omax d%6 - đối với dàn khoan omax d%10 - đối với dàn sản xuất (chế biến) trong đó: od - độ sâu nước tại vị trí khai thác. Trong thực tế, các công trình biển được neo giữ bằng nhiều dây neo thường có số dây là chẵn, các cặp dây được bố trí đối diện nhau, lực tác dụng của môi trường theo phương ngang được phân phối cho các cặp dây (tương tự như bài toán phẳng). Trên hình 38 biểu diễn công trình nổi được neo giữ bằng cặp 2 dây neo đối diện nhau. Trong trường hợp này ta có: 2i1ii HHR ii TH , iT - lực kéo đứt tối thiểu của dây neo thứ i. ]T[T ii , ]T[ i - lực kéo đứt cho phép của dây neo thứ i ii Hcos.T

]T[TH iii

78

Hình 2.38. Cặp dây neo đối diện Hệ số hiệu quả của một cặp dây neo được xác định bằng công thức:

]T[

Re

trong đó: R - lực ngang do 2 đường dây neo tác dụng lên kết cấu nổi : ru RRR ở đây Ru – lực ngang trong dây neo căng hơn (dây L1 trên hình 38). Rr – lực ngang trong dây neo ít căng hơn (dây L2 trên hình 38).

]T[ -lực căng cho phép phụ thuộc vào hệ số an toàn K (xem mục 4.4) b) Phân phối lực căng trong dây neo Trong trường hợp tổng quát phải dùng các chương trình tính toán chuyên dụng, chẳng hạn như chương trình MIMOSA của Viện Nghiên cứu Tàu thuỷ quốc gia NaUy, hay chương trình ARIANE của Pháp. Trong tính toán thực hành, lực căng được phân phối cho dây neo như sau. Người ta giả thiết rằng: - Số dây neo là chẵn - Lực môi trường tác dụng lên kết cấu nổi có phương trùng với 1 cặp dây neo. - Chuyển vị của kết cấu nổi là bé để cho phép giả thiết phương của các cặp dây là không thay đổi. Khi đó, lực tổng cộng do môi trường tác dụng lên kết cấu nổi được xác định theo công thức sau:

R4

NRT

Ri

Ti1 Ti2

Hi1 Hi2

79

trong đó: TR - lực tổng cộng do môi trường tác dụng lên kết cấu nổi R - phản lực của 1 cặp dây neo trùng với phương tác dụng của lực N - số lượng đường dây neo Kết quả nghiên cứu về phân phối lực căng trong dây neo cho ta các sơ đồ trên hình 39 tuỳ thuộc vào số lượng đường dây neo sử dụng.

Hình 2.39. Phân phối phản lực trong các cặp dây neo (Ghi chú : Các số trong ngoặc trên hình 2.39 chỉ thành phần phản lực của dây neo theo phương song song với phương tác dụng của lực TR ) Ngoài ra, cũng cần phải tính toán lực căng trong dây neo cho trường hợp sự cố với giả thiết 1 dây neo bị đứt và xác định trong điều kiện bất lợi nhất. Trên hình 40 biểu diễn các sơ đồ phân phối lực căng trong dây neo khi có 1 dây neo bị đứt cho các trường hợp số lượng dây neo khác nhau.

RT R

0,5R

0,5R (0,25R)

(0,25R)

RT=1,5R RT=2R

6 dây 8 dây

R

0,7R(0,5R)

0,7R(0,5R)

10 dây12 dây

RTRT

RT

R

0,8R0,3R

0,8R

0,3RRT=2,5R

R

RT=3R

0,87R

0,5R

0,87R

0,5R

(0,66R)

(0,66R)

(0,09R)

(0,09R)(0,75R)

(0,25R)

(0,75R)

(0,66R)

80

Hình 2.40. Phân phối lực trong trường hợp một dây neo bị đứt 4.3.2. Trường hợp kết cấu nổi được giữ bằng cặp 2 dây neo đối diện a) Khái niệm cơ bản Hình 41 biểu diễn trường hợp cặp dây neo đối diện nhau nhưng không đối xứng với các dây có các thông số khác nhau. Trường hợp 2 dây neo đối diện nhau có các thông số giống nhau được gọi là cặp dây neo đối xứng. Trạng thái ban đầu: là trạng thái không có tải trọng ngoài tác dụng lên kết cấu nổi ( 0RT ). Trạng thái làm việc: là trạng thái khi 0RT . b) Các phương pháp tính toán khả năng chịu lực của đường dây neo Có 3 phương pháp để tính toán khả năng chịu lực của đường dây neo sau đây. - Phương pháp 1: sử dụng đồ thị hoặc bảng tra được xây dựng trên cơ sở các công thức tính toán sau:

1qd

T2

d

L o và 1qd

T2

d

L

Người ta lập sẵn các bảng tra sau:

d

L qd

To qd

T B d

x d

xL

RT R

0,5R

0,5R (0,25R)

(0,25R)RT=1,5R

6 dây

RT

1,5R

1,5R

(0,75R)

(0,75R)

RT 1,5R

RT=2R

8 dây

R

0,7R(0,5R)

0,7R(0,5R)

RT

1,4R(1R)

1,4R(1R)

RT 2RRT

81

trong đó: d = độ sâu nước + khoảng cách từ điểm liên kết dây neo với kết cấu nổi đến mặt nước tính toán. - Phương pháp 2: Sử dụng các đường cong phản lực trong dây neo Bằng cách tính toán các trường hợp điểm liên kết dịch chuyển sang bên phải và bên trái vị trí ban đầu (xem mục ) người ta xây dựng được đường cong quan hệ giữa lực căng và độ dịch chuyển. Dựa vào đường cong đó có thể xác định được lực căng trong dây neo mỗi khi kết cấu nổi có dịch chuyển. - Phương pháp 3: Sử dụng các chương trình tính toán chuyên dụng. Trường hợp này trong sơ đồ tính có thể kể đến: + độ dốc mặt đáy biển + Sự thay đổi trọng lượng dây neo theo chiều dài + Độ đàn hồi của dây neo với các số liệu đã biết: + Toạ độ các điểm liên kết của đường dây neo + Độ đàn hồi của dây neo + Độ dài của đoạn dây neo nằm trên mặt đáy biển 3) Tính toán dây neo làm việc hai phía Gọi dây neo nằm phía trước kết cấu nổi và chịu tác dụng trực tiếp tác động của môi trường là dây neo phía trước (dây neo số 1 với 1L và q trên hình 41), dây còn lại là dây neo phía sau. Như vậy, dây neo phía trước sẽ bị căng, còn dây neo phía sau sẽ bị chùng xuống khi có tác dụng của lực môi trường theo phương trình bày trên hình vẽ. Việc tính toán được thực hiện cho các trạng thái tương ứng.

Hình 2.41. Sơ đồ bài toán đường dây neo làm việc hai phía

R

H1 H1

X1

X1

d

d

qq

82

- Đối với trạng thái ban đầu : cần thực hiện tính toán cho từng dây riêng rẽ. Kết quả sẽ xác định được: . Dây neo phía trước: . Dây neo phía sau: - đối với trạng thái làm việc: cần xét đến sự làm việc đồng thời của dây neo phía trước và dây neo phía sau. Xét hệ thống đường dây neo cho trên hình 41. Số liệu cho trước: - Dây neo phía trước có d,q,H1

- Dây neo phía sau có d,q,H1 và 11 HH 3.a) Trạng thái làm việc của dây neo 1 phía * Trạng thái ban đầu (được ký hiệu với chỉ số "1"): Với d,q,H1 cho trước, có thể xác định được các thông số sau:

)1dH

q(Arch

q

Hx

1

11

Hình 2.42. Dây neo làm việc một phía

1qd

H2dLL 1

min1

Chiều dài thiết kế: DLL min Lực căng lớn nhất trong dây neo ở đầu neo, hay đầu nối dây neo với kết cấu nổi: 2

12 )qdH(T

* Trạng thái làm việc (được ký hiệu với chỉ số "2"): Dưới tác dụng của lực R, lực ngang tác dụng lên neo (hay đầu dây nối với

dU

A2A1

B2

xX*

X1

X2

B1

D

R

H1 H2

L1

L2

83

công trình) được xác định bởi biểu thức sau: RHH 12 Sau khi xác định được H2, ta xác định được các thông số khác của đường dây neo:

)1dH

q(Arch

q

Hx

2

22

1qd

H.2dL 2

2

qdHT 22 Độ dịch chuyển của điểm liên kết dây neo với công trình được xác định từ các mối quan hệ sau:

12*

*12

LLx

xxxu )xL()xL(u 2211

3.b) Sự làm việc 2 phía của hệ thống đường dây neo Với các số liệu đã cho ở phần trên ta xét sự làm việc 2 phía của hệ thống đường dây neo (Hình 2.43) tương ứng với các trạng thái sau.

Hình 2.43. Sự làm việc 2 phía của hệ thống đường dây neo * Trạng thái ban đầu: Các bước tính toán được thực hiện cho từng dây neo như trình bày ở mục 3.a. Kết quả tính toán cho ta: - Dây phía trước: 111 T,L,x

- Dây phía sau: 111 T,L,x

d

U

A2A1

B2

b*

X1

X2

B1

D

R

H1 H2

L1

L2

U

A1 A2

B1

X2

X1

B2

D

H2H1

L2

L1

dqq

b2

b1

b1

b2

84

* Trạng thái làm việc (cả dây neo phía trước và dây neo phía sau làm việc đồng thời) Dưới tác dụng của lực R công trình dịch chuyển đi một đoạn u. Ta có: RHH 22

Ở 2 dây neo ta có uu . )xL()xL()xL()xL( 22112211

)xL()xL()xL()xL( 11112222

o22

22 )x1

d.q

H.2d()x1

qd

H.2d(

)x1d.q

H.2d()x1

qdH.2

d( 11

11

0

trong đó: 22o x,x, đã xác định được khi tính toán hệ thống ở trạng thái ban đầu.

Các lực 2H và 2H được xác định từ lời giải hệ phương trình sau:

022

22

22

)x1d.q

H.2d()x1

qd

H.2d(

RHH

Trên hình 2.44 sự phân phối lại lực ngang trong cặp dây neo bằng xích đối xứng nhau ở độ sâu nước 100m và trọng lượng đơn vị 420N/m.

85

Hình 2.44. Ví dụ về hệ thống đường dây neo 2 phía 4.4. Hệ số an toàn đối với hệ thống neo Sau khi đã xác định được lực căng cực đại Tmax trong dây neo, việc lựa chọn kích thước dây phụ thuộc vào hệ số an toàn được chọn. Hệ số an toàn của dây neo được xác định bởi biểu thức sau:

S

RK

trong đó: R - lực đứt tối thiểu của dây neo hoặc lực giữ tối thiểu của neo; S - lực tác dụng lên dây neo hoặc neo khi làm việc. Hệ số an toàn K phụ thuộc vào các yếu tố sau: + điều kiện khai thác: điều kiện bình thường, điều kiện cực trị và điều

FH

=50KNX=0 R=0 FH

=50KN

FH

=70KNX=5m R=33KN FH

=37KN

FH

=100KNX=10m R=73KN FH

=27KN

FH

=250KNX=20m R=235KN FH

=15KN

FH

=200KNX=24m R=388KN FH

=12KN

86

kiện sự cố khi có 1 dây neo bị đứt. + loại neo và thời gian neo đậu công trình: * Neo "di động": thời gian neo đậu từ vài giờ đến vài ngày. Ví dụ như sự dịch chuyển thường xuyên của tàu thả ống hoặc tàu thả cáp, sà lan thi công, tàu kéo, tàu khảo sát địa chất.

Điều kiện khai thác Dây neo Lực giữ neo Điều kiện môi trường bình thường

k=34 k=1,52

* Neo "tạm thời": Thời gian neo đậu từ vài tuần đến vài tháng. Ví dụ, dàn khoan bán chìm neo giữ khi khoan, một số sà lan thi công.

Điều kiện khai thác Dây neo Lực giữ neo Điều kiện môi trường bình thường

k=34 k=1,52

Điều kiện cực trị - không tháo ống chống - có tháo ống chống

k=2,03,0 k=1,52,5

k=2,02,5 k=1,52,0

Có 1 dây neo bị đứt k=1,52,0 k=1,21,5 * Neo "cố định" (neo "thường xuyên"): thời gian neo đậu “nhiều năm”, chẳng hạn như phao chứa nổi, dàn khoan bán chìm sản xuất và khai thác, SPM.

Điều kiện khai thác Dây neo Lực giữ neo

Điều kiện bình thường k=3,04,0 k=2,53,0 Điều không bình thường k=2,03,0 k=2,02,5 Có 1 dây neo bị đứt k=1,52,0 k=1,52,0

Ví dụ 3. Xét công trình nổi được neo giữ bởi dây neo một phía (hình vẽ ví dụ 2) ở độ sâu quy đổi d=100m, lực ngang H=400 kN. Xác định hệ số an toàn trong 2 trường hợp dây neo bằng cáp và dây neo bằng xích. Với dây neo bằng cáp có q=100 N/m, =50 mm, kN1500Tmin , m900Lmin . Với dây neo bằng xích có q=420 N/m, =44mm, kN1540Tmin , m450Lmin .

87

Lời giải: 1) Với dây neo bằng cáp có q=100 N/m, =50 mm, kN1500Tmin ,

m900Lmin . Lực căng lớn nhất trong dây là:

kN 410)qL(HT 2min

2

Hệ số an toàn sẽ là: 36,3410

1500

T

TK min

2) Với dây neo bằng xích có q=420 N/m, =44mm, kN1540Tmin , m450Lmin . Lực căng lớn nhất trong dây là:

kN 442)qL(HT 2min

2

Hệ số an toàn sẽ là: 48,3442

1540

T

TK min

Với hệ số an toàn K đã tính toán được thì dây neo thoả mãn điều kiện chịu lực ở điều kiện khai thác bình thường. 5. Tính toán gần đúng CTB bán chìm chịu tác dụng động của tải trọng sóng

5.1. Mở đầu

1 / Quan hệ giữa bài toán tĩnh và bài toán động : - Sóng tới - Sóng nhiễu xạ - Sóng bức xạ 2/ Sơ đồ tính và mục tiêu của bài

toán động : Tìm ra 6 chuyển vị

1. Dịch chuyển dọc (surge) 2. Dịch chuyển ngang (sway) 3. Dao động đứng (heave)

4. Lắc ngang (roll) 5. Lắc dọc (pitch) 6. Xoay đứng (yaw)

Hình 2.45. Dao động của CTB bán chìm

B

A

d

To

88

3/ Các cấp chính xác của bài toán động :

+ Cấp 1: Kết cấu nổi tuyệt đối cứng, tải trọng gần đúng + Cấp 2: Kết cấu nổi tuyệt đối cứng, tải trọng nhiễu xạ - bức xạ + Cấp 3: Kết cấu nổi đàn hồi, tải trọng sóng Tính cả hệ thống kết cấu + dây + sóng đồng thời

5.1. Tải trọng sóng nhiễu xạ và bức xạ

(tương tự đối với chương bể chứa nổi)

a) Mô hình hoá và các giả thiết của bài toán

Các tải trọng môi trường tác dụng lên công trình biển nổi bao gồm : - Tải trọng tĩnh : gió, dòng chảy, lực trôi dạt do sóng. - Tải trọng động : sóng thay đổi theo chu kỳ. Tác động của các yếu tố môi trường biển gây nên phản ứng của công trình biển nổi

thể hiện ở 2 loại sau: - phản ứng của vật thể rắn tuyệt đối dưới dạng dao động lắc theo 6 bậc tự do; - phản ứng của vật thể đàn hồi dưới dạng ứng suất-biến dạng của kết cấu.

Trong mục này đề cập đến bài toán dao động lắc của công trình nổi được coi là vật

thể tuyệt đối rắn dưới tác động của sóng tới. Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh của môi trường công trình biển nổi dịch chuyển từ vị

trí ban đầu (1) đến vị trí trung bình (2), và công trình sẽ dao động xung quanh vị trí (2) đến vị trí (3) và (3’) khi có tác dụng của lực động (Hình 2.46).

Hình 2.46.

Để xây dựng phương trình cân bằng thuỷ động lực học của công trình nổi có neo giữ

người ta sử dụng các giả thiết sau: - chất lỏng lý tưởng, không nhớt, không nén được

89

- chuyển động của chất lỏng là chuyển động không xoáy - sóng tới là sóng Airy có tần số góc và biên độ H/2 - biên độ sóng và biên độ dao động lắc của công trình nổi là nhỏ - công trình nổi là vật thể tuyệt đối rắn

Với các giả thiết trên bài toán động lực học công trình biển nổi có neo giữ là bài toán

tuyến tính. Để xác định lực tác động của môi trường lên công trình cần xác định được hàm thế vận tốc của chất lỏng xung quanh công trình. Công trình nổi có neo giữ là vật thể khối lớn, do đó hàm thế vận tốc của chất lỏng xung quanh công trình dao động được tìm dưới dạng sau :

)t,z,y,x()t,z,y,x()t,z,y,x()t,z,y,x( Rdi

tiRdi e)uuu( (2.25)

trong đó:

tiii eu hàm thế vận tốc của sóng tới ;

tidd eu hàm thế vận tốc của sóng nhiễu xạ ;

tiRR eu hàm thế vận tốc của sóng bức xạ ;

Rdi u,u,u tương ứng là biên độ của hàm thế sóng tới, sóng nhiễu xạ và sóng bức xạ (chỉ phụ thuộc vào toạ độ x, y, z) ; - tần số góc của sóng tới ; t - biến thời gian ;

1i - số phức Như vậy, bài toán xác định tải trọng sóng tác động lên công trình nổi được mô hình

hoá thành các bài toán sau: Bài toán 1: Xác định hàm thế sóng nhiễu xạ đối với công trình không chuyển động (X=0). Bài toán 2: Công trình nổi di chuyển, nhưng không có sóng tới, gây ra sóng bức xạ. Cần xác định hàm thế sóng bức xạ. b) Các thành phần lực tác dụng lên công trình nổi

b-1) Bài toán xuất phát (Bài toán xác định hàm thế vận tốc sóng tổng cộng)

Hàm thế )t,z,y,x( là hàm điều hoà, thoả mãn phương trình Laplace:

90

0zyx

)t,z,y,x(2

2

2

2

2

2

với z) y, ,x( (2.26)

trong đó: - miền chất lỏng bao quanh công trình nổi. Các điều kiện biên để giải phương trình Laplace xác định hàm thế vận tốc sóng

)t,z,y,x( :

Trên mặt tự do của chất lỏng :

0tg

1

z 2

2

0z (2.27)

Tại đáy biển (điều kiện không thấm nước, đáy biển bằng phẳng)

0z

dz (2.28)

Trên mặt ướt của công trình nổi (điều kiện không thấm nước của bề mặt ướt công trình nổi):

nVn

s

S)z,y,x(M (2.29)

với n véc tơ pháp tuyến ngoài của bề mặt ướt S của công trình nổi;

sV véc tơ vận tốc chuyển động của điểm xét )z,y,x(M nằm trên bề mặt ướt S của công trình nổi.

Điều kiện tại xa vô cùng (điều kiện khuyếch xạ Sommerfeld) :

i khi 22 yxr (2.30)

b-2) Các bài toán xác định hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ và bức xạ

Giả sử cho trước sóng tới có hàm thế vận tốc dạng sau:

)tkx(ii e

chkd

)dz(chk

2

igH)t,z,y,x(

(2.31)

với H - chiều cao sóng tới ; k - số sóng ; d - độ sâu nước ; g - gia tốc trọng trường.

Như vậy, từ bài toán xuất phát (là bài toán tuyến tính), ta có 2 bài toán sau : Bài toán xác định hàm thế vận tốc sóng nhiễu xạ : 1) 0)z,y,x(ud )z,y,x(M (2.32)

2) 0ugz

ud

2d

0z (2.33)

91

3) 0z

ud

dz (2.34)

4) n

)M(u

n

)M(u id

S)z,y,x(M (2.35)

5) 0ug

ir

urlim d

2d

r

với 22 yxr (2.36)

Bài toán xác định hàm thế sóng bức xạ :

Ký hiệu chuyển vị lắc thứ j của công trình nổi là :

tiaj eX)t(X

j

61j (2.37)

Vận tốc của dao động lắc thứ j là:

tiaj

tiaj eXi)t(XeV)t(V

jj

(2.38)

với jj aa V,X - biên độ chuyển vị lắc và biên độ vận tốc lắc.

Hàm thế sóng bức xạ do chuyển động của công trình nổi theo 6 bậc tự do gây nên được phân tích thành dạng sau :

6

1j

tiaR

tiRR eVue)z,y,x(u)t,z,y,x(

jj (2.39)

trong đó:

6

1jaRR jj

Vu)z,y,x(u (2.40)

jRu hàm thế sóng bức xạ đơn vị (hàm thế sóng bức xạ khi vận tốc lắc = 1 đơn vị).

Bài toán xác định hàm thế sóng bức xạ đơn vị jRu :

1) 0)z,y,x(ujR )z,y,x(M (2.41)

2) 0ugz

uj

j

R

2R

0z , j = 16 (2.42)

3) 0z

ujR

dz (2.43)

4) )M(gn

)M(uj

R j

S)z,y,x(M (2.44)

92

5) 0ug

ir

urlim

j

jR

2R

r

với 22 yxr (2.45)

trong đó: )M(g j vận tốc đơn vị hay côsin chỉ phương của véc tơ lực và véc tơ mô men

tại điểm M theo phương dao động thứ j được xác định theo các công thức sau :

)x,ncos(y)y,ncos(xn

u)M(g

)z,ncos(x)x,ncos(zn

u)M(g

)y,ncos(z)z,ncos(yn

u)M(g );z,ncos(

n

u)M(g

)y,ncos(n

u)M(g );x,ncos(

n

u)M(g

6

5

43

21

R6

R5

R4

R3

R2

R1

(2.46)

n - véc pháp tuyến đối với mặt ướt S tại điểm M.

Nhận xét: * Từ bài toán xuất phát, sử dụng phương pháp tách hàm thế (x,y,z,t) ta nhận được 7

bài toán con (một bài toán xác định hàm thế sóng nhiễu xạ và 6 bài toán xác định hàm thế sóng bức xạ đơn vị).

* Phương pháp giải những bài toán trên phụ thuộc vào hình dạng của mặt ướt S của công trình nổi .

Với công trình nổi hình dạng đơn giản (trụ tròn,…) ta có nghiệm giải tích. Với công trình nổi có hình dạng phức tạp bất kỳ cần phải giải bằng phương pháp

số (phương pháp phần tử hữu hạn hoặc phương pháp phần tử biên).

b-3) Các lực tác dụng lên công trình nổi Sau khi xác định được d và

jR )61j( ta có thể xác định được áp lực sóng

và tải trọng sóng tác dụng lên công trình nổi. Sử dụng công thức Bécnuli để tính toán áp lực thuỷ động lên công trình nổi :

0)pp(

21

gzt

02

(2.47)

Bỏ qua thành phần phi tuyến 2 trong (2.47) ta nhận được :

93

0)pp(

gzt

0

(2.48)

hay 0pgzt

p 0

Suy ra : gzp0 áp lực thuỷ tĩnh (2.49)

t

p

áp lực thuỷ động (2.50)

Lực thuỷ động tác dụng lên công trình nổi được xác định theo công thức sau :

dsnt

dsnp)t(FSS

(2.51)

với S diện tích mặt ướt của công trình nổi ; ds phân tố diện tích của S. + Tải trọng sóng tới và sóng nhiễu xạ:

áp lực sóng tới và sóng nhiễu xạ:

tidi e)uu(i

tp

(2.52)

tải trọng sóng tới và sóng nhiễu xạ tác dụng tại trọng tâm G của công trình nổi :

Sjj dsgp)t(f (2.53)

với 61j , S diện tích mặt ướt của công trình nổi, jg xác định theo các công thức

(2.46) nêu trên. + Tải trọng sóng bức xạ :

áp lực sóng bức xạ tác dụng lên mặt ướt S :

tiaR

Rj eVui

t)t(p

jj

j

(2.54)

với jRu hàm thế vận tốc sóng bức xạ đơn vị

Lực thuỷ động sóng bức xạ do công trình nổi chuyển động gây nên : dsgp)t(F j

Sjij 61j ;61i (2.55)

trong đó: )t(Fij thành phần lực sóng bức xạ thứ i đặt tại trọng tâm G của công trình nổi

do chuyển động thứ j của công trình nổi gây nên. Thực hiện các tính toán ta có thể biểu diễn )t(Fij dưới dạng sau :

)t(X)(N)t(X)(M)t(F jijjijij (2.56)

94

Xét với tất cả 61j ;61i ta nhận được các ma trận sau :

)(M)(M6x6ij ma trận khối lượng nước kèm

)(N)(N6x6ij ma trận cản thuỷ động lực học

Các ma trận )(M và )(N dễ dàng xác định được khi đã biết jRu (j=16).

+ Lực thuỷ tĩnh Ngoài các tải trọng sóng nêu trên, khi công trình nổi thực hiện chuyển vị nào đó thì sẽ

có lực thuỷ tĩnh tác dụng lên mặt ướt S :

6

1jjiji )t(XK)t(R 61i (2.57)

trong đó: )t(X j các chuyển vị của công trình nổi, được coi là tựa tĩnh

ijK “hệ số độ cứng” của công trình nổi trong môi trường nước, phụ thuộc vào

đặc trưng hình học của công trình nổi nằm trong nước. )t(R i lực phục hồi thứ i của véc tơ 6x6R , có xu hướng đưa công trình nổi trở lại vị trí cân bằng. Viết dưới dạng ma trận : )t(XK)t(R (2.58) 5.3. Phương trình tổng quát của bài toán động dựa trên mô hình gần đúng Phương trình cân bằng của công trình nổi có neo giữ : W)t(Flùc i¹Ngo)t(XC)t(Xm mt (2.59)

với C ma trận cản trong của kết cấu công trình nổi ; m ma trận khối lượng bản thân công trình nổi quy về trọng tâm G;

AXW lực giữ của dây neo ; (2.60) A ma trận độ cứng tương đương của dây neo ; )t(Fmt lực tổng cộng của các yếu tố môi trường tác dụng lên công trình nổi :

)t(R)t(F)t(f)t(Fmt (2.61)

trong đó f(t) - lực sóng tới và sóng nhiễu xạ

F(t), R(t) - tương ứng là lực sóng bức xạ và lực thuỷ tĩnh.

Với giả thiết công trình nổi là vật thể tuyệt đối cứng thì 0C , ta có : )t(F)t(AX)t(Xm mt (2.62)

Thay các số hạng thành phần của )t(Fmt vào (2.59), cuối cùng ta nhận được :

)t(f)t(X)KA()t(X)(N)t(X)](Mm[ (2.63)

95

Phương trình (2.63) phương trình động lực học tổng quát của công trình bán chìm. Ghi chú : Khi công trình nổi không có neo giữ thì ma trận 0A . 5.4- Phản ứng của công trình nổi có neo giữ

1) Bài toán dao động riêng của công trình nổi : 0X)KA()t(X)(N)t(X)](Mm[ (2.64)

Phương trình tần số để giải bài toán dao động riêng của công trình nổi có neo giữ :

0)AK()(Ni)](Mm[det 2 (2.65) Với 6 thành phần chuyển vị ta xác định được 6 tần số dao động riêng :

6321 .....

tương ứng với 6 chu kỳ dao động riêng 6321 T.....TTT .

2) Bài toán dao động cưỡng bức do sóng a. Mô hình sóng tiền định

Coi sóng tới là sóng Airy có chiều cao H và tần số góc , chuyển vị của công trình nổi là :

tiaj eX)t(X

j

)61j(

Giải phương trình động lực học (**) bằng cách phân tích “mode” thành 6 phương trình 1 bậc tự do và thực hiện các tính toán ta xác định được 6 chuyển vị lắc (phương pháp giải tham khảo môn học công trình biển cố định bằng thép).

* Đối với công trình nổi có D/L<0,2 (trong đó D - kích thước đặc trưng của công trình nổi , L - chiều dài sóng tới), sử dụng công thức Morison xác lực sóng ; khối lượng nước kèm )(M cũng như lực cản thuỷ động )(N không phụ thuộc vào tần số góc . Cách xác định )(M và )(N - xem tài liệu môn học công trình biển cố định bằng thép. Ngoài ra, để mô tả sát điều kiện làm việc của công trình cần sử dụng lý thuyết sóng Stokes để xác định lực sóng f(t) ở vế phải phương trình động lực học.

* Khi công trình nổi có kích thước lớn 2,0L

D thì khối lượng nước kèm )(M

cũng như lực cản thuỷ động )(N phụ thuộc vào tần số góc . Sử dụng lý thuyết sóng Airy để xác định f(t). Thực hiện phương pháp tách mốt và tích phân các phương trình dao động theo bước thời gian.

96

b. Mô hình sóng ngẫu nhiên

Phương trình (2.63)) là phương trình tuyến tính, do đó bài toán ngẫu nhiên được giải bằng phương pháp phân tích phổ.

Các giả thiết của bài toán như sau : - Dao động bề mặt nước trong một trạng thái biển ngắn hạn được coi là quá trình

ngẫu nhiên dừng, chuẩn, trung bình không, đặc trưng bởi hàm mật độ phổ )(S .

- Phổ năng lượng sóng là phổ dải hẹp. Do đó, chiều cao sóng tuân theo luật phân phối Rayleigh.

Giả sử đã biết phổ năng lượng sóng tại khu vực neo công trình là )(S , ta có thể

xác định được phân bố dài hạn của biên độ chuyển vị jaX theo các bước sau:

+ Sử dụng phương pháp tách mốt đưa bài toán 6 bậc tự do về 6 bài toán 1 bậc tự do. + Xác định ma trận hàm truyền )(H

jaX

+ Xác định hàm mật độ phổ của biên độ chuyển vị jaX (chuyển vị theo phương j

của trọng tâm G) :

)(S)(H)(S2

XXXjajaja

)61j( (2.64)

+ Phương sai của biên độ chuyển vị ajX :

d)(S)(Hd)(S0 0

2

XXX2X ajajajaj

(2.65)

+ Vì )(S là phổ dải hẹp, nên )(S

ajajXX cũng là phổ dải hẹp. Ở trạng thái

biển ngắn hạn ajX cũng phân bố theo luật Rayleigh với các thông số 3/1H và T . Do đó,

2X

ja phụ thuộc vào 2 thông số 3/1H và T , tức là có )T,H( 3/1

2X

ja .

Hàm phân phối xác suất của jaX được viết như sau:

))T,H(

aexp(1)T,H aX(P

3/12X

2

3/1a

ja

j (2.66)

với a - giá trị bất kỳ của chuyển vị lắc.

97

Giả sử )T,H(f 3/1 là mật độ xác suất dài hạn của 2 thông số 3/1H và T trong trạng

thái biển ngắn hạn. Khi đó phân phối xác suất )aX(Pja dài hạn của

jaX được xác

định theo công thức sau:

0 0

3/13/13/1aa Td dH )T,H(f)T,H aX(P)aX(Pjj

(2.67)

Sơ đồ khối của bài toán động lực học công trình nổi có neo giữ được cho trong hình 2.47. dưới đây.

Hình 2.47. Sơ đồ khối của bài toán động lực học công trình nổi có neo giữ

5.5- Tính toán gần đúng bài toán ĐLH công trình nổi có neo giữ

- Xét bài toán phẳng trong mặt phẳng zox, độ chính xác cấp 1; - Kết cấu nổi tuyệt đối cứng - Dây neo không biến dạng (mô hình tuyến tính) - Tải trọng động của môi trưnừg: Lực sóng và dòng chảy tác dụng lên công trình

nổi được quy về hợp lực tại trọng tâm công trình nổi với 3 thành phần là Fx, Fz và My. Các lực này gây nên chuyển động của công trình nổi theo 3 phương gồm hai chuyển vị thẳng dọc theo trục ox và oz là u và v và chuyển vị xoay quanh trục oy là .

Số liệu thuỷ

Số liệu

Số liệu kết cấu

Bài toán tĩnh

Bài toán động lực học

Bài toán ĐLH tiền

Bài toán động lực học ngẫu

Kiểm tra bền

Kiểm tra mỏi

Số liệu gió

Số liệu dòng chảy

98

Hình 2.48

Đặc trưng độ cứng của liên kết neo có thể tính toán theo 4 mô hình sau (Hình 2.19): . Mô hình 1 (mô hình tuyến tính) : ukR

Trong tính toán gần đúng thường sử dụng mô hình 1 (mô hình tuyến tính). Fx= kx . u Fz= kz . v My= k .

. Mô hình 2 (mô hình phi tuyến đối xứng) : 321 ukukR

. Mô hình 3 (mô hình phi tuyến không đối xứng) :

321 ukukR khi 0u

321 ukukR khi 0u

. Mô hình 4 (trường hợp riêng của trường hợp 3) :

221 ukukR khi 0u

hoặc ukR khi 0u

1)

2)

3) 4)

R

U

R

U

99

Hình 2.49 Các mô hình độ cứng của liên kết neo

Các giả thiết để giải gần đúng bài toán động lực học của công trình nổi có neo giữ như sau : - Sóng tác dụng là sóng điều hoà (dạng sóng Airy). - Lực liên kết neo tính theo mô hình 1). - Hệ công trình là hệ phẳng có 3 bậc tự do; 3 chuyển vị của công trình nổi độc lập với nhau, tức là:

. lực ngang Fx chỉ gây ra chuyển vị ngang u,

. lực thẳng đứng Fz chỉ gây ra chuyển vị thẳng đứng v,

. mô men My chỉ gây ra chuyển vị xoay . Do đó có thể xét riêng 3 bài toán dao động tương ứng với 3 chuyển vị nêu trên.

* Bài toán dao động theo phương ngang x: Phương trình dao động có dạng sau:

)t(F)t(uk)t(uC)t(u)Cm( xxxmx (2.68)

trong đó: m - khối lượng của công trình nổi; mxC - khối lượng nước kèm theo phương x;

xC - hệ số cản thuỷ động theo phương x; xk - độ cứng của đường dây neo; )t(xF - lực

ngang tác dụng theo phương trục x. .Tần số dao động riêng của công trình theo phương x được xác định theo công thức:

0ukuCu)Cm( xxmx (2.69)

- Tần số dao động riêng không có cản (khi 0Cx ):

mx

x0x Cm

k

(2.70)

- Tần số dao động riêng có cản (khi 0Cx ):

2x

20xx )( với

)Cm(2C

mx

xx (2.71)

. Dao động cưỡng bức:

Giả sử lực tác dụng là lực điều hoà dạng )tsin(F)t(F xx , chuyển vị của

R

U

R

U

100

công trình nổi sẽ là : )tsin(A)t(u xx (2.72)

trong đó : x - pha của dao động

xA - biên độ của chuyển vị

)Cm()(

FA

mx20

x

xx

(2.73)

* Bài toán dao động theo phương đứng z: Phương trình chuyển động có dạng sau:

)t(F)t(v)Sk()t(vC)t(v)Cm( zzzmz (2.74) trong đó: m - khối lượng của công trình nổi; mzC - khối lượng nước kèm theo phương z; zC - hệ số

cản thuỷ động theo phương z; zk - độ cứng của đường dây neo; )t(Fz - lực đứng tác dụng

theo phương trục z; - trọng lượng riêng của nước; S - diện tích mặt đường nước của công trình nổi; * Bài toán chuyển vị xoay quanh trục ngang y :

Phương trình chuyển động có dạng sau: )t(M)t(k)t(C)t()CI( ymy yyy

(2.75)

trong đó: ymC - khối lượng nước kèm xoay quanh trục y;

Hệ số y020x JSakCk

y

yI - mô men quán tính khối lượng của công trình nổi đối với trục đi qua trọng tâm G

của công trình nổi và song song với trục oy;

oyJ - mô men quán tính của diện tích mặt đường nước S đối với trục đi qua tâm o của

diện tích S và vuông góc với mặt phẳng dao động xoz;

oa - khoảng cách từ tâm o của diện tích S đến trọng tâm G. Giải phương trình (2.74) và (2.75) tương tự như đối với phương trình (2.68) sẽ xác

định được tần số dao động riêng ,,, 0z

0z và biên độ chuyển vị zA , A .

Kết luận : - Bài toán tổng quát và gần đúng đều xét trong phạm vi của bài toán tuyến tính. - Trường hợp cần nghiên cứu chính xác sự làm việc của công trình nổi có neo giữ thì phải kể đến yếu tố phi tuyến do tính chất tương tác giữa công trình nổi và sóng (khối lượng nước kèm và lực cản thuỷ động phụ thuộc vào tần số góc của sóng, sự phi tuyến hình học của dây neo) thì phải sử dụng phương pháp số.

101

Chương 3 : Bể chứa nổi (Floating Production, Storage and Offloading Systems – FPSOs)

1. MỞ ĐẦU Mục đích chính của phần này nghiên cứu cấu tạo, phân loại và giới thiệu tổng quan các bể chứa nổi, xử lý và rót dầu (FPSO) đã và đang được khai thác trên thế giới và Việt nam.

1.1. Khái niệm cơ bản về bể chứa nổi 1.1.1 Định nghĩa

FPSO FSO

Hình 1. Hình ảnh của FPSO (trái) và FSO (phải) đang khai thác

FPSO : (tên viết tắt của Floating Production Storage Offloading) (hình 1) FPSO là một công trình nổi để khai thác, xử lý, chứa đựng và rót dầu trên biển. - Cấu

tạo : Công trình này có hình dạng giống như một con tàu (hoặc xà lan), nhưng nó lại được

thiết kế với mục đích hoàn toàn khác. Nó được trang bị trên sàn công tác các thiết bị cần thiết để khai thác và xử lý dầu (lọc, tách dầu-khí,..), được nối với một dàn khoan cố định. Trên công trình còn có các khoang chứa dầu thô được lấy từ các đầu giếng dầu dưới đáy biển. FPSO được nối liền với các đầu giếng bằng các đường ống mềm (risers). FPSO được neo giữ tại vị trí khai thác bởi hệ thống các dây neo dạng neo quanh một điểm hoặc nhiều điểm neo (xem mục § 1.3) và các neo cố định với đáy biển.

1.1.2. Các lưu ý về mặt kỹ thuật

Khi quyết định sử dụng một FPSO ta cần cân nhắc hai khả năng : xây dựng mới FPSO hoặc hoán cải từ một tàu dầu ? Sự lựa chọn tùy thuộc vào việc xem xét các yếu tố kinh tế, đặc điểm của khu mỏ, khả năng đáp ứng của thị trường các tàu dầu để hoán cải …

102

Xây dựng mới FPSO

(New build)

Hoán cải từ một tàu dầu

(Conversion)

vốn đầu tư lớn nhỏ hơn

Thời hạn hoàn thành dài hơn (khoảng 30 tháng)

nhanh hơn, nhưng thời hạn này có thể bị kéo dài nếu phải gia cố kết cấu tàu chống lại các điều kiện môi trường khắc nghiệt (VD ở biển Bắc)

Đáp ứng các yêu cầu khai thác (chứa đựng, rót dầu)

Đáp ứng hoàn toàn, bố trí tối ưu trên sàn công tác

Cần phải tìm được 1 tàu dầu đã xử dụng, phù hợp với yêu cầu khai thác, vỏ tàu còn tốt (trên quan điểm ăn mòn và mỏi)

Phân bố FPSO đóng mới ít hơn FPSO hoán cải nhiều hơn

1.1.3. Ưu điểm của các FSO/FPSO

Khả năng chứa đựng : Trái với phần lớn các công trình biển nổi khai thác dầu, các FPSO cho phép chứa

đựng các sản phẩm dầu khí sau khi xử lý. Các sản phẩm này, sau đó được rót trực tiếp cho các tàu dầu, hoặc chuyển tiếp vào hệ thống đường ống để chuyển vào bờ. Khả năng chứa đựng của một FPSO có thể tới 2 000 000 thùng dầu (VD FPSO Petrobras).

Khả năng di chuyển : Các FPSO là dạng công trình biển nổi có khả năng di động tốt nhất. Nó không yêu cầu phải lắp đặt những cơ sở hạ tầng (không cần hệ thống đường ống ngầm dưới biển), công trình có thể di chuyển dễ dàng từ mỏ này sang mỏ khác. Ví dụ :

- 1986-1990 : 8 FPSO di chuyển sang mỏ khác - 1991-1995 : 12 FPSO di chuyển - 5 FPSO đã được khai thác ở 2 mỏ (« Seillan », « FPSO II », « Ocean Producer »,

« Agip Firenze », « Santa-Inez ») - 3 FPSO đã được khai thác ở 3 mỏ (« Lan Shui », « P.P.Moraes », « San Jacinto ») - 1 FPSO đã được khai thác ở 4 mỏ (« Acqua Blu ») - 1 FPSO đã được khai thác ở 8 mỏ (« Petrojarl I ») Khả năng linh hoạt

Các FPSO/FSO thể hiện một khả năng thích nghi tốt, đáp ứng cho độ sâu nước tăng dần. Tại vùng Biển Bắc, các FPSO/FSO được sử dụng để khai thác ở độ sâu thay đổi từ 1000m-1500m nước mà không cần thay đổi kết cấu của công trình nổi, duy nhất hệ thống neo của nó được thích ứng cho phù hợp.

103

Bề mặt sàn công tác lớn FPSO được sở hữu một bề mặt sàn công tác lớn, cho phép nó đón nhận các hệ thống thiết bị lớn phục vụ công tác khai thác, xử lý dầu. Còn đối với các công trình biển khác, diện tích này là một vấn đề khá nhạy cảm : với dàn khoan cố định chẳng hạn, một diện tích lớn ở topside đòi hỏi một diện tích tỉ lệ tương ứng của công trình ở đáy biển, do đó chi phí sẽ tăng rất nhanh khi độ sâu nước tăng.

Khả năng nổi Như đã định nghĩa, hình dạng tàu thể hiện một khả năng nổi rất tốt. Điều đó cho phép FPSO chứa được khối lượng lớn các đường ống mềm risers cũng như các dây neo, với số lượng ngày càng nhiều, trong các vùng có độ sâu nước ngày càng tăng.

Lợi ích kinh tế Việc sử dụng FPSO cho phép rút ngắn thời gian chờ đợi trước khi các đầu giếng khoan được đưa vào khai thác. Có được điều đó chủ yếu là nhờ vào chức năng chứa đựng của công trình, vì thế không cần phải lắp đặt các đường ống ngầm để vận chuyển sản phẩm khai thác. Do đó việc sử dụng FPSO mang lại lợi ích kinh tế so với các hệ thống khai thác dầu khác.

1.2. Phân loại bể chứa nổi theo chức năng

1.2.1. Phân loại FPSO

- FPSO: Floating Production Storage Offloading Systems

Công trình nổi neo giữ, có chức năng xử lý (tách lọc), chứa đựng và rót dầu trên biển.

- FSO: Floating Storage Offloading Systems FSO là một công trình nổi để chứa đựng và nhập/rót dầu trên biển, thường có hình

dạng tàu hoặc xà lan để chứa đựng dầu. Hệ thống này tương tự FPSO, chỉ khác là nó không có chức năng xử lý dầu, do đó trên sàn FSO không có các thiết bị phục vụ việc xử lý dầu, khí.

- FDPSO: Floating Drilling, Production, Storage and Offloading Systems Ngoài chức năng để xử lý, chứa đựng và rót dầu trên biển giống như 1 FPSO, công

trình này được trang bị các thiết bị để đáp ứng thêm chức năng khoan (Drilling)

1.2.2. Các thiết bị trên bể chứa nổi

FPSO : FPSO là một công trình khai thác kết hợp chứa dầu nên nó được trang bị các thiết bị đặc chủng, và chúng được phân bố tại các vị trí xác định trên sàn công tác:

Hệ thống neo và hệ thống vận chuyển dầu :

104

Hệ thống này được bố trí ở đầu tàu để tiết kiệm chỗ trên sàn công tác. Nó đảm bảo cho trạm nổi có khả năng chịu được tốt nhất chống lại các tác động của điều kiện tự nhiên của biển.

Đuốc : được bố trí ở đầu tàu, trước hệ thống neo. Nó đốt cháy lượng khí thừa không được khai thác.

Khu nhà ở : Đối với các FPSO có chức năng tự hành (được trang bị bánh lái và bộ phận đẩy), nó có khả năng chứa được tới 160 người, còn đối với các FPSO không tự hành (thụ động), khả năng của nó chứa được 80 người. Khối nhà ở được bố trí ở phía đuôi tàu, cách xa khu sản xuất vì lí do an toàn chống cháy nổ.

Sân bay Để dễ dàng cho việc ứng cứu trong trường hợp khẩn cấp, sân bay trực thăng phải được thiết kế cùng cao độ với khu nhà ở.

Khu sản xuất Phần lớn diện tích sàn công tác trên tàu dành cho khu sản xuất. Nó được trang bị các thiết bị xử lí sản phẩm khai thác. Khu này được khuyến cáo bố trí ở gần đầu tàu, xa khu nhà ở.

Hình 2. Khu vực sản xuất khai thác và sân bay của một FPSO

Cần cẩu Mỗi FPSO nói chung có thể được trang bị 3 cần cẩu, chúng được phân bố ở các vị trí chiến lược như sau: - Cần cẩu đầu tiên đặt ở khu vực sản xuất, với khả năng cẩu lớn; - Cần cẩu thứ hai đặt ở khu vực hệ thống neo, để giúp cho việc tháo, lắp hệ thống neo với tàu (đối với các FPSO tháo rời được), và phục vụ công tác sửa chữa; - Cần cẩu thứ ba đặt ở khu vực nhà ở để vận chuyển các tải trọng tạm thời.

FSO : Vì không có chức năng sản xuất nên FSO không được trang bị các thiết bị tương

ứng có liên quan như : khu sản xuất xử lí dầu, đuốc và một vài cần cẩu, các thiết bị khác

105

tương tự FPSO. Có ít người trên FSO hơn (dưới 110 người). Hệ thống neo giữ cũng ít phức tạp hơn vì nó chỉ cần duy nhất 1 đường ống dẫn sản phẩm sau khi xử lí.

1.3 Phân bố của các FSO/FPSO trên thế giới : - Theo vị trí địa lý

Hình 3. Bản đồ phân bố của các FSO/FPSO trên thế giới (07-2005)

Theo đánh giá mới đây (Tạp chí “Offshore » Tháng 7- 2005), số lượng FPSO đã tăng mạnh so với thông kê năm 1997 (Tạp chí « Word Oil » – Tháng 4-1997):

Tháng 4-1997 Tháng 7- 2005 Đóng mới Hoán cải Tổng Đóng mới Hoán cải Tổng

Tổng số FPSO 40 % 60% 108 35,4% 64,6% 148 Nhận xét : Số lượng FPSO hoán cải nhiều hơn đóng mới vì lí do FPSO hoán cải từ tàu dầu có giá thành thấp hơn, thời gian hoàn thành nhanh hơn… Trong số các FPSO đang khai thác, phân bố được tập trung tại các vùng như sau:

Các khu vực khai thác

Số FPSO/Tổng số FPSO đang khai thác năm 1997

Số FPSO/Tổng số FPSO đang khai thác năm 2005

tỉ lệ số lượng tỉ lệ % tỉ lệ số lượng tỉ lệ % Biển Bắc 11/55 20% 19/99 19,2% Trung Quốc 7/55 12,7% 13/99 13,1% Brasil 3/55 5,5% 15/99 15,2%

106

Úc 5/55 9,1% 8/99 8,1% Việt Nam 4/55 7,3% 7/99 7,1% Nigéria 3/55 5,5% 8/99 8,1% Angola 2/55 3,6% 6/99 6,1%

- Sự phát triển của các FSO/FPSO theo độ sâu nước

Ban đầu các FPSO được sử dụng tại các mỏ nhỏ, hoặc khai thác sớm với thời hạn ngắn. Từ năm 1980 nó được sử dụng thường xuyên, tại các vùng biển sâu hơn, khả năng sản xuất lớn hơn đòi hỏi số các ống mềm (riser) nhiều hơn (8 đến 47 đường ống). Sự phát triển của các FSO/FPSO theo độ sâu nước được thể hiện ở đồ thị Hình 4. Từ năm 1977 đến nay, nó trải qua 3 đợt sóng lớn : + từ 1977 đến 1985 : một trong những lựa chọn của các công trình biển nổi +từ 1986 đến 1994 : thời kỳ phát triển nhanh với các kỹ thuật tiên tiến mới, trong các vùng địa lý rộng hơn và độ sâu nước lớn hơn. 34 FPSO phát triển trong thời gian này (3,7 FPSO/năm) + từ 1995 đến nay : tăng trưởng đặc biệt. Trong 14 năm (1995-2008), khoảng 94 FPSO đã được lắp đặt, trung bình 6,7 FPSO/năm. Trong số đó, 46 FPSO được đưa vào sử dụng trong 5 năm (1995-1999), trung bình 9 FPSO/năm.

Evolution des FSO/FPSO

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1974 1979 1984 1989 1994 1999 2004 2009Année de mise en exploitation du champ exploité par FSO/FPSO

haut

eur d

'eau

(m)

FSO/FPSO en opération

FSO/FPSO en constructionou conversionFSO/FPSO en modification

LPG FPU/FPSO

FPSO étant offert

Hình 4. Sự phát triển của các FSO/FPSO theo độ sâu nước

1 2 3

107

Đặc biệt từ 1996, với sự khám phá của các mỏ mới có độ sâu nước lớn, số lượng FPSO tăng vọt. Từ độ sâu trên 1000 m, có 22 FPSO đang khai thác, từ năm 1996-2008. Độ sâu nước lớn nhất được khai thác bởi FPSO vào năm 2007 là 1500m. - Sự phát triển của các FPSO theo thời gian so với các CTB nổi khác

Hình 5. Quá trình phát triển của các công trình biển nổi (FPS) từ 1975-2008

Số lượng các công trình biển nổi được đưa vào khai thác tăng nhanh sau từng năm, đặc biệt là dạng FPSO (Hình 5) 2. Liên kết neo bể chứa nổi Mục đích chính của phần này là phân tích các dạng hệ thống neo (thiết bị cuối) của các FPSO, ưu nhược điểm và tình trạng sử dụng của từng loại, đi sâu vào loại neo 1 điểm, tổng kết, so sánh, đánh giá các dạng hệ thống neo giữ của FPSO để đảm bảo cho các công trình FPSO lựa chọn được loại neo phù hợp và tối ưu nhất, phục vụ thiết thực cho công tác khai thác dầu khí.

2.1. Các loại neo bể chứa nổi

2.1.1. Giới thiệu về các hệ thống neo giữ

Định nghĩa, chức năng của các hệ thống neo giữ • đảm bảo nhiệm vụ neo giữ cho FPSO • nhận/rót dầu: đảm bảo sự vận chuyển các sản phẩm khai thác giữa tàu dầu

và FPSO hoặc giữa các giếng khai thác với FPSO • truyền tải trọng từ tàu FPSO sang các dây neo.

Phạm vi ứng dụng của FPSO : • vận chuyển dầu từ một dàn khoan đến chứa đựng ở một FSO (hình 7a,d )

108

Hình7. Các ứng dụng chính của việc sử dụng hệ thống neo FPSO

• vận chuyển dầu thô từ các giếng dầu dưới đáy biển tới một FPSO (Hình7b,c ) • rót dầu đã qua xử lí từ 1 trạm chứa nổi FSO sang 1 tàu dầu (Hình 7d )

109

• rót dầu đã qua xử lí từ 1 trạm chứa nổi FSO qua các hệ thống lắp đặt sẵn để chuyển vào bờ (Hình 7c)

Các lợi ích đã được chứng minh : • Ưu điểm về kỹ thuật : thay thế hệ thống đường ống ngầm để vận chuyển dầu tới

nơi xuất ; • Lợi ích kinh tế: các mỏ khai thác xa bờ ; các mỏ qui mô nhỏ => giải pháp : tái sứ

dụng ; khai thác sớm ; • Lợi ích chính trị: không phụ thuộc vào các hệ thống lắp đặt trên bờ, nơi mà chịu sự

giám sát của các nhà cầm quyền địa phương tại các nước có chế độ chính trị không ổn định.

2.1.2. Phân loại hệ thống neo : Hệ thống neo có những dạng sau đây: • Kiểu cổ điển : tàu được neo giữ tại bến, lực neo dạng này lớn nhất (Hình8a). • DP (Dynamic Positioning) Neo động : nhờ các bộ dẫn tiến ở bên sườn tàu nối với

các phần mềm định vị động cho phép tàu được giữ ở vị trí khai thác mà không cần một thiết bị neo nào khác.

• CMBM (Conventional Multi Buoy Mooring) Neo nhiều điểm : tàu được neo giữ từ nhiều điểm trên tàu bởi các xích neo nối với đáy biển (Hình 8c).

• SPM (Single Point Mooring) Neo một điểm : lực neo của dạng này gần như nhỏ nhất, tàu được neo giữ quanh một điểm và có thể xoay quanh nó (Hình 8d).

