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

i

Lời cảm ơn
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học, GS.TS. Phạm Khắc
Hùng, đã tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này. Ngoài các kiến thức
khoa học quý báu, thầy đã luôn động viên, quan tâm hỗ trợ giúp tác giả vượt qua nhiều thời
điểm 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 Xây
dựng 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


2

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 2018
Nghiên cứu sinh


3

M
ục ii
lục

Da vii
nh ix
Da
nh xi
Da
nh 1
M
ở
C
H 3
Ư
1.1
. t3
h
1.1 3
.1.
1.1
.2. bằn
4
g
1.2
. c9
ô
1.3 12
.
1.3 12
.1.
1.3
.2. kể15
đến

1.4 15
.
1.5 17
.
1.6 17
.
C
H
C 20
Ố
2.1 20
.
2.2
. b20
i
2.3
. v21
ư
2.3 21
.1.
2.3
.1.
pháp phần tử hữu hạn………………………………………………………………

22


4

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 ……………………………………... 38
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 ………………………………………………………………………………

42

43

43

3.2. Nguyên tắc đánh giá kết cấu công trình biển cố định bằng thép khi chịu tải
vượt mức thiết kế…………………………………………………
43
3.2.1. Phân tích các yếu tố ngẫu nhiên đề cập trong luận án ……….................................

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


55

3.4.2.1. Thiết lập mối quan hệ giữa mặt chảy toàn phần  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

66

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

Phụ lục 1………………………………………………………………………………….. PL1
Phụ lục 2………………………………………………………………………………….. PL8


77

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
Ký hiệu
A
Ac
AP
C
D
Dd

E
EP
Ec
EcT
FD
FE
FET
Hmax
Hs
Iy , Iz
e
K
p
K
K
KI, KII, KIII
Kth
Kc
Mx, My, Mz
Mpx, MPy, MPz
N
NP
Nw
P, Pr
Qy, Qz
QPy, QPz
R
S
TX
U

V
Var(X)
W
Y(a,td)
Z
a
c

Giải thích
Diện tích tiết diện ống
Diện tích vết nứt
Diện tích tiết diện dẻo
Hệ số phương trình Paris, phụ thuộc loại vật liệu, loại mối hàn
Đường kính ngoài của ống
Độ bẹp của ống
Mô đun đàn hồi của vật liệu
Mô đun đàn dẻo của vật liệu
Điều kiện môi trường biển
Điều kiện môi trường biển tương ứng chu kỳ lặp T
Tổng tải trong tĩnh
Tổng tải trọng môi trường cực hạn (chu kỳ lặp 100 năm)
Tổng tải trọng môi trường gây đổ giàn (chu kỳ lặp T năm)
Chiều cao sóng lớn nhất
Chiều cao sóng đáng kể
Mô men quán tính tiết diện quanh trục y và trục z
Ma trận độ cứng đàn hồi của kết cấu
Ma trận độ cứng dẻo của kết cấu
Hệ số cường độ ứng suất
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

(Mode III).
Hệ số cường độ ứng suất ngưỡng bắt đầu lan truyền chậm vết nứt
Hệ số cường độ ứng suất giới hạn phá hủy
Mô men uốn quanh trục x, y và z
Mô men giới hạn dẻo quanh trục x, y và z
Lực dọc trục thanh (trục x)
Lực dọc giới hạn dẻo
Số chu trình tải trọng
Độ tin cậy và xác suất rủi ro
Lực cắt theo phương trục y và trục z
Lực cắt giới hạn dẻo theo phương trục y và z
Độ bền cực hạn của kết cấu
Véc tơ nội lực của kết cấu
Chu kỳ lặp của đại lượng ngẫu nhiên X
Thế năng tổng biến dạng
Véc tơ chuyển vị
Phương sai của đại lượng ngẫu nhiên X
Công của ngoại lực
Hàm hình học của kết cấu có vết nứt
Ma trận chuyển đổi hệ trục tọa độ địa phương của phần tử về hệ trục
tọa độ tổng thể của kết cấu
Chiều sâu vết nứt
Nửa chiều dài vết nứt


