Tài liệu Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của nhịp treo đường ống biển áp dụng vào thực tế việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Vũ Văn Duy NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CỦA NHỊP TREO ĐƯỜNG ỐNG BIỂN, ÁP DỤNG VÀO THỰC TẾ VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ Thuật Công trình biển Mã số: 60.58.02.03 Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Phạm Hiền Hậu Hà Nội - 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 chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Vũ Văn Duy LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: - Cô giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Hiền Hậu, người đã tận tình dìu dắt, giúp đỡ, cổ vũ, động viên và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. - Tập thể cán bộ giảng dạy của Trường Đại học Xây dựng, đặc biệt là các giảng viên của Khoa Xây dựng Công trình biển và Dầu khí – Trường Đại học Xây dựng, đã truyền đạt những kiến thức quí báu cho tôi trong quá trình học tập và làm luận văn. - Khoa sau Đại học – Trường Đại học xây dựng đã giúp đỡ các thủ tục cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, tôi xin chân thành cám ơn gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong cuộc sống, học tập và công tác. Hà Nội, tháng 01 năm 2018 Học viên Vũ Văn Duy MỤC LỤC KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ..........................................................................................i DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................ix MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐƢỜNG ỐNG BIỂN VÀ HIỆN TƢỢNG HÌNH THÀNH NHỊP TREO. ..................................................................................3 1.1 Tổng quan về đƣờng ống biển. .........................................................................3 1.2 Giới thiệu hệ thống đƣờng ống biển Việt Nam ...............................................7 1.3 Hiện tƣợng mỏi nhịp treo đƣờng ống biển. ...................................................10 1.3.1 Hiện tượng xuất hiện nhịp treo. ...................................................................10 1.3.2 Hiện tượng mỏi đường ống biển. .................................................................12 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ PHƢƠNG PHÁP LUẬN PHÂN TÍCH MỎI ĐƢỜNG ỐNG .........................................................................................................15 2.1 Các bài toán mỏi nhịp treo .............................................................................15 2.2 Lý thuyết tổn thƣơng tích lũy của Palmgren – Miner .................................17 2.3 Phƣơng pháp phân tích mỏi tiền định ...........................................................20 2.4 Phân tích mỏi bằng phƣơng pháp phổ. .........................................................22 2.4.1 Trường hợp phổ ứng suất dải hẹp................................................................24 2.4.2 Trường hợp hàm mật độ phổ ứng suất dạng dải rộng. ................................28 2.5 Phân tích mỏi theo tiêu chuẩn DnV. ..............................................................29 2.5.1 Các chỉ tiêu phân tích mỏi ...........................................................................29 2.5.2 Các hệ số an toàn ........................................................................................36 2.5.3 Mô hình phản ứng ........................................................................................37 2.5.4 Mô hình lực tác dụng ...................................................................................44 2.6 Các số liệu đầu vào phục vụ tính mỏi đƣờng ống biển ................................51 2.6.1 Hệ thống hóa các loại vật liệu làm đường ống biển ...................................51 