• Neo tại vị trí lấy dầu từ một FSO/FPSO : tàu được neo dạng nối đuôi «tandem» hoặc dạng song song « side by side » (Hình 9)

a b c d e

Hình 8. Sơ đồ sự thay đổi của lực neo theo các dạng neo « thiết bị cuối »

110

Hình 9 Rót dầu sang tàu dầu bằng 2 vị trí neo : dạng nối đuôi hoặc dạng song song

2.1.2.1. Kiểu neo động D.P (Dynamic Positioning)

Không có hệ thống neo vì nó sử dụng các thiết bị dẫn tiến ở bên sườn tàu, nối với một phần mềm định vị động để tàu được giữ ở vị trí khai thác chống lại các yếu tố bên ngoài. (Hình 10) Tình trạng sử dụng : Ứng dụng trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (điều kiện môi trường số 3), có thể được sử dụng kết hợp với các hệ thống neo S.P.M (20% turret sử dụng D.P), độ sâu nước lớn nhất : dmax=105m Ưu điểm: Không cần có bàn xoay đỡ cáp neo, giá thành thấp, tính di động cao Nhược điểm : Số đường ống dẫn dầu riser bị hạn chế ; việc tạm ngừng khai thác khá thường xuyên ; không dùng được trong thời gian dài, không được đảm bảo chắc chắn vì nó phụ thuộc vào một hệ thống mà hệ thống đó có thể bị suy yếu.

111

Hình 10. Hệ thống neo dạng động D.P

2.1.2.2. Hệ thống neo dạng CMBM (Conventional Multi Buoy Mooring)

Neo nhiều điểm SPREAD MOORING với dây cáp nối (hình 11) Tàu được neo giữ từ nhiều điểm trên tàu bởi các xích neo nối với đáy biển, tuy nhiên nó không cho phép tàu xoay về hướng giảm thiểu lực nhất. Tình trạng sử dụng: Ứng dụng trong điều kiện môi trường hài hòa (86% điều kiện số 1, 14% điều kiện số 2) ; 15% FPSO và 8% FSO sử dụng hệ neo này; d max=180m Ưu điểm: Không có bàn xoay, giá thành thấp khi độ sâu nước nông, không giới hạn số lượng riser. Nhược điểm : Rất nhạy cảm với sự thay đổi hướng của sóng, gió, dòng chảy; việc tạm ngừng khai thác khá thường xuyên ; giá thành cao ở vùng nước sâu.

Hình 11. Minh họa hệ thống neo nhiều điểm

112

2.2. Hệ thống neo tại 1 điểm (Single Point Mooring S.P.M )

2.2.1. Nguyên lý neo tại 1 điểm Hệ thống này neo giữ tàu bằng một điểm duy nhất. Hệ neo này bao gồm các bộ phận chung như sau :

+ Một bộ phận liên kết với đáy biển (dạng phao neo bằng dây cáp, dạng chân đế cố định, …)

+ Một bộ phận xoay liên kết với tàu FPSO. Tổ hợp này cho phép tàu xoay quanh vị trí neo giữ để giảm thiểu tác động môi trường bên ngoài. Nhờ ưu điểm này, dạng neo SPM là dạng thích nghi nhất với tất cả các điều kiện môi trường. Trong các dạng neo một điểm, ta có thể kể đến các kiểu neo sau :

• C.A.L.M. Catenary Anchor Leg Mooring : phao nổi được nối với tàu bằng dây cáp, hoặc bằng một hệ thống tay đòn cứng, hoặc nửa cứng ;

• S.A.L.M. Single Anchor Leg Mooring : chân neo đơn được nối với tàu bằng dây cáp, hoặc bằng một hệ thống tay đòn cứng ;

• S.A.L.S. Single Anchor Leg Storage : chân neo đơn được nối với tàu bằng hệ thống tay đòn nửa cứng ;

• TURRET ngoài (dạng thường xuyên hoặc tháo rời), TURRET trong (dạng thường xuyên hoặc tháo rời) ;

• Kiểu neo bằng chân đế cố định Jacket, nối với tàu bằng hệ thống tay đòn nửa cứng ; • Kiểu neo bằng cột có khớp ALP (Colonne articulée), nối với tàu bằng dây ; • SPAR neo bằng trụ phao, nối với tàu bằng dây. Dưới đây là phần nghiên cứu chi tiết từng dạng neo kể trên :

2.2.2. Cấu tạo các loại neo 1 điểm: CALM, Turret, SALM, ALP

a/ Hệ thống neo một điểm dạng CALM (Catenary Anchor Leg Mooring)

Kiểu neo giữ CALM được sử dụng đối với các FSO để phục vụ việc lấy/rót dầu. Nó bao gồm một phao nổi hình trụ (đường kính = 8-17m), phao được neo giữ xuống đáy biển bởi hệ thống các dây neo gồm 4-8 xích neo hoặc bó cáp (hoặc dây cáp sợi tổng hợp), được neo với đáy biển bằng các neo hoặc cọc đóng xuống đất.

113

Hình 12. Sơ đồ hệ neo dạng CALM nối với tàu FPSO bằng dây cáp

Tàu FPSO được nối với phao nổi bằng các giải pháp khác nhau như sau : bằng dây cáp, hoặc bằng một hệ thống tay đòn cứng, hoặc nửa cứng. Bộ phận xoay được bố trí ở trên phao nổi. Dầu được lấy/rót nhờ các hệ thống đường ống ngầm, hoặc PLEM hoặc các ống mềm risers nối với tàu qua phao nổi. Tải trọng từ môi trường tác động lên tàu FPSO và lên phao được truyền vào hệ thống neo.

Hình 13. Minh họa hệ thống neo dạng CALM nối với tàu FPSO bằng dây cáp

114

a1/ CALM nối với tàu FPSO bằng dây cáp : (Hình 12, 13) Liên kết mềm cho phép tháo dây dễ dàng trong trường hợp cần thiết. Phao nổi của dạng neo CALM gồm có nhiều bộ phận (Hình 14) :

Hình 14. Minh họa phao nổi của hệ CALM

- Phần thân phao nổi ; - Bộ phận bàn xoay; - Váy để cố định xích neo ; - Điểm quay (Swivel) ; - Các bộ phận cơ khí : nối giữa bàn xoay và phần thân phao nổi ; - Các đường ống mềm.

- Tình trạng sử dụng: + Ứng dụng trong tất cả các điều kiện môi trường cho tới độ sâu nước dmax = 405m; + 29% FSO và không có FPSO nào sử dụng hệ neo này; + Tất cả các hệ thống neo kiểu CALM với dây nối đều có thể tháo rời được - Ưu điểm: Đơn giản, hiệu quả, giá thành chế tạo thấp, dễ dàng sử dụng lại để neo một con tàu khác với điều kiện biển tương đương, thích ứng ở độ sâu lớn bằng cách tăng độ nổi. - Nhược điểm : Chưa có ứng dụng với FPSO, có khả năng va chạm với phao nổi, có thể xảy ra khó khăn với neo khi vận tốc dòng chảy ;

115

Vì lí do trọng lượng của điểm quay (swivel) lớn => hạn chế số đường ống mềm là 4 risers => sử dụng bị hạn chế ở các mỏ nhỏ hoặc chỉ dùng cho chức năng chứa, rót dầu, không có chức năng xử lý.

a2/ CALM nối với tàu FPSO bằng liên kết cứng (CALM & Rigid Yoke ou SBS - Single Bouy Storage)

Dạng neo này là tổ hợp của phao nổi CALM với một cánh tay đòn cứng. Với sự giúp đỡ của cánh tay đòn này, tàu được neo giữ vào phao, cho phép chuyển động xoay và chuyển động dập dềnh. Nhờ đó, nó có thể ứng dụng ở độ sâu nước lớn hơn, giảm được dòng chảy xoáy quanh tàu, tàu ở đây được neo thường xuyên. (Hình 15).

- Tình trạng sử dụng: + Ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°1 và n°3 cho tới độ sâu nước dmax = 350m (Philippines); số lượng riser là 3 đến 4 + 4% FSO và 4% FPSO sử dụng hệ neo này; + Neo kiểu CALM với cánh tay đòn cứng là kiểu neo không thể tháo rời được - Ưu điểm: Tránh được va chạm của tàu với phao nổi. - Nhược điểm : Số đường ống mềm hạn chế => sử dụng bị hạn chế ở các mỏ nhỏ hoặc chỉ dùng cho chức năng chứa, rót dầu. Khả năng thích ứng với tàu khác là khó khăn. - Nhận xét: Lần sử dụng sau cùng của loại neo này là vào năm 1992. Các phao dạng CALM đã được thay đổi thích ứng : một phao CALM liên kết cứng đã khai thác ở độ sâu 90m nước, đã được dịch chuyển đến mỏ mới sâu 1350m, mà không phải thay đổi gì kết cấu và độ nổi của phao.

116

Hình 15. Hệ thống neo dạng CALM liên kết cứng (CALM & Rigid Yoke)

a3/ CALM nối với tàu FPSO bằng liên kết tay đòn mềm (CALM & Soft Yoke hay CALM Wishbone)

Hệ thống neo CALM liên kết tay đòn mềm này được sử dụng cho 3/4 các FSO của Xí nghiệp LD DK Vietsovpetro (Vũng Tàu, Việt Nam). CALM liên kết mềm có được 2 khả năng: neo thường xuyên hoặc tháo dời được. Trong khi đó, loại liên kết dây thì chỉ có loại tháo dời, còn loại liên kết tay đòn cứng thì chỉ có loại neo thường xuyên. Dạng neo này là tổ hợp của phao nổi CALM với một hệ cánh tay đòn mềm (nửa cứng). Phần cánh tay đòn cứng được nối trực tiếp với phao nổi CALM. Còn tàu thì được nối với cánh tay đòn bởi 2 xích treo thẳng đứng, mà đầu trên của xích nối với 2 bên mạn tàu, ở đầu hoặc đuôi tàu. Các xích treo này được kéo căng trước bởi một thanh dằn ngang nằm ở đầu phía gần tàu của tay đòn (Hình 16).

117

Hình 16. Hệ CALM với cánh tay đòn nửa cứng (CALM & Soft Yoke)

Lực phục hồi được mang đến từ trọng lượng của thanh dằn.

- Tình trạng sử dụng: + Ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°2: 75% (Việt Nam) và n°1 : 25% (Garbon) cho tới độ sâu nước dmax = 283 m (Garbon); số lượng riser là 3 đến 4 + 8% FSO và không có FPSO sử dụng hệ neo này; + Neo kiểu CALM với liên kết cánh tay đòn mềm được sử dụng ở vùng biển nước vừa và nông (Việt Nam d = 47-50m).

- Ưu điểm: + Tránh được va chạm của tàu với phao nổi (như SBS), + Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa swivel.

- Nhược điểm : + Số đường ống mềm hạn chế => sử dụng bị hạn chế ở các mỏ nhỏ hoặc chỉ dùng cho chức năng chứa, rót dầu ; + Khả năng thích ứng với tàu khác là khó khăn, + Chưa được tham khảo dùng cho FPSO.

b/ Hệ thống neo một điểm dạng SALM, SALS b1/ Hệ thống neo một điểm dạng SALM với liên kết dây (Single Anchor Leg Mooring): Hệ bao gồm một phao nổi hình trụ và một đế móng nặng cho phép cố định hệ SALM đưới đáy biển. Dạng neo này có thể được sử dụng ở độ sâu nước thay đổi từ rất nông tới rất sâu d= 25-400m (có 3 dạng khác nhau), tháo dời được (hình 17a, b, c); Số lượng riser giới hạn là 2. Các ống mềm riser chứa các sản phẩm khai thác từ đáy biển dẫn trực tiếp lên tàu, không đi qua phao nổi. Đây là điểm khác biệt so với hệ neo dang CALM.

118

Một ví dụ sử dụng dạng neo này vào năm 1982 (hình 17a).

- Tình trạng sử dụng: + Ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°3, cho tới độ sâu nước dmax = 30 m; + Số lượng riser là 1 (cho ví dụ này) ; + 2% FSO và không có FPSO sử dụng hệ neo này; + Neo kiểu CALM với liên kết cánh tay đòn mềm được sử dụng ở vùng biển nước vừa và nông (Việt Nam d = 47-50m).

- Ưu điểm: Đơn giản, hiệu quả, dễ dàng sử dụng lại để neo một con tàu khác với điều kiện biển tương đương. - Nhược điểm : Chưa có ứng dụng với FPSO, và chưa có với độ sâu d>100m, có khả năng va chạm với phao nổi, số đường ống mềm bị hạn chế.

b2/ Hệ thống neo một điểm dạng SALM với liên kết cánh tay đòn cứng (SALMRA) : Hệ là tổ hợp của dạng neo SALM với một hệ liên kết cứng mà ở đầu phía gần tàu của cánh tay đòn là liên kết khớp. Hệ neo dạng này có tính chất thường xuyên (không tháo dời) (fig 1.17d). Nó còn được trang bị thêm 1 khớp ở vị trí ống mềm riser.

- Tình trạng sử dụng: 2% FPSO, ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°3, cho tới độ sâu nước dmax =120m; - Ưu điểm: + Tránh được va chạm của tàu với phao nổi, + Dễ dàng bảo dưỡng, sửa chữa swivel. - Nhược điểm : + Chưa có ứng dụng với độ sâu d>120m ; + Số đường ống mềm hạn chế; + Khả năng thích ứng với tàu khác là khó khăn,

Hình 17. Hệ thống neo một điểm dạng SALM với liên kết dây (a,b,c) và liên kết cứng

SALMRA (d)

a b c d

119

b3/ Hệ thống neo một điểm dạng SALS với liên kết cánh tay đòn mềm (Single Anchor Leg Storage) : dạng neo thường xuyên

Hình 18. Hệ thống neo một điểm dạng SALS với liên kết cánh tay đòn mềm

Hệ bao gồm 1 điểm neo, 1 riser, 1 cánh tay đòn cứng nối liền riser với tàu. Tại phần đầu của riser được trang bị một thiết bị quay, nó cho phép hệ nghiêng về phía các đối tượng. Một bộ phận nổi được nhấn chìm ở dưới cánh tay đòn, nó đặt một lực kéo lên riser, và tạo nên lực phục hồi cho hệ.

- Tình trạng sử dụng: 2% FPSO, ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°1, cho tới độ sâu nước dmax =145m; - Ưu điểm: Được dùng cho chức năng khai thác (FPSO)

- Nhược điểm : Chưa có ứng dụng với độ sâu d>150m ;

c/ Hệ thống neo một điểm dạng chân đế Jacket

c1/ Neo một điểm dạng Jacket liên kết cánh tay đòn mềm (Jacket & Soft Yoke) (H. 19) Đây là kết quả của ứng dụng nguyên tắc neo giữ kiểu Calm liên kết nửa cứng, phát triển cho dạng liên kết của một chân đế cố định với tàu FPSO bởi cánh tay đòn mềm. Một đầu của cánh tay đòn được nối với jacket bởi một khớp xoay, đầu kia được dằn và nối với tàu bởi các xích hoặc các ống thẳng đứng.

Hình 19. Minh hoạ hệ neo một điểm dạng Jacket liên kết cánh tay đòn mềm

120

- Tình trạng sử dụng: + 9 % FPSO và không có FSO sử dụng hệ neo này, ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°2 : 75% (Trung Quốc), điều kiện thời tiết n°1 : 25% (Nigeria), cho tới độ sâu nước dmax= 45m ; + Dạng tháo dời được là 75%, dạng neo thường xuyên là 25% ; + Phương pháp rót dầu : 100% bởi các tàu dầu nối đuôi với FPSO - Ưu điểm: + Dễ dàng ứng dụng dạng này cho 1 jacket có sẵn ; + Ít hiệu ứng nhiễu động quanh tàu

- Nhược điểm :

Giới hạn về độ sâu nước.

- Nhận xét: trong số 4 FPSO dạng neo Jacket & Soft Yoke này thì 3 cái được xây dựng mới. c2/ Neo một điểm dạng Jacket liên kết bằng dây nối (Fixed mooring tower) (Hình 20)

Hình 20. Minh hoạ hệ neo một điểm dạng Jacket với liên kết dây nối

d/ Hệ thống neo một điểm dạng tháp có khớp ALP (Articulated Tower) (Hình 21)

Ống mềm để rót dầu được nối với tháp tại vị trí đầu quay, chứ không phải ở dưới nước như dạng SALM. Kết cấu của tháp có thể là dạng khung dàn thép, hoặc dạng cột thép, cột bê tông. Kết cấu của đầu xoay có thể từ dạng đơn giản như CALM, cho tới dạng phức tạp có bao gồm khu nhà ở và một sân bay ở thượng tầng. Có 2 dạng cho loại neo này: + Dạng dàn khoan có khớp ALP (Articulated Loading platform):

121

Kết cấu này có một chức năng khác là để trữ dầu. Nó được nghiên cứu để neo tạm thời, nó cho phép rót dầu trong các điều kiện biển đặc biệt khắc nghiệt ở Biển Bắc. Hệ thống này bao gồm: Một đế trọng lực ở đáy, nối với đế là một khớp xoay. Dạng neo này không còn được xây dựng nữa vì lí do giá thành quá cao.

Hình 21. Minh hoạ hệ neo một điểm dạng tháp có khớp (ALP)

+ Dạng neo FLP (Floating Loading Platform) : Dạng này phát triển từ dạng phao nổi CALM, gồm 1 phao nổi hình trụ thẳng đứng, được neo giữ với đáy biển bằng các dây xích.

- Tình trạng sử dụng: + 9 % FPSO và 6% FSO sử dụng hệ neo này + Với các FPSO ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°3: 75%, điều kiện thời tiết n°2 : 25%. Với các FSO, ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°1: 100%; + Phương pháp rót dầu : bởi các tàu dầu - Ưu điểm: + Ít hiệu ứng nhiễu động quanh tàu

- Nhược điểm : + Giới hạn về độ sâu nước. + Giá thành cao

e/ Hệ thống neo một điểm dạng SPAR với liên kết dây cáp (Hình 22)

Dạng này phát triển từ dạng cột có khớp. Trên phao có các khoang để chứa dầu. Đây là một phao nổi neo với đất bằng các xích.

- Tình trạng sử dụng:

+ Hệ thống này được dùng cho 1 FSO vào năm 1996, điều kiện thời tiết n°2 dmax= 590m

122

+ Phương pháp rót dầu : bởi các đường ống - Ưu điểm: chứa được 500000 thùng dầu trong phao SPAR.

- Nhược điểm : Giá thành cao

Hình 22. Minh hoạ hệ neo một điểm dạng SPAR liên kết dây cáp

f/ Hệ thống neo một điểm dạng TURRET (kết cấu liền khối với tàu)

Dạng neo TURRET ngoài được sử dụng với 1 FSO của XN LD DKVietsovpetro (Vũng tàu). Đây là dạng neo được phát triển gần đây nhất để vận chuyển dầu. Dạng neo nay vẫn tiếp tục được phát triển và sử dụng rộng rãi cho đến nay. Nó trả lời cho một câu hỏi : Tại sao lại cần thiết trang bị một thiết bị nổi (phao) cho hệ neo, trong khi bản thân con tàu đã cung cấp đầy đủ độ nổi cần thiết ! Dạng này phát triển từ dạng neo CALM cánh tay đòn cứng. Khối lượng thép không cần thiết được giảm thiểu bằng cách xát nhập cánh tay đòn vào kết cấu của tàu. Trong vùng biển nước sâu, hệ thống ống mềm riser dẫn từ các đường ống dưới đáy biển (PLEM) lên phao được tựa vào các khoang nổi ở lưng chừng mớn nước. Nó cho phép giảm thiểu sức căng trong đường ống riser.

123

Hình 23. Minh hoạ các hệ neo một điểm dạng Turret

Có rất nhiều dạng của hệ neo Turret (Hình 23): - Turret ngoài dạng thường xuyên, Turret ngoài dạng tháo dời ; - Turret trong dạng thường xuyên, Turret trong dạng tháo dời ;

f1/ Turret ngoài dạng thường xuyên, hoặc dạng tháo dời:

- Tình trạng sử dụng: + Hệ thống này được dùng cho 20% FPSO + 21% FSO, + Với các FPSO ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°1(33%), n°2 (23%), n°3 (44%) điều này cho thấy sự ứng dụng rộng rãi của TURRET; + Với các FSO, ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°1 (90%), n°3 (10%); + Độ sâu nước: Với các FPSO dmax=145m ; Với các FSO dmax=200m + Dạng tháo dời chiếm 22%, dạng thường xuyên: 78% + Số đường ống mềm riser: 2 đến 12 - Nhận xét: 30% FSO dạng Turret, các FPSO được đóng mới là 33%, hoán cải là 67%. Dạng sử dụng Turret cũ nhất vẫn còn hoạt động là được lắp đặt từ năm 1987.

+ Turret ngoài dạng thường xuyên (Hình 24, 25) Nó phát triển từ dạng phao CALM liên kết cứng, phao được cố định ở phía trước hoặc sau tàu, nhô lên trên mặt nước chứ không đặt ở mớn nước. Hệ thống được neo xuống đáy biển bởi các dây xích. - Ưu điểm: cho phép một lượng lớn riser so với các hệ neo khác, sử dụng được trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

- Nhược điểm : Giá thành xây dựng và bảo dưỡng cao Có 3 dạng :

• Dạng Cantilever (Hình 23a,24) : đây là dạng neo của FSO-VSP01 (Vietsovpetro);

Hệ neo được bố trí ở mũi tàu, toàn bộ hệ ở phía trên mực nước.

a b c

124

Hình 24. Minh hoạ các hệ neo một điểm Turret ngoài dạng thường xuyên

- Ưu điểm: thích ứng được cho vùng nước nông vì điểm tiếp xúc với ống mềm riser ở trên mặt nước - Nhược điểm : cụm Turret càng bố trí xa tàu thì lực phục hồi càng lớn, giới hạn số lượng riser so với loại Clamp-Turret do cánh tay đòn nâng lên cao.

• Dạng Nortrans: Turret được bố trí nằm trong phần sống ở mũi tàu. VD : FSO ‘Camar Nusantara’ (Indonésia), hoạt động từ 1991-1994, d= 63m. Từ 1994, nó hoạt động ở d=57m, được thay đổi để sử dụng cho FPSO ‘Al Zaafarana’ (Hình 25). - Ưu điểm: + Lực được truyền tốt hơn trong vỏ tàu + Hệ cần lượng thép gia cường ít hơn, bộ phận cơ khí dễ dàng tiếp cận để bảo dưỡng + Sử dụng được trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt - Nhược điểm : giới hạn số lượng riser do vị trí bố trí Turret, ít FPSO đã sử dụng.

Hình 25. FPSO « Al Zaafarana »-Turret Turret ngoài thường xuyên dạng Nortrans

• Dạng Clamp-Turet: bộ phận cơ khí xát nhập vào trong 1 cột thẳng đứng ở ngoài tàu, được hàn nối với tàu, điểm tiếp xúc với riser nằm trong nước

- Ưu điểm:

Turret Externe permanent

125

+ Lực được truyền tốt sang tàu tốt hơn so với Cantilever + Dễ dàng tiếp cận để bảo dưỡng - Nhược điểm : + Giá thành xây dựng và bảo dưỡng cao, + Không thích ứng được cho vùng nước nông vì điểm tiếp xúc với ống mềm riser ở dưới nước.

+ Turret ngoài dạng tháo dời (Hình 23c, 26) Cánh tay đòn có thể tháo dời ra khỏi phao được. Hệ thống này được dùng cho 22% FPSO dạng Turret ngoài. - Ưu điểm: Chịu được các điều kiện thời tiết rất khắc nghiệt, khi đó có thể tháo dời Turret ra khỏi tàu ; - Nhược điểm : Thời gian lắp lại kéo dài (có thể tới 8 ngày) ; giới hạn số lượng riser so với loại Clamp-Turret do cánh tay đòn nâng lên cao.

Hình 26. Minh hoạ các hệ neo một điểm Turret ngoài dạng tháo dời

f2/ Turret trong, dạng thường xuyên, hoặc dạng tháo dời:

- Tình trạng sử dụng: + Hệ thống này được dùng cho 35% FPSO + 8% FSO, + Với các FPSO ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°1(6%), n°2 (13%), n°3 (81%) dmax=835m (Brésil); + Với các FSO, ứng dụng trong các điều kiện thời tiết n°2 (50%), n°3 (50%); dmax=1000m (‘Petrobras XXXII). + Dạng tháo dời chiếm 6%, dạng thường xuyên: 94% + Số đường ống mềm riser : 2 đến 22

Turret Externe déconnectable

126

+ Phương pháp rót dầu : bởi các tàu dầu : 94% ; bằng đường ống : 6% (FPSO ‘Macculloch’ ở Anh) - Nhận xét: + 25% FSO dạng Turret trong được đóng mới, 75% FSO hoán cải ; + các FPSO được đóng mới là 5%, còn lại là hoán cải. Dạng sử dụng Turret trong cũ nhất là được lắp đặt từ năm 1993. - Ưu điểm: cho phép một lượng lớn riser, sử dụng được trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt ; dễ duy tu bảo dưỡng

- Nhược điểm : Giá thành xây dựng và bảo dưỡng cao, không thích ưng với các tàu khác, chiếm diện tích trong khoang chứa dầu, nhất là nếu bố trí ở giữa tàu.

+ Turret trong dạng thường xuyên (Hình 27) Dạng này được dùng nhiều nhất, đầu xoay swivel ở trong tàu được bảo vệ chống lại các điều kiện bên ngoài.

Hình 27. Turret trong dạng thường xuyên

+ Turret trong dạng tháo dời (Hình 23b, 28)

127

Hình 28. Turret trong dạng tháo dời

Ít sử dụng, các thiết bị được bố trí trong vỏ tàu. Khi có bão, Turret được tháo dời ra khỏi tàu, đầu xoay vẫn ở lại tàu, các thiết bị hoàn toàn được bảo vệ. - Ưu điểm so với dạng neo trong thường xuyên là được thiết kế dùng cho các trường hợp bão.

f3/ So sánh Turret trong / ngoài:

- Với tàu dầu hoán cải, dạng Turret ngoài có ưu điểm hơn vì nó ít phải thay đổi kết cấu tàu. - Với FPSO: Turret trong được ưu tiên hơn (5/8 FPSO đóng mới là dạng Turret trong). - Việc sử dụng Turret trong thì lực được truyền tốt hơn ở trong vỏ tàu, cho phép dùng nhiều ống mềm riser hơn, hoặc trong điều kiện biển khắc nghiệt + khối lượng dây neo và riser lớn (lực lớn) thì Turret trong ưu thế hơn. - Turret trong dễ tiếp cận để bảo dưỡng, đầu xoay cũng được bảo vệ tốt hơn.

2.2.3. Kết luận về các hệ thống neo FSO/FPSO - Xu hướng hiện nay của các Công ty khai thác dầu khí là sử dụng dang neo Turret trong / ngoài. Đó là vì phạm vi áp dụng lớn về số lượng ống dẫn dầu riser, cũng như các điều kiện thời tiết đa dạng. - Tuy nhiên, khi các điều kiện thời tiết ôn hòa, theo 1 hướng thì dạng neo nhiều điểm Spread Mooring phù hợp và kinh tế hơn. - Mặt khác, sau một thời gian dài sử dụng, không thể phủ nhận dạng neo CALM với số lượng được dùng nhiều và có khả năng di chuyển sang mỏ khác.

128

Với các kỹ thuật tiên tiến, các loại vật liệu mới dần thay thế xích neo (cáp hoặc dây polyester), trừ phần 2 đầu xích vẫn giữ nguyên vì lí do chịu ma sát. Sự thay thế này cho phép giảm trọng lượng dây neo => giảm lực tác dụng lên phao CALM => giảm chi phí lắp đặt ở vùng biển nước sâu. Vùng nước ứng dụng CALM là từ 60m - 1350m. - Sự phát triển của các hệ thống neo gắn liền với sự phát triển dây neo, cũng như thiết bị xoay swivel. Còn cần phải tối ưu hóa sự phân bố lực neo : hiện nay riser chỉ chịu 5% lực neo, còn phần còn lại là các dây neo chịu. - Sự phát triển của khả năng khai thác dầu : việc sử dụng FPSO phụ thuộc nhiều vào khả năng của thiết bị xoay swivel. Bảng số liệu dưới đây chỉ ra các khả năng khác nhau về chức năng sản xuất dầu đối với mỗi dạng neo, trong đó dạng Turret cho phép FPSO tăng tối đa khả năng khai thác dầu :

Hệ thống neo Khả năng khai thác dầu (bopd-số thùng dầu / ngày)

Hệ thống neo Khả năng khai thác dầu (bopd-số thùng dầu /ngày)

Turret trong 300 000 Jacket liên kết mềm 80 000 Turret ngoài 221 000 SALM liên kết tay

đòn cứng 65 000

Neo nhiều điểm 116 000 neo động D.P. 35 000 Neo dạng cột 100 000 SALS 30 000

CALM liên kết cứng 85 000

3. Các vấn đề chủ yếu trong tính toán thiết kế hệ thống bể chứa nổi FPSO neo tại 1 điểm Tuân theo các tiêu chuẩn khai thác

Để thỏa mãn các điều kiện khai thác đặc biệt (biển mở, vùng nước rất sâu, xa bờ, ...), cần phải thiết kế các dạng hệ thống neo giữ khác nhau, dựa trên các tiêu chuẩn khác nhau sau đây :

• Neo cố định / Neo thường xuyên, cho phép tàu được quay quanh vị trí neo • Neo thường xuyên / tháo lắp được • Các trạng thái biển tại vùng khai thác • Độ sâu khai thác • Số lượng ống mềm dẫn dầu (riser) • Khả năng chứa đựng

129

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1.1] Allen Web, (2004), “ Marine Systems – the FPSO /FSO and Others ”, 43 p. [1.2] Barltrop N. et al., (2000), Specialist Committee V4, “Structural design of floating production

systems”, 14th International Ship and Offshore structures Congress 2000, Vol.2, Nagasaki, Japan 12-6 October, pp. 159-187.

[1.3] Chemillier, François, (1997), “Monographie des systèmes d’amarrage et des supports de production flottants FPSO-FSO”, Rapport de fin d’études à l’Ecole Centrale Paris, réalisé à la Société TOTAL.

[1.4] DOT VIII (Deep Offshore Technology), (1995), “West of Shetlands FPSO or TLP?”, Pétrole Informations Septembre 1995.

[1.5] Dominic Harbinson, Steve Robertson (Douglas-Westwood Ltd.), Roger Knight (Infield Systems), (2003), “FPSOs lead strong growth in floating production sector", Offshore Magazine, August 2003.

[1.6] Doris Engineering (France), (1994), “Concrete Floating Production Storage Offloading (for N’KOSSA Barge in West Africa)”, Document 881, 15 p.

[1.7] Doris Engineering (France), (1995), “Concrete FPSO for North Atlantic Conditions”, Document 1042/95, 14 p.

[1.8] Joint Venture “Vietsovpetro” Research & Design Institute, (2000), “Environmental Design Criteria Extreme Conditions For the Bach Ho - Rong Fields – South-East Offshore Vietnam”, Report in VungTau, Vietnam, 39p.

[1.9] Joint Venture “Vietsovpetro” Research & Design Institute, “Documents des FSO (UBN) de Vietsovpetro : données, rapports de design, rapports des incidents, états actuels”, VSP, VungTau, Vietnam.

[1.10] Joint Venture “Vietsovpetro” Research & Design Institute, “Schéma d’exploitation du gisement du Bach-Ho (White tiger) et du Rong (Dragon) ”, VSP, VungTau, Vietnam.

[1.11] Kurt Albaugh, E. (BHP Billiton P., Inc.), Lewis Briers, Tillie Nutter,.. (Mustang Eng., Inc.), (2002), “2002 Offshore oil & gas Industry - Deepwater solutions for concept selection”, Poster on the Offshore Magazine.

[1.12] Maari, Roger, (1980), “Offshore Mooring Terminals”, SBM Inc. [1.13] Nguyen Xuan Nham (Petrovietnam), (2002), “Development orientation for oil & gas industry of

Vietnam in the 21st century”, Review Petrovietnam, Vol. 1-2002; pp. 8-11. [1.14] Offshore International, (1994), “Floating Production – The Future”; pp. 52 – 85. [1.15] Petrovietnam, (1998), “Map of petroleum operations on a part of the Vietnamese continental shelf”. [1.16] Pham Khac Hung et al. (ICOFFSHORE), (2003) “Rapport de l’estimation des incidents des

structures Offshore au Vietnam”, Projet 03-SP3- Projet national de recherche; Hanoi, 30p. [1.17] Pham Khac Hung, Bernard Andrier (France), Phan Y Thuan, et al. (ICOFFSHORE), (1997), “A

Review of recent development of offshore engineering in oil and gas industry and its application in Vietnam”. Proceedings of Conference on Vietnam oil & gas industry – 20 year development & prospects, Culture & Information Publishing House, Hanoi; pp. 492 – 534.

[1.18] Remery, G.F.M., (1979), “Design Procedure of Mooring Systems”, SBM, Frigbourg. [1.19] Richard Livingston, Tillie Nutter (Mustang Engineering, Inc.), (2003), “2003 Worldwide Survey of

Floating Production, Storage and Offloading (FPSO) Units”, Offshore Magazine, August 2003 (Poster).

[1.20] Rigo Philippe (University of Liège), Matagne J., Caprace J-D, (2005), “Least Construction Cost of FSO Offshore Structures and LNG Gas Carriers”, ISOPE’2005, Seoul, Korea.

[1.21] SBM, (1979), “Design, Construction, Installation & Startup of an Integrated FPSO Facility”, Proposal to Petrovietnam, PP 937/SB 784.

[1.22] Steve Robertson, Georgle MacFarlan (Douglas-Westwood Ltd.), (2004), “FPSOs lead strong growth in floating production sector”, Offshore Magazine.

130

[1.23] Tillie Nutter (Mustang Engineering, Inc.), Preston McNeely (Aker Maritime, Inc.), (2000), “2000 Worldwide Survey of Floating Production, Storage and Offloading (FPSO) Units”, Offshore Magazine.

[1.24] Tillie Nutter (Mustang Engineering, Inc.), Kurt Albaugh, E. (BHP Billiton P., Inc.), (2004), “2004 Worldwide Survey Floating Production, Storage and Offloading (FPSO) Units”, Offshore Magazine, (Poster).

[1.25] Tillie Nutter (Mustang Engineering, Inc.), Kurt Albaugh, PE. (BHP Billiton P., Inc.), (2005),“2005 Worldwide Survey Floating Production, Storage and Offloading (FPSO) Units”, Offshore Magazine, (Poster).

[1.26] Tran Hung Nam (Vietsovpetro), (2004), “Some problems relating to the strength of FSO owned by Vietsovpetro”, Proceedings of Vietnam Register scientific conference, Hanoi – April 2004; pp. 277 – 282.

[1.27] Tran Van Van, Ngo Qui Tiem and Tran Cong Nghi (Vietnam Register), (2004), “Service life due to fatigue of FSO mooring systems installed in Vietnam sea”, Proceedings of Vietnam Register scientific conference, Hanoi - April 2004; pp. 38 – 43.

[1.28] Tran Ngoc Canh (Petrovietnam), (2002), “Orientation of Petrovietnam’s scientific research and technology development”, Review Petrovietnam, Vol. 4-2002; pp. 2-8 4. Tác động của các yếu tố môi trường lên hệ thống FPSO Các nội dung chính trong phần này:

Đầu tiên là giới thiệu các phương trình tổng quát của bài toán thủy động học.

Sau đó đi sâu vào nghiên cứu các bài toán nhiễu xạ- bức xạ bậc nhất và bậc hai, xác định hàm truyền RAO của phản ứng đầu ra của kết cấu. Hai bài toán này được xây dựng dựa trên lý thuyết của hàm thế.

Tiếp đến là các công thức tính lực thủy động học bậc nhất và bậc hai tác động lên kết cấu nổi đối với sóng tiền định và sóng ngẫu nhiên. Đặc biệt đi sâu vào xác định hàm truyền bậc hai (QTF - Quadratic Transfer Function) theo lý thuyết và các phương pháp gần đúng, để tính toán lực thủy động bậc hai tần số thấp, mà trường hợp đặc biệt là lực trôi dạt chậm của tàu FPSO có neo giữ, được tính toán theo 3 công thức : trường xa, trường gần, và trường trung gian (phương pháp mới). Bên cạnh nghiên cứu chủ yếu và phức tạp nhất về lực thủy động do sóng bậc nhất và bậc hai gây ra, tải trọng dòng chảy và gió cũng được tính đến ở đây.

Phần cuối là tổng kết các bước tính toán các loại tải trọng tác động lên kết cấu nổi FPSO và hệ thống neo FPSO. 4.0. Phương trình cơ bản tính các loại tải trọng môi trường tác dụng lên hệ thống FPSO:

Chúng bao gồm các lực thủy động học của sóng (bậc 1 và trôi dạt bậc 2), và các tác động khác của môi trường, tạo nên các chuyển động ngang của hệ theo trục x, y và mô men xoay quanh trục z, chúng được xác định bằng công thức tổng quát sau:

131

OCWDBMHO

OyCyWyDyByMyHyy

OxCxWxDxBxMxHxx

MMMMMMMMFFFFFFFFFFFFFFFF

/ (4.0) Với các chỉ số có ý nghĩa sau: H : các lực thủy động học của sóng ; M : các lực neo ; B : các lực cản;

D : các lực trôi dạt chậm (sóng bậc 2); W : các lực gió; C : các lực dòng chảy; O các lực từ các nguyên nhân khác: lực đẩy (cánh quạt tàu)…

Trong đó quan trọng và chiếm đa số là lực thủy động học của sóng (bậc 1 và trôi dạt bậc 2) mà ta sẽ nghiên cứu chi tiết trong các mục từ 4.1 đến 4.4 sau đây, tiếp đến là lực gió và dòng chảy trong mục 4.6. Lực neo được cho trước trong từng bài toán thiết kế, lực cản được tính trong mục 4.5.

Tổ hợp tải trọng tính toán:

Tính cho 2 tổ hợp cơ bản: - khi FPSO đầy tải (full load): Mớn nước đầy nhất, tàu chứa đầy dầu - khi FPSO trong điều kiện dằn nước (ballast): khi đó mớn nước là ít nhất, tàu đã rót hết dầu, nước dằn được bơm vào để giữ ổn định tối thiểu cho tàu.

4.1. Các phương trình tổng quát của bài toàn thủy động học

4.1.1 Các giả thiết

Giả thiết liên quan đến chất lỏng

Chất lỏng xung quanh vật thể được giả thiết là chất lỏng lí tưởng : liên tục, không nhớt, không nén được, không xoay được, vì thế hoàn toàn áp dụng được lý thuyết thế năng. Bề mặt tự do của chất lỏng được giả thiết kéo dài đến vô hạn theo phương ngang. Bỏ qua sức căng bề mặt so với lực quán tính. Áp suất khí quyển là không đổi trên bề mặt thoáng.

Giả thiết liên quan đến vật thể nổi và chuyển động của vật thể Vật thể nổi được giả thiết là không biến dạng và kín khít. Vật thể nổi thực hiện các dao động biên độ thấp xung quanh vị trí cân bằng cố định so với mốc tuyệt đối.

4.1.2 Phương trình tổng quát của bài toàn thủy động học Cho một hàm thế của vận tốc dòng chảy (M, t) :

),( grad),( tMtMV (4.1) có 2 thành phần : = I + P (4.2)

132

I là hàm thế của vận tốc sóng tới, khi chưa có vật thể. Giả thiết là sóng này lan truyền trên đại dương vô hạn với độ sâu hằng số (h).

P là hàm thế của dòng chảy nhiễu.

4.1.2.1 Phương trình liên tục

0),( div tMV (4.3) => 0),(2 tM (4.4)

4.1.2.2 Phương trình Lagrange

Chất lỏng đặt dưới lực trọng trường, phương trình Euler được viết :

VV grad21 grad1 2

tkgp

(4.5)

0)(21 grad 2

t

gzp

(4.6)

=> )()(21 2 tF

tgzp

Phương trình Lagrange (4.7)

F(t) là một hàm bất kỳ phụ thuộc thời gian.

4.1.2.3 Điều kiện giới hạn

Điều kiện trượt trên vật thể Vận tốc tương đối pháp tuyến với SC bằng 0 tại điểm M:

0) ( nVV E (4.8)

Từ đó có: nVtMn

E

Sc M

),( (4.9)

Điều kiện trượt ở đáy

Đáy biển được giả thiết là bằng phẳng, nằm ngang : z= -h Tương tự phần trước, ta có :

0)0 ( nV (4.10)

0),(h- Z

tMz

(4.11)

Điều kiện của bề mặt tự do

Phương trình của bề mặt tự do: ),,( tyxz (4.12) Áp lực P phải cân bằng với áp suất khí quyển P (x,y,z,t) = 0

133

Trên bề mặt tự do SL : 0dtdP

zPgradV

tP

(4.13) Bằng cách thay P từ phương trình Lagrange (4.7), ta có:

)(21 2 tF

tVg

z

(4.14)

)(²

21

²² 2 tFV

tVgradV

zg

t z

(4.15)

)(2

²1- tFg

Vtg

(4.16)

Điều kiện ở vô cùng Hàm thế tổng cộng là sự chồng của nhiều hàm thế thành phần. Với I(M,t) là hàm thế của vận tốc sóng tới, Điều kiện ở vô cùng là như sau :

0),(),(lim²²

tMtM Iyx

(4.17)

Ý nghĩa vật lý là sự có mặt của vật thể không làm thay đổi dòng chảy ở vô cùng, nhiễu loạn gây bởi sự có mặt của vật thể sẽ không còn ảnh hưởng ở vô cùng. Tương tự, với độ sâu nước là vô hạn :

0),(),(lim

tMtM Iz

(4.18)

4.1.3. Tổng kết các phương trình thủy động học

Lời giải của bài toán nhiễu xạ -bức xạ được suy ra từ việc tìm ra một hàm thế vận tốc , thỏa mãn các phương trình (4.4), (4.9), (4.11), (4.15), (4.17), được tổng kết dưới đây :

y² x² 0- lim

)(S M 0

)(S M

)(S M )()()( 21

²²

(D) M 0),(

I

F

C

L

22

2

z

nVn

tFt

gradz

gt

tM

E (4.19)

Ta có nhận xét là tính phi tuyến của bài toán gắn liền chủ yếuvới điều kiện ở bề mặt tự do. Các phương trình còn lại khác là tuyến tính.

134

4.2. Bài toán nhiễu xạ- bức xạ bậc nhất và bậc hai Phản ứng của kết cấu nổi trước tác động của sóng trước tiên được nghiên cứu bằng lý thuyết tuyến tính. Trạng thái biển được giả thiết là dừng, được đặc trưng bởi hàm mật độ phổ năng lượng của sóng S(Chúng ta phải xác định được hàm truyền phức fX() (RAO) của phản ứng X nghiên cứu (chuyển vị, lực sóng,..). Từ lý thuyết sóng Stokes, một kỹ thuật đã được áp dụng để tìm lời giải dưới dạng khai triển chuỗi của một tiểu thông số , được đặc trưng cho độ cong của sóng ( =a/) :

(M,t)= (x,y,z)+

(M,t)+ ² (M,t)+ … (4.20)

Số hạng bậc 0 tương ứng với dòng không có sóng, tức là dòng chảy, hoặc vận tốc của tàu đang chạy. Đối với FPSO, giả thiết là không có Vào năm 1840, Stokes đã phát triển (4.20) cho tới bậc 5 trong trường hợp sóng tiền định. Bài toán tuyến tính (bậc nhất) của nhiễu xạ cho một sóng đều tác động lên một vật thể hình trụ đã được giải (Havellock, 1940). Sau đó, mới đây người ta đã phát triển tới bậc 2 và đang phát triển bậc 3 cho lời giải của bài toán nhiễu xạ. Bằng cách dùng khai triển chuỗi Taylor trong phương trình (4.19), ta có thể chia

bài toán thành một chuổi các bậc liên tiếp, nếu ta đặt giả thiết là F(t) và )(F t

trong phương trình (4.14 et 4.15) là bằng không.

4.2.1 Xấp xỉ bậc nhất của bài toán nhiễu xạ- bức xạ

4.2.1.1. Đặt bài toán nhiễu xạ- bức xạ bậc nhất Thế năng (M,t) thỏa mãn hệ phương trình sau :

g1-

0-lim

0

0²

² 0),(

(1))1(

(1)I

)1(

y²x²

hz

)1(

0)1(

Sco

)1(

)1()1(

)1(2

t

z

nVn

zg

t

tM

E

(4.21)

Hàm thế bậc nhất được chia thành các thành phần sau :

= I(1)

+ P(1) = I

(1) + D

(1) + R

(1) (4.22)

135

Hàm thế vận tốc được hợp thành bởi: - Một hàm thế của sóng tới I thể hiện trạng thái biển cách xa vật thể ; - Một hàm thế nhiễu xạ D thể hiện dòng chảy thế xung quanh vật thể được giữ cố định trong môi trường sóng tới; - Một hàm thế bức xạ R thể hiện dòng chảy sinh ra bởi chuyển động của vật thể trong môi trường nước lặng, không có sóng tới.

4.2.1.2. Hàm thế bậc nhất của sóng tới I :

Để giải bài toán (4.21), cần bắt đầu bằng việc xác định sóng tới mà hàm thế I

(M,t) của nó phải thỏa mãn hệ phương trình sau :

0

0²

²

0),(

hz

(1)I

(1)I

(1)I

(1)I

2

z

zg

t

tM

(4.23)

a) Đối với sóng đơn sắc (còn gọi là sóng tiền định, sóng đều) Một con sóng tiền định (đơn sắc) bậc nhất được biểu diễn bằng một hàm điều hòa hình sin (sóng Airy). Hàm thế của sóng tới được giả thiết là điều hòa, phụ thuộc thời gian, dưới dạng tổng quát sau :

tyxkchkh

hzchkzxtzx

)sincos(sin)(gae ),( ),,( ti-(1)I

(1)I (4.24)

Và phương trình của bề mặt tự do : tyxka )sincos(cos)1( (4.25)

Trong đó là góc tới của sóng so với trục Ox. Bài toán là tuyến tính, chỉ càn phải giải trong trường hợp đặc biệt của sóng tới, với = 0:

ti-(1)I

(1)I e ),( )sin()(ga),,(

zxtkx

chkhhzchktzx (4.26)

và )cos(),()1( tkxatx (4.27)

Trong đó k là số sóng, liên hệ với tần số sóng bởi : ) tanh(² khgk (4.28)

b) Đối với sóng song sắc (sóng không đều)

Ta coi đó là sự chồng của hai sóng có các biên độ a1, a2 và các tần số sóng 1 et 2

, hàm thế bậc nhất của sóng được viết như sau :

136

tyxkhchk

hzchkga

tyxkhchk

hzchkga

22222

2

2

2

11111

1

1

1ti-(1)I2

ti-(1)I1

(1)I

)sincos(sin)(

)sincos(sin)(e e 21

(4.29)

Phương trình của bề mặt tự do : tyxkatyxka 2222211111

)1( )sincos(cos)sincos(cos (4.30)

Phương trình của bề mặt tự do nếu = 0 :

txkatxkaI 222111)1( coscos (4.31)

c) Đối với sóng ngẫu nhiên :

Đối với xấp xỉ bậc nhất, ta biểu diễn một sóng ngẫu nhiên (không đều) bởi sự chồng của một tập hợp các sóng Airy thành phần. Phương trình của bề mặt tự do :

1

)1( sincoscos),,(j

jjjjjjj tykxkatyx (4.32)

Và biên độ aj được suy ra từ phổ năng lượng của sóng bởi phương trình : jjjjj Sa ),(22 (4.33)

Với j là pha ngẫu nhiên thuộc khoảng [0, 2], S() là phổ có hướng của sóng ngẫu nhiên . Hàm thế của sóng tới được đưa ra bởi một chuỗi các hàm thế cấu thành :

11

ti-(1)Ij

(1)I )sincos(sin

)(e

jjjjjj

j

j

j

j

jtyxk

hchkhzchkga

j

(4.34)

4.2.1.3 Hàm thế nhiễu loạn bậc nhất P

P(1)(M) hàm biên độ phức của hàm thế, là một hàm dừng điều hòa, có dạng :

t-ie )( ),( (1)P

(1)R

(1)D

(1)P

MtM (4.35)

Trong đó, hàm thế bức xạ còn được phân chia bởi sự chồng tuyến tính của 6 hàm thế, tương ứng với 6 bậc tự do của chuyển động của vật thể :

6

1

(1)Rj

6

1

(1)Rj

(1)R

ti-e j

jj

xi (4.36)

Trong đó xj là thành phần thứ j của chuyển động x của vật thể.

137

Lời giải cho bài toán này suy ra từ việc tìm ra hàm thế của vận tốc P (M), thỏa mãn các điều kiện sau :

0

0²

0

hz

)1(

)1(

Sco

)1(

)1()1(

)1(2

z

fn

zg

P

PP

PP

P

(4.37)

Với :

xa.buc 6,...,2,1j pour N

nhiêu xa. pour

(1)Rj

(1)Pj

(1)D

(1)P

)1(

)1(

nfI

P (4.38)

Nj là thành phần thứ j của vecto pháp tuyến tổng quát. Tại vô cùng, điều kiện bức xạ được viết dưới dạng Sommerfeld:

0 ilim)1(

)1(

r

kr PPr

(4.39)

Có thể được giải thích là, ở xa vô cùng, các sóng nhiễu loạn được lan truyền theo hướng bán kính r = ²² yx .

4.2.1.4 Lời giải số cho bài toán nhiễu xạ -bức xạ bậc nhất:

Trong luận án tiến sĩ của Xiao-Bo CHEN (Đăng kiểm Pháp) trình bày rất rõ cách giải các phương trình của bài toán nhiễu xạ-bức xạ bậc nhất, bằng cách sử dụng «phương pháp kỳ dị » và sử dụng hàm Green. Đồng thời từ đó tác giả này cũng xây dựng được thuật toán ứng dụng trong chương trình tính Hydrostar, để tính toán lực tác động của sóng, dòng chảy lên công trình biển nổi và tính toán dịch chuyển của công trình.

Trong khoảng 20 năm trở lại đây, nhiều mô hình số để giải bài toán nhiễu xạ -bức xạ đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng, trở thành công cụ cho các kỹ sư thiết kế công trình biển. Kết quả của các phần mềm tính này là Hàm truyền của các thông số phục vụ cho tính toán thiết kế các công trình biển như : lực sóng bậc nhất và bậc hai, chuyển vị của kết cấu, áp lực lên vỏ tàu, khối lượng nước kèm,… Các chương trình tính đó là : WAMIT, AQUADYN, DIODORE, HYDROSTAR.

138

Trong phạm vi của nghiên cứu này không đi sâu phân tích các cách giải này mà chỉ kế thừa các kết quả của nó. Phần ứng dụng số của chuyên đề sẽ xử dụng phần mềm tính toán HYDROSTAR của Đăng kiểm Pháp.

4.2.2 Xấp xỉ bậc hai của bài toán nhiễu xạ -bức xạ

Chúng ta nghiên cứu ở đây số hạng (2) của chuỗi (4.20). Lợi ích của bài toán xấp xỉ bậc hai là làm xuất hiện lực trong phạm vi tần số mở rộng, trong đó có thể tìm thấy tần số dao động riêng của hệ thống cần nghiên cứu.

4.2.2.1. Bài toán nhiễu xạ -bức xạ bậc hai

Trong luận án tiến sĩ của X-B CHEN, bài toán nhiễu xạ -bức xạ bậc hai của sóng được định nghĩa bằng việc giải hàm thế bậc 2 (2) thỏa mãn hệ phương trình sau :

2

-²²

1g1-

0-lim

0

nMoMnR VnV

²

²1²

²

0),(

2(1))1()1((2))2(

(2)I

)2(

y²x²

hz

)2(

Sco0

)1()1(0

(1)(1)(1)E0

(2)E

Sco

)2(

0z

)1((1))1(2(1))2()2(

)2(2

gzttgt

z

n

zg

tztgtzg

t

tM

(4.40)

Hệ phương trình (4.40) tương tự như ở bài toán bậc nhất (4.21) trừ điều kiện ở bề mặt tự do là khác không.

Chúng ta cũng có thể phân chia hàm thế bậc 2 :

tiRDIRDIPI

mpe ,)()()()()()()()()( )(

222222222 (4.41)

Trong đó : p,m = (1 ± 2) là các tần số cao (+) hoặc thấp (-) của bài toán bậc 2 ; 1, 2 là các tần số của bài toán bậc nhất của sóng song sắc. Sau đây ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng hàm thế trong phương trình (4.41).