88

Ký hiệu
d
i, j, k

l
m
n
r
t
td
u
u

v
v

w
w

zi



X


e
p
xx
µX
w

Y
dp


ALS
FLS
PLS
RSR
SLS
UC
ULS

Giải thích
Đường kính trong của ống
Các chỉ số thứ tự
Chiều dài phần tử ống
Hệ số mũ phương trình Paris, phụ thuộc loại vật liệu, loại mối hàn
Số trạng thái biển xem xét
Khoảng cách từ đỉnh vết nứt đến phân tố tính ứng suất
Thời gian
Chiều dày ống
Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục x của 1
điểm bất kỳ trên thanh
Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục x hai đầu
nút
Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục x của 1
điểm bất kỳ trên thanh
Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục y hai đầu
nút
Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục x của 1
điểm bất kỳ trên thanh
Véc tơ các thành phần chuyển vị thẳng và xoay quanh trục z hai đầu
nút

Độ mở rộng mặt chảy trong không gian nội lực chuẩn hóa
Ký hiệu số gia
Hàm mặt chảy
Một nửa góc mở hợp bởi 2 biên của vết nứt
Chỉ số độ tin cậy của đại lượng ngẫu nhiên X
Ký hiệu biến phân
Ký hiệu biến dạng
Biến dạng đàn hồi
Biến dạng dẻo
Biến dạng dọc trục thanh
Giá trị kỳ vọng của đại lượng ngẫu nhiên X
Profile của sóng
Ký hiệu ứng suất
Giới hạn chảy của vật liệu
Ứng suất dẻo của phần tiết diện bẹp của ống
Tần số sóng
Trạng thái giới hạn sự cố
Trạng thái giới hạn mỏi
Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến
Hệ số độ bền dự trữ
Trạng thái giới hạn sử dụng
Hệ số kiểm tra điều kiện bền theo tiêu chuẩn
Trạng thái giới hạn cực hạn


99

Danh mục các hình vẽ
Số hình
Hình 1.1

Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
Hình 2.7
Hình 2.8
Hình 2.9
Hình 2.10
Hình 2.11
Hình 2.12
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4
Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7
Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10

Tên hình

Trang
Cấu tạo chung kết cấu công trình biển cố định bằng thép móng cọc..
4
Các loại công trình biển sử dụng theo độ sâu nước………………….
5
Thống kê phạm vi ứng dụng của các loại công trình biển…………..
5
Thống kê các công trình biển cố định bằng thép sâu nhất thế giới.....
6
Các bể trầm tích và trữ lượng dự báo trong vùng biển Việt Nam........
7
Khuyết tật do sự cố va tàu và vật rơi....................................................
9
Kết cấu chân đế bị rỉ và bị nứt sau khi rỉ.............................................
9
Quy ước hệ tọa độ và các chuyển vị của phần tử thanh……………...
22
Quan hệ ứng suất biến dạng theo mô hình vật liệu đàn dẻo lý
tưởng…………………………………………………………………..
24
Minh họa mặt chảy 2 chiều trên một mặt cắt tiết diện thanh………...
26
Minh họa quan hệ lực – chuyển vị của nền đất………………………
28
Sai số giữa kết quả chuyển vị thực và theo xấp xỉ Euler-Cauchy……
28
Hiệu chỉnh sai số giữa tải trọng và nội lực tại bước thứ i……………
29
Mô tả 3 giai đoạn phá hủy mỏi của vật liệu………………………….
30

Phân vùng giai đoạn phá hủy mỏi và phạm vi ứng dụng các lý thuyết
tính toán………………………………………………………………
30
Dạng lan truyền vết nứt do mỏi………………………………………
32
Dạng lan truyền vết nứt kết cấu nút ống……………………………..
32
Minh họa trạng thái ứng suất phẳng của phân tố gần đỉnh vết nứt…..
33
Minh họa phân bố ứng suất chảy trên tiết diện ống bị bẹp…………..
36
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
Minh họa sự gia tăng chiều cao sóng theo chu kỳ lặp……………….
49
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Bạch Hổ – Hướng Đông
Bắc……………………………………………………………………
49
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Sư Tử Trắng – Hướng
Đông…………………………………………………………………
50
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ TLDD- Hướng Đông Bắc
50
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thiên Ưng- Hướng lớn
nhất…………………………………………………………………...
51
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thái Bình- Hướng lớn
nhất……………………………………………………………….......
51

