Tính toán tuổi thọ mỏi tại chi tiết mối nối giữa chân để dàn khoan và topside có tải trọng lớn

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM CƠNG KHANH TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI TẠI CHI TIẾT MỐI NỐI GIỮA CHÂN ĐẾ DÀN KHOAN VÀ TOPSIDE CÓ TẢI TRỌNG LỚN Chun ngành : Xây dựng Cơng trình biển LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2008 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỊAN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS NGƠ NHẬT HƯNG Cán chấm nhận xét 1: PGS TS TRẦN DOÃN SƠN Cán chấm nhận xét 2: TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 31 tháng 07 năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 17 tháng 07 năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Công Khanh Giới tính : Nam 5/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 14 / 10 / 1982 Nơi sinh : Nghệ An Chun ngành : Xây dựng Cơng trình biển Khoá (Năm trúng tuyển) : 2005 1- TÊN ĐỀ TÀI: “TÍNH TĨAN TUỔI THỌ MỎI TẠI CHI TIẾT MỐI NỐI GIỮA CHÂN ĐẾ VÀ TOPSIDE CÓ TẢI TRỌNG LỚN” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Nghiên cứu, tìm hiểu tổng hợp khái niệm, phương pháp tính tóan mỏi cơng trình biển cố định thép tiêu chuẩn quy phạm giới Phạm vi áp dụng quy phạm - Phân tích, lựa chọn phương pháp tính tóan tuổi thọ mỏi chi tiết mối nối chân đế phần thượng tầng dàn khoan Áp dụng tính tóan tuổi thọ mỏi cho mối nối hình cone điển hình phần chân đế topside dàn khoan cụ thể phương pháp khác - So sánh kết tính tóan phương pháp tính tóan nhằm đưa kết luận kiến nghị cụ thể công tác thiết kế chế tạo, lắp đặt dàn khoan biển 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 17/07/2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS Ngô Nhật Hưng Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) Luận văn Thạc sĩ -4- CBHD: TS Ngô Nhật Hưng LỜI CẢM ƠN ! Qua trình nghiên cứu, làm việc nghiêm túc với nỗ lực lớn thân giúp đỡ, khích lệ to lớn tập thể thầy cô giáo môn Cảng – Công trình biển – Trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh với anh, chị em đồng nghiệp phịng Kỹ thuật sản xuất – Xí nghiệp Xây lắp, Khảo sát Sửa chữa cơng trình dầu khí, đề tài “Tính tóan tuổi thọ mỏi mối nối chân đế giàn khoan topside có tải trọng lớn” hòan thành thời hạn Trước tiên muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới : + Thầy TS Ngô Nhật Hưng, môn Cảng – Cơng Trình Biển - Khoa Kỹ thuật Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh + Anh Trần Sĩ Thái: Kỹ sư phòng Kỹ thuật sản xuất – Xí nghiệp Xây lắp, Khảo sát Sửa chữa cơng trình dầu khí - Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Vietsovpetro Là người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho hoàn thành đề tài tốt nghiệp thời gian qua Đồng thời muốn gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Trần Minh Quang, TS.Trần Thu Tâm, TS.Nguyễn Thế Duy, TS.Trương Ngọc Tường, ThS Lâm Văn Phong, ThS.Trần Đình Chiến ThS.Bùi Văn Chúng tập thể thầy cô giáo Bộ môn Cảng - Công Trình Biển người hướng dẫn, giảng dạy suốt thời gian qua để tơi có kết ngày hôm Xin chân thành cảm ơn anh, chị em đồng nghiệp Phòng kỹ thuật sản xuất – Xí nghiệp Xây lắp, Khảo sát Sửa chữa cơng trình dầu khí - Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Vietsovpetro, giúp đỡ tơi