Tài liệu Luận văn mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu thép ngoài khơi dưới tác động của tải nổ bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TẤN MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Long An, tháng 07 năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN LÊ QUANG TẤN MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU THÉP NGOÀI KHƠI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI NỔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện Long An, tháng 07 năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Ngoài những kết quả tham khảo từ những công trình khác như đã được ghi trong luận văn, tôi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Tấn ii LỜI CẢM ƠN Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực của học viên, hoàn thành chương trình luận văn không thể thiếu sự giảng dạy, quan tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An) trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn cao học này. Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích Thiện cùng tập thể các thầy cô, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao học Xây dựng đã hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và thực hiện luận văn. HỌC VIÊN THỰC HIỆN Lê Quang Tấn iii Tóm tắt luận văn Việc nổ giàn khoan làm cho hàng triệu thùng dầu loang ra biển gây ra hậu quả nặng nề và lâu dài cho sức khỏe con người cũng như ô nhiễm hệ sinh thái tại khu vực bị ảnh hưởng. Do vậy, việc phân tích ứng xử của giàn khoan dưới tác dụng của tải nổ là cần thiết để dự đoán những vị trí bị phá hủy nhiều nhất khi hiện tượng nổ diễn ra. Kết cấu giàn khoan trên biển được chọn làm đối tượng khảo sát dưới tác động của tải trọng nổ. Tải trọng nổ được mô hình hóa tương đương với khối lượng của thuốc nổ TNT. Trong bài báo này, nhóm tác giả đã lựa chọn phương pháp ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) được tích hợp trong phần mềm ANSYS thay vì quy đổi tương đương về dạng tải áp suất theo thời gian. Chính vì vậy, đáp ứng của kết cấu sẽ phụ thuộc vào sự lan truyền áp suất của sóng nổ trong các môi trường lưu chất khác nhau. Mô hình vật liệu thuốc nổ TNT, không khí, thép (bao gồm thông số phá hủy) được sử dụng cho các loại đối tượng khác nhau trong quá trình mô phỏng. Những kết quả mô phỏng từ lúc kích nổ cho đến quá trình lan truyền sóng nổ cho thấy những vị trí phá hủy hoặc nguy hiểm đối với kết cấu giàn khoan iv MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xi CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ............................................... 1 1.1. Tổng quan về công trình biển ........................................................................... 1 1.1.1. Quá trình phát triển của ngành công trình biển thế giới ........................ 1 1.1.2. Quá trình phát triển của ngành công trình biển Việt Nam .................... 1 1.1.3. Phân loại theo vị trí công trình biển so với bờ ......................................... 2 1.2. Thảm họa cháy nổ công trình biển ................................................................... 6 1.3. Hiện tượng nổ ..................................................................................................... 7 1.3.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 7 1.3.2. Sóng nổ ......................................................................................................... 8 1.3.3. Sóng xung kích ............................................................................................ 9 1.3.4. Dự đoán áp suất nổ ................................................................................... 11 1.4. Tình hình nghiên cứu ....................................................................................... 12 1.4.1. Nghiên cứu trong nước ............................................................................. 12 1.4.2. Nghiên cứu ngoài nước ............................................................................. 13 1.5. Mục tiêu của đề tài nghiên cứu ....................................................................... 14 1.6. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.......................................................... 14 1.7. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................. 15 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 16 2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 16 2.1.1. Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn ............................. 16 2.1.2. Định nghĩa hình học các phần tử hữu hạn ............................................. 