4.2.2.2. Hàm thế bậc hai của sóng tới I

I(M,t) thỏa mãn hệ phương trình sau :

139

0

²

²1²

²

0),(

hz

(2)I

0z

(1)I

(1)I

(1)I

2(1)I

(2)I

(2)I

(2)I

2

z

zg

tztgtzg

t

tM

(4.42)

Hàm thế bậc hai của sóng tới được coi là điều hòa phụ thuộc thời gian, có dạng tổng quát sau:

2

0

(2)nI

(2)I

tin-e n

(4.43)

Hàm thế bậc hai được viết dưới dạng:

t-i2e (2)2I

(2)0I

(2)I

(4.44)

Từ điều kiện bề mặt tự do ta có :

0(2)0I (4.45)

Phần hàm thế không nhiễu động được giả thiết bằng 0. Hàm thế tần số đúp (2) như sau :

)sincos(24

(2)2I

)(2²83 yxkie

khshhzkchai

(4.46)

Tương tự, dao động của bề mặt tự do được viết như sau :

t-i2e(2)2I

(2)0I

(2)I

(4.47)

Trong đó : khsh

ka22²(2)

0I

(4.48)

và )sincos(2(2)2I ³2

²32² yxkie

khthkhthka

(4.49)

do đó ta có : khsh

katyxkkhthkhthka

22²)sincos(2cos

³2²3

2²(2)

I

(4.50)

Trong trường hợp độ sâu nước vô hạn (h→∞), bề mặt tự do được viết như sau :

tyxkka )sincos(2cos2²(2)

I (4.51)

140

Đối với sóng ngẫu nhiên, ta thay thế các tần số sóng bằng 1 ± 2. Lực bậc 2 tìm được sẽ bao trùm một miền tần số mở rộng hơn, trong đó ta có thể tìm thấy tần số nguy hiểm (trùng với tần số dao đong riêng) của hệ nghiên cứu. Ví dụ :chuyển động trôi dạt chậm dưới tác dụng của các lực bậc 2 tần số thấp (1-2) của các FPSO mà tần số dao động riêng của hệ FPSO lại rơi vào khoảng một vài phút, dễ gây cộng hưởng . Ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn ở phần sau. Trường hợp khác : phản ứng dao động tần số cao theo phương thẳng đứng « springing » của dàn khoan neo đứng (TLP) gây ra bởi các lực bậc 2 có tần số cao (1+2), có khả năng gây cộng hưởng. Đối với sóng song sắc, có 5 thành phần trong số hạng hàm thế của sóng tơi bậc 2 : hàm thế không đổi, hàm thế tần số đúp 21, hàm thế tần số đúp 22 (như bậc 1), và các hàm thế của tổng hoặc hiệu 2 tần số :

t)21-i((2)I

(2)I e (4.52)

Dạng tổng (1 + 2):

xkki

p

p

pp

eAhchk

hzchkhthkgk

gaia

)(

21

21(2)I

21)(

)²(²

(4.53)

Dạng hiệu (1 - 2):

xkki

m

m

mm

eAhchk

hzchkhthkgk

gaia

)(

21

21(2)I

21)(

)²(²-

(4.54)

Trong đó :

hkchk

hkchkhthkhthkkkA

22

22

11

21

21212121

21

²²21)cos(

(4.55)

và : )cos(2 212122

21, kkkkk mp (kp lấy dấu + ; km dấu - ) (4.56)

Trong trường hợp sóng đẳng hướng (1 = 2) => kp= k1+ k2 và km= k1- k2

4.2.2.3 Hàm thế nhiễu loạn bậc hai P

Đối với sóng tiền định (sóng đều),P được chia làm 2 thành phần : 1 phần

không phụ thuộc vào thời gian t, không cần nghiên cứu, và 1 thành phần nhiễu, dao động với tần số đúp:

t-2ie )()(),( (2)P

(2)P0

(2)P

MMtM (4.57)

P(2) (M,t) = D

(2) + R

(2) (4.58)

141

Trong đó : (2)R là hàm thế bức xạ bậc 2, phải thỏa mãn hệ phương trình tương tự như

trường hợp bậc 1, chỉ có tần số là khác.

D(M,t) hàm thế nhiễu xạ bậc 2, phải thỏa mãn hệ phương trình :

(e) 0 ilim

(d) 0

(c) a

(b)

(a) 0

)2()2(

hz

)2(

(2)c

)2(

Sco

)2(

)2()2(

)2(2,

)2(2

rkr

z

nn

az

g

DDr

D

ID

LDD

Dmp

D

(4.59)

Trong pt (4.59b) – điều kiện của bề mặt thoáng của bài toán nhiễu xạ, aLD là thành phần không đồng nhất, được tạo thành từ kết quả nhân vô hướng của các hàm thế bậc nhất D

(1) và I(1)

:

t)21-i(e LDLD aA (4.60)

Trong đó :

t²²

t²²

2gi

t²²

t²²

2gi

)(

(1)I1

(1)I12

1(1)P2

(1)P1

(1)P12

1(1)P2

(1)I2

2

(1)I2

(1)I22

2(1)P1

(1)P2

(1)P22

2(1)P1

(1)I1

1

(1)I2

(1)P1

(1)P2

(1)P1

(1)I121

gz

gz

gz

gz

iaLD

(4.61)

Và:

t²²

t²²

2gi

t²²

t²²

2gi

)(

(1)I1

(1)I12

1(1)

P2

(1)P1

(1)P12

1(1)

P2(1)

I22

(1) I2

(1) I22

2(1)P1

(1) P2

(1) P22

2(1)P1

(1)I1

1

(1) I2

(1)P1

(1) P2

(1)P1

(1)I121

gz

gz

gz

gz

iaLD

(4.62)

142

Trong pt (4.59c), ac(2) là thành phần không đồng nhất trong điều kiện trượt trên bề

mặt vật thể, được viết dưới dạng hiệu (trong trường hợp tần số thấp) và dạng tổng (tần số cao) như sau:

0)1(

1

)1(2

)1(2

)1(1

)1(1

)1(2

)1(2

)1(2

)1(1

)1(1 )()()()( nMoMMoMRVRVa EEc

(4.63)

0)1(

1

)1(2

)1(2

)1(1

)1(1

)1(2

)1(2

)1(2

)1(1

)1(1 )()()()( nMoMMoMRVRVa EEc

(4.64)

Trong điều kiện ở vô cùng (4.59e), số sóng k được định nghĩa như sau: hthkgkmp

2, (4.65)

Hàm thế nhiễu xạ bậc 2 được phân tích thành 2 thành phần : (2)DF

(2)DL

(2)D (4.66)

(2)DL - Hàm thế liên quan trực tiếp đến bài toán bậc 1, đáp ứng điều kiện không đồng nhất

trên bề mặt tự do ; (2)DF - Hàm thế tự do, đáp ứng điều kiện đồng nhất trên bề mặt tự do.

Tóm lại, để xác định được P cần phải giải 2 bài toán sau :

- bài toán hàm thế nhiễu xạ có liên quan (2)DL :

(d) 0 ilim

(c) 0

(b)

(a) 0

)2()2(

-hz

)2(

)2(

0

)2()2(2

,

)2(2

rkr

n

az

g

DLDLr

DL

LDz

DLDLmp

DL

(4.67)

- bài toán hàm thế nhiễu xạ tự do (2)DF và hàm thế bức xạ (2)

R :

143

(e) 0 ilim

(d) 0

(c) f

(b) 0

(a) 0

)2()2(

hz

)2(

(2)P

Sco

)2(

0

)2()2(2

,

)2(2

rkr

z

n

zg

PPr

P

P

z

PPmp

P

(4.68)

Với :

pour N

pour a f

(2)Rj

(2)Pj

(2)DF

(2)P

(2)c

)2()2(

(2)P

nnDLI

(4.69)

Pt (4.68) và (4.69) có cùng dạng với các phương trình tương ứng bậc 1 pt (4.37) và (4.38), trừ thành phần ac (xác định theo pt (4.63), (4.64)) và (2)

DL .

4.2.2.4. Nhận xét về lời giải cho bài toán bậc 2 Nếu tìm được lời giải của hàm thế nhiễu xạ có liên quan ( (2)

DL ) thì bài toán bậc 2 sẽ có thể giải được bằng cách tương tự như bài toán bậc 1. So với bài toán bậc 1, sự phức tạp đến từ thành phần này. Chỉ từ năm 1979, khó khăn này mới được giải quyết bởi Molin [2.42]. Các phương pháp nửa giải tích đã được nghiên cứu thành công bởi Newman (1996) cho các vật thể đơn giản. Cần lưu ý rằng, thành phần sóng bậc 2 không là nguyên nhân gây ra sóng bậc 1, nhưng nó thêm vào các sóng có thể gây cộng hưởng. Hiện nay có các phần mềm tính toán bằng số cho phép xác định các lực tác dụng bậc hai lên công trình (xem § 4.2.1.4).

4.3. LỰC THỦY ĐỘNG BẬC NHẤT

4.3.1 Lực thủy động tác động lên kết cấu :

Một kết cấu nổi như FPSO được đặt dưới tác dụng của các ngoại lực sau : - Véctơ lực trọng trường Fm - Véctơ lực neo giữ - Véctơ lực gây ra do áp lực của môi trường Fp : gồm lực thủy tĩnh FS và lực thủy động FH.

144

Véctơ lực quán tính phải cân bằng với véctơ của các ngoại lực. Giả thiết dịch chuyển của vật thể quanh vị trí cân bằng là nhỏ cho phép ta sử dụng lý thuyết nhiễu loạn để đặt lực tác động dưới dạng một chuỗi liên tiếp của thông số ε (ε = a/).

...)()()()()()(

tFtFtFtF S2211 (4.70)

Trong đó )(tF S : lực thủy tĩnh ứng với trạng thái nghỉ ;

)( và)()2(2)1(1 tFtF : Các thành phần bậc nhất và bậc 2 của lực thủy động.

Sau đây chúng ta tập chung nghiên cứu các lực thủy động FH này. Ta có thế biểu diễn lực thủy động dưới dạng ma trận như sau:

)()( 221HH

ScHH FFdSNPF (4.71)

Trong đó PH là áp lực của lực thủy động ; )1(

HF là ma trận của lực thủy động bậc nhất;

et )2(HF là ma trận của lực thủy động hai.

4.3.2 Lực thủy động bậc nhất tác động lên kết cấu

Lực thủy động bậc nhất được tính như sau:

dSt

FH N)1(

)1(

(4.72)

Lực này bao gồm các lực gây ra bởi sóng tới (lực Froude – Krilov) [FHI], các lực nhiễu xạ [FHD] và lực bức xạ [FR], như trong lý thuyết thế năng đã nghiên cứu trong mục trước:

)1()1()1()1()1()1(RexRHDHIH FFFFFF (4.73)

4.3.2.1 Lực Froude - Krilov

Các lực Froude - Krilov )1(HIF được tính bởi :

Sco

IHI dS

tF N

11

)()(

(4.74)

Từ pt (4.74) ta thấy )1(HIF phụ thuộc vào hàm thế )(1

I , tức là chỉ phụ thuộc vào sóng tới.

Từ phương trình (4.24) ta có:

ScoHI dSe

chkhhzchkgaF yxik N)( )sincos()1( (4.75)

4.3.2.2 Lực nhiễu xạ )1(HDF

145

- Lực nhiễu xạ bậc nhất )1(HDF được tính như sau:

Sco

DiwtHDHD dS

teFF N

111

)()()(

(4.76)

- Tổng lực tác động bậc nhất lên kết cấu :

ScoD

Sco

HDHIex

dSwidSechkh

hzchkagi

FFF

yxik N N 1

111

)(

)()()(

)sincos()( (4.77)

4.3.2.3 Lực bức xạ )1(RF

- Từ phương trình (4.36) ta suy ra )1(RF như sau :

6)1(i ²N6

1

6

1

)1()1(

)1(

jij

j Sco

tiRjj

Sco

RR FdSNexdS

tF

(4.78)

txdSNtxdSNF jSco

iRjjSco

iRjij sin)(cos²)( )1()1( (4.79)

Trong đó )( )1(Rj và )( )1(

Rj là các phần thực và phần ảo của hàm thế Rj.

Ta có thế viết lực bức xạ dưới dạng khác :

xBimxBxmF aaR 111 ²)()()( (4.80)

Trong đó :

Sco

iRjija dSNmm )( )(1 : ma trận khối lượng nước kèm (i,j=1÷6) (4.81)

và Sco

iRjij dSNBB )( )(1 : ma trận cản (i,j=1÷6) = Bw (4.82)

- Tóm lại, ta có công thức tính lực thủy động bậc nhất như sau :

)()()()( 1111 xBxmFF aexH (4.83)

với [Fex](1) trong pt (4.77), [ma] và [B] trong các pt (4.81) và (4.82).

4.4. LỰC THỦY ĐỘNG BẬC HAI

Phạm vi ứng dụng của lực thủy động bậc hai

- Với dạng tổng () (hay dạng Tần số cao): ứng dụng đối với hệ cứng.

146

VD : Cộng hưởng của dao động thẳng đứng của dàn khoan neo đứng Tension Leg Platforme TLP (hiệu ứng « spinging »), hoặc rung động của vỏ tàu thủy, sự uốn của dàn khoan trọng lự bê tông cốt thép… - Với dạng hiệu () (hay dạng Tần số thấp): ứng dụng rộng rãi hơn : VD : chuyển động dịch chuyển ngang của các kết cấu nổi có neo (lực trôi dạt chậm của FPSO) trong đó chu kỳ dao động riêng của nó tính bằng phút ; hay chuyển động thẳng đứng của kết cấu nổi có độ cứng thủy tĩnh nhỏ (dàn bán chìm, SPAR,…)

4.4.1 Lực thủy động bậc hai gây ra bởi sóng song sắc (bichromatic)

Lực thủy động bậc hai được tính như sau: )2()2(

2)2(

1)2(

RexexH FFFF (4.84)

- Phần thứ nhất của lực tác động bậc hai )2(1exF :

)2(1exF là phần thứ nhất của lực tác động bậc hai, chỉ phụ thuộc vào hàm thế bậc

nhất:

)2(14

)2(13

)2(12

)2(11

)2(1 FFFFFex (4.85)

)1()1()1()1(

2)1(2

0

)1()1()2(1

21ζ

21

I

CoS

CoSex

FRdSNt

MoM

dSNdNgF

(4.86)

Trong đó : là mớn nước của bề mặt tự do, là dịch chuyển thẳng đứng của vật thể, 0 là mớn nước trung bình của vật thể ; SCo là diện tích bề mặt của vật thể ; R là dịch chuyển xoay của vật thể, [FI] là lực quán tính bậc nhất. Cách giải : Sử dụng phương pháp « kỳ dị », ta đạt được sự phân bố của nguồn, nó cho phép ta tính toán được trường vận tốc xung quanh vật thể và tính được lực bậc hai => bài toán nhiễu xạ-bức xạ được giải.

- Phần thứ hai của lực tác động bậc hai )2(2exF :

)2(2exF là phần thứ hai của lực tác động bậc hai, phụ thuộc vào hàm thế bậc hai

của sóng tới và của sóng nhiễu xạ:

)2()2(21

)2()2()2(

2

D

CoS

D

CoS

Iex

FF

dSNt

dSNt

F

(4.87)

147

Lực Froude-Krilov )2(21F dễ dàng tính được vì đã xác định được hàm thế của sóng

tới bậc 2. Vì vậy chỉ còn cần xác định lực nhiễu xạ. Hàm thế bậc 2 được giả thiết là hàm điều hòa (xem (4.59)), ta có thể viết lực nhiễu xạ như sau :

dSNiFCoS

DmpD )2(,

)2( (4.88)

Vì việc giải hàm thế bậc 2 khó khăn nên vào năm 1979, B.Molin [2.42] đã đề xuất một cách tính khác bằng việc phân tích một cách tiệm cận bài toán bậc 2 ở xa vật thể. Bằng việc sử dụng liên hệ Haskind và thêm vào 6 thành phần hàm thế bức xạ. Hàm thế nhiễu xạ nhờ thế được viết bởi 2 tích phân của Haskind : trên bề mặt tự do và trên bề mặt vật thể. Khi đó, lực nhiễu xạ bậc 2 được viết thành :

2322

,

)2(

,)2(

FF

0

dSag

idSan

iFz

LDmpCI

mpD

CoS

(4.89)

Trong đó : là các thành phần hàm thế thêm vào ; LDa là thành phần không đồng nhất trong điều kiện của bề mặt tự do, có dạng tổng hoặc

hiệu theo tần số (xem pt(4.61), (4.62)) ; Ca là thành phần không đồng nhất trong điều kiện trượt trên bề mặt vật thể của bài toán

nhiễu xạ bậc 2 (xem pt (4.63), (4.64)). Tóm lại ta có biểu thức tính phần thứ hai của lực tác động bậc hai :

dSag

idSan

idSNi

F

zLDmpC

Imp

CoSImp

ex

CoS

0

-

FFF

,

)2(

,)2(

,

232221)2(

2

(4.90)

- Lực bức xạ bậc hai )2(RF :

xBimxBxmFR )()²( 2121)2()2()2( (4.91)

Trong đó m và B tương ứng là các ma trận khối lượng nước kèm và ma trận cản tính theo pt (4.81) và (4.82).

4.4.1.3 Tổng lực tác động bậc hai

Đối với sóng song sắc, tổng lực tác động bậc hai được viết:

148

22221111

222222

122111

)21(2121

)21(2121

)2(ex2

)2(ex1

)2(

),(21),(

21

),(21),(

21

),(

),(

FF

aaTaaT

eaTeaT

eaaT

eaaT

F

FF

tiF

tiF

tiF

tiF

ex

(4.92)

Trong đó : a1, a2 ( 2a là liên hợp phức của a2) : thể hiện tương ứng biên độ của 1, 2 ;

),( 21 FT là hàm truyền bậc 2 (Quadratic Transfer Function – QTF) của các lực bậc 2 ; QTF được phân thành 2 thành phần:

),(),(),( 21221121 FFF TTT (4.93) ),( 211 FT chỉ phụ thuộc vào các thông số bậc 1, được tính trực tiếp sau khi

giải được bài toán bậc 1 ; ),( 212 FT phụ thuộc vào lời giải của bài toán bậc 2, phức tạp hơn.

4.4.2. Lực bậc 2 của sóng tần số thấp – (xác định hàm truyền bậc 2QTF)

Lực tần số thấp bậc 2 được xem là nguyên nhân chủ yếu gây cộng hưởng của kết cấu nổi có dây neo dạng FPSO do tác động của lực trôi dạt chậm, do đó lực này được xem xét kỹ dưới đây.

4.4.2.1 Lực tần số thấp bậc 2 tính theo lý thuyết

Lực này là hàm bậc 2 của hàm thế của sóng tới và sóng nhiễu xạ-bức xạ, với tần số sóng là dạng hiệu của 2 tần số . Lực này đạt được bởi việc tích phân của áp lực thủy động bậc 2 trên phần ngập nước của vật thể.

Tổng lực tác động bậc hai tần số thấp như sau:

),(),(),( avec ),(

),( (t)

21)2(221

)2(121

)2()21(21

)2(21

)21(2121

)2(

exexti

tiFex

eaa

eaaT

FFFF

F

(4.94)

với TF = F(2) là hàm truyền bậc 2 (QTF) của lực tần số thấp bậc 2. Để tính QTF cần phải giải bài toán bậc 2, trừ trường hợp đặc biệt tính lực trôi dạt

trung bình (là các thành phần thuộc đường chéo của ma trận lực) thì có thể đạt được trực tiếp từ kết quả của bài toán bậc 1.

Lực tần số thấp bậc 2 dạng đầy đủ bao gồm 2 phần : Phần thứ 1 chỉ phụ thuộc vào các thông số bậc 1, Phần thứ 2 phụ thuộc vào hàm thế vận tốc bậc 2.

149

- Phần thứ 1 của lực tần số thấp bậc 2 :

Từ pt (4.86) phát triển ra, ta có phần thứ 1 của lực tần số thấp bậc 2 đối với sóng song sắc như sau:

)(21)(

2

21 )()(

21

)1(1

)1(*2

)1(*2

)1(1

)1(11

*)1(2

*)1(22

)1(1

)1(*2

)1(1

)1(*2

)1(*2

0

)1(1

)1(1

)2(1

InIn

CoS

CoSex

FRFRdSNMoMMoMi

dSNdNg

F

(4.95)

Trong đó chỉ số 1 , 2 biểu diễn các thông số bậc 1 tương ứng với các tần số sóng 1, 2 ; dấu * thể hiện liên hợp phức.

- Nhắc lại, thế năng của vận tốc bậc 2 với dạng hiệu 2 tần số :

tiDI eaatM )21()2()2(

21)2( )( ),( (4.96)

Trong đó + I(2) với dạng hiệu 2 tần số được xác định như sau:

)sincos()(

21

21

2121

21(2)I

21)(

²),(²

yxkkie

hkkchhzkkch

hkkthkkgAig

(4.97)

với A(1,2) là A- trong biểu thức (4.55) và

+ D(2)

là hàm thế nhiễu xạ bậc 2, được xác định trong mục trước (4.2.2.3), với dạng hiệu số.

- Phần thứ 2 của lực tần số thấp bậc 2 :

Từ pt(4.90), phần thứ 2 của lực tác động bậc 2 với dạng hiệu số của các tần số được viết là :

dSψ agρiΔ

FFFF

0zLD

-

)( -

)2()2(

232221)2()2()2(

2

dSan

idSNi

dSNi

CoSC

I

CoSI

CoSDIex

(4.98)

Biểu thức này bao gồm các lực của sóng tới Froude-Krilov và 2 tích phân của Haskind trên bề mặt tự do và trên bề mặt vật thể. - Nhận xét:

Nhờ có việc phân tích thành 2 tích phân này (Molin [2.42]), ta có thể tính toán được các lực bậc 2 mà không phải giải chính xác bài toán nhiễu xạ bậc 2.

Tuy nhiên, việc tính toán số tích phân trên bề mặt thoáng (z=0) của Haskind cũng không đơn giản vì nó bao hàm đạo hàm bậc 2 của hàm thế vận tốc bậc 1 (xem biểuu thức tính a-

LD ở pt (4.80))

150

Các thuật toán hiệu quả đã được Xiao-Bo CHEN [2.16] nghiên cứu để tính được lực bậc 2 dạng đầy đủ cho vật thể có hình dạng bất kỳ. Tuy vậy tích phân trên bề mặt thoáng vẫn hội tụ chậm và thời gian tính toán khá lâu. Do đó, trong thực hành, người ta sử dụng các dạng tính xấp xỉ sau đây để tính lực bậc hai :

4.4.2.2 Các công thức tính gần đúng lực bậc hai tần số thấp

Lực bậc hai tần số thấp được biểu diễn nhờ khai triển chuỗi Taylor cho dạng hiệu số của tần số sóng :

...2

)()( )(),(),( 2

(2)2

(2)1

(2)0

)2(21

(2)

FFFFF (4.99)

a) Công thức tính gần đúngcủa Newman và Pinkster

- Công thức tính gần đúng của Newman (1974) [2.43] :

Chỉ lấy số hạng đầu tiên F0(2) của chuỗi (4.99) khi tiến đến

)(),( 21(2)

21-(2) dFF lực trôi dạt chậm (4.100)

- Công thức tính gần đúng của Pinkster (1975) :

)2

(),( 21(2)21

-(2) dFF (4.101)

- Công thức tính gần đúng khác của Newman:

)()()(),( 2121-(2)

ddd FsigneFFF (4.102)

Nhận xét: Công thức tính gần đúng của Newman (4.102) được dùng khá phổ biến

b) Công thức tính gần đúng của Bureau Veritas

Chen X-B (Bureau Veritas) [2.11] đã tìm ra được một công thức tính gần đúng mới của lực bậc hai tần số thấp dạng đầy đủ (full QTF). Đầu tiên, lực bậc hai tần số thấp được viết như sau:

),( (2)23

(2)22

(2)21

(2)ex121

(2) FFFFF (4.103)

Sử dụng khai triển Taylor cho mỗi số hạng của biểu thức trên cho , tức là mỗi thành phần của pt (4.103) được biểu diễn dưới dạng pt (4.99).

- Kết luận :

151

Ta có thể đạt được dạng gần đúng bậc nhất bằng cách tính tất cả các thành phần của lực bậc hai tần số thấp, trừ thành phần tích phân trên bề mặt tự do của Haskind vì nó là bậc 2 của . Vì thế dạng xấp xỉ bậc 1 của lực bậc hai tần số thấp là:

)()()(21

(2)1

(2)021

2 FFF (4.136)

4.4.3 Lực trôi dạt chậm tác dụng lên kết cấu nổi neo giữ (FPSO)

Lực này xảy ra đối với các công trình FPSO, xà lan, dàn bán chìm,…Việc tính toán lực trôi dạt có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế công trình để đảm bảo độ an toàn khi khai thác. Có 3 lý thuyết tính toán lực trôi dạt như sau : Lý thuyết trường gần của Pinkster (near field method), Lý thuyết trường xa của Maruo-Newman (far field method), Lý thuyết trường trung gian của X.B. Chen (middle-field method)

4.4.3.1 Lý thuyết trường gần của Pinkster (near field method)

Pinkster đã đề nghị biểu thức tính gần đúng QTF thông qua tích phân của áp suất [2.51], gọi là phương pháp trường gần. So với công thức gần đúng của Maruo-Newman, thì nó ít chính xác hơn. Lực trôi dạt tính theo lý thuyết trường gần của Pinkster:

0

00

0)1()1(

02)1(

00

)1()1(0

)1()1()1(

21

ζ2211

C

C

S t

T

S td

dSnPP

dSnAdngdtT

F

(4.104)

Trong đó (1) dịch chuyển thẳng đứng của kết cấu so với đường nước 0 ; )1(A

: chuyển vị

góc, )1(

0PP : chuyển vị của điểm P gắn với vật thể, 0n véctơ pháp tuyến hướng vào phía

trong vật thể ; (1) là hàm thế tổng cộng của dòng chất lỏng. Vỏ tàu được giả thiết là thẳng đứng với bề mặt thoáng. - Ưu điểm: + Dạng thức có 6 thành phần lực theo các hướng chuyển động. +Có thể áp dụng cho trường hợp tương tác nhiều vật thể (VD : trong trường hợp có tàu dầu cập và tàu FPSO để lấy dầu) - Nhược điểm : + Độ chính xác không cao ; + Độ hội tụ của kết quả chậm.

152

4.4.3.2 Lý thuyết trường xa của Maruo-Newman (far field method)

Áp dụng nguyên lý bảo toàn chuyển động của thể tích chất lỏng được giới hạn bởi bề mặt vật thể và một bề mặt kiểm tra S∞, ta có dạng thức tính lực trôi dạt chậm trong miền trường xa, thiết lập bởi Maruo (1960):

S

T

d dSn

ndngdtT

F)1(

)1(2)1(

0

2)1(

21

211

(4.105)

Trong đó 0 là giao diện giữa S∞ và bề mặt tự do - Các thành phần lực ngang :

dHH

khkh

kga

FF

dy

dx

sinsincoscos

)()(2sh

21121

2

0

2 (4.106)

- Phát triển của Newman (1967) [2.44], biểu thức tương tự cho mô men:

dHHH

khkh

kgaM dz

2

022 )()(1)(2

2sh 211

21 (4.107)

Trong đó H () là hàm Kochin. - Ưu điểm của phương pháp trường xa: + Có thể lùi xa tới vô cùng bề mặt kiểm tra để thực hiện cách tính giải tích. + Phương pháp này cho độ chính xác số cao, hội tụ nhanh, độ ổn định cao hơn so với phương pháp trường gần, do đó được ứng dụng rrộng rãi hơn. + Đây là phương pháp tính lực trôi dạt chậm trong chương trình Hydrostar mà kết quả được sử dụng trong chương trình tính ARIANE3D xác định phản ứng động của hệ dây neo FPSO. - Nhược điểm : + Chỉ tính được 3 thành phần lực trôi dạt ngang ; + Không tính được lực bậc 2 tần số thấp dạng đầy đủ full QTF cho sóng không đều (sóng song sắc), mà lực này là quan trọng đối với vùng nước nông. + Không tính được trường hợp lực trôi dạt cho từng vật thể riêng biệt, đối với trường hợp nhiều vật thể cùng tương tác. Xuất phát từ cùng một lý thuyết, 2 phương pháp này cho kết quả khá gần nhau trong một số trường hợp, nhưng tương đối khác nhau trong 1 số trường hợp khác, nhất là khi bề mặt vật cản không vuông góc với bề mặt tự do.

4.4.3.3 Lý thuyết trường trung gian của X.B. Chen (middle-field method)

Xuất phát từ dạng thức trường gần, một phương pháp mới (X.B. Chen, 2004) để tình lực trôi dạt và QTF đã được phát triển. Biểu thức mới này được nghiên cứu trong [2.5] gọi là phương pháp trường trung gian, được định nghĩa trong một bề mặt kiểm tra xung quanh vật thể nổi, cách một khoảng xác định từ vật thể.

153

- Ưu điểm của phương pháp trường trung gian: Khắc phục được nhược điểm của 2 phương pháp trên: + Giống các ưu điểm của phương pháp trường xa : hội tụ nhanh, độ chính xác cao trong các tính toán số ;

+ Tính được lực đối với từng vật thể riêng rẽ khi có nhiều vật thể nổi cùng tương tác ;

+ Phương pháp này tính được cả 6 thành phần của lực trôi dạt + Áp dụng cho cả trường hợp vật thể thẳng đứng hoặc không thẳng đứng với bề mặt tự do ; + Dạng của bề mặt kiểm tra thườnng là bất kỳ, nó có thể được sinh lưới phân tử một cách tự động. Công thức trường trung gian được viết như sau :

nn

kkF

2 ds2

² 2g

)2/ ( 2g-

C

Fd

n

zt

ηdl

dsdl

(4.108)

nrrnr

krkrM

2 ds2

² 2g

)2/ ( 2g-

C

Fd

n

zt

ηdl

dsdl

c

(4.109)

Trong đó : ký hệu là trung bình của của giá trị đó trong chu kỳ T ;

Áp suất : gzP t 2/ (4.110)

cos/)0,,()0,,( 2121 nnnn n (4.111)

nX 2cos/2² 33 n (4.112)

Trong đó X= ( biểu diễn các véctơ chuyển động ngang và xoay của vật thể, là góc giữa pháp tuyến n và mặt phẳng ngang. Các công thức (4.108), (4.109) để tính lực bậc 2 theo phương thẳng đứng và các mô men quanh các trục nằm ngang. Các thành phần còn lại được tính theo công thức sau :

1C12

d)2/ (

2g ndsndl η xnc

x F (4.113)

2C22

d)2/ (

2g ndsndl η ync

y F (4.114)

600C62

d)2/ ( )( )(

2g nyyxxdsndl η xync

z M (4.115)

154

Mỗi vật thể nổi được bao xung quanh bởi một bề mặt kiểm tra C cách một khoảng so với vật thể. c là giao diện của các mặt cắt.

Hình 1.Chia lưới một FPSO và bề mặt kiểm tra xung quanh nó

Phương pháp này đã được tính toán thực hành cho nhiều ví dụ (hình 1) và kết quả của nó đã được kiểm chứng qua các thí nghiệm đánh giá độ chính xác cao.

4.4.4 Lực bậc hai tần số thấp đối với sóng ngẫu nhiên

Lực này được B. Molin giới thiệu trong [2.38] đối với sóng ngẫu nhiên, giả thiết là đẳng hướng. Mực nước của sóng bậc 1 được biểu diễn như sau:

i

itiyikxikiieatyx )sincos()1( ),,( (4.116)

Lực bậc hai tần số thấp được biểu diễn như sau:

i j

jitjii

jiji efaa

)()()( ),,(F 22 (4.117)

với ),,()( jif 2 là QTF cảu lực sóng bậc hai tần số thấp.

Áp dụng công thức (4.102) vào pt(4.117) ta có một biểu thức tiết kiệm thời gian tính nhất :

))(()sin(),()cos(),()()( dkiiidki

iiiidki

ik ftfatfatF sign 22

2

(4.118)

Các phổ của các thông số lực bậc 2

Giá trị trung bình của lực bậc hai tần số thấp :

d ),( )S(2 ),( )2(

0

)2(2)2(

FFai

iiiF (4.119)

155

Phổ của F-(2) được viết là d),( ),( )S( )S(8)(S )2()2(

0)2(

FFF

(4.120) Giả thiết với một sóng phổ dải hẹp, có hàm truyền bậc 2 QTF đủ phẳng để coi như hằng số khi thay đổi, từ pt (4.118) ta có :

)(8

d )S()(2 )2(2

0

)2()2( dS

d FHF

F (4.121)

Trong đó )2(dF là giá trị trung bình của lực trôi dạt. Khi đó sóng ngẫu nhiên tương đương

với sóng tiền định với biên độ )22/( SH .

4.5. TÍNH TOÁN LỰC CẢN TRÒNG TRÀNH CỦA FPSO (anti-roll) Các FPSO có chu kỳ dao động riêng theo các phương chuyển động dọc và quay quanh các trục x, y, z. Nếu chu kỳ sóng trùng với chu kỳ dao động riêng thì gây cộng hưởng.

Đối với FPSO, dao động quanh trục x (roll) là trội nên hiệu ứng nhớt của chất lỏng không thể bỏ qua. Vì thế khi thiết kế tàu, người ta bố trí các sườn dọc theo sống ở đáy ngoài tàu để tạo lực cản chống lại chuyển động tròng trành này. Có nhiều cách xác định lực cản này, dưới đây trình bày 2 phương pháp phổ biến nhất, được ứng dụng trong chương trình tính Hydrostar.

4.5.1. Phương pháp nửa kinh nghiệm (ITH) Phương pháp này được tìm ra bởi các nhà khoa học Nhật bản: Ikeda, Tanaka, Himeno (Phương pháp ITH) [2.46], chỉ áp dụng đối với vật thể nổi dạng tàu. Trong phương pháp này người ta chia ra nhiều nguồn gây ra lực cản với chuyển động tròng trành, đặc biệt là kể đến các sườn ngoài đáy tàu (bilge keels), lực cản này được tính như sau :

B = BF + BE + BL + BW + BBKN + BBKH + BBKW (4.122)

BF (the frictional damping) lực cản gây ra bởi các hiệu ứng ma sát trên bề mặt vật thể, có ảnh hưởng của các sườn chống tròng trành của tàu ; BE (the eddy marking damping) đến từ hiệu ứng phân dòng giữa đáy và thành tàu; BL (the lift damping) đến từ hiệu ứng lực nâng của tàu khi tàu có vận tốc; BW (the wave radiation damping) lực cản gây ra bởi bức xạ của sóng, tính toán trong mô đun Hsrdf (Hydrostar); BBKN là lực cản gây ra bởi lực dọc tác dụng lên các sườn chống tròng trành của tàu (lực nâng); BBKH đến từ sự thay đổi áp suất lên vỏ tàu gây ra bởi các sườn chống tròng trành ; BBKW tính đến sự bức xạ của sóng gây ra bởi các sườn chống tròng trành Đây là phương pháp tính tin cậy nhất, chính xác nhất, lực cản tròng trành của tàu.

156

4.5.2. Tính gần đúng lực cản đối với dạng tàu : Đối với vật cản dạng tàu, nếu không có các số liệu về kích thước bộ phận chống tròng trành của tàu (anti-roll) ta có thể sử dụng công thức gần đúng sau để tính lực cản tuyến tính theo tỉ lệ % so với lực cản tới hạn :

Bl = c. Bcr (4.123) - Với tàu dầu, FPSO, tàu chở hàng : Bl = (4% - 8%) Bcr ; - Với tàu LNG: Bl = (5% - 8%) Bcr ; - Với tàu contener: Bl = (3% - 5%) Bcr ; Trong đó, Bcr là lực cản tới hạn theo hướng xoay quanh trục x (tròng trành) :

44444422 KmIKmMB aacr )()( (4.124)

Tần số dao động tròng trành : )/(/ 444444 aroll mIKMK (4.125)

Với M, ma, K tương ứng là ma trận khối lượng, ma trận nước kèm và ma trận đô cứng của tàu. Phương pháp này được dùng phổ biến vì đơn giản.

4.6. LỰC TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ DÒNG CHẢY

Lực gió, dòng chảy: thông thường được xác định trước bằng các mẫu thí nghiệm, hoặc được tính theo các công thức tỉ lệ với bình phương vận tốc.

4.6.1. Các đặc trưng của gió Có 2 loại vận tốc gió : V gió trung bình và V gió nhiễu loạn

a) V trung bình : Vận tốc gió trung bình VW tỉ lệ với vận tốc gió tiêu chuẩn đo ở cao độ 10m trong 1h (V1):

10z α

VV β

1

W

(4.126) : hệ số giật của gió ; : hệ số mũ của hàm thời gian T. và được lấy theo quy

phạm API . Trong tính toàn với ARIANE, sử dụng quy phạm BV, Vận tốc gió trung bình được

lấy trong10’. b) Gió nhiễu loạn : Thành phần nhiễu loạn của gió được biểu diễn bằng các phổ gió giật, ví dụ : phổ Harris:

f. S(f) = 4Cd V12 (4.127)

với: + S(f) : hàm mật độ phổ gió ; + f : tần số (Hz) ;

+ f~ = f.L/V1 : tần số không thứ nguyên; + L : chiều dài qui chiếu (thông thường là 1800 m) ;

6522 /)~(

~

ff

157

+ Cd : hệ số ma sát (0,0020 – biển khắc nghiệt ; 0,0015 – ôn hòa) ; + V1 : vận tốc gió tiêu chuẩn đo ở cao độ 10m trong 1h. Tùy thuộc vị trí địa lý ta sử dụng các phổ gió khác nhau. Vì tỉ lệ lực gió là nhỏ so

với lực sóng nên khi tính toán lực gió, ta có thể coi như vận tốc gió là trung bình.

4.6.2. Tính lực gió

Các lực và mô men của gió tác dụng lên tàu nổi FPSO được tính bởi các công thức sau :

LACVM

ACVF

ACVF

LWWZWaWZ

LWWYWaWY

TWWXWaWX

)(/

)(/

)(/

2

2

2

21

21

21

(4.128)

Hình 2. Các hướng quy định của các thong số môi trường so với tàu

Trong đó: + a : mật độ không khí (a = 0.1225 kg/m³) + Vw : Vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian T ở độ cao Z (pt (4.126)) + AT, AL : hình chiếu thẳng góc với hướng gió của bề mặt ngang và dọc tàu; + L : chiều dài tính toán Lpp của tàu ; + CWX , CWY , CWZ : các hệ số khí động học theo các hướng X, Y và quay quanh Z, phụ thuộc vào các góc của gióW, (W = W - ) (hình 2)

4.6.3. Các đặc trưng của dòng chảy Dòng chảy biển là sự chồng của các dòng thông thường của các biển cộng với

dòng chảy do gió và do thủy triều. Sự thay đổi của profil dòng chảy theo độ sâu: ta có số liệu dòng chảy mặt và dòng

chảy đáy biển, có thể giả thiết sự thay đổi của vận tốc dòng chảy là tuyến tính theo độ sâu để tính nội suy vận tốc dòng chảy tại độ sâu z bất kỳ.

Sóng

Gió

Dòng chảy

158

Khi tính toán phản ứng của hệ FPSO với phương pháp tựa động, ta không tính đến tác động của dòng chảy lên các dây neo, mà chỉ tính đến tác động của dòng chảy lên tàu. Khi đó chỉ dùng vận tốc dòng chảy mặt để tính lực dòng chảy. Còn khi tính phản ứng của hệ bằng phương pháp động của dây neo, có kể đến ảnh hưởng của dòng chảy lên dây, ta tính nội suy vận tốc dòng chảy bằng cách như trên.

4.6.4. Lực tác dụng của dòng chảy Các lực và mô men của dòng chảy tác dụng lên tàu nổi FPSO được tính bởi các công thức sau :

Molin/oC22

2

2

M21

21

21

TLCUM

TLCUF

TLCUF

CCZCWCZ

CCYCWCY

CCXCWCX

)(/

)(/

)(/

(4.129)

Où : + w : mật độ nước biển + Uc : vận tốc tương đương của dòng chảy UC² = u’² + v’² ; u’= u + VC cos (C - ) v’= v + VC sin (C - )

(4.130) u, v là các thành phần của Vc (vận tốc tuyệt đối của dòng chảy ) C : góc tác động của dòng chảy ; : hướng của tàu + L: chiều dài tính toán Lpp của tàu; T : mớn nước ; + CCX, CCY, CCZ : các hệ số thủy động học theo các hướng X, Y và quay quanh Z, phụ thuộc vào góc tương đương của dòng chảyC (ou C = C - )

+ MCMolin/O : mô men phụ thêm theo hướng quay quanh trục Z so với gốc tọa độ O của hệ tọa độ của tàu, phụ thuộc vào hệ số CMolin lấy theo quy phạm của BV [3.15].

Các hệ số thủy khí học và thủy động học lấy theo các kết quả của các mô hình thí nghiệm với mỗi dạng cơ bản của tàu.

Đối với nghiên cứu này, ta sử dụng các kết quả các hệ số đưa ra bởi OCIMF 1994 cho các tàu có trọng tải lớn (từ 150 đến 500 KDWT) [3.48].

5. Phản ứng của FPSO chịu tác động của môi trường (chủ yếu theo mô hình tiền định)

Các nội dung chính:

Đầu tiên là giới thiệu phương trình chuyển động của bể chứa nổi dạng tàu FPSO dưới tác động của các lực thủy động và cách xác định từng thành phần trong phương trình chuyển động.

Từ đó, xác định hàm truyền RAO của phản ứng đầu ra (dao động, chuyển vị) của bể chứa nổi FPSO dưới tác dụng của sóng tiền định và ngẫu nhiên .

159

5.1. Phương trình chuyển động của bể chứa nổi dạng tàu FPSO

Áp dụng luật thứ 2 của Newton để mô tả chuyển động của các vật thể nổi neo giữ, ta có phương trình chuyển động của hệ được trình bày như sau :

exca FUKUBUmM (3.1) Trong đó : M là ma trận khối lượng (ma trận quán tính) của hệ, được trình bày chi tiết ở phần tiếp

theo ; am là ma trận khối lượng nước kèm , được xác định từ lời giải của bài toán bức xạ của

sóng bậc nhất, trình bày ở chuyên đề 5.2, pt (4.81); B là ma trận cản, được xác định từ nhiều nguồn khác nhau: 1- từ lời giải của bài toán bức xạ của sóng bậc nhất tìm ra Bw , trình bày ở chuyên

đề 5.2, pt (4.82), được tính trong HydroStar với mô đun Hsrdf, 2- lực cản thêm vào, tức là các lực cản được tính từ các hiệu ứng mà không được

kể đến bởi lý thuyết hàm thế. Các lực cản này được nghiên cứu chi tiết ở chuyên đề 5.2, mục §4.5.

K là ma trận độ cứng của hệ, được xác định từ các đặc trưng thủy tĩnh của vật thể (KS) (được tính toán trong HydroStar). Ngoài ra còn có độ cứng phụ thêm của hệ neo (KA ) và của nước dằn (Kb);

U, U , U tương ứng là các véc tơ chuyển động, véc tơ vận tốc và véc tơ gia tốc của chuyển động của bể chứa nổi ;

Fexc là các lực tác động cưỡng bức đến từ sóng tới (lực Froude-Krylov) và từ sóng nhiễu xạ (lời giải của bài toán nhiễu xạ và lực F-K đã nghiên cứu ở chuyên đề 5.2).

Cách xác định ma trận quán tính [M] :

Mục đích của phần này là trình bày cách xác định ma trận quán tính chính xác của bể chứa nổi dạng tàu, phụ thuộc vào sự bố trí tải của nó trên boong tàu. Hệ trục tọa độ được lấy như trong qui định của chương trình tính HydroStar (hình 1).

160

Hình 1. Hệ tọa độ quy chiếu của bể chứa nổi dạng tàu FPSO trong Hydrostar

Đầu tiên, có 2 cách biểu diễn ma trận quán tính của tàu FPSO : Cách thứ nhất là cho khối lượng (M) và 6 thành phần bán kính của chuyển động quay

(R1,2,...,6) so với trọng tâm của tàu (Xcdg , Ycdg , Zcdg). Các tọa độ của trọng tâm, biểu diễn trong hệ trục tọa độ tổng thể, được xác định bằng sự phân bố khối lượng trên tàu.

Cách thứ hai dựa vào việc đưa ra ma trận quán tính đầy đủ (6x6), được tính toán so với một điểm tính toán định nghĩa bởi (Xcal , Ycal , Zcal), biểu diễn trong hệ trục tọa độ tổng thể. Trong trường hợp này, các số hạng trong ma trận được xác định bởi :

M M Zg M YgM M Zg M Xg

M M Yg M XgM Zg M Yg I I I

M Zg M Xg I I IM Yg M Xg I I I

0 0 00 0 00 0 00

00

44 45 46

54 55 56

64 65 66

. .. .

. .. .

. .. .

(3.2)

Trong đó: ZcalZcdgZgYcalYcdgYgXcalXcdgXg (3.3)

và M = tổng khối lượng của bể chứa nổi.

Tiếp theo, càc thành phần quán tính được xác định như sau :

I y Ycal z Zcal dm I x Xcal y Ycal dm I

I z Zcal x Xcal dm I z Zcal x Xcal dm I

I x Xcal y Ycal dm I y Ycal z Zcal dm I

M M

M M

M M

442 2

45 54

552 2

46 64

662 2

56 65

(3.4)

Đồng thời, ta xác định on définit 6 thành phần bán kính của chuyển động quay như sau:

161

R IM R I

M R IM

R sign I IM R sign I I

M R sign I IM

144

255

366

4 4545

5 4646

6 5656

(3.5)

Trong đó, các thành phần quán tính được tính toán tại trọng tâm của tàu (tức là điểm tính toán).

Trong nghiên cứu này, lời giải của phương trình chuyển động (3.1) sẽ được thực hiện bởi mô đun HSmec trong phần mềm tính lực thủy động HydroStar. Kết quả của phần tính này cho ta các hàm truyền bậc nhất RAO của sáu thành phần chuyển động của bể chứa dạng tàu nổi FPSO, dưới tác dụng của sóng.

5.2. Mô hình tiền định : Phản ứng tuyến tính của bể chứa FPSO dưới tác dụng của sóng đều

Trở lại bài toán hàm thế của chuyển động nhiễu loạn bậc nhất được xác định trong phương trình (4.35) ở Chuyên đề 5.2, một khi mà tìm được hàm thế P

(1) này, ta tìm được hàm thế nhiễu xạ D

(1) và bức xạ R(1) tác động lên tàu.

Sau đó ta tính được các lực bậc nhất, ma trận khối lượng nước kèm và ma trận cản, như đã trình bày ở mục 4. Cuối cùng, nhờ các kết quả đó, ta xác định được 6 thành phần chuyển động x của tàu FPSO bằng phương trình sau :

N

N

o

o

Sc

Sc

dSixi

dSixi

DI

R

)(KK)(B²)(mM

)(B²)(m

ASa

a

(5.6)

Đối với sóng bậc 1 : KS là ma trận độ cứng thủy tĩnh ; KA biểu diễn ma trận độ cứng (6x6) của hệ neo giữ, x là các véc tơ chuyển động của tàu ; N

là véc tơ pháp tuyến tổng quát, B là ma trận cản, M và ma là ma trận khối lượng vàma trận khối lượng nước kèm .

Trong trường hợp lý thuyết tuyến tính, phản ứng X của một kết cấu (bể chứa FPSO) dưới tác dụng của sóng tiền định (đều), đơn sắc được biểu dễn như sau :

titi efaextX X ),( )( (5.7)

),( Xf là Hàm truyền (phức) của phản ứng X của kết cấu (RAO : Response Amplitude Operator).

162

5.4. Tuyến tính hóa phương trình chuyển động của bể chứa FPSO

5.4.1. Mô hình tiền định: Tuyến tính hóa phương trình chuyển động của FPSO dưới tác dụng của sóng đều

5.4.1.1. Xác định tổng lực cản của chuyển động tròng trành của FPSO :

Dưới tác động của một sóng điều hòa, để tuyến tính hóa lực cản của chuyển động, ta coi là năng lượng của lực cản bậc 2 được phóng ra trong một chu kỳ là bằng năng lượng của lực cản tuyến tính tương đương. Vì thế, ta tìm được lực cản tuyến tính tương đương như sau :

max38 Qeq BB (5.12)

Trong đó, là biên độ của chuyển động tròng trành quanh trục x (roll). Từ đó có được tổng lực cản của chuyển động roll :

Ql BBB max38

(5.13)

Trong đó : Bl là lực cản tuyến tính, BQ là lực cản bậc 2.

5.4.1.2. Tuyến tính hóa phương trình chuyển động: Phương trình chuyển động sau khi được tuyến tính hóa trở thành :

)(max

aFKBBiM Ql

382 (5.14)

Kết quả của phương trình này rất phụ thuộc vào việc lựa chọn biên độ a của sóng tới. Đó là lí do tại sao phương pháp tuyến tính hóa phương trình chuyển động đối với sóng ngẫu nhiên lại được dùng phổ biến hơn.

5.5. Thảo luận về các phương pháp số để giải phương trình chuyển động

Các cách giải tổng quát đã tạo nên khó khăn trong việc lập thuật toán số một cách hiệu quả để giải bài toán chuyển động của hệ tuyến tính. Các mô hình số được ứng dụng từ khoảng hơn 20 năm nay cho phép giải bài toán nhiễu xạ -bức xạ, trở thành công cụ cho các kỹ sư thiết kế công trình biển. Kết quả của các phần mềm tính này là Hàm truyền RAO ),( Xf của các thông số phục vụ cho tính toán thiết kế các công trình biển, trong đó có chuyển vị của kết cấu nổi FPSO. Các chương trình tính đó là : WAMIT, AQUADYN, DIODORE, HYDROSTAR. Phần ứng dụng số của chuyên đề sẽ xử dụng phần mềm tính toán HYDROSTAR của Đăng kiểm Pháp Bureau Veritas.

163

6. KIỂM TRA BỀN VÀ MỎI HỆ THỐNG NEO BỂ CHỨA FPSO/FSO

6.0. KHÁI NIỆM MỤC TIÊU

Mục tiêu của phần này này là trình bày tóm tắt phương pháp luận của bài toán phân tích và kiểm tra bền và mỏi hệ thống neo FPSO bằng cách sử dụng các mô phỏng tựa động và mô phỏng động ngẫu nhiên phi tuyến của dây neo theo phương pháp phân tích trong miền tần số (phương pháp phổ) và phương pháp phân tích trong miền thời gian – sử dụng kỹ thuật mô phỏng Monte-Carlo. Cuối cùng là phần giới thiệu các phần mềm tính toán ứng dụng : Hydrostar và ARIANE-3Dynamic của Bureau Veritas (Đăng kiểm Pháp).

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỐ

Các kết quả tính thủy động lực học để sử dụng cho tính toán phản ứng động Dựa trên lý thuyết hàm thế của vận tốc dòng chảy, các tính toán thủy động lực học bể chứa nổi FPSO đã được thực hiện bằng chương trình Hydrostar. Một trong số các kết quả tính này được dùng làm số liệu đầu vào để tính lực tác dụng của môi trường lên FPSO để tính toán dây neo, các kết quả đó là: RAO: hàm truyền của chuyển động của bể chứa nổi do sóng bậc nhất; QTF: hàm truyền bậc 2, được tính theo lý thuyết Miền xa của Manuo-Newman; Ma trận nước kèm và ma trận cản.

Phương pháp nghiên cứu Sức căng của dây được tính toán trong hai điều kiện: - điều kiện BỀN dưới tác dụng của lực môi trường cực đại trong bão 100 năm (ULS) và - điều kiện MỎI dưới tác dụng tích lũy của lực môi trường lặp lại có chu kỳ 1 năm (FLS)

Cùng với phần mềm tính toán, một phương pháp luận đã được phát triển và đã được minh chứng trong thiết kế và trong đánh giá [18]. Trong nghiên cứu này, các phân tích được thực hiện theo cả 2 phương pháp tựa động (động của bể chứa nổi) và phương pháp động của dây neo, các mô phỏng của phản ứng của dây neo đều được đi sâu phân tích trong miền thời gian.

164

6.1. PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐỂ KIỂM TRA BỀN HỆ THỐNG NEO FPSO Phương pháp luận để kiểm tra bền thông qua việc giải bài toán động ngẫu nhiên của hệ neo FPSO được trình bày sau đây là dựa trên phân tích tựa động và phân tích động lực học của dây neo.

