Nghiên cứu đánh giá tuổi thọ của kết cấu công trình biển cố định bằng thép xây dựng tại vùng mỏ hàm rồng thái bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN NGỌC VƢƠNG

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ
CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP
XÂY DỰNG TẠI VÙNG MỎ HÀM RỒNG – THÁI BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Ngành: Kỹ thuật Công trình biển
Mã số: 60.58.02.03

Cán bộ hƣớng dẫn: PGS. TS Phạm Hiền Hậu

Hà Nội – 01/2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình khoa học của riêng tôi, do chính tôi thực hiện.
Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Ngọc Vƣơng


LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của sự cố gắng của bản thân tác giả và sự giúp đỡ, hƣớng
dẫn tận tình của các quý Thầy, Cô cũng nhƣ sự ủng hộ, động viên của bạn bè, gia
đình và ngƣời thân. Tác giả xin gửi những lời cảm ơn tới tất cả mọi ngƣời trong

suốt thời gian nghiên cứu và làm luận văn Thạc sĩ.
Trƣớc hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS, TS. Phạm Hiền Hậu,
ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, chỉ bảo và tạo những điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn
thành luận văn này.
Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô khoa Đào tạo Sau đại học,
TS. Mai Hồng Quân - Trƣởng khoa Xây dựng Công trình biển và Dầu khí, đã tạo
điều kiện, luôn quan tâm, theo dõi và động viên các thành viên trong lớp Cao học
PFIEV hoàn thành tốt luận văn của mình.
Xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc tới GS, TS. Phạm Khắc Hùng, PGS, TS. Đinh
Quang Cƣờng và các Thầy, Cô trong khoa Xây dựng Công trình biển và Dầu khí đã
trau dồi, bổ sung kiến thức cho chúng tôi để chúng tôi có cơ sở tri thức hoàn thành
tốt luận văn Thạc sĩ này.
Cuối cùng, xin chân thành gửi lời cảm ơn tới tất cả ngƣời thân, bạn bè, các
thành viên trong gia đình đã luôn ở bên, động viên tinh thần, giúp tôi có động lực cố
gắng thực hiện tốt nhiệm vụ hoàn thành luận văn Thạc sĩ này.
Xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, tháng 01 năm 2018
Tác giả

Nguyễn Ngọc Vương


MỤC LỤC
KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT ........................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. iv
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................v
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ MỎI KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
BẰNG THÉP ..............................................................................................................3

1.1

Hiện tƣợng phá hủy mỏi trong kết cấu .............................................................5

1.1.1 Khái niệm về hiện tƣợng mỏi ...........................................................................5
1.1.2 Điều kiện để xảy ra phá hủy mỏi trong kết cấu................................................6
1.2

Các giai đoạn của hiện tƣợng phá hủy mỏi ......................................................6

1.3

Đặc điểm của công trình biển dẫn đến phát sinh hiện tƣợng mỏi ....................6

1.4

Các tác động gây mỏi .......................................................................................6

1.5

Các phƣơng pháp tính toán mỏi .......................................................................7

1.5.1 Phƣơng pháp dựa trên quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner ..................7
1.5.2 Phƣơng pháp dựa trên cơ học phá hủy .............................................................8
1.6

Những khái niệm trong tính toán mỏi ..............................................................8

1.6.1 Một số thuật ngữ ..............................................................................................8
1.6.2 Cấu tạo nút .......................................................................................................9

1.7

Những tiêu chuẩn, quy phạm liên quan đến đánh giá mỏi .............................14

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ MỎI CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ
ĐỊNH BẰNG THÉP THEO QUY TẮC TỔN THẤT TÍCH LŨY CỦA
PALMGREEN - MINER ..........................................................................................15
2.1

Phƣơng pháp tính toán mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner 15


2.1.1 Các phƣơng pháp tính toán mỏi .....................................................................15
2.1.2 Trình tự phân tích mỏi ....................................................................................16
2.2

Nội dung phân tích mỏi theo quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner......19

2.2.1 Các trạng thái biển để tính toán mỏi ..............................................................19
2.2.2 Xác định ứng suất danh nghĩa ........................................................................22
2.2.3 Xác định ứng suất cục bộ ...............................................................................27
2.2.4 Phân phối dài hạn của số gia ứng suất ...........................................................33
2.2.5 Lựa chọn đƣờng cong mỏi S-N ......................................................................34
2.2.6 Xác định tổn thất mỏi tích lũy ........................................................................38
2.2.7 Xác định tuổi thọ mỏi của kết cấu ..................................................................41
CHƢƠNG 3
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ TUỔI THỌ MỎI CÔNG TRÌNH TBDP-A GIAI ĐOẠN
MỚI XÂY DỰNG TẠI VÙNG MỎ HÀM RỒNG – THÁI BÌNH ..........................42
3.1