Đếm chu trình ứng suất theo phương pháp đếm giọt mưa…………..
52
Miền các nhóm số gia ứng suất có khả năng gây lan truyền vết
nứt……………………………………………………………………
53
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…………………………………………………...
Hình 3.12 Tiêu chuẩn đánh giá rủi ro của từng tác động đơn…………………...
Hình 3.13 Minh họa kết quả nội lực, ứng suất ngẫu nhiên của phần tử kết cấu
trong phần mềm SACS………………………………………………
Hình 3.14 Minh họa trạng thái phá hủy của kết cấu theo các bước gia tăng của

60
63
69


10
10

Số
hì
Hì
nh
nh
Hì
nh

4.2
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh
Hì
nh

T Tr
ên an
Đ g7
hì
ườ
3
7
P
h
5

ổth
7
ái
5
K
ết
th
7
ái
5
K
7
ết
6
K
7
ết
T
7
hể 7
8
T
hể 7
9
T
hể 7
9
T
hể 8
9

Tr
ạn 9
8
Tr
ạn 6


11
11

Danh mục các bảng biểu
Số bảng
Bảng 1.1
Bảng 1.2
Bảng 1.3
Bảng 1.4
Bảng 1.5
Bảng 2.1
Bảng 2.2
Bảng 2.3
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 3.4
Bảng 3.5
Bảng 3.6
Bảng 3.7
Bảng 3.8
Bảng 3.9
Bảng 3.10

Bảng 3.11
Bảng 3.12
Bảng 3.13
Bảng 3.14
Bảng 3.15
Bảng 4.1
Bảng 4.2
Bảng 4.3
Bảng 4.4
Bảng 4.5a
Bảng 4.5b

Tên bảng
Trang
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
Thống kê một số giàn điển hình mới được nâng cấp………………
7
Nhu cầu kéo dài khai thác của một số giàn mỏ Bạch Hổ đã hết tuổi
thọ tính đến thời điểm năm 2015…………………………………..
8
Đối tượng phân tích theo các trạng thái giới hạn…………………
10
Tổng kết nội dung và phương pháp đánh giá lại kết cấu giàn theo
tiêu chuẩn quy phạm………………………………………………..
11
Kth của một số loại vật liệu điển hình……………………………....
31
Kc của một số loại vật liệu điển hình……………………………….

31
Kết quả phân tích phá hủy kết cấu một số giàn đang khai thác trong
vùng biển Việt Nam ………………………………………………..
39
Sai số cường độ của thép trong Công nghiệp dầu khí theo tiêu
chuẩn ISO 13623:2009……………………………………………..
44
Đặc trưng xác suất mô đun đàn hồi của thép……………………….
44
Sai số đường kính chế tạo ống thép………………………………...
44
Sai số bề dày chế tạo ống thép……………………………………..
45
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Bạch Hổ – Hướng Đông
Bắc………………………………………………………………….
49
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Sư Tử Trắng – Hướng
Đông………………………………………………………………...
49
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ TL-DD – Hướng Đông
Bắc………………………………………………………………….
50
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thiên Ưng – Hướng lớn
nhất………………………………………………………………….
50
Quan hệ chiều cao sóng và chu kỳ lặp mỏ Thái Bình – Hướng lớn
nhất………………………………………………………………….
51
Bảng mẫu xác định đặc trưng xác suất của số gia ứng suất trung
bình hàng năm………………………………………………………

64
Bảng mẫu phân tích lan truyền vết nứt tại một điểm
nóng………………………………………………………………....
64
Bảng mẫu đánh giá độ tin cậy về mỏi trong giai đoạn lan truyền vết
nứt…………………………………………………………………..
64
Bảng mẫu xác định các giá trị mặt chảy xấp xỉ tại 1 tiết diện……..
65
Bảng mẫu đánh giá độ tin cậy về bền theo điều kiện chảy dẻo toàn
phần…………………………………………………………………
65
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
Tóm tắt số liệu kết cấu công trình…………………………………..
72
Đặc trưng xác suất của tính chất vật liệu…………………………...
72
Các đặc trưng phá hủy mỏi của vật liệu…………………………….
72
Số liệu gió…………………………………………………………..
73
Số liệu sóng cực đại chu kỳ lặp 100 năm…………………………..
73
Số liệu sóng cực đại chu kỳ lặp 10 năm……………………………
73


