Bài báo trình bày cách tiếp cận theo phương pháp thống kê để đánh giá xác suất phá hủy của kết cấu khối chân đế các giàn cố định bằng thép trong vùng biển Việt Nam, chịu tác động của tàu va. Cách tiếp cận này dựa trên lý thuyết trạng thái giới hạn cho năng lượng tác động của tàu và khả năng hấp thụ năng lượng của giàn cố định thép, qua đó đánh giá được sự phá hủy của kết cấu. Hai mô hình năng lượng tàu va dựa trên hai hàm mật độ phân phối xác suất năng lượng tàu va chạm P50 (1) và P95(2) được sử dụng để xác định xác suất phá hủy kết cấu. Trong bài viết này, năng lượng hấp thụ bởi kết cấu được xác định sử dụng module SACS - Collapse version 5.3.
PETROVIETNAM Đánh‱giá‱xác‱suất‱phá‱hủy‱của‱kết‱cấu‱khối‱chân‱ ₫ế‱các‱giàn‱cố‱₫ịnh‱bằng‱thép‱trong‱vùng‱biển‱ Việt‱Nam,‱chịu‱tác‱₫ộng‱của‱tàu‱va TS Joko Harsono Widjaja, ThS Từ Lê Trung KS Trần Thanh Quyền Technip Vietnam Tóm tắt Bài báo trình bày cách tiếp cận theo phương pháp thống kê để đánh giá xác suất phá hủy kết cấu khối chân đế giàn cố định thép vùng biển Việt Nam, chịu tác động tàu va Cách tiếp cận dựa lý thuyết trạng thái giới hạn cho lượng tác động tàu khả hấp thụ lượng giàn cố định thép, qua đánh giá phá hủy kết cấu Hai mơ hình lượng tàu va dựa hai hàm mật độ phân phối xác suất lượng tàu va chạm P50 (1) P95(2) sử dụng để xác định xác suất phá hủy kết cấu Trong viết này, lượng hấp thụ kết cấu xác định sử dụng module SACS - Collapse version 5.3 Các nghiên cứu viết cung cấp cách nhìn sâu sắc lượng tàu va cực đại giàn cố định kiểu Jacket (khối chân đế), từ cho phép làm giảm nhẹ lực tàu va cách khác đưa vào quy định hoạt động hàng hải tiêu chuẩn thiết kế kết cấu Jacket Mở đầu Đã xảy vụ tai nạn va chạm tàu vào phần tử kết cấu giàn nằm khơi đảo Madura, Indonesia gây thiệt hại nghiêm trọng người cảnh báo nhà khai thác dầu khí khu vực Đông Nam Á cần thiết để đánh giá tác động hoạt động hàng hải tới kết cấu giàn khoan Dạng tai nạn nhà khai thác biển Bắc vịnh Mexico nghiên cứu (ghi chép nghiên cứu HSE năm 2003, báo cáo nghiên cứu 053) [12] Phát triển mơ hình động tàu Cả hai tiêu chuẩn hướng dẫn [2, 9] khuyến cáo lượng va tàu ‘EV’ thể sản phẩm lượng chuyển động tàu, tỷ số tương đối khối lượng, vận tốc yếu tố biểu diễn độ mềm khối lượng kết cấu giàn Năng lượng va tàu Ev xác định theo phương trình sau: (1) Trong đó, Es, Ei, Ms, Msa, Mi, Mia, Vs Vi lượng tàu hấp thu (ship energy absorption); lượng kết cấu hấp thụ (installation absorption energy); khối lượng chiếm nước tàu có tải (ship loaded displacement mass); khối lượng nước kèm dựa vào phía tàu (ship added mass); khối lượng hiệu dụng kết cấu (effective installation mass); khối lượng nước kèm kết cấu (installation added mass), vận tốc thân tàu (ship free-field velocity) vận tốc chuyển động kết cấu Trong phương trình (1), lượng tàu chuyển động tính tốn dựa số liệu thống kê thực tế 16 tàu hoạt động vùng biển Việt Nam thể Bảng DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 51 CƠNG‱NGHỆ‱-‱CƠNG‱TRÌNH‱DẦU‱KHÍ Bảng Bảng thống kê số tàu hoạt động vùng biển Việt Nam tham số Bảng Các tham số luật phân phối Weibull cho vận tốc chuyển động tàu Những liệu sử dụng để phát triển hàm mật độ phân phối xác suất động tàu Một vài giả định số tham số tàu lấy dựa xác suất 50%, khối lượng chiếm nước tàu tính tốn dựa 80% DWT vận tốc kinh tế (economic vessel