Đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi gia hạn khai thác – áp dụng vào điều kiện việt nam

1 -Mở đầu Lý do chọn đề tài Luận án lựa chọn đề tài “Đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi gia hạn khai thác – áp dụng vào điều k

Lời cảm ơn

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học, GS.TS Phạm KhắcHùng, đã tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này Ngoài các kiến thứckhoa học quý báu, thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ giúp tác giả vượt qua nhiều thờiđiểm khó khăn trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả chân thành cảm ơn các thầy, cô, các đồng nghiệp trong Bộ môn Kỹ thuật Xâydựng Công trình Biển & Đường ống Bể chứa – Khoa Xây dựng Công trình Biển & Dầu khí,các cán bộ Khoa Sau Đại học trường Đại học Xây Dựng đã đóng góp ý kiến về chuyên môn

và tạo điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, các anh chị và gia đình đã tin tưởng, khích lệ,cảm thông cho tác giả trong những tháng năm làm luận án

Tác giả

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác

Ngày… tháng… năm 2018Nghiên cứu sinh

Mục lục

Lời cam đoan

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu

Danh mục các hình vẽ

Danh mục các bảng biểu

Mở đầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN.

1.1 Tổng quan tình hình phát triển kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên

thế giới và Việt Nam………

1.1.1 Giới thiệu cấu tạo kết cấu công trình biển cố định bằng thép………

1.1.2 Tình hình phát triển và phạm vi ứng dụng của kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và tại Việt Nam………

1.2 Các tiêu chuẩn hiện hành áp dụng trong thiết kế và đánh giá an toàn kết cấu công trình biển cố định bằng thép……….

1.3 Các nghiên cứu có liên quan đến vấn đề của luận án ……….

1.3.1 Một số nghiên cứu trên thế giới………

1.3.2 Nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu công trình biển theo phương pháp xác suất kể đến tương tác bền và mỏi ở Việt Nam………

1.4 Phân tích và đề xuất hướng nghiên cứu………

1.5 Đề xuất nội dung nghiên cứu chính của luận án………

1.6 Giới hạn của luận án………

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP KHI CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ………

2.1 Mở đầu……….

2.2 Phân tích các yếu tố vượt mức thiết kế khi kéo dài khai thác kết cấu công trình biển cố định bằng thép ………

2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế………

2.3.1 Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép …………

2.3.1.1 Xây dựng ma trận độ cứng đàn hồi phi tuyến của phần tử kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn………

ii vii ix xi 1

3

3 3 4

9 12 12

15 15 17 17

20 20 20

21 21 22

2.3.1.2 Xây dựng ma trận độ cứng đàn dẻo của kết cấu theo phương pháp phần tử hữu

hạn……… 22

2.3.1.3 Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn……… 27

2.3.2 Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi tại điểm nóng nút kết cấu công trình biển cố định bằng thép ……… 29

2.3.2.1 Cơ chế phá hủy mỏi kết cấu công trình biển cố định bằng thép ……… 29

2.3.2.2 Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo lý thuyết cơ học phá hủy ……… 31

2.3.3 Mô hình hóa ảnh hưởng của vết nứt do mỏi để phân tích kết cấu ……… 35

2.4 Khảo sát cơ chế phá hủy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế ………

2.5 Kết luận chương 2………

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP KHI GIA HẠN KHAI THÁC………

3.1 Mở đầu ………

3.2 Nguyên tắc đánh giá kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế………

3.2.1 Phân tích các yếu tố ngẫu nhiên đề cập trong luận án ………

38 42 43 43 43 43 3.2.2 Nguyên tắc đánh giá……… 46

3.3 Nghiên cứu đánh giá xác suất xuất hiện của các trạng thái biển vượt mức thiết kế trong khu vực biển Việt Nam ……… 46

3.3.1 Xây dựng quan hệ giữa chiều cao sóng vượt mức thiết kế và xác suất xuất hiện trong điều kiện biển Việt Nam……… 46

3.3.2 Xây dựng đồ thị biểu diễn quan hệ giữa chiều cao sóng và xác suất xuất hiện tại một số vùng mỏ trong khu vực biển Việt Nam……… 49

3.4 Phương pháp luận đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép………. 51

3.4.1 Đánh giá độ tin cậy về mỏi theo điều kiện mở rộng vết nứt……… 51

3.4.2 Đánh giá độ tin cậy về độ bền của các tiết diện phần tử kết cấu chính theo điều kiện chảy dẻo toàn phần……… 55

3.4.2.1 Thiết lập mối quan hệ giữa mặt chảy toàn phần Γ của một tiết diện phần tử kết

cấu chính và các đại lượng ngẫu nhiên……… 55

3.4.2.2 Đánh giá độ tin cậy về độ bền của các tiết diện phần tử kết cấu chính theo điều kiện chảy dẻo toàn phần……… 60

3.4.3 Đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu tại năm gia hạn khai thác thứ i……… 61

3.4.4 Đánh giá rủi ro cho kết cấu khi chịu tác động của các con sóng vượt mức thiết kế 62 3.4.5 Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép và xác định thời gian gia hạn khai thác tối đa……… 63

3.4.6 Xây dựng quy trình đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế và thời gian gia hạn của kết cấu công trình biển cố định bằng thép ……… 64

3.5 Các phần mềm ứng dụng trong luận án……… 68

3.5.1 Phần mềm SACS……… 68

3.5.2 Phần mềm USFOS……… 69

3.5.3 Phần mềm JRain……… 70

3.6 Kết luận chương 3……… 70

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU………. 72

4.1 Mở đầu ……… 72

4.2 Tóm tắt số liệu đầu vào……… 72

4.2.1 Số liệu về công trình……… 72

4.2.2 Số liệu về môi trường……… 73

4.3 Đánh giá kết cấu theo các tiêu chuẩn hiện hành……… 74

4.3.1 Kết quả phân tích dự báo phá hủy mỏi giai đoạn 1……… 74

4.3.2 Kết quả kiểm tra bền theo ứng suất cho phép……… 76

4.3.3 Kết quả đánh giá độ bền cực hạn của kết cấu……… 77

4.4 Đánh giá kết cấu theo phương pháp của luận án………. 78

4.4.1 Dự báo vị trí lan truyền vết nứt……… 78

4.4.2 Kết quả dự báo phá hủy mỏi giai đoạn 2 ……… 78

4.4.3 Kết quả đánh giá khả năng chịu các con sóng có chiều cao vượt mức thiết kế của kết cấu trong thời gian khai thác kéo dài……… 85

4.4.4 Kết luận……… 103

KẾT LUẬN CỦA LUẬN ÁN……… 104

Danh mục công trình của tác giả……… 106

Danh mục tài liệu tham khảo……… 106

C Hệ số phương trình Paris, phụ thuộc loại vật liệu, loại mối hàn

E

K e Ma trận độ cứng đàn hồi của kết cấu

K p Ma trận độ cứng dẻo của kết cấu

K

I , K

II , K

III Hệ số cường độ ứng suất tương ứng dạng lan truyền vết nứt mở rộng

(Mode I), trượt trong mặt phẳng (Mode II), xé rách ngoài mặt phẳng

K

th

(Mode III)

Hệ số cường độ ứng suất ngưỡng bắt đầu lan truyền chậm vết nứt

Kc Hệ số cường độ ứng suất giới hạn phá hủy

Q

Py , Q

Pz Lực cắt giới hạn dẻo theo phương trục y và z

TX Chu kỳ lặp của đại lượng ngẫu nhiên X

Z Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ địa phương của phần tử về hệ trục

