TÍNH MỎI KẾT CẤU GIÀN KHOAN BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP ỐNG TRONG ĐIỀU KIỆN THỀM LỤC ĐỊA VIỆT NAM

• Tác giả: Phạm Đăng Hân
• Người hướng dẫn: PTS. Phạm Khắc Hùng
• Trường học: Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Thủy
• Đề tài: Tính Mỏi Kết Cấu Giàn Khoan Biển Cố Định Bằng Thép Ống Trong Điều Kiện Thềm Lục Địa Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận án phó tiến sỹ
• Năm xuất bản: 1996
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN BÀI TOÁN MỎI TRONG CÔNG TRÌNH BIỂN
• 1.1. Các phương pháp tính mỏi trong công trình biển
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Các phương pháp tính toán theo mô hình tiền định và mô hình xác suất để xác định nội lực và ứng suất trong các phần tử kết cấu
• 2.2. Các phương pháp tính mỏi đang được sử dụng là tính mỏi theo phương pháp đơn giản, tính mỏi theo quy tắc Palmgren-Miner và tính mỏi theo quan điểm cơ học phá hủy
• 2.3. Xác định các thông số chủ yếu của bài toán mỏi trong điều kiện Việt Nam
• 3. CHƯƠNG 3
• 3.1. Việc áp dụng lý thuyết xác suất thống kê để thu thập và xử lý các số liệu về điều kiện sóng, sự phát triển của sinh vật biển (hà bám), ăn mòn ống thép chân đế giàn khoan
• 3.2. Đưa ra các kiến nghị về việc sử dụng các thông số chủ yếu cho bài toán mỏi kết cấu công trình biển cố định bằng thép ống trong điều kiện Việt Nam
• 3.3. Xây dựng các phần mềm ứng dụng để tính toán mỏi công trình biển
• 4. CHƯƠNG 4
• 4.1. Kết quả xây dựng phần mềm tính hệ số Cp và Cụ trong công thức Morison CMCM96
• 4.2. Phần mềm tính tải trọng sóng tiền định WAVE96
• 4.3. Phần mềm tính mỏi theo quy tắc Palmgren Miner FATIG96
• 4.4. Ứng dụng tính toán thực hành
• 5. CHƯƠNG 5
• 5.1. Một số kết quả tính hệ số Cụ và Cụ cho bài toán mỏi công trình biển trong điều kiện biển Việt Nam
• 5.2. Kết quả phân tích mỏi một số nút đặc trưng của kết cấu chân đế NOL công trình khí GAS-93
• KẾT LUẬN
• DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN PHỤ LỤC
• Phụ lục 1: Các số liệu sóng tính mỏi kết cấu công trình biển trong điều kiện thềm lục địa phía Nam Việt Nam
• Phụ lục 2: Listing các Subroutine chính của các chương trình được soạn thảo

I. Tổng quan về Tính toán mỏi giàn khoan biển Việt Nam

Việc tính toán mỏi kết cấu là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho giàn khoan biển cố định. Các giàn khoan chịu tác động liên tục của sóng biển, gây ra ứng suất mỏi trong các bộ phận kết cấu. Nếu không được tính toán và kiểm soát tốt, hiện tượng mỏi kết cấu thép ống có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hoạt động khai thác dầu khí và an toàn của con người. Các tiêu chuẩn quốc tế như API RP-2A, DnV, LR, BV đều quy định và hướng dẫn về tính toán mỏi cho kết cấu thép ngoài khơi. Tuy nhiên, điều kiện địa phương như môi trường biển, sự phát triển của sinh vật biển (hà bám), và ăn mòn cần được xem xét kỹ lưỡng. Nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng các phương pháp tính toán mỏi phù hợp với điều kiện thềm lục địa Việt Nam, nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển công nghiệp dầu khí. Phạm Đăng Hàn (1996) nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu này trong bối cảnh khai thác dầu khí tại Việt Nam. Do đó việc kiểm định kết cấu giàn khoan là vô cùng cần thiết.