thời gian qua Con xin cảm ơn ba mẹ tình yêu thương vô bờ bến dành cho HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ -5- CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Tuy nhiên, thời gian nghiên cứu có hạn với số hạn chế nên đề tài cịn nhiều sai sót, kính mong thầy cô giáo, anh chị đồng nghiệp gợi ý dẫn thêm để luận văn hòan thiện Vũng tàu ngày 17/07/2008 Học viên Phạm Công Khanh HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 -6- Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS Ngơ Nhật Hưng TĨM TẮT LUẬN VĂN Hiện tượng mỏi q trình tích lũy thân vật liệu, cấu kiện tác động ứng suất thay đổi theo thời gian Nhưng thực tế nay, công tác thiết kế dàn khoan biển cố định xét đến tác động lên cơng trình mang tính cực trị Đề tài “ TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI TẠI MỐI NỐI GIỮA CHÂN ĐẾ DÀN KHOAN VÀ TOPSIDE CÓ TẢI TRỌNG LỚN” nhằm phân tích tính chất nguy hiểm đặc biệt quan trọng tượng mỏi ảnh hưởng đến cơng trình dàn khoan ngịai khơi; tính tóan tuổi thọ mỏi cho vị trí mối nối nguy hiểm điển hình dàn khoan đồng thời đưa giải pháp nhằm hạn chế, khắc phục tượng mỏi xảy công tác thiết kế thi công lắp đặt dàn khoan biển Luận văn bao gồm chương với nội dung sau: - Chương 1: TỔNG QUAN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU Nêu lên khái niệm lý thuyết mỏi tượng mỏi, phân tích tính chất quan trọng tượng mỏi đời sống cơng trình biển; sơ lược phương pháp nghiên cứu, quy phạm mỏi đồng thời nêu rõ mục đích nghiên cứu mỏi học viên đề tài - Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trình bày định nghĩa liên quan đến việc tính tóan mỏi Khái niệm lọai mối nối ống thường gặp cơng trình biển Tổng hợp so sánh công thức thông số liên quan đến việc tính tóan mỏi theo tiêu chuẩn, quy phạm khác giớ Phạm vi áp dụng các tiêu chuẩn, quy phạm HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ -7- CBHD: TS Ngô Nhật Hưng - Chương 3: TẢI TRỌNG TÍNH TĨAN Phân tích yếu tố mơi trường biển tác động lên cơng trình dàn khoan biển cố định sóng, gió, dịng chảy….Mơ tả chuyển động sóng biển theo quan điểm tiền định ngẫu nhiên, ảnh hưởng tính chất động lực học tác động lên kết cấu - Chương 4: TÍNH TĨAN MỎI TẠI MỐI NỐI HÌNH CONE Đưa mơ hình đặc trưng dàn khoan biển cố định có mối nối chân đế topside Cụ thể thực tính tóan tuổi thọ mỏi mối nối ống hình cone chân đế topside dàn khoan Sông Đốc A (SD-A) Xây dựng sơ đồ khối tính tóan mỏi tóan Phân tích, lựa chọn phương pháp tính tóan mỏi Mỏi mối nối hình cone đựơc tính phương pháp: Tính mỏi chương trình tính tóan SACS tính theo phương pháp giải tích (quy phạm DnV) - Chương 5: KẾT QUẢ TÍNH TĨAN Trình bày cụ thể bước tính tóan kết tuổi thọ mỏi phương pháp giải tích cho mối nối hình cone phần chân đế phần topside dàn khoan cố định ngịai biển (Dàn khoan Sơng Đốc-A) - Chương 6: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ So sánh kết tính tóan phương pháp tính mỏi (tính tóan mỏi chương trình SACS tính mỏi theo phương pháp giải tích) Trình bày kết luận kết tính tóan luận văn, đồng thời đưa kiến nghị học viên tượng mỏi q trình nghiên cứu cơng tác thực tế cơng trình dàn khoan biển HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 -8- Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS Ngô Nhật Hưng MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan 12 1.2 Các phương pháp phân tích mỏi 13 1.2.1 Các tác động lên cơng trình biển tính tóan mỏi kết cấu chân đế 13 1.2.2 Các phương pháp tính tóan mỏi 14 1.2.3 Các phương pháp phân tích mỏi sử dụng 16 1.3 Mục đích nghiên cứu 17 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các định nghĩa liên quan đến tính tóan mỏi cấu tạo nút ống 18 2.1.1 Các định nghĩa liên quan đến tính tóan mỏi 18 2.1.2 Cấu tạo hình học nút ống 19 2.2 Ứng suất mối nối 24 2.2.1 Xác định ứng suất theo quan điểm tiền định 25 2.2.2 Xác định ứng suất theo quan điểm ngẫu nhiên 28 2.3 Cơ sở xác định hệ số tập trung ứng suất (SCF) 32 dạng nút khác 2.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 32 2.3.2 Thí nghiệm mơ hình 33 2.3.3 Các cơng thức có thơng số 34 2.3.4 Phạm vi giá trị công thức thông số 42 2.3.5 Nhận xét công thức thông số 43 2.3.6 Mối nối hình cone 45 HVTH: Phạm Cơng Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ -9- CBHD: TS Ngô Nhật Hưng 2.4 Xây dựng đường cong mỏi S - N để tính tóan tích lũy tổn thất mỏi 49 kết cấu chân đế MSP 2.4.1 Định nghĩa đường cong mỏi S-N 49 2.4.2 Giới hạn mỏi 50 2.4.3 Đường cong mỏi S – N dùng để tính mỏi mối nối ống 51 CHƯƠNG TẢI TRỌNG TÍNH TỐN 3.1 Các yếu tố tác dụng động mơi trường biển lên cơng trình 63 dàn khoan biển cố định gồm phần tử mảnh 3.1.1 Tác động gió 63 3.1.2 Tác động dịng chảy 64 3.1.3 Tác động sóng 64 3.2 Mơ tả tải trọng sóng tác động lên cơng trình biển 64 3.2.1 Mơ tả tiền định chuyển động sóng biển 64 3.2.2 Mơ tả ngẫu nhiên chuyển động sóng 68 3.3 Tải trọng sóng tính tóan theo quan điểm tiền định 73 3.4 Ảnh hưởng tính chất động lực học tác động 75 CHƯƠNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN 4.1 Điều kiện mơi trường để tính tóan tải trọng sóng 81 4.2 Phương pháp tính tóan mỏi 81 4.2.1 Tính mỏi tiền định 80 4.2.2 Sử dụng phần mềm SACS để tính tóan tuổi thọ mỏi 83 4.3 Phương pháp tính mỏi đơn giản DnV 84 4.4 Sơ đồ khối tính tóan mỏi tóan 87 4.5 Mơ hình chân đế dạng Jacket 88 HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ - 10 - CBHD: TS Ngơ Nhật Hưng CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TĨAN 5.1 Phương pháp tính mỏi theo quy phạm DnV 89 5.1.1 Chu kỳ dao động riêng chân đế 89 5.1.2 Ứng suất danh nghĩa mối nối 90 5.1.3 Tính tóan hệ số động lực học DAF 92 5.1.4 Tính tóan hệ số tập trung ứng suất SCF 93 5.1.5 Tính tóan biên độ ứng suất 94 5.1.6 Tính tóan tuổi thọ mỏi 94 5.2 Tính tóan tuổi thọ mỏi vị trí mối nối hình cone 98 chương trình SACS 5.2.1 Mơ hình tính tóan theo chương trình SACS 98 5.2.2 Kết tính tóan theo chương trình SACS 98 CHƯƠNG KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận 102 6.2 Kiến nghị 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC 105 HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 - 102 - Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS Ngô Nhật Hưng CHƯƠNG KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 6.1 KẾT LUẬN Từ kết tính tóan tuổi thọ mỏi mối nối chân đế giàn khoan topside (mối nối ống cone) phương pháp: dùng chương trình tính tóan SACS phương pháp giải tích, ta nhận thấy : - Kết tính tóan theo phương pháp giải tích (T = 163,4 năm) so với kết tính tóan tuổi thọ chương trình SACS (T=171,2 năm) chấp nhận (sai số khơng 5%) So với