speed) coi vận tốc chuyển động (tính tốn) tàu, tốc 52 DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 độ hành trình tốc độ cực đại tàu xem số phần trăm thứ 80 100, tùy theo tốc độ với tốc độ tàu xác định P50, hàm phân bố vận tốc tàu sử dụng luật phân bố Weibull với ba tham số, tính tốn thể Bảng (trong khơng thể tham số γ) PETROVIETNAM Bảng Động tàu tham số luật phân phối Weibull Lấy theo giá trị biên hàm mật độ phân phối xác suất động tàu theo P50, mơ hình động tàu phát triển Hình có mối liên hệ sau: (2) (3) Trong đó: Δ, δD, P, D, t, Fy, a, b c chuyển vị điểm va chạm, chiều sâu vết lõm (bẹp) ống, lực va chạm tàu, đường kính ống, độ dày ống, ứng suất giới hạn dẻo trung bình, tham số độ cứng chống uốn số độ cứng Tham số độ cứng chống uốn số độ cứng xác định phân tích ứng suất cho kết cấu chịu lượng va tàu điểm va chạm Hình Mơ hình động tàu lấy theo P50 Phát triển mơ hình lượng va tàu Từ phương trình (1), ta thấy hệ số đặc biệt phụ thuộc vào khối lượng kết cấu, khối lượng nước kèm vận tốc kết cấu trình va chạm Vận tốc kết cấu liên quan tới độ cứng tổng thể giàn độ cứng cục (chống bẹp, méo) ống điểm va chạm Cùng lực va điểm ống ống nhánh, chuyển vị biến dạng lõm điểm va chạm Phương trình (2) dựa lý thuyết lực va chạm Amdahl’s cho ống bị bẹp [5] áp dụng cho ống có tỷ số D/t < 50, phương trình (3) dựa kết Ellinas Walker [6] cho ống có tỷ số D/t > 50 Các biểu thức sau thể cho lượng hấp thụ tàu giàn, biến dạng tàu kết cấu giàn Khi lượng tàu hấp thụ giả định khơng, kết cấu giàn hấp thụ tồn lượng Năng lượng mô hàm lũy thừa bậc hai, lượng va chạm tàu với DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 53 CƠNG‱NGHỆ‱-‱CƠNG‱TRÌNH‱DẦU‱KHÍ lượng giàn hấp thụ phân phối tới ứng suất uốn lõm (bẹp) phần tử kết cấu, thể qua phương trình (4) (5) sau: Độ lệch chuẩn lượng tàu σV thể công thức 7: (7) (4) (5) Vận tốc chuyển động giàn phương trình (1) lấy xấp xỉ từ phản ứng động (dynamic response) kết cấu giàn điểm va chạm theo cơng thức (6): (6) Trong đó: VI : Vận tốc chuyển động giàn (cm/s) ω1: Tần số dao động riêng mode dầu tiên ∆: Chuyển vị điểm tàu va mode (cm) δ: Chiều sâu vết lõm (cm) Bằng cách thực phương pháp tính lặp lặp sử dụng cho phương trình (2 - 6), với tham số: Lực va, chiều sâu vết lõm ống, chuyển vị điểm va chạm ống ống nhánh, vận tốc chuyển động giàn lượng tàu va dẫn tới kết phù hợp Với phương pháp tính tốn tương tự dựa hàm mật độ phân phối xác suất lượng tàu va P95 ta xác định mơ hình lượng tàu va cho P95 Kết hợp hai mơ hình lượng va tàu P50 P95 trình bày Hình Trong σM, σV σf độ lệch chuẩn khối lượng chiếm nước tàu có tải (ship loaded displacement mass), vận tốc thân tàu hệ số tương đối khối lượng vận tốc tàu Tiêu chuẩn phá hủy kết cấu Các tiêu chuẩn áp dụng để đánh giá phá hủy kết cấu có thể thay đổi tùy thuộc vào mục tiêu và mức độ rủi ro do dự án quy định Trong nghiên cứu này, kết cấu bị phá hủy cục bộ giới hạn đến khớp dẻo “plastic hinges” độ sâu vết lõm (bẹp) của ống phát triển dựa trên sự va chạm tàu vào kết cấu. Trong phản ứng tổng thể kết cấu giàn khơng đàn hồi và tính tốn dựa khớp dẻo kết cấu bị va Trong tài liệu tham khảo API RP 2A LRFD [13], ứng suất uốn danh nghĩa (nominal bending stress) được thay bằng giới hạn chảy dẻo trung bình Fy, tiêu chuẩn để đánh giá phần tử kết cấu tổ hợp Momen uốn kéo, Momen uốn nén