19 2.1.3. Lực, chuyển vị, biến dạng và ứng suất.................................................... 20 2.1.4. Sơ đồ tính toán bằng phần tử hữu hạn .................................................. 21 v 2.2. Các thuật toán giải bài toán động lực học trong PPTHH ............................ 23 2.2.1. Thuật toán Implicit ................................................................................... 23 2.2.2.Thuật toán Explicit .................................................................................... 24 2.3. Tích phân theo thời gian dạng tường minh ................................................... 24 2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) .... 25 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ..................................................................... 30 3.1. Giới thiệu về module ANSYS Autodyn .......................................................... 30 3.2. Các bước phân tích tương tác sóng nổ lên kết cấu ....................................... 30 3.2.1. Xây dựng mô hình CAD ............................................................................... 31 3.2.2. Thiết lập thông số vật liệu ............................................................................ 31 3.2.3. Định nghĩa miền lưu chất và miền phân tích nổ (miền Euler).................. 32 3.2.4. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn ........................................................... 34 3.2.5. Thiết lập điều kiện biên và các thông số phân tích trong ANSYS Explicit Dynamics và ANSYS Autodyn ................................................................................... 36 3.3. Các trường hợp phân tích của bài toán ......................................................... 45 3.3.1. Trường hợp 1: nổ trong không khí, vị trí khối thuốc nổ A ....................... 45 3.3.2. Trường hợp 2: nổ trong nước, vị trí đặt tải nổ A ....................................... 54 3.3.3. Trường hợp 3: Nổ trong không khí, vị trí đặt tải nổ B .............................. 61 3.4. So sánh kết quả của 3 trường hợp .................................................................. 68 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 71 4.1. Kết luận ............................................................................................................. 71 4.2. Kiến nghị ........................................................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 72 PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 73 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Giàn khoan Bullwinkle (Hoa Kỳ). ................................................................... 2 Hình 1.2. Giàn khoan Troll-A (Na Uy)............................................................................ 3 Hình 1.3. Giàn khoan tự nâng Tam Đảo (Việt Nam) ...................................................... 4 Hình 1.4. Giàn khoan Independence Hub (Hoa Kỳ) ....................................................... 4 Hình 1.5. Tàu khoan Stones (Hoa Kỳ)............................................................................. 5 Hình 1.6. Một số công trình biển trên thế giới ................................................................ 5 Hình 1.7. Thảm họa nổ giàn khoan Deepwater Horizon (2010) & dầu tràn trên Vinh Mexico (ảnh chụp từ vệ tinh) ........................................................................................... 6 Hình 1.8. Vụ nổ do bom đạn thông thường. .................................................................... 7 Hình 1.9. Sự thay đổi của áp suất sóng nổ theo khoảng cách......................................... 9 Hình 1.10. Đặc điểm tải nổ ............................................................................................. 9 Hình 1.11. Sóng xung kích bao quanh nguồn nổ........................................................... 10 Hình 1.12. Mô hình PTHH công trình biển do tác giả Lê Hoàng Anh nghiên cứu ...... 13 Hình 2.1. Chương trình ANSYS ..................................................................................... 16 Hình 2.2. Chương trình ABAQUS ................................................................................. 17 Hình 2.3. Chương trình SAP 2000 ................................................................................ 17 Hình 2.4. Một vật thể được chia lưới phần tử hữu hạn ................................................. 18 Hình 2.6. Các dạng biên chung giữa các phần tử ......................................................... 19 Hình 2.7. Phần tử một chiều .......................................................................................... 19 Hình 2.8. Phần tử hai chiều........................................................................................... 