Chiều sâu vết nứt

c Nửa chiều dài vết nứt

m Hệ số mũ phương trình Paris, phụ thuộc loại vật liệu, loại mối hàn

r Khoảng cách từ đỉnh vết nứt đến phân tố tính ứng suất

u Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục x của 1

điểm bất kỳ trên thanh

u Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục x hai đầu

α Một nửa góc mở hợp bởi 2 biên của vết nứt

βX Chỉ số độ tin cậy của đại lượng ngẫu nhiên X

ALS Trạng thái giới hạn sự cố

PLS Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến

SLS Trạng thái giới hạn sử dụng

UC Hệ số kiểm tra điều kiện bền theo tiêu chuẩn

ULS Trạng thái giới hạn cực hạn

Danh mục các hình vẽ

Hình 1.1 Cấu tạo chung kết cấu công trình biển cố định bằng thép móng cọc 4

Hình 1.2 Các loại công trình biển sử dụng theo độ sâu nước……… 5

Hình 1.3 Thống kê phạm vi ứng dụng của các loại công trình biển………… 5

Hình 1.4 Thống kê các công trình biển cố định bằng thép sâu nhất thế giới 6

Hình 1.5 Các bể trầm tích và trữ lượng dự báo trong vùng biển Việt Nam 7

Hình 1.6 Khuyết tật do sự cố va tàu và vật rơi 9

Hình 1.7 Kết cấu chân đế bị rỉ và bị nứt sau khi rỉ 9

Hình 2.1 Quy ước hệ tọa độ và các chuyển vị của phần tử thanh……… 22

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng theo mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng……… 24

Hình 2.3 Minh họa mặt chảy 2 chiều trên một mặt cắt tiết diện thanh……… 26

Hình 2.4 Minh họa quan hệ lực – chuyển vị của nền đất……… 28

Hình 2.5 Sai số giữa kết quả chuyển vị thực và theo xấp xỉ Euler-Cauchy…… 28

Hình 2.6 Hiệu chỉnh sai số giữa tải trọng và nội lực tại bước thứ i……… 29

Hình 2.7 Mô tả 3 giai đoạn phá hủy mỏi của vật liệu……… 30

Hình 2.8 Phân vùng giai đoạn phá hủy mỏi và phạm vi ứng dụng các lý thuyết tính toán……… 30

Hình 2.9 Dạng lan truyền vết nứt do mỏi……… 32

Hình 2.10 Dạng lan truyền vết nứt kết cấu nút ống……… 32

Hình 2.11 Minh họa trạng thái ứng suất phẳng của phân tố gần đỉnh vết nứt… 33

Hình 2.12 Minh họa phân bố ứng suất chảy trên tiết diện ống bị bẹp………… 36

Hình 3.1 Đường dự báo vận tốc gió trung bình 1 phút và chiều cao sóng bất thường – Vùng biển Thái Lan (Dạng Lô-ga-rít)……… 47

Hình 3.2 Minh họa sự gia tăng chiều cao sóng theo chu kỳ lặp……… 49

Hình 3.3 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Bạch Hổ – Hướng Đông Bắc……… 49

Hình 3.4 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Sư Tử Trắng – Hướng Đông……… 50

Hình 3.5 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ TLDD- Hướng Đông Bắc 50 Hình 3.6 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thiên Ưng- Hướng lớn nhất……… 51

Hình 3.7 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thái Bình- Hướng lớn nhất……… 51

Hình 3.8 Đếm chu trình ứng suất theo phương pháp đếm giọt mưa………… 52

Hình 3.9 Miền các nhóm số gia ứng suất có khả năng gây lan truyền vết nứt……… 53

Hình 3.10 Lựa chọn giá trị của biến ngẫu nhiên theo phương pháp Latin Square 56 Hình 3.11 Vị trí các tiết diện phần tử kết cấu chính được đánh giá khả năng chảy dẻo toàn phần……… 60

Hình 3.12 Tiêu chuẩn đánh giá rủi ro của từng tác động đơn……… 63

Hình 3.13 Minh họa kết quả nội lực, ứng suất ngẫu nhiên của phần tử kết cấu trong phần mềm SACS……… 69 Hình 3.14 Minh họa trạng thái phá hủy của kết cấu theo các bước gia tăng của

Hình 4.2 Phổ sóng tương ứng trạng thái biển H s =2,5m, T z =10,5s………… 75Hình 4.3 Kết quả phổ ứng suất và tổn thất tích lũy mỏi nút 202L do 1 trạng

Danh mục các bảng biểu

Bảng 1.1 Thống kê một số công trình biển cố định bằng thép điển hình ở độ

sâu lớn nhất đã xây dựng trên thê giới……… 5

Bảng 1.2 Thống kê một số giàn điển hình mới được nâng cấp……… 7

Bảng 1.3 Nhu cầu kéo dài khai thác của một số giàn mỏ Bạch Hổ đã hết tuổi thọ tính đến thời điểm năm 2015……… 8

Bảng 1.4 Đối tượng phân tích theo các trạng thái giới hạn……… 10

Bảng 1.5 Tổng kết nội dung và phương pháp đánh giá lại kết cấu giàn theo tiêu chuẩn quy phạm……… 11

Bảng 2.1 Kth của một số loại vật liệu điển hình……… 31

Bảng 2.2 Kc của một số loại vật liệu điển hình……… 31

Bảng 2.3 Kết quả phân tích phá hủy kết cấu một số giàn đang khai thác trong vùng biển Việt Nam ……… 39

Bảng 3.1 Sai số cường độ của thép trong Công nghiệp dầu khí theo tiêu chuẩn ISO 13623:2009……… 44

Bảng 3.2 Đặc trưng xác suất mô đun đàn hồi của thép……… 44

Bảng 3.3 Sai số đường kính chế tạo ống thép……… 44

Bảng 3.4 Sai số bề dày chế tạo ống thép……… 45

Bảng 3.5 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Bạch Hổ – Hướng Đông Bắc……… 49

Bảng 3.6 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Sư Tử Trắng – Hướng Đông……… 49

Bảng 3.7 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ TL-DD – Hướng Đông Bắc……… 50

Bảng 3.8 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thiên Ưng – Hướng lớn nhất……… 50

Bảng 3.9 Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thái Bình – Hướng lớn nhất……… 51

Bảng 3.10 Bảng mẫu xác định đặc trưng xác suất của số gia ứng suất trung bình hàng năm……… 64

Bảng 3.11 Bảng mẫu phân tích lan truyền vết nứt tại một điểm nóng……… 64

Bảng 3.12 Bảng mẫu đánh giá độ tin cậy về mỏi trong giai đoạn lan truyền vết nứt……… 64

Bảng 3.13 Bảng mẫu xác định các giá trị mặt chảy xấp xỉ tại 1 tiết diện…… 65

Bảng 3.14 Bảng mẫu đánh giá độ tin cậy về bền theo điều kiện chảy dẻo toàn phần……… 65

Bảng 3.15 Bảng mẫu đánh giá xác suất rủi ro ở năm gia hạn thứ i tương ứng các chiều cao sóng vượt mức thiết kế……… 65

Bảng 4.1 Tóm tắt số liệu kết cấu công trình……… 72

Bảng 4.2 Đặc trưng xác suất của tính chất vật liệu……… 72

Bảng 4.3 Các đặc trưng phá hủy mỏi của vật liệu……… 72

Bảng 4.4 Số liệu gió……… 73

Bảng 4.5a Số liệu sóng cực đại chu kỳ lặp 100 năm……… 73

Bảng 4.5b Số liệu sóng cực đại chu kỳ lặp 10 năm……… 73

Bảng 4.6 Số liệu dòng chảy……… 74

Bảng 4.7 Số liệu sóng thống kê trong 1 năm……… 74

Bảng 4.8 Số liệu hà bám……… 74

Bảng 4.9 Thống kê các nút có tuổi thọ mỏi nhỏ nhất……… 76

Bảng 4.10 Kết quả kiểm tra bền tương ứng điều kiện môi trường 100 năm… 76

Bảng 4.11 Kết quả đánh giá độ bền cực hạn của kết cấu……… 77

Bảng 4.12 Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 1, Hs =4,5m………… 80

Bảng 4.13 Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 2, Hs =4,5m………… 81

Bảng 4.14 Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 3, Hs =4,5m………… 82

Bảng 4.15 Số gia và số chu trình ứng suất Thể hiện thứ 4, Hs =4,5m………… 83

Bảng 4.16 Đặc trưng xác suất của số gia ứng suất trung bình hàng năm……… 84

Bảng 4.17 Phân tích phá hủy mỏi và số năm giới hạn phá hủy mỏi………… 84

Bảng 4.18 Lựa chọn các giá trị cho các biến và kết quả mặt chảy thực của tiết diện 202L tương ứng các phép thử……… 86

Bảng 4.19 Kết quả điều kiện chảy dẻo toàn phần – Năm thứ 7……… 89

Bảng 4.20 Kết quả đánh giá kết cấu và xác suất rủi ro – Năm thứ 7………… 95

Bảng 4.21 Kết quả điều kiện chảy dẻo toàn phần – Năm thứ 8……… 96

Bảng 4.22 Kết quả đánh giá kết cấu và xác suất rủi ro – Năm thứ 8………… 102

1

-Mở đầu

Lý do chọn đề tài

Luận án lựa chọn đề tài “Đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công

trình biển cố định bằng thép khi gia hạn khai thác – áp dụng vào điều kiện Việt Nam” dựa

Mục đích, nội dung nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu xây dựng phương pháp luận để:

+ Đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu khi chịu tác động của các con sóng vượt mức

thiết kế có thể xảy ra trong thời gian kéo dài khai thác sau khi đã hết tuổi thọ thiết kế trong

điều kiện biển Việt Nam

+ Đánh giá xác suất rủi ro và xác định thời gian kéo dài của kết cấu công trình với xác

xuất rủi ro chấp nhận được quy định trong tiêu chuẩn.

