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

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 ..... Mục đích và giới hạn nghiên cứu Phân tích, đánh giá tuổi thọ mỏi cho

NGUYỄN NGỌC VƯƠNG

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 hướng dẫn: PGS TS Phạm Hiền Hậu

Hà Nội – 01/2018

Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Nguyễn Ngọc Vương

dẫn tận tình của các quý Thầy, Cô cũng như sự ủng hộ, động viên của bạn bè, gia đình và người thân Tác giả xin gửi những lời cảm ơn tới tất cả mọi người trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận văn Thạc sĩ

Trước hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS, TS Phạm Hiền Hậu, người đã trực tiếp hướng 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 - Trưởng 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 Cường 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

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

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ MỎI KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP 3

1.1 Hiện tượng phá hủy mỏi trong kết cấu 5

1.1.1 Khái niệm về hiện tượng mỏi 5

1.1.2 Điều kiện để xảy ra phá hủy mỏi trong kết cấu 6

1.2 Các giai đoạn của hiện tượng phá hủy mỏi 6

1.3 Đặc điểm của công trình biển dẫn đến phát sinh hiện tượng mỏi 6

1.4 Các tác động gây mỏi 6

1.5 Các phương pháp tính toán mỏi 7

1.5.1 Phương pháp dựa trên quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner 7

1.5.2 Phương 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

CHƯƠNG 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

2.1.1 Các phương 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 đường 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

CHƯƠNG 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 trường 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 Chương 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 chương 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

CHƯƠNG 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 Phương 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 phương 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

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT

thép đƣợc sử dụng phổ biến

ˆ

Tz Chu kỳ sóng trung bình cắt không

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 Đường 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 nước 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 H Q (f)và H M (f) (đại diện hướng 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 đường S-N – Nút R021 75

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 Đường cong mỏi S-N cho ống thép trong môi trường không khí và môi trường nước biển có bảo vệ catot [29] 35

Hình 2-14 Kết quả thí nghiệm đường cong mỏi S-N trong không khí [25] 36

Hình 2-15 Kết quả thí nghiệm đường cong mỏi S-N trong môi trường nước biển có bảo vệ Ca-tốt [25] 37

Hình 2-16 Đường 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

Hình 3-3 Giàn khai thác khí Thái Bình TBDP-A 49

Hình 3-4 Cấu trúc giàn – Hướng nhìn từ trên xuống 50

Hình 3-5 Cấu trúc chân đế - Hướng 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

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 tượng mỏi, gây phá hủy kết cấu ngay cả khi kết cấu chưa 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 sư thiết kế kết cấu các giàn khoan biển Trong những năm qua, đã xảy ra nhiều trường hợp phá hủy do mỏi và các vết nứt do mỏi đã được 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 hư hỏng để có biện pháp sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng trong quá trình vận hành công trình

Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế công trình biển như Bureau Veritas, DNV, Lloyd’s Register và API RP 2A… đòi hỏi kết cấu chân đế dạng Jacket đều phải được 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 phương pháp phổ và đưa 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 tượng 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 phương 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)

4 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan về các phương 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, đưa 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 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu phương pháp luận về phân tích đánh giá mỏi

Vận dụng phương 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 đưa ra đánh giá

6 Ý nghĩa của đề tài

Đề tài nghiên cứu về phương 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 sư nắm

rõ bản chất, ý nghĩa và phương pháp phân tích tuổi thọ mỏi của công trình khi thiết

kế mới và đánh giá lại

7 Kết quả đạt được của đề tài

Tổng quan phương pháp luận trong phân tích mỏi công trình biển bằng thép

Đưa 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 hưởng của các yếu tố môi trường biển và các yếu tố khác đến quá trình và kết quả phân tích mỏi công trình biển đang khai thác

1 CHƯƠNG 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 người luôn tìm

kiếm cơ hội khai thác nguồn năng lượng mà dầu khí là nguồn năng lượng quan

trọng, họ tìm kiếm năng lượng trong những môi trường khắc nghiệt nhất trong đó có

biển Con người 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

hư hỏng Ngoài những điều kiện biển khắc nghiệt như 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)

Giàn Bullwinkle là công trình biển thép cố định được xây dựng tại vùng nước 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 được xây dựng tại vùng biển vịnh Mêxico Tổng chi phí ước

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 nước 50 m, đến nay đã phát triển khai thác trên