trình bày cơng thức (8) (9): (8) (9) Nếu tỷ số ứng suất nén ứng suất ổn định phần tử kết cấu lớn 0,15, phương trình (10) sau dùng để thay cho (9): (10) Các ký hiệu trong phương trình (8 - 10) tham khảo tiêu chuẩn API RP 2A LRFD năm 1993 [13] Hình Mơ hình lượng tàu va 54 DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 Để đánh giá vết lõm (bẹp) ống dựa vào tỷ lệ độ sâu vết lõm (bẹp) lớn nhất đường kính ống. DNV RP F107, 2001 [11] quy định độ sâu vết lõm (bẹp) tối đa lấy 20% của đường kính ống bị PETROVIETNAM hấp thụ lượng va từ tàu Phương trình (11, 12) lượng hấp thụ giới hạn kết cấu tạo vết lõm: (11) (12) Trong đó: ( ED)max : Năng lượng hấp thụ lớn kết cấu tạo vết lõm D: Đường kính ống t: Chiều dày ống Năng lượng hấp thụ kết cấu Để xác định lượng uốn (bending energy) kết cấu giàn cố định thép, mơ hình tổng hợp gồm cọc - khối chân đế - khối thượng tầng phát triển dựa phần mềm SACS 5.3 Để tính tốn lượng tàu va, phân tích lũy tiến phi tuyến (non-linear progressive analysis) được thực Module SACS - Collapse, tiêu chuẩn đánh giá phần tử kết cấu phá hủy giới hạn trong sự phát triển khớp dẻo Kết tính tốn từ phần mềm cho thấy bước 31 xuất khớp dẻo Kết chi tiết xem thêm mục “Một số kết tính tốn từ phần mềm SACS version 5.3” (mục 8.2) Hình Năng lượng hấp thụ uốn bẹp kết cấu Đồ thị Hình thể lượng gây uốn lượng gây lõm (bẹp) phần tử kết cấu giàn cố định thép vùng biển Việt Nam Giới hạn báo chưa sử dụng phần tử hữu hạn để miêu tả rõ biến dạng lõm ống, mà tính tốn chiều sâu vết lõm dựa vào phương trình (2, 3) Đánh giá xác suất phá hủy kết cấu Xác suất phá hủy Pf kết cấu ống ống nhánh kết cấu bị tàu bè va xác định cách sử dụng phương pháp trạng thái giới hạn mô tả sơ đồ giải thuật Boolean (Hình 5) Hình Kết bước 31 - khớp dẻo bắt đầu xuất Hình Giải thuật Boolean đánh giá xác suất phá hủy phần tử kết cấu Năng lượng tạo uốn kết cấu tính tốn dựa phân tích lũy tiến phi tuyến, kể đến chuyển vị tổng thể giàn thống gồm khối chân đế - khối thượng tầng cọc với chuyển vị cục phần tử kết cấu bị va chạm phần tử xung quanh Trong lượng làm ống bị lõm (bẹp) tính tốn dựa phương trình Amdahl [5] cho ống có tỷ số đường Các đại diện thể với phương trình (13) (14), EB ED tương ứng lượng cần thiết để kết cấu hấp thụ tạo uốn (chuyển vị) lõm (bẹp) , ngược lại phương trình Ellinas (13) Walker áp dụng Kết thể Hình (14) kính chiều dày DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 55 CƠNG‱NGHỆ‱-‱CƠNG‱TRÌNH‱DẦU‱KHÍ Từ phương trình (13), xác suất phá hủy kết cấu Pf xác định Z < 0, có nghĩa lượng cần thiết để kết cấu hấp thụ tạo bẹp uốn Dựa nguyên lý ta xác định xác suất phá hủy kết cấu Pf tàu va diện tích phần gạch chéo Hình Trong Ef lượng cần thiết để tạo bẹp uốn Kết tính tốn trình bày Hình 2, mục báo cách cập nhật số liệu thống kê tàu hoạt động số lượng mẫu giàn nghiên cứu Nghiên cứu cho thấy dựa tiêu chuẩn phá hủy 20% tỷ số độ sâu vết lõm phá hủy dẻo cục kết cấu bị va chạm, xác suất phá hủy ống xấp xỉ 10% cho tốc độ tàu trung bình (P50) 57% cho tốc độ tàu P95 (Hình 2) Những phát cho thấy 50% ống giàn bị phá hủy trường hợp tai nạn (P95) tàu va, xác suất phá hủy khoảng 10% điều kiện tàu vận hành (P50) Hơn nữa, nghiên cứu cung cấp nhìn sâu sắc cho nhà khai thác vùng biển Việt Nam tiêu chuẩn lượng tàu va (Boat impact Energy) thiết kế, đánh giá kết cấu giàn cố