BIỂN
7.1. Một số sự cố phỏ hủy cụng trỡnh biển.
7.1.1. Hiện tượng mỏi.
Vào năm 1850, người ta quan tõm tới hiện tượng hàng loạt cỏc trục bỏnh xe của tàu hoả bị gẫy mà khụng rừ nguyờn nhõn. Sau đú hiện tượng này đó được Wohler tiến hành nghiờn cứu một cỏch sõu sắc và cú hệ thống. Đú là một bước tiến lớn đỏnh dấu sự hiểu biết về hiện tượng mới lạ này: hiện tượng mỏi. Về sau, hiện tượng mỏi cũn được phỏt hiện ở cả cỏc kết cấu khỏc nữa như cầu, tầu thuỷ, mỏy bay và cỏc dàn khoan ngoài biển.v..v.
Theo cỏc tài liệu được cụng bố vào năm 1895, Kiphing là người đầu tiờn giải thớch hiện tượng nứt trục của chõn vịt ở tầu Grotkan khiến cho tầu này bị mất chõn vịt. Vào đầu những năm 1940, ba chiếc mỏy bay kiểu Comet bị tai nạn do nứt mỏi và người ta cũng thực sự chỳ ý tới sự phỏ huỷ do mỏi từ khi xuất bản cuốn sỏch của Nevil Shute năm 1948.
Sự phỏ huỷ mỏi thường khụng cú dấu hiệu bỏo trước như cỏc dạng phỏ huỷ khỏc. Nhưng khi quan sỏt bề mặt vết gẫy, ta cú thể biết được phần nào về tốc độ lan truyền vết nứt, chẳng hạn cỏc vựng hạt mịn, hạt thụ, cỏc đường vạch và khoảng cỏch giữa chỳng.v..v. Vị trớ của vết nứt gẫy thường xảy ra ở nơi cú sự thay đổi đột ngột về hỡnh học, cú khuyết tật hàn tức là nơi cú sự tập trung ứng suất cao, với tải trọng thay đổi lặp đi lặp lại vềđộ lớn hay về dấu.
Một số ớt trường hợp phỏ huỷ mỏi do nguyờn nhõn vật lý, chẳng hạn cỏc kiểu nứt do chứa hydro, tỏch lớp, mỏi ăn mũn hay phỏ huỷ dũn. Việc tỡm nguyờn nhõn phỏ huỷ mỏi thường đũi hỏi những nghiờn cứu thực nghiệm thấu đỏo trong cỏc phũng thớ nghiệm cú đủ trang thiết bị, kết hợp với việc phõn tớch lại cỏc tải trọng gõy mỏi.
7.1.2. Một số phỏ huỷ mỏi xảy ra đối với cụng trỡnh biển.
7.1.2.1 Sự cố phỏ huỷ mỏi ở giàn khoan bỏn chỡm và tự nõng.
Giàn khoan nửa chỡm ba chõn “Sed co 125” bắt đầu làm việc năm 1965 ở Mehico. Vào cuối năm 1967 người ta đó ghi nhận được sự nứt mỏi hàng loạt ở ống giằng phớa đuụi của cỏc giàn cựng kiểu đang hoatj động ở biển Bắc, biển Nam Trung Hoa, biển Thỏi Bỡnh Dương tại Canada và ở ngoài khơi Úc.
Trường hợp ở biển Bắc, trước khi phỏ huỷ vài thỏng người ta đó ghi đước ứng suất dọc trục ở ống giằng bị gẫy này. Trờn mụ hỡnh, ở chỗ tiếp giỏp giữa ống giằng và cột, hệ số tập trung ứng suất đo được là 4,7; người ta tớnh được hệ số tổn thất tớch luỹ theo lỹ thuyết của Palmgren-Miner là 2,18. Mặc dự thừa nhận cú sự phõn tỏn khi đỏnh giỏ tổn thất mỏi, kết quả như vậy đó cho thấy sự phự hợp giữa tớnh toỏn và thực tế.
Một vớ dụ khỏc là sự sụp đổ của giàn tự nõng “Ranger I” ở vịnh Mehico năm 1979. Tai nạn xảy ra do vết nứt phỏt sinh và phỏt triển ở mối hàn giữa chõn cột phớa đuụi với tấm gia cường và tấm đế. Vết nứt dài gần 500mm từ vị trớ 2700 đến vị trớ gần 700đó dẫn tới sập giàn. Sau sự cố này, một số qui phạm đó phải sửa đổi: cần kiểm tra định kỳ cỏc mối hàn cú nguy cơ nứt mỏi ở cỏc chõn đế.