6.1.1. Phương pháp tựa động phân tích phản ứng ngẫu nhiên của dây neo : Trong phương pháp phân tích tựa động, bài toán được giải trong miền tần số (time domain) hay còn gọi là phương pháp phổ, hoặc đi sâu vào phương pháp phân tích trong miền thời gian (frequency domain). Nhược điểm của phương pháp phổ là phương pháp này chỉ có thể giải quyết được bài toán tuyến tính (tựa động) chứ không giải quyết được bài toán phi tuyến (động lực học của dây neo). Mối quan hệ giữa hai phương pháp này và các đặc trưng của từng phương pháp được thể hiện trong hình vẽ 6.1:

Hình 6.1: Phân tích tín hiệu ngẫu nhiên của sóng theo phương pháp giải miền thời gian

và trong miền tần số

6.1.2. Phương pháp phổ phân tích trong miền tần số Phương pháp này chỉ dùng để giải bài toán động tuyến tính. Điều kiện đối với bài toán này là dựa trên độ cứng ko của hệ thống neo là hằng số, sau giai đoạn tính tĩnh. Quanh vị trí cân bằng trung bình, mật độ phổ của các chuyển động tần số thấp (SFF) của bể chứa nổi FPSO được xác định dựa trên hàm truyền RAO của các chuyển động như sau:

SFF () = RAOF(i)2 S() (6.1) trong đó : S() là mật độ phổ của sóng của trạng thái biển ngắn hạn đang xét. Để tính toán được các phổ của chuyển động tại vị trí đầu trên của dây neo (vị trí liên kết với FPSO) theo các hướng thẳng đứng và ngang (SVV, SHH), đầu tiên cần thiết

165

phải chuyển từ các hàm truyền RAOF của bể chứa nổi thành hàm truyền của các chuyển động ở vị trí đầu trên của dây neo RAOV et RAOH, để sau đó đạt được các phổ dưới dạng sau :

SVV () = RAOV(i)2 S() (6.2) SHH () = RAOH(i)2 S() (6.3)

Mật độ phổ của lực căng dây (Tj) được xem xét tại vị trí đầu dây tiếp xúc với bể chứa, và cuối cùng nó được xác định theo mật độ của các chuyển động ở phương trình (6.2) và (6.3): STjTj(). Dựa trên phổ STjTj() của lực căng dây, ta có thể dễ dàng xác định được tất cả các đặc trưng thống kê cần thiết của lực căng dây đang xét để tiến tới bước tiếp theo là phân tích mỏi của dây neo đó.

6.1.3. Phương pháp phân tích tựa động trong miền thời gian

6.1.3.1 Các bước mô phỏng tựa động trong miền thời gian Trong tính tựa động, phản ứng động của bể chứa nổi FPSO được phân tích trong miền thời gian, có kể đến phản ứng tựa tĩnh của dây neo. Sau đó, lực căng của dây được xác định từ phản ứng tựa tĩnh của dây do chuyển dịch của đầu dây tại điểm nối với thiết bị cuối (fairlead). Phương pháp này thích hợp cho neo giữ trong vùng có độ sâu nước nông và vừa. Đầu tiên khi chưa có ngoại lực tác dụng, bể chứa nổi thiết lập vị trí cân bằng ban đầu bởi sức căng ban đầu của dây neo. Sau đó ngoại lực tác dụng lên FPSO được neo giữ được phân thành các loại sau:

– lực trung bình – lực biến thiên chậm tần số thấp (LF) – lực dao động tần số sóng (WF)

Dưới tác động của lực trung bình của sóng, gió, dòng chảy, bể chứa nổi FPSO sẽ dịch chuyển tới một vị trí cân bằng trung bình mới. Tại đây, ngoại lực được cân bằng bởi sức căng của các dây neo tại đầu dây nối với Turret. Quanh vị trí cân bằng mới này, bể chứa nổi sẽ thực hiện các chuyển động tần số thấp và tần số sóng. Lúc này, các lực quán tính được cân bằng với ngoại lực và lực căng của hệ dây. Dưới tác dụng của các ngoại lực, phản ứng đầu ra có dạng mô phỏng gồm có 3 thành phần (hình 6.2):

166

Hình 6.2: mô phỏng của lực căng trong một dây neo của FPSO

– Phản ứng trung bình (mean response): cân bằng tĩnh bởi lực trung bình – Phản ứng tần số thấp (low frequency): áp dụng các lực tần số thấp tại vị trí cân bằng – Phản ứng tần số sóng (wave frequency): thành phần thêm vào phản ứng tần số thấp Quá trình mô phỏng tựa động sử dụng phần mềm ARIANE-3D được trình bày trên h 6.3:

Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng tựa động trong miền thời gian theo chương trình ARIANE-3D

Giai đoạn tính

tĩnh

Xác định thông số hình học của dây

Xác định vị trí cân bằng tĩnh của hệ dây dưới ảnh hưởng của lực trung bình

Lời giải của phương trình động của bể chứa nổi FPSO, tại bước thời gian t, cho ta dịch chuyển tần số thấp: LF

Thêm vào dịch chuyển bậc nhất gây ra bởi sóng (thông tin trong RAO): WF

Dịch chuyển tổng cộng sẽ là: tot LF WF

Với dịch chuyển tổng cộng ta tìm được các đặc trưng của dây và sức căng tương

ứng tại điểm đầu dây (fairlead) : T t

KẾT THÚC Vị trí mới

LFXX

t = 0

t

t

t

nếu t = t_ cuối nếu t t_cuối

t = t + bước thời gian

Mô phỏng trong miền thời gian

(Tính động của bể chứa nổi FPSO)

t = 0

167

a/ Phương pháp phân tích tĩnh

Trong giai đoạn này, các tải trọng trung bình (Fx, Fy, Mz) tác dụng lên bể chứa nổi được giả thiết đã biết. Biên độ của chuyển động của bể chứa nổi tại tần số sóng đã biết. Ariane sẽ tính toán một vị trí cân bằng mới.

Hình 6.4: Phân tích tĩnh FPSO

b/ Phản ứng tần số thấp (hiệu ứng bậc 2) Sau khi phân tích tĩnh, mô phỏng tựa động trong miền thời gian được thực hiện. Tại mỗi bước thời gian t, thành phần dịch chuyển tần số thấp sẽ đạt được bằng cách giải phương trình vi phân có dạng :

(6.4) Trong đó: {X} : véctơ đặc trưng cho vị trí trọng tâm G của bể chứa nổi theo phương ngang[M] : ma trận khối lượng theo phương ngang của bể chứa nổi tính tại trọng tâm bể chứa nổi; {F(t)} là véctơ có 3 thành phần của tải trọng theo phương ngang áp dụng tại trọng tâm bể chứa nổi tại bước thời gian t, mà với các tải trọng này tạo ra phản ứng tần số thấp. Chúng bao gồm: Lực gió, lực dòng chảy, lực trôi dạt bậc 2 của sóng được tính bởi xấp xỉ Newman từ các thành phần đường chéo của QTF được lấy từ kết quả giải bài toán nhiễu xạ-bức xạ bậc 2 HydroStar, các loại tải trọng khác như: lực neo, lực cản. Cách xác định các lực này đã được trình bày ở chuyên đề 5.2 và 5.3.

c/ Phản ứng tần số sóng (hiệu ứng bậc nhất) Ở cuối mỗi bước thời gian của tích phân số, 6 dịch chuyển tần số sóng của bể chứa nổi tại trọng tâm nó được thêm vào vị trí tần số thấp của bể chứa nổi. Các dịch chuyển tần số sóng được lấy từ kết quả RAO (hàm truyền bậc 1 của chuyển động của bể chứa nổi) từ chương trình HydroStar.

168

6.1.3.2 Các quy ước tính toán trong miền thời gian theo phương pháp MonteCarlo

– Giả định rằng các hiện tượng tần số thấp và tần số sóng xảy ra độc lập với nhau – Tín hiệu sóng: phương pháp MonteCarlo cho phép biểu diễn ngẫu nhiên một tập hợp sóng ngẫu nhiên (mật độ phổ sóng) bởi N (100 đến 5000) con sóng đơn Airy (hình 6.5):

(t) = ai cos(it+i) (6.5) = (m-M)/N (6.6)

ai² = 2 S(i) ; 0 i < 2 (6.7) Hình 6.5: Hàm mật độ phổ sóng

trong đó: (t): mặt đường nước tại thời điểm t; ai i i : các thông số của sóng Airy thứ i (xem ở trên); S(i): mật độ phổ của tần số i. – Nguồn gốc ngẫu nhiên của sóng (wave seed): một nguồn gốc của sự khởi xướng sóng

ngẫu nhiên cần được đưa vào khi thực hiện tính toán đơn, nó cho phép ta lấy ra được các mô phỏng sẽ dùng quá trình ngẫu nhiên này. Hai mô phỏng được lấy ra từ một nguồn sẽ cho các kết quả giống nhau.

– Tính toán theo đợt (batch): tập hợp nhiều điều kiện môi trường được đưa vào ARIANE và được tính lặp. Giới hạn của tính toán batch phụ thuộc vào bộ nhớ RAM của PC. Phản ứng động của hệ neo trong miền thời gian theo dạng tính batch bao gồm cả hiệu ứng tần số thấp và tần số sóng.

– Các thông số tính toán: Một mô phỏng tựa động kéo dài 3h; một bước thời gian là từ 0.5 đến 10 s (thường lấy 1s); thời điểm bắt đầu ghi lại mô phỏng: sau khi 1 dây bị đứt hoặc khi hệ đã cân bằng.

– Điều kiện của hệ neo: ở đây ta chỉ xét trường hợp điều kiện nguyên vẹn (dây không bị đứt).

6.1.3.3 Cách xác định lực căng thiết kế của dây neo theo mô phỏng trong miền thời gian

Đối với mỗi trạng thái biển tính toán, ta phải thực hiện n lần mô phỏng, mỗi lần trong ít nhất 3h. Các tín hiệu của phản ứng đầu ra (lực căng của dây neo) được xây dựng theo mỗi bước thời gian. Mỗi 1 mô phỏng 3h cho 1 giá trị lực căng lớn nhất, từ đó tính được giá trị trung bình và độ lệch chuẩn của n lực căng lớn nhất đó để tính được lực căng thiết kế của dây . a/ Lực căng thiết kế của dây theo điều kiện nguyên vẹn (theo [21]):

169

SMD aTTT (6.8)

với:

n

kkM T

nT

1

1 (6.9)

và

n

kMkS TT

nT

1

2 1

1 (6.10)

trong đó : TD là lực căng thiết kế của dây ; n là số lần mô phỏng; Tk là trị lực căng lớn nhất ở đầu dây đạt được trong mô phỏng thứ k ; TM là giá trị trung bình của Tk sau n mô phỏng; TS là độ lệch chuẩn của (n-1) mô phỏng; a là hệ số phụ thuộc vào n và phương pháp phân tích : với phương pháp tựa động thì với n=5 => a=1.8; n=20 => a=0.5; n≥30 => a=0.4 (theo [21]).

b/ Các kết quả của mô phỏng tựa động:

Mô phỏng chuyển động 2D-3D của hệ thống FPSO, các đồ thị tín hiệu đầu ra theo chuỗi thời gian : sự thay đổi của mặt đường nước, lực căng dây (VD minh họa xem Hình 6.6).

Hình 6.6: Hình ảnh minh họa mô phỏng tín hiệu sức căng của dây neo (t=3h)

6.1.4. Động lực học của dây neo – Phân tích đầy đủ trong miền thời gian

6.1.4.1 Giới thiệu chương trình tính động lực học dây neo MCS Cable 3D Công cụ tính toán động của dây sử dụng MCS Cable 3D là một chương trình xử lý cuối cùng nằm trong phần mềm ARIANE-3D. Đó là một gói chương trình phần tử hữu hạn 3D phi tuyến dùng để phân tích phản ứng động của hệ dây neo và của các ống mềm riser. Do việc phân tích động tốn rất nhiều thời gian, phần mềm này cho phép lựa chọn mô phỏng

170

tựa động cuối cùng của dây trong miền thời gian mà từ mô phỏng đó ta muốn phân tích động của dây. Các điều kiện biên cho tính động được kế thừa từ mô phỏng miền thời gian trước đó. Có thể phân tích động một vài dây đồng thời. Một profil dòng chảy thay đổi theo độ sâu nước về vận tốc và hướng có thể được áp đặt để tác dụng tải trọng lên dây. Việc chia lưới phần tử của dây là tự động hoặc do người sử dụng định nghĩa.

6.1.4.2. Phương pháp phân tích động lực học dây neo Trong một phân tích phản ứng động của dây, phản ứng động của bể chứa nổi được tính như trong phân tích tựa động, nhưng sức căng của dây được tính từ một phân tích động của phản ứng của dây theo sự dịch chuyển của đầu dây. Phương pháp này được áp dụng cho việc neo giữ ở vùng nước sâu hoặc điều kiện thời tiết rất khắc nghiệt, và dùng cho phân tích mỏi. Trong phần nghiên cứu ứng dụng sau đây cho mỏ Bạch Hổ thuộc vùng nước vừa và nông, hiệu ứng động của dây nhỏ, tác giả đề nghị một phương pháp gần đúng để ước tính lực căng động trong dây với thời gian tính toán giảm thiểu nhất.

• Các kết quả của mô phỏng phản ứng động của dây: Chuyển động 3D của dây (Hình 6.7), các đồ thị tín hiệu đầu ra theo chuỗi thời gian, các bảng lực căng dây tại từng phần tử theo từng bước thời gian…

Hình 6.7: Hình ảnh minh họa mô phỏng dịch chuyển động 3D của dây neo

171

6.1.4.3. Những khuyến cáo liên quan đến mô phỏng động của dây neo : - Phần mềm tính động lực học của dây neo cho phép tính toán với mô hình của mỗi dây neo không quá 10 đoạn/dây. - So sánh giữa mô hình tựa động và động học dây neo : đây là bước đầu tiên sau khi tính toán tín hiệu mô phỏng của lực kéo động với chương trình Cable-3D. Về mặt nguyên tắc, sự khác biệt đến từ lực tác động bởi dòng chảy lên dây neo. Trường hợp tính toán tựa động thì bỏ qua không xét đến lực này (không xét đến kích thước của dây neo). Trong trường hợp tính động dây neo, lực tác động của dòng chảy lên dây được tính theo công thức Morinson như sau :

2

21 SVCF x

(6.12) Trong đó : F : lực tác động bởi dòng chảy lên dây neo (N)

: mật độ của nước biển = 1028 (kg/m³) Cx : hệ số cản = 2 đối với 1 dây xích S : diện tích chiếu (m²) = chiều dài ngập nước của dây x đường kính dây V : vận tốc của dòng chảy (m/s)

- Dung sai : dung sai cho phép của chuyển vị và của lực là 1,5%. - Số lần lặp lớn nhất trong tính mô phỏng : theo hướng dẫn sử dụng nếu số lần lặp nhỏ quá thì kết quả thu được sẽ không chính xác ở phần đầu của tín hiệu và một số yếu tố quan trọng của tín hiệu, tuy nhiên nếu giá trị này quá lớn thì sẽ kéo dài thời gian tính toán của mô phỏng. Ở đây, khuyến cáo số lần lặp cho tính dây neo động là 100. - Bước thời gian tính toán : Thông số này là quan trọng nhất trong trường hợp mô phỏng dây neo ở dộ sâu nước trung bình và nông. Dẫu rằng bước thời gian tính toán được sử dụng trong Ariane (tựa động) thông thường là 1s và đối với Cable-3D thì bước thời gian tính động là bằng bước thời gian tính tựa tĩnh chia 2, tuy nhiên theo kinh nghiệm thì một bước thời gian tính động 0,02 s là cần thiết để đạt được một tín hiệu đầu ra tốt của lực căng động của dây neo, thậm chí nó còn cần phải giảm thêm nữa đối với trường hợp rất đặc biệt.

6.1.5. Hệ số an toàn trong tính BỀN của dây neo : Sau khi có kết quả tính lực căng trong dây bằng phương pháp tựa động và động của dây, ta tính được hệ số an toàn và so sánh với quy phạm để đánh giá độ an toàn của dây (theo qui phạm BV [21]) :

SF= TBr / TD ≥ [SF] (6.11) Trong đó : TBr là lực đứt tới hạn của dây được cho trong số liệu đầu vào;

[SF] là hệ số an toàn nhỏ nhất theo quy phạm.

172

- Với phương pháp tựa động [SF] = 1.75, - Với phương pháp động [SF] = 1.67.

6.1.6. Ước tính các hệ số khuyếch đại động (DAF) Mục đích của DAF là để định lượng phần ảnh hưởng động trong các dây neo. Để làm được việc này, người ta đưa ra một hệ số khuyếch đại động, được định nghĩa dưới 2 cách khác nhau :

• Hệ số khuyếch đại động được định nghĩa bởi tỉ số giữa các tín hiệu :

LFqs

LFdyn

TTTT

DAF

(6.13) Với: TLF : lực căng tần số thấp (lực căng tổng cộng = tác dụng của lực tĩnh + lực tần số thấp) Tqs : lực căng tựa động (lực căng tổng cộng = tác dụng của lực tĩnh + lực tần số thấp + lực tần số sóng tựa tĩnh). Tdyn : lực căng động (lực căng tổng cộng = tác dụng của lực tĩnh + lực tần số thấp + lực tần số sóng động).

• Một dạng khác để xác định DAF được định nghĩa trong phần Phụ lục n°1 của tài liệu của Đăng kiểm Pháp (BV) NI493 [21] dựa trên các độ lệch chuẩn của các tín hiệu:

WFqs

WFdynDAF

(6.14)

Trong đó : WFdyn là độ lệch chuẩn của các tín hiệu lực căng theo chuỗi thời gian gây ra từ tần số của sóng động : TWFdyn = Tdyn-TLF ;

WFqs là độ lệch chuẩn của các tín hiệu lực căng theo chuỗi thời gian gây ra từ tần số của sóng tựa động : TWFqs=Tqs-TLF.

Nhận xét: - Cả hai dạng trên đều đưa ra kết quả tương tự nhau. Dạng công thức (6.14) theo quy pham BV NI493 thì tổng quát hơn, còn dạng (6.13) thì cho kết quả tính nhanh hơn. - Dạng thức (6.13) chỉ có giá trị nếu ta lấy các giá trị Tdyn max, Tqs max và Tlf tại cùng một thời điểm, hoặc tại các thời điểm sát nhau. 6.2. PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐỂ KIỂM TRA MỎI HỆ THỐNG NEO FPSO

6.2.1. GIỚI THIỆU Hiện tượng mỏi của kết cấu nói chung và của kết cấu công trình biển nói riêng là một quá trình thay đổi các đặc trưng của vật liệu dưới tác động của sự thay đổi ứng suất biến đổi

173

theo thời gian, có thể kéo theo sự hình thành các vết nứt, và có thể là dẫn đến phá hủy kết cấu. Sự mỏi được đặc trưng bởi sự thay đổi của các ứng suất mà các ứng suất này nhỏ hơn nhiều so với độ bền chịu kéo của vật liệu. Sự tích lũy mỏi xảy ra đầu tiên trong các vùng có ứng suất lớn, tức là các vùng tập trung ứng suất (nút, lỗ hổng, chỗ đứt,...) Quá trình tích lũy tổn thất mỏi có thể được mô tả theo 3 bước sau:

+ giai đoạn 1 : sự hình thành vết nứt (nếu những lỗi này chưa xuất hiện trong vật liệu từ khi chế tạo) + giai đoạn 2 : lan truyền vết nứt + giai đoạn 3 : phá hủy kết cấu

6.2.2. Các thông số mỏi Các thông số thường xuyên được dùng để dự báo ứng xử mỏi của kết cấu khi xảy ra phá hủy kết cấu là các thông số lực kích động và các thông số của hệ thống « vật liệu-môi trường ». 6.2.2.1. Các thông số các thông số lực kích động (hay là các thông số của sự biển đổi), trước hết là sự liên hệ tương đối của các ứng suất trong một chu trình : ứng suất lớn nhất (max), ứng suất nhỏ nhất(min), ứng suất trung bình (½ [max +min ] ), sự thay đổi của ứng suất ( = max -min = S ) hay biên độ của ứng suất luân phiên (a = ½ ), và tỉ số R của ứng suất nhỏ nhất so với ứng suất lớn nhất ( R = min /max ).

Trong thực tế, sự thay đổi của ứng suất (S) là thông số trội nhất của ứng xử mỏi của kết cấu. Các dạng khác nhau của ứng suất động (hoặc tựa động) có thể gặp được, thể hiện một sự phân loại tổng quát các tín hiệu tiền định (có chu kì hoặc không có chu kì) và các tín hiệu ngẫu nhiên (dừng hoặc không dừng) (xem hình 6.7).

Hình 6.7: Sự phân loại các tín hiệu của tải trọng động

174

6.2.2.2. Các thông số của hệ thống « vật liệu-môi trường » Các thông số liên quan đến vật liệu chủ yếu là thành phần hóa học, các xử lí nhiệt, cấu trúc siêu nhỏ và các đặc trưng cơ học. Trong số các thông số này, dường như chỉ có các các đặc trưng cơ học là can thiệp một cách rõ ràng trong các qui định cơ bản dựa trên phương pháp mỏi truyền thống, thông thường nhất là bởi hình thức trung gian của giới hạn đàn hồi, và đôi khi của tải trọng phá hủy. Bên cạnh các thông số vật liệu, hiện tượng mỏi của kết cấu kim loại ở biển còn gây ra bởi các thông số môi trường. Trong thực hành, các thông số này không can thiệp một cách rõ ràng trong phương pháp mỏi truyền thống. Thông thường, chúng chỉ can thiệp trong các quy định dưới dạng các hệ số an toàn, được xác định phụ thuộc vào sự « tấn công » ước định của môi trường. Các nghiên cứu mới đây đã được phát triển dưới sự tương tác «mỏi - ăn mòn », có nghĩa là giao diện giữa hai môi trường : vật liệu và môi trường biển ([7, 52, 73]). Các phương pháp dựa trên cơ học phá hủy cho phép giới thiệu một cách lí tính các thông số môi trường và thể hiện rõ vai trò quan trọng của các thông số này.

6.2.3. Các phương pháp phân tích mỏi của kết cấu công trình biển Khi ta tiến hành phân tích mỏi của một kết cấu mà trường ứng suất là bất kì, ta phải phân biệt các dạng xuống cấp khác nhau của kết cấu :

- Phá hủy mỏi với số lượng chu trình ít, đối với các tải trọng dẫn đến phá hủy kết cấu với số lượng chu trình nhỏ hơn 50 000 chu trình ;

- Phá hủy mỏi thông thường, với số lượng chu trình lớn hơn 50 000 chu trình ; Đối với các kết cấu chịu tác động của tải trọng sóng, các tải trọng diễn ra trong suốt tuổi thọ công trình (> 50 000 chu trình, tương ứng với dạng phá hủy mỏi thứ 2) Tiêu chuẩn để đánh giá tuổi thọ mỏi được nhắc đến từ một phương pháp tính toán kết cấu. Trên thực tế, theo các quy tắc và quy phạm hiện hành tính toán thiết kế công trình biển, có hai phương pháp để tính toán mỏi của kết cấu ([3], [9], [7], [32]):

+ theo quy tắc Miner và đường cong mỏi S-N của Wholer + theo phương pháp cơ học phá hủy 6.2.3.1. Phương pháp phân tích mỏi dựa trên quy tắc Miner (hay Palmgren - Miner) Tuổi thọ mỏi tới thời điểm hình thành vết nứt (giai đoạn 1 của mỏi) có một khoảng kéo dài quan trọng so với khoảng thời gian lan truyền vết nứt (giai đoạn 2 của mỏi). Với phương pháp này, tuổi thọ kết cấu thông thường được định nghĩa tới khi có sự hình thành vết nứt xuất hiện trong kết cấu (được coi như là trạng thái phá hỏng), với một sự lựa chọn thích hợp các đặc trưng tối thiểu của vật liệu.

175

Đường cong mỏi Wholer có thể được biểu diễn dưới dạng mối quan hệ giữa biên độ của ứng suất luân phiên S và N- số chu trình dẫn đến phá hủy mỏi. Giới hạn của khả năng chịu đựng là giá trị ứng suất luân phiên mà từ dưới giá trị này không xảy ra mỏi. Đường cong mỏi S-N thông thường được mô tả bởi phương trình sau :

N = k S - m ; S > So (6.15) Trong đó : k và m là các giá trị đặc trưng của vật liệu, được xác định bới các thí nghiệm, thông thường được thực hiện với tỉ lệ của tải trọng R = min /max = -1 (đối với các công trình biển, xem [3], [7], [8], [32]);

+ S = max - min là biên độ của ứng suất + So là giới hạn của khả năng chịu đựng. Vào năm 1924, Palmgren đã thiết lập ra một quy tắc để phân tích mỏi của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng điều hòa có biên độ là hằng số. Quy tắc này chỉ ra rằng tổn thất mỏi được tích lũy một cách tuyến tính, được viết dưới dạng của một hệ số tổn thất như sau :

NnD (6.16)

trong đó : n là số lượng chu trình của biên độ ứng suất S (Hình 6.8), và N là số lượng chu trình của biên độ ứng suất gây ra phá hủy kết cấu. Sự phá hủy kết cấu xảy ra khi tổng các tổn thất tương ứng với mỗi biên độ đạt tới 1 (D = 1).

Hình 6.8. Ứng suất điều hòa với một tỉ số tải trọng R = -1

Trong trường hợp phân tích mỏi của một kết cấu công trình biển, thông thường các tải trọng bao gồm các chu trình khác nhau của các biên độ khác nhau. Lịch sử của ứng suất được mô tả như một chuỗi các khối biên độ hằng số (Hình 6.9).

176

Hình 6.9. Lịch sử của ứng suất được chia thành các khối có biên độ không đổi Sj

Vì thế cần thiết phải định lượng được tổn thất mỏi tổng cộng gây ra các chu trình này. Từ luật tích lũy tuyến tính của tổn thất mỏi (được đề ra bởi Palmgren) trong phương trình (6.16), một công thức toán học (được Miner phát triển muộn hơn) để ước tính hệ số tổn thất tổng cộng, được đưa ra như sau :

iM

j j

j

Nn

D1

(6.17)

Trong đó : D hệ số tổn thất tổng cộng, phụ thuộc vào thời gian chịu tải trọng t ; nj là số lượng chu trình của biên độ ứng suất Sj của khối j, Nj là số lượng chu trình của biên độ ứng suất Sj gây ra phá hủy kết cấu, và M là số lượng các khối biên độ. Luật dựa trên công thức (6.17) được gọi là Luật Palmgren-Miner, và các phương pháp phân tích mỏi kết cấu dựa trên luật này là phương pháp truyền thống. Sự phá hủy kết cấu xảy ra khi tổng các tổn thất mỏi D đạt tới một giá trị cho phép, được đưa ra trong các quy phạm thiết kế các công trình biển, tuy nhiên thông thường thì bằng giá trị đơn vị (D = 1). Tuổi thọ mỏi của kết cấu có thể được ước tính là khoảng thời gian chịu tải tương ứng.

6.2.3.2. Phương pháp phân tích mỏi dựa trên cơ học phá hủy Các phương pháp phát triển theo xu hướng này dựa trên cơ học phá hủy để mô phỏng tuổi thọ tương ứng với giai đoạn phát triển thứ 2 của mỏi kết cấu. Một sự bất thường có thể tồn tại trong vật liệu, có thể có hai nguồn gốc: - lỗi chế tạo ban đầu, - sự xuất hiện của vết nứt gây ra bởi mỏi. Chúng ta cần phải xác định đặc tính của vết nứt này bởi kích thước a và bởi hình dạng của nó trong quá trình lan truyền chậm của vết nứt (giai đoạn thứ 2 của mỏi) dựa trên phương

177

pháp cơ học phá hủy. Vết nứt này sẽ lan truyền, vì thế a sẽ tăng nếu sự chất tải biến đổi, cho tới khi đạt tới kích thước tới hạn ac. Luật Paris là một luật đơn giản nhất chi phối sự lan truyền của vết nứt. Cho : - N là số lượng chu trình;

- K = K max - K min là sự thay đổi của yếu tố cường độ của ứng suất; - K, C và m là các hệ số phụ thuộc vào vật liệu ; Do đó, ta có vận tốc lan truyền các vết nứt theo luật Paris như sau :

mKCdNda

(6.18)

6.2.3.3. Nhận xét về hai phương pháp tính mỏi Phương pháp truyền thống dựa trên quy tắc Miner (tương ứng với giai đoạn 1 của hiện tượng mỏi) và phương pháp dựa trên cơ học phá hủy (tương ứng với giai đoạn 2 của mỏi) có thể được sử dụng hoặc là để tính toán tuổi thọ của một kết cấu khi biết tải trọng có chu kì tác động lên kết cấu đó, hoặc là để tính tải trọng lớn nhất có thể chịu đựng được khi cho biết tuổi thọ thiết kế. Tuy nhiên, phương pháp thứ hai đòi hỏi phải có nhiều hơn các thử nghiệm tinh vi và chi phí cao hơn để xác định được các hệ số tương ứng với các phương pháp tính. Mặt khác, phương pháp này cho phép sự tồn tại của các vết nứt có thể chấp nhận được, cho tuổi thọ của kết cấu dài hơn so với tuổi thọ tính theo phương pháp thứ nhất. Các phương pháp này đều có thể được phát triển để phân tích mỏi của các kết cấu công trình biển chịu tải trọng ngẫu nhiên. Đối với các công trình biển, các quy tắc và qui phạm cũng cho phép sử dụng cả hai phương pháp. Tuy nhiên, trên thực tế thì phương pháp truyền thống được sử dụng thường xuyên hơn. Trong phần trình bày của nghiên cứu dưới đây, chúng tôi chỉ sử dụng phương pháp truyền thống dựa trên quy tắc Palmgren-Miner để nghiên cứu mỏi cho hệ thống neo của bể chứa nổi FPSO với mô hình ngẫu nhiên, sử dụng phương pháp phổ (trong miền tần số) và phương pháp trong miền thời gian.

6.2.4. Các đặc trưng của môi trường để ước tính tuổi thọ mỏi của các dây neo FPSO

6.2.4.1 Các giới hạn của các điều kiện môi trường trong nghiên cứu mỏi Có 3 yếu tố của môi trường (gió, dòng chảy và sóng) được xét đến trong tính toán tải trọng lên kết cấu công trình biển. Về nguyên tắc, tất cả 3 thông số trên đều biến đổi

178

theo thời gian với các tần số khác nhau. Tuy nhiên, trong tính toán mỏi, người ta chỉ giới hạn xét thông số sóng là biến đổi theo thời gian và lặp lại, với mô hình sóng thực, ngẫu nhiên, còn 2 thông số khác (gió, dòng chảy) thì được coi là không biến đổi trong thời gian một trạng thái biển. Sóng thực trong một trạng thái biển được mô tả bởi các thông số tương ứng. Phân bố của sóng dài hạn được xác định bởi phân bố của các thông số sóng ngắn hạn.

6.2.4.2 Các thông số và phổ sóng của các trạng thái biển ngắn hạn

Bề mặt sóng (t) của sóng thực trong trạng thái biển ngắn hạn được mô hình hóa bởi một quá trình ngẫu nhiên chuẩn, dừng, trung tâm, do đó hoàn toàn có thể được mô tả bởi một hàm mật độ phổ. a) Các thông số sóng ngắn hạn: + Hs : chiều cao sóng đắng kể, Hs = H1/3 = giá trị trung bình của 1/3 chiều cao sóng lớn nhất ; + Tz : chu kỳ cắt không trung bình;

+ : hướng sóng của trạng thái biển xét. b) Mật độ phổ của sóng: - Mật độ phổ năng lượng phụ thuộc vào 2 thông số sóng ngắn hạn Hs (H1/3 ) và Tz (hoặc tương đương), thường có dạng như sau :

S() = A -m exp(- B -n ) (6.19)

trong đó :

+ : tần số góc của sóng; + A và B : các hàm của các thông số sóng ngắn hạn; + m và n : số mũ, luôn dương. - Một vài phổ sóng thông thường : Pierson-Moskowitz (PM) , JONSWAP. - Phổ theo hướng của các trạng thái biển ngắn hạn được xác định từ quan hệ :

S(, ) = S() . f () (6.20)

trong đó f () là một hàm hướng.

Nhận xét : các mật độ phổ S() thông thường được dùng dưới dạng « một phía » (one-sided) với giá trị của các tần số sóng thuộc khoảng [0, ].

c) Các đặc trưng thống kê của sóng ngắn hạn:

+ Mật độ xác suất của bề mặt sóng (t) : quá trình ngẫu nhiên chuẩn, dừng, trung tâm, tuân theo luật Gausse :

179

p () =

2

0o

)M

(21exp

M21

(6.21)

+ Mô men phổ thứ n của sóng ngẫu nhiên :

Mn =

0

n d).(S , ( n= 0 ; 2 ; 4) (6.22)

+ Chu kì cắt không trung bình: là thời gian trung bình mà chia cắt 2 lần cắt không liên tiếp:

TZ = Z

2

=

0

2

0

d).(S

d).(S2

= 2 2

0

MM

(s) (6.23) + Chu kì trung bình giữa hai đỉnh:

Tc = c

2

=

0

4

0

2

d).(S

d).(S2

= 2 4

2

MM

(s) (6.24) Các chu kì Tz và Tc được giải thích ở Hình 6.10.

Hình 6.10. Một thể hiện điển hình của một quá trình ngẫu nhiên dừng (t)

+ Bề rộng phổ sóng :

= 40

22

M.MM1

=

2

Z

C )TT(1

(6.25)

= 0 đến 1.

180

Nếu nhỏ, gần 0 => phổ dải hẹp (phần lớn năng lượng phổ tập trung trong 1 khoảng tần số hẹp), khi đó Tc gần với Tz;

Nếu lớn, gần 1, => phổ dải rộng.

+ Phương sai của bề mặt sóng (t) :

Var ((t)) = 2 = Mo (6.26)

+ Mật độ xác suất của chiều cao sóng trong trường hợp phổ dải hẹp :

Áp dụng luật Rayleigh cho các đỉnh sóng (max = a)

p(a) =

22 )

aa(

4exp

)a(a

2

o

2

o M2a

expMa

(6.27) và đối với chiều cao sóng (H)

o

2

o M8Hexp

M4HHp

(6.28) Hàm phân bố tương ứng của các đỉnh :

P (a) = 1- exp

2

aa

4 = 1 - exp

o

2

M2a

(6.29) Hàm phân bố của chiều cao sóng H :

P (H<H* ) = 1 - exp

oMH

8

2

(6.30) Nhận xét : Luật Rayleigh này ứng dụng cho các quá trình của phổ dải hẹp, đóng vai trò quan trọng trong bài toán phân tích mỏi. + Mật đô xác xuất của chiều cao sóng trong trường hợp phổ dải rộng: Sử dụng luật Gaussienne và luật Weibull.

6.2.4.3 Phân bố dài hạn của các thông số sóng ngắn hạn (hay là phân bố sóng dài hạn) Trong các tính toán các công trình biển, cần thiết phải biết phân bố dài hạn của các thông số sóng ngắn hạn (Hs, Tz., tương ứng với các hướng), nghĩa là phải biết luật liên kết dài hạn của các yếu tố này. Để ước tính được tuổi thọ mỏi của công trình, cần thiết phải biết được các số liệu đầu vào trung bình trong 1 năm của các trạng thái biển ngắn hạn. Ngược lại, các tính toán độ bền « thiết kế » đòi hỏi phải biết số liệu phân bố trong một khoảng thời gian dài hạn trong nhiều năm của các trạng thái biển ngắn hạn, ví dụ như là sóng 50 năm hay 100 năm.

181

Một vài kết quả nghiên cứu để xác định phân bố của sóng thực dài hạn được trình bày dưới đây ([13, 32, 31, 29]) :

a) Thiết lập đồ thị phân bố sóng của các trạng thái biển ngắn hạn Sau khi xử lí các số liệu dài hạn, ta có thể thiết lập được biểu đồ phân bố của sóng (Scatter diagram) kèm theo một bảng với các thông số tương ứng (Hs, Tz, hướng và xác suất) của một tập hợp các trạng thái biển ngắn hạn tại vùng biển khai thác.

b) Phân bố dài hạn của sóng thực dựa vào kinh nghiệm Dựa theo kinh nghiệm, hàm phân bố liên hợp của sóng dài hạn của Hs và Tz dựa trên các số liệu nhận được từ biểu đồ phân bố, có thể được viết dưới dạng sau :

P(H1<Hs<H2) ; T1<Tz< T2) =

2

1

2

1

H

H

T

TTz,Hs dHdT)T,H(p

(6.31) trong đó:

+ P (H1<Hs<H2) ; T1<Tz< T2) : hàm phân bố xác suất liên hợp với giá trị của Hs (H1, H2) và Tz (T1, T2) xảy ra đồng thời ; + pHs,Tz (H,T) : mật độ xác suất liên hợp của Hs và Tz đạt được bởi sự xử lí số liệu dài hạn nhận được. c) Phân bố dài hạn theo Weibull Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng ta có thể sử dụng một phân bố Weibull dài hạn của các chiều cao sóng đáng kể. Phân bố dọc theo biên này của H1/3 (hay Hs), phụ thuộc vào hai thông số :

P(Hs) = 1 - exp

C

S

HH

(6.32)

trong đó: Hc và là các thông số (có giá trị dương) đạt được hoặc được điều chỉnh dựa trên các số liệu đo hoặc quan sát được. Phân bố Weibull này được thỏa mãn để ngoại suy ra giá trị của các sóng cực đại « thiết kế ».

6.2.5. Các đặc trưng thống kê ngắn hạn của sức căng ngẫu nhiên của dây neo

6.2.5.1. Các thành phần của lực căng trong dây neo Xét một hệ thống FPSO chịu tác dụng của các ngoại lực môi trường ngắn hạn. Sau khi nghiên cứu phản ứng của hệ theo độ bền (xem mục 6.1), ta thấy rằng lực căng tổng ngẫu nhiên của một dây có ba thành phần, tương ứng với ba dạng của tần số. Các thành phần của lực và sức căng tổng của ba dạng tần số được minh họa trên Hình 6.11.

182

Hình 6.11. Các thành phần của lực của ba dạng tần số

Trong số các lực tác dụng lên hệ FPSO neo giữ, có các lực gây ra bởi các trạng thái biển ngắn hạn với gió và dòng chảy kèm theo. Xuất phát từ các phương pháp phân tích động hệ neo FPSO đã trình bày ở Mục 6.1, ta có được mô phỏng của lực căng ngẫu nhiên của các dây neo chịu tác dụng của các lực trôi dạt và của các lực của sóng dài hạn của một tập hợp các trạng thái biển ngắn hạn hàng năm. Các kết quả tính toán được đưa ra cho một dây neo được xét, ở điểm đầu trên của dây tiếp xúc với bể chứa nổi (fairlead). Trong mục này sẽ giới thiệu các công cụ cơ bản được sử dụng để phân tích mỏi trong miền tần số hoặc trong miền thời gian.

6.2.5.2. Phân tích mỏi trong miền tần số Dựa trên mật độ phổ « một phía » của lực căng , STT(), ta có thể suy ra các đặc trưng thông kê quan trọng như sau :

a) Các mô men của phổ : Mô men bậc n của phổ Mn của quá trình ngẫu nhiên dừng T(t) được định nghĩa như sau :

Mn =

0

n

STT() d , ( n= 0 ; 2 ; 4) (6.33)

Đối với một quá trình ngẫu nhiên trung tâm (trung bình bằng 0), ta có các biểu thức sau : b) Các phương sai của các quá trình ngẫu nhiên

T2 = Mo =

0 STT() d (6.34)

T 2 = M2 =

0

2

STT() d (6.35)

183

T 2 = M4 =

0

4

STT() d (6.36) trong đó : Mo = E[T(t)2] là phương sai của quá trình ngẫu nhiên T(t);

M2 = E[ )t(T 2] là phương sai của quá trình ngẫu nhiên )t(T

M4 = E[2)t(T ]là phương sai của quá trình ngẫu nhiên )t(T .

c) Bề rộng của phổ và hệ số không đều của phổ : + Bề rộng của phổ:

= 40

22

M.MM1

= 21 (6.40)

+ Hệ số không đều của phổ :

= 2/1

4o

2

max

o

)MM(M

NN

= Z

C

TT

(6.41) Cả hai thông số này được dùng để tính bề rộng của dải tín hiệu. Quá trình của lực căng ngẫu nhiên :

là dải hẹp nếu hệ số không đều gần với 1, và bề rộng của phổ gần với 0, ngược lại

là dải rộng nếu bề rộng của phổ gần với 1 và gần với 0 (Hình 6.12).

Hình 6.12. Minh họa phổ dải hẹp và dải rộng

e) Phân bố các đỉnh của một quá trình ngẫu nhiên dừng chuẩn trung tâm [56,79] + Phân bố đỉnh của quá trình ngẫu nhiên T(t) dải hẹp là một phân bố Rayleigh:

184

(a) Đối với các đỉnh (biên độ) của T(t), kí hiệu Ta

p(Tmax) = p(Ta)

o

2a

o

a

M2Texp

MT

(6.42)

trong đó (Mo)1/2 = T – độ lệch chuẩn của quá trình T(t). (b) Đối với sự thay đổi (gấp đôi biên độ) của T(t), kí hiệu Tv

o

2V

o

VV M8

TexpM4TTp

(6.43) (c) Giá trị hay xảy ra nhất của đỉnh T (t), kí hiệu Max Ta

Max Ta = oM)LnN(2 ; N = TSt /Tz (6.44)

trong đó oM = T = độ lệch chuẩn của T(t) (xem pt 6.34) ;

TSt = chu kì của một cơn bão của trạng thái biển xét (VD : 3h); Tz = chu kì trung bình cắt không của quá trình T(t). + Phân bố đỉnh của quá trình ngẫu nhiên T(t) dải rộng là một phân bố chuẩn (Gauss) :

p(Tmax ) = p(Ta) =

0

2a

oMT

21exp

M21

(6.45) + Phân bố đỉnh của quá trình ngẫu nhiên T(t) trong trường hợp bất kì là một tổ hợp tuyến tính của một phân bố chuẩn (Gauss) và một phân bố Rayleigh :

p(Ta) = (1 - 2) )

2Texp(T)u(F)

)1(2

Texp(

)1(21

2T

2a

2T

a2T

2

2a

2T

(6.46)

trong đó : u = T

a

2

T1

; F(u) là hàm lặp của một mật độ xác suất chuẩn, đơn vị :

F(u) =

u2 dx)x

21exp(

21

(6.47)

Nhận xét : Thay vào (6.46) trong trường hợp phổ dải hẹp = 1 => phân bố Rayleigh (6.42), trong trường hợp phổ dải rộng = 0 => phân bố chuẩn (gauss) (6.45).

6.2.5.3. Phân tích mỏi trong miền thời gian a) Các thể hiện (mô phỏng) của lực căng ngẫu nhiên

185

Như trình bày ở mục 6.1, lực căng ngẫu nhiên dừng của một dây neo tương ứng với trạng thái biển ngắn hạn có thể được mô phỏng trong miền thời gian bởi các thể hiện (hoặc quỹ đạo) bằng cách sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo [45]. Quá trình ngẫu nhiên của lực kéo có thể là dạng chuẩn (nhưng ở dải rộng), hoặc dạng không chuẩn (khi ứng xử của kết cấu là phi tuyến). Khoảng thời gian của mỗi thể hiện, về nguyên tắc không phụ thuộc vào chu kì của trạng thái biển tương ứng, phải đủ lớn để đảm bảo cho sự dừng và egodic. Mặt khác, cần thiết phải mô phỏng mỗi trạng thái biển ngắn hạn bằng nhiều thể hiện không tương quan. Đối với mỗi thể hiện có sẵn, việc sử dụng một phương pháp đếm số lượng cho phép xác định, cho mỗi đoạn [TVi, T’Vi] thay đổi của lực căng (kí hiệu bởi Tv = Tmax - Tmin), số lượng trung bình các chu trình của lực căng đạt được trong một đơn vị thời gian, tức là ni.

b) Phương pháp đếm giọt mưa (Rainflow) Có nhiều phương pháp để đếm chu trình ứng suất theo thời gian, VD như : phương pháp đếm giọt mưa (Rainflow), phương pháp đếm các đỉnh, đếm chu trình trung bình... Sự lựa chọn một phương pháp đếm phụ thuộc vào cách định nghĩa các chu trình ứng suất được xét (nghĩa là lịch sử của lực căng ngẫn nhiên được mô hình hóa bởi các quỹ đạo). Từ định nghĩa chu trình mà nó đưa ra, mỗi phương pháp cung cấp cách đánh giá số lượng chu trình và độ lớn, cho một khoảng thời gian xác định của quỹ đạo nghiên cứu. Các phương pháp này có mục đích để phân tích mỏi của kết cấu công trình biển nói chung bởi việc áp dụng quy tắc Palmgren-Miner dựa trên phân tích trong miền thời gian để ước tính tuổi thọ của công trình. Mặc dù có nhiều phương pháp đếm chu trình, tuy nhiên phương pháp đếm giọt mưa (Rainflow) hiện nay vẫn được dung phổ biến nhất. Hình 6.13 cho ta thấy một ví dụ minh họa về phương pháp đếm giọt mưa [10].

186

Hình 6.13. Phương pháp đếm giọt mưa

(trên một thể hiện ứng suất)

c) Thuật toán của phương pháp đếm giọt mưa (Rainflow) Nguyên tắc đếm chu trình của một quỹ đạo (VD : thể hện của ứng suất) đòi hỏi phải phân loại thể hiện này theo các cặp các đáy đi lên và các đỉnh đi xuống. Thuật toán của phương pháp đếm này liên hệ với các cặp đáy và đỉnh để đạt được các chu trình từng phần. Các quy tắc thành lập các cặp này sử dụng một « dòng thác » giống nhau, đó là nguồn gốc của từ giọt mưa « rainflow ». Có nhiều thuật toán đếm chu trình dựa trên các hướng dẫn thực hành [11]. Thuật toán trình bày dưới đây được sử dụng phổ biến nhất [89]: Thuật toán của phương pháp giọt mưa (Rainflow) để đếm chu trình ứng suất (1). Sắp xếp thể hiện ứng suất theo trình tự giảm dần của các đỉnh và các đáy. (2). Tưởng tượng rằng thể hiện này được mô phỏng như một cái lá cứng có hình dạng một mái chùa có nhiều lớp. (3). Quay thể hiện 1 góc 90° theo chiều kim đồng hồ, trục thời gian hướng xuống dưới. (4). Ta tưởng tượng mỗi đỉnh như một nguồn nước làm rơi xuống mái chùa 1 giọt nước. (5). Đếm số lượng ½ chu trình ứng suất quan sát được của các điểm dừng của dòng nước, xảy ra khi xuất hiện một trong các hiện tượng sau :

187

a) điểm cuối của quá trình ; b) hợp nhất với một dòng mà dòng này đã bắt đầu từ đỉnh trước đó ; hoặc c) dòng chảy đô i diện của đỉnh tiếp theo có biên lớn nhất.

(6). Lặp lại bước 5 đối với các đáy. (7). Phân định biên của mỗi nửa chu trình bằng sự thay đổi ứng suất giữa điểm bắt đầu và điểm kết thúc của nửa chu trình đó. (8). Xếp cặp các nửa chu trình có biên giống nhau (nhưng ngược dấu) để đếm số lượng các chu trình hoàn thiện. Điển hình, có một vài nửa chu trình còn dư. Cuối cùng, ta có được một biểu đồ của S (sự thay đổi của ứng suất về mặt hình học) được giải thích như sau : Khoảng của S được tách cặp thành p lớp ; mỗi lớp i tương ứng với Si S S’

i; biểu đồ của S cung cấp cho ta số lượng chu trình ni tương ứng với ứng suất Si , i = 1 đến p. Ví dụ: • Mô phỏng ứng suất trên hình Hình 6.14 được biến thành các đỉnh và các đáy như Hình 6.15, 16 ; • Nửa chu trình (A) bắt đầu từ đỉnh (1) và kết thúc tại điểm đối diện với một biên lớn nhất, đỉnh (2). Biên độ của nửa chu trình này (sự thay đổi ứng suất) là 16 MPa ; • Nửa chu trình (B) bắt đầu từ đỉnh (4) và kết thúc tại điểm mà nó bị ngừng lại bởi một dòng của một đỉnh (3) trước đó. Biên độ của nó là17 MPa ; • Nửa chu trình (C) bắt đầu từ đỉnh (5) và kết thúc tại điểm cuối của quá trình; • Các nửa chu trình khác tương tự được tính toán cho các đáy (Hình 6.16) và do đó tất cả các nửa chu trình được xác định; • Cuối cùng ta có các kết quả được trình bày trên một bảng sau đây để thành lập được biểu đồ thay đổi ứng suất (Si, ni).

Hình 6.14. Một thể hiện (sự thay đổi) của ứng suất

188

Hình 6.15. Phân tích đếm hạt mưa đối

với các đỉnh

Hình 6.16. Phân tích đếm hạt mưa đối

với các đáy

Bảng 6.1. Các kết quả đếm chu trình để xây dựng biểu đồ Si - ni

No i Si (MPa) Số chu trình hoàn thiện

Số nửa chu trình

Số lượng chu trình ni

1 10 2 0 2

2 13 0 1 0.5

3 16 0 2 1

4 17 0 2 1

5 19 1 0 1

6 20 0 1 0.5

7 22 0 1 0.5

8 24 0 1 0.5

9 27 0 1 0.5

Trong các tính toán mỏi của các dây neo FPSO, chúng ta sẽ sử dụng phương pháp này để đếm các chu trình của các thể hiện lực căng trong dây.

189

6.2.6. Đường cong mỏi T-N trong tính mỏi cho dây neo

6.2.6.1. Biểu thức tổng quát của đường cong mỏi T-N Để đánh giá độ bền do mỏi của một dây neo trong hệ neo FPSO, cần phải xác định tuổi thọ của dây từ mô phỏng ngẫu nhiên của sức căng của dây và từ đường cong mỏi của dây đang xét T-N thay vì đường cong S-N như trước đây, với việc áp dụng luật Palmgren-Miner (xem §6.2.3.1 ). Đường cong mỏi T-N cho ta số chu trình trước khi xảy ra phá hủy của một dây neo, phụ thuộc vào sự thay đổi lực căng chuẩn hằng số dựa trên các kết quả thí nghiệm. Phương tình của đương cong mỏi T-N được viết dưới dạng sau [8], [21] :

NRm = K (6.48) trong đó + N là số chu trình xảy ra phá hủy mỏi ; + R là tỉ số của sự biến đổi của sức căng (gấp đôi của biên độ : TV = Tmax - Tmin) so với độ bền phá hủy tối thiểu (quy chiếu) của dây cáp hoặc xích neo (kí hiệu là TR), R= TV /TR ; + m và K là các hệ số đưa ra bởi tiêu chuẩn thiết kế, thông thường K phụ thuộc vào tỉ số của lực căng trung bình (Tm) so với TR (xem VD về hệ số m , K cho từng loại vật liệu làm dây neo ở bảng dưới dây theo QP API và BV ([8], [21] )). Nhận xét: Đường cong mỏi T-N dưới dạng (6.48) thể hiện ảnh hưởng trội của sự thay đổi của lực căng lên độ bền mỏi của các dây neo của các công trình nổi có neo giữ nói chung và của các bể chứa nổi FPSO nói riêng. Đường cong mỏi T-N ở pt (6.48) có thể được viết dưới dạng một phương trình tuyến tính đối với log10 N và log10 R như sau (Hình 6.17) [8]: log10 N = log10 K - mlog10 R (6.49)

Loại vật liệu m K

Xích « Studlink » (có gia cố ở mắt xích)

3.0 1 000

Xích « Studless » (không gia cố)

3.0 316

Dây cáp nhiều sợi 4.09 10(3.20-2.79Lm)

190

Hình 6.17. Đường cong mỏi thiết kế T-N [8]

Ta nhận thấy rằng thông số m là số mũ của hàm của đường cong mỏi T-N, pt(6.48), và đồng thời là độ dốc của mối quan hệ này trong hệ tọa độ logarith, pt(6.49).

6.2.6.2. Thiết lập đường cong mỏi thiết kế của một dây neo Để phân tích mỏi một dây neo, đường cong T-N phải được thiết lập cho mỗi trạng thái biển i với các bước như sau : - Mỗi trạng thái biển ngắn hạn i, ta xác định lực căng trung bình của dây đang xét (Tmi) của hệ neo dưới tác dụng của các lực thường xuyên; - Xác định các giá trị của các hệ số m và Ki ; - Thiết lập hàm của đường cong mỏi thiết kế của (T-N)i bằng pt(6.48) tương ứng với trạng thái biển thứ i.