10 mỏ với tổng sản lượng 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 được xây dựng tại vùng nước nông (cỡ hàng chục mét), ngày nay Việt Nam đã tiến

ra biển sâu hơn, đã khai thác được ở vùng biển sâu từ 100 – 120 mét và trong tương lai sẽ tiến xa hơn

Như vậy, ngành công trình biển sẽ phải đặt ra rất nhiều bài toán kỹ thuật – kinh tế mới Hiện nay có hai phương 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 tư Hai phương án này đều phải thực hiện hai bài toán quan trọng đó là đánh giá bền và đánh giá mỏi, trong đó

đánh giá mỏi là bài toán cần thiết cho phương án “đánh giá lại” để khắc phục kéo dài tuổi thọ công trình mà tiết kiệm chi phí đầu tư 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 phương 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 tượng phá hủy mỏi trong kết cấu

1.1.1 Khái niệm về hiện tượng 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 tượng phá hoại này là do dưới 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

1.1.2 Điều kiện để xảy ra phá hủy mỏi trong kết cấu

1.2 Các giai đoạn của hiện tượng 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 được lan truyền chậm, thời gian lan truyền vết nứt là (N2-N1)T m Trong đó T m 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 tượng 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 nhưng được thi công hàn tại công trường 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

gây ra mỏi đều phải được 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

Sóng (Dòng chảy) Kết cấu chân đế, cọc

Dòng chảy xoáy Phần tử mảnh, conductor

1.5 Các phương pháp tính toán mỏi

1.5.1 Phương pháp dựa trên quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner

Phương 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 phương pháp phổ biến nhất được các tiêu

chuẩn quốc tế khuyến nghị áp dụng cho giai đoạn thứ nhất và giai đoạn thứ hai của quá trình phá hoại do mỏi

1.5.2 Phương pháp dựa trên cơ học phá hủy

Phương pháp này dựa trên lý thuyết cơ học phá hủy để đánh giá quá trình lan truyền vết nứt do mỏi theo số chu trình tải trọng và từ đó cho phép dự bảo tuổi thọ mỏi của công trình Đây là phương pháp áp dụng cho giai đoạn thứ ba của quá trình phá hủy mỏi Phương pháp này hiện chưa được sử dụng rộng rãi và hiện đang được quan tâm nghiên cứu phát triển

1.6 Những khái niệm trong tính toán mỏi

1.6.1 Một số thuật ngữ

Ứng suất danh nghĩa là ứng suất được xác định từ các đặc trưng tiết diện các phần

tử và nội lực ở đầu phần tử

Ứng suất “điểm nóng” (“hot spot”) là ứng suất cục bộ cực đại, có vị trí liên kết

giữa các phần tử, tức là ở các vị trí không liên tục của kết cấu điển hình là nút ống (công trình biển bằng thép) Vị trí và giá trị chính xác của nó phụ thuộc vào dạng

hình học của liên kết và các điều kiện chịu tải

Chu kỳ trung bình qua mức không là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp đi qua

mức không với tiếp tuyến dương của một quá trình ngẫu nhiên xét theo thời gian

Sóng ngẫu nhiên là các sóng tạo nên sự biến động không đều của mặt biển và của

chuyển động của các phần tử nước trong môi trường biển Sóng ngẫu nhiên có thể được biểu diễn bằng tập hợp các sóng hình sin có chiều cao, chu kỳ, pha và các

hướng khác nhau

Sóng đều là sóng có một hướng với chuyển động của các phần tử nước gây ra do sự

biến động đều đặn của mặt biển

Trạng thái biển là một điều kiện mô tả sóng biển trong một khoảng thời gian xác

định sao cho có đặc tính được biểu diễn như một quá trình ngẫu nhiên dừng (còn

gọi là trạng thái biển ngắn hạn)

Chiều cao sóng đáng kể là chiều cao trung bình của 1/3 các con sóng có chiều cao

lớn nhất trong tổng số các con sóng quan sát được của một trạng thái biển

Hệ số tập trung ứng suất đối với một thành phần ứng suất nào đó xét tại một nút

ống là tỉ số giữa ứng suất điểm nóng và ứng suất danh nghĩa tại mặt cắt có chứa

điểm nóng

Phân phối dài hạn của số gia ứng suất là tất cả các biến động ứng suất xảy ra trong

toàn bộ đời sống công trình có biên độ và số chu trình đủ lớn để có thể gây ra phá

hủy mỏi

Đường cong mỏi S-N là đường cong biểu diễn các liên hệ thực nghiệm giữa biên độ

ứng suất và số chu trình ứng suất gây ra phá hủy mỏi

Giới hạn mỏi của vật liệu/kết cấu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng

suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệu/kết

cấu không bị phá hỏng

Hàm truyền có dạng một hàm của tần số, là tỉ số giữa một đại lượng phản ứng của

kết cấu và chiều cao sóng

1.6.2 Cấu tạo nút

1.6.2.1 Cấu tạo nút đơn giản

Loại nút ống đơn giản là loại liên kết có dạng đơn giản nối giữa một thanh chủ với

một hay một số thanh giằng, tại đó không nối chồng giữa các thanh giằng chính, không mở rộng đường kính, không có bản chắn hoặc các tấm gia cường