Giới thiệu về mỏ Hàm Rồng – Thái Bình ......................................................43

3.2

Số liệu đầu vào ...............................................................................................44

3.2.1 Số liệu môi trƣờng biển vùng mỏ Hàm Rồng – Thái Bình ............................44
3.2.2 Kết cấu công trình khai thác khí TBDP-A mỏ Hàm Rồng – Thái Bình ........48
3.3

Chƣơng trình tính toán ...................................................................................51

3.4

Quy trình phân tích đánh giá mỏi ...................................................................51

3.4.1 Sơ đồ phân tích, đánh giá mỏi ........................................................................51
3.4.2 Áp dụng chƣơng trình SACs ..........................................................................52
3.5

Phân tích đánh giá mỏi công trình TBDP-A giai đoạn mới xây dựng (giai
đoạn 1) ............................................................................................................56

3.5.1 Kết quả phân tích............................................................................................56
3.5.2 Nhận xét .........................................................................................................57


CHƢƠNG 4
ĐÁNH GIÁ MỎI CHO CÔNG TRÌNH TBDP-A SAU HAI NĂM KHAI THÁC .59

4.1

Tổng quan về phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển cố định bằng
thép [2] ...........................................................................................................59

4.1.1 Mục đích của việc phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển .................59
4.1.2 Yêu cầu phân tích đánh giá lại kết cấu công trình biển .................................59
4.1.3 Quy trình phân tích đánh giá lại kết cấu Công trình biển ..............................60
4.1.4 Các trạng thái giới hạn (TTGH) trong phân tích đánh giá lại kết cấu Công
trình biển.........................................................................................................62
4.2

Phân tích đánh giá lại Công trình TBDP-A (giai đoạn 2) theo trạng thái giới
hạn mỏi ...........................................................................................................63

4.2.1 Quy trình phân tích đánh giá lại theo trạng thái giới hạn mỏi .......................63
4.2.2 Kết quả phân tích............................................................................................64
4.2.3 Phƣơng án bảo trì, sửa chữa ...........................................................................65
4.3

So sánh kết quả phân tích mỏi giữa hai giai đoạn ..........................................69

4.3.1 So sánh kết quả phân tích mỏi giữa hai giai đoạn ..........................................69
4.3.2 Nhận xét .........................................................................................................71
4.4

Một số nhận xét về đánh giá mỏi trong phân tích đánh giá lại kết cấu công
trình biển cố định bằng thép ...........................................................................71

4.4.1 Về phân tích mỏi trong các giai đoạn.............................................................71

4.4.2 Về phƣơng pháp luận đánh giá mỏi ...............................................................72
4.4.3 Về vấn đề khảo sát trong đánh giá lại ............................................................72
4.4.4 Về vấn đề sử dụng tiêu chuẩn trong phân tích đánh giá mỏi .........................74
4.4.5 Về kết quả phân tích .......................................................................................76
KẾT LUẬN ...............................................................................................................77
KIẾN NGHỊ ..............................................................................................................78


TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................79
PHỤ LỤC ............................................................................................................... PL1


i

KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
Platform

Giàn khoan dầu khí

Jacket

Tên một loại kết cấu khối chân đế công trình biển cố định bằng
thép đƣợc sử dụng phổ biến

SCF

Hệ số tập trung ứng suất (Stress Concentration Factor)

mode

Dạng dao động

ĐLNN

Đại lƣợng ngẫu nhiên

SF

Hệ số an toàn (Safety Factor)

EL

Cao trình (Elevation)

HAT

Mực nƣớc triều cao nhất

LAT

Mực nƣớc triều thấp nhất

MSL

Mực nƣớc trung bình (Mean Sea Level)

ULS

Trạng thái giới hạn cực hạn (Ultimate Limit State)

SLS

Trạng thái giới hạn phục vụ (Service Limit State)

FLS

Trạng thái giới hạn mỏi (Fatigue Limit State)

PLS

Trạng thái giới hạn phá hủy lũy tiến (Progress Limit State)

v

Vận tốc của phần tử nƣớc

v

Gia tốc của phần tử nƣớc

vˆ

Trung bình vận tốc của phần tử nƣớc

u

Chuyển vị của kêt cấu

u

Vận tốc chuyển vị của kết cấu

u

Gia tốc chuyển vị của kết cấu

[D]

Tỷ số tổn thất mỏi tích lũy cho phép

A

Diện tích mặt cắt ngang của phần tử

C

Ma trận lực cản

CD

Hệ số cản vận tốc

CM

Hệ số cản quán tính


ii

Cm

Hệ số nƣớc kèm

D

Đƣờng kính ống chính

D

Tỷ số tổn thất mỏi tích lũy

d

Đƣờng kính ống nhánh

D(θ)