6.2.7. Tổn thất mỏi tích lũy trung bình trong ngắn hạn

6.2.7.1. Các dạng khác nhau của luật Palmgren-Miner đối với một trạng thái biển ngắn hạn Luật Palmgren-Miner có thể được dùng để xác định hệ số tổn thất mỏi trung bình trong 1 năm của một dây neo theo biểu thức sau :

D (annuel) = Dan =

n

1iiD (6.50)

191

trong đó : Di hệ số tổn thất mỏi trung bình trong 1 năm của một dây neo được xét chịu tác dụng của các tải trọng môi trường ở trạng thái biển i (TTB i); n là số lượng trung bình các trạng thái biển trong 1 năm. Có 2 dạng của biểu thức của luật Palmgren-Miner như sau :

a) Dạng rời rạc của luật Palmgren-Miner Biểu thức dạng này phù hợp với trường hợp lực căng phụ thuộc thời gian trong TTB i được thành lập bởi một số các khối chu trình không đổi, khối thứ ji được định nghĩa bởi số chu trình nji của lực căng TVji Hệ số tổn thất mỏi trong trạng thái biển i được viết như sau:

Di =

im

1i ji

ji

Nn

(6.51) trong đó : mi là số các khối chu trình có lực căng không đổi trong TTB i; Nij là số các chu trình trước khi xảy ra phá hủy kết cấu, tương ứng với sự thay đổi lực căng chuẩn hóa TVji , đưa ra bởi đường cong mỏi T-N thích hợp. Hệ số tổn thất mỏi trong 1 năm đối với n TTB ngắn hạn được xác định bởi tổ hợp của 2 phương trình (6.50) và (6.51):

Dan =

n

1iiD =

im

1j ji

jin

1i Nn

(6.52) Dạng rời rạc của luật Palmgren-Miner, pt(6.52), sẽ được áp dụng cho các tính toán mỏi ngẫu nhiên trong miền thời gian. b) Dạng liên tục của luật Palmgren-Miner Khi lực căng là một quá trình ngẫu nhiên Ti(t) trong TTB ngắn hạn i, hệ số tổn thất mỏi, ở pt (6.51), sẽ được viết như sau :

Di =

0 Vi

VVi

)T(NdT)T(n

(6.53) trong đó : ni (Tv)dTv là số lượng chu trình mà có bề rộng trong khoảng Tv và Tv+dTv trong chu kì của TTB i; Ni(Tv) là hàm của đường cong mỏi T-N trong TTB i (xem pt.6.48) Trong trường hợp này hệ số tổn thất mỏi trong 1 năm của n TTB ngắn hạn được xác định bởi tổ hợp của 2 phương trình (6.50) và (6.53):

192

Dan =

n

1iiD =

n

1i 0 Vi

VVi

)T(NdT)T(n

(6.54) Dạng liên tục của luật Palmgren-Miner, pt(6.54), sẽ được áp dụng cho các tính toán mỏi ngẫu nhiên trong miền tần số.

6.2.7.2. Tổn thất mỏi trong miền tần số a) Mật độ phổ của một TTB ngắn hạn Mục đích của phương pháp này là để xác định hệ số tổn thất mỏi tích lũy trung bình trong 1 năm đối với mỗi TTB ngắn hạn thứ i trong 1 dây neo tại điểm đầu trên của dây. Lực căng ngẫu nhiên tổng hợp trong dây neo đang xét, trong TTB i, được mô hình hóa bởi mật độ phổ của nó, được chia thành 2 thành phần sau :

(1) mật độ phổ gây ra bởi các lực sóng ngẫu nhiên, kí hiệu là STTwi(), với độ lệch chuẩn của quá trình của lực căng tương ứng là :

Twi = [Var(Twi)]1/2 (M0wi)1/2 =

0

TTwi d)(S (6.55)

(2) mật độ phổ gây ra bởi các lực trôi dạt của sóng, kí hiệu là STTLi (), (xem §6.1) với độ lệch chuẩn của quá trình của lực căng tương ứng với lực tần số thấp là :

ILi = [Var(TLi)]1/2 = (M0Li)1/2 =

0

TTLi d)(S (6.56)

Các đặc trưng thống kê dựa trên 2 phổ này có thể được xác định như ở §6.2.5.2. Phương pháp giải trong miền tần số chủ yếu phù hợp với trường hợp phổ dải hẹp. b) Tổn thất mỏi trung bình do các lực tần số sóng trong TTB i : Dùng dạng liên tục của luật Palmgren-Miner (pt. 6.53), ta tính được hệ số tổn thất mỏi tích lũy trong 1 đơn vị thời gian (1s) do các lực tần số sóng trong TTB i :

Dwi (trong 1s) =

0 Vwi

VVwi

)T(NdT)T(n

(6.57) trong đó : (1) nwi(Tv)dTv là số lượng trung bình các chu trình trong 1s mà có bề rộng trong khoảng Tv và Tv+dTv trong chu kì của TTB i :

nwi (Tv) dTv = Noi+ pwi(Tv) dTv ; (6.58)

Pt. (6.38) cho ta :

193

N0wi+ =

2/1

oiw

wi2

MM

21

= ZwiT

1

(6.59) Nếu mật độ phổ của lực căng đang xét là phổ dải hẹp, ta có phân bố của sự thay đổi lực căng của nó (Tv = Tđỉnh - Tđáy) tuân theo luật Rayleigh (Pt. 6.43) :

wi0

2V

wi0

VVwi M8

TexpM4TTp

(6.60) (2) Nwi(T) là hàm của đường cong mỏi T-N trong TTB i (xem pt.6.48)

Nwi(Tv) = K R-m = KmRT Tv

-m (6.61)

trong đó mRT ( độ bền phá hủy tối thiểu của dây cáp hoặc xích neo) và m được quy định

trong các quy phạm thích hợp. Bằng cách tổ hợp pt.(6.57) với pt.(6.61), ta có được tổn thất mỏi trung bình trong 1s trong TTBi :

Dwi (trong 1s) = ZwiT1

0

vwi0

2v1m

vmRwi0

dT)M8T

exp(TKTM4

1

(6.62) trong đó M0wi là phương sai của quá trình lực căng Ti(t) trong TTB i (xem pt.6.55). Sau khi tính tích phân ta có :

Dwi (trong 1s) = ZwiT1

mR

2/mwi0

KT)M8(

(1+ 2m

) (6.63)

trong đó (x) là hàm Gamma :

(x) =

à

u1x dueu

Tổn thất mỏi trung bình trong TTBi, kí hiệu là Dwi, được suy ra từ pt.(6.62):

Dwi = Dwi (trong 1s) x i = Dwi (trong 1s) x Pi x 3,15576 x 107

=> Dwi = 3,15576 x 107 Pi ZwiT1

mR

2/mwi0

KT)M8(

(1+ 2m

) (6.64) trong đó:

+ i là khoảng thời gian xảy ra TTB i trong 1 năm, i = Pi . 3,15576 x 107 (s) ; + Pi là xác suất xuất hiện TTB i trong 1 năm (tổng của tất cả các Pi trong 1 năm

phải bằng 1);

194

+ Khoảng thời gian 1 năm tính theo giây là 3,15576 x 107 s. c) Tổn thất mỏi trung bình do các lực trôi dạt của sóng trong TTB i : Tổn thất này kí hiệu là DLi, được suy ra từ pt.( 6.64) :

DLi = 3,15576 x 107 Pi ZLiT1

mR

2/mLi0

KT)M8(

(1+ 2m

) (6.65) trong đó :

ZLiT1

= N0Li+ =

2/1

oLi

Li2

MM

21

là số lượng trung bình các chu trình trong 1s của lực căng

ngẫu nhiên gây ra bởi lực tần số thấp. Các kí hiệu khác có ý nghĩa như trong pt. (6.64).

d) Tổ hợp các tổn thất mỏi gây ra bởi lực tần số thấp và lực tần số sóng trong 1 trạng thái biển Tổn thất mỏi tổng cộng trong TTB i (kí hiệu Di) được xác định bằng cách tổ hợp tổn thất mỏi gây ra bởi lực căng tần số thấp (pt. 6.65) và tần số sóng (pt. 6.64) dựa trên phương pháp chồng lên nhau như sau : Di = Dwi + DLi

Di = 3,15576 x 107 Pi { ZwiT1

mR

2/mwi0

KT)M8(

+ ZLiT1

mR

2/mLi0

KT)M8(

} (1+ 2m

) (6.66) Còn có một số phương pháp khác xác định Di, như là, phương pháp phổ tổ hợp, phương pháp phổ tổ hợp với một hệ số hiệu chỉnh của phổ dải hẹp [8], và phương pháp miền thời gian. Phương pháp cuối cùng này sẽ được trình bày chi tiết sau đây, và sẽ được áp dụng trong phần tính toán ứng dụng số sau này.

6.2.7.3. Tổn thất mỏi trong miền thời gian

a) Tổn thất mỏi trung bình trong một TTB Giả thiết là có n thể hiện của lực căng của dây, mỗi thể hiện tương ứng với một quá trình ngẫu nhiên dừng trong 1 TTB ngắn hạn (i). Phương pháp miền thời gian thông thường được dùng trong trường hợp lực căng ngẫu nhiên là phổ dải rộng, như ở đây là tổ hợp của sự thay đổi lực căng gây ra bởi lực sóng và lực trôi dạt. Áp dụng phương pháp đếm giọt mưa (xem §6.2.5.3b) cho mỗi thể hiện i của lực căng, ta có một biểu đồ T-n dưới dạng tập hợp của các khối chu trình nji tương ứng với các lực căng Tvji (j = 1 đến mi).

195

Bằng cách sử dụng dạng rời rạc của Palmgren-Miner (pt. 6.51), ta tính được hệ số tổn thất mỏi tích lũy trung bình gây ra bởi lực sóng và lực trôi dạt trong TTB i như sau :

Di = Pi idx 71015576,3

im

j Vjiji

ji

TNn

1 )( (6.67) trong đó + Pi và 3,15576 x 107 được giải thích như trong pt (6.64) ; + di là thời gian thực hiện một thể hiện mô phỏng của quá trình của lực căng Ti trong TTB i (tối thiểu là 3 h =10800 s) [18] ; + nji và Tvji tương ứng là số các chu trình của khối thứ j và sự thay đổi trung bình của lực căng của khối thứ j liên quan, dưới tác dụng của các lực sóng và lực trôi dạt trong TTB i; + Nji (Tvji) số các chu trình của lực căng gây ra phá hủy dây neo, được xác định từ đường cong mỏi T-N (pt. 6.48) :

Nji = K /(Rji )m = K /( R

Vji

TT

)m (6.68) Sử dụng pt.(6.68), ta có một dạng mới của pt.(6.67) :

Di = Pi idx 71015576,3

im

1jmR

mVjiji

KTTn

(6.69) b) Tổ hợp của tổn thất mỏi gây ra bởi lực căng tần số thấp và lực tần số sóng trong 1 trạng thái biển Hệ số tổn thất mỏi trung bình gây ra hoặc là bởi lực sóng, hoặc là bởi lực trôi dạt tần số thấp trong TTB i (kí hiệu Dwi và DLi) được viết dưới dạng tương tự pt.(6.69). Dựa trên phương pháp chồng lên nhau để tổ hợp tổn thất mỏi gây ra bởi lực căng tần số thấp và tần số sóng trong TTB i, ta có kết quả tương tự như giải trong miền tần số (pt. 6.66):

Di = Dwi + DLi (6.70)

Di = KdP10x15576,3

i

i7

{

im

1j

m

R

VWjiwji T

Tn

+

im

1j

m

R

VLjiLji T

Tn

} (6.71)

6.2.8. Ước tính tuổi thọ mỏi của một dây neo

6.2.8.1. Xác định tổn thất mỏi trung bình trong 1 năm của dây neo ( anD )

196

Mỗi năm có n TTB ngắn hạn, anD được tính theo hai phương pháp độc lập : a) Tính trong miền tần số: Từ pt. (6.66) suy ra :

anD =

n

1iiD=

n

1iLiwi DD

=

anD = K10x15576,3 7

n

1iiP { ZwiT

1mR

2/mwi0

T)M8(

+ ZLiT1

mR

2/mLi0

T)M8(

} (1+ 2m

) (6.72)

=>

anD = K10x15576,3 7

n

1iiP{ ZwiT

1m

R

Twt

T22

+ ZLiT1

m

R

TLt

T22

} (1+ 2m

) (6.73) trong đó :

TWi và TLi tương ứng là độ lệch chuẩn của lực căng ngẫu nhiên của dây chịu tác dụng của lực sóng (w) và lực trôi dạt (L) trong TTB ngắn hạn i (xem pt. 6.55 và 6.56) ;

b) Tính trong miền thời gian Từ pt. (6.71), ta có :

anD = K10x15576,3 7

n

1iiP{ Wid

1

im

1j

m

R

VWjiwji T

Tn

+ Lid1

im

1j

m

R

VLjiLji T

Tn

} (6.74) c) Nhận xét về các hệ số tổn thất mỏi Ta nhận thấy rằng trong các biểu thức tính tổn thất mỏi trong 1 năm (Dan) trên đây, các tỉ số của sự thay đổi lực căng so với độ bền tối thiểu phá hủy dây :

m

R

Twt

T22

,

m

R

TLt

T22

ở (pt. 6.73) và

m

R

VWji

TT

,

m

R

VLji

TT

ở (pt. 6.74) có thể được xác định bằng đường cong mỏi T-N thiết kế tương ứng với các đặc trưng vật liệu của dây (cáp hoặc xích).

6.2.8.2. Tính tuổi thọ mỏi của một dây neo

a) Xác định tuổi thọ trung bình do mỏi

Tuổi thọ trung bình do mỏi của một dây neo, kí hiệu là , phụ thuộc vào tổn thất trung

bình tích lũy trong 1 năm anD , được xác định bởi điều kiện của tổn thất mỏi tích lũy trong cả đời sống của dây, theo luật Palmgren-Miner :

197

x anD = 1 (6.75)

=> = anD1

(6.76)

trong đó anD được xác định bởi một trong 2 phương pháp : phương pháp giải trong miền tần số (pt. 6.73) trong trường hợp lực căng ngẫu nhiên của dây neo là dải hẹp, và phương pháp giải trong miền thời gian trong các trường hợp còn lại, bao gồm cả trường hợp phổ dải rộng (pt 6.74). b) Tuổi thọ mỏi tối thiểu thiết kế Trong thiết kế hệ thống neo FSPO, luôn có một sự đòi hỏi cao về an toàn. Theo quy phạm thiết kế mới đây nhất của API [8], quy phạm được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong thiết kế công trình biển, hệ số an toàn tính mỏi là 3. Có nghĩa là, tuổi thọ mỏi tính được theo lý thuyết (bởi pt 6.76) ít nhất phải bằng 3 lần tuổi thọ mỏi tối thiểu dự kiến trong thiết kế, được viết như sau :

min = anDx31

(6.77)

6.2.8.3. Xác định hệ số khuyếch đại động của tổn thất mỏi

« DAF » là tỉ số giữa hai biên độ (động và tựa động) của dịch chuyển, của ứng suất hoặc của lực căng). Do đó, tương tự ta có thể định nghĩa tỉ số của các tổn thất mỏi :

DFR = tổn thất mỏi động / tổn thất mỏi tựa động (6.78) Hệ số khuyếch đại động của tổn thất mỏi D DAF được định nghĩa như sau :

DDAF = (DFR)1/m (6.79) trong đó m là hệ số trong phương trình đường cong mỏi T-N của vật liệu làm dây neo (xem §6.2.6.1)

6.3. KẾT LUẬN

1) Trong chuyên đề này, chúng ta đã lần lượt nghiên cứu hai phương pháp tính để đánh giá bền mỏi ngẫu nhiên cho dây neo FPSO. Đó là phương pháp phân tích trong miền tần số (phương pháp phổ) và phương pháp trong miền thời gian. 2) Để tính bền ngẫu nhiên của hệ dây neo, ta phải tính lực căng động của dây chịu tác động của tải trọng ngẫu nhiên cực đại thông qua hai bước : phân tích tựa động của dây neo, tức là động của bể chứa nổi FPSO (bài toán tuyến tính) và phân tích động của dây neo (bài toán phi tuyến). Phương pháp Monte-Carlo được sử dụng để đạt được các

198

thể hiện của tín hiệu sóng ngẫu nhiên : biểu diễn ngẫu nhiên một tập hợp sóng (mật độ phổ sóng) bởi N (100 đến 5000) con sóng đơn Airy để tính phản ứng động của dây neo trong miền thời gian. 3) Trong phân tích mỏi ngẫu nhiên của dây neo FPSO chịu tác động của tải trọng lặp hàng năm, tuổi thọ mỏi trung bình của một dây neo được ước tính dựa trên luật Palmgren-Miner. 4) Phương pháp phân tích mỏi trong miền tần số cho phép tính được trực tiếp tuổi thọ mỏi trung bình từ mật độ phổ của lực căng dây. Phương pháp này rất dễ sử dụng và cho kết quả tính toán nhanh. Tuy nhiên, nó chỉ được dùng chủ yếu cho phổ dải hẹp và chỉ được dùng với bài toán tuyến tính. 5) Phương pháp tính mỏi trong miền thời gian, sử dụng cách đếm chu trình bằng phương pháp đếm giọt mưa (rainflow)), được áp dụng từ mật độ phổ của quá trình ngẫu nhiên T(t) bằng cách dùng phương pháp Monte-Carlo để đạt được các thể hiện. Tuy nhiên kết quả đạt được sẽ biến động phụ thuộc vào việc gieo số ngẫu nhiên. Vì vậy, cần thiết phải thực hiện một quá trình tính với nhiều lần mô phỏng để đạt được kết quả chính xác về độ bền cũng như tuổi thọ mỏi của dây neo. Ưu điểm của phương pháp miền thời gian này là áp dụng được đối với trường hợp phổ dải rộng, cũng như với tất cả các dạng của phổ (về mặt nguyên tắc). 4) Ưu điểm của phương pháp miền tần số là tránh được việc sinh của các biểu đồ lực căng và quá trình đếm các chu trình mỏi, các vấn đề mà mất rất nhiều thời gian tính toán. Để khai thác ưu điểm của phương pháp này, các phương pháp khác đã được phát triển cho phép phân tích bài toán mỏi trong trường hợp tổng quát (đối với tất cả các dải phổ) bằng cách dựa trên các kết quả phân tích đối với phổ dải hẹp. 5) Ngày nay, các công cụ tính toán hiện đại cho phép sử dụng dễ dàng hơn phương pháp miền thời gian (bên cạnh phương pháp phổ), trong đó có phần mềm « ARIANE » của Bureau Veritas, để tính toán và kiểm tra khả năng làm việc tuyến tính và phi tuyến của các công trình biển nổi và bể chứa nổi FPSO. Cũng cần phải nhấn mạnh là chỉ có phương pháp miền thời gian mới giải được bài toán phi tuyến. 6) Cuối cùng, phương pháp miền thời gian còn cho phép mô hình hóa một cách hoàn toàn hệ số tổn thất mỏi tích lũy như một biến ngẫu nhiên, và từ đó ta có thể ước tính được độ tin cậy tổng thể về bền có kể đến tổn thất mỏi tích lũy của các dây neo FPSO. Bài toán này là phần đóng góp mới của đề tài sẽ được đề cập sau.

199

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ABS (American Bureau of Shipping), (1996), “Rules for Building and Classing Single Point Moorings”, USA. [2] ABS, (1999), “Guide for Certification of Offshore Mooring Chain”, USA [3] ABS, (2003), “Guide for the Fatigue Assessment of Offshore Structures”, American Bureau of

Shipping. [4] ABS, (2006), “Rules for Building and Classing Mobile Offshore Drilling Units”, USA [5] Alford, G., (1997), “FPSO Classification – Accounting for the Variables”, LR Technical Association;

Paper No1, Session 1996-1997. [6] API Specification 2F 6th edition, (June 1997), “Specification for Mooring Chain”. [7] API RP 2A-WSD, (2000), “Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed

Offshore Platforms - Working Stress Design”, 21rst Edition. [8] API RP 2SK, (October 2005), “Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping

Systems for Floating Structures”, 3rd Edition. [9] ARGEMA, (1987), “Ancres et lignes d’ancrage”, Collection des Guides pratiques sur les ouvrages en

Mer ; Editions TECHNIP, Paris [10] ARSEM, Guides pratiques sur les ouvrages en mer, (1985), “Assemblages tubulaires soudés”,

Editions TECHNIP, Paris. [11] ASTM, E 1049-85 (Reapproved 2005), “Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis”,

ASMT International. [12] Atilla Incecik, Yongchang Pu and Iwan D. Aryawan, (2002), “Hydro-Structural Aspects of Floating

Production Storage and Offloading Systems (FPSOs) ”, The Proceedings of the 12th International Offshore and Polar Eng. Conference, Vol.I, Kitakyushu, Japan; pp.237-244.

[13] Barltrop N.D.P. and Adams, A.J., (1991), “Dynamics of fixed marine structures”, 3rd Edition. Butterworth Heinemann/MTD Ltd. (760 p.)

[14] Barltrop, N.D.P., (1998), “Floating Structures: A guide for design and analysis”, Vol. 1 & 2, The Centre for Marine and Petroleum Technology – CMPT (800 p.).

[15] Bergan P.G. and Lotsberg I. (DNV, Norway), (2004), “Advances in Fatigue Assessment of FPSOs”, OMAE-FPSO’04-0012, Symposium on Integrity of FPSO Systems. Houston, TX.

[16] Bompais X., Le Boulluec M., Dekindt F., Marin S., Molin B., (1994), “Slow-Drift Motion: Practical Estimation of Mooring Line Damping”, OMAE 1994, Vol. 1, Offshore Technology

[17] Bureau Veritas (B.V.), (1998), “Rules for the Classification of Offshore Units”, Bureau Veritas. [18] Bureau Veritas (B.V.), (1998), “Quasi-Dynamic Analysis of Mooring Systems using ARIANE

software”, Guidance Note NI 461 DTO R00 E, Bureau Veritas, Paris. [19] Bureau Veritas, (2000), “ Dynamique des Lignes d’ancrage :Phase II ”, Projet CEPM N° M2502/97

Rapport final, Paris, 2000 [20] B.V., (2001), “Probabilistic fatigue stress analysis”, Risk based inspection planning ; Rio de Janeiro. [21] B.V., (2004), “Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units”, Guidance Note NI

493 DTM R00 E, Bureau Veritas, Paris. [22] Bureau Veritas, (2005), “Rules for the Classification of Offshore Loading and Offshore Buoys”, Rule

Note NR 494 DTM R01 E, Paris. [23] B.V. & VeriSTAR Offshore (Johan Mombaerts), (2005), “Ariane-3Dynamic V.6.3 - Mooring

Analysis Software”, Training Course. [24] Candel, S., Rolon, C., Darabiha, N., (1987), “Traitement du Signal”, Cours à l’option Océan, Ecole

Centrale Paris. [25] Chakrabarti, S.K., (1987), “Hydrodynamics of Offshore Structures”, Computational Mechanics

Publications.

200

[26] Chaplin C.R., Ridge I.M.L, and Zheng J., (1999), “Rope Quality and Fatigue Endurance”, OTO 1999, HSE, Offshore Technology Report.

[27] Chen Xiao-Bo, (1988), “Etude des réponses du second-ordre d’une structure soumise à une houle aléatoire”, PhD Thesis, ENSM Nantes (233p.)

[28] Chen X-B, (1994), “Approximation on the quadratic transfer function of low-frequency loads”, Proc. 7th BOSS Conf., Vol.2, 289-302.

[29] CNEXO-CTICM (1976), “Structure en mer: dimensionnement, fabrication, comportement des structures en acier”, Centre National pour l’Exploitation des Océans, France.

[30] Dinh Quang Cuong (ICOFFSHORE), (November 1998), “Analyzing nonlinear dynamic problem in calculation of offshore concrete gravity structures using finite element method”, Proceedings of the 4th National Conference on Marine Science and Technology, Vol.1. Hanoi; pp.396- 402.

[31] DNV, (1981), “Rules for the Design Construction and Inspection of Offshore Structures”, DNV Classification AS, Norway (1977, 1981).

[32] DNV, (1993), “Rules for Classification of Fixed Offshore Installations”, DNV Classification AS. [33] Do Van De (ICOFFSHORE, Hanoi), (1994), “Research on dynamic diffraction loading due to wave-

structure interaction acting on offshore gravity platforms”, Doctoral Thesis, Hanoi. [34] Douglas Faulkner and AME, (1998), Reliability Based Design and Assessment of FPSO Structures”,

OTO 98 164 Offshore Technology Report, HSE. [35] Franck Legerstee (B.V.), (2001), “Mooring Course”, CNOOC Seminar, Shanghai, (55 p.) [36] François M. (B.V.), et al., (2000), “FPSO Integrity: Comparative Study of Fatigue Analysis

Methods”, OTC 12148, Houston, Texas, USA . [37] François M., Legerstee F., et al. (2001), “Numerical analysis of FPSO offloading operations”,

OMAE2001/OFT-1002, Rio de Janeiro, Brazil, ASME (10 p.) [38] François M., Giulivo R., Legerstee F. (Bureau Veritas- Paris) et al., (2001), “Statistics of extreme

and fatigue loads in deep water moorings”, OMAE01-2162, Rio de Janeiro, Brazil (10p.) [39] François M. et al., (B.V.), (2002), “Design Criteria and Inspection Strategy for FPSO’s”, OTC 14229,

Houston, Texas, USA . [40] François M. and Morandini C. (Bureau Veritas, France), et al., (2004), “Relative wave heading of an

FPSO in harsh environment”, Proceedings of OMAE-FPSO, Houston, USA, ASME (10 p.). [41] Gunther Clauss, et al., (1994), “Offshore structures”, Vol.I (Conceptual Design and Hydrodynamics),

Vol.II (Strength and Safety for Structural Design). English translation, Springer-Verlag London Ltd. [42] Halam M.G. et al., June 1977), “Dynamics of Marine structures: Methods of calculating the dynamic

response of fixed structures subject to wave and current action”, CIRIA, London. [43] Hoffait Thierry, (1981), “Etude de la dynamique des structures soumises à la houle”, Thèse de

Maîtrise, Université de Liège (264 p.) [44] Huse E., Marintek A/S, Matsumoto K., (May 1-4, 1989), “Mooring line damping due to first- and

second-order vessel motion”, OTC 6137, Texas (36 p.) [45] Isaac Elishakoff (Israel Institute of Technology), (1983), “Probabilistic Methods in the Theory of

Structures”, John Wiley & Sons – USA. [46] Ishikawajima-Harima Heavy Indust. Co., (1981), “Dynamic Characteristics of Large Floating Bodies

Moored in Shallow Waters”, Article from IHI Engineering Review, vol. 14 N°2 (12 p.) [47] ISO International Standard, (2005), “Petroleum and natural gas industries – Specific requirements for

offshore structures – Part 7: Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units”, ISO/FDIS 19901-7, Geneva.

[48] ISO, (2006), “Petroleum and natural gas industries – Floating offshore structures – Part 1: Monohulls, semi-submersibles and spars”, ISO/FDIS 19904-1, Geneva.

[49] Jeremy Beckman, (February 2001), “Risers, mooring configurations top Petrobas’ priorities for deepwater - SCRs for ultra-deep FPSOs”, Offshore Magazine; pp. 64.

201

[50] Joao Paulo Matsuura and M.M. Bernitsas (Univ. of Michigan, USA), (2004), “Design of Mooring Systems Based on their Slow Motion Horizontal Plane Dynamics”, OMAE-FPSO’04-0042, Symposium on Integrity of FPSO Systems. Houston.

[51] John Dalsgaard Sorensen, (2003), “Fatigue / Reliability - Based Inspection Planning”, Aalborg University, Denmark.

[52] Kam J.C.P, (1990), “ Recent development in the fast corrosion fatigue analysis of offshore structures subject to random wave loading”, International Journal of Fatigue, Volume 12, Issue 6, November 1990, 458-468.

[53] Kaminski M.L. et al., (2000), “Ultimate Strength.”, 14th International Ship and Offshore structures Congress 2000, Technical Committee III.1, Vol.2, Nagasaki, Japan 12-6 October, 253-321.

[54] Kim Yeong-Pyo et al. (Daewoo Shipbuilding & Marine Engineering Co., Ltd., Korea), (2002), “Spectral Fatigue Analysis for Side Longitudinal and Hopper Knuckle Connection in VLCCs and FPSOs”, Proceedings of the 12th International Offshore and Polar Engineering Conference, Vol I, Kitakyushu, Japan; p57-162.

[55] Kim Yonghwan (American Bureau of Shipping, Research Department), (2000), “Coupled Analysis of Ship Motions and Sloshing Flows”, Houston, TX, USA.

[56] Krée P. et Soize Ch., (1983), “Mécanique aléatoire”, Bordas, Paris. [57] Krish Thiagarajan (UWA), (2006), “A Review of SPAR, TLP and FPSO Technology for Offshore

Brazil”, COPPE-UFRJ Workshop. [58] Maari, Roger, (1980), “Offshore Mooring Terminals”, SBM. Inc. [59] Maherault Stéphanie, (1998), “Calibration d’un code semi-Probabiliste au dimensionnement des

Navires à la fatigue ”, Thèse de Doctorat, Université Blaise Pascal (Clermont-Ferrand), France. [60] Molin Bernard, (2002), “Hydrodynamique des Structures Offshore, Guides pratiques sur les ouvrages

en mer”, Editions Technip, Paris-France (415 p.) [61] Mombaerts J. (Bureau Veritas): “Ariane-3Dynamic Mooring Analysis Software – Training Course”.

Paris, novembre 2005 [62] Nguyen Quoc Hoa (ICOFFSHORE), (1996), “Study on dynamic interaction between wave and

floating structures”, Doctoral Thesis, Hanoi. [63] Nguyen Van Ngoc, (1998), “Fatigue analysis of offshore concrete structures of gravity platforms”,

Proc. of the 4th National Conference on Marine Science and Technology, Vol.1. Hanoi, 413-421. [64] Nguyen Van Ngoc, (2000), “Fatigue damage estimation of offshore reinforced concrete structures”,

Doctoral Thesis, ICOFFSHORE, Hanoi. [65] Nguyen Van Ngoc, (2003), “Fatigue Evaluation by Spectral Method”, Technical Report, R&D

Department, Bureau Veritas, Paris. [66] Nguyen Xuan Hung, (1999), “Dynamics of offshore structures”, Science & Technique Publishing

House. Hanoi (300 p.). [67] Noble Denton Europe Ltd, (2002), “FPSO Mooring System Integrity Study”, No:

A3792/01/NDE/APC, U.K. Offshore Operators Association - FPSO Committee. [68] OCIMF 2nd edition, (1994), “Prediction of Wind and Current Loads on VLCCs”, Oil companies

International Marine Forum [69] Offshore Magazine, (2008), “Deepwater Solutions & Records for Concepts Selections”, May 2008. [70] OTRC-TX A&M University, (2004), “Proceedings of Workshop on FPSO”, Houston, Texas, June

2000. Project No 402. [71] Pham Hien Hau (MCMC, ULg& HUT), (2000), “Study on some main parameters in the dynamic

problem of steel fixed offshore structures subject to wave loads in Vietnam sea conditions”, Master Thesis, University of Liège.

202

[72] Pham Khac Hung (ICOFFSHORE), (1992), “Methodology on static and dynamic analysis of jacket structures subject to current and wave actions in Bach Ho field conditions”, Technical Report for Vietsovpetro.

[73] Pham Khac Hung (ICOFFSHORE), (1995), “Establishment of Methodology for Fatigue Analysis of Offshore Fixed Steel Jacket Structures”, Technical Report for Vietsovpetro.

[74] Pham Khac Hung (ICOFFSHORE), (1997), “Diffraction wave impact studies for offshore structures of large dimension taking into account the marine growth in Vietnam sea conditions”, Oceanology International 97, Conference Proceedings, Vol.2, Singapore; pp. 119-125.

[75] Pham Khac Hung (ICOFFSHORE, Hanoi), (1999), “Estimation of cumulative fatigue damage of fixed steel offshore structures in tropical country conditions”, Oceanology International 99, Conference Proceedings, Singapore, 315-324.

[76] Pham Khac Hung (ICOFFSHORE, Hanoi), (2008), “Methodology for Analysis and Design of Offshore Fixed Steel Structures installed in water depth up to 200m ”, Technical Report for Vietsovpetro.

[77] Phan Van Khoi, (1997), “Service life due to fatigue of offshore structures”, Science & Technique Publishing House. Hanoi.

[78] Phan Y Thuan (ICOFFSHORE), (1998), “Analyzing system of anchorage in offshore Engineering”, Proceedings of the 4th National Conference on Marine Science and Technology, Vol.1. Hanoi, pp. 326 -332.

[79] Pitoiset Xavier, (2001), “Méthodes spectrales pour une analyse en fatigue des structures métalliques sous chargement aléatoires multiaxiaux ”, Thèse de Doctorat, Université Libre de Bruxelles.

[80] P. Temarel et al., (2000), Technical Committee II.2, “Dynamic response”, 14th International Ship and Offshore structures Congress 2000, Vol.1, Nagasaki, Japan 12-6 October; pp. 195-252.

[81] Remery, G.F.M., (1979), “Design Procedure of Mooring Systems”, SBM, Monaco. [82] Renard P. et Soize C. (Département Etudes CTICM – Centre Technique Industriel des Contructions

Métalliques), (1978), “Fastor-CTICM. Brochure Technique”, Rapport N° 11.022-1 – Puteaux, France.

[83] Ricbourg C. et al., (2006), “Numerical and Experimental Investigations on Deepwater CALM Buoys Hydrodynamics Loads”, OTC 18254, Houston, Texas, USA

[84] Specialist Committee V.4, (October 2000), “Structural Design of Floating Production Systems”, 14th International ship and Offshore structures Congress 2000, Nagasaki, Japan.

[85] Standard Practices, (1997), “Cycle Counting in Fatigue Analysis”, Designation E 1049 - 85, Reapproved, ASTM.

[86] Technical Committee III.2, (2000), “Fatigue and Fracture”,14th International ship and Offshore structures Congress 2000, Nagasaki, Japan.

[87] Teng H.Hsu, (1991), “Dynamics analysis of offshore platforms”, Handbook of Coastal and Ocean Engineering, edited by John B. Herbich, Vol.2. Gulf Publishing Company, USA.

[88] Wichers J.E.W., (1988), “A simulation model for a single point moored tanker”, Publication No. 797, Maritime Research Institute Netherlands, Wageningen, The Netherlands (243 p.)

[89] Wikipedia (2008), “Metal Fatigue”, The Free Encyclopedia.

203

Chương 4 : Công trình biển neo đứng (Tension Leg Platforms – TLPs)

1. Mở đầu 1.1. Nhược điểm của CTB bán chìm và sự ra đời của CTB neo đứng

Công trình biển mềm bán chìm, mặc dù thế hệ mới có cải tiến (H.4.1), nhưng vẫn tồn tại nhược điểm lớn là chuyển vị theo các phương quan trọng (đứng, lắc ngang, lắc dọc) đều lớn do đặc điểm của hệ thống neo xiên, liên kết công trình với đáy biển. Vì thế, số ngày phải ngừng khai thác trong năm của CTB bán chìm là lớn.

Công trình TLP, do hệ thống neo có phương đứng, nên vẫn giữ liên kết mềm theo phương ngang như đối với công trình bán chìm, nhưng lại tạo ra có liên kết cứng theo phương đứng (và các phương xoay, gắn với lắc ngang và lắc dọc) tương tự công trình cố định. Với đặc điểm đó, công trình TLP được xem như một loại “công trình biển lai” giữa CTBCĐ và CT bán chìm. Do vậy, “TLP dù là cùng dòng họ của kết cấu nổi có neo với CT bán chìm”, nhưng là thế hệ mới, được cải tiến từ CT bán chìm (H.4.2).

H.4.1: Thế hệ mới của công trình bán chìm (tăng diện tích mặt đường nước)

Do nhu cầu khai thác dầu khí vùng nước sâu, ngay từ những năm của thập kỷ 1960, nhiều công ty ở các nước đã quan tâm nghiên cứu ứng dụng nguyên lý kết cấu mới nói trên. Tuy nhiên, sau đó chỉ còn rất ít công ty kiên trì theo đuổi. Công trình nghiên cứu đầu tiên về TLP được công bố là của Paulling và Horton vào năm 1970. Năm 1975, Công ty DOT (Deep Oil Technology, Inc.) đã tiến hành thử nghiệm công trình TLP ở độ sâu 65m, ngoài khơi California (Mỹ), gồm 3 chân căng, với lượng chiếm nước 645 t , coi như thử nghiệm mô hình tỷ lệ 1/3 của công trình nghiên cứu, mang tên Deep Oil X-1 TLP (Horton, 1975) [4], (H.4.3).

204

Forces acting on a fixed platform (jacket)

H.4.2: Dàn TLP (hình trái) có liên kết ngang mềm (chuyển vị lớn), liên kết đứng thì cứng (do dây neo đứng) tương tự Dàn cố định (hình phải).

H.4.3: Sơ đồ TLP thử nghiệm đầu tiên “ Deep Oil X-1 TLP”

Tới gần giữa thập kỷ 80, công trình TLP đầu tiên được mới sử dụng, để khai thác mỏ dầu Hutton ở độ sâu nước 147m, tại biển Bắc, U.K. (Hutton TLP, 1984), có lượng chiếm nước 63.300 t, mớn nước khai thác 33,2m . Công trình Hutton này được xem như ứng dụng trực tiếp đầu tiên kết quả nghiên cứu của “Deep Oil X-1”. Với những ưu việt sử dụng cho vùng nước sâu, TLP được phát triển mạnh từ thập kỷ 90 tới nay.

205

1.2. Cấu tạo và phân loại CTB neo đứng (Conventional TLP, New Generation TLP – Mini-TLP, TLWP) 1.2.1. Cấu tạo điển hình của công trình TLP (H.4.4 a & b) Kết cấu tổng thể của TLP, bao gồm:

- Sàn chịu lực (Deck) - Các mô đun thượng tầng - Thân nổi (kết cấu nổi - Hull) - Hệ thống chân căng (Tendons) - Hệ thống ống đứng (Risers) - Hệ thống dây neo xiên tạm thời - Hệ thống bệ móng (Foundation

Templates) - Cọc liên kết bệ móng với đáy biển

(hoặc đế móng kiểu trọng lực)

H.4.4: (a) Sơ đồ không gian Dàn TLP điển hình (TLP Auger)

(H. .4.4b) (b) Sơ đồ cấu tạo Dàn TLP điển hình (API, 2000 [13])

206

1) Thân nổi: Thân nổi là phần kết cấu nổi của dàn, có chức năng tạo lực đẩy nổi để đỡ toàn bộ

trọng lượng bản thân công trình và tải trọng thượng tầng, được tổ hợp từ hai phần : Các trụ đứng và các ponton nằm ngang, có thể kèm theo một số thanh xiên để tăng cường liên kết giữa các trụ. Số lượng các trụ có thể là 1, 3, 4 hoặc 6 trụ với đường kính khá lớn (có thể lên tới 2030 m). Trong trụ chứa khoang neo, các dụng cụ cần thiết để thay chân căng, khoang chứa nước sạch, các khoang chứa nước dằn và bơm.

Thân nổi được thiết kế lớn hay nhỏ tuỳ thuộc vào yêu cầu chức năng của TLP, tức là việc bố trí các mô đun thượng tầng và các thiết bị khai thác đặt trên dàn. Lực đẩy nổi của thân nổi tạo nên sức căng cho các chân căng sẽ giúp cho việc ổn định của kết cấu nổi. Việc điều chỉnh lượng nước dằn trong các khoang của ponton và thân trụ sẽ giúp cho dàn có thể nổi lên hoặc chìm xuống, tức là có thể làm thay đổi lực nổi của dàn khi cần thiết, để phù hợp với sự thay đổi điều kiện khí tượng hải văn hoặc điều kiện chịu lực của các chân căng.

Phần thân nổi của dàn TLP tương tự với cấu tạo thân của dàn bán chìm, tuy nhiên có sự khác nhau cơ bản ở chỗ là TLP có kích thước của các trụ lớn hơn so với ponton (trong khi, với dàn bán chìm thì ngược lại), nhờ đó, diện tích mặt đường nước của TLP lớn hơn, làm giảm lắc và tăng tính ổn định chống lật của TLP.

2) Chân căng: Chân căng là kết cấu đặc trưng của công trình biển dạng TLP, có phương thẳng

đứng, với chức năng liên kết giữa kết cấu nổi với nền móng dưới đáy biển. Trường hợp móng cọc, chân căng có thể nối trực tiếp vào cọc được đóng dưới đáy

biển hoặc được nối gián tiếp thông qua một bản đế móng bằng các khớp nối chuyên dụng. Kích thước và số lượng chân căng được thiết kế tuỳ thuộc vào quy mô thượng tầng

và độ sâu nước ở vị trí lắp đặt công trình. Lực tác dụng vào mỗi chân căng được đo bởi các cụm cảm biến tải. Một bộ vi xử

lý sẽ cộng các số liệu đọc được từ các cảm biến tải của mỗi chân căng và gửi kết quả lực kéo trong chân căng tới máy tính điều khiển trên dàn và đưa ra những điều chỉnh phù hợp với từng trạng thái làm việc sao cho có lợi nhất. Kiểu giàn TLP có một vài dạng chân căng được sử dụng như: a. Chân căng dạng ống hoặc thanh đặc có liên kết hàn: Thanh ống được chế tạo từ thép cuộn hoặc đúc và hàn lại với nhau, thực hiện trước hoặc trong khi lắp dựng dàn. b. Chân căng dạng thanh ống có khớp liên kết: Các thanh ống được thiết kế ở dạng rỗng kín hay dạng cho nước ngập đầy. Chúng có thể được chế tạo từng đoạn và hàn lại thành thanh ống. Các thanh ống có thể làm bằng thép hoặc bằng sợi composite cốt thép (sợi cacbon).

c. Chân căng được chế tạo từ các cáp thép hoặc sợi cường độ cao có đường kính nhỏ và được bó lại với nhau.

207

3) Thượng tầng: Kết cấu thượng tầng của dàn TLP đa chức năng tương tự như của các loại dàn cố

định hay bán chìm, thường được tổ hợp của 5 loại mô đun: Mô đun xử lý, Mô đun khai thác, Mô đun sinh hoạt, Mô đun động lực và Mô đun giếng. Các mô đun có cấu tạo phần khung chịu lực dạng kết cấu khung, được chế tạo trên bãi lắp ráp trên bờ sau đó được vận chuyển đến vị trí tổ hợp với phần thân nổi ngoài biển, hoặc được lắp ráp với thân nổi trước khi vận chuyển ra biển.

Toàn bộ kết cấu thượng tầng được đỡ bởi hệ thống thân nổi, nên hình dạng và kích thước của thượng tầng quyết định cấu tạo của thân nổi và sự bố trí các chân căng. Ví dụ thượng tầng của TLP có mặt bằng hình chữ nhật (được sử dụng phổ biến nhất) thì thân nổi có 4 cột (hoặc thêm 2 cột giữa) và 4 chân căng ở dưới các cột. Tuy nhiên, với các Mini-TLP, TLWP và các TLP thế hệ mới, với tiêu chí giảm thiểu tải trọng thượng tầng để giảm tối đa chi phí công trình, dạng thượng tầng kéo theo dạng tổng thể của TLP có nhiều sáng tạo khác với TLP truyền thống. Trên H.13 trình bày sơ đồ của TLP dạng chữ nhật và tam giác.

(a) TLP “Prince” 4 cột và sơ đồ TLP chữ nhật

(b) Sơ đồ TLP dạng tam giác

H.4.5: Các kiểu Dàn TLP loại có thượng tầng chữ nhật (a) và tam giác (b)

208

4) Kết cấu móng: Móng có nhiều dạng khác nhau được sử dụng tuỳ theo điều kiện địa chất tại vị trí

xây dựng và tính năng công trình cũng như điều kiện môi trường biển khác. Điển hình một số dạng như sau:

a. Móng cọc thép:

Các cọc được đóng sâu xuống đáy biển để nối và tạo liên kết cho các vị trí chân căng sau này. Chiều dài và số lượng cọc được tính toán cho từng trường hợp cụ thể sao cho trong suốt quá trình làm việc của dàn trong mọi điều kiện khắc nghiệt của thời tiết đảm bảo vẫn không bị nhổ.

Các cọc làm bằng thép và được đóng xuống đáy biển bằng búa ngầm. Nếu chân căng được nối trực tiếp với cọc thì không cần phải lắp đặt thêm các bản

đế móng trên đầu các cọc. Trường hợp nếu chân căng được nối gián tiếp với cọc thông qua các bản đế móng thì các bản đế này sẽ được lắp đặt vào đầu trên các cọc.

b. Dạng móng trọng lực (kiểu neo rùa,...). c. Dạng tổ hợp của hai kết cấu trên (móng lai cọc-trọng lực).

(a) (b)

H. 4.6: Dạng kết cấu móng cọc có bản đế móng (a), và móng trọng lực (b) 1.2.2. Phân loại TLP

CTB nổi neo đứng có tên gọi chung phổ biến nhất bằng tiếng Anh là TLP (Tension Leg Platform), đôi khi con dùng thuật ngữ “TBP” (Tensioned Buoyant Platform) [4]. Tuỳ theo mục đích phân loại, người ta có thể chia TLP theo các nhóm loại khác nhau. 1) Phân loại theo chức năng thượng tầng Trong tài liệu mới đây (OFFSHORE, 10/2005, [16]), đã phân chia hệ thống các TLPs hiện có trên thế giới theo 2 loại:

a. TLPs: với thượng tầng đa chức năng (khoan, khai thác, người ở...)

209

b. TLWPs (Tension Leg Wellhead Platforms): với thượng tầng chỉ có chức năng quản lý đầu giếng, phần lớn là không có người ở. Hiệu quả kinh tế của loại Dàn TLWP thể hiện trên đồ thị H. 4.7.

2) Phân loại theo tính chất kết cấu a. TLPs: là loại TLP có kết cấu thông thường với thượng tầng đa chức năng b. Mini-TLP: là loại TLP có kết cấu nổi vừa nhỏ, vừa nhẹ, với thượng tầng được giảm thiểu, thường có 1 trụ.

Trên H.4.8 giới thiệu việc sử dụng loại Dàn Mini-TLP (Dàn thứ 3 từ trái sang) bên cạnh các loại CTB khác cho vùng nước sâu.

H.4.7a: Một dạng TLWP (Doris)

H.4.7b: So sánh giá thành tương đối giữa các loại CTB ứng với các độ sâu nước-

Dàn cố định, Trụ mềm, Dàn TLP và Dàn TLWP. (B. Andrier, GEP, France,1997).

210

(a)

(b) Doris - Pháp cung cấp

H.4.8: (a)&(b)-Dàn Mini-TLP sử dụng khai thác Block 17 (Angola), với các đặc tính: Giảm thiểu

thượng tầng, có tháp khoan, không người ở, không dẫn hướng các Risers, không có bản đế móng.

3) Phân loại theo vật liệu của kết cấu nổi TLP a. TLP bằng thép b. TLP bằng bê tông: cho đến nay chỉ mới xây dựng 1 Dàn TLP bằng bê tông, là Dàn Heidrun (1995, 345m, Norway), (H.4.10a).

H.4.9: Sơ đồ Dàn Hutton - TLP đầu tiên (U.K., 1984)

211

(a)

(b)

H.4.10: (a) - Dàn TLP Heidrun bằng bê tông (315m, Norway) (b) - Dàn Matterhorn - loại Dàn TLP thế hệ mới (2003, 858m, GOM)

4) Phân loại theo thế hệ của TLP a. TLPs truyền thống (Convetional TLPs): phần lớn là các dàn xây dựng từ năm 1999 trở về trước, như Hutton (1984), Jolliet (1989), Snorre A (1992), Heidrun (1995),.., tới Marlin (1999) và Ursa (1999). b. TLPs thế hệ mới (New Generation TLPs): phần lớn là các dàn xây dựng sau năm 2000, với những cải tiến về dạng kết cấu nổi & chân căng để thích hợp với điều kiện nước sâu và cực sâu, điển hình là kiểu Seastar, Moses (Minimum Offshore Surface Equipment Structure - Kết cấu bố trí thượng tầng tối thiểu), như các Dàn Prince (2001, 449m, GOM), Typhoon (2001, 639m, GOM), Matterhorn (2003, 858 m, GOM)- H.15b, Oveng (sẽ xây dựng năm 2006, 271m, Equatorial Guinea), Kizomba A & B (2004&2005, 1177 m, Angola), Marco Polo (2005, 1311m, GOM),

212

Margnolia (2005, 1425m = độ sâu max, GOM, do Hãng Conoco Phillips thiết kế); Neptune (2007, 1295m, GOM, do Hãng BHP Billiton - Australia thiết kế).

H.4.11: Dàn TLP thế hệ mới kiểu SeaStar (Dàn thứ 3 từ trái sang)

được đưa vào trong các loại CTB nước sâu và cực sâu

1.3. Các thành tựu phát triển TLP Theo tổng hợp của OFFSHORE (tới tháng 10/2005 [16]): trên thế giới có 23 công

trình TLP đã xây dựng hoặc đã thiết kế - chuẩn bị xây dựng, phân bố như sau. 1) Phân bố TLP theo thứ tự thời gian:

Từ TLP đầu tiên Hutton (1984, 147 m, U.K.) đến TLP sau cùng là Neptune (2007, 1295m, GOM): 23 công trình, các TLP được phân bố theo các thập kỷ như sau: - Từ 1984 - 1990: 2 TLPs (Hutton, Jolliet), độ sâu nước max=536 m (Jolliet, GOM, 1989) - Từ 1991 - 1999: 9 TLPs, độ sâu nước max = 1158 m ( Ursa, GOM, 1999) - Từ 2000 - 2007: 12 TLPs (trong đó đã xây dựng 9 TLPs và 3 TLPs đã thiết kế), độ sâu nước max = 1425 m (Magnolia, GOM, 2005)

2) Phân bố TLP theo thứ tự độ sâu nước: Trong tổng số 23 TLPs, có: - 2 TLPs ở vùng nước nông (Hotton, 147 m; Oveng, 271 m < 304,8 m = 1000 ft) 21 TLPs ở vùng nước sâu (từ Snore A, 335 m = min; đến Magnolia, 1425 m = max) - 11 TLPs kiểu truyền thống + 12 TLPs kiểu thế hệ mới - 5 Mini-TLPs + 5 TLWPs

213

Bảng 1: Bảng thống kê các Dàn TLP theo thứ tự thời gian (Offshore, 10/2005 [16])

H. 4.12: Phân bố 23 Công trình TLPs theo các độ sâu trên các vùng biển của thế giới

H.4.13: Đồ thị biểu diễn quá trình chinh phục biển sâu của CTB. TLPs

3) Phân bố TLP theo vùng biển xây dựng công trình: Trong tổng số 23 TLPs, phân bố cho các khu vực như sau

- 15 TLPs ở Vịnh Mexico thuộc Mỹ (US-GOM), trong đó, - 3 TLPs ở Biển Bắc: 1 TLP thuộc U.K. và 2 TLPs thuộc Na Uy - 4 TLPs thuộc Châu Phi: 2 TLPs (Angola) và 2 TLP (Guinea) - 1 TLP thuộc Châu Á (Indonesia)

214

H.4.14: Hình ảnh của 23 TLPs và phân bố cho các khu vực trên thế giới

1.4. Đặc điểm chủ yếu của TLP Như đã mô tả ở trên, dàn TLP và dàn bán chìm (Semi-submersible) thực chất đều là kết cấu nổi được neo giữ có căng trước, nên cũng đều là kết cấu bán chìm. Dàn bán chìm đầu tiên có tên Blue Water I, ra đời năm 1962, đã trải qua nhiều thế hệ, đến đầu thập kỷ 80 tới nay thì tương đối ổn định, và được sử dụng vào nhiều mục đích, không chỉ khoan di động như mục đích chế tạo ban đầu [4]. Dàn TLP đầu tiên (Hutton, 1984) ra đời sau dàn bán chìm đầu tiên 22 năm, được xem như một thế hệ mới của kết cấu bán chìm, nhằm khắc phục những nhược điểm cơ bản của Dàn bán chìm, với mục tiêu chính là khoan-khai thác dầu khí ở vùng biển sâu, điều kiện thời tiết có thể khắc nghiệt, đảm bảo có độ tin cậy cao, và giá thành chấp nhận được (kể cả khai thác các mỏ nhỏ). Với nhận xét khái quát trên, dưới đây sẽ hệ thống các đặc điểm chủ yếu của dàn TLP. 1) Đối chiếu nguyên lý chung về kết cấu giữa Dàn Dán chìm và Dàn TLP: Có 2 cải tiến cơ bản so với CTB bán chìm làm cho TLP ưu việt hơn khi ra nước sâu là: (1) diện tích mặt đường nước tăng (làm tăng tính ổn định chống lật của thân nổi),

215

và (2) chân neo có phương đứng làm cho TLP trở thành loại “Kết cấu lai” giữa Dàn bán chìm và Dàn cố định.

