Download

989 views

Published on

Đồ án Tốt nghiệp: Tính toán thiết kế mỏi cho công trình biển dạng Jacket.

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
989
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
8
Actions
Shares
0
Downloads
53
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Download

  1. 1. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập và rèn luyện tại trường Đại học Xây Dựng, đặc biệt là tạiViện Xây dựng Công trình biển em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức bổ ích và rất cầnthiết cho một kỹ sư. Tuy nhiên những kiến thức đó sẽ không được vận dụng và phát huy tốiđa nếu như không được tiếp xúc thực tế, chính vì vậy em đã chủ động xin đi thực tập và làmđồ án tốt nghiệp tại khu vực phía Nam, và được sự giới thiệu của Viện Công Trình Biển emđã được nhận vào Phòng Thiết kế phát triển mỏ & Công trình biển – Trung tâm Tư vấnThiết Kế - Tổng Công Ty Tư vấn Thiết kế Dầu Khí (PV Engineering). Đối với em đây là mộtcơ hội rất lớn để có thể tiếp cận với những quy trình thực tế thiết kế một công trình dầu khínói chung và công trình giàn khoan biển nói riêng. Việc làm đồ án tốt nghiệp đó là một cơ hội cho em củng cố những kiến thức mà mìnhđã được học trong trường, đồng thời cũng là dịp để em học hỏi và tìm hiểu về những kiếnthức thực tế trong lĩnh vực xây dựng Công Trình Biển trong đó có quy trình thiết kế giànkhoan biển. Bên cạnh đó làm đồ án tốt nghiệp sẽ giúp em hoàn thiện mình hơn về nhiều mặtkhác nhau như: khả năng sử dụng phần mềm, khả năng làm việc độc lập, khả năng pháthiện và giải quyết vấn đề…vv… đó đều là những tố chất cần thiết cho một kĩ sư tương lai. Được sự phân tích và gợi ý của anh Nguyễn Mạnh Hùng em đã chọn đề tài làm đồ ántốt nghiệp cho mình là: “Tính toán tuổi thọ mỏi khối chân đế giàn Sư Tử Trắng”, mộttrong những công việc bắt buộc phải làm trong quy trình thiết kế giàn khoan biển. Cùng vớisự hướng dẫn tận tình của anh Nguyễn Mạnh Hùng-Trưởng phòng Phòng Thiết kế pháttriển mỏ & Công trình biển – Trung tâm Tư vấn Thiết Kế - Tổng Công Ty Tư vấn Thiết kếDầu Khí (PV Engineering) em đã nỗ lực hết mình làm việc trong khoảng thời gian 10 tuầntừ 10/2011 đến tháng 12/2011 để hoàn thành đồ án. Và để hoàn thành được đồ án của mình đúng mục tiêu và kì hạn em xin chân thànhcảm ơn Ths.Nguyễn Mạnh Hùng - người đã trực tiếp hướng dẫn em trong đồ án này, xinđược cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của các anh chị trong Phòng nơi em làm đồ án. Nhân đây, em cũng xin được gửi lời đồng cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô củatrường Đại Học Xây Dựng, đặc biệt là các thầy cô trong Viện Công Trình Biển đã luôn theosát và dìu dắt em, cho em những hành trang cần thiết trong suốt quá trình học đại học. Hồ Chí Minh, Ngày 10 tháng 12 năm 2011 Sinh Viên: Lê Văn Tiến ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 1/86
  2. 2. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT MỤC LỤCLỜI CẢM ƠN........................................................................................................................... 1CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ................................................................................................... 5I.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG TRÌNH BIỂN THẾ GIỚI ...................................... 5 I.1.1. Công trình biển cố định (Fixed Structures)............................................................ 5 I.1.1.1. Công trình biển thép( Jacket).............................................................................. 6 I.1.1.2. Công trình biển trọng lực bê tông cốt thép ......................................................... 7 I.1.2. Công trình biển mềm .............................................................................................. 8 I.1.3. Đường ống biển ...................................................................................................... 8 I.1.4. Công trình dàn tự nâng Jackup .............................................................................. 8I.2 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH DẦU KHÍ VIỆT NAM ................................................... 8 I.2.1 Quá trình hình thành và phát triển tập đoàn dầu khí Việt Nam ................................ 9 I.2.2 Các hoạt động kinh doanh của tập đoàn dầu khí Việt Nam. ................................... 10 I.2.3 Các mục tiêu hoạt động của Tập đoàn dầu khí Việt Nam. ...................................... 10I.3 GIỚI THIỆU VỀ DỰ ÁN PHÁT TRIỂN MỎ SƯ TỬ TRẮNG............................... 11CHƯƠNG II.......................................................................................................................... 16NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN - SỐ LIỆU ĐẦU VÀO........................................................................ 16II.1 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN ................................................................................................... 16II.2 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO PHỤC VỤ TÍNH TOÁN ......................................................... 16 II.2.1. Số liệu khí tượng hải văn ...................................................................................... 16 II.2.1.1. Số liệu sóng ....................................................................................................... 16 II.2.1.2. Số liệu dòng chảy .............................................................................................. 17 II.2.1.3. Số liệu gió.......................................................................................................... 18 II.2.1.4. Thủy triều .......................................................................................................... 