Hình 1-4 Cấu tạo điển hình của nút đơn giản 1.6.2.2 Phân loại các nút đơn giản

Trong kết cấu chân đế có nhiều loại liên kết tuỳ theo nội lực và hình dạng có các

dạng: KT, K, X, T, (xếp theo thứ tự ưu tiên khi tính toán) ảnh hưởng tới công thức

tính hệ số tập trung SCF

Dạng SCF có liên kết KT, liên kết với 3 thanh nhánh trong cùng một bên với thanh

chủ được xem như liên kết KT toàn phần hay bộ phận Đối với liên kết KT, lực dọc

trục trong thanh nhánh giữa và trong hai thanh nhánh hai bên được kiểm tra Nếu

lực dọc trục trong hai thanh nhánh hai bên đối với lực dọc trục trong thanh nhánh

giữa thì nút là nút KT, hơn nữa thì được xem là liên kết nhiều K

Liên kết KT: Đối với liên kết KT, lực cắt được lấy là giá trị nhỏ hơn

 Lực dọc trục chọc thủng ống chính của thanh nhánh trung tâm

 Hai lần lực dọc trục nhỏ hơn chọc thủng ống chính của ống nhánh bên

Thanh nhánh

Thanh chủ

Nếu lực chọc thủng thanh nhánh trung tâm bé hơn hai lần lực chọc thủng thanh nhánh bên, thì một nửa lực chọc thủng thanh nhánh trung tâm được truyền vào mỗi bên lực dọc trục của thanh nhánh bên và lực dọc trục thanh nhánh trung tâm bằng 0 Phần trăm nút KT là tỉ số giữa lực dọc trục được chuyển và lực dọc trục ban đầu Tải dọc trục còn lại trong ba thanh nhánh được xem như là nút K

Nút K: Khi lực dọc ở một ống giằng được cân bằng về cơ bản với lực dọc ở ống

giằng khác trong cùng mặt phẳng ở cùng một phía của ống chủ thì ống giằng đó được xem là kiểu K

Nút T: Khi lực dọc của ống giằng tác dụng như một lực cắt lên ống chủ thì ống

giằng đó được xem là kiểu T

Nút X: Trong các mối nối kiểu X, các ống giằng ở hai phía ống chủ có lực dọc bằng

nhau và ngược dấu Trường hợp đặc biệt, khi hai ống giằng vuông góc với ống chủ

T/Y được xem xét sau cùng: Thanh nhánh với lực chọc thủng ống chính không cân

bằng còn lại là nút T/Y

Đường truyền tải trọng được xác định là trung bình trọng số của nút KT, K,X,T/Y

Hình 1-5 Phân loại nút điển hình

1.6.2.3 Cấu tạo nút phức tạp

 Các nút ghép chồng: trong các nút này có một phần tải trọng truyền trực tiếp

từ thanh giằng này sang thanh giằng khác qua mối hàn ghép chồng

 Các nút có nhiều thanh giằng quy tụ: loại liên kết này có nhiều thanh giằng ở các mặt phẳng khác nhau có thể cồng lấn vào nhau để quy tụ tại nút, như:

được hàn trực tiếp vào thanh chủ, còn các thanh giằng phụ thì có cấu tạo ghép chồng nhau

 Dạng liên kết có thanh chủ mở rộng đường kính tại vị trí nút

 Dạng liên kết nút cầu

quá nhiều tại nút

 Các nút có gia cường bởi các gờ đặt phía trong hay phía ngoài ống

Hình 1-6 Cấu tạo một số nút phức tạp

1.7 Những tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến đánh giá mỏi

Hiện nay, rất nhiều nước trên thế giới đưa ra những tiêu chuẩn, quy phạm để thiết

kế, đánh giá những công trình biển khai thác dầu khí như:

 BV (Đăng kiểm Pháp);

 ISO (International Organization for Standardization) ;