B.2: Đối chiếu nguyên lý chung về kết cấu của Dàn bán chìm và Dàn TLP Nguyên ly kết cấu Dàn bán chìm (S/S) Dàn TLP Nhận xét - Đối chiếu

Nguyên ly nổi Kết cấu bán chìm (do hệ thống neo được căng trước)

Kết cấu bán chìm (do hệ thống neo được căng trước)

Cả S/s và TLP đều thuộc “Họ các CTB nổi bán chìm”

Kết cấu thân nổi (Cột + Ponton)

Lực nổi do Ponton > do Cột

Lực nổi do Cột > doPonton

Diện tích mặt đường nước S/S < TLP

Hệ thống neo thân nổi với đáy biển

Neo phương xiên (Bó cáp, xích)

Neo phương đứng

(Thép ống, Bó cáp)

S/S:Liên kết mềm TLP: Kết cấu lai

(3 LKmềm + 3 LK cứng)

2) Dàn TLP có liên kết cứng theo 3 phương: Chân căng là kết cấu neo theo phương đứng, nên thân nổi được khử đáng kể chuyển vị tĩnh và động theo phương đứng (Heave) và 2 phương xoay (gây lắc ngang và lắc dọc: Roll, Pitch); Do độ cứng của liên kết kết cấu nổi với đáy biển theo 3 phương trên là lớn, nên chu kỳ dao động riêng theo các phương này cũng nhỏ, tương tự CTB cố định (thường T < 3 - 5 sec); 3 phương trên là rất quan trọng đối với yêu cầu khai thác dàn trong điều kiện thời tiết xấu và ở vùng biển sâu; Trên hình 21 biểu diễn 6 phương chuyển động cơ bản của thân nổi TLP.

3) Dàn TLP có liên kết mềm theo 3 phương: Thân nổi có liên kết rất mềm với đáy biển theo 3 phương còn lại (2 phương chuyển vị ngang: Surge, Sway; và 1 phương xoay quanh trục đứng: Yaw); nên chuyển vị tĩnh theo 3 phương này đều lớn, nhưng vì các chu kỳ dao động riêng của thân nổi theo 3 phương trên đều rất lớn (vượt trên giải chu kỳ của phổ sóng biển, thường cận trên ~ 20sec, trong khi các chu kỳ dao động riêng theo 3 phương trên lớn cùng bậc với các chu kỳ dao động riêng của kết cấu dàn bán chìm, có thể tới 30 - 100 sec, rất xa vùng cộng hưởng với chu kỳ sóng biển); nên chuyển vị động của thân nổi cũng được hạn chế. 4) Dàn TLP là Kết cấu lai: Kết hợp giữa 2 đặc điểm trên, xét về tính chất động lực học của thân nổi, có thể coi Dàn TLP là một kiểu kết cấu lai (Hybrid Structure) giữa dàn cố định và dàn bán chìm, trong đó 3 chu kỳ dao động với liên kết cứng ở vị trí bên của phổ sóng cùng với dàn cố định, và 3 chu kỳ với liên kết mềm lại ở bên phải phổ sóng cùng với dàn bán chìm (H.4.15).

216

5) Chi phí chế tạo và xây dựng dàn TLP thay đổi không đáng kể khi thay đổi độ sâu nước (với cùng một chức năng thượng tầng): Đây là một ưu điểm của loại dàn TLP khi ra vùng biển sâu.

H. 4.15: Các phương chuyển động cơ bản và chu kỳ DĐR của TLP theo phương ngang 6) Có thể đưa mỏ đã phát hiện vào khai thác sớm, chi phí thu dọn mỏ thấp: Do tính cơ động (dễ di chuyển vị trí) so với các dàn cố định hay dàn kiểu trụ mềm.

217

7) Dàn TLP cho phép tăng tính khả thi về kỹ thuật - kinh tế khi khai thác các mỏ nhỏ vùng nước sâu: vì chi phí đầu tư khai thác thấp (nhờ các đặc điểm 5 & 6). 8) Về chế tạo và xây lắp dàn TLP : được thực hiện hoàn toàn ở trên bờ, sau đó chở ra biển và neo tại mỏ, hoặc chế tạo thượng tầng và thân nổi rồi chở ra mỏ, lắp ráp tại mỏ cùng với hệ thống chân căng. 9) Độ an toàn và tin cậy của hệ thống neo quyết định đến sự an toàn của cả công trình TLP: Dàn TLP có hệ thống neo đứng, nên chân căng chịu lực kéo rất lớn, kéo theo móng neo chịu lực nhổ rất lớn; nên việc thiết kế và thi công các bộ phận này cần được kiểm tra cẩn thận; mặt khác, công tác kiểm tra và duy tu bảo dưỡng nhất thiết phải được thực hiện nghiêm ngặt theo quy trình liên quan hiện hành. 10) Dàn TLP có độ nhậy cao đối với các thay đổi chất tải trên thượng tầng (so với dàn bán chìm): Các tính toán khái quát cho thấy, nếu giảm tải trên thượng tầng được 1 tấn, thì bớt được 2 tấn cho vật liệu kết cấu nổi và lực căng trước trong chân căng, kéo theo giảm được lượng chiếm nước là 3 tấn (A. Bernard, GEP, France, 1997); H.4.16 dưới đây biểu diễn sơ đồ nói trên. Do vậy, TLP luôn luôn đòi hỏi nhà thiết kế phải giảm thiểu chất tải, đó cũng là động cơ để thúc đẩy các cải tiến không ngừng đối với các TLPs thế hệ mới như đã thấy trên H. 4.14.

H.4.16: Quan hệ giữa giảm tải thượng tầng với lượng chiểm nước của thân nổi TLP

(A.Bernard, GEP, France, 1997) 1.5. Các vấn đề chủ yếu trong tính toán thiết kế CTB neo đứng

218

- Bài toán tĩnh (gió, dòng chảy, lực trôi dạt trung bình) ; - Bài toán động (tải sóng điển hình (T=3-20s) - Thiết kế cấu tạo: thân nổi, chân căng, móng - Thi công (bờ, biển) 2. Nguyên lý thiết kế CTB TLP dựa trên Tiêu chuẩn API 2.1. Quá trình thiết kế dạng vòng xoắn (Design Spiral) Nguyên tắc thiết kế một công trình TLP bao gồm tất cả các công đoạn cần thực hiện trong quá trình thiết kế và mối liên hệ của nó với các yếu tố ràng buộc ngoại vi như khống chế về chi phí đầu tư, tiến độ thực hiện và nhân lực. Công việc thiết kế một TLP bao gồm các bước từ xác định chức năng công trình đến các thiết kế chi tiết, thực chất là quá trình lặp, có thể biểu diễn theo một Vòng lặp Thiết kế “Kiểu xoáy ốc” (Iterative loop - Design Spiral for TLP, Evans,1959) [13], như biểu diễn theo sơ đồ trên H.4.17.

H.4.17: Vòng lặp thiết kế Công trình TLP “Kiểu xoáy ốc” ([13], 2000)

Từ H.4.17 cho thấy nguyên tắc thiết kế một Dàn TLP được thể hiện trên các bước thiết kế theo trình tự của 1 vòng lặp, bao gồm:

1) Xác định chức năng công trình, dựa trên yêu cầu công nghệ hoạt động của dàn 2) Lựa chọn tỷ lệ cấu hình giữa các bộ phận 3) Bộ trí thiết bị thượng tầng

8

9

Yªu cÇu c«ng nghÖ

Lùa chän cÊu h×nh

TÝnh to¸n gi¸ thµnh c«ng tr×nh

X¸c ®Þnh träng lù¬ng c«ng tr×nh

TÝnh to¸n, thiÕt kÕ ch©n c¨ng & mãng

TÝnh to¸n vµ thiÕt kÕ kÕt cÊu næiTÝnh to¸n lùc thñy ®éng(bao gåm c¶ thö nghiÖm m« h×nh)

TÝnh to¸n lùc thñy tÜnh

Bè trÝ

2

1

3

4

5 6

7

219

4) Tính toán các lực thuỷ tĩnh tác dụng lên công trình 5) Tính toán các lực thuỷ động và thử nghiệm mô hình 6) Tính toán và thiết kế kết cấu (thân) nổi 7) Tính toán và thiết kế các chân căng & móng 8) Xác định trọng lượng các bộ phận và toàn công trình 9) Tính toán giá thành

Các bước thực hiện nói trên của vòng lặp có nội dung và yêu cầu khác nhau tuỳ thuộc vào các giai đoạn thiết kế sau đây:

I. Thiết kế sơ bộ hay thiết kế cơ sở II. Thiết kế chi tiết III. Thiết kế tổng hợp hay thiết kế sau cùng IV. Thiết kế thi công

Theo thông lệ quốc tế hiện nay đối với ngành Công nghiệp Dầu khí, các giai đoạn I, II, và III do nhà thầu thiết kế thực hiện, và giai đoạn IV thuộc nhà thầu thi công (EPC Contractors). Sau đây sẽ đề cập các nội dung chính của từng giai đoạn thiết kế.

2.2. Lưu đồ thiết kế sơ bộ và thiết kế chi tiết Hai giai đoạn “Thiết kế sơ bộ” (Preliminary Design) hay “Thiết kế cơ sở” (Basis Design) + “Thiết kế chi tiết” (Detailed Design) = “Thiết kế tổng thể” (Global Design / FEED - Front-End Engineering Design).

Trên H.4.18 trình bày ”Lưu đồ thiết kế tổng thể cho TLP”, trong đó 3 nhóm số liệu đầu vào được cung cấp từ giai đoạn “Tiền thiết kế” (tức là “Nghiên cứu khả thi”). 2.2.1. Nghiên cứu khả thi (technical feasibility studies) Nghiên cứu khả thi (NCKT), sau khi nghiên cứu tiền khả thi, là giai đoạn định hình sơ bộ một công trình, dựa trên kết quả vòng lặp đầu tiên (H.4.17), phục vụ các thủ tục xét duyệt đầu tư xây dựng công trình. Kết quả nghiên cứu phải đưa ra được các thông số cơ bản về thân nổi (hình dạng và các kích thước), mớn nước khai thác của thân nổi, hệ thống neo (trọng lượng và lực căng trước), hệ thống giếng & ống đứng. Tất cả các thông số này đã được tính toán dựa trên các điều kiện về môi trường và các yêu cầu về công nghệ khai thác của dàn. Kết quả của việc NCKT sẽ cung cấp số liệu đầu vào cho giai đoạn thiết kế sơ bộ, gồm:

1) Các yêu cầu về công nghệ: liên quan đến chức năng khai thác dàn và các định hình ban đầu về công trình

2) Các số liệu về điều kiện tự nhiên : của mỏ, nơi xây dựng công trình 3) Tiêu chuẩn thiết kế: quy định về các hệ số thiết kế, hệ số an toàn

220

2.2.2. Thiết kế sơ bộ : Thiết kế sơ bộ (hay thiết kế cơ sở) gồm 3 bước : 1) Bước 1 : Xác định cấu hình & đánh giá trọng lượng của của kết cấu (thân) nổi và của

hệ thống chân căng ; kết hợp với diều kiện ổn định của dàn khi kéo trên biển; 2) Bước 2 : Tính toán phản ứng tổng thể của kết cấu chịu tác dụng cực trị của tải trọng

môi trường, đồng thời kiểm tra kết cấu với điều kiện sống sót của môi trường; kết hợp với kiểm tra thử nghiệm mô hình;

3) Bước 3 : Kiểm tra các yếu tố về phản ứng của Dàn có đảm bảo các yêu cầu công nghệ đã quy định ở phần số liệu đầu vào. Nếu bất kỳ một yếu tố nào không thoả mãn, cần quay trở lại ‘Vòng lặp Thiết kế sơ bộ’, để điều chỉnh lại cấu hình hoặc kích thước của dàn. Đến khi việc kiểm tra đã hoàn tất, thì chuyển qua ‘Vòng lặp Thiết kế chi tiết‘.

H. 4.18 : Lưu đồ Thiết kế tổng thể công trình TLP (Theo API RP 2T, 2000)

c¸c yªu cÇu vÒ c«ng nghÖ

ThiÕt kÕ s¬ bé

-

+

c¸c yÕu tè vÒ®iÒu kiÖn tù nhiªn

tiªu chuÈn thiÕt kÕ

kiÓm tra æn ®Þnh kÕt

cÊu næi khi lai d¾t

lùa chän kÝch th¦íc kc næi, x¸c®Þnh träng l¦îng kc

lùa chän kÝch th¦íc ch©n c¨ng

tÝnh to¸n ph¶n øngtæng thÓ cña kÕt cÊu

thÝ nghiÖm m« h×nh

kiÓm tra c¸c chØ tiªu vÒ c«ng nghÖ

ThiÕt kÕchi tiÕt

ThiÕt kÕ chi tiÕt hÖ thèng èng ®øng

ThiÕt kÕ chi tiÕt mãng

ThiÕt kÕ chi tiÕt ch©n c¨ng

ThiÕt kÕ chi tiÕt kÕt cÊu

221

2.2.3 Thiết kế chi tiết : Nội dung của Thiết kế chi tiết bao gồm

1) Thiết kế chi tiết thân nổi ; 2) Thiết kế chi tiết các chân căng; 3) Thiết kế chi tiết móng của chân căng; 4) Thiết kế chi tiết hệ thống ống đứng/giếng. Trong giai đoạn thiết kế chi tiết, các tính toán đầy đủ và chi tiết hơn so với giai đoạn thiết kế sơ bộ ở trên, như kể đến đầy đủ các điều kiện của môi trường (các hướng tác động, tổ hợp các loại tác động, ..) tính với các trạng thái cực trị (dàn con nguyên vẹn, và bị phá huỷ 1 bộ phận - điều kiện sống còn) và kiểm tra phá huỷ mỏi. Kết quả của giai đoạn này được đối chiếu với các yêu cầu công nghệ của dàn, nếu chưa thoả mãn, cần phải quay lại “vòng lặp ngoài”, từ thiết kế cơ sở như đã nêu trên H. 4.18.

2.3. Yêu cầu của thiết kế thi công Yêu cầu thiết kế thi công bao gồm: - Thể hiện chi tiết chế tạo tất cả các bộ phận của công trình - Hướng dẫn các quy trình chế tạo và dựng lắp các bộ phận - Đưa ra các tiêu chuẩn thi công

H.4.19: Thân dàn TLP được lắp ráp trên bờ, chở trên sà lan để dưa ra mỏ dựng lắp

222

2.4. Giới thiệu API RP 2T Hướng dẫn Thiết kế và Thi công các Dàn nổi neo đứng (TLP) của Viện Dầu mỏ Mỹ (Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Tension Leg Platforms), xuất bản lần thứ 2, năm 1997, tái bản năm 2000 [13]. Tài liệu “Hướng dẫn” này đưa ra các thông tin đã có sẵn và hướng dẫn cho công việc thiết kế, chế tạo và lắp đặt một công trình TLP. Đó là kết quả đúc kết các thành tựu khoa học và công nghệ đã được thừa nhận, dựa trên các hoạt động nghiên cứu và sản xuất của các chuyên gia, Cơ quan nghiên cứu và các Công ty trên thế giơí trong lĩnh vực thiết kế, thi công và khai thác các Dàn TLP trong suốt nhiều năm qua, trong đó, tập trung nhất vẫn là các động ở vùng nước sâu của Vịnh Mexico (thuộc Mỹ). Nội dung của Tài liệu Hướng dẫn gồm 3 phần:

(1) Phần nội dung chủ yếu: Các nguyên tắc cơ bản về thiết kế kỹ thuật áp dụng cho công tác thiết, thi công và khai thác TLP; trong đó cũng đưa ra các phương pháp luận kèm theo các công thức tính toán chủ yếu cho các trường hợp liên quan;

(2) Phần phụ trợ: Các bình luận bổ sung chi tiết cần thiết (về phương pháp luận, về các công thức tính toán, các tài liệu tham khảo liên quan,..) hoặc bàn luận chi tiết có tính chất để mở về các tư duy phương pháp luận, về các kỹ thuật tiên tiến liên quan đến từng mục của phần nội dung chính (1); Phần này rất giúp ích cho người thiết kế chủ động lựa chọn, cũng như các chủ đầu tư và vận dụng các quan niệm và phương pháp có sẵn vào công trình của mình;

(3) Phần Tài liệu tham khảo (Glossary): Đưa ra Danh mục các Tài liệu tham khảo quan trọng và bổ ích, làm căn cứ chính khi biên soạn nội dung của từng Chương liên quan trong Phần nội dung chính (1).

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN Công trình TLP trên thế giới đã ra đời cách đây trên 22 năm, và đã được cải tiến không ngừng về kiểu dáng kết cấu, kéo theo là kỹ thuật thi công cũng như duy tu bảo dưỡng góp phần quan trọng trong việc khai thác dầu khí vùng biển sâu, từ 400 - 1400 m. Cho đến nay, TLP đã khẳng định tính ưu việt của nó về tính năng kỹ thuật, cũng như về mặt kinh tế, và chưa có một công trình TLP nào xẩy ra sự cố gây sụp đổ. Loại TLP đã phát triển nhiều nhất ở vùng biển sâu thuộc Mỹ, ở vịnh Mexico, với 15 trong tổng số 23 TLPs trên toàn thế giới, mặc đã trải qua điều kiện thiên nhiên rất khắc nghiệt (như cơn bão Katrina) nhưng cũng không có công trình nào bị đổ. Ở Việt Nam, mặc dù hiện nay, chúng ta mới chỉ khai thác các mỏ ở các độ sâu trong vòng 120 m trở lại, nhưng nhiều nghiên cứu cho thấy tiềm năng dầu khí ở vùng nước sâu trên thềm lục địa VN là rất đáng kể. Do vây, việc nghiên cứu loại công trình cho

223

vùng nước sâu như TLP là rất có ích và thiết thực chuẩn bị khai thác dầu khí ở vùng nước sâu của ngành công nghiệp Dầu khí Việt Nam trong tương lai gần. 3. Tải trọng tác động lên CTB neo đứng 3.1. Phân loại tải trọng tác động lên CTB neo đứng

3.1.1. Phân loại tải trọng môi trường Tải trọng môi trường là do các tác động của gió, sóng, dòng chảy và động đất lên kết cấu TLP, có sơ đồ tổng quát trên hình 4.20.

Hình 4.20: Sơ đồ các tải trọng môi trường và chuyển vị của kết cấu TLP

Tải trọng thiết kế của môi trường được xác định với chu kỳ lặp, thường là 100 năm, là thời điểm gây phản ứng nguy hiểm nhất đối với công trình; tuy nhiên, lúc này, chưa hẳn đã gây ra phản ứng nguy hiểm nhất đối với tất cả các phần tử trong kết cấu. Mặt khác, cũng cần lưu ý rằng phản ứng lớn nhất của Dàn không nhất thiết gây ra do sóng cao nhất. Triều và mực nước: Các thành phần của triều để thiết kế gồm triều thiên văn, triều do gió và chênh lệch áp suất (Storm Surge). Mực nước triều cao thiết kế (HDWL) và mực nước triều thấp thiết kế (LDWL) phải được định rõ để sử dụng cho từng trường hợp thiết kế thích hợp. Biên độ triều gây ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị lực căng trước thiết kế trong chân căng của công trình TLP.

3.1.2. Các điều kiện môi trường để tính toán và thiết kế Các điều kiện môi trường cần được cung cấp để tính toán, như sau:

224

1) Điều kiện bình thường của môi trường (Normal Environment): Điều kiện này của môi trường sử dụng để tính toán với tải trọng tác dụng lên kết

cấu trong quá trình đời sống công trình và tải trọng thi công (chế tạo, dựng lắp,..); 2) Điều kiện cực trị của môi trường (Extreme Environment):

Điều kiện môi trường cực trị sử dụng để xác định tải trọng thiết kế công trình, đảm bảo kết cấu và các bộ phận chính của công trình có khả năng chịu được trong điều kiện môi trường cực trị và công trình vẫn có thể khai thác được một cách an toàn; 3) Điều kiện cực trị giảm của môi trường (Reduced Extreme Environment):

Lúc này thân dàn bị tổn thất (không còn nguyên vẹn) hoặc một chân căng bị nhổ. Điều kiện môi trường được xác định để tính toán được giảm đi, dựa trên tổ hợp thống kê giữa chu kỳ lặp của điều kiện lặp môi trường cực trị giảm ,với xác suất tổn thất công trình, sao cho tích của chúng bằng đúng xác suất xuất hiện môi trường cực trị. 4) Điều kiện môi trường biển lặng (Calm Environment): Một số hoạt động trên biển đòi hỏi phải thực hiện trong điều kiện biển lặng; vởi trường hợp này, việc thiết kế cho phép sử dụng điều kiện biển lặng; 5) Điều kiện môi trường hành trình trên biển (Route Environment):

Hành trình vận chuyển trên biển phải được lựa chọn điều kiện biển thích hợp cho việc vận chuyển. Chu kỳ lặp của môi trường phải được lựa chọn dựa trên xem xét chiều dài của hành trình và mức rủi ro cho phép; 6) Điều kiện có động đất (Seismic Conditions):

Công trình TLP phải được thiết kế với độ bền và độ cứng sao cho đảm bảo tổn thất là không đáng kể khi có động đất ở mức độ chấp nhận, xẩy ra trong đời sống công trình.

3.2. Các loại tần số của tải trọng môi trường Xét mô hình tổng thể của Dàn, các thành phần của tải trọng môi trường gây ra 6 thành phần chuyển vị tĩnh và chuyển vị động (dao động) của Dàn (Hình 4.21):

+ 3 chuyển vị thẳng: 1 - đứng Z (Heavy), và 2 - ngang X & Y (Surge & Sway); + 3 chuyển vị góc : 2 xoay quanh các trục nằm ngang X&Y(Roll & Pitch), và 1

xoay quanh trục đứng Z (Yaw).

225

Hình 4.21: Các thành phần phản ứng của Dàn TLP

dưới tác động của tải trọng môi trường Các tải trọng môi trường phải được xác định theo 4 loại tần số sau [13]:

a) Tải trọng đều: do gió, dòng chảy và sóng giạt (wave drift), là các lực không đổi về giá trị và hướng tác dụng trong thời gian xét; b) Tải trọng có chu kỳ với tần số thấp (chu kỳ lớn): do thành phần động với tần số thấp của gió, dòng chảy và sóng giạt, có thể gây ra dao động đáng kể cho Dàn, khi chu kỳ của lực gần với chu kỳ dao động riêng của Dàn theo các phương có “liên kết mềm” (2 phương chuyển vị nằm ngang - Surge & Sway, và phương chuyển vị xoay quanh trục đứng - Yaw): thường các chu kỳ dao động riêng này có giá trị trong khoảng từ 1 - 3 phút (60 - 180 s); c) Tải trọng thay đổi của sóng có chu kỳ điển hình (trong khoảng từ 5 - 20 s, tức là tần số trong khoảng 0,2 - 0,005 Hz): Tải trọng này của sóng gây ra nội lực trội trong các phần tử của thân dàn và hệ thống neo; d) Tải trọng có chu kỳ với tần số cao (chu kỳ thấp): thường do sóng, có thể gây ra dao động đáng kể cho Dàn, khi chu kỳ của lực gần với các chu kỳ dao động riêng của Dàn theo có “liên kết cứng” (phương đứng Z, và 2 phương xoay quanh X & Y): thường chu kỳ dao động riêng này có giá trị trong khoảng từ 1 - 5 s. Trên hình 4.22 biểu diễn các phổ sóng & gió, và các miền của tần số dao động riêng (TSDĐR) của các loại CTB:

- CTB cố định: có các TSDĐR lớn (chu kỳ nhỏ), ở bên phải của phổ sóng (lấy trục hoành = tấn số Hz);

226

- CTB mềm (như Trụ mềm và CT bán chìm): có các TSDĐR nhỏ (chu kỳ lớn), ở bên trái của phổ sóng;

- CTB loại TLP : là loại CTB “lai CTBCD & CTB mềm”, có 3 TSDĐR theo 3 phương “liên kết mềm” thì ở bên trái phổ sóng, và 3 TSDĐR theo 3 phương “liên kết cứng” lại ở bên phải của phổ sóng.

Hinh 4.22: Phổ gió và phổ sóng biểu diễn theo tần số (Hz)

Bên trái phổ sóng : dải các TSDĐR của CTB mềm Bên phải phổ sóng: dải các TSDĐR của CTB cố định

Trên hình 4.23, minh hoạ các loại tần số của các tải trọng môi trường gây ra chuyển vị ngang của Dàn TLP:

1) Chuyển vị không đổi: do các lực trung bình (tĩnh) của dòng chảy, gió, và sóng giạt;

2) Chuyển vị động thay đổi với tần số thấp (chu kỳ lớn): do thành phần động của lực giạt động của sóng, gió (mạch động) và của dòng chảy;

3) Chuyển vị động thay đổi với tần số cao (chu kỳ nhỏ) của sóng biển. Nhận xét: trong tính toán gần đúng, nếu thành phần động các lực của gió, dòng chảy và sóng giạt có chu kỳ quá lớn, sẽ gây ra chuyển vị động biển đổi rất chậm, có thể xem như chuyển vị tựa tĩnh, và lúc này hiệu ứng động của các tải trọng gây ra chuyển vị động, chỉ còn xét với tải trọng sóng có chu kỳ bình thường (trong khoảng từ 5 - 20 s), như sơ đồ của hình vẽ bên phải hình 5.

227

Hình 4.23:Các thành phần chuyển vị ngang tĩnh và động do các tải trọng môi trường (gió, dòng chảy và sóng)

3.3. TẢI TRỌNG GIÓ Các công thức tính toán có thể xem trong chương2.

3.4 TẢI TRỌNG DÒNG CHẢY 3.4.1. Vận tốc dòng chảy (tương tự các chương 2,3)

Dòng chảy gồm các thành phần dòng chảy do gió, triều, hoàn lưu (background circulation). Ở vùng nước sâu, dòng chảy có thể gây ra tải trọng lớn. Gần vùng dòng chảy biên, cần phải xét đến hiện tượng chảy vòng và tạo xoáy. Vận tốc dòng chảy: phải được xét theo các tổ hợp thống kê (cùng chu kỳ lặp) với các yếu tố thiết kế khác của môi trường,như chiều cao sóng và vận tốc gió.

3.4.2. Lực cản do dòng chảy (Current Drag Force) Khi không có sóng, dòng chảy gây ra lực cản tác dụng lên phần tử hình trụ mảnh

có giá trị tỷ lệ với bình phương vận tốc dòng chảy, lực tác dụng chính là thành phần của lực cản vuông góc với trục phần tử trụ. Hệ số lực cản dựa trên số liệu thực nghiệm đã có sẵn.

3.4.3. Dao động gây ra do vệt xoáy của dòng chảy sau vật cản (Vortex-Induced Vibration) Dòng chảy đều đi qua phần tử trụ, hình thành vệt xoáy phía sau phần tử, tạo nên

lực nâng (Lift Force) có phương vuông góc với dòng chảy, lực này phụ thuộc vào vận tốc

chuyÓn vÞ thùc tÕ s¬ ®å gÇn ®óng cña chuyÓn vÞ

Lùc giã trung b×nh

T

ChuyÓn vÞ tÜnh

ChuyÓn vÞ ®éngHiÖu øng ®éng dogiã vµ dßng ch¶y

HiÖu øng ®éng cña lùc gi¹t (do sãng)

Lùc dßng ch¶y trung b×nh

Lùc gi¹t trung b×nh cña sãng

T

chuyÓn vÞ

Thêi gian

Do sãng

228

dòng, đường kính phần tử, và hệ số thực nghiệm (số Strouhal). Nếu lực nâng có tần số bằng hoặc gần bằng một trong các tần số dao động riêng của phần tử, sẽ gây ra dao động đáng kể cho phần tử. Dao động này có thể lớn hơn dao động do sóng gây ra. Phản ứng của các chân căng và ống đứng tỏ ra nhậy cảm với vệt xoáy của dòng chảy; vệt xoáy sau các cột của thân dàn cũng ảnh hưởng đến dao động của dàn quanh trục đứng (yaw). Dòng gió đi qua các phần tử tháp hoặc trụ trên thượng tầng cũng gây ra các lực nâng do vệt xoáy; do vậy, cũng cần kiểm tra khi thiết kế. Các công thức tính toán lực dòng chảy được nêu trong tài liệu của API [13].

3.5. TẢI TRỌNG SÓNG 3.5.1. Xác định tải trọng sóng theo thông lệ

Việc xác định tải trọng sóng dựa trên kết quả của lý thuyết thế mô tả chuyển động sóng, trong đó chỉ lấy số hạng bậc 1.

Sau đó, việc xác định tải trọng sóng được thực hiện tuỳ theo quan hệ giữa thông số sóng (chiều dài sóng) và kích thước vật cản (mặt cắt ngang), có thể sử dụng một trong 2 phương pháp sau để xác định tải trọng sóng lên vật cản:

(1) Phương trình lực sóng (Wave Force Equation - WFE): sử dụng phương trình Morison (1950), khi sóng đi qua vật cản dạng trụ có kích thước nhỏ so với chiều dài sóng (đường kính danh nghĩa của trụ < 1/5 chiều dài sóng).

Tải trọng sóng gồm 2 thành phần: + Lực cản vận tốc (Drag Force) + Lực quán tính (Inertia Force).

(2) Lý thuyết nhiễu xạ (Diffraction Theory): trong trường hợp vật cản có kích thước lớn. Công thức tính toán lực sóng được cho trong tài liệu [13]. Trên hình 6 đưa ra các phân vùng sử dụng phương pháp tính tải trọng sóng [13].

229

Hình 4.24: Hướng dẫn sử dụng phương pháp tính tải trọng sóng tác dụng lên

Thân Dàn ( cột - Columns và Ponton) và chân căng & ống đứng(Tendons&Risers).

3.5.2. Tải trọng sóng dưới điều hoà và trên điều hoà (Subharmonic and Superharmonic Wave Forces) Khi mô tả chuyển động sóng theo lý thuyết thế, trong đó sử dụng tới các số hạng thứ 2 (second order terms in the potential theory), và áp dụng vào phương trình Morison, sẽ thấy có nhiều hiện tượng khác nhau xẩy ra:

1) Trong các sóng đều (regular waves), xuất hiện một lực giạt không đổi của sóng (a steady wave drift force) theo phương nằm ngang. Trong trường hợp dùng lý thuyết nhiễu xạ, lực giạt đều này là do các tích phân trên mặt thoáng và đánh giá phương trình Bernoulli đầy đủ trên biên của vật thể. Trường hợp sử dụng phương trình Morison, lực giạt đều là do kết quả tích phân trên mặt thoáng và hiệu ứng nhớt.

2) Trong các sóng đều, từ lý thuyết thế và phương trình Morison tạo nên một lực sóng giạt không đổi) theo phương đứng. Ngoài ra, từ lý thuyết thế còn xuất hiện một lực có tần số kép (a double frenquency force) cũng theo phương đứng.

3) Trong các sóng không đều (irregular waves), lý thuyết thế và Morison đã xuất hiện một lực đều và một lực thay đi chậm theo thời gian (a steady and a slowly varying horizontal force) được gọi là lực giạt của sóng (the wave drift force). Trong lý thuyết thế, điều này xẩy ra tại các tần số khác nhau của năng lượng sóng. Tính chất động học của sóng cũng gây ra sự tương tác giữa lực giạt của sóng với lực nhớt (viscous forces), tạo nên một dòng chảy phụ.

230

4) Trong các sóng không đều, sự kết hợp giữa lý thuyết thế và Morison tạo nên nhóm các lực có tần số, khi các lực này có tần số cộng hưởng với 3 phương “liên kết cứng” (đứng - heave, và lắc ngang & lắc dọc - roll & pitch), sẽ gây ra các chuyển vị đáng kể của Dàn theo các phương đó. Lý thuyết thế cũng cho thấy xuất hiện các lực có tần số kép.

Kết luận: Các lực sóng bổ sung như đã nêu trên (từ các số hạng bậc 2 của lý thuyết thế kết hợp với phương trình Morison), đã cho những kết quả rất quan trọng để tính toán kết cấu TLP : (1) Các lực sóng giạt không đổi theo cả phương ngang và phương đứng;

(2) Các lực sóng dưới điều hoà (có tần số thấp hơn tần số của lực sóng thường dùng - với số hạng bậc 1 của lý thuyết thế) liên quan tới khả năng cộng hướng với các modes dao động ứng với 3 phương có “liên kết mềm” ( Surge, Sway, Yaw); (3) Các lực sóng trên điều hoà (có tần số cao hơn tần số của lực sóng thường dùng) liên quan tới khả năng cộng hưởng với các modes dao động theo 3 phương có “liên kết cứng” (Heave, Roll, Pitch); (4) Các lý thuyết nêu trên hiện nay vẫn còn đang được nghiên cứu phát triển [6] - [13].

3.6. TỔ HỢP TẢI TRỌNG ĐỂ THIẾT KẾ TLP Đối với các tải trọng môi trường (sóng, gió. dòng chảy), việc tổ hợp giữa chúng được lấy theo các chu kỳ lặp đồng thời. Tổ hợp giữa tải trọng môi trường với các loại tải trọng khai thác, phụ thuộc vào các tình huống tác động của các tải trọng. Theo DNV [14], tổ hợp các tải trọng được xét dựa trên 4 trạng thái giới hạn: (1) Trạng thái giới hạn cực trị (Ultimate Limit States - ULS): tính kết cấu với điều kiện môi trường cực trị; (2) Trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit States - FLS): Tính kết cấu chịu mỏi trong điều kiện bình thường của môi trường, dưới tác động của tải trọng thay đổi có chu kỳ; (3) Trạng thái giới hạn tích luỹ (Limit State of Progressive Collapse-PLS): Tính kết cấu chịu các tải trọng sự cố (A);

(4) Trạng thái giới hạn về khả năng phục vụ (Serviceability Limit States - SLS): Tính kết cấu dựa trên các tiêu chuẩn đảm bảo sử dụng công trình một cách bình thường trong đời sống thiết kế.

Hệ số tổ hợp tải trọng đối với một số trạng thái giới hạn (THGH) diển hình được nêu trong các bảng dưới đây.

231

Bảng 1: Hệ số tải trọng đối với TTGH cực trị (ULS) [14] Tổ hợp các tải trọng thiết kế

Loại tải trọng P L D E A

â) 1,3 1,3 1,0 0,7 0 b) 1,0 1,0 1,0 1,5 0

Ghi chú: P, L, D, E, A là các tải trọng theo phân loại của DNV, như đã nêu ở mục 1.2.

Bảng 2: Hệ số tải trọng đối với TTGH tích luỹ phá huỷ (PLS) [14] Tổ hợp các tải trọng thiết kế Loại tải trọng

P L D E A c) Kết cấu còn

nguyên vẹn Các tải trọng sự cố (A) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 Tải trọng môi trường

bất thường 1,0 1,0 1,0 1,0 0

d) Kết cấu bị tổn thất 1,0 1,0 1,0 1,0 0 4. Các bài toán xác định phản ứng và kiểm tra kết cấu CTB neo đứng 4.1. Sơ đồ tính và các giả thiết Sơ đồ tính của kết cấu Dàn TLP điển hình được gắn với hệ trục toạ độ Gxyz, gốc toạ độ G là trọng tâm của Dàn (gồm Thượng tầng và Thân Dàn), như trên Hình 4.25.

232

Hình 4.25: Sơ đồ kết cấu TLP điển hình

a = hướng sóng; G = trọng tâm của Dàn (gốc toạ độ); b = gốc toạ độ ở mức mặt nước tĩnh; c = các phần tử chân căng; d = đáy biển

Bài toán động lực học (ĐLH) của Dàn sẽ xét dưới đây chủ yếu để tính toán phản

ứng động tổng thể của Dàn (Global Response Analysis) phục vụ cho giai đoạn thiết kế sơ bộ. Bài toán được sử dụng các giả thiết sau: 1) Coi thân dàn là kết cấu tuyệt đối cứng, có trọng tâm G. Do vậy, ta có bài toán động của kết cấu 6 bậc tự do: 3 thành phần chuyển vị thẳng và 3 thành phần chuyển vị góc; 2) Bỏ qua khối lượng của chân căng; không xét tải trọng tác dụng lên chân căng; chân căng có dạng luôn luôn thẳng; 3) Tải trọng động là tải trọng do sóng tác dụng lên Dàn nổi được quy về 6 thành phần tại trọng tâm của Dàn; không xét tải trọng sóng các tần số thấp và cao (ứng với số hạng bậc 2)

4.2. Phương trình cơ bản của bài toán động lực học kết cấu TLP Phương trình dao động của hệ 6 bậc tự do được viết dưới dạng ma trận, gắn với hệ

trục toạ độ Gxyz (H.1), trong đó có 3 thành phần chuyển vị trong mặt phẳng nằm ngang xy (2 chuyển vị dọc & ngang: theo x & y - Surge & Sway; 1 xoay quanh trục đứng z - Yaw), và 3 thành phần chuyển vị trong các mặt thẳng đứng (chuyển vị đứng - Heave;

233

xoay quanh các trục x & y - Roll & Pitch). Các chuyển vị được ký hiệu chung là u, được biểu diễn đưới dạng phương trình tổng quát như sau: (1) Trong đó: + là các thành phần véc tơ cột của chuyển vị, vận tốc và gia tốc theo các phương; + Ms và Ma là ma trận khối lượng của kết cấu và ma trân khối lượng nước kèm của Dàn TLP, kích thước 6x6; + B là ma trận cản nhớt (6x6); + Ks và Ka là ma trận độ cứng của chân căng và ma trận độ cứng thuỷ tĩnh của Dàn (6x6); + F(t) là véc tơ tải trọng môi trường tác đụng lên Dàn (6x1).

Dàn bao gồm các bộ phận thượng tầng và các cấu kiện của thân nổi, có trọng tâm

G. Ma trận khối lượng kết cấu Dàn là ma trận chéo, trong đó 3 số hạng đường chéo đầu tiên là khối lượng của Dàn quy về trọng tâm G, và 3 thành phần còn lại và các mô men quán tính của khối lượng của Dàn ứng với các trục x, y và z. Các phần tử của ma trận khối lượng nước kèm, ma trận cản nhớt, ma trận độ cứng thuỷ tĩnh được tính toán bằng tổng của khối lướng tương ứng được xác định từ các phần tử riêng lẻ của Dàn, tương tự như đối với ma trận khối lượng Dàn.

Ma trận khối lượng nước kèm đối với các phần tử kết cấu Dàn nổi được tính toán dựa trên giả thiết chỉ có thành phần gia tốc thẳng góc với trục của phần tử là đáng kể. 4.3. PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN TÍNH ĐỘNG LỰC HỌC TIỀN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU TLP

4.3.1. Phương trình động lực học của bài toán tiền định

Giả thiết của phương pháp đơn giản:

+ Bên cạnh các giả thiết của bài toán động lực học (ĐLH) tổng quát đã nêu ở mục 1 (Kết cấu Dàn là tuyệt đối cứng; dây neo luôn thẳng và không trọng lượng; bỏ qua tải trọng sóng tác dụng lên dây neo);

+ ở đây còn sử dụng giả thiết coi kết cấu TLP làm việc như bài toán phẳng, chịu tác dụng của tải trọng động là các tải trọng sóng đã được quy về trọng tâm G.

Sơ đồ tính của bài toán phẳng ĐLH của kết cấu TLP như trên Hình 4.26.

)(tFuKKuBuMM sasa

uuu ,,

234

Hình 4.26: Sơ đồ bài toán phẳng kết cấu TLP chịu tải trọng sóng Phương trình động lực học của bài toán phẳng của kết cấu TLP theo 3 phương cơ bản được viết như sau:

Trong đó: + Độ cứng của dây neo và độ cứng của kết cấu nổi do áp lực thủy

tĩnh theo các phương cơ bản; + Là khối lượng dao động của kết cấu, khối lượng nước

kèm theo các phương cơ bản; + Là hệ số cản của kết cấu, hệ số cản thủy động theo các

phương cơ bản. Do kết cấu tuyệt đối cứng nên Cox=Coz=Coj=0; + Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của trọng tâm kết cấu nổi theo phương ngang;

)t(M)kk(CCMM

)t(Fz)kk(zCCzMM

)t(Fx)kk(xCCxMM

yooo

zzozzozzoz

xkoxxoxxox

:k,kkk,kk z,x,oox,ox

:M,MMM,MM z,x,ooz,ox

:C,CCC,CC z,x,ooz,ox

:x,x,x

235

+ Chuyển vị, vận tốc, gia tốc của trọng tâm kết cấu nổi theo phương đứng; + Góc xoay, vận tốc góc, gia tốc góc của trọng tâm kết cấu nổi; + Fx(t), Fz(t), My(t): Lực sóng tiền định tác dụng lên hệ,quy về trọng tâm kết cấu nổi. Nội dung giải bài toán động lực học tiền định:

- Xác định các hệ số của phương trình - Giải bài toán dao động riêng, xác định chu kỳ dao động riêng - Xác định các tải trọng động theo mô hình tiền định - Giải phương trình động lực học, xác định các chuyển vị động theo các phương cơ

bản 4.3.2. Tính toán chuyển vị động theo các phương cơ bản do sóng tiền định

Chuyển vị động được xác định bằng cách giải các phương trình đạo hàm riêng, nghiệm được biểu diễn như sau:

Trong đó:

+0: Biên độ chuyển vị động theo các phương cơ bản (phương x, phương z,góc xoay j); 0 = t.kđ ;

+t: Chuyển vị tĩnh theo phương cơ bản đang xét, t= Fo /k

+Fo: Biên độ lực tác dụng phương ;

+kđ: Hệ số động

+w1: Tần số dạng dao động riêng thứ nhất theo phương cơ bản ;

+w : Tần số sóng; e: Hệ số cản phương ;

:z,z,z :,,

)tsin(.)t( o

2

1

22

121

1

.

k

x

d

222

x

.tg

236

* Trong tính toán động tiền định, khi tính toán biên độ chuyển vị động ta bỏ qua ảnh hưởng của hệ số cản e => a =0; Thay vào biểu thức xác định hệ số động ta được: kđ

=

* Trong tính toán động ngẫu nhiên, ta sẽ xem xét ảnh hưởng của cản thuỷ động bởi vậy cách xác định hệ số cản e sẽ được đề cập đến trong nội dung tính toán động ngẫu nhiên. 4.4. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CHÂN CĂNG 4.4.1. Lực căng trong hệ thống neo đứng Chân căng là bộ phận liên kết giữa kết cấu Dàn với đề móng ở đáy biển, nên khi tính toán chân căng, phải kể đến sự tương tác giữa chân căng với dàn và móng. a/ Các dạng chuyển vị của Dàn và chân căng Tuỳ thuộc vào các loại chuyển vị của Dàn nổi, kéo theo chân căng có thể có 4 trạng thái vị trí điển hình như trên Hình 4.27.

Chân căng chuyển vị đứng (Heave); Chân căng chuyển vị song song theo phương ngang (Offset: Surge/Sway); Chân căng chuyển vị ngang, không song song, mặt Dàn vẫn nằm ngang (Offset hoặcYaw); Chân căng chuyển vị ngang, không song song, mặt Dàn nghiêng (Offset và Yaw).

Hình 4.27: Các dạng vị trí điển hình của chân căng TLP

a) Chuyển vị đứng; b) Chuyển vị ngang; c) Chuyển vị xoay d) Chuyển vị tổng hợp

22

11

1

237

b/ Lực căng cực đại

Lực trong chân căng bao gồm lực căng trước (pretension) và tác động của các yếu tố môi trường. Lực căng trước có tác dụng khống chế chuyển vị ngang cực đại của TLP. Khí xác định lực căng cực đại, cần xét đến các thành phần của lực căng như sau: b1/Lực căng tựa tĩnh: 1) To - Lực căng trước thiết kế ở mực nước trung bình

2) Tt - Tải trọng do mực nước biển đổi (triều/nước dâng) 3) T1 - Tải trọng do thay đổi về trọng lượng - vật liệu dằn 4) Tm - Lực căng do mômen nghiêng gây ra bởi gió và dòng chảy

5) Ts - Lực căng do dàn bị hạ thấp bởi chuyển vị ngang tựa tĩnh (do gió, sóng giạt và dòng chảy) b2/ Lực căng động do sóng: 1) Tw - Lực căng thay đổi do tải trọng sóng

2) Tf - lực căng do chuyển vị của đế móng (Foundation mispositioning) và chuyển vị ngang động gây ra (dàn bị nhận xuống tức thời)

3) Tr - lực căng do các dao động theo 3 phương của mặt phẳng đứng (heave, pitch, roll)

b3/ Các hiệu ứng riêng lẻ:

1) Ti - lực căng của từng chân căng ảnh hưởng tới lực căng trong chân khác

2) Tv - Lực căng do tạo xoáy của từng chân căng. Lực căng cực đại trong hệ thống chân căng được xác định bằng nguyên lý cộng tác dụng của 10 thành phần đã nêu trên:

T = To + Tt + T1 + Tm + Ts + Tw + Tf + Tr + Ti + Tv c/ Lực căng cực tiểu Lực căng tối thiểu xác định lực căng trước trừ đi các loại tác động của moi trường, theo biểu thức sau:

T = To - [ Tt + T1 + Tm + Ts + Tw + Tf + Tr + Ti + Tv]

4.4.2. Quy trình thiết kế chân căng

Các bước thiết kế chân căng phải bao gồm việc tính toán chân căng sao cho thoả mãn các yêu cầu về bền và mỏi trong quá trình khai thác, lắp đặt và khảo sát. Trình tự các công việc chính trong quá trình thiết kế chân căng như sau:

238

1) Xác định cấu hình chung của Dàn TLP 2) Thiết kế sơ bộ chân căng: Đánh giá lực căng trước và các yêu càu khác đối với

kích thước Dàn 3) Xác định chuyển vị ngang của chân căng 4) Xác định lực căng cho phép tối thiểu 5) Phân tích sơ bộ ứng suất chân căng: kiểm tra bền, kiểm tra mỏi và tuổi thọ mỏi 6) Kiểm tra giới hạn của điều kiện vận hành 7) Xác định tuổi thọ mỏi: dưới tác dụng của tổ hợp lực dọc và mômen uốn 8) Kiểm tra thiết kế cuối cùng: ứng suất cực đại, lực căng cực tiểu, tuổi thọ mỏi, 9) Kiểm tra qua thử nghiệm mô hình.

Trên Hình 4.28 trình bày các bước thiết kế chân căng.

239

Hình 4.28: Lưu đồ thiết kế chân căng TLP [13]

4.5. NGUYÊN TẮC TỔ CHỨC THI CÔNG CÔNG TRÌNH TLP ĐIỂN HÌNH Việc dựng lắp TLP gồm 5 công đoạn chính:

1) Dựng lắp móng;

C¸c tÝnh chÊt cña ch©n c¨ng: diÖn tÝch mÆt c¾t,D/t,giíi h¹n ch¶y cña vËt liÖu,lùc c¨ng truíc, hÖ sè øng suÊt tËp trung, v.v.

X¸c ®Þnh ph¶n øngcña kÕt cÊu næi TLP ( * )

ChuyÓn vÞ t¹i c¸c ®Çu ch©n c¨ng

øng suÊt kÐo cña ch©n c¨ng

Lùc kÐo max, min cña ch©n c¨ng

X¸c ®Þnh chuyÓn vÞ uèn

cña ch©n c¨ng ( )

X¸c ®Þnh øng suÊt do uèn cña ch©n c¨ng

Tæ hîp c¸c øng suÊt

Lùc c¨ng cho phÐp min

X¸c ®Þnh lùc kÐo cho phÐp min

T¨ng lùc c¨ng truíc

T¨ng giíi h¹nch¶y cña vËt liÖu

Lùc c¨ng cho phÐp max

D÷ liÖu da/dn, kÝch thø¬c vÕt nøt (nÕu ph¸t hiÖn)

C¸c øng suÊt trong qu¸tr×nh khai th¸c c«ng tr×nh

TÝnh to¸n mái

§uêng cong mái S-N

Tuæi thä mái theo yªu cÇu

KiÓm tra æn ®Þnh thñy tÜnh, gãc nghiªng max..

T¨ng diÖn tÝch

Thö nghiÖm m« h×nh

T¨ng diÖn tÝch vµ/hoÆc gi¶m ®õ¬ng kÝnh ch©n c¨ng

Ph©n tÝch theo c¬ häc ph¸ hñy

Chu kúkiÓm tra

( ) Cã thÓ tæ hîp tÝnh ®ång thêi kÕt cÊu næi vµ ch©n c¨ng

KÝch th­íc vµ vËt liÖu ch©n c¨ng

240

2) Lắp đặt hệ thống neo tạm thời; 3) Dựng lắp hệ thống chân căng; 4) Liên kết chân neo với móng và dàn, trong đó đảm bảo lực căng trước theo thiết kế 5) Dựng lắp hệ thống đứng.

Quá trình lắp ráp trên còn phụ thuộc một số yếu tố sau: a. Kích thước hình học tổng thể của Dàn và các bộ phận chi tiết; b. Các thông số của đất, môi trường và địa lý c. Khả năng của các thiết bị có sẵn d. Kế hoạch khai thác dài hạn của mỏ và các yếu tố kinh tế khác. Trên Hình 4.29 trình bầy các công đoạn thi công điển hình một công trình TLP.

Hình 4.29 Các công đoạn thi công điển hình một công trình TLP.

5. Nhận xét và kết luận 1) Theo phương ngang (liên kết mềm) của TLP: Chu kỳ dao động riêng của các phương án có giá trị đều lớn: từ 60-145 sec; chuyển vị tĩnh cũng rất lớn: từ 18-108 m;

Dïng thiÕt bÞ ®éc lËp

Dïng chung thiÕt bÞ víi trî gióp cña kÕt cÊu

L¾p hÖ thèng neo

X©y mãng TLP

Dïng thiÕt bÞ riªng ®Ó x©y l¾p mãng

Dïng chung thiÕt bÞ x©y l¾p mãng & kÕt cÊu næi X©y l¾p

®ång thêi víi kÕt cÊu næi

X©y l¾p trø¬c khi vËn chuyÓn kÕt cÊu næi

X©y l¾p tõng giai ®o¹n

X©y l¾p ®ång thêi

Mãng mét khèi

Mãng nhiÒu khèi

Mãng lai träng lùc-cäc

Mãng cäc chÞu nhæ

Mãng träng lùc

A

b

§iÒu chØnh vµ t¹o lùc

c¨ng tr­íc

§¹t chØ tiªu c¨ng tr­íc

C¸c ch©n c¨ng ®­îc l¾p r¸p

theo thø tù

C¸c ch©n c¨ng

®ång thêi®­îc l¾p r¸p

C¨ng tr­íc b»ng vËt liÖu d»n

®ång thêi ®èi víi mäi ch©n c¨ng

b»ng lùc kÐo- vËt liÖu d»n

C¨ng tr­íc

C¨ng tr­íc

A

B

C¨ng ®ång thêi trong mét ch©n c¨ng

C¨ng tuÇn tù trong mét ch©n c¨ng

C¨ng truíc b»ng lùc kÐo

§iÒu chØnh tuÇn tù trongmét ch©n c¨ng

§iÒu chØnh ®ång thêi trongmét ch©n c¨ng

§iÒu chØnh tuÇn tù ®èi víi c¸c ch©n c¨ng

§iÒu chØnh ®ång thêi ®èi víi c¸c ch©n c¨ng

L¾p ®Æt ®ång thêi trong mét ch©n c¨ng

L¾p ®Æt tuÇn tù trong mét ch©n c¨ng

241

2) Theo phương đứng và xoay (liên kết cứng) của TLP: Chu kỳ dao động riêng của tất cả các phương án đều nhỏ: từ 1,8 - 5,2 sec, tương tự chu kỳ dao động riêng lớn nhất của CTB cố định kiểu Jacket; Chuyển vị đứng tĩnh cũng có giá trị rất nhỏ: từ 0,95 - 5,96 m;

3) Từ các nhận xét trên cho thấy rõ đặc điểm nổi bật của kết cấu TLP là loại “kết cấu lai giữa CTB mềm và CTB cố định”. Do đó, trong tính toán phải hết sức lưu ý đến giải tần của các loại tải trọng môi trường (gồm 4 loại tần số,như đã nêu ở trên), trong đó cần đặc biệt lưu ý đến các loại tải trọng sóng tần số thấp và tần số cao (sóng giạt,...) khác so với sóng thường tính với tần số thu được từ bậc 1 của lý thuyết thế của chuyển động sóng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Mr. Gerald E. BURNS (Offshore Technology and Planningg Staff Standard Oil Company of California). Simplified analysis of a tension leg platform. DOT - 1981. 2. Demosthenes C. Angelides, Stephen A. Will, Robert F. Figgers (McDermott Incorporated, New Orleans, LA., USA). Design and analysis framwork of tension leg platforms. 3. E.M. Q. Roren and B. Steinsvik (Aker Engineering A/S, Pslo, Norway). Deep water Resonance problems in the mooring system of the tethered platform. Proceedings of the International Conference on the Offshore Structures Engineering, COPPE, Brazil, 9/1977. 4. Minoo H. Patel, Joel A. Witz (University College London) . Compliant Offshore Structures, U.K. 1991. 5. T.E. McDonell, Conoco (U.K.) Ltd.,and J.W. Hasz, Conoko Inc. Hutton TLP Integrated Deck. OTC 4912, Texas, 1985. 6. Zeki Demirbilek (Naval Architect & Ocean Engineer, Houston, TX). An Overview of the Concept, Analysis, and Design. ASCE, USA, 1989. 7. J.C. Heiderman (Exxon P.R. Co., Houston). Environmental Design Criteria for TLPs. ASCE, USA, 1989. 8. O.M. Faltinsen (NIT, Norway), Zeki Demirbilek (USA). Hydrodynamics Analysis of TLPs. ASCE, USA, 1989. 9. John E. Halkyard (Arctec Offshore Corporation, USA). Structural Analysis Methods for TLP’s. ASCE, USA, 1989. 10. Jean M.E. Audibert (Woodward-Clyde Consultants, USA), Scott R. Bamford (The Earth TEchnology Corp.). TLP Foundation Design and Analysis.ASCE, USA, 1989. 11. Ivar J. Fylling (NMTI, Norway), Carl M.Larsen (NIT, Norway) TLP Tendon Analysis. ASCE, USA, 1989. 12. Paul H. Wirsching, Y.N. Chen (Members, ASCE). Fatigue Consideration in TLP Design.ASCE, USA, 1989. 13. API: Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Tension Leg Platforms. API RP 2T, August 1997.

