Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue 5 (06/2021), 620 635 620 Transport and Communications Science Journal RESEARCH AND DERIVE FORMULATIONS FOR PREDICTING THE ULTIMATE STRENGTH[.]
Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 620-635 Transport and Communications Science Journal RESEARCH AND DERIVE FORMULATIONS FOR PREDICTING THE ULTIMATE STRENGTH OF OF TENSION LEG PLATFORM UNDER SUPPLY VESSEL COLLISIONS Do Quang Thanng*, Nguyen Van Quan Faculty of Transportation and Engineering, Nha Trang University, 02 Nguyen Dinh Chieu Street, Nha Trang, Khanh Hoa, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 08/02/2021 Revised: 19/05/2021 Accepted: 26/05/2021 Published online: 15/06/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.5.9 * Corresponding author Email: thangdq@ntu.edu.vn; Tel: 0903102869 Abstract Durability assessment of a tension-leg platform structure after the collision plays a very important role in the operation and maintenance This study presents the results of numerical simulation and derived equations to predict the residual ultimate strength of a floating tension-leg platform structures after colliding by service vessels The numerical simulation was carried out using ABAQUS commercial software Numerical investigations on the effects of basic parameters on the residual ultimate strength of actual floating tension-leg platform dimension were performed The basic parameters were investigated including the effect of collision velocity, the effect of collision location, and the effect of striker header shape when collision After investigating the effects of basic parameters, series of different collision scenarios for a collision between actual floating tension leg platform and service vessels were performed Then, proposed equations were provided based on numerical results and regression analysis The accuracy and reliability of proposed equations have been evaluated by comparing them with numerical results and available experimental results Keywords: ultimate strength, residual ultimate strength, tension leg platform, stringer-stiffened cylinder, strength formulation © 2021 University of Transport and Communications 620 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 72, Số (06/2021), 620-635 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠNG THỨC DỰ ĐỐN ĐỘ BỀN TỚI HẠN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ GIÀN KHOAN NGỒI KHƠI KIỂU BÁN CHÌM KHI BỊ ĐÂM VA BỞI CÁC TÀU DỊCH VỤ Đỗ Quang Thắng*, Nguyễn Văn Quân Khoa Kỹ thuật Giao thông, Đại học Nha Trang, Số 02 Nguyễn Đình Chiểu, Nha Trang, Khánh Hịa, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 08/02/2021 Ngày nhận sửa: 19/05/2021 Ngày chấp nhận đăng: 26/05/2021 Ngày xuất Online: 15/06/2021 https://doi.org/10.47869/tcsj.72.5.9 * Tác giả liên hệ Email: thangdq@ntu.edu.vn; Tel: 0903102869 Tóm tắt Việc đánh giá độ bền kết cấu chân giàn khoan sau va chạm có vai trò quan trọng vận hành bảo dưỡng giàn khoan Nghiên cứu trình bày kết mô số xây dựng hệ thống công thức dự đoán độ bền tới hạn chân giàn khoan ngồi khơi kiểu bán chìm bị tai nạn đâm va tàu dịch vụ Các mô số thực phần mềm thương mại ABAQUS Các mô khảo sát ảnh hưởng tham số đến độ bền sau va chạm kết cấu chân giàn khoan bán chìm với kích thước thực tế thực Các tham số khảo sát bao gồm: ảnh hưởng tốc độ đâm va, ảnh hưởng vị trí va chạm ảnh hưởng hình dạng mũi tàu dịch vụ va chạm Sau khảo sát ảnh hưởng tham số đến độ bền chân giàn khoan, hàng loạt