Những tiêu chuẩn, quy phạm trên đều đưa ra những yêu cầu và khuyến nghị cho việc phân tích đánh giá mỏi công trình biển như:

Trên đây, tác giả đã trình bày tổng quát hiện tượng mỏi kết cấu công trình biển, đưa

ra một số khái niệm quan trọng và các phương pháp thường sử dụng để phân tích đánh giá mỏi phù hợp với các tiêu chuẩn quy phạm hiện hành

Sau đây, chương 2 sẽ chỉ tập trung trình bày phương pháp phân tích mỏi theo

Palmgreen - Miner (là phương pháp phổ biến nhất để phân tích mỏi trong giai

đoạn 1 và 2 của quá trình phá hủy mỏi)

2 CHƯƠNG 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 2.1 Phương pháp tính toán mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-

Miner

2.1.1 Các phương pháp tính toán mỏi

Trong tính toán thiết kế kết cấu công trình biển cố định bằng thép (tính toán bền,

tính toán mỏi…), người ta xét đến rất nhiều yếu tố tác động gây bất lợi cho công

trình Ngoài gió là yếu tố tác động phần kết cấu trên mặt nước, nó có thể gây ra tổn

thất mỏi cho một số kết cấu thượng tầng thì sóng và dòng chảy là hai tác động chủ

yếu gây tổn thất mỏi cho kết cấu chân đế

Lực sóng có tác động đáng kể vì độ lớn và tính chất chu kỳ của nó Lực này có tính

chất động và gây ra dao động cũng có tính chu kỳ của kết cấu Trong tính toán mỏi,

người ta thường bỏ qua những tải trọng tĩnh vì ta chỉ quan tâm đến số gia ứng suất,

tức là chỉ có phần biến động của ứng suất mới gây ra tổn thất mỏi

Chương này đề cập việc tính toán mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy của Palmgreen -

Miner dựa trên khuyến nghị của các tiêu chuẩn, quy phạm quốc tế như API – RP2A,

BV, DNV, Lloyd… Tùy theo điều kiện đầu vào là sóng tiền định hay sóng ngẫu

nhiên mà có các phương pháp tính toán tổn thất mỏi khác nhau:

2.1.1.1 Phương pháp tính toán mỏi tiền định

Là một phương pháp tính toán mỏi với điều kiện sóng đầu vào được biểu diễn dưới

dạng một loạt các sóng đều có chiều cao và chu kỳ các con sóng khác nhau Mỗi

một con sóng riêng biệt gây ra một số gia ứng suất, tức là gây ra một tổn thất mỏi

cho kết cấu Tổn thất mỏi tích lũy dài hạn được xác định bởi tập hợp số gia ứng suất

do các tải trọng sóng đều gây ra

2.1.1.2 Phương pháp tính toán mỏi ngẫu nhiên

Phương pháp phổ là một phương pháp xác suất, trong đó sóng được xem như các

quá trình ngẫu nhiên dừng và được biểu diễn bởi các trạng thái biển khác nhau mà mỗi trạng thái biển được đặc trưng bởi một phổ năng lượng Tổn thất mỏi tích lũy dài hạn được xác định bởi tổn thất gây ra do một tập hợp các trạng thái biển

Phương pháp này đòi hỏi giả thiết đã thực hiện tuyến tính hóa số hạng lực cản vận tốc trong phương trình Morison, đồng thời cũng phải tuyến tính hóa sự tương tác kết cấu và nền đất

Phương pháp mô phỏng là phương pháp xác suất thứ hai, trong đó quá trình ngẫu

nhiên của sóng được biểu diễn bởi các hàm tiền định theo thời gian (tức là tập hợp các thể hiện của các quá trình ngẫu nhiên đó) Do vậy, phản ứng của kết cấu được xác định trong miền thời gian Các số liệu ban đầu ở đây cũng chính là các số liệu được dùng trong phương pháp phổ (chiều cao sóng đáng kể H s , chu kỳ sóng cắt không của sóng T z và các phổ năng lượng của sóng)

2.1.2 Trình tự phân tích mỏi

2.1.2.1 Biểu diễn môi trường sóng biển

Là biểu diễn tập hợp sóng của tất cả các trạng thái biển có thể xảy ra trong đời sống của công trình Tập hợp sóng này có thể được biểu diễn dưới hai dạng:

2.1.2.2 Thực hiện tính toán kết cấu xác đinh ứng suất danh nghĩa

Xác định phản ứng của kết cấu bằng các phương pháp tiền định hay ngẫu nhiên để xác định nội lực trong kết cấu từ đó xác định ứng suất danh nghĩa trong các phần tử kết cấu do lực sóng gây ra, đó là các sóng điển hình có thể xảy ra trong đời sống công trình