Thỏng 3 năm 1980 giàn nửa chỡm cú người ở “Alexander L.Kielland” đó bị lật ở biển Bắc với 212 người trờn đú. Nguyờn nhõn đầu tiờn là nứt mỏi ở chõn cỏc mối hàn giữa thanh chống và thanh giằng, nơi khụng cú chuyển tiếp ờm thuận giữa mối hàn và kim loại gốc. Người ta đó khụng phỏt hiện ra một vết nứt dài 70mm cú sẵn từ lỳc thi cụng. Khi tiến hành tớnh toỏn tuổi thọ mỏi của giàn này trờn cơ sở luật tổn thất tớch luỹ của Miner cho thấy tuổi thọ mỏi cuả thanh giằng này nằm trong giới hạn hợp lý, nhưng khi kiểm tra theo quan điểm cơ học phỏ huỷđó chỉ ra rằng tốc độ phỏt triển vết nứt ởđõy quỏ nhanh, ngay từ giai đoạn đầu sau khi hoàn thành. Với một vết nứt xuyờn hết chiều dày thành ống và dài khoảng 30mm, tuổi thọ cũn lại của thanh giằng này chỉ là gần một năm. Thanh giằng này gẫy đó khiến cho cỏc thanh khỏc gẫy rất nhanh dẫn đến mất cột đỡ và dàn bị lật chỡm trong vũng 20 phỳt. Sau tai nạn này người ta cũng quan sỏt thấy cỏc vết nứt ở cựng vị trớ của cỏc giàn cựng kiểu.
Cũng cần chỳ ý rằng kiểu giàn này đó được thiết kế từ những năm 1960, khi đú chưa cú qui định kiểm tra mỏi khi thiết kế như ngày nay.
7.1.2.2. Phỏ huỷ mỏi ở cỏc giàn cốđịnh.
Giàn West Sole ở biển Bắc (giữa bỏn đảo Scandinavi và nước Anh) bị phỏ huỷ một phần đó được khảo sỏt tỡm nguyờn nhõn sự cố và cụng bố bỏo cỏo. Vết nứt xảy ra ở cỏc mối hàn giữa cỏc ống chộo và ống chủở độ sõu 0,6m dưới mức thuỷ triều thiờn văn thấp nhất. Quan sỏt bề mặt vết gẫy cho thấy vết nứt hỡnh thành từ bờn ngoài xung quanh chõn mối hàn do uốn trong mặt phẳng thẳng đứng với ứng suất thấp nhưng số chu trỡnh lớn. Do đú nguyờn nhõn phỏ huỷ cú thể là do đỏnh giỏ thấp tải trọng súng theo phương thẳng đứng. Ngoài ra hiện tượng bỏm kết sinh vật biển ở đú cũng chưa được kể tới. Với độ dày hà bỏm 200mm, đường kớnh ống chộo này đó tăng từ 300mm ban đầu tới 700mm lỳc phỏ huỷ. Khi kể tới hiện tượng này, tuổi thọ tớnh toỏn của mối nối chỉ là 4,5ữ5,5 năm.
Hồ sơ của ngành dầu khớ NaUy cho biết trong 27 giàn cố định ở biển Bắc được khảo sỏt trong 4 năm 1980ữ1983 cho thấy 163 vết nứt phõn bố tương đối đồng đều theo chiều sõu nước. Thực ra trong một chu kỳ khảo sỏt 4 năm chỉ cú thể kiểm tra được 5ữ10% số mối nối, nờn số vết nứt thực tế cú thể cũn lớn hơn. Nguyờn nhõn chủ yếu là những khuyết tật trong chế tạo. Hầu hết cỏc vết nứt này là cỏc vết nứt nụng. Để chỳng khụng phỏt triển cú thể khắc phục bằng cỏch đơn giản là mài nhẵn.
Vào năm 1981 người ta đó tiến hành khảo sỏt một cỏch hệ thống cỏc giàn khoan ở thềm lục địa Tõy Bắc Âu để làm cơ sở cho việc sửa chữa. Đợt khảo sỏt này bao gồm cả những giàn đó được xõy dựng từ đầu những năm 60 ở độ sõu 20ữ30m cũng như những giàn điển hỡnh ở biển Bắc ởđộ sõu 100ữ150m nước nhằm tỡm kiếm cỏc kiểu hư hỏng của giàn và nguyờn nhõn chủ yếu gõy ra những hư hỏng đú. Kết quả khảo sỏt đó chỉ ra rằng cú tới 35% toàn bộ cụng việc sửa chữa được tiến hành là để khắc phục cỏc hư hỏng về moỉ của kim loại. Khi phõn tớch lại về mỏi cỏc trường hợp đú ta thấy cỏc mối nối đều được thiết kế với kớch thước dưới mức cần thiết cú thể trỏnh được hư hỏng về mỏi nếu cỏc mối nối này được tớnh toỏn đỳng.
Đối với cỏc phần tử kết cấu chớnh yếu thỡ nguyờn nhõn nứt mỏi là do sinh vật bỏm làm tăng tải trọng mụi trường tức là do việc bảo dưỡng khụng được tiến hành đầy đủ. Ngoài ra do việc đỏnh giỏ thấp hệ số tập trung trong thiết kế. Đối với cỏc phần tử thứ yếu như khung dẫn, cỏc đường ống ở thựng chỡm của giàn khoan trọng lực, cỏc đầu giữ ống.v..v. thỡ nguyờn nhõn nứt mỏi chủ yếu là do chỳng đó khụng được quan tõm đầy đủ khi phõn tớch mỏi và khi chế tạo lắp rỏp.