2.6.2 Đường cong mỏi S-N cho vật liệu làm đường ống biển ..............................55 2.6.3 Hình học và liên kết .....................................................................................61 2.6.4 Điều kiện môi trường ...................................................................................70 CHƢƠNG 3 XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH TÍNH MỎI TRÊN MATHCAD VÀ ỨNG DỤNG TÍNH MỎI NHỊP TREO CHO ĐƢỜNG ỐNG BIỂN VIỆT NAM ..........................................................................................................91 3.1 Giới thiệu phần mềm mathcad.......................................................................91 3.2 Chƣơng trình tính chiều dài nhịp treo cho phép theo mỏi sơ bộ. ...............91 3.3 Chƣơng trình toán mỏi chi tiết.......................................................................92 3.4 Ứng dụng tính mỏi nhịp treo cho đƣờng ống biển Việt Nam ......................93 3.4.1 Giới thiệu về tuyến ống PL-BD1 .................................................................93 3.4.2 Số liệu đầu vào.............................................................................................94 3.4.3 Kết quả điều kiện không cần kiểm tra mỏi ..................................................94 3.4.4 Kết quả tính mỏi chi tiết...............................................................................96 KẾT LUẬN ..............................................................................................................99 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................100 i KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ak Tham số đếm hạt mưa A IL Ứng suất biên độ đơn vị theo hướng nội dòng (In-line) A CF Ứng suất biên độ đơn vị theo hướng vuông góc với dòng (Cross-flow) A y.D Tỷ số chuyển vị lớn nhất so với D theo hướng dòng b Hằng số tuyến tính bk Parameter for rain-flow couting factor Ca Hệ số nước kèm CD Hệ số cản CM Hệ số quán tính CL Hệ số độ cứng hông của nền đất CV Hệ số độ cứng vuông góc của nền đất d Độ sâu nước D Tổng đường kính ngoài của ống Dfat.CF Tổn thất mỏi do các dao động dòng xoáy hướng vuông góc với dòng Dfat.IL Tổn thất mỏi do các dao động dòng xoáy hướng nội dòng DFM Tổn thất mỏi do sóng Ds Đường kính ngoài của thép ống E Mô đun đàn hồi EI Độ cứng uốn e Khoảng cách giữa ống và đáy biển ii fn.IL Tần số riêng thứ n của nhịp hẫng theo hướng in-line fn.CF Tần số riêng thứ n của nhịp hẫng theo hướng cross-flow fv Tần số dao động trội fweibull Hàm phân phối g Gia tốc trọng trường gD Số hạng lực cản gI Số hạng lực quán tính Heff Lực kéo tương đương Hs Chiều cao sóng đáng kể I Mômen quán tính Ic Mật độ chảy rối trên 30 phút k Độ nhám của bê tông kc Hệ số thực nghiệm kể đến sự biến dạng/trượt của lớp bê tông KL Độ cứng động của nền đất theo phương ngang KV Độ cứng động của nền đất theo phương đứng KC Số Keulegan Carpenter KS Tham số độ ổn định Leff Chiều dài nhịp tương đương me Khối lượng hiệu dụng trên một đơn vị chiều dài M uu Mômen của phổ sóng Nsw Số chu trình ứng suất khi đường cong ứng suất S-N thay đổi độ dốc iii Pcr Lực nén tới hạn Euler's RD Hệ số rút gọn do hướng lan truyền sóng Rk Hệ số rút gọn do cản Rk Hệ số rút gọn do cản S Biên độ ứng suất Ssw Ứng suất tại điểm giao nhau giữa hai đường cong S-N Seff Lực dọc trục tương đương S Mật độ phổ sóng Sss Phổ ứng suất Suu Phổ vận tốc sóng St Số Strouhal t Chiều dày thành ống Tp Chu kỳ đỉnh sóng Tu Chu kỳ cắt không Uc Vận tốc dòng chảy tác dụng lên đường ống Uw Vận tốc sóng tác dụng lên đường ống VR Vận tốc rút gọn z0 Độ nhám đáy biển zr Chiều cao tham chiếu Phillips Hằng số Phillips e Hệ số giãn nở nhiệt iv  Tham số hình dáng Weibull  Độ võng đường ống  Độ rộng phổ  Hàm Gamma  peak Hệ số tăng đỉnh cho phổ JONSWAP s Hệ số an toàn đối với biên độ ứng suất  CF Hệ số an