1.1. Lịch sử phát triển tính toán mỏi công trình biển

Việc tính toán mỏi trong công trình biển bắt đầu được quan tâm từ những năm 1960, nhằm đáp ứng yêu cầu xây dựng các giàn khoan ở Vịnh Mexico. Chuẩn API RP-2A đã đưa ra các khái niệm cơ bản về phá hủy mỏi và giòn. Qua các lần sửa đổi, các tiêu chuẩn về độ bền tĩnh và ứng suất danh nghĩa đã được bổ sung. Tuy nhiên, đến nay vẫn chưa có phương pháp nào giải quyết triệt để bài toán mỏi kết cấu. Những năm gần đây, các nghiên cứu tập trung vào mỏi các nút hàn ống, đặc biệt ở khu vực Biển Bắc, nhấn mạnh tầm quan trọng của các dạng đường hàn và điều kiện môi trường biển. Vì vậy để có thể tính toán mỏi sát với thực tế thì các yếu tố này cần được quan tâm. Kinh nghiệm kế răng các hướng dẫn mới này làm đảo lộn tương đương giữa cường độ tĩnh và tuổi thọ mỏi cho các kết cấu vùng biển Gulf Mexico, mà dang ton cùng với các chuẩn trước.

1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi giàn khoan

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ bền mỏi của giàn khoan biển cố định, bao gồm điều kiện sóng biển, ăn mòn kim loại trong môi trường biển, sự phát triển của sinh vật biển (hà bám), và chất lượng vật liệu thép. Tải trọng tác dụng lên giàn khoan không chỉ bao gồm tải trọng tĩnh mà còn cả tải trọng động do sóng và gió gây ra. Việc tính toán chính xác các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo kết quả phân tích mỏi kết cấu đáng tin cậy. Hơn nữa, việc bảo trì kết cấu giàn khoan thường xuyên cũng góp phần quan trọng và là yếu tố quyết định đến tuổi thọ giàn khoan.

II. Thách thức trong tính toán mỏi cho giàn khoan Việt Nam

Mặc dù có nhiều tiêu chuẩn quốc tế, việc áp dụng trực tiếp các tiêu chuẩn này cho điều kiện thềm lục địa Việt Nam gặp nhiều thách thức. Điều kiện sóng biển ở Việt Nam có những đặc điểm riêng, khác với các khu vực khác trên thế giới. Sự phát triển của sinh vật biển và tốc độ ăn mòn cũng có thể khác biệt. Do đó, cần có các nghiên cứu và điều chỉnh để đảm bảo các phương pháp tính toán mỏi phù hợp với điều kiện thực tế. Ngoài ra, việc thiếu dữ liệu về đặc tính vật liệu và tải trọng cũng là một trở ngại. Cần xây dựng cơ sở dữ liệu đầy đủ và chính xác để phục vụ công tác thiết kế giàn khoan biển và phân tích mỏi kết cấu.

2.1. Thiếu dữ liệu tải trọng sóng và ăn mòn kim loại

Một trong những thách thức lớn nhất là thiếu dữ liệu tin cậy về tải trọng sóng và ăn mòn kim loại trong điều kiện biển Việt Nam. Các dữ liệu này là đầu vào quan trọng cho quá trình tính toán mỏi. Việc thu thập và xử lý dữ liệu sóng cần được thực hiện một cách hệ thống và liên tục. Các nghiên cứu về tốc độ ăn mòn của thép trong môi trường biển Việt Nam cũng cần được đẩy mạnh. Các dữ liệu về môi trường biển Việt Nam cần được cập nhật liên tục và chính xác để công tác tính toán mỏi được sát với thực tế nhất có thể. Bên cạnh đó, công tác kiểm định kết cấu giàn khoan cũng cần được chú trọng.

2.2. Hạn chế về phần mềm tính toán mỏi chuyên dụng

Việc sử dụng phần mềm tính toán mỏi chuyên dụng là rất quan trọng để thực hiện các phân tích mỏi kết cấu phức tạp. Tuy nhiên, nhiều phần mềm hiện có trên thị trường chưa được tối ưu hóa cho điều kiện thềm lục địa Việt Nam. Cần có các nghiên cứu và phát triển để xây dựng các phần mềm phù hợp với điều kiện địa phương, hoặc điều chỉnh các phần mềm hiện có để đáp ứng yêu cầu. Đồng thời, cần đào tạo đội ngũ kỹ sư có khả năng sử dụng và vận hành các phần mềm tính toán mỏi một cách hiệu quả.