Ở đây khả năng chịu tải vượt mức thiết kế chỉ được xét cho đến khi kết cấu vẫn còn có thể khai thác hoặc còn có thể sửa chữa, gia cường để khai thác, giới hạn bởi điều kiện một

tiết diện phần tử kết cấu chính (ống chính, cọc) đầu tiên chảy dẻo toàn phần hoặc xuất hiện vết nứt do mỏi có độ sâu bằng chiều dày ống Mặc dù kết cấu sau đó vẫn còn có khả năng

khai thác thêm cho đến khi biến hình và sụp đổ nhưng nằm ngoài phạm vi nghiên cứu củaluận án này

Nội dung nghiên cứu bao gồm 4 chương chính:

Chương 1 Tổng quan về đánh giá an toàn kết cấu công trình biển cố định bằng thép và hướng nghiên cứu của luận án

Chương 2 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế

Chương 3 Phương pháp luận đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi gia hạn khai thác trong điều kiện Việt Nam

Chương 4 Ứng dụng kết quả nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

+ Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu công trình biển cố định bằng thép dạng

jacket đã hết hạn sử dụng.

2

-+ Phạm vi nghiên cứu là xây dựng phương pháp đánh giá an toàn kết cấu khi chịu tải

trọng môi trường vượt mức thiết kế theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và mở rộng vết nứt trên các mặt cắt tiết diện phần tử kết cấu, kể đến tính chất ngẫu nhiên của tải trọng sóng,

kích thước tiết diện ống, mô đun đàn hồi và giới hạn chảy của vật liệu

Cơ sở khoa học

Luận án xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu dựa trên các cơ sở khoa học sau đây:+ Lý thuyết phân tích kết cấu khung giàn với tính chất phi tuyến về hình học và vậtliệu;

+ Lý thuyết phân tích mở rộng vết nứt do mỏi tại các điểm nóng của kết cấu;

+ Cơ sở lý thuyết về quá trình ngẫu nhiên, lý thuyết xác suất và lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình;

Phương pháp nghiên cứu của luận án

+ Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đánh giá kết cấu sau khi đã hết tuổi thọ thiết kế theo

mô hình ngẫu nhiên dựa trên phân tích mở rộng vết nứt do mỏi theo lý thuyết cơ học pháhủy và phân tích điều kiện chảy dẻo toàn phần của các tiết diện phần tử kết cấu theo môhình đàn dẻo lý tưởng

+ Nghiên cứu ứng dụng: Nghiên cứu thiết lập quy trình và các bảng biểu mẫu kết hợp

với các phần mềm chuyên dụng để đánh giá kết cấu công trình biển cố định bằng thép khichịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế theo mô hình xác suất

+ Thực hiện tính toán bằng số cho một kết cấu giàn cụ thể để đánh giá, kiểm nghiệm cơ

sở lý thuyết của luận án và so sánh với các phương pháp đánh giá an toàn đang áp dụng đểđưa ra các kết luận ứng dụng

Đóng góp mới

Về phương diện khoa học

Luận án đề xuất một phương pháp mới để đánh giá an toàn cho kết cấu công trình biển

cố định bằng thép khai thác trong vùng biển Việt Nam nhưng đã hết hạn sử dụng, khi chophép chịu tải vượt mức thiết kế trong thời gian kéo dài khai thác Phương pháp được xâydựng dựa trên mô hình độ tin cậy về độ bền theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và giới hạnphá hủy mỏi theo điều kiện lan truyền chậm vết nứt của các tiết diện phần tử kết cấu chính

Về phương diện thực tiễn

Phương pháp đánh giá được xây dựng trong luận án là có ý nghĩa thực tiễn, phục vụ trụctiếp nhu cầu đánh giá gia hạn khai thác và nâng cấp giàn, là vấn đề mới, cấp thiết trong điềukiện Việt Nam hiện nay

1.1.1 Giới thiệu cấu tạo kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Kết cấu công trình biển cố định bằng thép là kết cấu dạng khung giàn không gian, liênkết với đất thông qua hệ thống móng cọc hoặc móng trọng lực bê tông cốt thép, đượcxây dựng ở ngoài khơi để phục vụ khai thác dầu khí và thực hiện các dịch vụ kinh tế

khác, hoặc phục vụ nhiệm vụ quốc phòng… Trong luận án, đối tượng chính được xem

xét là các kết cấu công trình biển cố định bằng thép dạng móng cọc, với cấu tạo tổng thể

hệ thống móng cọc

- Kết cấu móng cọc (Pile foundation), bao gồm các cọc đóng lồng trong ống chính,hoặc hệ thống cọc váy làm nhiệm vụ cố định công trình tại vị trí xây dựng và truyềntải trọng vào đất nền

Do được xây dựng trên biển nên kết cấu công trình biển ngoài chịu tải trọng bản thân,các tải trọng công nghệ và tải trọng các hệ thống phụ trợ, còn chịu các tác động trực tiếpcủa môi trường Trong số đó, tải trọng sóng là một tác động chính với tính chất ngẫunhiên và dài hạn, có ảnh hưởng lớn nhất đến an toàn công trình theo cả điều kiện bền vàmỏi trong suốt thời gian khai thác

Với đặc điểm về vị trí và chịu nhiều tác động phức tạp, bất thường, kết cấu công trìnhbiển bằng thép yêu cầu phải được đảm bảo an toàn rất cao, kể từ khâu thiết kế đến quátrình thi công chế tạo, lắp đặt và quá trình vận hành

4

-Hình 1.1 Cấu tạo chung kết cấu công trình biển cố định bằng thép móng cọc

1.1.2 Tình hình phát triển và phạm vi ứng dụng của kết cấu công trình biển cố định bằng thép trên thế giới và tại Việt Nam.

Sự ra đời và phát triển các công trình biển cố định bằng thép gắn liền với sự phát triểncủa ngành công nghiệp dầu khí Công trình đầu tiên được xây dựng tại mỏ ven bờLousiana thuộc vịnh Mê-hi-cô năm 1938, ở độ sâu 5m nước

Tính đến thời điểm năm 2009 [8], các công trình biển cố định kiểu Jacket bằng thépphân bố ở phạm vi 53 quốc gia theo các khu vực như sau: Vịnh Mexico (Mỹ): gần 4.000giàn; Châu Á: 950 giàn; Khu vực Trung Đông: 700 giàn; Châu Âu, Biển Bắc, Đông BắcĐại Tây Dương: 490 giàn; Khu vực biển Tây Phi: 380 giàn; Khu vực Nam Mỹ: 340giàn

Theo nhu cầu cung cấp năng lượng cho xã hội, các công trình biển ngày càng tiến rangoài khơi xa hơn, phát triển đa dạng hơn về chức năng và chủng loại dẫn đến sự thayđổi về dạng kết cấu Trong số đó, kết cấu công trình biển cố định bằng thép là dạng phổthông, kinh tế, phù hợp với các khu vực khai thác từ 400m nước trở lại

5

-Hình 1.2 Các loại công trình biển sử dụng theo độ sâu nước [5]

Hình 1.3 Thống kê phạm vi ứng dụng của các loại công trình biển [5]

Bảng 1.1 Thống kê một số công trình biển cố định bằng thép điển hình ở độ sâu lớnnhất đã xây dựng trên thê giới [5]