toàn cho tiêu chuẩn kiểm tra mỏi ban đầu theo hướng cross-flow  IL Hệ số an toàn cho tiêu chuẩ n kiể m tra mỏi ban đầu theo hướng in-line k Hệ số an toàn cho tham số độ ổn định  on.IL Hệ số an toàn cho giá trị ban đầu của vận tốc rút gọn theo hướng in-line  on.CF Hệ số an toàn cho giá trị ban đầu của vận tốc rút gọn theo hướng cross-flow  RFC Hệ số đếm dòng mưa 1 Hệ số hình dáng  max Hệ số ứng suất tương đương  Hệ số nở ngang Poisson's của thép  soil Hệ số Poisson's của đất nền  Hàm phân phối tích lũy  Hàm phân phối k CM Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số nước kèm do độ nhám của ống trench CM Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số nước kèm do ảnh hưởng của đường ống trong hào CM proxi Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số nước kèm do ảnh hưởng của vùng lân cận v KC . CD trench CD Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số cản do ảnh hưởng của đường ống trong hào CM Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số nước kèm do ảnh hưởng của vùng lân cận CD Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số cản do số KC và hệ số vận tốc dòng chảy proxi KC . Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số cản do số KC và hệ số vận tốc dòng chảy trench CD CD VIV Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số cản do ảnh hưởng của đường ống trong hào Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số cản do dao động dòng xoáy theo hướng crossflow CD proxi Hệ số hiệu chỉnh cho hệ số cản do ảnh hưởng của vùng lân cận proxi.onset Hệ số hiệu chỉnh cho dao động dòng xoáy ban đầu theo hướng cross-flow do ảnh hưởng của vùng lân cận trench.onset Hệ số hiệu chỉnh cho dao động dòng xoáy ban đầu theo hướng cross-flow do ảnh hưởng của ống trong hào  .IL Hệ số hiệu chỉnh cho dao động ban đầu theo hướng in-line do sóng  Mật độ khối lượng của nước  Ứng suất s Ứng suất của nền đất tương đương rel Góc tương quan giữa dòng chảy và hướng của đường ống T Hệ số cản tổng cộng của mô hình soil Hệ số cản do ma sát của đất str Hệ số cản do kết cấu h Hệ số cản thủy động vi n Tần số góc riêng  Tần số góc sóng p Tần số góc phổ đỉnh sóng vii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Phân loại đường ống 3 Hình 1.2 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở châu Âu 4 Hình 1.3 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở Nga 5 Hình 1.4 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở Bắc Mỹ 5 Hình 1.5 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở Đông Nam Á 6 Hình 1.6 Các bồn trũng chứa dầu khí ở Việt Nam 7 Hình 1.7 Vị trí mỏ Bạch Hổ 7 Hình 1.8 Các hệ thống đường ống ở khu vực Nam Bộ 8 Hình 1.9 Nhịp treo đường ống ngầm 10 Hình 2.1 Sơ đồ khối tính tuổi thọ mỏi của nhịp treo 15 Hình 2.2 Sơ đồ khối tính chiều dài nhịp cho phép của đường ống 16 Hình 2.3 Đường cong mỏi 19 Hình 2.4 Đường cong mỏi nhiều độ dốc 20 Hình 2.5 Phương pháp phân tích mỏi tiền định 22 Hình 2.6 Đồ thị hàm phân phối của số gia ứng suất 23 Hình 2.7 Phương pháp hàm mật độ phân tích mỏi cho quá trình dải hẹp 28 Hình 2.8 Sơ đồ khối kiểm tra nhịp treo 35 Hình 2.9 Mô hình phản ứng theo hướng dòng 41 Hình 2.10 Định nghĩa các kích thước trong rãnh 44 Hình 2.11 Mô hình phản ứng vuông góc với hướng dòng 44 Hình 2.12 Giá trị giảm của độ bền chảy do nhiệt độ 53 Hình 2.13 Các đường cong mỏi cho vật liệu làm việc trong không khí 57 Hình 2.14 Các đường S-N cho vật liệu làm việc trong nước biển, có catốt bảo vệ 58 Hình 2.15 Chu trình ứng suất mà phân tích mỏi chi tiết có thể được bỏ qua 60 Hình 2.16 Chu trình ứng suất mà phân tích mỏi chi tiết là bắt buộc 61 Hình 2.17 Ống qua hố lõm 61 Hình 2.18 Mô hình liên kết khớp 62 Hình 2.19 Mô hình liên kết ngàm 64 viii Hình 2.20 Mô hình ngàm đàn hồi 65 Hình 2.21 Quan hệ ứng suất biến dạng của phần tử gối tựa đứng 66 Hình 2.22 Hệ số tỉ lệ k3 67 Hình 