Tài liệu Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ của kết cấu công trình biển cố định bằng thép xây dựng tại vùng mỏ hàm rồng thái bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN NGỌC VƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP XÂY DỰNG TẠI VÙNG MỎ HÀM RỒNG – THÁI BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật Công trình biển Mã số: 60.58.02.03 Cán bộ hƣớng dẫn: PGS. TS Phạm Hiền Hậu Hà Nội – 01/2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học của riêng tôi, do chính tôi thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Ngọc Vƣơng LỜI CẢM ƠN Luận văn này là kết quả của sự cố gắng của bản thân tác giả và sự giúp đỡ, hƣớng dẫn tận tình của các quý Thầy, Cô cũng nhƣ sự ủng hộ, động viên của bạn bè, gia đình và ngƣời thân. Tác giả xin gửi những lời cảm ơn tới tất cả mọi ngƣời trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận văn Thạc sĩ. Trƣớc hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS, TS. Phạm Hiền Hậu, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô khoa Đào tạo Sau đại học, TS. Mai Hồng Quân - Trƣởng khoa Xây dựng Công trình biển và Dầu khí, đã tạo điều kiện, luôn quan tâm, theo dõi và động viên các thành viên trong lớp Cao học PFIEV hoàn thành tốt luận văn của mình. Xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc tới GS, TS. Phạm Khắc Hùng, PGS, TS. Đinh Quang Cƣờng và các Thầy, Cô trong khoa Xây dựng Công trình biển và Dầu khí đã trau dồi, bổ sung kiến thức cho chúng tôi để chúng tôi có cơ sở tri thức hoàn thành tốt luận văn Thạc sĩ này. Cuối cùng, xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả ngƣời thân, bạn bè, các thành viên trong gia đình đã luôn ở bên, động viên tinh thần, giúp tôi có động lực cố gắng thực hiện tốt nhiệm vụ hoàn thành luận văn Thạc sĩ này. Xin chân thành cám ơn! Hà Nội, tháng 01 năm 2018 Tác giả Nguyễn Ngọc Vương MỤC LỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ........................................................................................... i DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................v MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ MỎI KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP ..............................................................................................................3 1.1 Hiện tƣợng phá hủy mỏi trong kết cấu .............................................................5 1.1.1 Khái niệm về hiện tƣợng mỏi ...........................................................................5 1.1.2 Điều kiện để xảy ra phá hủy mỏi trong kết cấu................................................6 1.2 Các giai đoạn của hiện tƣợng phá hủy mỏi ......................................................6 1.3 Đặc điểm của công trình biển dẫn đến phát sinh hiện tƣợng mỏi ....................6 1.4 Các tác động gây mỏi .......................................................................................6 1.5 Các phƣơng pháp tính toán mỏi .......................................................................7 1.5.1 Phƣơng pháp dựa trên quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner ..................7 1.5.2 Phƣơng pháp dựa trên cơ học phá hủy .............................................................8 1.6 Những khái niệm trong tính toán mỏi ..............................................................8 1.6.1 Một số thuật ngữ ..............................................................................................8 1.6.2 Cấu tạo nút .......................................................................................................9 1.7 Những tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến đánh giá mỏi .............................14 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ MỎI CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP THEO QUY TẮC TỔN THẤT TÍCH LŨY CỦA PALMGREEN - MINER ..........................................................................................15 2.1 Phƣơng pháp tính toán mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner 15 2.1.1 Các phƣơng pháp tính toán mỏi .....................................................................15 2.1.2 Trình tự phân tích mỏi ....................................................................................16 2.2 Nội dung phân tích mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner......19 2.2.1 Các trạng thái biển để tính toán mỏi ..............................................................19 2.2.2 Xác định ứng suất danh nghĩa ........................................................................22 2.2.3 Xác định ứng suất cục bộ ...............................................................................27 2.2.4 Phân phối dài hạn của số gia ứng suất ...........................................................33 2.2.5 Lựa chọn đƣờng cong mỏi S-N ......................................................................34 2.2.6 Xác định tổn thất mỏi tích lũy ........................................................................38 2.2.7 Xác định tuổi thọ mỏi của kết cấu ..................................................................41 CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CÔNG TRÌNH TBDP-A GIAI ĐOẠN MỚI XÂY DỰNG TẠI VÙNG MỎ HÀM RỒNG – THÁI BÌNH ..........................42 3.1 Giới thiệu về mỏ Hàm Rồng – Thái Bình ......................................................43 3.2 Số liệu đầu vào ...............................................................................................44 3.2.1 Số liệu môi trƣờng biển vùng mỏ Hàm Rồng – Thái Bình ............................44 3.2.2 Kết cấu công trình khai thác khí TBDP-A mỏ Hàm Rồng – Thái Bình ........48 3.3 Chƣơng trình tính toán ...................................................................................51 3.4 Quy trình phân tích đánh giá mỏi ...................................................................51 3.4.1 Sơ đồ phân tích, đánh giá mỏi ........................................................................51 3.4.2 Áp dụng chƣơng trình SACs ..........................................................................52 3.5 Phân tích đánh giá mỏi công trình TBDP-A giai đoạn mới xây dựng (giai đoạn 1) ............................................................................................................56 3.5.1 Kết quả phân tích............................................................................................56 3.5.2 Nhận xét .........................................................................................................57 CHƢƠNG 4 ĐÁNH GIÁ MỎI CHO CÔNG TRÌNH TBDP-A SAU HAI NĂM KHAI THÁC .59 4.1 Tổng quan về phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển cố định bằng thép [2] ...........................................................................................................59 4.1.1 Mục đích của việc phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển .................59 4.1.2 Yêu cầu phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển .................................59 4.1.3 Quy trình phân tích đánh giá lại kết cấu Công trình biển ..............................60 4.1.4 Các trạng thái giới hạn (TTGH) trong phân tích đánh giá lại kết cấu Công trình biển.........................................................................................................62 4.2 Phân tích đánh giá lại Công trình TBDP-A (giai đoạn 2) theo trạng thái giới hạn mỏi ...........................................................................................................63 4.2.1 Quy trình phân tích đánh giá lại theo trạng thái giới hạn mỏi .......................63 4.2.2 Kết quả phân tích............................................................................................64 4.2.3 Phƣơng án bảo trì, sửa chữa ...........................................................................65 4.3 So sánh kết quả phân tích mỏi giữa hai giai đoạn ..........................................69 4.3.1 So sánh kết quả phân tích mỏi giữa hai giai đoạn ..........................................69 4.3.2 