2.3. Ảnh hưởng của hà bám tới kết cấu giàn khoan biển cố định

Hà bám là một trong những yếu tố gây khó khăn cho quá trình tính toán mỏi kết cấu. Với đặc tính sinh trưởng và phát triển nhanh, hà bám bám chặt vào bề mặt kết cấu, làm tăng trọng lượng và diện tích chịu tải của giàn khoan. Điều này dẫn đến sự thay đổi về tải trọng tác dụng lên giàn khoan, làm ảnh hưởng đến kết quả tính toán mỏi. Vì vậy, cần có các phương pháp và biện pháp phù hợp để kiểm soát và giảm thiểu sự ảnh hưởng của hà bám đến độ bền mỏi của giàn khoan.

III. Phương pháp phân tích mỏi kết cấu thép ống tiên tiến nhất

Để giải quyết các thách thức trên, cần áp dụng các phương pháp phân tích mỏi kết cấu tiên tiến, bao gồm phân tích FEM kết cấu giàn khoan và các phương pháp dựa trên cơ học phá hủy. Phân tích FEM cho phép mô phỏng chính xác hơn sự phân bố ứng suất mỏi trong kết cấu. Các phương pháp dựa trên cơ học phá hủy cho phép dự đoán sự phát triển của vết nứt và tuổi thọ mỏi kết cấu. Các phương pháp này cần được kết hợp với dữ liệu thực nghiệm và các mô hình ăn mòn để đạt được kết quả chính xác nhất. Ngoài ra, việc áp dụng các phương pháp đánh giá rủi ro mỏi cũng rất quan trọng để đảm bảo an toàn.

3.1. Ứng dụng phân tích FEM để tính toán ứng suất mỏi

Phân tích FEM là một công cụ mạnh mẽ để tính toán ứng suất mỏi trong các kết cấu thép ống phức tạp. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác sự phân bố ứng suất và biến dạng dưới tác dụng của tải trọng khác nhau. Việc sử dụng phân tích FEM giúp xác định các vị trí tập trung ứng suất cao, là những điểm yếu dễ bị phá hủy do mỏi. Kết quả phân tích FEM có thể được sử dụng để cải thiện thiết kế giàn khoan biển và tăng độ bền mỏi của kết cấu.

3.2. Đánh giá tuổi thọ mỏi kết cấu dựa trên cơ học phá hủy

Cơ học phá hủy cung cấp một phương pháp tiếp cận khác để đánh giá tuổi thọ mỏi kết cấu. Phương pháp này tập trung vào việc mô phỏng sự phát triển của vết nứt dưới tác dụng của ứng suất lặp đi lặp lại. Bằng cách xác định tốc độ phát triển vết nứt, có thể dự đoán thời gian cần thiết để vết nứt đạt đến kích thước tới hạn, dẫn đến phá hủy. Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho việc đánh giá rủi ro mỏi kết cấu và lập kế hoạch bảo trì kết cấu giàn khoan.

IV. Ứng dụng và kết quả tính toán mỏi tại thềm lục địa

Các kết quả tính toán mỏi có thể được sử dụng để thiết kế giàn khoan biển an toàn và hiệu quả hơn. Chúng cũng có thể được sử dụng để đánh giá an toàn kết cấu giàn khoan hiện có và lập kế hoạch sửa chữa kết cấu giàn khoan và bảo trì kết cấu giàn khoan định kỳ. Các nghiên cứu thực tế về tính toán mỏi cho các giàn khoan cụ thể tại thềm lục địa Việt Nam sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho ngành công nghiệp dầu khí. Ngoài ra, việc xây dựng các phần mềm ứng dụng để tính toán mỏi cũng sẽ giúp nâng cao năng lực phân tích mỏi kết cấu trong nước.

4.1. Thiết kế và kiểm định kết cấu dựa trên kết quả phân tích mỏi

Kết quả phân tích mỏi là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế và kiểm định kết cấu giàn khoan biển. Các kỹ sư có thể sử dụng kết quả này để tối ưu hóa hình dạng và kích thước của các bộ phận kết cấu, giảm thiểu ứng suất tập trung và tăng độ bền mỏi. Kiểm định kết cấu định kỳ cũng cần dựa trên kết quả phân tích mỏi để xác định các vị trí cần kiểm tra kỹ lưỡng và đánh giá tuổi thọ còn lại của kết cấu. Các đánh giá này sẽ đảm bảo an toàn kết cấu giàn khoan.