2.23 Mô hình hóa liên kết bằng các phần tử thanh 67 Hình 2.24 Mô hình hóa liên kết bằng các lò xo 67 Hình 2.25 Hệ số k2 theo chỉ số dẻo của đất 68 Hình 2.26 Profil sóng tuyến tính Airy 71 Hình 2.27 Mức đường ống (Pipeline level) 72 Hình 2.28 Chế độ dòng chảy 77 Hình 2.29 Vận tốc dòng chảy tổng cộng 78 Hình 2.30 Phân vùng dòng chảy 79 Hình 2.31 Profil vận tốc dòng chảy 81 Hình 2.32 Bản đồ phân bố sóng thế giới 85 Hình 2.33 Dao động do gây ra do tách xoáy 87 Hình 2.34 Hình ảnh tách xoáy trong phần mềm mô phỏng 87 Hình 2.35 Số Strouhal đối với hình trụ tròn là hàm của số Reynolds 88 Hình 2.36 Hệ số lực kích động Cf là hàm của số Keulegan-Carpenter KC 89 Hình 3.1 Các hạng mục dự án Biển Đông 93 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thống kê số lượng nhịp treo 12 Bảng 2.1 Các hệ số an toàn của đường ống 36 Bảng 2.2 Độ nhám bề mặt ống 50 Bảng 2.3 Các giới hạn bền đặc trưng của đường ống làm bằng thép C-Mn 52 Bảng 2.4 Tính chất cơ học của đường ống làm bằng thép C-Mn 54 Bảng 2.5 Tính chất cơ học của đường ống thép không không gỉ duplex 54 Bảng 2.6 Đường cong S-N cho vật liệu làm việc trong không khí 56 Bảng 2.7 Các đường S-N cho vật liệu làm việc trong nước biển, có catốt bảo vệ 57 Bảng 2.8 Các đường cong S-N cho vật liệu bị ăn mòn tự do 58 Bảng 2.9 Phân loại mối hàn ống 59 Bảng 2.10 Các hệ số điều kiện biên cho liên kết ống – đất nền 64 Bảng 2.11 Thông số kĩ thuật tiêu biểu của cát 69 Bảng 2.12 Thông số địa kĩ thuật tiêu biểu của sét 69 Bảng 2.13 Chế độ dòng chảy 76 Bảng 2.14 Độ gồ ghề đáy biển 80 Bảng 3.1 Thông số đường ống 94 Bảng 3.2 Chiều dài tối đa nhịp treo (Dựa vào đánh giá mỏi) 94 Bảng 3.3 So sánh số liệu khảo sát với điều kiện chiều dài tối đa nhịp treo 96 Bảng 3.4 Bảng kết quả tuổi thọ 98 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Hiện nay có hàng trăm ngàn cây số đường ống biển được xây dựng nhằm mục đích vận chuyển các chất liên quan đến công nghiệp khai thác dầu khí như sản phẩm khí, sản phẩm dầu, nước… giữa các giàn khoan với nhau, giữa giàn khoan với các cụm đấu nối ngầm (đường ống nội mỏ) hoặc từ giàn khoan ngoài khơi vào đất liền (đường ống từ mỏ vào bờ). Thông thường công trình đường ống được đặt trên đáy biển (unburied method) mà không có sự bảo vệ neo giữ nào khác, ngoại trừ một số tuyến ống được vùi dưới hào (buried method) vì những lí do đặc biệt (tăng cường ổn định vị trí, tuyến ống nằm trong khu vực có nhiều hoạt động quân sự, khai thác hải sản…). Cộng với đặc điểm công trình trải dài trên một diện tích địa lý lớn (chiều dài tuyến ống từ vài km đến vài trăm km), chịu tác động của các tải trọng phức tạp (sóng, dòng chảy…) đường ống là đối tượng chịu rất nhiều tác động tiêu cực sau khi được đưa vào vận hành. Hàng năm chi phí cho công tác bảo dưỡng kiểm tra định kỳ và khắc phục những tổn thất gây ra cho đường ống bởi những yếu tố nêu trên là rất lớn. Một trong số đó là sự hình thành nhịp treo. Nhịp treo là đoạn ống ngầm dưới biển, lộ trên mặt đáy và tách rời một phần khỏi đáy biển. Nhịp treo có thể được hình thành theo nhiều dạng khác nhau. Đường ống có nhịp treo lâu ngày dưới tác động lặp bởi ứng suất của môi trường sẽ gây ra hiện tượng mỏi đường ống. Đây là một hiện tượng cực kỳ nguy hiểm cho tuổi thọ của đường ống và rất khó xác định được. Vì vậy, việc phân tích, đánh giá và phát hiện ra những vị trí có nhịp treo trong giai đoạn thiết kế và vận hành để từ đó có biện pháp khắc phục là cần thiết và quan trọng đối với tính an toàn và tuổi thọ của đường ống. Trên thế giới cũng như Việt Nam hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về mỏi kết cấu nhưng các dự án đường ống của Việt Nam mới chỉ đơn thuần là dự tính chiều dài nhịp cho phép chứ chưa đi sâu vào việc phân tích phá hủy mỏi của đường ống có nhịp treo. Cộng thêm điều kiện đáy biển Việt Nam rất phức tạp và có rất nhiều công trình 2 đường ống biển hiện tại và trong tương lai cho nên vấn đề này cần thiết được nghiên cứu và tính toán. Đề tài: “ Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của nhịp treo đường ống biển, áp dụng vào thực tế Việt Nam” sẽ đi sâu vào nghiên cứu tuổi thọ mỏi của nhịp treo đồng thời xây dựng chương trình tính tuổi thọ mỏi trên phần mềm mathcad. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 2. - Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi của nhịp treo đường ống biển, xây dựng chương trình tính toán trên mathcad và áp dụng vào thực tế Việt Nam. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU: 3. 4. - Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ mỏi đường ống biển Xây dựng tính mỏi trên phần mềm mathcad Ứng dụng thực tiễn vào đường ống biển Việt Nam. Đề xuất một số giải pháp để chống lại hiện tượng mỏi đường ống biển. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Thu thập số liệu, điều tra khảo sát. Tổng hợp, phân tích số liệu. Nghiên cứu phương pháp luận về phân tích đánh giá mỏi. Vận dụng phương pháp luận và xây dựng chuỗi công thức để phân tích tuổi thọ mỏi của công trình theo các quy phạm hiện hành và đưa ra đánh giá. 5. PHẠM VI VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU: - 6. - 7. - Đối tượng: Nhịp treo đường ống biển. Phạm vi: Nghiên cứu phương pháp luận bài toán mỏi kết cấu đường ống có nhịp treo áp dụng thực tế vào Việt Nam (Cụ thể là đường ống PL-BD1). Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI: Đề tài nghiên cứu về phương pháp luận phân tích mỏi đường ống biển. Phân tích tuổi thọ mỏi cụ thể cho công trình đường ống biển giúp kỹ sư nắm rõ bản chất, ý nghĩa và phương pháp phân tích tuổi thọ mỏi của nhịp treo đường ống biển khi thiết kế mới và đánh giá lại. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC CỦA ĐỀ TÀI: Tổng quan phương pháp luận trong phân tích mỏi nhịp treo đường ống biển. Lập chương trình tính toán mỏi trên phần mềm Mathcad. Đánh giá lại các nhịp treo của đường ống PL-BD1 và đề xuất các nhịp treo cần phải gia cố. 3 CHƢƠNG 1 1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐƢỜNG ỐNG BIỂN VÀ HIỆN TƢỢNG HÌNH THÀNH NHỊP TREO. Tổng quan về đƣờng ống biển. Hiện tại trên thế giới có rất nhiều loại đường ống dẫn. Các loại đường ống dẫn dầu và khí đốt có thể được tóm tắt như sau: Hình 1.1 Phân loại đường ống Việc sử dụng đường ống đầu tiên để vận chuyển hydrocacbon được ghi lại là ở Trung Quốc: khoảng 2.500 năm trước đây, người Trung Quốc đã sử dụng ống tre để vận chuyển khí đốt tự nhiên từ các giếng cạn dùng để đun nước biển tách muối. Ngày hôm nay của ngành công nghiệp dầu và đường ống dẫn khí có nguồn gốc từ trong ngành dầu khí. Dầu đã được khoan ở Baku, Azerbaijan vào năm 1848, và ở Ba Lan vào năm 1854, nhưng công cuộc khai thác và thương mại hóa chính thức đầu tiên bằng cách sử dụng đường ống dẫn dầu bắt đầu cách đây 150 năm ở Mỹ, bởi một số người như Đại tá Drake. Năm 1865, một đường ống dẫn dầu đường kính 6 inch (152mm) (không có máy bơm) được xây dựng ở bang Pennsylvania, Hoa Kì, vận chuyển 7.000 thùng / ngày. Và từ đó hệ thống đường 4 ống dẫn dầu – khí phát triển mạnh mẽ. Những đường ống dẫn dầu dài bắt đầu được xây dựng vào thời điểm chuyển giao của thế kỷ 20. Nguồn lợi kinh doanh dầu và khí đốt là rất lớn, và nó sẽ trở nên ngày càng lớn hơn. Theo ước tính đường ống trên thế giới mở rộng có thể lên đến khoảng 7% mỗi năm trong vòng 15 năm tới. Bản đồ một số hệ thống đường ống trên thế giới: (theo http://www.theodora.com) - Tại châu Âu Hình 1.2 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở châu Âu 5 - Tại Nga: Hình 1.3 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở Nga - Tại Bắc Mỹ: Hình 1.4 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở Bắc Mỹ 6 - Khu vực Đông Nam Á: Hình 1.5 Bản đồ đường ống dẫn dầu khí ở Đông Nam Á