2.1.2.3 Xác định ứng suất cục bộ

Tại vị trí liên kết các ống cho phép xác định ứng suất tại điểm nóng ở vị trí các giao diện tại nút ống bằng cách sử dụng thích hợp các hệ số tập trung ứng suất (SCF)

2.1.2.4 Lựa chọn đường cong mỏi S-N

Lựa chọn thích hợp các đường cong mỏi để tính toán tỉ số tổn thất tích lũy tại điểm nóng

2.1.2.5 Xác định phân phối dài hạn của số gia ứng suất

Phân phối dài hạn của số gia ứng suất được xác đinh từ phân phối ngắn hạn số gia ứng suất, phân phối ngắn hạn số gia ứng suất được xác định từ các trạng thái biển

ngắn hạn

2.1.2.6 Xác định tổn thất mỏi tích lũy

Thực hiện các phép đếm để xác định số chu trình ứng suất gây ra mỏi

Sử dụng quy tắc Palmgreen - Miner có kể đến việc xem xét các hiệu ứng của ứng suất toàn thể và ứng suất cục bộ Các ứng suất cần phải được tổ hợp theo sự phân phối dài hạn của ứng suất

2.1.2.7 Xác định tuổi thọ mỏi thiết kế

Đối với từng nút và từng phần tử, tuổi thọ tính toán phải ít nhất gấp hai lần đời sống khai thác dự kiến của công trình, tức là lấy hệ số an toàn SF = 2.0

Đối với đời sống mỏi thiết kế nói chung, tỉ số tích lũy tổn thất mỏi không được vượt quá giá trị đơn vị (D ≤ 1.0)

Trình tự phân tích mỏi công trình biển cố định bằng thép được thực hiện theo sơ đồ

hình 2.1:

Hình 2-1 Sơ đồ trình tự phân tích tuổi thọ mỏi công trình biển bằng thép [4]

2.2 Nội dung phân tích mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner 2.2.1 Các trạng thái biển để tính toán mỏi

Trong cả đời sống của công trình, căn cứ vào sự biến đổi của các yếu tố sóng, người

ta chia ra hai trạng thái biển: trạng thái biển ngắn hạn và trạng thái biển dài hạn

Trạng thái biển ngắn hạn là các yếu tố sóng được mô tả trong thời gian ngắn, sao

cho giá trị trung bình của yếu tố mô tả sóng là không đổi Khoảng thời gian đối với một trạng thái biển ngắn hạn như một cơn gió, một cơn bão, thường quy ước lấy bằng 3 giờ hoặc 6 giờ Theo mô hình sóng ngẫu nhiên, độ dâng của sóng bề mặt trong một trạng thái biển ngắn hạn được xem là một quá trình ngẫu nhiên dừng, được mô tả bởi một hàm phổ sóng

Trạng thái biển dài hạn là tập hợp của nhiều trạng thái biển ngắn hạn, trong một

khoảng thời gian nào đó (từ 20 đến 100 năm), ta sử dụng trạng thái biển 1 năm phục

vụ đánh giá tuổi thọ mỏi của kết cấu Jacket

Với phương pháp đánh giá mỏi khác nhau, ta phải có các yếu tố sóng đầu vào được biểu diễn theo các dạng khác nhau Sau đây trình bày hai phương pháp biểu diễn sóng theo hai phương pháp:

2.2.1.1 Phương pháp tiền định

Sử dụng sơ đồ phân phối sóng Sơ đồ này biểu diễn các tổ hợp khác nhau của hai thông số: chiều cao sóng đáng kể Hs và chu kỳ trung bình cắt không Tz Thông thường có thể mô tả hầu hết các môi trường biển bằng một tập hợp từ 60 đến 150 trạng thái biển

Hàm mật độ xác suất của chiều cao sóng trong một trạng thái biển có dạng điển hình của phân phối xác suất Rayleigh: [4]

2

2.