Nhận xét .........................................................................................................71 4.4 Một số nhận xét về đánh giá mỏi trong phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển cố định bằng thép ...........................................................................71 4.4.1 Về phân tích mỏi trong các giai đoạn.............................................................71 4.4.2 Về phƣơng pháp luận đánh giá mỏi ...............................................................72 4.4.3 Về vấn đề khảo sát trong đánh giá lại ............................................................72 4.4.4 Về vấn đề sử dụng tiêu chuẩn trong phân tích đánh giá mỏi .........................74 4.4.5 Về kết quả phân tích .......................................................................................76 KẾT LUẬN ...............................................................................................................77 KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................78 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................79 PHỤ LỤC ............................................................................................................... PL1 i KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT Platform Giàn khoan dầu khí Jacket Tên một loại kết cấu khối chân đế công trình biển cố định bằng thép đƣợc sử dụng phổ biến SCF Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Factor) mode Dạng dao động ĐLNN Đại lƣợng ngẫu nhiên SF Hệ số an toàn (Safety Factor) EL Cao trình (Elevation) HAT Mực nƣớc triều cao nhất LAT Mực nƣớc triều thấp nhất MSL Mực nƣớc trung bình (Mean Sea Level) ULS Trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State) SLS Trạng thái giới hạn phục vụ (Service Limit State) FLS Trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit State) PLS Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (Progress Limit State) v Vận tốc của phần tử nƣớc v Gia tốc của phần tử nƣớc v̂ Trung bình vận tốc của phần tử nƣớc u Chuyển vị của kêt cấu u Vận tốc chuyển vị của kết cấu u Gia tốc chuyển vị của kết cấu [D] Tỷ số tổn thất mỏi tích lũy cho phép A Diện tích mặt cắt ngang của phần tử C Ma trận lực cản CD Hệ số cản vận tốc CM Hệ số cản quán tính ii Cm Hệ số nƣớc kèm D Đƣờng kính ống chính D Tỷ số tổn thất mỏi tích lũy d Đƣờng kính ống nhánh D(θ) Hàm hƣớng truyền sóng DTB Tỷ số tổn thất mỏi trung bình F(t) Tải trọng sóng g Gia tốc trọng trƣờng (g = 9.81 m/s2) H(ω) Hàm truyền Hmax Chiều cao sóng lớn nhất Hs Chiều cao sóng đáng kể K Ma trận độ cứng M Ma trận khối lƣợng Mn Momen phổ ứng suất bậc n S Số gia ứng suất cho phép S0 Số gia ứng suất cho phép từ đƣờng cong mỏi S-N SCFax Hệ số tập trung ứng suất ứng với ứng suất do lực dọc trục SCFipb Hệ số tập trung ứng suất ứng với ứng suất do momen trong mặt phẳng uốn SCFopb Hệ số tập trung ứng suất ứng với ứng suất do do momen ngoài mặt phẳng uốn SD Giới hạn mỏi Sηη(ω) Phổ năng lƣợng bề mặt sóng Sσσ(ω) Phổ năng lƣợng ứng suất t Chiều dày ống nhánh T Chiều dày ống chính Tmax Chu kỳ sóng lớn nhất Tp Chu kỳ đỉnh sóng iii Tz Chu kỳ sóng trung bình cắt không β Hệ số không đều của quá trình ứng suất ε Độ rộng của phổ θ Hƣớng truyền sóng ρ Khối lƣợng riêng của nƣớc biển σax Ứng suất danh nghĩa do lực dọc trục σe Ứng suất cục bộ σipb Ứng suất danh nghĩa do momen trong mặt phẳng uốn σn Ứng suất danh nghĩa σopb Ứng suất danh nghĩa do momen ngoài mặt phẳng uốn σv Độ lệch chuẩn của vận tốc σσ Độ lệch chuẩn của ứng suất τLF Tuổi thọ mỏi ω Tần số vòng của sóng iv DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1. Các nguồn tác động gây ra mỏi ..................................................................7 Bảng 2-1. Phạm vi áp dụng các công thức tính SCF ................................................32 Bảng 2-2. Phạm vi giá trị các thông số hình học ......................................................32 Bảng 2-3. Đƣờng cong S-N cơ bản ...........................................................................36 Bảng 3-1. Các giai đoạn