20 Hình 2.9. Phần tử ba chiều ............................................................................................ 20 Hình 2.10. Sơ đồ khối của chương trình PTHH ............................................................ 23 Hình 2.11. Lưới Lagrange và lưới Euler ....................................................................... 26 Hình 2.12. Sóng nổ trong miền Euler ............................................................................ 26 vii Hình 2.13. Vận tốc sóng nổ trong miền Euler ............................................................... 27 Hình 2.14. ALE chưa biến dạng .................................................................................... 27 Hình 2.15. ALE sau khi biến dạng ................................................................................. 28 Hình 3.1. ANSYS Autodyn ............................................................................................. 30 Hình 3.2a. Mô phỏng va chạm bằng ANSYS Autodyn................................................... 30 Hình 3.2b Lưu đồ mô phỏng .......................................................................................... 30 Hình 3.3. Thiết kế mô hình giàn khoan ......................................................................... 31 Hình 3.4. Chọn vật liệu trong thư viện .......................................................................... 32 Hình 3.5. Mô hình sau khi đưa vào ANSYS Explicit Dynamics .................................... 33 Hình 3.6. Miền không khí và nước chọn Fluid .............................................................. 33 Hình 3.7. Chọn bộ giải Lagrange cho kết cấu .............................................................. 34 Hình 3.8. Chọn bộ giải Euler cho TNT, không khí và nước .......................................... 34 Hình 3.9. Thiết lập vật liệu và bộ giải cho vật liệu ....................................................... 34 Hình 3.10. Điều kiện chia lưới ...................................................................................... 35 Hình 3.11. Lưới phần tử hữu hạn của mô hình ............................................................. 35 Hình 3.12. Đánh giá chất lượng lưới PTHH bằng phương pháp Skewness ................. 36 Hình 3.13. Tạo các vùng khảo sát ................................................................................. 36 Hình 3.14. Thiết lập gia tốc trọng trường ..................................................................... 37 Hình 3.15. Thiết lập vị trí điểm kích nổ ......................................................................... 37 Hình 3.16. Thiết lập thời điểm kích nổ .......................................................................... 37 Hình 3.17. Thiết lập nhiệt độ môi trường cho bài toán ................................................. 38 Hình 3.18. Thiết lập thời gian giải trong ANSYS Explicit Dynamics ........................... 38 Hình 3.19. Thiết lập “On material failure” .................................................................. 39 Hình 3.20. Chọn các đại lượng để xuất kết quả ............................................................ 40 Hình 3.21. Xuất kết quả ứng xử tổng thể và kết quả ứng xử tại các vùng khảo sát ...... 41 viii Hình 3.22. Đưa bài toán vào ANSYS Autodyn để phân tích ......................................... 42 Hình 3.23. Thiết lập miền Lagrange (trái) và Euler (phải) .......................................... 43 Hình 3.24. Chọn xuất kết quả áp suất sóng nổ.............................................................. 43 Hình 3.25. Thiết lập thời gian giải cho bài toán ........................................................... 44 Hình 3.26. Thiết lập các điểm Gauge ............................................................................ 45 Hình 3.27. Giải bài toán trong ANSYS Autodyn ........................................................... 45 Hình 3.28. Trường hợp 1 ............................................................................................... 46 Hình 3.29. Vùng khảo sát 1, trường hợp1 ..................................................................... 46 Hình 3.30. Vùng khảo sát 2, trường hợp1 ..................................................................... 47 Hình 3.31. Vùng khảo sát 3, trường hợp 1 .................................................................... 47 Hình 3.32. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp1 tại 0,022s .......................................... 48 Hình 3.33. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp1 tại 0,05s. ........................................... 48 Hình 3.34. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s .......................... 48 Hình 3.35. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,05s ............................ 49 Hình 3.36. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,022s .......................... 49 Hình 3.37.. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,05s ........................... 50 Hình 3.38. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,022s .......................... 50 Hình 3.39.. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,05s ........................... 51 Hình 3.40. Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp1 theo thời gian ................ 51 Hình 3.41. Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp1) ...................... 52 Hình 3.42. Áp suất sóng nổ trường hợp 1 tại 0,022s .................................................... 53 Hình 3.43. Áp suất sóng nổ trường hợp 1 tại 0,05s ...................................................... 53 Hình 3.44. Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp1) ..................... 54 Hình 3.45. Trường hợp 2 ............................................................................................... 54 Hình 3.46. Các vùng khảo sát trường hợp2 .................................................................. 55 ix Hình 3.47. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp2 tại 0,022s .......................................... 55 Hình 3.48. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp2 tại 0,05s ............................................ 55 Hình 3.49. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s .......................... 56 Hình 3.50. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,05s ............................ 56 Hình 3.51. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,022s .......................... 56 Hình 3.52. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,05s ............................ 57 Hình 3.53. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,022s .......................... 57 Hình 3.54. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,05s ............................ 57 Hình 3.55. Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp2 theo thời gian ................ 58 Hình 3.56. Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp2) ...................... 59 Hình 3.57. Áp suất sóng nổ trường hợp 2 tại 0,022s .................................................... 59 Hình 3.58. Áp suất sóng nổ TRƯỜNG HỢP 2 tại 0,05s ............................................... 60 Hình 3.59. Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 2) .................... 60 Hình 3.60. Trường hợp 3 ............................................................................................... 61 Hình 3.61.. Các vùng khảo sát của trường hợp 3 ......................................................... 61 Hình 3.62. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp 3 tại 0,05s ........................................... 62 Hình 3.63. Kết quả ứng xử kết cấu trường hợp 3 tại 0,05s ........................................... 62 Hình 3.64. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,022s .......................... 63 Hình 3.65. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 1 tại thời điểm 0,05s ............................ 63 Hình 3.66. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,022s .......................... 64 Hình 3.67. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 2 tại thời điểm 0,05s ............................ 64 Hình 3.68. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,022s .......................... 65 Hình 3.69. Kết quả ứng xử của vùng khảo sát 3 tại thời điểm 0,05s ............................ 65 Hình 3.70. Hình dạng sóng nổ lan truyền theo thời gian (trường hợp 3) ..................... 66 Hình 3.71. Biều đồ ứng xử của tại các phần tử trường hợp 3 theo thời gian ............... 66 x Hình 3.72. Áp suất sóng nổ trường hợp 3 tại 0,022s .................................................... 67 Hình 3.73. Áp suất sóng nổ trường hợp 3 tại 0,05s ...................................................... 67 Hình 3.74. Năng lượng của khối thuốc nổ theo thời gian (trường hợp 3) .................... 68 Hình 3.75. Biểu đồ ứng suất lớn nhất theo thời gian tại 3 trường hợp ......................... 68 Hình 3.76. Đồ thị kết quả ứng suất tại cùng 1 vị trí của 3 trường hợp ......................... 69 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1.Kích thước chính của mô hình giàn khoan .................................................... 31 Bảng 3.2. Các thông số vật liệu .................................................................................... 