Hàm hƣớng truyền sóng

DTB

Tỷ số tổn thất mỏi trung bình

F(t)

Tải trọng sóng

g

Gia tốc trọng trƣờng (g = 9.81 m/s2)

H(ω)

Hàm truyền

Hmax

Chiều cao sóng lớn nhất

Hs

Chiều cao sóng đáng kể

K

Ma trận độ cứng

M

Ma trận khối lƣợng

Mn

Momen phổ ứng suất bậc n

S

Số gia ứng suất cho phép

S0

Số gia ứng suất cho phép từ đƣờng cong mỏi S-N

SCFax

Hệ số tập trung ứng suất ứng với ứng suất do lực dọc trục

SCFipb

Hệ số tập trung ứng suất ứng với ứng suất do momen trong mặt
phẳng uốn

SCFopb

Hệ số tập trung ứng suất ứng với ứng suất do do momen ngoài mặt
phẳng uốn

SD

Giới hạn mỏi

Sηη(ω)

Phổ năng lƣợng bề mặt sóng

Sσσ(ω)

Phổ năng lƣợng ứng suất

t

Chiều dày ống nhánh

T

Chiều dày ống chính

Tmax

Chu kỳ sóng lớn nhất

Tp

Chu kỳ đỉnh sóng


iii

Tz

Chu kỳ sóng trung bình cắt không

β

Hệ số không đều của quá trình ứng suất

ε

Độ rộng của phổ

θ

Hƣớng truyền sóng

ρ

Khối lƣợng riêng của nƣớc biển

σax

Ứng suất danh nghĩa do lực dọc trục

σe

Ứng suất cục bộ

σipb

Ứng suất danh nghĩa do momen trong mặt phẳng uốn

σn

Ứng suất danh nghĩa

σopb

Ứng suất danh nghĩa do momen ngoài mặt phẳng uốn

σv

Độ lệch chuẩn của vận tốc

σσ

Độ lệch chuẩn của ứng suất

τLF

Tuổi thọ mỏi

ω

Tần số vòng của sóng


iv

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1-1. Các nguồn tác động gây ra mỏi ..................................................................7
Bảng 2-1. Phạm vi áp dụng các công thức tính SCF ................................................32
Bảng 2-2. Phạm vi giá trị các thông số hình học ......................................................32
Bảng 2-3. Đƣờng cong S-N cơ bản ...........................................................................36
Bảng 3-1. Các giai đoạn phân tích đánh giá .............................................................42
Bảng 3-2. Số liệu sóng thiết kế .................................................................................45
Bảng 3-3. Số liệu dòng chảy thiết kế ........................................................................45
Bảng 3-4. Số liệu gió thiết kế ....................................................................................45
Bảng 3-5. Số liệu hà bám ..........................................................................................45
Bảng 3-6. Nhiệt độ không khí ...................................................................................46
Bảng 3-7. Nhiệt độ nƣớc biển ...................................................................................46
Bảng 3-8. Phân phối sóng 1 năm ..............................................................................47

Bảng 3-9. Kết quả tính sóng trung tâm tổn thất ........................................................47
Bảng 3-10. Hệ số an toàn mỏi ...................................................................................48
Bảng 3-11. Các dạng dao động riêng của công trình ................................................57
Bảng 3-12. Tổn thất mỏi của một số nút chính .........................................................57
Bảng 4-1. Các dạng dao động riêng của công trình ..................................................64
Bảng 4-2. Tổn thất mỏi của một số nút chính ...........................................................65
Bảng 4-3. Sự thay đổi chu kỳ dao động riêng T (s) ..................................................69
Bảng 4-4. Sự thay đổi hàm truyền HQ(f)và HM(f) (đại diện hƣớng 0 deg) ...............70
Bảng 4-5. Sự thay đổi tổn thất mỏi tích lũy trong 01 năm ........................................70
Bảng 4-6. So sánh tổn thất mỏi theo hệ số SCF – Nút R021 ....................................75
Bảng 4-7. So sánh tổn thất mỏi theo đƣờng S-N – Nút R021 ...................................75


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1-1. Những giàn khoan kiểu Jacket xây dựng ở những vùng biển sâu nhất trên
thế giới (nguồn: www.offshore-mag.com cập nhật đến năm 2009) ..........3
Hình 1-2. Tiềm năng dầu khí Việt Nam (nguồn Internet) ..........................................4
Hình 1-3. Một số giàn Jacket điển hình xây dựng tại vùng biển Việt Nam (nguồn:
www.offshore.vn) .......................................................................................5
Hình 1-4. Cấu tạo điển hình của nút đơn giản ..........................................................10
Hình 1-5. Phân loại nút điển hình .............................................................................12
Hình 1-6. Cấu tạo một số nút phức tạp .....................................................................13
Hình 2-1. Sơ đồ trình tự phân tích tuổi thọ mỏi công trình biển bằng thép [4] ........18
Hình 2-2. Sơ đồ phân phối sóng [4] ..........................................................................20
Hình 2-3. Quá trình ngẫu nhiên của sóng bề mặt η(t) ...............................................21
Hình 2-4. Mật độ phổ Pierson - Moskowitz của sóng ngẫu nhiên ............................22
Hình 2-5. Mối quan hệ giữa phổ đầu vào và phổ phản ứng ......................................24
Hình 2-6. Quá trình ngẫu nhiên của ứng suất σ ........................................................25