Các giàn kiểu Jacket ở độ sâu lớn nhất thế giới

6

-Các giàn kiểu Jacket ở độ sâu lớn nhất thế giới

Hình 1.4 Thống kê các công trình biển cố định bằng thép sâu nhất thế giới [5]

- Ngày 31/03/1984 là mốc lịch sử của ngành xây dựng CTB Việt Nam, khi lần đầu tiênXNLD Vietsovpetro xây dựng thành công chân đế OB1 của giàn MSP1 tại mỏ Bạch Hổ.Tại Việt Nam tính đến nay đã có trên 70 CTB cố định bằng thép kiểu Jacket được xâydựng, chủ yếu có độ sâu nước khoảng 50m Phần lớn số lượng công trình tập trung tạikhu vực mỏ Bạch Hổ và Rồng thuộc bồn trũng Cửu Long, cách bờ biển Vũng Tàukhoảng 120km về phía Đông Nam Công trình có độ sâu nước lớn nhất là giàn khai tháckhí tại mỏ Lan Tây với độ sâu 125m, hoàn thành xây dựng và đưa vào khai thác tháng

11 năm 2002 Công trình có độ sâu nước nhỏ nhất là giàn đầu giếng Thái Bình, mỏ TháiBình với độ sâu nước 29,2m, hoàn thành xây dựng và đưa vào khai thác năm 2013

- Nhìn vào bản đồ trữ lượng dầu khí Việt Nam (Hình 1.5), qua các nghiên cứu về trữlượng tiềm năng dầu khí của các bồn trũng cũng như sự phân bố độ sâu nước của biểnViệt Nam và điều kiện cơ sở vật chất, thiết bị, con người, có thể thấy rằng xu hướng sử

dụng công trình biển cố định kiểu Jacket sẽ vẫn là lựa chọn ưu tiên trong phát triển các

mỏ dầu khí ở nước ta với điều kiện thềm lục địa và vùng đặc quyền kinh tế của ViệtNam ở độ sâu tới 300m nước

7

-Hình 1.5 Các bể trầm tích và trữ lượng dự báo trong vùng biển Việt Nam

- Hiện nay, do nhu cầu tiết kiệm chi phí khai thác, các chủ đầu tư của các mỏ ở Việt Namđang hạn chế xây dựng các giàn mới mà sẽ hướng tới tận dụng lại các giàn đã có với haigiải pháp chính:

+ Nâng cấp công nghệ giàn đang khai thác và kết nối mỏ để tăng sản lượng;

+ Kéo dài thời gian khai thác của giàn sau khi hết tuổi thọ thiết kế

Một số số liệu thống kê minh chứng cho nhận định trên được trình bày trong bảng 1.2

và 1.3 dưới đây

Bảng 1.2 Thống kê một số giàn điển hình mới được nâng cấp

(Theo các báo cáo tính toán của Viện Xây dựng Công trình Biển – Đại học Xây dựng và công ty Technip VN, mà tác giả đã trực tiếp

tham gia)

Giàn Chủ đẩu tư Thời điểm bắt Thời điểm Nội dung nâng cấp

đầu khai thác nâng cấp

+ Pig Launcher;

+ Piping;

+ Bố trí lại một số thiếtbị;

đường ống đấu nối vào

hệ thống hiện hànhBảng 1.3 Nhu cầu kéo dài khai thác của một số giàn mỏ Bạch Hổ đã hết tuổi thọ

tính đến thời điểm năm 2015 (Theo tài liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam)

STT Tên giàn Năm xây dựng Tuổi thọ Năm hết tuổi thọ

do va đập Hình 1.6, 1.7 ghi nhận một số sự cố gây tổn thất điển hình đã xảy ra ở một

số giàn khoan khu vực biển Việt Nam

9

-Hình 1.6 Khuyết tật do sự cố va tàu và vật rơi [5]

Hình 1.7 Kết cấu chân đế bị rỉ và bị nứt sau khi rỉ [5]

Theo đánh giá trên, để đáp ứng nhu cầu tận dụng tối đa khả năng khai thác của giàn màvẫn đảm bảo an toàn, việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển các phương pháp luậnđánh giá kết cấu để cho phép gia hạn trong điều kiện Việt Nam là cần thiết và quantrọng

1.2 Các tiêu chuẩn hiện hành áp dụng trong thiết kế và đánh giá an toàn kết cấu công trình biển cố định bằng thép

- Hiện nay các hệ thống tiêu chuẩn, quy phạm phổ biến trên thế giới như API [11, 12],DnV [24, 25, 26], ISO [35], NORSOK [47, 48, 50], hay NPD [51]… đều quy định tínhtoán thiết kế kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo các trạng thái giới hạn, baogồm:

Trạng thái giới hạn cực hạn (ULS): Phục vụ kiểm tra bền các phần tử kết cấu, tương

ứng với các tổ hợp tải trọng bất lợi nhất trong trạng thái bão cực hạn, khai thác, và thicông

10

-Trạng thái giới hạn mỏi (FLS): Phục vụ dự báo phá hủy mỏi giai đoạn 1 của các nút kết

cấu theo Palmgren-Miner tương ứng với các trạng thái biển dài hạn trong thời gian khaithác yêu cầu

Trạng thái giới hạn sử dụng (SLS): Phục vụ đánh giá khả năng sử dụng bình thường

của kết cấu phù hợp với chức năng của công trình theo tiêu chí chuyển vị cho phép vàmức độ rung động cho phép

Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (PLS) và trạng thái giới hạn sự cố (ALS): Phục vụ đánh giá độ bền cực hạn của giàn khi gặp các sự cố bất thường xảy ra như cháy, nổ,vật rơi, va tàu hay chịu tải trọng môi trường vượt mức thiết kế khi cho kết cấu làm việc trong giai đoạn ngoài đàn hồi, kể đến ảnh hưởng hệ thống của kết cấu

Bảng 1.4 Đối tượng phân tích theo các trạng thái giới hạn

1 Cực hạn Độ bền kết cấu theo điều kiện làm việc trong giai

đoạn đàn hồi:

- Phần tử thanh;

- Phần tử nút;

- Cọc, và đất nền

các điểm tập trung ứng suất (điểm nóng), thôngthường nằm trên các nút giao giữa các ống

- Giới hạn biến dạng của kết cấu

- Các trạng thái giới hạn được sử dụng không chỉ phục vụ thiết kế kết cấu giàn mới màcòn phục vụ đánh giá lại (Re-assessment), đánh giá gia hạn tuổi thọ (Life extensionassessment), hay đánh giá khả năng tái sử dụng (Re-use assessment) giàn hiện trạng theocác số liệu khảo sát Theo API RP 2A, đánh giá lại giàn được phân làm ba mức:

+ Kiểm tra theo mức độ thiết kế (Design Level): Tính toán kiểm tra kết cấu theo trạng thái giới hạn bền, mỏi tương ứng với tải trọng thiết kế ban đầu

+ Phân tích độ bền cực hạn của kết cấu (Global Ultimate Strength): Tính toán kiểm trakết cấu hiện trạng tương ứng với tải trọng vượt mức thiết kế hoặc tải trọng tương ứngvới các sự cố như cháy, nổ, va tàu, vật rơi

+ Phân tích rủi ro (Risk Assessment)

API RP2A Đánh giá kết cấu chịu tác động + Đánh giá theo mức độ thiết

của tải trọng môi trường biển kế, tương ứng với điều kiện

môi trường biển chu kỳ lặp

100 năm;

+ Đánh giá độ bền cực hạntheo hệ số cường độ dự trữRSR;

+ Giới hạn an toàn theo cácphương pháp đánh giá trênphụ thuộc vào cấp an toàncủa giàn;

Đánh giá kết cấu chịu tác động + Đánh giá độ bền cực hạncủa tải trọng động đất của kết cấu theo phân tích

động lực học tương ứng vớiđộng đất chu kỳ lặp từ 500năm đến 1000 năm tương ứngvới cấp an toàn của giàn.Đánh giá kết cấu chịu tác động + Đánh giá theo mức độ thiết

băng quy định trong API RP2N, cho phép gia tăng ứngsuất cho phép từ 50 đến 70%tùy thuộc cấp an toàn củagiàn;