31 xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT FEM Finite Element Method PPPTHH Phương pháp phần tử hữu hạn 1 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về công trình biển 1.1.1. Quá trình phát triển của ngành công trình biển thế giới Dầu khí trên đất liền trữ lượng có hạn không đủ đáp ứng nhu cầu về năng lượng cho các nghành công nghiệp. Vì vậy con người cần phải tiến hành thăm dò và khai thác dầu khí ở ngoài khơi, các thềm lục địa. Ngành xây dựng Công trình biển ra đời và phát triển do yêu cầu về việc khai thác dầu khí. Nhờ việc đáp ứng hiệu quả về mặt kinh tế, đảm bảo an toàn và thúc đẩy sự tiến bộ liên tục mà nhiều loại công trình khác nhau, phù hợp với các địa điểm xây dựng đã được thiết kế. Chiều sâu nước của các giàn khoan đã tăng lên rất lớn nhờ vào sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật giúp tính toán và thiết kế kết cấu, cũng như hỗ trợ thi công. Bên cạnh việc phục vụ khai thác dầu khí. Công trình biển còn nhằm mục đích phục vụ hàng hải, nghiên cứu khí tượng thủy văn biển, bảo vệ bờ biển hay đóng tàu. 1.1.2. Quá trình phát triển của ngành công trình biển Việt Nam Việt Nam với hơn 3400 km bờ biển với tổng diện tích biển gấp 4 lần đất liền mở ra tiềm năng to lớn trong công cuộc thăm dò và khai thác tài nguyên biển. Đặc biệt là trong lĩnh vực dầu khí, một trong những ngành đem lại lợi nhuận kinh tế cao. Song song với việc thăm dò, khai thác tài nguyên biển là sự phát triển của ngành xây dựng công trình biển. Nhưng thực tế ngành xây dựng công trình biển ở Việt Nam còn là một ngành non trẻ. Các công trình biển xây dựng ở thềm lục địa Việt Nam chủ yếu là ngành công trình biển bằng thép với số lượng còn hạn chế với mục đích để khoan thăm dò và khai thác dầu mỏ, khí đốt và dịch vụ quốc phòng. Công trình biển ở Việt Nam được xây dựng chính thức vào năm 1982 ở mỏ Bạch Hổ, hầu hết các công trình biển ở Việt Nam đều được xây dựng ở độ sâu khoảng 50 m nước và chủ yếu là các dàn thăm dò và dàn công nghệ. Cho đến nay Việt Nam đã xây dựng và đưa vào sử dụng hơn 40 công trình dầu khí các loại tại các mỏ Bạch Hổ, mỏ Ruby, mỏ Rồng, mỏ Rạng Đông... Phần lớn được xây dựng theo công nghệ của Liên Xô cũ (Nga). Tuy nhiên trong mấy năm gần đây nghành công trình biển của Việt Nam cũng đã có nhữngbước tiến đáng kể, đội ngũ cán bộ kỹ thuật và kỹ sư, công nhân đều có trình độ cao, công nghệ thi công hiện đại, sự hỗ trợ đặc biệt của các phần mềm tính toán vì vậy mà chúng 2 ta đã tiến hành thi công những công trình với quy mô lớn như công trình đường ống dẫn khí PM3 Cà Mau, các dàn công nghệ MSP… Đặc biệt chúng ta đã và đang xây dựng các công trình lớn cho các khách hàng nước ngoài với công nghệ cao. 1.1.3. Phân loại theo vị trí công trình biển so với bờ 1.1.3.1. Công trình biển bằng thép Đây là loại công trình biển được xây dựng phổ biến nhất thế giới hiện nay. Loại công trình này thường được sử dụng cho khoan thăm dò, khai thác và xử lý dầu khí trên biển.Công trình được xây dựng bằng thép ống đặc biệt, kết cấu dạng khung và được cố định bằng hệ thống cọc. Hiện nay công trình biển thép đạt độ sâu nước lớn nhất là Bullwinkle 412m xây dựng năm 1991 và Pompano 393m được xây dựng năm 1994. Hình 1.1.Giàn khoan Bullwinkle (Hoa Kỳ) [nguồn: internet] 1.1.3.2. Công trình biển bằng bê tông trọng lực Cho đến năm 1972 tất cả các công trình dàn khoan biển trên thế giới mới chỉ được xây dựng bằng nguyên liệu thép. Bắt đầu từ năm 1973 công trình biển bằng bê tông cốt thép đầu tiên mới được đưa vào xây dựng tại mỏ Ekofisk do công ty Doris Engineering (Pháp) thiết kế với độ sâu 70m nước. 3 Ngày nay kết cấu bê tông trọng lực tỏ ra có lợi về kinh tế kỹ thuật có thể cạnh tranh với các loại dàn thép truyền thống. Có thể sử dụng nhân lực và vật liệu địa phương, giảm việc sử dụng ống thép đặc chủng, thời gian thi công ngắn hơn rất nhiều so với công trình biển bằng thép. Hình 1.2.Giàn khoan Troll-A (Na Uy)[nguồn: internet] 1.1.3.3. Giàn khoan tự nâng Giàn khoan tự nâng là giàn khoan có thân giàn đủ lực nổi để nó có thể được lai dắt bởi tàu tới vị trí đã định, sau đó giàn được nâng lên trên mặt nước biển nhờ các chân chống xuống đáy biển. Giàn khoan tự nâng được thiết kế để hoạt động tại những vùng biển có độ sâu tới 150m, chịu được sức gió ở tốc độ tối đa 180km/h, tốc độ dòng chảy 2m/s, khoan đạt độ sâu 8000 - 10000m. Trọng lượng giàn khoan tự nâng hiện đại có thể vượt quá 16.000 tấn. Giàn khoan tự nâng đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp ngoài khơi, hiệu quả kinh tế và tính linh hoạt đã được chứng minh trong quá trình phát triển và khai thác mỏ. Điều này chủ yếu là do khả năng tự lắp đặt và chân giàn có thể kéo nổi lên khỏi mặt nước. Tính tới năm 2014, số lượng giàn khoan tự nâng là 550, chiếm xấp xỉ 60% số lượng giàn khoan trên thế giới. 4 Hình 1.3. Giàn khoan tự nâng Tam Đảo (Việt Nam)[nguồn: internet] 1.1.3.4. Công trình biển bán tiềm thủy Công trình biển bán tiềm thủy là một công trình nổi trên biển chuyên dụng để khoan thăm dò và khai thác dầu khí, có dạng bè mảng nửa chìm nửa nổi nên có khả năng tự ổn định tốt trong môi trường biển và đại dương. Loại công trình này cho phép kết cấu chuyển động để giảm tác dụng của tải trọng sóng và dòng chảy, chỉ thích hợp đối với những vùng nước sâu. Một số công trình biển bán tiềm thủy đã được xây dựng với độ sâu nước lớn:  Magnolia, 1432m, hoàn thành năm 2005 tại Vịnh Mexico  Independence Hub, 2414m, hoàn thành năm 2007 tại Vịnh Mexico  Perdido, 2450m, hoàn thành năm 2010 tại Vịnh Mexico Hình 1.4. Giàn khoan Independence Hub (Hoa Kỳ)[nguồn: internet] 1.1.3.5. Tàu khoan Tàu khoan là loại công trìnhđược phát triển trong những năm gần đâynhằm mục đích khai thác những mỏ nhỏhay còn là mỏ nhánh, độ sâu nước lớn,không kinh tế nếu 5 xây dựng những côngtrình biển cố định. Loại công trình này cóthể vừa khoan thăm dò, khoan khai thác vàcó thể sử dụng ở các độ sâu nước khácnhau. Hình 1.5.Tàu khoan Stones (Hoa Kỳ)[nguồn: internet] Một số tàu khoanđược xây dựng với độ sâu nước lớn:  Parque das Conchas, 1780m, hoàn thành năm 2010 tại Braxin.  Lula Pilot , 2150m, hoàn thành năm 2017 tại Brazil  Stones, 2900m, hoàn thành năm 2016 tại Vịnh Mexico Hình 1.6. Một số công trình biển trên thế giới[nguồn: internet] 6 1.2. Thảm họa cháy nổ công trình biển Việc nổ giàn khoan làm cho hàng triệu thùng dầu loang ra biển gây ra hậu quả nặng nềvà lâu dài cho sức khỏe con người cũng như ô nhiễm hệ sinh thái tại khu vực bị ảnh hưởng.  San hô dần bị tẩy trắng hoặc biến màu, nhiều động, thực vật sinh sống ở vùng biển chết hàng loạt do ảnh hưởng của dầu loang và ô nhiễm nguồn nước biển.  Lượng dầu bị rò ra từ khu vực giàn khoan còn khiến một tỷ lệ không nhỏ người dân sinh sống ven biển có triệu chứng bệnh lý như dị ứng, lở loét, cùng những dấu hiệu bất thường trong gan, phổi, máu, tuyến giáp hoặc hệ thần kin.  Cùng với đó, ngành công nghiệp cá đánh bắt cá của vùng bị thảm họa cũng sẽ hứng chịu tác động khi sản lượng đánh bắt tôm, cua, cá và các loài hải sản khác ngày một giảm.  Nước biển và những bãi cát ven bờ cũng nhuốm đầy dầu và hắc ín, làm phá sản ngành du lịch địa phương. Những nguyên nhân chính dẫn đến cháy nổ dàn khoan gồm: Hở khóa van khiến rò rỉ dầu và khí Metan. Thiết kế vị trí đặt đường ống dẫn dầu và dầu thô chưa hợp lý dẫn đến cháy nổ. Các thảm họa cháy nổ công trình biển gây thiệt hại lớn trên thế giới:  06/07/1988 - Nổ giàn khoan Piper Alpha (Anh) - 3,4 tỷ USD  20/04/2010 - Nổ giàn khoan Deepwater Horizon (Hoa Kỳ) - 80 tỷ USD  01/04/2015 - Nổ giàn khoan Abkatun A-Permanente (Mexico) Hình 1.7. Thảm họa nổ giàn khoan Deepwater Horizon (2010) & dầu tràn trên Vinh Mexico (ảnh chụp từ vệ tinh)[nguồn: internet] 7 1.3. Hiện tượng nổ 1.3.1. Giới thiệu Trước hết, chúng ta cần tìm hiểu hiện tượng nổ là gì. Nổ là hiện tượng có thể xảy ra khi các chất bị đốt nóng hoặc phân hủy đột ngột tạo ra một lượng lớn nhiệt và trong một khoảng thời gian ngắn. Các loại vũ khí nổ như bom, đầu đạn… đều có cấu tạo cơ bản gồm có chất nổ, thiết bị kích nổ và vỏ bọc ngoài. Khi chất nổ bị kích hoạt bằng nhiệt hoặc xung động, hợp chất nổ xảy ra cả phản ứng phân hủy và phản ứng cháy. Các chất hóa học chứa rất nhiều năng lượng, đây là lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau trong cùng một phân tử của chất đó, khi phản ứng nổ bắt đầu xảy ra, phần lớn năng lượng này được giải phóng tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ và giải phóng ra các chất khí. Các chất khí trong chất hóa học bị nén dưới áp lực lớn, do đó, khi hiện tượng nổ xảy ra, các chất khí này nở bung ra với vận tốc rất nhanh, nhiệt lượng được giải phóng kèm theo trong phản ứng nổ thậm chí còn tăng vận tốc của các chất khí này lên rất nhiều lần và tạo ra các sóng xung động[4]. Hình 1.8. Vụ nổ do bom đạn thông thường.[nguồn: internet] Các loại thuốc nổ được coi là có sức công phá nhỏ như thuốc nổ đen ( thuốc súng) có sức công phá không lớn, lực của sóng xung động do thuốc súng tạo ra không đáng ngại. Khi thuốc súng cháy, lực tạo ra do phản ứng cháy chỉ đủ sức đẩy những vật thể nhỏ như đầu đạn mà thôi. Nhưng với các loại thuốc nổ mạnh như TNT hay C-4, sức công phá không chỉ ở lượng nhiệt khổng lồ mà còn do sự giải phóng đột ngột của các chất khí. Sức ép của vụ nổ có thể phá hủy các cấu trúc vững chắc và con người, do các loại thuốc nổ mạnh này tạo ra các đợt khí di chuyển nhanh hơn cả vận tốc âm