( ) 1

H Hs

0.675 ( ) 1

T Tz

Ví dụ về sơ đồ phân phối sóng [4]:

Hình 2-2 Sơ đồ phân phối sóng [4]

2.2.1.2 Phương pháp ngẫu nhiên

Trong mô tả sóng ngẫu nhiên, người ta sử dụng giả thiết quan trọng coi độ dâng của

bề mặt sóng η(t) là quá trình ngẫu nhiên dừng, chuẩn, trung bình không và có tính

chất Ecgodic Các trạng thái biển đó đƣợc mô tả bởi một phổ sóng (hay mật độ phổ năng lƣợng của sóng)

Hình 2-3 Quá trình ngẫu nhiên của sóng bề mặt η(t)

Hiện nay có nhiều phổ sóng đƣợc dùng nhƣ phổ Bretschneider, phổ Pierson – Moskowitz, phổ Jonswap

Phổ Pierson – Moskowitz cải tiến đƣợc dùng cho điều kiện biển mở, có dạng

Hình 2-4 Mật độ phổ Pierson - Moskowitz của sóng ngẫu nhiên

2.2.2 Xác định ứng suất danh nghĩa

Kết cấu Jacket được mô tả bởi hệ khung không gian gồm các phần tử kết cấu dạng thanh ống Khi tính toán kết cấu cần xét đến các đặc trưng quan trọng như:

Tải trọng sóng tác động lên các phần tử kết cấu được xác định bằng phương trình

Morison với điều kiện đường kính của phần tử nhỏ so với chiều dài sóng (D/L ≤2):

F t   C D v v   C Av (2.5)

Trong đó: C M   1 C m

Dạng mở rộng của phương trình Morison:

Có thể áp dụng phương pháp tựa tĩnh nếu chu kỳ dao động riêng của kết cấu T ≤ 3(s), hoặc phương pháp động nếu chu kỳ T ≥ 3(s)

Thông thường, việc tính toán động kết cấu được thực hiện bằng phương pháp chồng

mode với điều kiện là bài toán được tuyến tính hóa

Giải phương trình trên với đầu vào là các sóng đều cho ta tập hợp các giá trị ứng suất ứng danh nghĩa

2.2.2.2 Phương pháp ngẫu nhiên

a Xác định phổ phản ứng của kết cấu

Phương trình chuyển động của kết cấu được viết dưới dạng như phương trình (2.9)

Để giải bằng phương pháp phổ thì phương trình trên phải được tuyến tính hóa (kết cấu, tải trọng sóng) Tải trọng đầu vào là phổ năng lượng sóng S  ( )  đặc trưng cho một trạng thái biển được xem xét

Phổ phản ứng ứng suất của kết cấu được xác định qua hàm truyền H(ω) như sau:

Trong đó: D(θ) là hàm hướng truyền sóng cho phép xác định sự phân bố năng lượng

sóng theo các hướng khác nhau, thỏa mãn điều kiện:

  /2

 n = 2: thích hợp với trạng thái biển do gió gây ra

 n = 4: thích hợp với trường hợp biển có đà gió ngắn

Hình 2-5 Mối quan hệ giữa phổ đầu vào và phổ phản ứng

b Các đặc trưng xác suất của phổ phản ứng ứng suất

Vì hệ kết cấu là tuyến tính, phổ sóng đầu vào là phổ của quá trình ngẫu nhiên dừng, chuẩn, trung bình không nên phổ ứng suất cũng là phổ của một quá trình ngẫu nhiên

có tính chất nhƣ vậy

Hình 2-6 Quá trình ngẫu nhiên của ứng suất σ

Các đặc trƣng xác suất của phổ ứng suất S  ( )  [5]:

0 ( ).

n n

0 0

0 0

M T

M T

Thông số ε và β có ý nghĩa quan trọng để tính mỏi:

 Phổ là phổ dải hẹp nếu ε gần tới 0 (ε < 0.4) và β gần tới 1

 Phổ là phổ dải rộng nếu ε gần tới 1 (ε > 0.4) và β gần tới 0

Hình 2-7 Phổ dải hẹp và phổ dải rộng của quá trình ngẫu nhiên σ(t) 2.2.3 Xác định ứng suất cục bộ

Ứng suất danh nghĩa tính toán ở mục trên là ứng suất trong tiết diện của các phần tử kết cấu Phá hủy mỏi không xảy ra do ứng suất danh nghĩa mà xảy ra do ứng suất cục bộ tại nút liên kết các phần tử này, phần lớn xảy ra tại mối hàn và lân cận mối hàn Những vị trí đó gọi là điểm nóng (hot spot)

Hình 2-8 Vùng ứng suất tập trung có các điểm nóng

Vị trí chính xác của các điểm nóng phụ thuộc dạng hình học của nút và vào điều kiện tác động của tải trọng, có thể thuộc thanh chủ hoặc thanh giằng

VÙNG CÁC ÐIÊM NÓNG