tuối thọ mối nối khác chân đế dàn khoan, tuổi thọ mối nối hình cone chân đế topside lớn Tuổi thọ tòan kết cấu dàn khoan tuổi thọ nhỏ phần tử dàn khoan - Hệ số tập trung ứng suất mối nối cone chân đế giàn khoan chân đế SCF = 2,0432 nhỏ so với hệ số tập trung ứng suất mối nối khác mối nối chữ K, T, X, KT… - Việc xác định hệ số tập trung ứng suất SCF điểm nóng cách xác khó, ảnh hưởng đến việc tính tóan tuổi thọ mỏi điểm nóng tịan kết cấu dàn khoan Tuy nhiên, dù dùng theo phương pháp tính mỏi (theo quy phạm chương trình tính tốn), ta xét đến thay đổi ứng suất lớn thay đổi mực nước mà chưa kể đến phá hủy mỏi dàn khoan ảnh hưởng khác mơi trường ăn mịn nước biển hay hà bám… HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ - 103 - CBHD: TS Ngơ Nhật Hưng 6.2 KIẾN NGHỊ Qua q trình nghiên cứu, làm việc trực tiếp cơng trình dàn khoan, nhận thấy tượng phá hủy mỏi ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ đời sống công trình, học viên có kiến nghị sau: - Ở giai đọan thiết kế : Trong trình thiết kế, nên quan tâm đến tượng mỏi, mối nối diễn chọc thủng giằng ống chủ mối nối chữ K, T, Y, X…Ngòai việc áp dụng phù hợp với tiêu chuẩn, quy phạm thiết kế mỏi, người thiết kế cần quan tâm đến q trình thi cơng chế tạo sau để đảm bảo cho công tác hàn mối nối thực cách thuận lợi đảm bảo chất lượng - Ở giai đọan thi công chế tạo : Việc thực cơng tác hàn địi hỏi thợ phải cẩn thận, có tay nghề cao, có chứng phù hợp với tiêu chuẩn hàn Mối hàn cần phải gia công, mài nhẵn phải kiểm tra phương pháp kiểm tra không hủy thể kiểm tra bột từ (MPI), siêu âm tách lớp (UT) - Ở giai đọan khai thác : Việc kiểm tra khảo sát trình khai thác cần thiết để phát kịp thời vết nứt tượng lan truyền vết nứt, tượng gây tổn thất mỏi Do đó, cần lập kế họach khảo sát định kỳ hàng năm dàn khoan để từ có biện pháp xử lý kịp thời (đối với vết nứt nhẹ xử lý chỗ cách mài nhẵn, vết nứt nặng tùy theo mức độ để xử lý) HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 - 104 - Luận văn Thạc sĩ CBHD: TS Ngô Nhật Hưng TÀI LIỆU THAM KHẢO American Petrolium Institute (1993), “Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platform – Load and Resistance Factor Design”, US Bureau Veritas, “Cyclic Fatigue of Nodes and Welded Joints of Offshore Units” Det Norske Veritas (2001), “Recommended Practice DnV-RP-C203” Đỗ Kiến Quốc (1995), “Phương pháp dự báo tuổi thọ mỏi kết cấu kim loại” Luận án Phó tiến sĩ KHKT Trường ĐH Bách Khoa T.P Hồ Chí Minh John Brown Civil & Marine Structures, “Jacket Analysis Guidance” Lloyd’s Register (1989), “Rules and Regulations for the classification of fixed offshore installations”, London Nelson Szilard Galgoul (2007), “Fatigue Analysis of Offshore Fixed and Floating Structure” Ngô Văn Quyết (2000), “Cơ sở Lý thuyết mỏi”, Nhà xuất gíao dục Phan Văn Khơi (1997), “Tuổi thọ mỏi kết cấu thép ngồi biển”, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 10 Phạm Khắc Hùng (1995), “Nghiên cứu phương pháp luận xác định phản ứng động chân đế dàn khoan biển cố định chịu tác động sóng dịng chảy”, Viện xây dựng cơng trình biển, Hà Nội 11 Pim Visser (1993), “The Structural Design of Offshore Jackets”, The Marine Technology Directorate Limited, UK HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ - 105 - CBHD: TS Ngô Nhật Hưng