Hình 2-7. Phổ dải hẹp và phổ dải rộng của quá trình ngẫu nhiên σ(t) ......................27
Hình 2-8. Vùng ứng suất tập trung có các điểm nóng ..............................................27
Hình 2-9. Vị trí của các điểm nóng ...........................................................................28
Hình 2-10. Sơ đồ PTHH để xác định hệ số SCF .......................................................29
Hình 2-11. Sơ đồ phân phối ứng suất cục bộ tại nút .................................................29
Hình 2-12. Các thông số hình học của nút trong việc xác định hệ số SCF...............31
Hình 2-13. Đƣờng cong mỏi S-N cho ống thép trong môi trƣờng không khí và môi
trƣờng nƣớc biển có bảo vệ catot [29]...................................................35
Hình 2-14. Kết quả thí nghiệm đƣờng cong mỏi S-N trong không khí [25] ............36
Hình 2-15. Kết quả thí nghiệm đƣờng cong mỏi S-N trong môi trƣờng nƣớc biển có
bảo vệ Ca-tốt [25] ..................................................................................37
Hình 2-16. Đƣờng cong mỏi S-N cho ống thép dày 16 mm [25] .............................37
Hình 3-1. Sơ đồ phát triển mỏ Thái Bình..................................................................44
Hình 3-2. Sơ đồ phân bố sóng tới công trình ............................................................46


vi

Hình 3-3. Giàn khai thác khí Thái Bình TBDP-A ....................................................49
Hình 3-4. Cấu trúc giàn – Hƣớng nhìn từ trên xuống ...............................................50
Hình 3-5. Cấu trúc chân đế - Hƣớng nhìn thẳng góc ................................................50
Hình 3-9. Sơ đồ phân tích mỏi trong thiết kế mới công trình biển cố định bằng thép .
.................................................................................................................52
Hình 3-10. Sơ đồ phân tích mỏi ngẫu nhiên bằng SACs 5.6 ....................................53
Hình 3-11. Lựa chọn tần số để tính toán hàm truyền động [25] ...............................55
Hình 3-12. Các nút quan trọng cần xem xét .............................................................56
Hình 4-1. Quy trình phân tích đánh giá lại kết cấu Công trình biển [2] ...................61
Hình 4-2. Phạm vi sử dụng các TTGH trong phân tích đánh giá lại kết cấu công
trình biển [2] ............................................................................................62
Hình 4-3. Sơ đồ phân tích mỏi trong phân tích đánh giá lại công trình biển cố định

bằng thép ..................................................................................................63
Hình 4-4. Các nút quan trọng cần xem xét ...............................................................64
Hình 4-5. Cấu tạo chung của cấu kiện kẹp ...............................................................66
Hình 4-6. Cấu kiện kẹp ma sát ..................................................................................67
Hình 4-7. Cấu kiện kẹp trám không áp lực ...............................................................67
Hình 4-8. Cấu kiện kẹp trám dự ứng lực...................................................................68
Hình 4-9. Cấu kiện kẹp dự ứng lực có đệm đàn hồi .................................................68
Hình 4-10. Các dạng khuyết tật của phần tử ống thép ..............................................73


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong tính toán thiết kế kết cấu công trình biển cố định cần phải tính toán rất nhiều
bài toán, trong đó có hai bài toán quan trọng nhất đó là kiểm tra bền kết cấu và kiểm
tra mỏi kết cấu. Bài toán mỏi là bài toán quan trọng và bắt buộc trong thiết kế công
trình biển nói chung và công trình biển bằng thép nói riêng.
Hiện tƣợng mỏi, gây phá hủy kết cấu ngay cả khi kết cấu chƣa chịu những điều kiện
tải trọng cực hạn. Sự phá hủy mỏi trong các nút ống, từ lâu đã là mối lo chính cho
các kỹ sƣ thiết kế kết cấu các giàn khoan biển. Trong những năm qua, đã xảy ra
nhiều trƣờng hợp phá hủy do mỏi và các vết nứt do mỏi đã đƣợc phát hiện trong các
giàn khoan ở Biển bắc, vịnh Mexico, thềm lục địa Việt Nam và tại rất nhiều vùng
biển khai khác dầu khí trên thế giới. Do đó, việc phân tích đánh giá mỏi kết cấu là
việc vô cùng cần thiết và quan trọng cho việc dự báo hƣ hỏng để có biện pháp sửa
chữa, bảo trì, bảo dƣỡng trong quá trình vận hành công trình.
Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế công trình biển nhƣ Bureau Veritas, DNV,
Lloyd’s Register và API RP 2A… đòi hỏi kết cấu chân đế dạng Jacket đều phải
đƣợc thiết kế mỏi.
2. Mục đích và giới hạn nghiên cứu