định thép, đặc biệt ống chính, ống nhánh giá cập tàu chịu tải trọng cố mà quy định hàng hải chưa đề cập tới Thêm vào đó, báo nghiên cứu sâu nguy phá hủy, khía cạnh kinh tế, để đáp ứng tiêu chuẩn mức độ rủi ro chấp nhận Hình Xác suất phá hủy kết cấu Pf tác động tàu va Phụ lục 8.1 Giải thích ký hiệu: Kết luận Với liệu giới hạn tàu thực tế thu thập được, nghiên cứu trình bày kết sơ động tàu xác suất phá hủy kết cấu ảnh hưởng tàu va chạm phương pháp xác suất thống kê Tuy nhiên, phương pháp trình bày tham khảo tài liệu hướng dẫn cho việc đánh giá kết cấu cơng trình biển, đặc biệt phần tử ống giằng giàn cố định thép tác động tàu va Nghiên cứu chi tiết xác (1) (2) - , P50 P95 Biến ngẫu nhiên x - Vận tốc tàu Hàm phân bố tích lũy Hàm mật độ xác suất f(x) tuân theo hàm phân phối Weilbull Hình Hàm phân phối xác suất mật độ xác suất 56 DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 PETROVIETNAM 8.2 Một số kết tính tốn từ phần mềm SACS Version 5.3 Tóm tắt kiện đặc biệt (trích) DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 57 CƠNG‱NGHỆ‱-‱CƠNG‱TRÌNH‱DẦU‱KHÍ Năng lượng kết cấu hấp thụ Work Report (KILOJOULES) Tài liệu tham khảo Design against Accidental Loads DNV RP C204 2004 Zheng, P., Kanegaonkar, H., Gjerstad, V-A and Engevik, E., 2003 Transient dynamic effects of jacket vessel collision on the platform topside Proc Of the 13th international offshore and polar engineering conference, Honolulu, Hawaii, USA Ellinas, C.P, February 1984 Ultimate strength of damaged tubular bracing members Journal of Structural Engineering, Vol 110, No JIP-Design Against Accidental Loads Ch of ‘Design guidance for structures exposed to ship Collision’, Veritec, Report No 88 - 3172 Furnes, O and Amdahl, J., 1980 Ship collision with offshore platforms Intermaritec ’80 10 DNV Report No 95 - 2018 Guideline for offshore structural reliability analysis-general Amdahl, J and Eberg, E., 1993 Ship collision with offshore structures Structural dynamics - EURODYN’93, Moan et al (eds), Balkema, Rotterdam, ISBN 90 5410 336 11 DNV-RP-F107, 2001 Risk assessment of pipeline protection Ship/platform collision incident database Prepared by serco assurance for health and safety excutive 2001 Ship collision and capacity of brace members of fixed steel offshore platforms Prepared by visser consultancy for health and safety excutive 2004 Jin, W; Song, J; Gong S and Lu, Y., 2005 Evaluation of damage to offshore structures due to collision of large barge Engineering Structures 27, p 1317 - 1326 58 DẦU KHÍ - SỐ 2/2012 12 HSE 2003, Research Report 053 13 API, ‘Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms - Load Resistance Factor Design’, API RP2A-LRFD Supplement dated February 2007 ... lõm dựa vào phương trình (2, 3) Đánh giá xác suất phá hủy kết cấu Xác suất phá hủy Pf kết cấu ống ống nhánh kết cấu bị tàu bè va xác định cách sử dụng phương pháp trạng thái giới hạn mô tả sơ... phương trình (13), xác suất phá hủy kết cấu Pf xác định Z < 0, có nghĩa lượng cần thiết để kết cấu hấp thụ tạo bẹp uốn Dựa nguyên lý ta xác định xác suất phá hủy kết cấu Pf tàu va diện tích phần... trình bày kết sơ động tàu xác suất phá hủy kết cấu ảnh hưởng tàu va chạm phương pháp xác suất thống kê Tuy nhiên, phương pháp trình bày tham khảo tài liệu hướng dẫn cho việc đánh giá kết cấu cơng