242

14. DNV: Fixed Offshore Installations - Special Design: Tension Leg Platforms, 1989. 15. OFFSHORE: 2004 Deep water solutions & Records for Concept Selection. June 2004. 16. OFFSHORE: 2005 Worldwide Survey of TLPs, TLWPs. October 2005. 17. Chu Chất Chính, Trần Đức Minh, Bùi Công Lương, Nguyễn Khắc Sinh: Sự phát triển công trình biển dạng neo đứng (TLP) trên thế giới. TC. Dầu khí, No5, 2003. 18. Phạm Khắc Hùng. Các phát triển mới của công trình biển mềm để khai thác dầu khí trong điều kiện nước sâu. PL Tạp chí Dầu khí, No1 - 1998. 19. Phạm Khắc Hùng. Tính toán động kết cấu công trình biển cố định chịu tác dụng của sóng và dòng chảy. Sách chuyên khảo, Viện XDCTB. Hà Nội, 1992. 20. Bernard Andrier (GEP, France). New Technologies in Offshore Petroleum Engineering Worldwide. Short Training Course Notes for PV Engineers, with the participation of Prof. Pham Khac Hung (ICOFFSHORE, Hanoi). Vungtau, 3-1997. 21. B.Moulin. Low and High Frequency Second-Order Loads and Responses. Nantes, France, 1993. 22. X.B.Chen and M.Francois (BV, France). Tension Leg Platforms - Hydrodynamic Analysis. Paris, 1997. 23. J.A.Pinkster. Low Frequency Second Order Wave Exciting Forces on Floating Structures. 24. Phạm Khắc Hùng. Phương pháp luận tính toán mỏi kết cấu công trình biển cố định bằng thép. Tủ sách Viện XD Công trình Biển, Hà Nội - 1995. 25. Sổ tay các hàm đặc biệt. Nhà xuất bản Khoa học. Matscơva, 1979

243

Ch­¬ng 5 Ph­¬ng tiÖn næi vµ ho¹t ®éng hµng h¶i

1. Më ®Çu 1.1. Ph©n lo¹i c¸c ph­¬ng tiÖn næi ho¹t ®éng trªn biÓn a) Theo nhiÖm vô ho¹t ®éng: - Tµu vËn t¶i: . Tµu chë hµng t¹p ho¸ . Tµu chë hµng rêi (ngò cèc, than, quÆng,...) . Tµu chë gç . Tµu ®«ng l¹nh . Tµu chë c«ng te n¬ . Tµu chë hµng láng (dÇu, khÝ ho¸ láng,...) . Tµu chë kh¸ch v.v. - Tµu ®¸nh c¸ : . Tµu ®¸nh c¸ . Tµu ®¸nh c¸ vµ chÕ biÕn c¸ . Tµu s¨n c¸ voi . Tµu khai th¸c thùc vËt biÓn, v.v. - Tµu qu©n sù (tµu tuÇn tra, tµu b¶o vÖ l·nh h¶i, v.v.) - Tµu chuyªn dông . Tµu kÐo (c«ng suÊt lín, quay trë tèt, ®iÒu ®éng linh ho¹t) . Tµu cuèc, tµu hót bïn . Tµu th¶ phao, tµu lµm neo . Tµu hoa tiªu . Tµu cøu hé . Tµu NCKH . Tµu cÈu, tµu th¶ èng,... b) C¨n cø vµo nguyªn lý ®éng lùc: - Tµu buåm - Tµu m¸y h¬i n­íc - Tµu diezel . Tµu ®éng c¬ nguyªn tö . Tµu ®éng c¬ ph¶n lùc . Tµu tuèc-bin (khÝ, h¬i n­íc) c) Dùa vµo vËt liÖu chÕ t¹o vá tµu - Tµu vá gç - Tµu vá s¾t - Tµu vá b»ng xi m¨ng l­íi thÐp hoÆc bª t«ng cèt thÐp

244

- Tµu chÊt dÎo (composite) d) C¨n cø vµo nguyªn lý t¸c ®éng cña n­íc lªn bÒ mÆt vá tµu - Tµu cã l­îng chiÕm n­íc (l­îng cho¸n n­íc) - Tµu c¸nh ngÇm - Tµu ®Öm khÝ e) C¨n cø vµo khu vùc ho¹t ®éng - Tµu cÊp kh«ng h¹n chÕ : ®­îc phÐp ho¹t ®éng ë kh¾p c¸c biÓn vµ ®¹i d­¬ng; - Tµu ch¹y trong vïng biÓn h¹n chÕ cÊp 1 (hay cßn gäi lµ tµu cÊp 1 h¹n chÕ): khu vùc ho¹t ®éng c¸ch n¬i tró Èn kh«ng v­ît qu¸ 200 h¶i lý (1 h¶i lý ~ 1852m); kho¶ng c¸ch gi÷a 2 n¬i tró Èn kh«ng v­ît qu¸ 400 h¶i lý; hoÆc vïng biÓn kÝn; - Tµu cÊp 2 h¹n chÕ: khu vùc ho¹t ®éng c¸ch n¬i tró Èn kh«ng v­ît qu¸ 50 h¶i lý; kho¶ng c¸ch gi÷a 2 n¬i tró Èn kh«ng v­ît qu¸ 100 h¶i lý; - Tµu cÊp 3 h¹n chÕ: Tµu ch¹y trong c¸c vÞnh 1.2. C¸c ®Æc tr­ng cña ph­¬ng tiÖn næi: KÝch th­íc, cÊu t¹o, ®éng c¬

1) H×nh d¸ng th©n ph­¬ng tiÖn næi a) B¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng th©n ph­¬ng tiÖn næi H×nh d¸ng cña vá (th©n) ph­¬ng tiÖn næi ®­îc m« t¶ b»ng b¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng theo nguyªn t¾c cña h×nh häc häa h×nh. B¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng cÇn thiÕt cho viÖc x¸c ®Þnh c¸c phÇn tö kÕt cÊu khi ®ãng míi, söa ch÷a vµ ho¸n c¶i ph­¬ng tiÖn næi, khi ®Æt thiÕt bÞ, khi x¸c ®Þnh diÖn tÝch vµ thÓ tÝch c¸c khoang còng nh­ ®Ó tÝnh to¸n c¸c ®Æc tr­ng h×nh häc kh¸c.

B¶n vÏ gåm 3 h×nh chiÕu cña th©n ph­¬ng tiÖn næi lªn 3 mÆt ph¼ng h×nh chiÕu trong hÖ to¹ ®é nªu trªn h×nh 1: - MÆt ph¼ng chÝnh (mÆt ph¼ng ®øng) ch¹y däc th©n ph­¬ng tiÖn næi. H×nh d¸ng th©n ph­¬ng tiÖn næi ®èi xøng nhau qua mÆt ph¼ng chÝnh. MÆt ph¼ng nµy cßn ®­îc gäi lµ mÆt ph¼ng däc t©m. - MÆt ph¼ng c¬ b¶n lµ mÆt ph¼ng n»m ngang s¸t víi ®¸y cña ph­¬ng tiÖn næi. - MÆt ph¼ng s­ên gi÷a lµ mÆt ph¼ng ®øng t¹i vÞ trÝ gi÷a chiÒu dµi ph­¬ng tiÖn næi vµ vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng däc t©m.

245

H×nh 1. MÆt ph¼ng h×nh chiÕu vµ hÖ to¹ ®é Ba h×nh chiÕu cña ®­êng h×nh d¸ng cã tªn gäi lµ h×nh chiÕu c¹nh, h×nh chiÕu b»ng (nöa chiÒu réng), h×nh chiÕu mÆt c¾t ngang (H×nh 2). . Trªn h×nh chiÕu mÆt c¾t ngang (H×nh 2-a) biÓu diÔn c¸c ®­êng s­ên lµ c¸c mÆt c¾t giao nhau gi÷a c¸c mÆt ph¼ng ®øng song song víi mÆt ph¼ng s­ên gi÷a víi mÆt bao cña th©n ph­¬ng tiÖn næi. Do tÝnh chÊt ®èi xøng cña th©n ph­¬ng tiÖn næi qua mÆt ph¼ng däc t©m, trªn h×nh chiÕu mÆt c¾t ngang c¸c ®­êng cong phÝa bªn ph¶i lµ c¸c s­ên phÇn mòi, cßn c¸c s­ên bªn tr¸i lµ c¸c s­ên phÇn ®u«i ph­¬ng tiÖn næi.

. Trªn h×nh chiÕu c¹nh (H×nh 2- b) biÓu diÔn c¸c mÆt c¾t däc (cã ký hiÖu I, II, III) hay c¸c ®­êng cong lµ c¸c mÆt c¾t giao nhau gi÷a c¸c mÆt ph¼ng ®øng song song víi mÆt ph¼ng däc t©m víi mÆt bao cña th©n ph­¬ng tiÖn næi.

H×nh 2. B¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng th©n ph­¬ng tiÖn næi . Trªn h×nh chiÕu b»ng (h×nh 2-c) biÓu diÔn c¸c ®­êng mín n­íc (cã ký hiÖu b»ng c¸c ch÷ sè 1, 2, 3, …) lµ c¸c mÆt c¾t giao nhau gi÷a c¸c mÆt ph¼ng n»m ngang

z

x

y

MÆt ph¼ng sõ¬n gi÷a

MÆt ph¼ng c¬ b¶n

MÆt ph¼ng däc t©m

O

246

song song víi mÆt ph¼ng c¬ b¶n víi mÆt bao cña th©n ph­¬ng tiÖn næi. Trªn h×nh 2-b vµ 2-c theo chiÒu dµi ®­êng mín n­íc t­¬ng øng víi mín n­íc thiÕt kÕ T (tøc mín n­íc chë ®Çy hµng theo thiÕt kÕ) th©n ph­¬ng tiÖn næi ®­îc chia bëi c¸c mÆt c¾t ngang (®­îc gäi lµ mÆt c¾t s­ên) thµnh 20 kho¶ng b»ng nhau. Nh­ vËy cã 21 mÆt c¾t s­ên, vµ chóng ®­îc gäi lµ c¸c mÆt c¾t s­ên lý thuyÕt, cßn kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c mÆt c¾t s­ên lý thuyÕt 20/LL ®­îc gäi lµ kho¶ng s­ên lý thuyÕt. b) KÝch th­íc chÝnh cña ph­¬ng tiÖn næi

H×nh 3. C¸c kÝch th­íc chÝnh cña ph­¬ng tiÖn næi

- ChiÒu dµi lín nhÊt maxL : kÝch th­íc lín nhÊt gi÷a mòi vµ ®u«i ph­¬ng tiÖn næi. - ChiÒu dµi gi÷a 2 ®­êng vu«ng gãc L : lµ chiÒu dµi gi÷a 2 giao ®iÓm cña ®­êng vu«ng gãc mòi vµ ®­êng vu«ng gãc ®u«i ph­¬ng tiÖn næi. - ChiÒu dµi ®­êng n­íc chë hµng N§L : lµ kho¶ng c¸ch gi÷a giao ®iÓm cña ®­êng n­íc chë hµng víi mòi vµ ®u«i ph­¬ng tiÖn næi. - ChiÒu r«ng lín nhÊt maxB : ChiÒu réng ®o gi÷a 2 mÆt ph¼ng tiÕp xóc víi 2 m¹n ph­¬ng tiÖn næi vµ cïng song song víi mÆt ph¼ng däc t©m. - ChiÒu réng tÝnh to¸n B : chiÒu réng lín nhÊt cña ph­¬ng tiÖn næi ®o trªn ®­êng n­íc chë hµng. - ChiÒu cao m¹n H : lµ chiÒu cao ®o theo ph­¬ng th¼ng ®øng tõ mÆt ph¼ng c¬ b¶n tíi mÐp boong m¹n ph­¬ng tiÖn næi ë mÆt ph¼ng s­ên gi÷a. - Mín n­íc thiÕt kÕ T : lµ ®é s©u ngËp n­íc cña th©n ph­¬ng tiÖn næi ®o t¹i mÆt ph¼ng s­ên gi÷a. - ChiÒu cao m¹n kh« F : kho¶ng c¸ch ®o tõ mín n­íc chë hµng ®Õn mÐp boong ph­¬ng tiÖn næi t¹i mÆt ph¼ng s­ên gi÷a. c) C¸c hÖ sè bÐo

247

C¸c hÖ sè bÐo ®­îc sö dông ®Ó gi¶i quyÕt c¸c bµi to¸n trong tÝnh to¸n thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi, gåm cã: - HÖ sè bÐo thÓ tÝch bC :

NTK§

b L.T.BV

C

ë ®©y V - thÓ tÝch chiÕm n­íc cña phÇn th©n ph­¬ng tiÖn næi ch×m trong n­íc.

H×nh 4. C¸c hÖ sè cña b¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng - HÖ sè bÐo cña mÆt c¾t ngang gi÷a ph­¬ng tiÖn næi mC :

T.B

Cm

ë ®©y - diÖn tÝch mÆt c¾t ngang ®­êng s­ên gi÷a th©n ph­¬ng tiÖn næi - HÖ sè bÐo diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc thiÕt kÕ wC :

NTK§

w L.B

SC

ë ®©y S - diÖn tÝch ®­êng n­íc thiÕt kÕ - HÖ sè bÐo däc pC :

m

b

NTK§p C

CL.

C

- HÖ sè bÐo theo chiÒu ®øng vpC :

w

bvp C

CS.T

VC

2) CÊu tróc vá ph­¬ng tiÖn næi Ph­¬ng tiÖn næi ho¹t ®éng trªn mÆt n­íc ph¶i chÞu nhiÒu lo¹i t¶i träng kh¸c nhau, nh­:

248

. ¸p lùc thuû tÜnh . ¸p lùc ®éng cña sãng . t¶i träng do uèn vµ xo¾n khi ph­¬ng tiÖn næi chuyÓn ®éng trªn sãng . t¶i träng va ®Ëp víi sãng (slamming) . t¶i träng rung ®éng cña ®éng c¬,... §Ó ®¶m b¶o cho ph­¬ng tiÖn næi lµm viÖc b×nh th­êng, kÕt cÊu th©n ph­¬ng tiÖn næi ph¶i ®ñ bÒn vµ æn ®Þnh. Th©n ph­¬ng tiÖn næi lµ kÕt cÊu vá máng ®­îc gia c­êng b»ng hÖ khung x­¬ng ®an xen nhau theo chiÒu däc vµ chiÒu ngang th©n ph­¬ng tiÖn næi. C¸c kÕt cÊu cña khung ngang ®­îc bè trÝ c¸ch ®Òu nhau theo mét kho¶ng c¸ch (nhá h¬n kho¶ng c¸ch s­ên lý thuyÕt) gäi lµ kho¶ng s­ên thùc. Dùa vµo h×nh thøc bè trÝ khung x­¬ng, ng­êi ta chia hÖ thèng kÕt cÊu th©n ph­¬ng tiÖn næi thµnh: a) HÖ thèng kÕt cÊu ngang : trong hÖ thèng nµy c¸c kÕt cÊu khung ngang bè trÝ theo chiÒu dµi ph­¬ng tiÖn næi t­¬ng ®èi nhiÒu, cßn c¸c kÕt cÊu ch¹y däc th©n ph­¬ng tiÖn næi bè trÝ theo chiÒu ngang t­¬ng ®èi th­a. HÖ thèng kÕt cÊu nµy ¸p dông chñ yÕu cho c¸c lo¹i ph­¬ng tiÖn næi kÝch th­íc nhá, th­êng cã chiÒu dµi <80 mÐt. b) HÖ thèng kÕt cÊu däc : trong hÖ thèng nµy kÕt cÊu khung ngang bè trÝ theo chiÒu däc t­¬ng ®èi th­a, c¸c kÕt cÊu ch¹y däc th©n ph­¬ng tiÖn næi bè trÝ theo chiÒu ngang t­¬ng ®èi dµy. HÖ thèng kÕt cÊu nµy th­êng ®­îc sö dông cho tµu cã kÝch th­íc lín, cã chiÒu dµi >80 mÐt. c) HÖ thèng kÕt cÊu hçn hîp : c¶ hai lo¹i hÖ thèng kÕt cÊu ®­îc sö dông, boong vµ ®¸y th­êng cã kÕt cÊu däc, cßn m¹n cã kÕt cÊu ngang. 3) §éng c¬ ph­¬ng tiÖn næi thuû Cã c¸c lo¹i ®éng c¬ kh¸c nhau sö dông cho ph­¬ng tiÖn næi thuû nh­ m¸y h¬i n­íc, ®éng c¬ ®iªzel, tuèc-bin h¬i n­íc, tuèc-bin khÝ, ®éng c¬ ®iÖn, ®éng c¬ nguyªn tö, ®éng c¬ ph¶n lùc. Nh­ng ®éng c¬ diezel ®­îc sö dông réng r·i h¬n c¶ cho ph­¬ng tiÖn næi d©n dông v× cã c¸c ­u ®iÓm sau: a) chi phÝ nhiªn liÖu (hay cßn gäi lµ suÊt tiªu hao nhiªn liÖu) Ýt, do vËy gi¶m ®­îc chi phÝ khai th¸c, t¨ng ®­îc tÇm ho¹t ®éng. b) träng l­îng m¸y kh«ng lín, kÝch th­íc nhá, do ®ã gi¶m ®­îc kÝch th­íc buång m¸y, t¨ng kÝch th­íc khoang chë hµng. 1.3. C¸c bµi to¸n c¬ b¶n trong thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi biÓn 1.3.1. Quy tr×nh thiÕt kÕ (hay c¸c b­íc thiÕt kÕ) ph­¬ng tiÖn næi C¸c yªu cÇu c¬ b¶n cña nhiÖm vô thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi: - C«ng dông vµ kiÓu ph­¬ng tiÖn - CÊp thiÕt kÕ - Vïng ho¹t ®éng

249

- Tèc ®é khai th¸c (hoÆc cho tr­íc c«ng suÊt ®éng c¬ chÝnh) - Giíi h¹n kÝch th­íc do ®iÒu kiÖn khai th¸c vµ mét sè ®iÒu kiÖn kh¸c,... Kh«ng phô thuéc vµo lo¹i ph­¬ng tiÖn næi, thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi lµ qu¸ tr×nh gÇn ®óng dÇn theo ®­êng xo¾n èc. C¨n cø vµo nhiÖm vô thiÕt kÕ ng­êi ta thùc hiÖn thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi theo c¸c giai ®o¹n sau: - ThiÕt kÕ tiÒn s¬ bé : trong giai ®o¹n nµy tiÕn hµnh ph©n tÝch ®èi chiÕu so s¸nh c¸c ph­¬ng ¸n kh¸c nhau víi môc ®Ých x¸c ®Þnh kh¶ n¨ng tho¶ m·n c¸c yªu cÇu c¬ b¶n cña nhiÖm vô thiÕt kÕ. - ThiÕt kÕ s¬ bé : ®­îc xem lµ giai ®o¹n quan träng h¬n c¶ trong qu¸ tr×nh thiÕt kÕ. ChÝnh trong giai ®o¹n nµy x¸c ®Þnh xong c¸c kÝnh th­íc chÝnh, c¸c ®Æc tr­ng chÝnh, chÝnh x¸c ho¸ chøc n¨ng vµ c¸c nhiÖm vô chÝnh cña ph­¬ng tiÖn næi. Trong giai ®o¹n nµy ng­êi ta x©y dùng b¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng, b¶n vÏ kiÕn tróc bè trÝ chung cña ph­¬ng tiÖn næi. - ThiÕt kÕ kü thuËt : giai ®o¹n nµy x©y dùng bé c¸c b¶n vÏ dïng ®Ó h­íng dÉn cho so¹n th¶o c¸c b¶n vÏ c«ng nghÖ; - ThiÕt kÕ c«ng nghÖ : giai ®o¹n x©y dùng c¸c b¶n vÏ c«ng nghÖ ®Ó chÕ t¹o ph­¬ng tiÖn næi. 1.3.2. Nh÷ng bµi to¸n trong thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi a) Bµi to¸n vÒ tÝnh n¨ng : gåm c¸c bµi to¸n c¬ b¶n sau ®©y - x¸c ®Þnh kÝch th­íc vµ h×nh d¸ng vá ph­¬ng tiÖn næi, bè trÝ hîp lý c¸c trang thiÕt bÞ sao cho ®¶m b¶o ®ñ träng t¶i thiÕt kÕ cña ph­¬ng tiÖn næi; - TÝnh to¸n æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi - TÝnh to¸n dao ®éng l¾c - TÝnh to¸n tÝnh ¨n l¸i, tÝnh quay vßng, v.v. b) Bµi to¸n vÒ kÕt cÊu Thùc hiÖn tÝnh to¸n, lùa chän vµ bè trÝ kÕt cÊu nh»m : - §¶m b¶o ®é bÒn chung (®é bÒn tæng thÓ) vµ ®é bÒn côc bé cña kÕt cÊu th©n ph­¬ng tiÖn næi - TÝnh to¸n chÊn ®éng vµ ån trªn ph­¬ng tiÖn næi, t×m biÖn ph¸p h¹n chÕ vµ kh¾c phôc ®é rung vµ tiÕng ån ®Õn møc cho phÐp. C¸c tÝnh to¸n trong thiÕt kÕ ph­¬ng tiÖn næi nh»m ®¶m b¶o c¸c mÆt sau: - TÝnh an toµn : kÝch th­íc chÝnh, kÕt cÊu cña ph­¬ng tiÖn næi ph¶i ®¶m b¶o cho ph­¬ng tiÖn næi ho¹t ®éng an toµn d­íi t¸c dông cña ngo¹i lùc, tøc lµ æn ®Þnh tæng thÓ cña ph­¬ng tiÖn ph¶i ®¶m b¶o, kÕt cÊu ®ñ bÒn, cã ®é æn ®Þnh vµ ®é cøng cÇn thiÕt ®Ó kÕt cÊu kh«ng bÞ ph¸ huû hoÆc bÞ biÕn d¹ng qu¸ møc cho phÐp. - TÝnh sö dông : viÖc lùa chän kÝch th­íc vµ bè trÝ kÕt cÊu ph¶i hîp lý, phï hîp víi chøc n¨ng sö dông vµ tiÖn lîi cho con ng­êi sèng vµ lµm viÖc trªn ph­¬ng tiÖn. - TÝnh hoµn chØnh : ph­¬ng tiÖn næi lµ mét c«ng tr×nh kü thuËt næi lµm viÖc ®éc lËp trªn mÆt n­íc, nªn viÖc thiÕt kÕ c¸c hÖ thèng còng nh­ kÕt cÊu trªn

250

ph­¬ng tiÖn ph¶i phï hîp víi kiÕn tróc tæng thÓ, t¹o nªn mét hÖ thèng hoµn chØnh, ®¶m b¶o cho ho¹t ®éng b×nh th­êng cña c¸c bé phËn trªn ph­¬ng tiÖn. - TÝnh c«ng nghÖ : ViÖc lùa chän hÖ thèng kÕt cÊu vµ c¸c bé phËn th©n ph­¬ng tiÖn næi ph¶i ®¶m b¶o thi c«ng dÔ dµng, ¸p dông ®­îc c«ng nghÖ tiªn tiÕn. - TÝnh kinh tÕ : thiÕt kÕ cña ph­¬ng tiÖn næi ph¶i cã mét gi¸ thµnh hîp lý nhÊt. 2. TÝnh lùc häc ph­¬ng tiÖn næi 2.1. TÝnh næi cña ph­¬ng tiÖn næi 1) Kh¸i niÖm c¬ b¶n - TÝnh næi lµ kh¶ n¨ng c©n b»ng trªn mÆt n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi cïng víi hµng ho¸ ë mét mín n­íc x¸c ®Þnh. - ThÓ tÝch chiÕm n­íc V: lµ thÓ tÝch phÇn ch×m trong n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi hay thÓ tÝch n­íc bÞ ph­¬ng tiÖn næi cho¸n chç. - L­îng chiÕm n­íc D: lµ träng l­îng cña khèi n­íc bÞ ph­¬ng tiÖn næi chiÕm chç. - T©m næi (hay cßn gäi lµ phï t©m) )z,y,x(C CCC : lµ träng t©m cña thÓ tÝch n­íc bÞ ph­¬ng tiÖn næi chiÕm chç. 2) Lùc t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi vµ ®iÒu kiÖn c©n b»ng cña ph­¬ng tiÖn næi trªn n­íc tÜnh C¸c lùc t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi n»m trªn n­íc tÜnh (h×nh 5) gåm cã: - Lùc träng l­îng b¶n th©n ph­¬ng tiÖn næi ®Æt t¹i träng t©m )z,y,x(G GGG cña ph­¬ng tiÖn næi t¸c dông theo ph­¬ng th¼ng ®øng h­íng tõ trªn xuèng d­íi; - Lùc tæng céng cña lùc thuû tÜnh do ¸p lùc n­íc t¸c dông lªn bÒ mÆt ­ít cña ph­¬ng tiÖn næi, ®­îc gäi lµ lùc ®Èy næi, ®Æt t¹i t©m næi )z,y,x(C CCC .

H×nh 5. C¸c lùc t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi trªn mÆt n­íc

Theo ®Þnh luËt Ascimed, lùc ®Èy næi cña n­íc h­íng th¼ng ®øng tõ d­íi lªn

251

b»ng träng l­îng D cña khèi chÊt láng bÞ vËt chiÕm chç, tøc lµ: D = .V ë ®©y : - träng l­îng riªng cña chÊt láng ; V - thÓ tÝch chiÕm n­íc .V - lùc ®Èy næi Tr­êng hîp tæng qu¸t, ph­¬ng tiÖn næi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng trªn n­íc tÜnh

khi vÐc t¬ chÝnh F vµ m« men vÐc t¬ chÝnh M cña tÊt c¶ c¸c lùc t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi b»ng kh«ng:

0F (1)

0M (2) §iÒu kiÖn c©n b»ng (1) vµ (2) ®­îc biÓu diÔn nh­ sau: VDP (3) vµ tg)zz()xx( CGGC (4) tg)zz()yy( CGGC (5) ë ®©y P - träng l­îng cña ph­¬ng tiÖn næi; - gãc nghiªng ngang; - gãc nghiªng däc. Träng l­îng vµ to¹ ®é träng t©m cña ph­¬ng tiÖn næi ®­îc x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc sau :

N

1iipP ;

N

1ii

N

1iii

G

p

xpx

N

1ii

N

1iii

G

p

ypy ;

N

1ii

N

1iii

G

p

zpz (6)

pi - träng l­îng thµnh phÇn thø i; N - sè l­îng träng l­îng thµnh phÇn. V× th©n cña ph­¬ng tiÖn næi th­êng ®­îc thiÕt kÕ ®èi xøng qua mÆt ph¼ng däc t©m, nªn ®Ó ph­¬ng tiÖn næi c©n b»ng trªn n­íc tÜnh mµ kh«ng cã nghiªng ngang vµ nghiªng däc th×:

0yy

xx

DV.P

CG

CG (7)

252

3) T­ thÕ cña ph­¬ng tiÖn næi trªn n­íc tÜnh Trong thùc tÕ kh«ng ph¶i lóc nµo ph­¬ng tiÖn næi còng ë tr¹ng th¸i c©n b»ng tho¶ m·n (7). VÞ trÝ, hay cßn gäi lµ t­ thÕ, cña ph­¬ng tiÖn næi so víi mÆt n­íc tÜnh cã thÓ lµ bÊt kú. Nã ®­îc ®Æc tr­ng bëi 3 th«ng sè: - Mín n­íc oT - chiÒu ch×m t¹i s­ên gi÷a th©n ph­¬ng tiÖn næi - Gãc nghiªng ngang (hay cßn gäi lµ gãc nghiªng) - Gãc nghiªng däc (hay cßn gäi lµ gãc chói)

§iÒu kiÖn c©n b»ng cña ph­¬ng tiÖn næi n»m trªn mÆt n­íc ë t­ thÕ bÊt kú ®­îc biÓu diÔn bëi c¸c ph­¬ng tr×nh (3) (5).

C¸c t­ thÕ c©n b»ng trªn mÆt n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi gåm cã : a) Ph­¬ng tiÖn næi kh«ng nghiªng vµ kh«ng chói :

0 ;0

GC

GC

o

yy

xx

TT

ë ®©y T - mín n­íc trung b×nh.

Khi ®ã mín n­íc ë phÝa mòi Tm vµ phÝa ®u«i Tl ph­¬ng tiÖn næi cã gi¸ trÞ b»ng mín n­íc ë s­ên gi÷a, tøc lµ: olm TTTT b) Ph­¬ng tiÖn næi bÞ nghiªng ngang, kh«ng bÞ chói:

oo TT 0; ; c) Ph­¬ng tiÖn næi bÞ chói, kh«ng bÞ nghiªng ngang:

253

; ;0 o T=(Tm + Tl)/2

ChiÒu ch×m t¹i ®­êng vu«ng gãc mòi vµ ®u«i ph­¬ng tiÖn næi cã thÓ viÕt d­íi d¹ng:

lol

mom

TTT

TTT (8)

Gi¶ thiÕt gãc chói lµ nhá, ®­êng sèng ®u«i thay ®æi theo chiÒu th¼ng ®øng, ta cã:

tg).x2

L(T

tg).x2

L(T

fl

fm (9)

trong ®ã: fx - lµ hoµnh ®é träng t©m diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc; Vµ chiÒu ch×m t¹i phÝa mòi vµ phÝa ®u«i ph­¬ng tiÖn næi ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc :

tg).x2

L(TT

tg).x2

L(TT

fl

fm (10)

c) Ph­¬ng tiÖn næi võa bÞ nghiªng võa bÞ chói:

254

; ; oo Mín n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi ®­îc x¸c ®Þnh cho phÇn mòi vµ phÇn l¸i, mín n­íc cho tõng phÝa m¹n. 4) X¸c ®Þnh thÓ tÝch chiÕm n­íc vµ to¹ ®é t©m næi cña ph­¬ng tiÖn næi ThÓ tÝch chiÕm n­íc vµ to¹ ®é t©m næi cña ph­¬ng tiÖn næi trong t­ thÕ kh«ng bÞ nghiªng vµ kh«ng bÞ chói (H×nh 6) ®­îc x¸c ®Þnh theo b¶n vÏ ®­êng h×nh d¸ng (H×nh 2). - ThÓ tÝch chiÕm n­íc cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng mét trong 2 c¸ch sau: + TÝnh to¸n thÓ tÝch chiÕm n­íc theo diÖn tÝch mÆt c¾t ngang ®­êng s­ên (H×nh 6-a): Vi ph©n thÓ tÝch: dz.dx).y,x(y.2dV . ThÓ tÝch chiÕm n­íc:

2

L

2

L

T

0

2

L

2

Ldx.dz.dx.y2V (11)

H×nh 6 - a, b, c.

- diÖn tÝch mÆt c¾t ngang ®­êng s­ên ngËp trong n­íc

T

0dz.y2 (12)

+ TÝnh to¸n thÓ tÝch chiÕm n­íc theo diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc:

255

T

0dz.SV (13)

ë ®©y S - diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc - To¹ ®é t©m næi:

V

Mx

yzC ; 0

V

My xz

C ; V

Mz

xyC ; (14)

trong ®ã Myz, Mxz, Mxy lµ c¸c m« men tÜnh thÓ tÝch ®èi víi c¸c mÆt ph¼ng yoz, xoz vµ xoy ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau :

2

L

2

L

T

0fyz dx.x.dz.x.SM (15)

0Mxz - v× ph­¬ng tiÖn næi ë t­ thÕ th¨ng b»ng ®øng, vµ mÆt ph¼ng xoz lµ mÆt ph¼ng ®èi xøng.

T

0xy dz.z.SM (16)

5) DiÖn tÝch ®­êng s­ên. Tû lÖ Bonjean Tû lÖ Bonjean lµ tËp hîp c¸c ®­êng cong diÖn tÝch s­ên (x) vµ/hoÆc m« men tÜnh diÖn tÝch s­ên (x).x vÏ t¹i c¸c s­ên lý thuyÕt (H×nh 7).

H×nh 7. Tû lÖ Bonjean

Tû lÖ Bonjean ®­îc sö dông ®Ó tÝnh to¸n nhanh vµ chÝnh x¸c thÓ tÝch chiÕm n­íc V vµ hoµnh ®é t©m næi khi ph­¬ng tiÖn næi bÞ nghiªng däc (bÞ chói). Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi bÞ nghiªng däc víi mín n­íc ë phÝa mòi lµ Tm vµ mín n­íc ë phÝa ®u«i lµ Tl. LÊy dÊu Tm vµ Tl vµ v¹ch ®­êng mín n­íc trªn tû lÖ Bonjean, t¹i giao ®iÓm cña ®­êng mín n­íc víi c¸c s­ên lý thuyÕt ®o ®­îc gi¸ trÞ diÖn tÝch phÇn mÆt c¾t ngang cña s­ên ch×m trong n­íc, sau ®ã sö dông c«ng thøc ®Ó tÝnh to¸n thÓ tÝch chiÕm n­íc.

256

6) Dù tr÷ tÝnh næi, dÊu hiÖu chë hµng Theo quan ®iÓm an toµn, ph­¬ng tiÖn næi khi ho¹t ®éng trªn mÆt n­íc ph¶i cã l­îng chiÕm n­íc dù tr÷ hay søc næi dù tr÷. Søc næi dù tr÷ lµ thÓ tÝch kÝn n­íc cña vá ph­¬ng tiÖn næi tÝnh tõ mín n­íc ®Çy t¶i trë lªn ®Õn boong chÝnh kÝn n­íc, vµ kÓ c¶ thÓ tÝch kÝn n­íc cña th­îng tÇng kiÕn tróc. Søc næi dù tr÷ cña ph­¬ng tiÖn næi ®­îc x¸c ®Þnh bëi m¹n kh« (F) cña ph­¬ng tiÖn næi (xem H×nh 3). §Ó x¸c ®Þnh ®­îc m¹n kh« trong qu¸ tr×nh khai th¸c, ë hai bªn m¹n t¹i vÞ trÝ gi÷a chiÒu dµi th©n ph­¬ng tiÖn næi ng­êi ta v¹ch c¸c ®­êng chØ ra vÞ trÝ cña boong ®Ó x¸c ®Þnh m¹n kh«, kÕ tiÕp ë phÝa d­íi lµ dÊu hiÖu chë hµng. Trªn h×nh 8 biÓu diÔn mét vÝ dô vÒ dÊu hiÖu chë hµng cña tµu thuû.

H×nh 8. DÊu hiÖu chë hµng

7) C¸c bµi to¸n tÝnh to¸n yÕu tè næi a) NhËn vµ bèc dì hµng nhá. §­êng cong sè tÊn trªn 1cm chiÒu ch×m Hµng cã träng l­îng kh«ng v­ît qu¸ )%1210( l­îng chiÕm n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi ®­îc coi lµ hµng nhá. Tr­êng hîp tæng qu¸t, viÖc nhËn vµ dì hµng nhá lµm thay ®æi: - C¸c yÕu tè næi cña ph­¬ng tiÖn næi (mín n­íc trung b×nh, l­îng chiÕm n­íc, vÞ trÝ t©m næi,...); - æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi. Trong phÇn nµy sÏ tr×nh bµy viÖc tÝnh to¸n c¸c yÕu tè næi khi nhËn vµ dì hµng nhá. a-1) Sù thay ®æi chiÒu ch×m cña ph­¬ng tiÖn næi khi nhËn vµ dì hµng Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi nhËn l­îng hµng cã khèi l­îng m, träng l­îng lµ p=m.g. Khi ®ã lùc ®Èy næi t¨ng thªm mét l­îng t­¬ng øng lµ gV.

257

Theo ®Þnh luËt Acsimed: mg=.g.V hoÆc m=.V V× lµ hµng nhá, nªn coi sù thay ®æi chiÒu ch×m lµ nhá vµ cã thÓ coi m¹n trong kho¶ng thay ®æi chiÒu ch×m cña ph­¬ng tiÖn næi lµ thµnh th¼ng ®øng. Khi ®ã thÓ tÝch phÇn th©n ph­¬ng tiÖn næi bÞ ch×m thªm sÏ lµ: V = S.T vµ m = .S.T

Nh­ vËy sù thay ®æi chiÒu ch×m lµ: S

mT

(17)

NÕu ®Æt T = 1cm = 0,01m, m = q, th× sè tÊn trªn 1cm chiÒu ch×m sÏ lµ:

100

S.S..01,0q

(18)

Sö dông c«ng thøc (18) dÔ dµng x¸c ®Þnh sù thay ®æi chiÒu ch×m khi nhËn hµng nhá cã khèi l­îng 1m :

q

mT 1

a-2) Sù thay ®æi träng t©m vµ t©m næi khi nhËn vµ dì hµng Khi nhËn hµng (hoÆc dì hµng), ngoµi sù thay ®æi chiÒu ch×m cßn cã sù thay ®æi träng t©m vµ t©m næi. Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi nhËn hµng cã khèi l­îng m t¹i ®iÓm cã to¹ ®é )z,y,x( ppp . §Æt ký hiÖu sù thay ®æi to¹ ®é träng t©m vµ t©m næi

t­¬ng øng lµ )z,y,x( GGG vµ )z,y,x( CCC . * XÐt sù thay ®æi vÞ trÝ träng t©m ViÕt ph­¬ng tr×nh m« men tÜnh khèi l­îng ®èi víi c¸c mÆt ph¼ng to¹ ®é yoz, xoz, xoy:

pGGG

pG

pGGG

z.mz.M)mM)(zz(

y.m)mM.(y

x.mx.M)mM)(xx(

(19)

trong ®ã: M - khèi l­îng cña ph­¬ng tiÖn næi )z,y,x( GGG - träng t©m cña ph­¬ng tiÖn næi tr­íc khi nhËn hµng. Tõ c¸c ph­¬ng tr×nh trªn nhËn ®­îc c¸c ph­¬ng tr×nh x¸c ®Þnh GGG z,y,x :

)xx(mM

mx GpG

(20)

258

pG ymM

my

(21)

)zz(mM

mz GpG

(22)

DÔ dµng nhËn thÊy r»ng, nÕu nhËn hµng vµo ®óng träng t©m cña ph­¬ng tiÖn næi ( Gp xx vµ Gp zz ) th× sÏ kh«ng cã sù thay ®æi träng t©m.

* XÐt sù thay ®æi vÞ trÝ t©m næi ViÕt ph­¬ng tr×nh m« men tÜnh thÓ tÝch ®èi víi c¸c mÆt ph¼ng to¹ ®é yoz, xoz, xoy:

vCCC

vC

vCCC

z.Vz.V)VV)(zz(

y.V)VV.(y

x.Vx.M)VV)(xx(

(23)

trong ®ã: V - thÓ tÝch chiÕm n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi khi ch­a nhËn hµng )z,y,x( vvv - träng t©m cña khèi n­íc bæ sung V sau khi nhËn hµng.

V× hµng lµ nhá, nªn cã thÓ coi fv xx , 2

TTzv

vµ 0yv . Do vËy:

)x2

TT(

VV

Vz

0y

)xx(VV

Vx

CC

C

CfC

(24)

Nh©n c¶ tö sè vµ mÉu sè biÓu thøc (24) víi ta nhËn ®­îc:

)x2

TT(

mM

mz

0y

)xx(mM

mx

CC

C

CfC

(25)

§Ó ph­¬ng tiÖn næi kh«ng bÞ nghiªng vµ bÞ chói khi nhËn hµng ta cã ®iÒu kiÖn sau: CG xx CG yy Tõ (20) vµ (25) ta cã: CfGp xxxx

0yp

Tõ ®iÒu kiÖn c©n b»ng (7) CG xx , vËy :

259

fp xx (26)

0yp

Tõ biÓu thøc (26) cã thÓ thÊy r»ng, ®Ó khi nhËn hoÆc dì hµng mµ ph­¬ng tiÖn næi kh«ng bÞ nghiªng hoÆc bÞ chói ®iÒu kiÖn cÇn thiÕt lµ träng t©m cña hµng vµ träng t©m cña mÆt ®­êng n­íc ph¶i cïng n»m trªn ®­êng th¼ng ®øng. b) Sù thay ®æi chiÒu ch×m (mín n­íc) vµ t©m næi cña ph­¬ng tiÖn næi khi thay ®æi vïng b¬i b-1) Sù thay ®æi chiÒu ch×m Víi cïng mét l­îng chiÕm n­íc D ph­¬ng tiÖn næi sÏ cã c¸c mín n­íc kh¸c nhau khi b¬i trªn biÓn vµ trong vïng n­íc ngät. Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi ®i tõ vïng 1 sang vïng 2. T¹i vïng b¬i 1 n­íc cã träng l­îng riªng lµ 1 . VËy thÓ tÝch chiÕm n­íc cña

ph­¬ng tiÖn næi ë vïng b¬i 1 lµ 1

1D

V

.

T¹i vïng b¬i 2 n­íc cã träng l­îng riªng lµ 2 . VËy thÓ tÝch chiÕm n­íc cña

ph­¬ng tiÖn næi ë vïng b¬i 1 lµ 2

2D

V

.

XÐt tr­êng hîp c«ng tr×nh næi di chuyÓn tõ vïng b¬i 1 ®Õn vïng b¬i 2. Khi thay ®æi vïng b¬i th× lùc ®Èy næi t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi thay ®æi do träng l­îng riªng cña n­íc thay ®æi, nh­ng träng l­îng cña ph­¬ng tiÖn næi kh«ng thay ®æi. Do ®ã: 2211 V.V.D Gi¶ sö m¹n cña c«ng tr×nh næi lµ th¼ng, khi ®ã thÓ tÝch chiÕm n­íc thay ®æi mét l­îng lµ: T.SVVV 12

Suy ra S

D)

11(

S

VVT

12

12

. (27)

Gi¶ sö n­íc ngät vµ n­íc biÓn cã träng l­îng riªng t­¬ng øng lµ 3T/m 0,1 vµ 3T/m 025,1 , sö dông sè tÊn trªn 1cm chiÒu ch×m S01,0q th×:

)11

(q

D01025,0T

12

DÊu cña T cho biÕt chiÒu ch×m t¨ng hoÆc gi¶m. * Tr­êng hîp ph­¬ng tiÖn næi ®i tõ vïng biÓn cã 3

1 T/m 025,1 vµo vïng

260

n­íc ngät cã 32 T/m 0,1 chiÒu ch×m cña ph­¬ng tiÖn næi thay ®æi mét l­îng lµ:

q

D00025,0)

025,1

1

0,1

1(

q

D01025,0T

* Tr­êng hîp ng­îc l¹i, ph­¬ng tiÖn næi ®i tõ vïng n­íc ngät ra biÓn, ta cã:

qD

00025,0 )0,1

1025,11

(qD

01025,0T

Tõ 2 vÝ dô nµy ta thÊy khi thay ®æi vïng b¬i, nÕu träng l­îng riªng cña n­íc t¨ng lªn th× mín n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi gi¶m ®i. b-2) Sù thay ®æi to¹ ®é t©m næi XÐt sù thay ®æi to¹ ®é t©m næi khi thay ®æi vïng b¬i. Gi¶ sö VVV 12 , ta cã: )VV(gVgVg 122211 Sù thay ®æi l­îng chiÕm n­íc lµ nhá nªn cã T.SV , suy ra:

12

21 VV

vµ S

V)1(

S

V

S

VT 1

2

11

2

21

Tõ c«ng thøc T.B.L.CV b1 vµ B.L.CS w , nhËn ®­îc:

T)1(C

CT

2

1

w

b

§èi víi ph­¬ng tiÖn næi truyÒn thèng th× %5,2T

T

, tøc lµ sù thay ®æi chiÒu

ch×m nhá, cã thÓ bá qua ®¹i l­îng 2

T, tõ c«ng thøc (24) nhËn ®­îc c¸c c«ng thøc

gÇn ®óng ®Ó x¸c ®Þnh sù thay ®æi to¹ ®é t©m næi cña ph­¬ng tiÖn næi khi thay ®æi vïng b¬i nh­ sau:

)xx()1()xx(VV

Vx Cf

1

2CfC

(28)

)zT()1()zT(VV

Vz C

1

2CC

(29)

2.2. TÝnh æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi

1) C¸c vÊn ®Ò chung

a) §Þnh nghÜa TÝnh æn ®Þnh lµ kh¶ n¨ng cña ph­¬ng tiÖn næi chèng l¹i t¸c ®éng cña ngo¹i lùc lµm cho nã nghiªng khái vÞ trÝ c©n b»ng vµ tù quay trë l¹i vÞ trÝ c©n b»ng sau khi

261

ngo¹i lùc ngõng t¸c dông.

Trªn h×nh vÏ kpM lµ m« men lµm cho ph­¬ng tiÖn næi nghiªng khái vÞ trÝ c©n

b»ng ban ®Çu ë ®­êng mín n­íc ВЛ ®Õn vÞ trÝ míi cã ®­êng mín n­íc В1Л1; M - m« men phôc håi xuÊt hiÖn do sù nghiªng cña ph­¬ng tiÖn næi vµ cã xu h­íng quay ph­¬ng tiÖn næi vÒ vÞ trÝ ban ®Çu khi kpM ngõng t¸c dông.

b) Ph©n lo¹i æn ®Þnh * Dùa vµo tÝnh chÊt t¸c ®éng cña ngo¹i lùc: - æn ®Þnh tÜnh: lµ kh¶ n¨ng cña ph­¬ng tiÖn næi chèng l¹i t¸c dông g©y nghiªng cña ngo¹i lùc tÜnh. - æn ®Þnh ®éng: lµ kh¶ n¨ng cña ph­¬ng tiÖn næi chèng l¹i t¸c dông g©y nghiªng cña ngo¹i lùc ®éng. * Dùa vµo h­íng t¸c dông cña ngo¹i lùc: - æn ®Þnh ngang: lµ æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi khi ngo¹i lùc lµm cho ph­¬ng tiÖn næi nghiªng ngang quanh trôc däc ox; - æn ®Þnh däc: lµ æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi khi ngo¹i lùc lµm cho ph­¬ng tiÖn næi nghiªng däc quanh trôc ngang oy. * Dùa vµo møc ®é nghiªng: - æn ®Þnh ban ®Çu hay æn ®Þnh gãc nhá: lµ æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi

khi gãc nghiªng ngang hoÆc nghiªng däc o15 . - æn ®Þnh gãc lín: lµ æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi khi gãc nghiªng

ngang hoÆc nghiªng däc o15 . c) C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n + Nghiªng t­¬ng ®­¬ng : Trong nghiªn cøu tÝnh æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi ng­êi ta xem xÐt sù (hay

262

cßn gäi lµ nghiªng ®¼ng tÝch) nghiªng ®¼ng tÝch cña ph­¬ng tiÖn næi, tøc lµ khi ph­¬ng tiÖn næi næi bÞ nghiªng gi¶ thiÕt r»ng l­îng chiÕm n­íc cña nã kh«ng thay ®æi, mµ chØ thay ®æi h×nh d¹ng cña phÇn th©n ph­¬ng tiÖn næi n»m trong n­íc (h×nh 9), tøc lµ 21 VV (t­¬ng tù nh­ vËy ®èi víi tr­êng hîp nghiªng).

H×nh 9.

+ MÆt ph¼ng nghiªng Lý thuyÕt vÒ tÝnh æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi nghiªn cøu t¸c ®éng cña m« men ngo¹i lùc t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi trong mÆt ph¼ng ®øng. MÆt ph¼ng ®øng trong ®ã x¶y ra sù nghiªng cña ph­¬ng tiÖn næi ®­îc gäi lµ mÆt ph¼ng nghiªng. + Trôc nghiªng §­êng th¼ng giao ®iÓm cña 2 ®­êng mÆt n­íc gäi lµ trôc nghiªng. Trôc nghiªng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng nghiªng. + Quü ®¹o t©m næi: khi ph­¬ng tiÖn næi nghiªng, coi r»ng c¸c thµnh phÇn träng l­îng trªn ph­¬ng tiÖn næi kh«ng bÞ xª dÞch, tøc lµ ®iÓm ®Æt cña träng lùc hay träng t©m cña ph­¬ng tiÖn næi kh«ng thay ®æi, cßn t©m næi dÞch chuyÓn vÒ phÝa ph­¬ng tiÖn næi nghiªng theo mét ®­êng cong kh«ng gian gäi lµ quü ®¹o t©m næi. + §­êng cong t©m næi: lµ h×nh chiÕu cña quü ®¹o t©m næi lªn mÆt ph¼ng nghiªng. Trong tr­êng hîp chung th× ®­êng cong t©m næi lµ ®­êng cong biÕn ®æi. §­êng cong t©m næi cã ®Æc ®iÓm lµ tiÕp tuyÕn t¹i ®iÓm bÊt kú cña ®­êng cong t©m næi song song víi ®­êng mÆt n­íc t­¬ng øng. Tøc lµ lùc ®Èy næi lu«n lu«n lµ ph¸p tuyÕn cña ®­êng cong t©m næi. Khi xÐt æn ®Þnh ban ®Çu víi gãc nghiªng nhá cã thÓ coi ®­êng cong t©m næi lµ cung trßn. + T©m nghiªng cña ®­êng cong t©m næi: Giao ®iÓm cña c¸c ®­êng th¼ng chØ ph­¬ng t¸c dông cña lùc ®Èy næi khi ptn ë vÞ trÝ c©n b»ng th¼ng vµ ë c¸c vÞ trÝ nghiªng gäi lµ t©m nghiªng cña ®­êng cong t©m næi (gäi t¾t lµ t©m nghiªng).

263

Quü ®¹o cña t©m nghiªng trong mÆt ph¼ng nghiªng lµ ®­êng cong t©m nghiªng. B¸n kÝnh cña ®­êng cong t©m næi: lµ kho¶ng c¸ch tõ t©m nghiªng ®Õn t©m næi. T­¬ng øng víi nghiªng ngang vµ nghiªng däc cña ph­¬ng tiÖn næi cã b¸n kÝnh nghiªng ngang vµ b¸n kÝnh nghiªng däc (ký hiÖu r vµ R trªn h×nh 10). Khi gãc nghiªng nhá, vÞ trÝ t©m nghiªng vµ b¸n kÝnh cña ®­êng cong t©m næi lµ kh«ng thay ®æi, ®­êng cong t©m nghiªng lµ mét cung trßn. 2) M« men phôc håi. C¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh. §iÒu kiÖn æn ®Þnh. Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi ®ang n»m c©n b»ng trªn n­íc tÜnh chÞu t¸c dông cña m« men g©y nghiªng ngang vµ nghiªng ®i mét gãc , t©m næi dÞch chuyÓn tõ ®iÓm

C ®Õn C . ë t­ thÕ nghiªng, ph­¬ng tiÖn næi chÞu t¸c dông cña lùc ®Èy næi V vµ

träng lùc P. Hai lùc nµy t¹o thµnh ngÉu lùc cã xu h­íng quay ph­¬ng tiÖn næi vÒ vÞ trÝ mÆt ®­êng n­íc c©n b»ng (h×nh 10).

H×nh 10. X¸c ®Þnh c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh vµ chiÒu cao æn ®Þnh ban ®Çu. a) Nghiªng däc; b) Nghiªng ngang M« men cña cÆp lùc V vµ P gäi lµ m« men phôc håi ®­îc x¸c ®Þnh theo

264

c«ng thøc sau (h×nh 10)

Vll.PGK.PMb

ë ®©y l - gäi lµ c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh. Tuú thuéc vµo vÞ trÝ gi÷a träng t©m G vµ t©m næi C, m« men phôc håi bM cã

thÓ cã gi¸ trÞ d­¬ng (h×nh 11,a), b»ng kh«ng (h×nh 11,b) hoÆc ©m.

H×nh 11. M« men phôc håi nghiªng ngang a) 0M b ; b) 0M b ; c) 0M b

Nh­ vËy xÐt theo bM vµ l cã c¸c ®iÒu kiÖn æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi nh­

sau: - Khi l > 0, 0M b : ph­¬ng tiÖn næi æn ®Þnh.

- Khi l < 0, 0M b : ph­¬ng tiÖn næi kh«ng æn ®Þnh

- Khi l = 0 , 0M b : ph­¬ng tiÖn næi ë tr¹ng th¸i phiÕm ®Þnh.

Tõ c«ng thøc thÊy r»ng ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®­îc c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh l. Néi dung nµy sÏ tr×nh bµy trong c¸c phÇn sau. 3) C«ng thøc æn ®Þnh ban ®Çu. X¸c ®Þnh c¸c b¸n kÝnh nghiªng. Tõ h×nh 10,a cã c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh: sin.hl 0

M« men phôc håi ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: DlsinDhM 0b (30)

C«ng thøc (30) gäi lµ c«ng thøc æn ®Þnh ngang ban ®Çu. T­¬ng tù ta nhËn ®­îc c«ng thøc æn ®Þnh däc ban ®Çu (h×nh 10,b)

265

sinDHM 0b (31)

Khi nhá (<15o) th× 0b DhM vµ 0b DHM (32)

TrÞ sè Dh0 vµ DH0 ®­îc gäi lµ hÖ sè æn ®Þnh ngang vµ hÖ sè æn ®Þnh däc. C¸c c«ng thøc (30) vµ (31) cho thÊy chiÒu cao æn ®Þnh h0 vµ H0 còng lµ c¸c chØ tiªu æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi. C¸c ®iÒu kiÖn æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi theo h vµ H ®­îc nªu trong b¶ng d­íi ®©y.

Tr¹ng th¸i §iÒu kiÖn æn ®Þnh ngang §iÒu kiÖn æn ®Þnh däc

æn ®Þnh 0Mb , 0l , 0h0 0H0

Kh«ng æn ®Þnh 0Mb , 0l , 0h 0 0H0

PhiÕm ®Þnh 0Mb , 0l , 0h0 0H0

TrÞ sè chiÒu cao æn ®Þnh ban ®Çu h0 cña mét sè lo¹i ph­¬ng tiÖn næi ®­îc cho trong b¶ng

Lo¹i tµu h0 (m) Tµu kh¸ch 0,5-1,5 Tµu chë hµng kh« 0,4-1,0 Tµu chë gç 0,1-0,3 Tµu kÐo 0,5-0,8 Tµu chë dÇu 0,7-4,0

Tõ h×nh 10 cã c¸c c«ng thøc tÝnh to¸n chiÒu cao æn ®Þnh sau: azzzrh mGC00

azzzRH MGC00

trong ®ã mz vµ Mz - lµ kho¶ng c¸ch tõ t©m nghiªng ngang vµ t©m nghiªng däc ®Õn

mÆt ph¼ng c¬ b¶n. a - kho¶ng c¸ch tõ träng t©m ph­¬ng tiÖn næi ®Õn t©m næi. r0 , R0 - lµ b¸n kÝnh nghiªng ngang vµ b¸n kÝnh nghiªng däc. ChiÒu cao 0h vµ 0H phô thuéc vµo h×nh d¸ng, tû sè kÝch th­íc chÝnh cña

ph­¬ng tiÖn næi, t×nh tr¹ng t¶i träng, sù cã mÆt cña hµng láng hoÆc hµng cã thÓ dÞch chuyÓn khi nghiªng. Nh­ vËy ®Ó x¸c ®Þnh h0 vµ H0 cÇn biÕt r, R, Cz , Gz . Ph­¬ng ph¸p x¸c ®Þnh

Cz vµ Gz ®· tr×nh bµy phÇn tÝnh næi.

Dùa vµo nguyªn lý nghiªng t­¬ng ®­¬ng ng­êi ta x©y dùng ®­îc c¸c c«ng

266

thøc x¸c ®Þnh b¸n kÝnh nghiªng ngang vµ b¸n kÝnh nghiªng däc nh­ sau:

- B¸n kÝnh nghiªng ngang: V

Ir x0

- B¸n kÝnh nghiªng däc: V

IR f

0

trong ®ã: V - thÓ tÝch chiÕm n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi (m3); xI - m« men qu¸n tÝch

diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc ®èi víi trôc däc ox cña ph­¬ng tiÖn næi. fI - m« men

qu¸n tÝch diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc ®èi víi trôc ngang ®i qua träng t©m diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc S vµ song song víi trôc ngang oy cña ph­¬ng tiÖn næi.

S.xII 2fyf

ë ®©y yI - m« men qu¸n tÝnh diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc ®èi víi trôc ngang oy;

fx - hoµnh ®é träng t©m diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc.

Tãm l¹i, c¸c tr¹ng th¸i æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi ®­îc tãm t¾t trong b¶ng sau.

Tr¹ng th¸i Theo ph­¬ng ngang Theo ph­¬ng däc æn ®Þnh Gm0b zz ,0 h,0M

0 GM0b zz ,0H ,0M

kh«ng æn ®Þnh Gm0b zz ,0 h,0M0 GM0b zz ,0H ,0M

PhiÕm ®Þnh Gm0b zz ,0 h,0M0 GM0b zz ,0H ,0M

4) M« men nghiªng ngang trªn o1 . M« men nghiªng däc trªn 1cm chiÒu ch×m

4.a) M« men nghiªng ngang trªn o1

Trong c«ng thøc (32) nÕu ®Æt rad3,57

11o , m« men phôc håi sÏ lµ :

00

0 M3,57

DhDh

trong ®ã: M0 - ®­îc gäi lµ m« men nghiªng ngang trªn o1 Khi ph­¬ng tiÖn næi chÞu t¸c ®éng cña m« men g©y nghiªng ngang M, nÕu

biÕt M0 cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc gãc nghiªng nh­ sau:

0M

M

4.b) M« men nghiªng däc trªn 1cm chiÒu ch×m

267

M« men g©y nghiªng däc (hay m« men chói) oDHM . V× lµ nhá nªn:

LL

TTtg lm

trong ®ã: - ®é chói. Quy ­íc, > 0 khi ph­¬ng tiÖn næi bÞ chói mòi, tøc lµ

lm TT (H×nh 12).

H×nh 12.

VËy: L

DHM 0

.

§Æt m100

1cm1 , cã: 0

0 ML100

DHM - lµ m« men chói trªn 1cm chiÒu

ch×m.

§é chói cña ph­¬ng tiÖn næi khi chÞu t¸c ®éng cña m« men g©y chói 'M sÏ

lµ: 0

''

M

M

5) §å thÞ æn ®Þnh tÜnh Khi gãc nghiªng ngang nhá th× quan hÖ gi÷a m« men phôc håi vµ gãc nghiªng lµ tuyÕn tÝnh. Khi gãc nghiªng ngang v­ît qu¸ 100, 200, hoÆc h¬n th× quan hÖ tuyÕn tÝnh nµy bÞ ph¸ vì. Khi ®ã cÇn xem xÐt æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi ë gãc nghiªng lín. BiÓu thøc tÝnh to¸n m« men æn ®Þnh vµ c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh ë gãc nghiªng lín cã thÓ nhËn ®­îc khi xem xÐt h×nh 13.

268

H×nh 13.

§Æt vµo t©m næi cña ph­¬ng tiÖn næi ë vÞ trÝ c©n b»ng ban ®Çu cÆp lùc ®èi nhau D vµ V . Khi ®ã ta cã:

gb MMM

trong ®ã: l.V.M - m« men t¹o bëi ngÉu lùc V , ®­îc gäi lµ m« men æn ®Þnh h×nh

d¸ng; RCl 0 - c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh h×nh d¸ng.

gg l.DM - m« men æn ®Þnh träng l­îng; QCl 0g - c¸nh tay æn ®Þnh träng

l­îng. To¹ ®é t©m næi sau khi tµu nghiªng ®i mét gãc lµ )z,y( CC

.

Ta cã:

sin).zz(cos.yl CCC

sin.alg

CG zza

glll - c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh (ngang) tÜnh.

æn ®Þnh tÜnh cña ph­¬ng tiÖn næi ë gãc nghiªng lín ®­îc ®Æc tr­ng bëi ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh.

269

H×nh 14. §å thÞ æn ®Þnh tÜnh

§å thÞ æn ®Þnh tÜnh lµ ®­êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh )(l (h×nh 14) hoÆc m« men phôc

håi )(Mb vµo gãc nghiªng (h×nh 16).

Trªn ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh ®iÓm cùc ®¹i cña ®å thÞ cho ta c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh

maxl , vµ gãc t¹i ®ã ®å thÞ )(l c¾t trôc hoµnh gäi lµ gãc ®æ (ph­¬ng tiÖn næi bÞ ®æ

nhµo). §­êng cong ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh ®­îc x©y dùng theo c¸c b­íc sau : - Cho ph­¬ng tiÖn næi nghiªng dÇn víi b­íc gãc nghiªng oo 105

- ë mçi gãc nghiªng x¸c ®Þnh vÞ trÝ mÆt ®­êng n­íc ®¼ng tÝch, m« men qu¸n

tÝnh diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc, b¸n kÝnh nghiªng tøc thêi

V

Ir x

- Sö dông r ®Ó x¸c ®Þnh täa ®é t©m næi:

0

C dcosry

0

CC dsinrzz0

sin)zz(sin)zz(cosyl000 CGCCC (33)

trong ®ã 0C vµ 0G - täa ®é t©m næi vµ träng t©m

ph­¬ng tiÖn næi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ban ®Çu.

§Ó x¸c lËp mèi quan hÖ gi÷a æn ®Þnh ë gãc nghiªng lín vµ æn ®Þnh ban ®Çu ta thùc hiÖn ®¹o hµm biÓu thøc (33) theo gãc nghiªng :

coszsind

dzsinycos

d

dy

d

dlC

CC

C

270

sin)zz(cosz000 CGC

Suy ra : sinacos)zz(sinyr

d

dl0CCC (34)

víi 00 CG zza .

a) øng dông ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh ®Ó x¸c ®Þnh chiÒu cao æn ®Þnh ban ®Çu cña ph­¬ng tiÖn næi

ë vÞ trÝ th¨ng b»ng trªn n­íc tÜnh ph­¬ng tiÖn næi cã ;0 ;zz 0CC

0y C vµ tõ c«ng thøc ta cã :

0GC000

hzzrard

dl00

d.hdl 0 (34-a)

Trªn ®å thÞ )(ll tõ gèc täa ®é 0 kÎ ®­êng tiÕp tuyÕn víi ®­êng cong

)(l . Trªn trôc hoµnh ®Æt mét gãc rad 1 vµ v¹ch ®­êng th¼ng ®øng. §iÓm giao

nhau gi÷a hai ®­êng th¼ng trªn cho gi¸ trÞ cña chiÒu cao æn ®Þnh ban ®Çu h0 (H×nh 14).

b) øng dông ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh ®Ó x¸c ®Þnh gãc nghiªng ngang tÜnh. §iÒu kiÖn c©n b»ng x¶y ra khi m« men g©y nghiªng ngang ngM b»ng m«

men phôc håi bM , tøc lµ:

bng MM .

MÆt kh¸c, c¸nh tay ®ßn cña m« men g©y nghiªng ngang lµ:

H×nh 15.

D

Ml

ngng , víi D lµ l­îng chiÕm n­íc cña ph­¬ng tiÖn næi. VËy ®iÒu kiÖn

c©n b»ng lµ: llng

XÐt tr­êng hîp m« men g©y nghiªng constMng . Trªn ®å thÞ )(ll (h×nh

15) v¹ch ®­êng n»m ngang constlng c¾t ®­êng )(ll ë 2 ®iÓm A vµ B t­¬ng

øng víi c¸c gãc nghiªng ngang tÜnh lµ A vµ B . Khi ph­¬ng tiÖn næi nghiªng ®Õn

c¸c gãc nghiªng A1 th× bng MM , m« men ngM lµm cho ph­¬ng tiÖn næi tiÕp

tôc nghiªng ®Õn vÞ trÝ t­¬ng øng víi ®iÓm A. Khi ph­¬ng tiÖn næi nghiªng ®Õn c¸c

271

gãc A2 th× bng MM , m« men bM lµm cho ph­¬ng tiÖn næi nghiªng trë l¹i

vÞ trÝ t­¬ng øng víi ®iÓm A. Nh­ vËy ®iÓm A x¸c ®Þnh vÞ trÝ c©n b»ng æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi. §iÒu ng­îc l¹i x¶y ra khi ph­¬ng tiÖn næi nghiªng xung quanh vÞ trÝ t­¬ng øng víi ®iÓm B. §iÓm B lµ vÞ trÝ c©n b»ng kh«ng æn ®Þnh. Gi¸ trÞ m« men nghiªng tíi h¹n cho phÐp ®­îc x¸c ®Þnh tõ ®å thÞ theo c«ng thøc sau : maxmaxng l.DM

6) §å thÞ æn ®Þnh ®éng Trong thùc tÕ khai th¸c ph­¬ng tiÖn næi cã thÓ bÞ m« men nghiªng t¸c dông ®ét ngét, ch¼ng h¹n nh­ giã giËt, lµm cho nã chuyÓn ®éng cã gia tèc. Khi ®ã cÇn ph¶i xÐt ®Õn æn ®Þnh ®éng cña ph­¬ng tiÖn næi.

æn ®Þnh ®éng cña ph­¬ng tiÖn næi lµ kh¶ n¨ng ph­¬ng tiÖn næi chÞu ®­îc t¸c dông ®éng cña m« men nghiªng. Gãc nghiªng ngang lín nhÊt khi cã t¸c ®éng ®ét ngét cña m« men nghiªng ngang gäi lµ gãc nghiªng ®éng ngang, ký hiÖu lµ d .

Gãc d ®­îc x¸c ®Þnh tõ ®iÒu kiÖn c«ng cña m« men nghiªng b»ng c«ng cña

m« men phôc håi: AAng (35)

trong ®ã: C«ng cña m« men nghiªng

0

ngng d).(MA

C«ng cña m« men phôc håi

0

b d).(MA

Tõ hai c«ng thøc trªn thÊy r»ng ngA vµ A tû lÖ víi diÖn tÝch giíi h¹n bëi

c¸c ®­êng cong )(Mng vµ )(Mb . Do vËy cã thÓ sö dông ph­¬ng ph¸p ®å thÞ ®Ó

xem xÐt ®iÒu kiÖn (35). Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi chÞu t¸c dông cña m« men const)(Mng . Trªn ®å thÞ )(Mb (h×nh 16) v¹ch ®­êng th¼ng n»m ngang cã

tung ®é ngM .

Tõ h×nh vÏ ta cã: OEAFGng SA ; FGOABSA

Tõ ®iÒu kiÖn AAng suy ra FABOEA SS . §iÓm G t­¬ng øng víi gãc d .

Gãc A lµ gãc nghiªng ngang tÜnh.

272

H×nh 16. X¸c ®Þnh gãc nghiªng ngang tÜnh vµ gãc nghiªng ngang ®éng b»ng ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh

* C¸nh tay ®ßn æn ®Þnh ®éng C«ng cña m« men phôc håi A ®Æc tr­ng cho æn ®Þnh ®éng cña ph­¬ng tiÖn

næi:

00

b dlDdMA

C¸nh tay ®ßn æn ®Þnh ®éng b»ng tû sè gi÷a c«ng cña m« men phôc håi vµ l­îng chiÕm n­íc:

0

dlD

Ad (36)

BiÓu thøc (36) cho thÊy ®­êng biÓu diÔn c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh ®éng

d phô thuéc vµo gãc nghiªng cã thÓ

x©y dùng tõ ®­êng cong c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh tÜnh )(l b»ng phÐp tÝch ph©n

theo gãc nghiªng (h×nh 17).

H×nh 17. §å thÞ æn ®Þnh ®éng ViÖc x¸c ®Þnh gãc nghiªng ngang ®éng b»ng ®å thÞ æn ®Þnh tÜnh nªu ë trªn chØ lµ gÇn ®óng. §Ó chÝnh x¸c h¬n, cÇn sö dông ®å thÞ æn ®Þnh ®éng. Gi¶ sö m« men nghiªng cã gi¸ trÞ kh«ng thay ®æi. C«ng cña m« men nghiªng lµ ngng MA . Do ®ã, c¸nh tay ®ßn cña m« men nghiªng lµ:

273

.lD

.M

D

Ad ng

ngngng (*)

ë ®©y ngd ®­îc gäi lµ c«ng dÉn suÊt cña m« men nghiªng.

BiÓu thøc (*) cho thÊy khi 0 th× 0dng , cßn khi rad1

th× ngng ld . §Ó x¸c ®Þnh gãc

nghiªng ®éng ngang, trªn trôc hoµnh cña ®å thÞ æn ®Þnh ®éng t¹i gãc

o3,57rad1 v¹ch ®­êng th¼ng

®øng vµ ®Æt 1 ®o¹n ng1 lAA .

H×nh 18. Sö dông ®å thÞ æn ®Þnh ®éng

Nèi ®iÓm O víi ®iÓm A ®­îc ®­êng th¼ng biÓu diÔn c¸nh tay ®ßn æn ®Þnh ®éng )(fdng khi constMng . Giao ®iÓm cña ®­êng OA víi ®­êng )(fd

t¹i ®iÓm B t­¬ng øng víi gãc nghiªng ®éng ngang d .

VÞ trÝ giíi h¹n cña ®­êng th¼ng )(fdng lµ ®­êng maxngd tiÕp tuyÕn víi

)(dng x¸c ®Þnh gi¸ trÞ m« men nghiªng lµm cho ph­¬ng tiÖn næi bÞ lËt hay cßn gäi

lµ m« men lËt tèi thiÓu minlM .

maxminl l.DM

ë ®©y maxl - tung ®é cña ®­êng th¼ng maxngd t¹i gãc nghiªng ngang b»ng 1 rad.

§iÓm tiÕp tuyÕn cña ®­êng th¼ng maxngd víi ®­êng cong )(d x¸c ®Þnh gãc

nghiªng ngang lín nhÊt, hay gãc lËt 0 , khi ph­¬ng tiÖn næi chÞu t¸c dông cña m«

men lËt tèi thiÓu minlM .

§èi víi ph­¬ng tiÖn næi gãc nghiªng ngang nguy hiÓm h¬n c¶ lµ gãc nghiªng khi x¶y ra n­íc chui vµo bªn trong ph­¬ng tiÖn næi qua c¸c lç khoÐt kh«ng ®­îc ®ãng kÝn ë bªn m¹n, hoÆc n­íc trµn lªn boong, hay , hoÆc n­íc chui qua mÐp trªn thµnh miÖng khoang hµng (h×nh 19-a). Gãc nghiªng nµy gäi lµ gãc vµo n­íc vn .

274

H×nh 19-a. X¸c ®Þnh gãc vµo n­íc

NÕu 0vn th× m« men

nghiªng ®éng giíi h¹n cho phÐp lµ m« men nghiªng t­¬ng øng víi gãc vn .

Gi¸ trÞ m« men nµy ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau (h×nh 19-b). Trªn trôc O ®Æt gãc

vn , kÎ ®­êng th¼ng ®øng vu«ng

gãc trôc O c¾t ®­êng cong )(d t¹i

®iÓm A.

H×nh 19-b.

KÎ ®­êng th¼ng nèi gèc to¹ ®é O víi ®iÓm A. Dùng ®­êng vu«ng gãc víi trôc O t¹i rad 1 , c¾t ®­êng th¼ng OA t¹i B cho ta gi¸ trÞ c¸nh tay ®ßn ghl cña

m« men nghiªng ®éng giíi h¹n. 7) Mét sè bµi to¸n øng dông 7.1. DÞch chuyÓn hµng trªn ph­¬ng tiÖn næi

275

Hµng trªn ph­¬ng tiÖn næi cã thÓ ®­îc dÞch chuyÓn lªn xuèng theo ph­¬ng

th¼ng ®øng (), hoÆc dÞch chuyÓn ngang theo ph­¬ng däc vµ ph­¬ng ngang th©n

ph­¬ng tiÖn næi ,. a) DÞch chuyÓn hµng theo ph­¬ng ®øng XÐt mét vËt cã träng l­îng p dÞch chuyÓn theo ph­¬ng ®øng tõ vÞ trÝ ban ®Çu

)z,y,x( 1p1p1p ®Õn vÞ trÝ míi )z,y,x( 2p1p1p (H×nh 20). Kho¶ng c¸ch dÞch chuyÓn lµ:

1p2pz zzl

M« men nghiªng ngang bæ sung do dÞch chuyÓn hµng: sinplM zk

M« men phôc håi sau khi dÞch chuyÓn hµng:

sin)(sinsin0'

zz plKplDhM

H×nh 20.

z' plKK - hÖ sè æn ®Þnh ngang sau khi dÞch chuyÓn hµng theo

ph­¬ng ®øng. T­¬ng tù, ®èi víi æn ®Þnh däc ta cã:

sin)plK(sinplsinDHM zz0'

z' plKK - hÖ sè æn ®Þnh däc sau khi dÞch chuyÓn hµng theo

ph­¬ng ®øng. Thùc tÕ, v× KK , nªn sù dÞch chuyÓn hµng theo ph­¬ng ®øng ¶nh h­ëng

chñ yÕu ®Õn æn ®Þnh ngang. VËy khi thùc hiÖn dÞch chuyÓn hµng theo ph­¬ng ®øng: + Kh«ng lµm thay ®æi vÞ trÝ th¨ng b»ng ban ®Çu cña ph­¬ng tiÖn næi + ChØ lµm thay ®æi æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi. Tõ c¸c biÓu thøc trªn thÊy r»ng, khi dÞch chuyÓn hµng tõ phÝa d­íi lªn phÝa trªn ( 0lz ) th× æn ®Þnh bÞ gi¶m,

cßn ng­îc l¹i khi dÞch chuyÓn hµng tõ trªn xuèng d­íi( 0lz ) th× æn ®Þnh t¨ng.

b) DÞch chuyÓn hµng theo ph­¬ng ngang theo chiÒu ngang th©n ph­¬ng tiÖn næi XÐt tr­êng hîp hµng cã träng l­îng p dÞch chuyÓn tõ vÞ trÝ )z,y,x( 1pp1p 1

®Õn

276

vÞ trÝ míi )z,y,x( 1pp1p 2 (H×nh 21). Kho¶ng c¸ch dÞch chuyÓn lµ:

12 ppy yyl

DÊu cña täa ®é ipy lÊy theo dÊu

cña trôc täa ®é. Träng t©m ph­¬ng tiÖn næi dÞch chuyÓn mét l­îng lµ:

D

plGGy y

1G .

XÐt tam gi¸c 1mGG cã:

1oG GGtghy .

Suy ra

K

pl

Dh

Dltg y

0

y .

H×nh 21. DÊu cña tg phô thuéc dÊu cña yl . Mín n­íc ë hai m¹n ph­¬ng tiÖn næi

trong tr­êng hîp dÞch chuyÓn hµng nh­ trªn h×nh 21 lµ:

M¹n ph¶i: tg2

BTTph

M¹n tr¸i: tg2

BTTtr

c) DÞch chuyÓn hµng theo ph­¬ng ngang theo chiÒu däc th©n ph­¬ng tiÖn næi XÐt tr­êng hîp dÞch chuyÓn hµng trong mÆt ph¼ng ngang tõ phÝa ®u«i ph­¬ng tiÖn næi vÒ phÝa mòi ph­¬ng tiÖn næi tõ vÞ trÝ trÝ )z,y,x( 11p1

®Õn vÞ trÝ míi

)z,y,x( 11p2 (H×nh 22).

277

H×nh 22.

Kho¶ng c¸ch dÞch chuyÓn lµ:

12 ppx xxl

Gãc nghiªng däc sau khi dÞch chuyÓn hµng:

K

pl

DH

pltg x

0

x

Mín n­íc ë mòi vµ ®u«i ph­¬ng tiÖn næi lµ:

tg)x2

L(TTTT fmm

tgxLTTTT fll )2

(

d) DÞch chuyÓn hµng tõ vÞ trÝ ban ®Çu ®Õn ®iÓm bÊt kú Trong tr­êng hîp nµy cÇn thùc hiÖn c¸c bµi to¸n dÞch chuyÓn theo tr×nh tù sau: + tr­íc hÕt, thùc hiÖn bµi to¸n dÞch chuyÓn theo ph­¬ng ®øng + Sau ®ã, xÐt bµi to¸n dÞch chuyÓn hµng theo ph­¬ng ngang (theo chiÒu ngang hoÆc chiÒu däc th©n ph­¬ng tiÖn næi) ®Õn ®iÓm cÇn thiÕt. C¸c c«ng thøc tÝnh to¸n nh­ ®· tr×nh bµy trong môc 7.1, phÇn a, b, c. 7.2. NhËn vµ bèc dì hµng nhá Trong môc 2.1 ®· xÐt ®Õn ¶nh h­ëng cña viÖc nhËn vµ bèc dì hµng nhá ®Õn c¸c yÕu tè næi, cßn trong phÇn nµy sÏ xÐt ¶nh h­ëng cña vÊn ®Ò nµy ®Õn sù thay ®æi æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi thuû. ViÖc gi¶i bµi to¸n nhËn vµ dì hµng trong tr­êng hîp tæng qu¸t lµ phøc t¹p, nªn bµi to¸n ®­îc chia lµm 2 b­íc:

278

- Tr­íc hÕt gi¶ thiÕt r»ng nhËn hµng kh«ng lµm cho ph­¬ng tiÖn næi bÞ nghiªng ngang vµ nghiªng däc. - TiÕp theo xÐt sù dÞch chuyÓn hµng trong mÆt ph¼ng ngang ®Õn vÞ trÝ cÇn thiÕt. a) B­íc 1: NhËn hµng nhá kh«ng g©y nghiªng ngang vµ nghiªng däc Gi¶ sö ph­¬ng tiÖn næi nhËn hµng nhá träng l­îng p ë ®iÓm cã täa ®é (x,y,z). X¸c ®Þnh t­ thÕ vµ chiÒu cao æn ®Þnh cña ph­¬ng tiÖn næi sau khi nhËn hµng. Khi nhËn hµng kh«ng g©y nghiªng ngang vµ nghiªng däc, tøc lµ 0 vµ 0 .

L­îng chiÕm n­íc sau khi nhËn hµng lµ: D1 =D + p. Mín n­íc t¨ng thªm mét kho¶ng T (h×nh 23,a).

H×nh 23. Gi¶ sö trong khu vùc mín n­íc thay ®æi m¹n cña ph­¬ng tiÖn næi lµ th¼ng. ThÓ tÝch n­íc bÞ chiÕm chç bæ sung lµ V . Ta cã: Vp

T.SV ë ®©y S - diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc tr­íc khi nhËn hµng.

Tung ®é träng t©m cña V lµ 2

TTz V

vµ cïng n»m trªn trôc th¼ng

®øng víi träng t©m diÖn tÝch mÆt ®­êng n­íc S. NÕu träng t©m cña hµng nhËn thªm kh«ng n»m trªn trôc th¼ng ®øng víi träng t©m diÖn tÝch S th× sÏ xuÊt hiÖn c¸c m« men g©y nghiªng (h×nh ). Cô thÓ lµ: - M« men nghiªng ngang: cospyMng

- M« men nghiªng däc: cos)xx(pM fd

279

VËy ®Ó nhËn hµng mµ 0 vµ 0 th× ph¶i cã y=0 vµ fxx , tøc lµ träng

t©m hµng vµ träng t©m cña diÖn tÝch S ph¶i cïng n»m trªn mét trôc th¼ng ®øng.

Sù thay ®æi cña mín n­íc: Sp

T

ChiÒu cao æn ®Þnh sau khi nhËn hµng: hhh1 , víi h - chiÒu cao æn ®Þnh

tr­íc khi nhËn hµng; GC zzrh (a)

trong ®ã GC z,z,r,h - sè gia cña h, r , zC, zG sau khi nhËn hµng.

Ta cã:

rpD

pVI

vVv

VI

vVI

rrr xxx1

(b)

§Ó x¸c ®Þnh Cz ta xÐt ph­¬ng tr×nh m« men tÜnh thÓ tÝch ®èi víi mÆt ph¼ng

ngang ®i qua ®iÓm C1 - vÞ trÝ t©m næi sau khi nhËn hµng.

0z.V)zz2

TT(v CCC

Suy ra )z2T

T(pD

p)z

2T

T(vV

vz CCC

(c)

Täa ®é träng t©m cña ph­¬ng tiÖn næi sau khi nhËn hµng:

`pDpzDz

z GG1

)zz(pD

pz

pDpzDz

zzz GGG

GGG 1

Thay (b) - (c) vµo (a) ta nhËn ®­îc:

)hz2T

T(pD

ph

T­¬ng tù, ®èi víi chiÒu cao æn ®Þnh däc ta cã:

)Hz2T

T(pD

pH

V× z2

TTH nªn H

pDp

H

, vµ do ®ã:

DHH)pD( 1

Nh­ vËy, khi nhËn hµng nhá kh«ng g©y nghiªng ngang vµ nghiªng däc th× hÖ sè æn ®Þnh däc cã thÓ coi lµ kh«ng thay ®æi.

280

b) B­íc 2: XÐt sù dÞch chuyÓn hµng sau khi nhËn hµng kh«ng g©y nghiªng

ë b­íc 1, hµng ®­îc nhËn vµo ®iÓm cã täa ®é )z,0,x( f . Sù dÞch chuyÓn hµng

tõ ®iÓm cã täa ®é )z,0,x( f ®Õn ®iÓm cã täa ®é (x,y,z) sÏ lµm cho ph­¬ng tiÖn næi bÞ

nghiªng ngang vµ nghiªng däc.

)hh)(pD(

pyhD

pytg

011

DH

)xx(p

DH

pltg fx

Sè gia mín n­íc mòi PTN : 0

ff

M)xx(p

LDH

)xx(p

Mín n­íc ë mòi vµ ®u«i cña ph­¬ng tiÖn næi lµ:

L

)x2

L(TTT fm

L

)x2

L(TTT fl

Tr­êng hîp cÇn dì hµng, trong tÊt c¶ c¸c c«ng thøc trªn cÇn thay p b»ng (-p).

7.3. ¶nh h­ëng cña hµng treo, hµng láng ®èi víi æn ®Þnh

a) ¶nh h­ëng cña hµng treo Gi¶ sö cÇn n©ng hµng cã träng l­îng p tõ mÆt boong cña ph­¬ng tiÖn næi b»ng cÇn cÈu ®Æt trªn ph­¬ng tiÖn næi (H×nh 24,a). Hµng n©ng ®ãng vai trß gièng hµng treo. Khi hµng võa t¸ch khái mÆt boong, xuÊt hiÖn m« men nghiªng bæ sung: sinplMng

trong ®ã: ABl - kho¶ng c¸ch tõ träng t©m cña hµng ®Õn ®iÓm treo (H×nh 24,a). M« men phôc håi vµ hÖ sè æn ®Þnh ngang sau khi n©ng hµng:

sin)plK(sin)

D

plh(DsinplsinDhM 00

'

plKK '

ChiÒu cao æn ®Þnh thay ®æi mét l­îng lµ: lD

ph

281

H×nh 24. ¶nh h­ëng cña hµng treo ®Õn æn ®Þnh

Tr­êng hîp nhËn hµng treo (dïng cÈu trªn ph­¬ng tiÖn næi ®Ó nhËn hµng- H×nh 24,b) th× sù thay ®æi cña chiÒu cao æn ®Þnh nh­ sau:

lpD

p)hz

2T

T(pD

ph 0

)lhz2T

T(pD

p0

So s¸nh ta thÊy nhËn hµng treo lµ nguy hiÓm v× chiÒu cao æn ®Þnh bÞ thay ®æi ®¸ng kÓ. T­¬ng tù, ®èi víi nghiªng däc:

sin)plK(sinplsinDHM 0'

plKK '

b. ¶nh h­ëng cña hµng láng Do hµng láng chøa trong kÐt cã mÆt tho¸ng, nªn khi ph­¬ng tiÖn næi dao ®éng hµng láng còng dao ®éng vµ g©y ¶nh h­ëng ®Õn æn ®Þnh chung cña ph­¬ng

tiÖn næi. ¶nh h­ëng ®ã gäi lµ ¶nh h­ëng cña mÆt tho¸ng. XÐt hµng láng chøa trong kÐt cã thÓ tÝch lv vµ träng t©m b. Träng l­îng hµng

láng lµ lll v.p , víi l - träng l­îng riªng cña hµng láng.

B¸n kÝnh nghiªng ngang cña hµng láng: l

xl*

vi

ram

víi *m - t©m nghiªng cña hµng láng.

282

H×nh 25.

Khi ph­¬ng tiÖn næi nghiªng mét gãc , hµng láng dÞch chuyÓn vµ träng t©m cña hµng láng dÞch tõ b ®Õn b1. M« men nghiªng do dÞch chuyÓn träng t©m cña hµng láng: sin.r.pM llngl

M« men phôc håi cña ph­¬ng tiÖn næi cã xÐt ®Õn sù dÞch chuyÓn cña hµng láng:

sinisinDhsinrpsinDhM xl0ll0l

sinKsin)iK( 'xl

HÖ sè æn ®Þnh ngang: xl' iKK

T­¬ng tù, ®èi víi tr­êng hîp nghiªng däc ta cã hÖ sè æn ®Þnh däc:

xl' iKK

§Ó gi¶m ¶nh h­ëng cña mÆt tho¸ng ta chia kÐt thµnh c¸c khoang. XÐt kÐt cã chiÒu dµi l vµ chiÒu réng b (h×nh 26). Khi kÐt ch­a cã v¸ch ng¨n, m« men qu¸n tÝnh mÆt tho¸ng lµ:

12

lbi

3

x 12

bli

3

y

Tr­êng hîp ®Æt 1 v¸ch däc gi÷a:

x

3

3

'x i

4

1

12

lb

4

1

122

bl

2i

(*)

y

3

'y i

122

bl

2i

283

H×nh 26. Tr­êng hîp ®Æt 1 v¸ch ngang gi÷a chia kÐt thµnh 2 khoang cã chiÒu dµi lµ l/2 vµ chiÒu réng b»ng b:

x

33

'x i

12

lb

12

b2l

2i ; y

3

3

'y i

4

1

12

bl

4

1

122

lb

2i

Nh­ vËy, a) viÖc chia kÐt thµnh n khoang b»ng v¸ch ngang kh«ng gi¶m ®­îc m« men qu¸n tÝnh mÆt tho¸ng xi ®èi trôc däc, tøc lµ kh«ng gi¶m ®­îc ¶nh h­ëng cña mÆt

tho¸ng ®èi víi l¾c ngang. b) viÖc chia kÐt thµnh n khoang b»ng v¸ch däc: * l­îng n­íc dÞch chuyÓn do nghiªng ph­¬ng tiÖn næi gi¶m ®i n lÇn * gi¶m ®i n lÇn c¸nh tay ®ßn dÞch chuyÓn hµng láng, tøc lµm cho sù thay

®æi æn ®Þnh ngang gi¶m ®i 2n lÇn (biÓu thøc (*)). 8) TÝnh chèng ch×m cña ph­¬ng tiÖn næi

TÝnh chèng ch×m lµ kh¶ n¨ng cña ph­¬ng tiÖn næi sau khi bÞ ngËp n­íc mét sè khoang mµ vÉn tù næi, gi÷ ®­îc æn ®Þnh vµ ë mét møc ®é nµo ®ã gi÷ ®­îc mét sè ®Æc tÝnh hµng h¶i kh¸c. Gi¶i ph¸p kÕt cÊu chñ yÕu ®Ó ®¶m b¶o tÝnh chèng ch×m cho ph­¬ng tiÖn næi lµ chia phÇn th©n cña nã ra c¸c khoang b»ng c¸c v¸ch kÝn n­íc nh»m môc ®Ých h¹n chÕ l­îng n­íc chui qua c¸c lç thñng vµo bªn trong ph­¬ng tiÖn næi, vµ ®Ó b¶o ®¶m ®­îc dù tr÷ tÝnh næi cña ph­¬ng tiÖn. ViÖc chia ph­¬ng tiÖn næi ra c¸c khoang ®­îc thùc hiÖn theo quy ®Þnh cña c¸c Quy ph¹m thiÕt kÕ. VÝ dô, theo quy ®Þnh cña C«ng ­íc quèc tÕ vÒ an toµn biÓn th× th©n tµu ®­îc chia lµm nh÷ng khoang sao cho khi gÆp sù cè mín n­íc cña tµu t¨ng nh­ng kh«ng ®­îc v­ît qu¸ ®­êng giíi h¹n n»m

284

song song víi ®­êng boong chÝnh vµ n»m d­íi ®­êng boong chÝnh 76mm víi gi¶ thiÕt sau khi bÞ thñng tµu kh«ng bÞ nghiªng. 3. Lùc c¶n ph­¬ng tiÖn næi 3.1. Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n TÝnh di chuyÓn lµ kh¶ n¨ng cña ph­¬ng tiÖn næi di chuyÓn víi vËn tèc cho tr­íc nhê lùc dÉn ®éng do thiÕt bÞ ®Èy hoÆc lùc kÐo t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi. Nghiªn cøu vÒ lùc c¶n cña ph­¬ng tiÖn næi lµ mét phÇn trong nghiªn cøu vÒ tÝnh di chuyÓn cña nã. §Ó ®¸nh gi¸ ®é nhanh chËm cña tµu thuû ng­êi ta sö dông sè Froud

gL

vFr hoÆc

3/1vV/L

1Fr , trong ®ã v - vËn tèc chuyÓn ®éng cña tµu,

V - thÓ tÝch chiÕm n­íc cña tµu, L-chiÒu dµi cña tµu. T­¬ng øng víi 3 chÕ ®é chuyÓn ®éng cña tµu ta cã: 1) Tr¹ng th¸i b¬i: ë tr¹ng th¸i nµy ph­¬ng tr×nh næi ®­îc ®Æc tr­ng b»ng ®Þnh luËt Acsimed VD vµ vËn tèc cña tµu t­¬ng ®èi nhá 3,0Fr0 2) Tr¹ng th¸i qu¸ ®é ë tr¹ng th¸i nµy lùc n©ng t¨ng ®¸ng kÓ vµ chiÒu ch×m trung b×nh cña tµu gi¶m. Ph­¬ng tr×nh næi cã d¹ng z1zv RVRRD trong ®ã VV1 3) Tr¹ng th¸i l­ít

ë tr¹ng th¸i lướt tµu cã tèc ®é cao 3Frv hoÆc 3/1V/L

3Fr , träng l­îng

cña tµu ®­îc c©n b»ng víi lùc n©ng zRD

Lùc Acsimed sÏ mÊt t¹i 5Frv hoÆc 3/1V/L

5Fr .

3.2. C¸c thµnh phÇn lùc c¶n tµu thuû Lùc c¶n toµn phÇn cña tµu thuû R:

285

kknc RRR ë ®©y ncR - lùc c¶n cña n­íc; kkR -lùc c¶n cña kh«ng khÝ. V× kknc nªn cã thÓ chÊp nhËn ncRR . a) Lùc c¶n cña n­íc:

Khi ph­¬ng tiÖn næi di chuyÓn trªn mÆt n­íc xung quanh ph­¬ng tiÖn næi sÏ h×nh thµnh hÖ thèng sãng phøc t¹p g©y nªn c¸c lùc thñy ®éng t¸c dông lªn mÆt ­ít cña ph­¬ng tiÖn næi, bao gåm ¸p lùc dp t¸c dông theo ph­¬ng ph¸p tuyÕn cña vµ lùc 0 tiÕp tuyÕn ®èi víi (H×nh 27).

H×nh 27. C¸c lùc thñy ®éng t¸c dông lªn ph­¬ng tiÖn næi

C¸c lùc nµy cã thÓ quy vÒ hîp lùc Q ®Æt t¹i träng t©m G cña ph­¬ng tiÖn næi vµ m« men QM ®èi víi trôc ngang Gy. lùc Q ®wocj ph©n tÝch theo trôc täa ®é x vµ

y thµnh lùc c¶n cña n­íc ®èi víi chuyÓn ®éng cña ph­¬ng tiÖn næi ncQ RX vµ lùc

n©ng QY .

Bá qua gãc nghiªng däc do m« men QM t¸c dông, cã thÓ viÕt biÓu thøc x¸c

®Þnh lùc c¶n R nh­ sau: td

Snc RRds)]x,sin()x,pcos(p[R

trong ®ã:

286

ds)x,pcos(pRS

d - lùc c¶n ¸p lùc do nhít vµ do tÝnh cã träng l­îng cña

chÊt láng.

St ds)x,sin(R - lùc c¶n ma s¸t

Ngoµi ra, ng­êi ta ph©n tÝch lùc c¶n thµnh c¸c thµnh phÇn nh­ sau: wv RRR víi vR lµ lùc c¶n nhít, wR - lùc c¶n sãng tµu thñy

wsd RRR víi sR lµ lùc c¶n h×nh d¸ng, wR - lùc c¶n sãng tµu thñy. sfv RRR wsfwv R)RR(RRR )RR(RRRR wsfdf - BiÓu thøc nµy ®­îc sö dông ®Ó m« h×nh hãa lùc c¶n tµu thñy. - Ngoµi c¸c thµnh phÇn lùc c¶n nªu trªn cßn cã c¸c lùc c¶n bæ sung do: * ®é nh¸m, phÇn nh« cña kÕt cÊu th©n ph­¬ng tiÖn næi * ¶nh h­ëng cña luång l¹ch * ®iÒu kiÖn b¨ng gi¸ b) X¸c ®Þnh c«ng suÊt kÐo: C«ng suÊt kÐo lµ c«ng suÊt cÇn thiÕt ®Ó th¾ng lùc c¶n lµm cho ph­¬ng tiÖn næi chuyÓn ®éng víi vËn tèc cho tr­íc. Gi¸ trÞ c«ng suÊt kÐo ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

75

v.RNe (søc ngùa) hoÆc

1000

v.RNe (kW)

trong ®ã: v - vËn tèc chuyÓn ®éng cña ph­¬ng tiÖn næi (m/s); R - lùc c¶n (kG) 1kW=1,3451 søc ngùa 0,7457 kW=1 søc ngùa Mét sè c«ng thøc gÇn ®óng ®Ó tÝnh c¸c thµnh phÇn lùc c¶n cña ph­¬ng tiÖn næi:

- Lùc c¶n ma s¸t: 583,1f 10.vfR (kN),

trong ®ã f - hÖ sè ma s¸t ®­îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau:

)lg(Re

455,0f

58,2 hoÆc

2)2Re(lg

075,0f

Trong b¶ng d­íi ®©y cho gi¸ trÞ cña f cña mét sè con tµu cã chiÒu dµi L kh¸c nhau:

L(m) 30 40 50 80 100 120 160 200 f 0,147 0,146 0,144 0,143 0,142 0,141 0,140 0,139

287

- Lùc c¶n d­ (= lùc c¶n toµn phÇn - lùc c¶n ma s¸t cña tÊm ph¼ng cã diÖn tÝch t­¬ng ®­¬ng víi diÖn tÝch mÆt ­ít cña ph­¬ng tiÖn næi):

L

v09,0R

4

r (kN)

trong ®ã: 4

2

m

Ns1045

- diÖn tÝch mÆt ­ít cña ph­¬ng tiÖn næi. Cã thÓ sö dông c¸c c«ng thøc gÇn ®óng ®Ó tÝnh cho tµu thuû: )BCd7,1(L b - c«ng thøc cña Deni-Mumphurd

- l­îng chiÕm n­íc (T); v - vËn tèc chuyÓn ®éng cña tµu (m/s) * Lùc c¶n sãng bæ sung:

32ww 10v

2

1R

4w 10.N víi N - cÊp cña sãng

c) Lùc c¶n giã cña tµu thuû Lùc giã ®­îc tÝnh theo c«ng thøc: pARgiã

trong ®ã: p - ¸p lùc giã (kPa)

32giãkk 10.)vv(C

2

1p

giãv - vËn tèc giã (m/s)

v - vËn tèc (m/s) C - hÖ sè l­u thÓ C = 0,8 - khi h­íng giã trïng víi mÆt ph¼ng däc t©m tµu C = 1,0 - khi h­íng giã t¹o gãc 30o víi mÆt ph¼ng däc t©m tµu. A - diÖn tÝch mÆt høng giã

kk - mËt ®é khèi l­îng cña kh«ng khÝ; 42kk m/s.N29,1 .

4. §éng lùc häc ph­¬ng tiÖn næi Môc ®Ých nghiªn cøu bµi to¸n ®éng lùc häc ph­¬ng tiÖn næi lµ nghiªn cøu chuyÓn ®éng cña ph­¬ng tiÖn næi d­íi t¸c ®éng cña sãng biÓn, trong ®ã bµi to¸n quan träng nhÊt lµ bµi to¸n dao ®éng l¾c. L¾c lµ hiÖn t­îng rÊt nguy hiÓm ®èi víi ph­¬ng tiÖn næi, v× nã: - lµm t¨ng lùc c¶n, gi¶m tèc ®é chuyÓn ®éng cña ph­¬ng tiÖn næi

288

- g©y sù qu¸ t¶i trong kÕt cÊu - lµm hµng ho¸ dÞch chuyÓn g©y tæn thÊt æn ®Þnh - g©y h­ háng m¸y mãc, thiÕt bÞ - g©y nªn c¸c bÖnh do sãng - lµm cho n­íc trµn lªn mÆt boong cã thÓ lµm cho ph­¬ng tiÖn næi bÞ ch×m Víi gi¶ thiÕt ph­¬ng tiÖn næi lµ vËt thÓ r¾n tuyÖt ®èi, dao ®éng l¾c cña ph­¬ng tiÖn næi theo 6 bËc tù do ®­îc x¸c ®Þnh tõ hÖ ph­¬ng tr×nh sau: )t(f)t(KU)t(UC)t(U)mM(

trong ®ã: f(t) - vÐc t¬ t¶i träng sãng tíi vµ sãng nhiÔu x¹ M - ma trËn khèi l­îng ph­¬ng tiÖn næi m - ma trËn khèi l­îng n­íc kÌm C - ma trËn c¶n thñy ®éng lùc häc cña chÊt láng K - ma trËn hÖ sè lùc phôc håi thuû tÜnh U(t), )t(U),t(U - chuyÓn vÞ l¾c, vËn tèc vµ gia tèc l¾c cña ph­¬ng tiÖn næi C¨n cø vµo gi¸ trÞ vËn tèc l¾c ®Ó ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng lµm viÖc cña ph­¬ng tiÖn næi trªn sãng. 5. C¸c ho¹t ®éng hµng h¶i 5.1. C¸c yªu cÇu cña ho¹t ®éng hµng h¶i Yªu cÇu chñ yÕu cña ho¹t ®éng hµng h¶i lµ ph¶i ®¶m b¶o sù an toµn cho ph­¬ng tiÖn næi trong qu¸ tr×nh khai th¸c. 5.2. C¸c dông cô, tÝn hiÖu trong ho¹t ®éng hµng h¶i 1) C¸c dông cô hµng h¶i: - la bµn: lµ dông cô ph¶i cã trªn tÊt c¶ c¸c tµu biÓn, cÇn thiÕt ®Ó x¸c ®Þnh ®óng h­íng ®i vµ vÞ trÝ cña tµu. Cã 2 lo¹i la bµn lµ la bµn tõ hoÆc la bµn ®iÖn. - M¸y ®o ®é s©u - M¸y ®o tèc ®é (tèc kÕ) 2) Th«ng tin tÝn hiÖu trong ho¹t ®éng hµng h¶i: - v« tuyÕn ®iÖn - cê hiÖu, ©m hiÖu, ¸nh s¸ng a) Cê hiÖu: gåm 40 cê, trong ®ã cã 26 ch÷ c¸i la tinh, 10 ch÷ sè, 3 cê thay thÕ vµ 1 cê tr¶ lêi; b) §Ìn hiÖu: quy ph¹m thiÕt kÕ yªu cÇu trªn c¸c ph­¬ng tiÖn næi ph¶i cã ®Ìn hiÖu. VÝ dô, ban ®ªm dïng ®Ìn pha, ®Ìn pin hoÆc lo¹i ®Ìn kh¸c cã thÓ ®¸nh ®­îc tÝn hiÖu moãc; b¾t buéc ban ®ªm ph¶i cã 2 ®Ìn mµu tr¾ng, 1 ®Ìn mµu ®á th¾p s¸ng.

289

c) ©m hiÖu: trªn ph­¬ng tiÖn næi ph¶i cã thiÕt bÞ ph¸t tÝn hiÖu ©m thanh (cßi tµu, chu«ng ®iÖn, cßi miÖng, cßi tay) d) Cê tay: dïng ®Ó liªn l¹c 2 tÇu víi nhau hoÆc víi c¶ng ë kho¶ng c¸ch gÇn vµo ban ngµy. e) Quèc kú: tµu ph¶i treo cê n­íc m×nh ë phÝa sau l¸i, cßn khi ra n­íc ngoµi qua h¶i phËn n­íc nµo th× treo cê n­íc ®ã t¹i cét tr­íc cña tµu. Cê ph¶i treo suèt c¶ ngµy. 5.3. C¸c c«ng tr×nh x©y dùng phôc vô ®¶m b¶o hµng h¶i C¸c c«ng tr×nh ®¶m b¶o hµng h¶i cã nhiÖm vô: - x¸c ®Þnh vÞ trÝ tµu - dÉn ®­êng cho tµu ch¹y C¸c c«ng tr×nh nµy bao gåm h¶i ®¨ng, cét tiªu vµ phao tiªu. a) H¶i ®¨ng: cã cÊu tróc kiÓu th¸p, cã nhiÒu h×nh d¸ng kh¸c nhau, ®­îc x©y dùng ë trªn bê biÓn hoÆc trªn ®¶o. Trªn ®Ønh th¸p cã ®Ìn chiÕu s¸ng c­êng ®é m¹nh, vÒ ban ®ªm cã thÓ nh×n thÊy h¶i ®¨ng tõ kho¶ng c¸ch 15 h¶i lý trë lªn. §Ó ph©n biÖt gi÷a c¸c h¶i ®¨ng víi nhau ng­êi ta dïng c¸c lo¹i ®Ìn kh¸c nhau hoÆc ¸nh s¸ng cã ®Æc ®iÓm kh¸c nhau nh­ ¸nh s¸ng cè ®Þnh hoÆc ¸nh s¸ng chíp liªn tôc. b) Cét tiªu: ®­îc chÕ t¹o b»ng gç hoÆc b»ng bª t«ng, cã nhiÒu h×nh d¹ng kh¸c nhau, ®­îc ®Æt trªn bê biÓn hoÆc trªn b·i c¹n. Trªn ®Ønh cét tiªu cã thÓ cã ®Ìn hoÆc kh«ng cã ®Ìn dïng ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ tµu. Ban ®ªm cã thÓ nh×n thÊy cét tiªu cã ®Ìn tõ kho¶ng c¸ch xa tíi 15 h¶i lý. HÖ thèng ®­îc sö dông réng r·i lµ chËp tiªu, bao gåm 2 cét tiªu ®Æt c¸ch nhau mét kho¶ng nhÊt ®Þnh, c¸i cao c¸i thÊp, trªn ®Ønh cã ®Ìn. §­êng th¼ng nèi gi÷a 2 cét tiªu vµ kÐo vÒ phÝa biÓn gäi lµ trôc chËp tiªu. ChËp tiªu ®­îc sö dông ®Ó dÉn ®­êng ®i qua khu n­íc nguy hiÓm, luång l¹ch hÑp. c) Phao tiªu: cã nhiÒu lo¹i phao tiªu. - Lo¹i phao tiªu lín nhÊt lµ phao thuyÒn - phao ®­îc ®Æt ®Çu tiªn trong luång l¹ch dïng ®Ó dÉn ®­êng cho tµu vµo c¶ng. Phao thuyÒn ®­îc neo cè ®Þnh t¹i chç, ®Õ phao lµ thïng næi, trªn thïng næi bè trÝ gi¸ s¾t víi ®Ìn ph¸t tù ®éng ë trªn ®Çu gi¸ s¾t. D©y neo ®­îc nèi víi ®¸y phao vµ neo d­íi ®¸y l¹ch. Khi dïng phao tiªu ®Ó dÉn ®­êng, ng­êi ta th¶ phao tiªu hai bªn luång l¹ch nÕu cÇn dÉn tµu ®i qua khu vùc cã b·i c¹n hoÆc cã nh÷ng vËt nguy hiÓm. Cßn khi dÉn tµu vµo c¶ng th× tõ biÓn vµo c¶ng ph¶i th¶ phao xanh bªn ph¶i vµ phao ®á bªn tr¸i. - Phao tiªu ®­îc sö dông ®Ó ®¸nh dÊu: + Khu vùc neo tµu ®Ó tiÕn hµnh kiÓm dÞch: sö dông lo¹i phao mµu vµng + Tµu ch×m: sö dông phao mµu xanh, trªn phao cã vÏ tÝn hiÖu tµu ch×m - Phao cì nhá lµ phao qu¶ nhãt, cã h×nh d¸ng cña 2 chãp nãn óp vµo nhau, cã ®Ìn hoÆc kh«ng cã ®Ìn, ®­îc s¬n mµu ®á. Phao qu¶ nhãt th­êng ®­îc th¶ vµo ®Çu c¸c doi c¸t ®Ó chØ giíi h¹n cña b·i c¹n.