Phân tích, đánh giá tuổi thọ mỏi cho công trình biển bằng thép theo quy tắc tổn thất
tích lũy của Palmgreen - Miner bằng phƣơng pháp phổ và đƣa ra nhận xét một số
vấn đề liên quan đến đánh giá mỏi công trình biển xây dựng mới và đang khai thác.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Tuổi thọ mỏi của kết cấu công trình biển cố định bằng thép.
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu phƣơng pháp phân tích đánh giá mỏi cho cho công
trình biển bằng thép và áp dụng cho công trình biển thép xây dựng trên thềm lục địa
Việt Nam (cụ thể cho công trình biển khai thác khí tại vùng mỏ Hàm Rồng – Thái
Bình).


2

4. Nội dung nghiên cứu
Tổng quan về các phƣơng pháp phân tích mỏi công trình biển bằng thép và một số
vấn đề liên quan.
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để phân tích đánh giá mỏi cho công trình biển bằng
thép, đƣa ra quy trình phân tích mỏi bằng phần mềm máy tính và áp dụng cho công
trình biển tại Việt Nam.
Áp dụng số đánh giá mỏi cho công trình TBDP-A tại mỏ Hàm Rồng – Thái Bình
trong hai giai đoạn: mới xây dựng và sau 2 năm khai thác (có lắp đặt thêm thiết bị)
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu phƣơng pháp luận về phân tích đánh giá mỏi.
Vận dụng phƣơng pháp luận và khả năng của phần mềm chuyên dụng để phân tích
tuổi thọ mỏi của công trình theo các quy phạm hiện hành và đƣa ra đánh giá.
6. Ý nghĩa của đề tài
Đề tài nghiên cứu về phƣơng pháp luận phân tích mỏi kết cấu công trình biển cố
định theo quy tắc tổn thất tích lũy của Palmgreen – Miner.
Phân tích tuổi thọ mỏi cụ thể cho công trình biển cố định bằng thép giúp kỹ sƣ nắm
rõ bản chất, ý nghĩa và phƣơng pháp phân tích tuổi thọ mỏi của công trình khi thiết

kế mới và đánh giá lại.
7. Kết quả đạt đƣợc của đề tài
Tổng quan phƣơng pháp luận trong phân tích mỏi công trình biển bằng thép.
Đƣa ra kết quả phân tích mỏi của công trình biển TBDP-A mỏ Hàm Rồng – Thái
Bình giai đoạn mới xây dựng bằng phần mềm máy tính theo các quy phạm hiện
hành.
Đánh giá lại giàn TBDP-A trong thời gian sau hai năm khai thác theo trạng thái giới
hạn mỏi.
Nhận xét sự ảnh hƣởng của các yếu tố môi trƣờng biển và các yếu tố khác đến quá
trình và kết quả phân tích mỏi công trình biển đang khai thác.


3

1

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ MỎI
KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP
Hiện nay trên thế giới, công nghệ khoa học ngày càng tiến bộ, con ngƣời luôn tìm
kiếm cơ hội khai thác nguồn năng lƣợng mà dầu khí là nguồn năng lƣợng quan
trọng, họ tìm kiếm năng lƣợng trong những môi trƣờng khắc nghiệt nhất trong đó có
biển. Con ngƣời dần dần chinh phục những vùng biển sâu hàng trăm, thậm chí hàng
nghìn mét. Đi cùng với đó là cải tiến công nghệ khai thác và xây dựng mỏ, luôn
phải đối đầu với những thách thức khó khăn của biển. Có những công trình tồn tại
hàng chục năm cũng có những công trình vừa mới xây dựng một thời gian ngắn đã
hƣ hỏng. Ngoài những điều kiện biển khắc nghiệt nhƣ bão, động đất, sóng thần thì
sóng hàng năm cũng gây ra mỏi làm giảm tuổi thọ của công trình.

Hình 1-1. Những giàn khoan kiểu Jacket xây dựng ở những vùng biển sâu nhất
trên thế giới (nguồn: www.offshore-mag.com cập nhật đến năm 2009)


4

Giàn Bullwinkle là công trình biển thép cố định đƣợc xây dựng tại vùng nƣớc 412
mét, là giàn cố định sâu nhất trên thế giới tính đến hiện tại. Tổng chiều cao của công
trình là 529 mét, giàn đƣợc xây dựng tại vùng biển vịnh Mêxico. Tổng chi phí ƣớc
tính khoảng 500.000.000 USD (nguồn Wikipedia).
Tại Việt Nam, từ khi ngành Công trình biển ra đời, Liên doanh Vietsovpetro là đơn
vị đầu tiên xây dựng và khai thác dầu, khí trên thềm lục địa Việt Nam, bắt đầu từ
năm 1986 ở mỏ Bạch Hổ với độ sâu nƣớc 50 m, đến nay đã phát triển khai thác trên
10 mỏ với tổng sản lƣợng trên 200 triệu tấn dầu thô và 30 tỷ mét khối khí.

Hình 1-2. Tiềm năng dầu khí Việt Nam (nguồn Internet)
Những công trình giàn khai thác chủ yếu là những công trình bằng thép dạng Jacket
đƣợc xây dựng tại vùng nƣớc nông (cỡ hàng chục mét), ngày nay Việt Nam đã tiến
ra biển sâu hơn, đã khai thác đƣợc ở vùng biển sâu từ 100 – 120 mét và trong tƣơng
lai sẽ tiến xa hơn.
Nhƣ vậy, ngành công trình biển sẽ phải đặt ra rất nhiều bài toán kỹ thuật – kinh tế
mới. Hiện nay có hai phƣơng án cần xem xét đó là “thiết kế mới” và “đánh giá lại”
nhằm nâng cao hiệu quả khai thác và giảm chi phí đầu tƣ. Hai phƣơng án này đều
phải thực hiện hai bài toán quan trọng đó là đánh giá bền và đánh giá mỏi, trong đó


5

đánh giá mỏi là bài toán cần thiết cho phƣơng án “đánh giá lại” để khắc phục kéo
dài tuổi thọ công trình mà tiết kiệm chi phí đầu tƣ mới.

Hình 1-3. Một số giàn Jacket điển hình xây dựng tại vùng biển Việt Nam
(nguồn: www.offshore.vn)
Sau đây, luận văn xin trình bày phƣơng pháp phân tích đánh giá mỏi cho công
trình biển cố định bằng thép áp dụng cho công trình TBDP-A khai thác khí tại mỏ
Hàm Rồng – Thái Bình trong hai giai đoạn: vừa mới hoàn thành xây dựng và sau
hai năm khai thác và một số đánh giá.
1.1 Hiện tƣợng phá hủy mỏi trong kết cấu
1.1.1 Khái niệm về hiện tƣợng mỏi
Khi kết cấu chịu tác động của tải trọng lặp có chu kỳ thì nó có thể bị phá hủy mặc
dù tại thời điểm đó, ứng suất trong kết cấu không đạt đến giới hạn phá hoại của vật
liệu. Hiện tƣợng phá hoại này là do dƣới tác động lặp lại nhiều lần của ứng suất, vật
liệu kết cấu cấu bị mỏi, xuất hiện các vết nứt, các vết nứt phát triển dần cả về độ sâu
và bề rộng đến khi tiết diện bị giảm yếu và phá huỷ hoàn toàn kết cấu.


6

1.1.2 Điều kiện để xảy ra phá hủy mỏi trong kết cấu
 Điều kiện cần
Tải trọng tác động có giá trị thay đổi có chu kỳ. Vật liệu làm kết cấu không đồng
nhất hoặc kết cấu có khuyết tật khi chế tạo.
 Điều kiện đủ
Số chu trình lặp lại của mức ứng suất nào đó đủ lớn để gây mỏi. Nếu số gia ứng
suất càng lớn thì cần càng ít chu trình đã gây ra mỏi, nếu số gia ứng suất càng nhỏ
thì cần càng nhiều chu trình hơn.
1.2 Các giai đoạn của hiện tƣợng phá hủy mỏi
 Giai đoạn 1: Giai đoạn hình thành vết nứt.
Với số chu trình N1 đủ lớn thì kết cấu bắt đầu xuất hiện các vết rạn nhỏ tại các vị trí
xung yếu nhất.

 Giai đoạn 2: Giai đoạn lan truyền vết nứt.
Khi số chu trình ứng suất tăng lên N2>N1, vết nứt đƣợc lan truyền chậm, thời gian
lan truyền vết nứt là (N2-N1)Tm. Trong đó Tm là chu kỳ trung bình của ứng suất tại
điểm xét.
 Giai đoạn 3: Giai đoạn phá hủy kết cấu
Vết nứt lan truyền rất nhanh và dẫn đến cấu kiện bị phá huỷ tại mặt cắt đó.
1.3 Đặc điểm của công trình biển dẫn đến phát sinh hiện tƣợng mỏi
 Tải trọng sóng tác dụng lên công trình là tải trọng thay đổi có chu kỳ và tác
động lặp lại trong suốt thời gian tồn tại của công trình.
 Vật liệu thép ống chế tạo tại nhà máy nhƣng đƣợc thi công hàn tại công
trƣờng vì vậy không tránh khỏi khuyết tật.
1.4 Các tác động gây mỏi
Nói chung tất cả các bộ phận của kết cấu công trình biển chịu tải trọng có chu kỳ
lặp đi lặp lại đều phải tính toán kiểm tra mỏi. Mọi sự thay đổi của ứng suất có thể


7

gây ra mỏi đều phải đƣợc kể đến khi thiết lập phân bố dài hạn của biên độ ứng suất.
Các tác động có giá trị thay đổi có thể xảy ra trong tất cả giai đoạn của đời sống
công trình.
Bảng 1-1. Các nguồn tác động gây ra mỏi
Kết cấu bị ảnh hƣởng

Nguồn gây mỏi
Sóng (Dòng chảy)

Kết cấu chân đế, cọc

Dòng chảy xoáy

Phần tử mảnh, conductor

Sóng đập

Mạng lƣới thanh trên MSL

Vật nổi gây va đập

Vùng nƣớc bắn

Vận chuyển

Kết cấu chân đế (Chỉ áp dụng cho kéo thời gian dài)

Gió (Rối)

Tháp, cầu, cần đốt khí

Nhiệt

Cần đốt khí

Thiết bị xoay

Kết cấu đỡ

Cần cẩu

Bệ đỡ

Đóng cọc

Kết cấu phụ trợ gắn vào

Lực thủy tĩnh

Vật có đƣòng kính lớn gần vùng sóng

Tải trọng sóng thƣờng là nguyên nhân chủ yếu gây ra phá hủy mỏi mỏi trong các
công trình biển mà ta cần xét đến.
Ngoài ra đối với các phần tử nằm lân cận vùng nƣớc lặng cần phải kể đến sự biến
thiên có chu kỳ của lực đẩy nổi và tải trọng sóng vỗ. Ảnh hƣởng của dòng chảy
cũng đƣợc kể đến khi tính toán tác động của sóng.
1.5 Các phƣơng pháp tính toán mỏi
1.5.1 Phƣơng pháp dựa trên quy tắc tổn thất tích lũy Palmgreen-Miner
Phƣơng pháp này dựa trên tỉ số tổn thất mỏi tích lũy trong các trạng thái biển xảy ra
trong đời sống công trình. Đây là một phƣơng pháp phổ biến nhất đƣợc các tiêu


8

chuẩn quốc tế khuyến nghị áp dụng cho giai đoạn thứ nhất và giai đoạn thứ hai của
quá trình phá hoại do mỏi.
1.5.2 Phƣơng pháp dựa trên cơ học phá hủy
Phƣơng pháp này dựa trên lý thuyết cơ học phá hủy để đánh giá quá trình lan truyền
vết nứt do mỏi theo số chu trình tải trọng và từ đó cho phép dự bảo tuổi thọ mỏi của
công trình. Đây là phƣơng pháp áp dụng cho giai đoạn thứ ba của quá trình phá hủy
mỏi. Phƣơng pháp này hiện chƣa đƣợc sử dụng rộng rãi và hiện đang đƣợc quan
tâm nghiên cứu phát triển.

1.6 Những khái niệm trong tính toán mỏi
1.6.1 Một số thuật ngữ
Ứng suất danh nghĩa là ứng suất đƣợc xác định từ các đặc trƣng tiết diện các phần
tử và nội lực ở đầu phần tử.
Ứng suất “điểm nóng” (“hot spot”) là ứng suất cục bộ cực đại, có vị trí liên kết
giữa các phần tử, tức là ở các vị trí không liên tục của kết cấu điển hình là nút ống
(công trình biển bằng thép). Vị trí và giá trị chính xác của nó phụ thuộc vào dạng
hình học của liên kết và các điều kiện chịu tải.
Chu kỳ trung bình qua mức không là khoảng thời gian giữa hai lần liên tiếp đi qua
mức không với tiếp tuyến dƣơng của một quá trình ngẫu nhiên xét theo thời gian
Sóng ngẫu nhiên là các sóng tạo nên sự biến động không đều của mặt biển và của
chuyển động của các phần tử nƣớc trong môi trƣờng biển. Sóng ngẫu nhiên có thể
đƣợc biểu diễn bằng tập hợp các sóng hình sin có chiều cao, chu kỳ, pha và các
hƣớng khác nhau.
Sóng đều là sóng có một hƣớng với chuyển động của các phần tử nƣớc gây ra do sự
biến động đều đặn của mặt biển.
Trạng thái biển là một điều kiện mô tả sóng biển trong một khoảng thời gian xác
định sao cho có đặc tính đƣợc biểu diễn nhƣ một quá trình ngẫu nhiên dừng (còn
gọi là trạng thái biển ngắn hạn).