+ Đánh giá độ bền cực hạncủa giàn tương ứng với tảitrọng băng quy định trong API

RP 2N, với hệ số cường độ dựtrữ giới hạn từ 0.8 đến 1.6 tùythuộc cấp an toàn của giàn;Đánh giá kết cấu chịu tải trọng + Kiểm tra tương ứng với

sự cố: Cháy, nổ, vật rơi, va tàu phân mức theo ma trận rủi ro;

+ Kiểm tra trong trạng tháichịu tải trọng sự cố khi chophép kết cấu làm việc tronggiai đoạn ngoài đàn hồi, cóchuyển vị lớn;

+ Kiểm tra bền kết cấu sau khitổn thất do sự cố theo ứng suấtcho phép;

12

ISO 19902 Đánh giá với các tác động tương Đánh giá theo mức độ thiết kế

tự API RP 2A

Đánh giá tái sử dụng giàn Ngoài vấn đề đánh giá theo

mức độ thiết kế và theo độbền cực hạn, tiêu chuẩn quyđịnh thêm đánh giá tổng tổnthất mỏi (giai đoạn 1) trongthời gian khai thác và thờigian gia hạn sử dụng khôngđược vượt quá 1

NORSOK N-004 Đánh giá để kéo dài thời gian Đánh giá mỏi khi cho phép

khai thác giàn lan truyền chậm vết nứt tại các

điểm nóng theo luật Paris.Đánh giá suy giảm độ bền do ăn Đánh giá theo phương pháp hệ

việc trong giai đoạn đàn hồi.Đánh giá suy giảm cường độ của Đánh giá theo phương pháp hệnền do ảnh hưởng động của tải số thành phần, tương ứng với

Đánh giá kết cấu chịu tải trọng + Kiểm tra trong trạng thái

sự cố: Cháy, nổ, vật rơi, va tàu chịu tải trọng sự cố khi cho

phép kết cấu làm việc tronggiai đoạn ngoài đàn hồi, cóchuyển vị lớn;

+ Kiểm tra bền kết cấu sau khitổn thất do sự cố theo ứng suấtcho phép;

Đánh giá với các tải trọng môi + Các tải trọng tương ứng vớitrường tần suất hiếm: Tải trọng chu kỳ lặp 10000 năm;

môi trường biển, tải trọng động + Cho phép kết cấu làm việc

có chuyển vị lớn;

1.3 Các nghiên cứu có liên quan đến vấn đề của luận án

1.3.1 Một số nghiên cứu trên thế giới

a) Các phương pháp phân tích phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo mô hình ngẫu nhiên

Việc phân tích phi tuyến kết cấu khi kể đến tính chất ngẫu nhiên của vật liệu, cấu tạo kếtcấu và của các tải trọng tác động là rất phức tạp Hiện nay, cùng với sự phát triển củacác công cụ tính toán, một số phương pháp phân tích đang được sử dụng phổ biến có thể

kể đến như phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp, phương pháp tuyến tính hóatương đương (Equivalent Linearization Method), phương pháp tích phân trọng

13

-số (Weighted Integral Method), phương pháp mặt phản ứng (Response Surface Method),phương pháp phân tích mờ (Fuzzy Probabilistic Mehod) Các phương pháp này đangtiếp tục được nghiên cứu ứng dụng và phát triển, chi tiết có thể tham khảo trong các tàiliệu [56, 28, 42, 45, 55, 37] Trong đó, để nghiên cứu đánh giá một trạng thái giới hạncủa kết cấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên, phương pháp mặt phản ứng thườngđược sử dụng Nguyên lý tổng quát của phương pháp này là thiết lập một hàm quan hệphù hợp giữa chỉ tiêu của trạng thái giới hạn cần xem xét với các đại lượng ngẫu nhiên

b) Các nghiên cứu dự báo lan truyền vết nứt ngẫu nhiên do mỏi theo lý thuyết cơ học phá hủy

Lan truyền vết nứt do mỏi tại các điểm nóng của kết cấu khi chịu tải trọng thay đổikhông đều là một quá trình rất phức tạp, phụ thuộc vào thứ tự chất tải, quan hệ giữa sốchu trình và biên độ tải trọng, chiều hướng của tải trọng và hiện trạng vết nứt Vấn đềnày đã và đang được nghiên cứu phổ biến trên thế giới, có thể tham khảo trong nghiêncứu của các tác giả [15, 43, 53, 57] Đối với kết cấu công trình biển chịu tải trọng sóngngẫu nhiên, phá hủy mỏi theo điều kiện lan truyền vết nứt được đánh giá theo một sốphương pháp như mô phỏng Monte Carlo trực tiếp, [46], mô hình hai trạng thái (Two-State Crack Growth Model) [57], hay phương pháp biên an toàn (Madsen và Sorensen,1990) [43] Ở mức độ đơn giản hơn, theo Barltrop [15], coi quá trình lan truyền vết nứt

do mỏi là chậm, nên có thể thay thế tập hợp các số gia ứng suất tác động trong một trạng

thái biển thứ i bởi một số gia ứng suất gây ra một vết nứt tương đương.

số đặc trưng phá hủy của vật liệu

c) Các nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu dựa trên phân tích tương tác bền mỏi ngẫu nhiên

- Nghiên cứu của Moan T và Ayala E năm 2002 [43], Moan T năm 2013 [44]

Nghiên cứu tập trung đánh giá an toàn kết cấu theo trạng thái giới hạn cực hạn, trạngthái giới hạn mỏi và trạng thái giới hạn sự cố theo phương pháp xác suất Trong đó, đề

xuất xác định xác suất phá hủy tổng thể của kết cấu P FSYS khi gặp sự cố:

P FSYS (i ) = ∑ P[FSYS D ] P[D A i jk ].P( A i jk ) (1.2)

j , k = 1

Trong đó i là số thứ tự của sự cố, D là tổn thất do sự cố A jk tại vị trí thứ j với cường độ k

gây ra

14

-P[FSYS D ] xác định theo các tác động và tương quan của nó với các nguy cơ gây tổnthất, P D Ai

jk , P(Ai

jk) xác định theo phân tích rủi ro

- Báo cáo nghiên cứu của Đại học Surrey năm 2000 [61]

Nghiên cứu tập trung đánh giá độ tin cậy kết cấu kể đến tổng thể các yếu tố ngẫu nhiên

từ điều kiện môi trường, tải trọng, đến đặc trưng kết cấu và nền đất Nghiên cứu thựchiện đánh giá độ bền cực hạn ngẫu nhiên của kết cấu thông qua xác định hệ số cường độ

dự trữ (RSR – Reserve Strength Ratio) theo phương pháp xác suất dựa trên các đặctrưng ngẫu nhiên của kết cấu và tải trọng

- Báo cáo của hãng Aker Offshore Partner A.S năm 2002 [13]

Nghiên cứu đề xuất xây dựng cấp mục tiêu đánh giá độ tin cậy bao gồm phân tích độbền phần tử theo trạng thái giới hạn cực hạn, phân tích tổn thất mỏi của các nút theotrạng thái giới hạn mỏi, phân tích độ bền cực hạn của hệ thống khi chịu quá tải và ảnhhưởng bởi các dạng phá hủy mỏi của phần tử Điều kiện phá hủy mỏi được giới hạn ởgiai đoạn 1 và xét theo đại lượng tỷ số tổn thất tích lũy mỏi Khi điểm phá hủy mỏithuộc phần tử nào thì bỏ phần tử đó

Xác suất phá hủy hệ thống PFSYS kể đến ảnh hưởng của phá hủy mỏi cũng được biểudiễn tương tự như công thức trên:

n

P FSYS = ∑ P[FSYS (U ) F j ].P[F j ] (1.3)

j = 1

Trong đó F j là sự kiện phá hủy mỏi tại nút j, P[FSYS (U)F j] là xác suất phá hủy kết cấu

tổng thể U khi kể đến phá hủy mỏi tại nút j.

- Luận án tiến sỹ của Gerhard Ersdal năm 2005 [32]

Đánh giá gia hạn khai thác kết cấu dựa trên phân tích độ bền cực hạn tổng thể kể đến

phá hủy mỏi theo độ tin cậy của hàm trạng thái g i ở năm thứ i tương ứng với chiều cao sóng chu kỳ lặp T năm cho trước, H T:

Trong đó γ H và β là các hệ số xác định theo quan hệ giữa tải trọng và chiều cao sóng

giới hạn gây đổ giàn; RSR là hệ số cường độ dự trữ.