kịch khác tai nạn đâm va tàu dịch vụ chân giàn khoan thực tế thực Tiếp theo, hệ thống công thức dự đoán độ bền tới hạn sau va chạm kết cấu chân giàn khoan bán chìm đề xuất dựa kết mô số thuật tốn hồi quy Độ xác tin cậy công thức đề xuất đánh giá so sánh với kết mơ thí nghiệm cơng bố Từ khóa: độ bền tới hạn, độ bền cịn lại, chân giàn khoan bán chìm, kết cấu cylinder có nẹp gia cường dọc, cơng thức độ bền © 2021 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Để đáp ứng nhu cầu lượng ngày tăng, nhiều giàn khoan tự nâng khơi kiểu 621 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 620-635 bán chìm lắp đặt để khoan dầu khí Ưu điểm loại giàn khoan có khả tự ổn định tốt mơi trường đại dương Đặc biệt, chúng sử dụng phổ biến vùng nước sâu 300 m Trong q trình hoạt động, giàn khoan ln cần hỗ trợ tàu dịch vụ để cung cấp trang thiết bị, lương thực thực phẩm tàu vận chuyển dầu Do đó, va chạm chúng điều tránh khỏi Đối với va chạm lớn dẫn đến hậu thảm khốc sụp đổ giàn khoan, ô nhiễm môi trường, tổn thất tài chí gây nguy hiểm đến tính mạng người (xem hình [1,2]) Mối quan tâm q trình thiết kế vận hành hệ thống kết cấu giàn khoan đảm bảo chúng có đủ độ an tồn trường hợp có cố va chạm Vấn đề đặt để đánh giá độ bền lại giàn khoan sau va chạm Bởi việc sửa chữa vị trí hư hỏng khó khăn đơi khơng thể lý kinh tế yêu cầu kỹ thuật Do đó, việc đánh giá độ bền kết cấu chân giàn khoan sau va chạm có vai trị quan trọng, sở nhà kĩ thuật quản lý đưa định sửa chữa hay khơng sửa chữa [3,4] Hình Minh chứng hậu va chạm tàu dịch vụ giàn khoan [1,2] Nghiên cứu ứng xử va chạm kết cấu chân giàn khoan lần trình bày Walker Kwok [2] Trong đó, thí nghiệm thực mơ hình thu nhỏ kết cấu cylinder với va chạm kiểu tải tĩnh (quasi-static denting) Walker cộng [5, 6] cung cấp thí nghiệm va chạm tĩnh mơ hình thu nhỏ kết cấu cylinder có nẹp gia cường theo phương ngang dọc (ring and stringer stiffener) Gần đây, Cerik [7] thực thí nghiệm va chạm động mơ số mơ hình cylinder có nẹp gia cường hình vịng trịn Hầu hết kết thí nghiệm cơng bố nghiên cứu va chạm kết cấu khơi theo cách tiếp cận gần tĩnh giả sử ứng xử kết cấu tác dụng tải trọng động tốc độ va chạm thấp giống ứng xử tĩnh lực chuyển vị Tuy nhiên, thực tế va chạm xảy khơi va chạm động (dynamic collision) Do đó, ảnh hưởng tải trọng động tốc độ biến dạng (strain-rate effect) lực quán tính (inertial force) cần quan tâm dự đoán ứng xử va chạm cách xác Khắc phục hạn chế đó, tác giả cộng [8-12] thực thí nghiệm va chạm động mơ hình chân giàn khoan thu nhỏ, sau kiểm tra độ bền sau va chạm tác dụng áp suất thủy tĩnh Các mơ hình liệu quý giá để đánh giá độ xác tin cậy phương pháp mô số xây dựng Liên quan đến độ bền kết cấu chân giàn khoan có nẹp gia cường sau va chạm, có vài nghiên cứu báo cáo tài liệu mở Harding Onoufriou [13] trình bày thí nghiệm nén dọc trục kết cấu cylinder có nẹp gia cường hình vịng trịn sau va chạm Các biến dạng cục tạo va chạm tĩnh Walker cộng [5,6] thực thí nghiệm va chạm tĩnh kết cấu cylinder có nẹp gia cường sau kiểm tra độ bền giới hạn chúng kết hợp áp lực thủy tĩnh nén dọc trục Ronalds cộng [14,15] thực thí nghiệm va chạm tĩnh mơ hình 3B1, 3B2, 3B3 3B4 Sau đó, mơ hình kiểm tra độ bền tới hạn tác dụng 622 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (06/2021), 620-635 lực nén dọc trục Mục đích thí nghiệm để đánh giá mức độ ảnh hưởng mức độ va chạm khác tới độ bền tới hạn chân giàn khoan Ngày nay, phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến trở thành công cụ tuyệt vời để đánh