9

Chiều cao sóng đáng kể là chiều cao trung bình của 1/3 các con sóng có chiều cao
lớn nhất trong tổng số các con sóng quan sát đƣợc của một trạng thái biển.
Hệ số tập trung ứng suất đối với một thành phần ứng suất nào đó xét tại một nút
ống là tỉ số giữa ứng suất điểm nóng và ứng suất danh nghĩa tại mặt cắt có chứa
điểm nóng.
Phân phối dài hạn của số gia ứng suất là tất cả các biến động ứng suất xảy ra trong
toàn bộ đời sống công trình có biên độ và số chu trình đủ lớn để có thể gây ra phá

hủy mỏi.
Đường cong mỏi S-N là đƣờng cong biểu diễn các liên hệ thực nghiệm giữa biên độ
ứng suất và số chu trình ứng suất gây ra phá hủy mỏi.
Giới hạn mỏi của vật liệu/kết cấu ở một điều kiện nào đó là giá trị lớn nhất của ứng
suất thay đổi theo thời gian ứng với một số chu kỳ ứng suất cơ sở mà vật liệu/kết
cấu không bị phá hỏng.
Hàm truyền có dạng một hàm của tần số, là tỉ số giữa một đại lƣợng phản ứng của
kết cấu và chiều cao sóng.
1.6.2 Cấu tạo nút
1.6.2.1 Cấu tạo nút đơn giản
Loại nút ống đơn giản là loại liên kết có dạng đơn giản nối giữa một thanh chủ với
một hay một số thanh giằng, tại đó không nối chồng giữa các thanh giằng chính,
không mở rộng đƣờng kính, không có bản chắn hoặc các tấm gia cƣờng.


10

Thanh nhánh

Thanh chủ

Hình 1-4. Cấu tạo điển hình của nút đơn giản
1.6.2.2 Phân loại các nút đơn giản
Trong kết cấu chân đế có nhiều loại liên kết tuỳ theo nội lực và hình dạng có các
dạng: KT, K, X, T, (xếp theo thứ tự ƣu tiên khi tính toán) ảnh hƣởng tới công thức
tính hệ số tập trung SCF.
Dạng SCF có liên kết KT, liên kết với 3 thanh nhánh trong cùng một bên với thanh
chủ đƣợc xem nhƣ liên kết KT toàn phần hay bộ phận. Đối với liên kết KT, lực dọc
trục trong thanh nhánh giữa và trong hai thanh nhánh hai bên đƣợc kiểm tra. Nếu
lực dọc trục trong hai thanh nhánh hai bên đối với lực dọc trục trong thanh nhánh

giữa thì nút là nút KT, hơn nữa thì đƣợc xem là liên kết nhiều K.
Liên kết KT: Đối với liên kết KT, lực cắt đƣợc lấy là giá trị nhỏ hơn
 Lực dọc trục chọc thủng ống chính của thanh nhánh trung tâm.
 Hai lần lực dọc trục nhỏ hơn chọc thủng ống chính của ống nhánh bên.


11

Nếu lực chọc thủng thanh nhánh trung tâm bé hơn hai lần lực chọc thủng thanh
nhánh bên, thì một nửa lực chọc thủng thanh nhánh trung tâm đƣợc truyền vào mỗi
bên lực dọc trục của thanh nhánh bên và lực dọc trục thanh nhánh trung tâm bằng 0.
Phần trăm nút KT là tỉ số giữa lực dọc trục đƣợc chuyển và lực dọc trục ban đầu.
Tải dọc trục còn lại trong ba thanh nhánh đƣợc xem nhƣ là nút K.
Nút K: Khi lực dọc ở một ống giằng đƣợc cân bằng về cơ bản với lực dọc ở ống
giằng khác trong cùng mặt phẳng ở cùng một phía của ống chủ thì ống giằng đó
đƣợc xem là kiểu K
Nút T: Khi lực dọc của ống giằng tác dụng nhƣ một lực cắt lên ống chủ thì ống
giằng đó đƣợc xem là kiểu T.
Nút X: Trong các mối nối kiểu X, các ống giằng ở hai phía ống chủ có lực dọc bằng
nhau và ngƣợc dấu. Trƣờng hợp đặc biệt, khi hai ống giằng vuông góc với ống chủ.
T/Y được xem xét sau cùng: Thanh nhánh với lực chọc thủng ống chính không cân
bằng còn lại là nút T/Y.
Đƣờng truyền tải trọng đƣợc xác định là trung bình trọng số của nút KT, K,X,T/Y.


12

Hình 1-5. Phân loại nút điển hình