RIF i= F i là hệ số giảm yếu do phá hủy mỏi ở thời điểm có i phần tử ống nhánh bị

ET

i− 1

F ET

phá hủy mỏi, với giả thiết khi tại nút giao giữa ống chính và ống nhánh có vết nứt với

độ sâu bằng chiều dày ống nhánh, thì các ống nhánh đó sẽ được loại bỏ liên kết với ốngchủ trong sơ đồ tính toán khi xác định tổng lực gây đổ giàn Với F ET i ; F ET i− 1 tương ứng

là tổng lực môi trường gây đổ giàn ở trạng thái phá hủy mỏi thứ i và i-1.

15

-1.3.2 Nghiên cứu đánh giá an toàn kết cấu công trình biển theo phương pháp xác suất kể

đến tương tác bền và mỏi ở Việt Nam

a) Phương pháp đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình biển theo quan điểm của

GS Phạm Khắc Hùng [5, 6]

Phương pháp đánh giá theo quan điểm của GS Phạm Khắc Hùng được trình bày chi tiếttrong tài liệu tham khảo [5] và [6] Phương pháp này đã được áp dụng cho luận án của

TS Phạm Hiền Hậu (2010) và TS Mai Hồng Quân (2014)

b) Luận án của TS Phạm Hiền Hậu 2010 [2]

Năm 2010 TS Phạm Hiền Hậu đã hoàn thành luận án tiến sỹ có tên “Đánh giá độ tin cậycủa hệ thống dây neo giữ các trạm chứa và rót dầu nổi (FSO/FPSO) ở Việt Nam, có kểđến tổn thất mỏi tích lũy” Đề tài đã được bảo vệ thành công tại hội đồng trường Đại họcLiège – Vương quốc Bỉ

Tác giả đã nghiên cứu xác định phản ứng tựa động và động lực học của hệ thống neo bểchứa nổi, phân tích tổn thất mỏi tích lũy và đánh giá độ tin cậy tổng hợp của hệ thốngneo FPSO có kể đến tổn thất do mỏi, áp dụng số tính toán cho các FSO ở mỏ Bạch Hổ,Việt Nam sử dụng các phần mềm chuyên dụng của Đăng kiểm Pháp Nghiên cứu cũng

là một phần của Đề tài cấp Nhà nước (KC.09.15/06-10) do GS Phạm Khắc Hùng làmchủ nhiệm

c) Luận án của TS Mai Hồng Quân 2014 [9]

Năm 2014 TS Mai Hồng Quân đã hoàn thành luận án tiến sỹ có tên “Nghiên cứu sự suygiảm độ tin cậy theo thời gian của chân đế công trình biển cố định bằng thép do ảnhhưởng của tổn thất mỏi” Tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của tổn thất mỏi giai đoạn 1 đếnkhả năng chịu lực trong giai đoạn đàn hồi của kết cấu cũng như ảnh hưởng của bão cựcđại đến tổn thất mỏi của kết cấu công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket Đề tài đãđược bảo vệ thành công tại hội đồng trường Đại học Xây dựng

1.4 Phân tích và đề xuất hướng nghiên cứu

 Nhận xét các tiêu chuẩn trong mục 1.2

- Đa số các tiêu chuẩn hiện hành chỉ hướng dẫn tính toán kết cấu trong điều kiện thiết kế

theo các trạng thái giới hạn cơ bản ULS, FLS, SLS mà chưa đề cập rõ đến điều kiện

vượt mức thiết kế.

- API RP 2A và ISO 19902 chỉ đề cập đánh giá lại kết cấu trong thời gian khai thác khi

kể đến khả năng gặp sự cố hoặc điều kiện môi trường bất thường hay cho phép tái sử

dụng giàn ở điều kiện mới, nhưng ở thời điểm chưa hết tuổi thọ thiết kế, tức là kết cấu

giàn chưa xuất hiện vết nứt do mỏi.

16

NORSOK N-004 đã quy định về đánh giá độ bền của giàn khi kể đến ảnh hưởng của vết

nứt sử dụng trong đánh giá gia hạn thời gian khai thác của giàn, tuy nhiên chưa đề cập

 Nhận xét các nghiên cứu đã giới thiệu trong mục 1.3

Các nghiên cứu được giới thiệu trong mục 1.3.2 cho thấy hiện nay trên thế giới đãhướng đến các tiếp cận mới cho vấn đề đánh giá lại kết cấu công trình biển để gia hạnthời gian khai thác của giàn Hầu hết đều xây dựng phương pháp đánh giá dựa trên nềntảng lý thuyết xác suất, tuy nhiên để áp dụng cho kết cấu công trình biển cố định bằngthép còn có một số vấn đề cần tiếp tục hoàn thiện:

- Đa số các nghiên cứu đánh giá kết cấu tại thời điểm biến hình và sụp đổ, nhưng trên

thực tế kết cấu đã không còn được phép khai thác ở một mức độ tải trọng thấp hơn khi

một hay một số phần tử kết cấu chính đã bị chảy dẻo toàn phần hoặc mất ổn định;

- Hàm trạng thái giới hạn được xây dựng theo hệ số cường độ dự trữ của hệ thống nên

không chỉ rõ được phần tử kết cấu bị phá hủy để phục vụ tính toán thiết kế gia cường;

- Chỉ kể đến khả năng suy giảm độ bền tổng thể do mỏi mà không kể đến trường hợp kết

cấu bị phá hủy do mỏi;

- Phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo các tiêu chuẩn hiện hành chỉ dừng ở mô hình

tiền định;

môi trường vượt mức thiết kế trong thời gian đó, để đánh giá rủi ro và quyết định thời gian gia hạn chấp nhận được.

 Đề xuất hướng nghiên cứu

Như đã trình bày trong phần mở đầu, luận án đặt mục tiêu nghiên cứu xây dựng phương

pháp đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu công trình biển cố định bằng thép để làm căn cứ xác định thời gian gia hạn phù hợp cho các giàn khoan trong vùng biển Việt Nam đã hết hạn sử dụng Để khắc phục một số hạn chế của các tiêu

chuẩn và các nghiên cứu đã công bố khi áp dụng để giải quyết mục tiêu nghiên cứu củaluận án, phương pháp đánh giá được xây dựng sẽ dựa trên một số quan điểm như sau:

17

-+ Kế thừa các phương pháp phân tích tương tác bền và mỏi của kết cấu tổng thể theo

mô hình phi tuyến ngẫu nhiên như đã trình bày trong mục 1.2 và 1.3 Sử dụng kết quả phân tích để đánh giá kết cấu theo từng tiết diện phần tử kết cấu chính.

+ Khả năng chịu điều kiện môi trường vượt mức thiết kế của kết cấu được xét trong thời

gian khai thác kéo dài sau khi đã hết tuổi thọ thiết kế.

+ Điều kiện môi trường vượt mức thiết kế tối đa được xác định theo từng năm gia hạn

dựa trên điều kiện một tiết diện phần tử kết cấu chính đầu tiên chảy dẻo toàn phần với

xác suất rủi ro chấp nhận cho trước

+ Thời gian gia hạn tối đa được xác định với xác suất rủi ro chấp nhận được theo hai

điều kiện Điều kiện thứ nhất là một tiết diện phần tử kết cấu chính xuất hiện vết nứt do mỏi với chiều sâu bằng chiều dày ống Điều kiện thứ hai là kết cấu còn có thể chịu được

một tải trọng môi trường vượt mức thiết kế yêu cầu theo thời gian kéo dài cho đến khimột tiết diện phần tử kết cấu chính bị chảy dẻo toàn phần

1.5 Đề xuất nội dung nghiên cứu chính của luận án

Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đã trình bày trong mục 1.4, tác giả đề xuất nội dung chính của luận án bao gồm:

- Nội dung 1: Nghiên cứu dự báo xác suất xuất hiện của một điều kiện môi trường vượt

mức thiết kế bất kỳ xuất hiện trong vùng biển Việt Nam theo thời gian khai thác kéo dài