giá ứng xử va chạm cố kết cấu lĩnh vực cơng trình biển [3,4] Nó áp dụng số cơng trình ngồi khơi, bao gồm kết cấu chân giàn khoan có nẹp gia cường Chi tiết số phương pháp mô số độ bền lại chân giàn khoan sau tai nạn đâm va trình bày tác giả cộng [8-12, 16-17] Cerik [18] Ý tưởng nghiên cứu khảo sát ứng xử va chạm (đâm va) độ bền tới hạn lại sau va chạm chân giàn khoan bán chìm tác dụng tải trọng nén dọc trục phương pháp mô số phần mềm ABAQUS Tiếp theo, ảnh hưởng tham số đến độ bền sau va chạm tốc độ đâm va, vị trí va chạm hình dạng mũi tàu dịch vụ va chạm xem xét Cuối cùng, hệ thống cơng thức dự đốn độ bền tới hạn sau va chạm kết cấu chân giàn khoan bán chìm đề xuất dựa kết mơ số thuật tốn hồi quy GIỚI THIỆU CÁC MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM Trong phần giới thiệu thí nghiệm 07 mơ hình chân giàn khoan thu nhỏ Trong đó, 03 mơ hình (SS-I, SS-C-1, SS-C-2) thực tác giả phịng thí nghiệm va chạm động, Đại học Ulsan, Hàn Quốc [4, 8] Trong mơ hình SS-I mơ hình ngun vẹn SS-C-1, SS-C- mơ hình chịu biến dạng ban đầu thí nghiệm va chạm động Mục đích sử dụng mơ hình nguyên vẹn để so sánh mức độ sụt giảm độ bền mơ hình bị va chạm mơ hình khơng bị va chạm Sau thí nghiệm va chạm động, tất mơ hình kiểm tra độ bền tới hạn tải trọng áp suất thủy tĩnh Tiếp theo 04 mơ hình (3B1, 3B2, 3B3 3B4) thực Ronalds cộng [14,15] Chi tiết kích thước, vật liệu mơ hình thí nghiệm thể bảng Chi tiết q trình thực thí nghiệm kết thí nghiệm cung cấp tài liệu tham khảo [4,8,14-15] Việc sử dụng kết thí nghiệm nhằm mục đích so sánh với kết mơ số để đánh giá độ xác tin cậy phương pháp mô số xây dựng, để đánh giá độ xác hệ thống công thức mà tác giả đề xuất phần Một vài hình ảnh thiết lập thí nghiệm thể hình (a) (b) Hình Setup thí nghiệm va chạm động [4] [8] độ bền cho chân giàn khoan: (a) va chạm; (b) độ bền 623 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 620-635 Bảng Thơng số kích thước vật liệu mơ hình thí nghiệm SSC-1 550 550 2.99 2.98 1060 1060 2 20 20 65.0 65.0 4.93 4.89 SSC-2 550 2.97 1060 20 65.0 4.87 hrw mm 200 200 trw mm 4.91 brf mm trf σY E d mm MPa GPa mm Tên mô hình Bán kính trung bình Chiều dày vỏ Tổng chiều dài Số lượng nẹp gia cường vòng Số lượng nẹp gia cường dọc Nẹp gia Chiều cao cường dọc Độ dày Chiều cao thành Nẹp gia Độ dày thành cường Chiều rộng vòng cánh Độ dày cánh Ứng suất chảy Mô đun đàn hồi Độ sâu va chạm lớn R t L Nsr Ns hsw tst Đơn vị mm mm mm mm mm SS-I 3B1 3B2 3B3 3B4 160 0.6 319 40 4.8 0.6 160 0.6 319 40 4.8 0.6 160 0.6 319 20 4.8 0.6 160 0.6 319 20 4.8 0.6 200 6.5 6.5 6.5 6.5 4.90 4.92 0.82 0.82 0.82 0.82 50.0 50.0 50.0 - - - - 4.91 336 210 - 4.89 336 206 36.8 4.88 336 206 43.2 332 205 7.36 332 205 12.48 332 205 12.96 332 205 17.12 MÔ PHỎNG SỐ 3.1 Phần tử điều kiện biên Các kết cấu chân giàn khoan mơ hình hóa phần tử bốn nút (ABAQUS S4R) Quy luật xếp chiều dày thực nguyên tắc Simpson, với năm điểm tích hợp suốt bề dày Trọng vật va chạm giả thiết vật rắn tuyệt đối (Rigid body) Hệ số ma sát tiếp xúc hai bền mặt kim loại thiết kế 0.3 để tính mức độ trượt hai bề mặt đối tượng va chạm Để xác định kích thước lưới tối ưu hàng loạt mô hội tụ (convergence test) thực cách thay đổi kích thước lưới mơ hình tính tốn Trong nghiên cứu này, kích thước lưới tối ưu vùng va chạm 50% kích thước vùng lân cận Các kết hội tụ thể hình Như thấy hình, số phần tử 54000, giá trị biến dạng lớn tập trung đến giá trị định Kích thước phần tử chọn cho vùng va chạm (lưới mịn) 5x5 mm mm vùng lân cận (lưới thơ) 10x10 mm Kích thước mắt lưới đủ để xác định xác ứng xử lực-chuyển vị Điều kiện biên vị trí bulong ngàm cứng bậc tự vị trí vịng gia cường cứng (End plate) nối với hệ thống chân đế máy va chạm, xem hình 3.2 Vật liệu Đối với mơ va đập, thuộc tính vật liệu xác định công thức đề xuất tác giả tài liệu tham khảo [3-4, 8-9] Các phương trình xây dựng cách sử dụng kết 7500 mẫu kéo bao gồm tải trọng tĩnh động với loại thép khác như: SS41, AH36, HSLA, HY-80, HY-100, Các giá trị ứng suất chảy, giới hạn bền, biến dạng tới hạn động độ bền kéo giới hạn thể theo giá trị tốc độ biến dạng Cần ý tốn va chạm ứng xử va chạm vật liệu phụ thuộc lớn vào tốc độ biến dạng Trong nghiên cứu này, tốc độ biến dạng thực 624 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 72, Số (06/2021), 620-635 phạm vi từ 10/s, 20/s, 50/s, 70/s, 100/s tới 150/s Hình Kết mơ hội tụ để tìm kích thước lưới tối ưu điều kiện biên 3.3 Ứng suất dư biến dạng ban đầu Quá trình chế tạo cylinder chia làm hai giai đoạn gồm: uốn nguội tơn vỏ q trình hàn nẹp gia cường vào tơn vỏ Chính q trình tạo nên ứng suất dư biến dạng ban đầu mơ hình Ứng suất dư phân bố không theo độ dày tôn vỏ theo phương chu vi phương dọc Trong trình hàn, nhiệt độ cao tạo để làm nóng chảy vật liệu trước kết nối cấu trúc với Sự thay đổi nhiệt độ tạo ứng suất dư bên kết cấu khu vực hàn xung quanh Chi tiết công thức tính ứng suất dư hàn tham khảo tài liệu tham khảo [3, 10] Phân bố ứng suất dư hàn uốn nguội mơ hình SS-C-2 thể hình Hình Phân bố ứng suất dư trình hàn uốn nguội cho mơ hình SS-C-2 3.4 Mơ tốn va chạm Mục đích phân tích số cho toán va chạm để tạo biến dạng, hư hỏng ban đầu, giống q trình chân giàn khoan bị tàu dịch vụ đâm va Mô số trình va chạm thực giải thuật Dynamic/ Explicit phần mềm Abaqus Trong mơ hình, điều kiện biên mơ hình hóa hình 625 Transport and Communications Science Journal, Vol 72, Issue (06/2021), 620-635 Hình Mơ hình phần tử hữu hạn cho tốn mơ va chạm 3.5 Mơ độ bền cịn lại sau va chạm Giống thí nghiệm, phân tích số bao gồm hai bước: tạo hư hỏng ban đầu phân tích độ bền dư Khi bước kết thúc, mơ hình với biến dạng, hư hỏng ban đầu chuyển sang phân tích độ bền dư Bước nhằm mục đích cập nhật tọa độ phần tử vùng bị hư hỏng phân bố ứng suất ban đầu phần tử Do đó, tất ứng suất dư từ phân tích va chạm mơ hình tích hợp Với tốn độ bền dư, giải thuật Static Riks áp dụng Mơ hình cố định mặt bích, bên ngồi áp suất thủy tĩnh nước Hình (a) (b) Hình Mơ hình phần tử hữu hạn cho mơ độ bền dư sau va chạm: (a) Tải trọng áp suất thủy tĩnh; (b) Tải trọng nén dọc trục 3.6 Độ xác tin cậy phương pháp mơ số Biến dạng dự đoán sau va chạm mơ hình so sánh với kết thử nghiệm mơ hình SS-C-1 thể hình 7a Kết hình dạng biến dạng va chạm kết mô thí nghiệm gần Sự sai khác độ sâu biến dạng lớn (d) mô số so sánh với kết thử nghiệm khoảng 4,2% Đối với tốn va chạm sai khác tương đối nhỏ đánh giá tin cậy Tương tự, so 626 ... Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠNG THỨC DỰ ĐỐN ĐỘ BỀN TỚI HẠN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ GIÀN KHOAN NGỒI KHƠI KIỂU BÁN CHÌM KHI BỊ ĐÂM VA BỞI CÁC TÀU DỊCH VỤ Đỗ Quang Thắng*, Nguyễn Văn... giá độ bền kết cấu chân giàn khoan sau va chạm có vai trị quan trọng vận hành bảo dưỡng giàn khoan Nghiên cứu trình bày kết mơ số xây dựng hệ thống cơng thức dự đốn độ bền tới hạn chân giàn khoan. .. số đến độ bền sau va chạm tốc độ đâm va, vị trí va chạm hình dạng mũi tàu dịch vụ va chạm xem xét Cuối cùng, hệ thống cơng thức dự đốn độ bền tới hạn sau va chạm kết cấu chân giàn khoan bán chìm