PHỤ LỤC CÁC DẠNG DAO ĐỘNG CƠ BẢN CỦA CHÂN ĐẾ HVTH: Phạm Công Khanh MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ HVTH: Phạm Công Khanh - 106 - (Tần số CBHD: TS Ngô Nhật Hưng 0,429 Hz Chu kỳ 2,329 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ hai HVTH: Phạm Công Khanh - 107 - (Tần số 0,433 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 2,309 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ ba HVTH: Phạm Công Khanh - 108 - (Tần số 0,765 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 1,307 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ tư HVTH: Phạm Công Khanh - 109 - (Tần số 0,775 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 0,775 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ năm HVTH: Phạm Công Khanh - 110 - (Tần số 1,386 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 0,722 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ sáu HVTH: Phạm Công Khanh - 111 - (Tần số 1,633 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 0,601 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ bảy HVTH: Phạm Công Khanh - 112 - (Tần số 2,243 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 0,446 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ tám HVTH: Phạm Công Khanh - 113 - (Tần số 2,305 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 0,434 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ Dạng dao động thứ chín HVTH: Phạm Cơng Khanh - 114 - (Tần số 2,474 Hz CBHD: TS Ngô Nhật Hưng Chu kỳ 0,404 s) MSHV: 00205026 Luận văn Thạc sĩ 10 Dạng dao động thứ mười HVTH: Phạm Công Khanh - 115 - (Tần số CBHD: TS Ngô Nhật Hưng 2,551 Hz Chu kỳ 0,392 s) MSHV: 00205026 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : PHẠM CƠNG KHANH Ngày, tháng, năm sinh : Địa liên lạc : 14/10/1982 Nơi sinh: Nghệ An 32 Lê Phụng Hiểu – Phường – Thành phố Vũng Tàu Điện thoại : 064 851 475 – 0907 49 49 27 QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO (Bắt đầu từ Đại học đến nay) - Năm 2000: Trúng tuyển vào Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh – Khoa Kỹ thuật Xây dựng - Tháng 3/2005: Tốt nghiệp Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh - Tháng 9/2005: Trúng tuyển vào Trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, nghành cao học Xây dựng cơng trình biển Q TRÌNH CƠNG TÁC (Bắt đầu từ làm đến nay) - Tháng 5/2005 – 4/2007: Làm việc Ban khảo sát cơng trình biển – Xí nghiệp Xây lắp, Khảo sát & Sữa chữa cơng trình dầu khí – Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro - Tháng 4/2007 đến nay: Làm việc Phòng kỹ thuật – Xí nghiệp Xây lắp, Khảo sát & Sữa chữa cơng trình dầu khí – Xí nghiệp liên doanh dầu khí Vietsovpetro ... 4: TÍNH TĨAN MỎI TẠI MỐI NỐI HÌNH CONE Đưa mơ hình đặc trưng dàn khoan biển cố định có mối nối chân đế topside Cụ thể thực tính tóan tuổi thọ mỏi mối nối ống hình cone chân đế topside dàn khoan. .. chọn phương pháp tính tóan tuổi thọ mỏi chi tiết mối nối chân đế phần thượng tầng dàn khoan Áp dụng tính tóan tuổi thọ mỏi cho mối nối hình cone điển hình phần chân đế topside dàn khoan cụ thể phương... thiết kế dàn khoan biển cố định xét đến tác động lên cơng trình mang tính cực trị Đề tài “ TÍNH TỐN TUỔI THỌ MỎI TẠI MỐI NỐI GIỮA CHÂN ĐẾ DÀN KHOAN VÀ TOPSIDE CÓ TẢI TRỌNG LỚN” nhằm phân tích tính