- Nội dung 2: Nghiên cứu xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu trong thời gian kéo dài

sau khi hết tuổi thọ thiết kế theo mô hình ngẫu nhiên dựa trên độ tin cậy về bền của phần

tử kết cấu theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và độ tin cậy về mỏi theo điều kiện lantruyền vết nứt

- Nội dung 3: Nghiên cứu xác định điều kiện môi trường vượt mức thiết kế tối đa mà kết

cấu vẫn đủ chịu theo nội dung 2, kết hợp với nội dung 1 để đánh giá rủi ro và xác địnhthời gian kéo dài khai thác cho phép

Các nội dung này được trình bày trong chương 3 của luận án

1.6 Giới hạn của luận án

Có rất nhiều tham số ảnh hưởng đến độ bền tổng thể của kết cấu kể từ giai đoạn tínhtoán thiết kế cho đến khi đưa vào khai thác…Để giảm bớt độ phức tạp của vấn đềnghiên cứu mà vẫn đảm bảo tính thực tiễn, luận án đặt ra một số giới hạn sau:

+ Mô đun đàn hồi, giới hạn chảy của vật liệu và đặc trưng hình học tiết diện các phần tửkết cấu chính (ống chính và cọc) được xem xét là một đại lượng ngẫu nhiên phân phốichuẩn, sử dụng để phân tích điều kiện bền cực hạn của giàn

+ Sóng được coi là quá trình ngẫu nhiên dừng, chuẩn, ergodic khi phân tích kết cấu

18

+ Kết cấu được phân tích với lý thuyết biến dạng lớn Ảnh hưởng của chuyển vị lớnđược xem xét xử lý thông qua việc thay đổi vị trí hình học (do góc xoay lớn ở hai đầuthanh) và dạng hình học (thanh bị chia làm hai thanh mới hợp với nhau bởi một góc xácđịnh khi thanh bị mất ổn định) của các phần tử kết cấu sau mỗi bước phân tích tươngứng từng bước gia tăng của số gia tải trọng cho đến giá trị cần xem xét;

+ Giới hạn chỉ xem xét phân tích kết cấu theo phương trình cân bằng tĩnh học khi coi tảitrọng sóng như một tải trọng tựa tĩnh Theo tiêu chuẩn API (mục C17.7.3c), phươngpháp phân tích phi tuyến tựa tĩnh được chấp nhận khi chu kỳ dao động riêng lớn nhấtcủa kết cấu nhỏ hơn 3s [12, 19, 32] Trong trường hợp ảnh hưởng động của sóng lên kếtcấu là lớn cần áp dụng phương pháp phân tích phi tuyến động lực học, là vấn đề chưađược đề cập trong luận án này

Theo một số nghiên cứu mới đây đã công bố, việc xác định hệ số ảnh hưởng động khiphân tích kết cấu theo trạng thái phá hủy lũy tiến được dựa trên tỷ lệ giá trị chuyển vịgiới hạn tại thời điểm kết cấu bắt đầu biến hình và giá trị chuyển vị tại thời điểm xuấthiện khớp dẻo đầu tiên Chi tiết có thể tham khảo trong một số bài báo như “DynamicAmplification Factor for Progressive Collapse Resistance Analysis of an RC Building”năm 2009 của nhóm tác giả Meng-Hao Tsai, Bing-Hui Liu thuộc Đại học Khoa học vàCông nghệ Quốc gia Đài Loan, hoặc luận văn thạc sĩ của tác giả Renata Gomelskaya

“Dynamic Amplification Factor for Moment Resisting Frames in Progressive Collapse”,đại học MIT năm 2014 Trong luận án này, tiêu chí đánh giá kết cấu được giới hạn ởđiều kiện một tiết diện kết cấu chính đầu tiên chảy dẻo toàn phần, do đó giả thiết hệ sốđộng vẫn được tính giống như đối với kết cấu tuyến tính

+ Vật liệu kết cấu làm việc theo mô hình đàn dẻo lý tưởng;

+ Kết cấu coi là bị phá hủy khi một phần tử kết cấu chính (Ống chính, cọc) bị phá hủy

do chảy dẻo toàn phần, nhưng hệ thống kết cấu chưa phá hủy;

+ Chỉ quan tâm đến tính chất chảy dẻo trên các mặt cắt của phần tử thanh mà tạm thờichưa xét đến tính chất chảy dẻo của nút ống Trong trường hợp mở rộng nghiên cứu,phương trình mặt chảy của nút ống có thể được lấy theo tài liệu tham khảo [59]

+ Giới hạn phân tích lan truyền vết nứt do mỏi theo luật Paris chịu tác động của tảitrọng sóng với mô hình cơ học phá hủy tuyến tính Mô hình này được chấp nhận khi xétđiều kiện vết nứt xảy ra trước thời điểm tiết diện bị chảy dẻo do chịu tải của một trạngthái biển vượt mức thiết kế

+ Giả thiết vết nứt lan truyền chậm, trong một trạng thái biển tốc độ lan truyền coi là đều;

+ Ảnh hưởng của hà bám: Theo thời gian, mức độ tăng giảm chiều dày hà bám là kháphức tạp Trên thực tế, nhiều biện pháp có thể được áp dụng để khống chế sự gia tăngchiều dày hà bám Để giảm số lượng các yếu tố ngẫu nhiên, luận án giả thiết khi đánhgiá kết cấu thì chiều dày hà bám vẫn được lấy theo số liệu thiết kế.

+ Luận án giả thiết điều kiện địa chất khu vực không thay đổi tính chất cơ lý trong thời gian kéo dài khai thác

20

-CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ

ĐỊNH BẰNG THÉP KHI CHỊU TẢI VƯỢT MỨC THIẾT KẾ

2.1 Mở đầu

Theo các tiêu chuẩn hiện hành, kết cấu công trình biển cố định bằng thép được thiết kếdựa trên các trạng thái giới hạn với điều kiện vật liệu làm việc trong miền đàn hồi vàchưa xảy ra vết nứt do mỏi trong tuổi thọ thiết kế Khi kết cấu chịu tải vượt mức thiết kế

về cả độ lớn và tần suất xuất hiện trong thời gian gia hạn thì sẽ phải chấp nhận làm việcngoài giai đoạn đàn hồi và có khả năng xuất hiện vết nứt do mỏi Chương 2 nhằm mụctiêu tổng kết cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịutải vượt mức thiết kế và áp dụng để nghiên cứu cơ chế phá hủy của các kết cấu giàn điểnhình đang khai thác trong khu vực biển Việt Nam Nội dung chương 2 là cơ sở phục vụxây dựng phương pháp đánh giá kết cấu trong chương 3, bao gồm:

- Phân tích các yếu tố vượt mức thiết kế khi kéo dài khai thác kết cấu công trình biển cố định bằng thép;

- Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế;

- Phân tích cơ chế phá hủy của kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tảitrọng môi trường để giới hạn phạm vi đánh giá khả năng chịu tải vượt mức thiết kế củakết cấu trong luận án

2.2 Phân tích các yếu tố vượt mức thiết kế khi kéo dài khai thác kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Khi kéo dài thời gian khai thác, kết cấu công trình biển có thể phải đối diện với một số vấn đề cơ bản sau đây:

- Kết cấu công trình đã bị suy giảm độ bền do mỏi bởi tác động dài hạn của sóng biển trong thời gian khai thác Khi kéo dài thời gian khai thác vượt mức tuổi thọ thiết

kế, các vết nứt do mỏi tiếp tục phát triển gây ra sự thu hẹp tiết diện chịu lực làm cho kếtcấu có thể không còn khả năng chịu tải theo chính điều kiện thiết kế ban đầu Để kể đến

ảnh hưởng này, cần kết hợp giữa các kết quả đo đạc khảo sát định kỳ với phân tích

dự báo mức độ lan truyền vết nứt do mỏi tại các điểm nóng kết cấu trong từng năm Các vết nứt sẽ được mô hình hóa và cập nhật vào sơ đồ tính toán để đánh giá lại kết cấu theo từng năm Phương pháp mô hình hóa được trình bày trong mục 2.3.