phân tích đánh giá .............................................................42 Bảng 3-2. Số liệu sóng thiết kế .................................................................................45 Bảng 3-3. Số liệu dòng chảy thiết kế ........................................................................45 Bảng 3-4. Số liệu gió thiết kế ....................................................................................45 Bảng 3-5. Số liệu hà bám ..........................................................................................45 Bảng 3-6. Nhiệt độ không khí ...................................................................................46 Bảng 3-7. Nhiệt độ nƣớc biển ...................................................................................46 Bảng 3-8. Phân phối sóng 1 năm ..............................................................................47 Bảng 3-9. Kết quả tính sóng trung tâm tổn thất ........................................................47 Bảng 3-10. Hệ số an toàn mỏi ...................................................................................48 Bảng 3-11. Các dạng dao động riêng của công trình ................................................57 Bảng 3-12. Tổn thất mỏi của một số nút chính .........................................................57 Bảng 4-1. Các dạng dao động riêng của công trình ..................................................64 Bảng 4-2. Tổn thất mỏi của một số nút chính ...........................................................65 Bảng 4-3. Sự thay đổi chu kỳ dao động riêng T (s) ..................................................69 Bảng 4-4. Sự thay đổi hàm truyền HQ(f)và HM(f) (đại diện hƣớng 0 deg) ...............70 Bảng 4-5. Sự thay đổi tổn thất mỏi tích lũy trong 01 năm ........................................70 Bảng 4-6. So sánh tổn thất mỏi theo hệ số SCF – Nút R021 ....................................75 Bảng 4-7. So sánh tổn thất mỏi theo đƣờng S-N – Nút R021 ...................................75 v DANH MỤC HÌNH Hình 1-1. Những giàn khoan kiểu Jacket xây dựng ở những vùng biển sâu nhất trên thế giới (nguồn: www.offshore-mag.com cập nhật đến năm 2009) ..........3 Hình 1-2. Tiềm năng dầu khí Việt Nam (nguồn Internet) ..........................................4 Hình 1-3. Một số giàn Jacket điển hình xây dựng tại vùng biển Việt Nam (nguồn: www.offshore.vn) .......................................................................................5 Hình 1-4. Cấu tạo điển hình của nút đơn giản ..........................................................10 Hình 1-5. Phân loại nút điển hình .............................................................................12 Hình 1-6. Cấu tạo một số nút phức tạp .....................................................................13 Hình 2-1. Sơ đồ trình tự phân tích tuổi thọ mỏi công trình biển bằng thép [4] ........18 Hình 2-2. Sơ đồ phân phối sóng [4] ..........................................................................20 Hình 2-3. Quá trình ngẫu nhiên của sóng bề mặt η(t) ...............................................21 Hình 2-4. Mật độ phổ Pierson - Moskowitz của sóng ngẫu nhiên ............................22 Hình 2-5. Mối quan hệ giữa phổ đầu vào và phổ phản ứng ......................................24 Hình 2-6. Quá trình ngẫu nhiên của ứng suất σ ........................................................25 Hình 2-7. Phổ dải hẹp và phổ dải rộng của quá trình ngẫu nhiên σ(t) ......................27 Hình 2-8. Vùng ứng suất tập trung có các điểm nóng ..............................................27 Hình 2-9. Vị trí của các điểm nóng ...........................................................................28 Hình 2-10. Sơ đồ PTHH để xác định hệ số SCF .......................................................29 Hình 2-11. Sơ đồ phân phối ứng suất cục bộ tại nút .................................................29 Hình 2-12. Các thông số hình học của nút trong việc xác định hệ số SCF...............31 Hình 2-13. Đƣờng cong mỏi S-N cho ống thép trong môi trƣờng không khí và môi trƣờng nƣớc biển có bảo vệ catot [29]...................................................35 Hình 2-14. Kết quả thí nghiệm đƣờng cong mỏi S-N trong không khí [25] ............36 Hình 2-15. Kết quả thí nghiệm đƣờng cong mỏi S-N trong môi trƣờng nƣớc biển có bảo vệ Ca-tốt [25] ..................................................................................37 Hình 2-16. Đƣờng cong mỏi S-N cho ống thép dày 16 mm [25] .............................37 Hình 3-1. Sơ đồ phát triển mỏ Thái Bình..................................................................44 Hình 3-2. Sơ đồ phân bố sóng tới công trình ............................................................46 vi Hình 3-3. Giàn khai thác khí Thái Bình TBDP-A ....................................................49 Hình 3-4. Cấu trúc giàn – Hƣớng nhìn từ trên xuống ...............................................50 Hình 3-5. Cấu trúc chân đế - Hƣớng nhìn thẳng góc ................................................50 Hình 3-9. Sơ đồ phân tích mỏi trong thiết kế mới công trình biển cố định bằng thép . .................................................................................................................52 Hình 3-10. Sơ đồ phân tích mỏi ngẫu nhiên bằng SACs 5.6 ....................................53 Hình 3-11. Lựa chọn tần số để tính toán hàm truyền động [25] ...............................55 Hình 3-12. Các nút quan trọng cần xem xét .............................................................56 Hình 4-1. Quy trình phân tích đánh giá lại kết cấu Công trình biển [2] ...................61 Hình 4-2. Phạm vi sử dụng các TTGH trong phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển [2] ............................................................................................62 Hình 4-3. Sơ đồ phân tích mỏi trong phân tích đánh giá lại công trình biển cố định bằng thép ..................................................................................................63 Hình 4-4. Các nút quan trọng cần xem xét ...............................................................64 Hình 4-5. Cấu tạo chung của cấu kiện kẹp ...............................................................66 Hình 4-6. Cấu kiện kẹp ma sát ..................................................................................67 Hình 4-7. Cấu kiện kẹp trám không áp lực ...............................................................67 Hình 4-8. Cấu kiện kẹp trám dự ứng lực...................................................................68 Hình 4-9. Cấu kiện kẹp dự ứng lực có đệm đàn hồi .................................................68 Hình 4-10. Các dạng khuyết tật của phần tử ống thép ..............................................73 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong tính toán thiết kế kết cấu công trình biển cố định cần phải tính toán rất nhiều bài toán, trong đó có hai bài toán quan trọng nhất đó là kiểm tra bền kết cấu và kiểm tra mỏi kết cấu. Bài toán mỏi là bài toán quan trọng và bắt buộc trong thiết kế công trình biển nói chung và công trình biển bằng thép nói riêng. Hiện tƣợng mỏi, gây phá hủy kết cấu ngay cả khi kết cấu chƣa chịu những điều kiện tải trọng cực hạn. Sự phá hủy mỏi trong các nút ống, từ lâu đã là mối lo chính cho các kỹ sƣ thiết kế kết cấu các giàn khoan biển. Trong những năm qua, đã xảy ra nhiều trƣờng hợp phá hủy do mỏi và các vết nứt do mỏi đã đƣợc phát hiện trong các giàn khoan ở Biển bắc, vịnh Mexico, thềm lục địa Việt Nam và tại rất nhiều vùng biển khai khác dầu khí trên thế giới. Do đó, việc phân tích đánh giá mỏi kết cấu là việc vô cùng cần thiết và quan trọng cho việc dự báo hƣ hỏng để có biện pháp sửa chữa, bảo trì, bảo dƣỡng trong quá trình vận hành công trình. Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế công trình biển nhƣ Bureau Veritas, DNV, Lloyd’s Register và API RP 2A… đòi hỏi kết cấu chân đế dạng Jacket đều phải đƣợc thiết kế mỏi. 2. Mục đích và giới hạn nghiên cứu Phân tích, đánh giá tuổi thọ mỏi cho công trình biển bằng thép theo quy tắc tổn thất tích lũy của Palmgreen - Miner bằng phƣơng pháp phổ và đƣa ra nhận xét một số vấn đề liên quan đến đánh giá mỏi công trình biển xây dựng mới và đang khai thác. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Tuổi thọ mỏi của kết cấu công trình biển cố định bằng thép. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phƣơng pháp phân tích đánh giá mỏi cho cho công trình biển bằng thép và áp dụng cho công trình biển thép xây dựng trên thềm lục địa Việt Nam (cụ thể cho công trình biển khai thác khí tại vùng mỏ Hàm Rồng – Thái Bình). 2 4. Nội dung nghiên cứu Tổng quan về các phƣơng pháp phân tích mỏi công trình biển bằng thép và một số vấn đề liên quan. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để phân tích đánh giá mỏi cho công trình biển bằng thép, đƣa ra quy trình phân tích mỏi bằng phần mềm máy tính và áp dụng cho công trình biển tại Việt Nam. Áp dụng số đánh giá mỏi cho công trình TBDP-A tại mỏ Hàm Rồng – Thái Bình trong hai giai đoạn: mới xây dựng và sau 2 năm khai thác (có lắp đặt thêm thiết bị) 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu phƣơng pháp luận về phân tích đánh giá mỏi. Vận dụng phƣơng pháp luận và khả năng của phần mềm chuyên dụng để phân tích tuổi thọ mỏi của công trình theo các quy phạm hiện hành và đƣa ra đánh giá. 6. Ý nghĩa của đề tài Đề tài nghiên cứu về phƣơng pháp luận phân tích mỏi kết cấu công trình biển cố định theo quy tắc tổn thất tích lũy của Palmgreen – Miner. Phân tích tuổi thọ mỏi cụ thể cho công trình biển cố định bằng thép giúp kỹ sƣ nắm rõ bản chất, ý nghĩa và phƣơng pháp phân tích tuổi thọ mỏi của công trình khi thiết kế mới và đánh giá lại. 7. Kết quả đạt đƣợc của đề tài Tổng quan phƣơng pháp luận trong phân tích mỏi công trình biển bằng thép. Đƣa ra kết quả phân tích mỏi của công trình biển TBDP-A mỏ Hàm Rồng – Thái Bình giai đoạn mới xây dựng bằng phần mềm máy tính theo các quy phạm hiện hành. Đánh giá lại giàn TBDP-A trong thời gian sau hai năm khai thác theo trạng thái giới hạn mỏi. Nhận xét sự ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng biển và các yếu tố khác đến quá trình và kết quả phân tích mỏi công trình biển đang khai thác. 3 1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ MỎI KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP Hiện nay trên thế giới, công nghệ khoa học ngày càng tiến bộ, con ngƣời luôn tìm kiếm cơ hội khai thác nguồn năng lƣợng mà dầu khí là nguồn năng lƣợng quan trọng, họ tìm kiếm năng lƣợng trong những môi trƣờng khắc nghiệt nhất trong đó có biển. Con ngƣời dần dần chinh phục những vùng biển sâu hàng trăm, thậm chí hàng nghìn mét. Đi cùng với đó là cải tiến công nghệ khai thác và xây dựng mỏ, luôn phải đối đầu với những thách thức khó khăn của biển. Có những công trình tồn tại hàng chục năm cũng có những công trình vừa mới xây dựng một thời gian ngắn đã hƣ hỏng. Ngoài những điều kiện biển khắc nghiệt nhƣ bão, động đất, sóng thần thì sóng hàng năm cũng gây ra mỏi làm giảm tuổi thọ của công trình. Hình 1-1. Những giàn khoan kiểu Jacket xây dựng ở những vùng biển sâu nhất trên thế giới (nguồn: www.offshore-mag.com cập nhật đến năm 2009) 4 Giàn Bullwinkle là công trình biển thép cố định đƣợc xây dựng tại vùng nƣớc 412 mét, là giàn cố định sâu nhất trên thế giới tính đến hiện tại. Tổng chiều cao của công trình là 529 mét, giàn đƣợc xây dựng tại vùng biển vịnh Mêxico. Tổng chi phí ƣớc tính khoảng 500.000.000 USD (nguồn Wikipedia). Tại Việt Nam, từ khi ngành Công trình biển ra đời, Liên doanh Vietsovpetro là đơn vị đầu tiên xây dựng và khai thác dầu, khí trên thềm lục địa Việt Nam, bắt đầu từ năm 1986 ở mỏ Bạch Hổ với độ sâu nƣớc 50 m, đến nay đã phát triển khai thác trên 10 mỏ với tổng sản lƣợng trên 200 triệu tấn dầu thô và 30 tỷ mét khối khí. Hình 1-2. Tiềm năng dầu khí Việt Nam (nguồn Internet) Những công trình giàn khai thác chủ yếu là những công trình bằng thép dạng Jacket đƣợc xây dựng tại vùng nƣớc nông (cỡ hàng chục mét), ngày nay Việt Nam đã tiến ra biển sâu hơn, đã khai thác đƣợc ở vùng biển sâu từ 100 – 120 mét và trong tƣơng lai sẽ tiến xa hơn. Nhƣ vậy, ngành công trình biển sẽ phải đặt ra rất nhiều bài toán kỹ thuật – kinh tế mới. Hiện nay có hai phƣơng án cần xem xét đó là “thiết kế mới” và “đánh giá lại” nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và giảm chi phí đầu tƣ. Hai phƣơng án này đều phải thực hiện hai bài toán quan trọng đó là đánh giá bền và đánh giá mỏi, trong đó 5 đánh giá mỏi là bài toán cần thiết cho phƣơng án “đánh giá lại” để khắc phục kéo dài tuổi thọ công trình mà tiết kiệm chi phí đầu tƣ mới. Hình 1-3. Một số giàn Jacket điển hình xây dựng tại vùng biển Việt Nam (nguồn: www.offshore.vn) Sau đây, luận văn xin trình bày phƣơng pháp phân tích đánh giá mỏi cho công trình biển cố định bằng thép áp dụng cho công trình TBDP-A khai thác khí tại mỏ Hàm Rồng – Thái Bình trong hai giai đoạn: vừa mới hoàn thành xây dựng và sau hai năm khai thác và một số đánh giá. 1.1 Hiện tƣợng phá hủy mỏi trong kết cấu 1.1.1 Khái niệm về hiện tƣợng mỏi Khi kết cấu chịu tác động của tải trọng lặp có chu kỳ thì nó có thể bị phá hủy mặc dù tại thời điểm đó, ứng suất trong kết cấu không đạt đến giới hạn phá hoại của vật liệu. Hiện tƣợng phá hoại này là do dƣới tác động lặp lại nhiều lần của ứng suất, vật liệu kết cấu cấu bị mỏi, xuất hiện các vết nứt, các vết nứt phát triển dần cả về độ sâu và bề rộng đến khi tiết diện bị giảm yếu và phá huỷ hoàn toàn kết cấu. 6 1.1.2 Điều kiện để xảy ra phá hủy mỏi trong kết cấu  Điều kiện cần Tải trọng tác động có giá trị thay đổi có chu kỳ. Vật liệu làm kết cấu không đồng nhất hoặc kết cấu có khuyết tật khi chế tạo.  Điều kiện đủ Số chu trình lặp lại của mức ứng suất nào đó đủ lớn để gây mỏi. Nếu số gia ứng suất càng lớn thì cần càng ít chu trình đã gây ra mỏi, nếu số gia ứng suất càng nhỏ thì cần càng nhiều chu trình hơn. 1.2 Các giai đoạn của hiện tƣợng phá hủy mỏi  Giai đoạn 1: Giai đoạn hình thành vết nứt. Với số chu trình N1 đủ lớn thì kết cấu bắt đầu xuất hiện các vết rạn nhỏ tại các vị trí xung yếu nhất.  Giai đoạn 2: Giai đoạn lan truyền vết nứt. Khi số chu trình ứng suất tăng lên N2>N1, vết nứt đƣợc lan truyền chậm, thời gian lan truyền vết nứt là (N2-N1)Tm. Trong đó Tm là chu kỳ trung bình của ứng suất tại điểm xét.  Giai đoạn 3: Giai đoạn phá hủy kết cấu Vết nứt lan truyền rất nhanh và dẫn đến cấu kiện bị phá huỷ tại mặt cắt đó. 1.3 Đặc điểm của công trình biển dẫn đến phát sinh hiện tƣợng mỏi  Tải trọng sóng tác dụng lên công trình là tải trọng thay đổi có chu kỳ và tác động lặp lại trong suốt thời gian tồn tại của công trình.  Vật liệu thép ống chế tạo tại nhà máy nhƣng đƣợc thi công hàn tại công trƣờng vì vậy không tránh khỏi khuyết tật. 1.4 Các tác động gây mỏi Nói chung tất cả các bộ phận của kết cấu công trình biển chịu tải trọng có chu kỳ lặp đi lặp lại đều phải tính toán kiểm tra mỏi. Mọi sự thay đổi của ứng suất có thể 7 gây ra mỏi đều phải đƣợc kể đến khi thiết lập phân bố dài hạn của biên độ ứng suất. Các tác động có giá trị thay đổi có thể xảy ra trong tất cả giai đoạn của đời sống công trình. Bảng 1-1. Các nguồn tác động gây ra mỏi Kết cấu bị ảnh hƣởng Nguồn gây mỏi Sóng (Dòng chảy) Kết cấu chân đế, cọc Dòng chảy xoáy Phần tử mảnh, conductor Sóng đập Mạng lƣới thanh trên MSL Vật nổi gây va đập Vùng nƣớc bắn Vận chuyển Kết cấu chân đế (Chỉ áp dụng cho kéo thời gian dài) Gió (Rối) Tháp, cầu, cần đốt khí Nhiệt Cần đốt khí Thiết bị xoay Kết cấu đỡ Cần cẩu Bệ đỡ Đóng cọc Kết cấu phụ trợ gắn vào Lực thủy tĩnh Vật có đƣòng kính lớn gần vùng sóng Tải trọng sóng thƣờng là nguyên nhân chủ yếu gây ra phá hủy mỏi mỏi trong các công trình biển mà ta cần xét đến. Ngoài ra đối với các phần tử nằm lân cận vùng nƣớc lặng cần phải kể đến sự biến thiên có chu kỳ của lực đẩy nổi và tải trọng sóng vỗ. Ảnh hƣởng của dòng chảy cũng đƣợc kể đến khi tính toán tác động của sóng. 1.5 Các phƣơng pháp tính toán mỏi 1.5.1 Phƣơng pháp dựa trên quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner Phƣơng pháp này dựa trên tỉ số tổn thất mỏi tích lũy trong các trạng thái biển xảy ra trong đời sống công trình. Đây là một phƣơng pháp phổ biến nhất đƣợc các tiêu