7.1.3.Phũng ngừa phỏ huỷ mỏi.
7.1.3.1- Trong giai đoạn thiết kế.
Sự phỏt triển vết nứt thường xảy ra mạnh mẽ khi tải trọng cú tớnh động lực, ứng suất cục bộ lớn, khi dựng thộp độ bền cao và cú khuyết tật dạng vết nứt trong gia cụng chế tạo. Trong những trường hợp nhất định cú thể dễ nhận thấy những nhõn tốảnh hưởng này để phũng ngừa ngay trong thiết kế.
Sự tập trung ứng suất ảnh hưởng rất mạnh tới phỏ huỷ mỏi, vỡ vậy trong thiết kế cần làm cho những phần chuyển tiếp hỡnh học được ờm thuận, và nếu cần thiết cú thể dựng thộp đỳc ở những chỗ đú thay cho liờn kết hàn. trong số cỏc kiểu mối hàn thỡ hàn gúc là dễ bị nứt, do khe hở quỏ hẹp nờn hàn khụng đủ ngấu và hỡnh dạng mối hàn khú đạt yờu cầu.
Người thiết kế cũng cần nắm được qui trỡnh cụng nghệ chế tạo thực tế để lường trước cỏc sai lệch hỡnh học cú thể cú so với tớnh toỏn của mỡnh cũng như đưa ra những chỉ dẫn kỹ thuật về tớnh chất vật liệu và về qui trỡnh chế tạo để cú được những mối nối chất lượng cao. Người thiết kế khụng chỉ tập trung chỳ ý vào việc làm thoả món cỏc tiờu chuẩn thiết kế mà cần xột tới cả những yếu tố giỏn tiếp khỏc cú nguy cơ gõy mỏi.
7.1.3.2. Trong giai đoạn chế tạo.
Việc chế tạo phải đỳng qui trỡnh đó được cơ quan cú thẩm quyền chấp thuận. Vỡ khuyết tật thường xảy ra ở cỏc điểm bắt đầu và kết thỳc cỏc mối hàn nờn chỳng càng nằm xa vựng cú ứng suất cao càng tốt.
7.1.3.3. Trong giai đoạn khai thỏc.
Việc kiểm tra khảo sỏt trong quỏ trỡnh khai thỏc là rất cần thiết để phỏt hiện kịp thời cỏc vết nứt và trạng thỏi kỹ thụõt cú ảnh hưởng đến mỏi, từđú đề ra cỏc biện phỏp bảo dưỡng phũng ngừa hay sửa chữa. Cần cú kế hoạch tỷ mỷđể sửa chữa hư hỏng, cú xột đến khả năng phỏt sinh khuyết tật mới và ứng suất cục bộ.
7.2. Khỏi niệm.
7.2.1. Khỏi niệm về bài toỏn mỏi cụng trỡnh biển.
Súng biển là một loại tải trọng lặp đi lặp lại, trong suốt quỏ trỡnh hoạt động của cụng trỡnh, gõy ra ứng suất lặp đối với kết cấu cụng trỡnh, nếu ứng suất lặp này đủ lớn (σi > σo) và với một số chu trỡnh lặp nhất định (n > 1.000.000) đối với từng loại vật liệu thỡ cụng trỡnh cú thể bị phỏ hủy mỏi, mặc dự ứng suất gõy ra mỏi cũn nhỏ hơn nhiều so với ứng suất cực đại (σi < σmax). Vỡ vậy trong tớnh toỏn cụng trỡnh biển người ta thường chỳ ý đến 2 bài toỏn: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bài toỏn bền: được tớnh toỏn theo điều kiện nguy hiểm nhất, ứng với trạng thỏi biển ngắn hạn (mụi trường cực trị) Emax (Hmax, Tmax).
Bài toỏn mỏi: xột đối với tất cả cỏc trạng thỏi biển ngắn hạn trong trạng thỏi biển dài hạn.
ΣEi(Hi,Ti,ni)
Hỡnh 7- 1 Trạng thỏi biển dài hạn.
- Cú mỏi tiền định hoặc mỏi ngẫu nhiờn phụ thuộc vào cú xột ảnh hưởng ngẫu nhiờn của tải trọng vật liệu hay khụng.
7.2.2. Cỏc giai đoạn phỏt triển vết nứt do mỏi.
Dự bỏo tuổi thọ mỏi của một hệ thống hoặc một phần tử tạo nờn hệ thống chịu cỏc hiện tượng mỏi do tải trọng tỏc dụng cú chu trỡnh trước tiờn phải xỏc định được một trạng thỏi giới hạn, việc chọn trạng thỏi giới hạn trong nhiều trường hợp gặp khú khăn vỡ nú phụ thuộc nhiều yếu tố, đối với bài toỏn mỏi, quỏ trỡnh tạo thành mỏi chia làm ba giai
đoạn:
- Giai đoạn 1: Giai đoạn bắt đầu nứt, là vết nứt (do mỏi cú thể) đo được gọi là vết nứt vĩ mụ. Ngược lại với vết nứt vĩ mụ ta cú vết nứt vi mụ là vết nứt quanh cỏc