- Ăn mòn do ảnh hưởng của môi trường biển gây ra sự thu hẹp tiết diện các phần tử kết cấu dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực Số liệu chiều dày ăn mòn được thu thập

sau mỗi giai đoạn khảo sát định kỳ, được phân tích xử lý thống kê để dự báo khi tínhtoán trong thời gian khai thác kéo dài Do chiều dày ăn mòn tại các tiết diện phần tửkhông đều và không đối xứng nên cũng được mô hình hóa tương tự như các vết nứt domỏi

21

Kết cấu có thể bị suy giảm khả năng chịu lực do va đập với các phương tiện nổi khi cậpvào giàn, hoặc vật rơi, hoặc hoạt động của con người, hoặc do nguyên nhân cháy, nổ…xảy ra trong giai đoạn khai thác Các tác động này về nguyên tắc đã được quy định tínhtoán theo các tiêu chuẩn hiện hành ngay trong giai đoạn thiết kế để đảm bảo kết cấu còn

có thể sửa chữa được sau khi xảy ra sự cố Một số ảnh hưởng của nó là gây ra cácchuyển vị cưỡng bức, làm thay đổi hình dạng hình học ban đầu, biến đổi tiết diện phần

tử kết cấu…là nguyên nhân gây ra tình trạng làm việc vượt mức thiết kế khi kết cấuđược kéo dài thời gian khai thác Các thay đổi này được đo đạc trong quá trình khảo sát

và mô hình hóa như sau:

+ Các chuyển vị cưỡng bức được gán tại các vị trí tương ứng;

+ Sơ đồ hình học kết cấu và các vị trí sửa chữa, gia cường được cập nhật theo đúng hiệntrạng;

+ Sự thay đổi hình dạng tiết diện kết cấu được mô tả như một độ bẹp tương đương theo tiêu chuẩn NORSOK N004, được trình bày trong mục 2.3

- Sự phát triển của hà bám ngoài thời gian khai thác theo thiết kế là một nguyên nhân gâygia tăng đáng kể tải trọng sóng, dòng chảy tác động lên công trình Do tính chất của nó

là liên tục sinh ra và chết đi nên chiều dày hà bám trên các phần tử kết cấu thay đổi phứctạp, tăng giảm không đồng đều theo năm Số liệu khảo sát các giàn tại mỏ Bạch Hổ chothấy điều đó Để khống chế chiều dày hà bám thì có thể thực hiện cạo hà định kỳ hoặclắp đặt thêm các thiết bị ngăn cản hà bám “Marine Growth Preventer” để chống khảnăng bám của hà vào kết cấu

- Kết cấu được khai thác với thời gian dài hơn cũng đồng nghĩa với khả năng gặp phải cáccơn bão lớn vượt mức thiết kế, đặc biệt là khi hiện tượng biến đổi khí hậu đang diễn ra

trên toàn thế giới…Do không thể dự báo được trong thời gian kéo dài sẽ xuất hiện

trạng thái biển với độ lớn bao nhiêu, luận án đề xuất xem xét kết cấu chịu nhiều trạng thái biển khác nhau tăng từ nhỏ đến lớn Tương ứng với mỗi trường hợp sẽ phân tích đồng thời cả khả năng chịu tải vượt mức thiết kế của kết cấu và xác suất xuất hiện trạng thái biển đang xét, từ đó phân tích rủi ro và quyết định thời gian kéo dài khai thác chấp nhận được.

2.3 Cơ sở lý thuyết phân tích kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải vượt mức thiết kế

2.3.1 Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép

Phương pháp phân tích phi tuyến kết cấu công trình biển cố định bằng thép đã đượctrình bày kỹ trong các tài liệu [59] và [62] Trong mục này chỉ tóm tắt lại một số vấn đề

lý thuyết có liên quan trực tiếp đến luận án

2.3.1.1 Xây dựng ma trận độ cứng đàn hồi phi tuyến của phần tử kết cấu theo phương pháp

phần tử hữu hạn

22

-Xét một phần tử kết cấu thanh trong trạng thái làm việc như minh họa ở hình 2.1

Hình 2.1 Quy ước hệ tọa độ và các chuyển vị của phần tử thanh

Ký hiệu u, v, w là các véc tơ chuyển vị nút của một điểm bất kỳ trên thanh tương ứng chuyển vị thẳng và góc xoay theo phương x, y, z.

Khi phân tích kết cấu làm việc trong trạng thái phi tuyến có hai vấn đề quan trọng cần kểđến Vấn đề thứ nhất là kể đến biến dạng lớn, khi đó quan hệ giữa biến dạng dọc trục(εxx ) và u tuân theo công thức Green Với kết cấu thanh, khi bỏ qua các thành phần bậc

cao, biến dạng tại các điểm trên thanh được biểu diễn theo công thức [59]:

+ Đối với thanh chịu kéo:

23

-v ( x ) = A cos k

u ( x ) = C cos k

Trong đó, các hệ số của phương trình được xác định theo các điều kiện biên chuyển

vị tại các đầu nút thanh Chi tiết được trình bày trong [59]

Ký hiệu φu(x), φv(x), φw(x) là véc tơ các hàm hình dáng của phần tử kết cấu mô tả

trong hình 2.1, trường chuyển vị của thanh được biểu diễn:

u ( x ) = φ (x ) T u

u

v w(x ) = φw (x) T w

2.3.1.2 Xây dựng ma trận độ cứng đàn dẻo của kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn

Tổng quát, đường cong quan hệ ứng suất biến dạng của vật liệu thép được chia làm

ba miền bao gồm miền đàn hồi, miền chảy dẻo, miền tái bền và phá hủy Trên thực

tế, đường cong này có hình dạng phức tạp, tuy nhiên trong tính toán, nó được biểudiễn xấp xỉ thông qua một số mô hình Điển hình có thể kể đến mô hình đàn dẻo lýtưởng của Prantdl (1925) và Reuss (1930), mô hình nửa tuyến tính, mô hình lũy thừacủa Ramberg-Osgood hoặc của Holomon, Ludwik… [54] Luận án giới hạn xem xétvật liệu thép làm việc theo mô hình đàn dẻo lý tưởng, đường cong ứng suất – biếndạng được biểu diễn theo (2.16), minh họa trong hình 2.12

Hình 2.2 Quan hệ ứng suất biến dạng theo mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng

25

-Khi phần tử kết cấu chịu quá tải, vật liệu trên mặt cắt tiết diện chảy dẻo dần từ ngoàivào trong Khi tiết diện phần tử chảy dẻo toàn phần dẫn đến sự hình thành các khớpdẻo lý tưởng Các khớp dẻo có thể được chèn tại hai đầu hoặc giữa phần tử thanh.Trong trường hợp khớp dẻo nằm giữa thanh thì phần tử đó được chia thành hai phần

tử nhỏ Nút được tự động thêm vào và tạo trạng thái cân bằng tĩnh học trước khiđược thêm vào ma trận độ cứng tổng thể

Điều kiện chảy dẻo của mặt cắt tiết diện thanh có thể được phân tích qua một số lýthuyết khác nhau Luận án dựa trên nền tảng cơ sở lý thuyết dòng chảy dẻo (Plasticflow theory), theo đó điều kiện chảy dẻo đại diện bởi một mặt quan hệ giữa ứng suấttác dụng và ứng suất giới hạn chảy dẻo tương ứng, mô tả bởi phương trình tổng quátmặt chảy Γ như sau [59]:

mô men xoắn quanh trục được bỏ qua Các thành phần lực dọc và mô men giới hạndẻo được cho bởi công thức:

N P= σY A P ; M yP= σYWy P ; M zP= σY W z P (2.18)

σY là giới hạn chảy; A P là diện tích tiết diện dẻo; W yP và W zP là các thành phần mô

men kháng uốn dẻo quanh trục y và trục z.

0 < Γ < 1 tương ứng với trạng thái tiết diện chưa chảy dẻo toàn phần, Γ = 0 với mọivéc tơ lực tương ứng với trạng thái chảy dẻo toàn phần Γ = -1 tương ứng với trạngthái tiết diện không chịu ứng suất

Trường hợp tiết diện thanh ống, với D và d lần lượt là đường kính ngoài và trong,

điều kiện chảy dẻo toàn phần với mô hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng được biểu diễn[59, 62]:

26

-Hình 2.3 Minh họa mặt chảy 2 chiều trên một mặt cắt tiết diện thanhĐối với nút ống, điều kiện chảy dẻo toàn phần được phân tích chi tiết trong [59], và theo tiêu chuẩn API được thể hiện trong phương trình: