CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET) 1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép 1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép Công trình biển cố định bằng thép là công trình biển có kết cấu khối chân đế bằng thép được gọi là kiểu jacket có liên kết cố định với đáy biển bằng móng cọc tại vị trí khai thác công trình. Ứng dụng nhiều nhất của công trình biển cố định bằng thép là trong ngành khai thác dầu khí biển, ngoài ra còn được dùng phục vụ mục đích quân sự và dịch vụ hậu cần ngoài khơi.
Trong các loại kết cấu công trình biển cố định bằng thép thì dạng công trình có kết cấu khối chân đế kiểu jacket là loại công trình phổ biến nhất và cũng là đối tượng nghiên cứu của luận án này. Các công trình biển cố định bằng thép có cấu tạo gồm các phần chính như sau ( Hình 1.1): - Thượng tầng: khối thượng tầng của công trình biển cố định được cấu tạo bằng thép. Quy mô của khối thượng tầng tùy thuộc vào mục đích xây dựng công trình. Đối với các công trình biển để khai thác dầu khí, khối thượng tầng chủ yếu bao gồm các thiết bị phục vụ khai thác dầu khí.
Bên cạnh các thiết bị phục vụ khai thác dầu khí, khối thượng tầng của công trình biển cố định còn có thể có các không gian kiến trúc cho người ở phục vụ khai thác công trình tại vị trí xây dựng. - Kết cấu đỡ thượng tầng: là kết cấu thép, thường có dạng giàn không gian, có nhiệm vụ đỡ các mô đun công nghệ thượng tầng và truyền tải trọng thượng tầng xuống kết cấu khối chân đế. - Kết cấu khối chân đế: là kết cấu khung không gian hình tháp - kiểu jacket, cấu tạo từ các ống thép liên kết hàn với nhau, gồm các ông chính, ống nhánh vào các mặt phẳng cứng nằm ngang. - Kết cấu móng: là kết cấu móng cọc, bao gồm các cọc ống thép lồng trong ống chính hoặc cọc đóng ngoài ống chính, (còn gọi là cọc váy - Skirt pile).1 Công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket 1.
Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định Các tải trọng chính tác động lên công trình biển cố định bằng thép bao gồm: tải trọng thượng tầng, tải trọng bản thân của các thành phần kết cấu chính và các thành phần phụ gắn vào công trình, tải trọng do gió, do sóng và dòng chảy, tải trọng đẩy nổi, áp lực thủy tĩnh, tải trọng do động đất, do băng trôi, do sự cố …trong đó tải trọng nguy hiểm nhất đến an toàn của công trình là tải trọng do sóng biển, đây là tải trọng thay đổi ngẫu nhiên, có thể phá hủy công trình do cường độ lớn nhưng cũng có thể phá hủy công trình theo thời gian do gây ra hiện tượng mỏi trong kết cấu. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công Công trình được xây dựng ngoài khơi xa và thường là các công trình độc lập. Khi có sự cố xảy ra thì hậu quả thường rất nặng nề, trong đó vấn đề về an toàn cho con người, cho môi trường là đáng quan tâm nhất rồi sau đó là giá trị kinh tế của công trình và sản xuất. Vì vậy cần đảm bảo các yêu cầu an toàn “tuyệt đối ” có -6 - nghĩa là xác suất phá hủy phải rất nhỏ.
Quy phạm DnV quy định xác suất phá hủy lớn nhất cho các loại công trình biển khác nhau nhưng phải được hạn chế là Pf=10-3 hay độ tin cậy P=0. - Yêu cầu đối với công tác thiết kế: công trình phải được tính toán thiết kế đảm bảo khả năng làm việc an toàn trong suốt thời gian tồn tại, đảm bảo đủ độ bền chịu tác động của các tác động cực hạn như bão, động đất, băng trôi, đảm bảo độ bền dưới các tác động thường xuyên của môi trường làm suy giảm khả năng chịu lực của kết cấu như hiện tượng mỏi, hiện tượng ăn mòn kim loại… Phương pháp thiết kế, phương pháp tính toán, các giả thiết tính toán và các công tác thiết kế phải tuân thủ các yêu cầu của quy phạm chuyên ngành mới cập nhật gần nhất. - Yêu cầu trong thi công chế tạo: công tác thi công chế tạo phải được thực hiện theo các quy trình chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng tuyệt đối cho công trình. Các yêu cầu về dung sai cho phép, yêu cầu về kiểm tra chất lượng thi công phải thực hiện theo đúng các yêu cầu của quy phạm hiện hành.
Công tác thi công lắp đặt phải được thực hiện với phương pháp, quy trình, thiết bị phù hợp đúng như thiết kế. - Yêu cầu về bảo trì khi vận hành: công tác vận hành phải được thực hiện đúng quy trình kỹ thuật đã thiết lập riêng cho công trình. Tiến hành khảo sát định kỳ theo đúng cấp độ, đúng quy trình với chu kỳ khảo sát được quy định nhằm kịp thời phát hiện các khuyết tật phát sinh trong kết cấu. Đặc biệt chú trọng tới việc khảo sát các nút đã được cảnh báo có tuổi thọ mỏi thấp.
Các công tác sửa chữa, gia cố phải tiến hành ngay sau khi phát hiện khuyết tật. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới Công trình biển cố định đầu tiên được xây từ những năm 1940. Công trình biển cố định chủ yếu là kiểu jacket đóng vai trò quan trọng nhất trong ngành khai thác dầu khí biển ở các vùng nước nông (độ sâu d<1000ft theo phân loại của Mỹ). Công trình loại này có mặt ở hầu hết ở các vùng mỏ trên toàn thế giới từ Biển Bắc, vịnh Mexico, biển Brazil, biển Arập và ở các vùng biển khu vực châu Á như Thái Lan, Malayxia, Việt Nam.
Từ những công trình ban đầu ở các độ sâu <10m -7 - nước và dần dần cùng với sự phát triển, áp dụng tiến bộ khoa học của nhiều lĩnh vực liên quan đã cho phép con người xây dựng thành công các công trình ở độ sâu đến 412m nước (Công trình Bullwinkle), cùng 6 giàn khai thác ở vùng nước sâu (d>303m) như trong hình1.2: Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu 1. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam[1, 8, 10] Ứng dụng công trình biển cố định bằng thép ở Việt Nam: Việt Nam xây dựng giàn cố định bằng thép đầu tiên vào năm 1983 tại mỏ Bạch Hổ thuộc vùng biển ngoài khơi tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu. Đây là mỏ dầu được khai thác đầu tiên của Việt Nam với độ sâu nước xấp xỉ 50m, gồm các giàn khai thác kiểu (MSP) loại 2 chân đế và loại một chân đế với 8 ống chính, các giàn đầu giếng (BK), các giàn người ở… Sau gần 30 năm hoạt động cho tới nay ngành dầu khí biển Việt Nam đã phát triển với nhiều mỏ mới được phát hiện và khai thác ở các độ sâu nước từ 40m đến 135m và với khoảng 70 công trình biển cố định bằng thép kiểu jacket ở các vùng mỏ thuộc bể Cửu Long, Nam Côn Sơn, và vùng chồng lấn Tây Nam. Ngành xây dựng công trình biển ở Việt Nam phát triển đồng bộ bao gồm bộ phận thiết kế, thi công và khai thác với các cơ sở hạ tầng phát triển (nhiều bãi lắp ráp chuyên dụng, nhiều nhà máy thi công chế tạo kết cấu chân đế giàn khoan), thiết bị máy móc phục vụ thi công phát triển (nhiều cần cẩu loại lớn, nhiều phương tiện nổi hiện đại, nhiều máy móc, thiết bị hiện đại).
Kết quả đã đạt được của ngành Xây dựng Công trình biển ở Việt Nam cho thấy rằng đội ngũ kỹ sư xây dựng công trình -8 - biển đã có kinh nghiệm và khả năng trong việc thiết kế, xây dựng các công trình biển cố định bằng thép ở các vùng nước với độ sâu nước tới 150m. Triển vọng và xu thế phát triển: Ngành khai thác dầu khí biển Việt Nam đã và đang phát triển mạnh, tuy nhiên cho tới nay chúng ta mới chỉ thăm dò và khai thác một phần rất nhỏ tiềm năng của dầu khí biển vì vậy ngành công nghiệp dầu khí của Việt Nam cũng như ngành xây dựng công trình biển có một triển vọng phát triển rất mạnh trong tương lai. Việc phát triển thăm dò, tìm kiếm và khai thác dầu khí ở các vùng mỏ xa bờ có độ sâu nước lớn hơn trên thềm lục địa Việt Nam và các vùng biển xa là tất yếu. Trong tương lai gần việc nghiên cứu, xây dựng các công trình biển phục vụ khai thác dầu khí ở độ sâu 150m đến 200m nước là một nhiệm vụ cấp bách đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp tính toán hiện đại, mục tiêu của luận án cũng nhằm đáp ứng nhu cầu này.
Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành Việc tính toán thiết kế và đánh giá an toàn cho kết cấu công trình biển được thực hiện theo các tiêu chuẩn chuyên ngành. Trong số đó tiêu chuẩn DnV, tiêu chuẩn API, tiêu chuẩn ISO là các tiêu chuẩn được công nhận và sử dụng rộng rãi. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành 1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn Các tiêu chuẩn hiện hành đánh giá an toàn kết cấu dựa trên các trạng thái giới hạn cơ bản như sau: - Trạng thái giới hạn chịu lực cực đại (ULS): o Phương pháp ứng suất cho phép (WDS/ASD): ứng suất lớn nhất trong kết cấu do tải trọng thiết kế gây ra không được vượt quá ứng suất cho phép của vật liệu [14, 27]; o Phương pháp các hệ số thành phần (LRFD): ứng suất lớn nhất trong kết cấu do các tải trọng gây ra (tải trọng có hệ số tương ứng) không được vượt quá sức chịu tải cực hạn của kết cấu [15].
-9 - - Trạng thái giới hạn chịu mỏi (FLS): Tác động lặp lại nhiều lần của tải trọng sóng gây ra tổn thất mỏi trong vật liệu kết cấu, những tổn thất này tích lũy dần theo thời gian đến làm xuất hiện vết nứt và dẫn đến phá hủy.