12

12

Số
bả
Bả
ng
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả

ng
Bả
ng
Bả
ng
Bả
ng

T
ên
S
b
ốS
ố
T
hố
K
ết
K
ết
S
ố
S
ố
S
ố
S
ố
Đ
ặc

P
hâ
L
ựa
di
ện
K
ết
K
ết
K
ết
K
ết

Tr
an
g7
4
7
4
7
6
7
6
7
7
8
0
8

1
8
2
8
3
8
4
8
4
8
6
8
9
59
16
0


--11 --

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 trên hai lý do chính:
+ Nhu cầu gia hạn cho các giàn khoan dầu khí đang khai thác ở Việt Nam sau khi hết
tuổi thọ thiết kế trong hiện tại và tương lai là cấp thiết;
+ Phương pháp đánh giá để xác định thời gian gia hạn khai thác cho các kết cấu công
trình biển chưa được đề cập đến trong các tiêu chuẩn hiện hành và trong những năm gần
đây đang là một xu hướng nghiên cứu trên thế giới để ứng dụng cho các dự án thực tế.

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 của luận 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.


+ 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 vật
liệu;
+ 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
phá hủy và phân tích điều kiện chảy dẻo toàn phần của các tiết diện phần tử kết cấu theo
mô hình 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 khi
chịu 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
để đưa 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 cho
phép chịu tải vượt mức thiết kế trong thời gian kéo dài khai thác. Phương pháp được xây
dựng dựa trên mô hình độ tin cậy về độ bền theo điều kiện chảy dẻo toàn phần và giới hạn
phá 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
trục tiếp nhu cầu đánh giá gia hạn khai thác và nâng cấp giàn, là vấn đề mới, cấp thiết
trong điều kiện Việt Nam hiện nay.

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
Kết cấu công trình biển cố định bằng thép là kết cấu dạng khung giàn không gian, liên
kết với đất thông qua hệ thống móng cọc hoặc móng trọng lực bê tông cốt thép, được
xây 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 bao gồm thành ba phần chính (Hình 1):
-

Kết cấu thượng tầng (Topside) sử dụng để đỡ các bộ phận chức năng, không gian
kiến trúc phục vụ sinh hoạt của con người, hệ thống thiết bị của công trình

-

Kết cấu khối chân đế (Substructure) sử dụng để đỡ thượng tầng và hệ thống đầu
giếng, các riser...nối giữa công nghệ thượng tầng và công nghệ đáy biển phục vụ
khai thác. Kết cấu khối chân đế được cấu tạo dạng khung không gian, truyền tải
trọng vào 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
truyền tải 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
tiếp của môi trường. Trong số đó, tải trọng sóng là một tác động chính với tính chất
ngẫu nhiên và dài hạn, có ảnh hưởng lớn nhất đến an toàn công trình theo cả điều kiện
bền và mỏi trong suốt thời gian khai thác.
Với đặc điểm về vị trí và chịu nhiều tác động phức tạp, bất thường, kết cấu công trình
biển bằng thép yêu cầu phải được đảm bảo an toàn rất cao, kể từ khâu thiết kế đến quá
trình thi công chế tạo, lắp đặt và quá trình vận hành.


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 triển
của ngành công nghiệp dầu khí. Công trình đầu tiên được xây dựng tại mỏ ven bờ
Lousiana 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 thép
phân bố ở phạm vi 53 quốc gia theo các khu vực như sau: Vịnh Mexico (Mỹ): gần
4.000 giàn; Châu Á: 950 giàn; Khu vực Trung Đông: 700 giàn; Châu Âu, Biển Bắc,
Đông Bắc Đại Tây Dương: 490 giàn; Khu vực biển Tây Phi: 380 giàn; Khu vực Nam
Mỹ: 340 giàn.
Theo nhu cầu cung cấp năng lượng cho xã hội, các công trình biển ngày càng tiến ra
ngoài khơi xa hơn, phát triển đa dạng hơn về chức năng và chủng loại dẫn đến sự thay
đổi về dạng kết cấu. Trong số đó, kết cấu công trình biển cố định bằng thép là dạng
phổ thông, kinh tế, phù hợp với các khu vực khai thác từ 400m nước trở lại.

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
lớn nhất đã xây dựng trên thê giới [5]
S
T
T
1
2
3

Các
TN Đ V già
Đi
ê ă ộ ùn ều
nCm1 sâ 3Vị
g Sh
hà
9 3
1Vị
nh B
ell
Ao 1
mH 9
1
nh
1 3Bi P

Ex
e 9 2ển xo


4
5
6
7

V
ir
H
a
P
Bo
u

1
9
1
9
1
9
1
9

Các
3Vịgià
To
4Bi

nh Ex
tal
ển B
xo
Vị
nh
Vị P
Sh
nh ell

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 tiên
XNLD 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
xây dựng, chủ yếu có độ sâu nước khoảng 50m. Phần lớn số lượng công trình tập trung
tại khu vực mỏ Bạch Hổ và Rồng thuộc bồn trũng Cửu Long, cách bờ biển Vũng Tàu
khoảng 120km về phía Đông Nam. Công trình có độ sâu nước lớn nhất là giàn khai
thác khí 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 Thái Bình 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 trữ
lượng tiềm năng dầu khí của các bồn trũng cũng như sự phân bố độ sâu nước của biển
Việt 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
Việt Nam ở độ sâu tới 300m nước.


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
Nam đang hạn chế xây dựng các giàn mới mà sẽ hướng tới tận dụng lại các giàn đã có
với hai giải 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)
GC T T
N
i h hờ h
ộ
à ủ i ời
i
Đ
P
2M
ại
V
0ở
H

G
1rộ
ù
a
3ng
n
s
th
g
ượ
ng
tầ
ng
để
lắ


Lắ
p
th
T P
2M
o e
0ở
p t
1rộ
a r
4ng
z o
th

A n
ượ
a
ng
s
tầ
ng
để
lắ
R J
2N
ạ V
0g
n P
1hi
g C
5ê
n
Đ
c
ô
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 (Theo tài liệu của Cục Đăng kiểm Việt Nam)
S
TN T N
T ê ă u ă
T n m ổ m
1 M
2
S

5
2 C
2
P
5
3 B
2
K
5
4 M
2
S
5
5 M
2
S
5
6 M
2
S
5
7 M
2
S
5
8 M
2
S
5
9 M

2
S
5
1 M
2
0
S
5
1 M
2
S
5
1 M
2
2 S
5
Khi tận dụng khả năng khai thác của giàn thì kết cấu giàn phải làm việc ở trạng thái khắc
nghiệt, rủi ro hơn, với các điều kiện chưa được kể đến trong giai đoạn thiết kế. Trong số
đó bao gồm điều kiện bất thường của hoạt động khai thác, bất thường của môi trường và
tổn thất của giàn bao gồm vết nứt do mỏi, ăn mòn trong thời gian khai thác, khuyết tật
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.


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 mà
vẫn đảm bảo an toàn, việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển các phương pháp luận
đánh giá kết cấu để cho phép gia hạn trong điều kiện Việt Nam là cần thiết và quan

trọng.
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 tính
toán thiết kế kết cấu công trình biển cố định bằng thép theo các trạng thái giới hạn, bao
gồm:
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 thi
công.


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
khai thác 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 và
mức 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
S
T
1

2

-

T
Đ
rạCự
Đ phân
cộ
hạn
bề
n
kế
tPh

ân
tíc
3
ShC
dụn
hu
gyể
n
4
P vị:
Đ
h ộ
á bề
n
h cự
ủ c

Các trạng thái giới hạn được sử dụng không chỉ phục vụ thiết kế kết cấu giàn mới mà
còn phục vụ đánh giá lại (Re-assessment), đánh giá gia hạn tuổi thọ (Life extension
assessment), hay đánh giá khả năng tái sử dụng (Re-use assessment) giàn hiện trạng
theo các 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 tra
kết cấu hiện trạng tương ứng với tải trọng vượt mức thiết kế hoặc tải trọng tương ứng
với các sự cố như cháy, nổ, va tàu, vật rơi...
+ Phân tích rủi ro (Risk Assessment).


Dưới đây là bảng thống kê nội dung và phương pháp đánh giá lại được sử dụng trong
các tiêu chuẩn quy phạm.
Bảng 1.5. Tổng kết nội dung và phương pháp đánh giá lại kết cấu giàn theo tiêu chuẩn
quy phạm
Ti N P
êu
AĐ i + h
PIán Đ
Rh á
Pgi n
2á h
Akế g
t i
cấ á
u t
ch h
ịu e
tá o

Đ +
án Đ
h á
gi n
á h
kế gi
t á
Đ +
án Đ
h á
gi n
á h
kế gi
t á
cấ th
u e
ch o
ịu m
tá ứ
c c
độ đ
ng +
ộ
Đ
án K
h iể
gi m
á tr
kế a
t tư

cấ ơ
u n
ch g
ịu ứ


Ti N P
êu
IĐ iĐ h
Oán án
1h h
90gi
Đ gi
N
2án g

h
gi
á
tái
sử
dụ
ng
NĐ
O án
Rh
S gi
Đ
O án
Kh

gi
NĐ
- án
0h
Đ
0 gi
4 án
h
gi
á
kế
t
cấ
u
Đ
á
n
h
gi
á

o
ài
v
ấ
n
đ
ề
Đ
án

h
gi
Đ
án
h
gi
Đ
án
h
gi
+
K
iể
m
tr
a
tr
o
n
+
C
á
c
tả
i

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
kết cấu và của các tải trọng tác động là rất phức tạp. Hiện nay, cùng với sự phát triển
của các 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 hóa tương đương (Equivalent Linearization Method), phương pháp tích phân trọng


số (Weighted Integral Method), phương pháp mặt phản ứng (Response Surface
Method), phương pháp phân tích mờ (Fuzzy Probabilistic Mehod). Các phương pháp
này đang tiếp tục được nghiên cứu ứng dụng và phát triển, chi tiết có thể tham khảo
trong các tài liệu [56, 28, 42, 45, 55, 37]. Trong đó, để nghiên cứu đánh giá một trạng
thái giới hạn của kết cấu phụ thuộc vào nhiều yếu tố ngẫu nhiên, phương pháp mặt
phản ứng thường được sử dụng. Nguyên lý tổng quát của phương pháp này là thiết lập
một hàm quan hệ phù 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 đổi
không đều là một quá trình rất phức tạp, phụ thuộc vào thứ tự chất tải, quan hệ giữa số
chu trình và biên độ tải trọng, chiều hướng của tải trọng và hiện trạng vết nứt... Vấn đề
này đã và đang được nghiên cứu phổ biến trên thế giới, có thể tham khảo trong nghiên
cứu của các tác giả [15, 43, 53, 57]. Đối với kết cấu công trình biển chịu tải trọng sóng
ngẫu nhiên, phá hủy mỏi theo điều kiện lan truyền vết nứt được đánh giá theo một số
phương pháp như mô phỏng Monte Carlo trực tiếp, [46], mô hình hai trạng thái (TwoState 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.


Trong đó 

eqi

n

eqi

 m  pij 
j 1

m
ij

(1.1)

là số gia ứng suất tương đương của trạng thái biển thứ i, pij là tỷ lê thời

gian xuất hiện số gia ứng suất  ij trên tổng thời gian của trạng thái biển thứ i; m là hệ
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, trạng
thái 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 PFSYS khi gặp sự cố:
P

(i) 

FSYS



j ,k 1

jk

P[FSYS D].P[D
i
A

jk
i

].P( A )

(1.2)

Trong đó i là số thứ tự của sự cố, D là tổn thất do sự cố Ajk tại vị trí thứ j với cường độ
k gây ra.