4.2. Xây dựng phần mềm tính toán mỏi cho điều kiện Việt Nam

Việc xây dựng phần mềm tính toán mỏi riêng cho điều kiện thềm lục địa Việt Nam sẽ giúp giảm sự phụ thuộc vào các phần mềm nước ngoài và tăng tính chủ động trong công tác phân tích mỏi kết cấu. Phần mềm này cần được tích hợp với cơ sở dữ liệu về điều kiện sóng biển, vật liệu và ăn mòn tại Việt Nam. Ngoài ra, cần có giao diện thân thiện và dễ sử dụng để phục vụ đội ngũ kỹ sư trong nước. Phạm Đăng Hàn (1996) đã đề xuất xây dựng các chương trình tính ứng suất sóng và mỏi (WAVE96, FATIG96).

V. Hướng dẫn tính toán mỏi kết cấu giàn khoan theo tiêu chuẩn

Để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả tính toán mỏi, cần tuân thủ các tiêu chuẩn tính toán mỏi hiện hành như API RP-2A, DnV, LR, BV. Các tiêu chuẩn này cung cấp các hướng dẫn chi tiết về phương pháp phân tích mỏi, lựa chọn vật liệu, kiểm tra không phá hủy (NDT) và quản lý rủi ro. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các tiêu chuẩn này cần được điều chỉnh và áp dụng phù hợp với điều kiện thềm lục địa Việt Nam. Việc tham khảo ý kiến của các chuyên gia và nhà nghiên cứu có kinh nghiệm trong lĩnh vực này là rất quan trọng.

5.1. Áp dụng tiêu chuẩn API RP 2A trong điều kiện Việt Nam

Tiêu chuẩn API RP-2A là một trong những tiêu chuẩn được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành công nghiệp dầu khí. Tuy nhiên, khi áp dụng tiêu chuẩn này cho điều kiện thềm lục địa Việt Nam, cần xem xét các yếu tố địa phương như điều kiện sóng biển, ăn mòn và đặc tính vật liệu. Các hệ số an toàn và hệ số điều chỉnh có thể cần được điều chỉnh để đảm bảo an toàn kết cấu giàn khoan.

5.2. Kiểm định kết cấu giàn khoan và phát hiện vết nứt mỏi

Kiểm định kết cấu giàn khoan định kỳ là rất quan trọng để phát hiện sớm các vết nứt mỏi và ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng. Các phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) như siêu âm, chụp ảnh phóng xạ và kiểm tra thẩm thấu có thể được sử dụng để phát hiện các vết nứt nhỏ trước khi chúng phát triển thành các vết nứt lớn hơn. Kết quả kiểm định cần được đánh giá cẩn thận và sử dụng để lập kế hoạch sửa chữa kết cấu giàn khoan khi cần thiết.

VI. Rủi ro mỏi và các biện pháp phòng ngừa hiệu quả nhất

Rủi ro mỏi kết cấu là một trong những mối quan tâm hàng đầu trong ngành công nghiệp dầu khí. Để giảm thiểu rủi ro này, cần thực hiện các biện pháp phòng ngừa từ giai đoạn thiết kế giàn khoan biển đến giai đoạn vận hành và bảo trì. Các biện pháp phòng ngừa bao gồm lựa chọn vật liệu chất lượng cao, thiết kế kết cấu tối ưu, kiểm soát chất lượng thi công, thực hiện kiểm định kết cấu giàn khoan định kỳ và áp dụng các biện pháp chống ăn mòn. Việc quản lý rủi ro mỏi một cách hiệu quả sẽ giúp đảm bảo an toàn và kéo dài tuổi thọ mỏi kết cấu.

6.1. Đánh giá rủi ro mỏi và xây dựng kế hoạch phòng ngừa

Việc đánh giá rủi ro mỏi cần được thực hiện một cách hệ thống và toàn diện. Các yếu tố như điều kiện môi trường, tải trọng tác dụng, đặc tính vật liệu và chất lượng thi công cần được xem xét. Dựa trên kết quả đánh giá rủi ro, cần xây dựng kế hoạch phòng ngừa chi tiết, bao gồm các biện pháp thiết kế, thi công, kiểm định và bảo trì.

6.2. Các biện pháp tăng cường độ bền mỏi và chống ăn mòn

Có nhiều biện pháp có thể được áp dụng để tăng cường độ bền mỏi và chống ăn mòn cho kết cấu giàn khoan biển. Các biện pháp này bao gồm sử dụng vật liệu thép có độ bền cao, áp dụng lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn, sử dụng các phương pháp xử lý bề mặt để giảm ứng suất tập trung, và thực hiện các biện pháp kiểm soát ăn mòn (ví dụ: bảo vệ catốt).