18 II.2.1.5. Nước dâng do bão ............................................................................................. 18 II.2.1.6. Hà bám .............................................................................................................. 18 II.2.2. Số liệu địa chất ..................................................................................................... 19 II.2.3. Số liệu khác........................................................................................................... 21 II.2.3.1. Hệ số thủy động................................................................................................. 21 II.2.3.2. Độ dốc sóng....................................................................................................... 21 II.2.3.3. Lí thuyết sóng .................................................................................................... 21 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 2/86
  3. 3. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STTCHƯƠNG III ........................................................................................................................ 22CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH MỎI VÀ TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG....................................... 22III.1 HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY MỎI TRONG KẾT CẤU............................................ 22III.2 TẢI TRỌNG GÂY MỎI .......................................................................................... 23III.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH MỎI................................................................................. 23III.4 ĐIỂM NÓNG – HỆ SỐ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT – ĐƯỜNG CONG MỎI...... 24 III.4.1. Điểm nóng (host spot)........................................................................................... 24 III.4.2. Hệ số tập trung ứng suất SCF .............................................................................. 26 III.4.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn ...................................................................... 27 III.4.2.2. Phương pháp thí nghiệm mô hình.................................................................. 28 III.4.2.3. Phương pháp số ............................................................................................. 28 III.4.3. Đường cong mỏi S-N ............................................................................................ 34III.5 TÍNH TOÁN MỎI THEO QUAN ĐIỂM TIỀN ĐỊNH ........................................ 37 III.5.1. Tải trọng sóng....................................................................................................... 39 III.5.2. Xác định ứng suất danh nghĩa theo phương pháp tiền định ................................ 40 III.5.3. Đếm các chu trình ứng suất.................................................................................. 41 III.5.4. Thống kê dài hạn các trạng thái biển ................................................................... 42 III.5.5. Tổn thất mỏi tích luỹ ............................................................................................. 42III.6 TÍNH TOÁN MỎI THEO QUAN ĐIỂM NGẪU NHIÊN .................................... 42 III.6.1. Tải trọng sóng....................................................................................................... 44 III.6.2. Xác định ứng suất danh nghĩa theo phương pháp phổ......................................... 46 III.6.3. Đếm các chu trình ứng suất.................................................................................. 48 III.6.4. Thống kê dài hạn các trạng thái biển ................................................................... 49 III.6.5. Tỉ số mỏi tích luỹ .................................................................................................. 50III.7 HỆ SỐ AN TOÀN FDF .......................................................................................... 50III.8 TIÊU CHUẨN ÁP DỤNG ...................................................................................... 51CHƯƠNG IV ........................................................................................................................ 52TÍNH TOÁN TUỔI THỌ MỎI BẰNG PHẦN MỀM SACS 5.3 ........................................ 52IV.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM SACS 5.3 ............................................................... 52 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 3/86
  4. 4. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT IV.1.1 Hình thành ............................................................................................................ 52 IV.1.2 Đối tượng tính toán của SACS.............................................................................. 53 IV.1.3 Các bài toán giải quyết được khi sử dụng phần mềm SACS ................................ 53 IV.1.3.1 Bài toán tĩnh................................................................................................... 53 IV.1.3.2 Các bài toán động.......................................................................................... 53 IV.1.3.3 Các bài toán kiểm tra..................................................................................... 53 IV.1.4 Giao diện sử dụng................................................................................................. 53 IV.1.5 Các tiêu chuẩn và quy phạm được sử dụng trong SACS...................................... 54 IV.1.5.1 Các tiêu chuẩn ............................................................................................... 54 IV.1.5.2 Các quy phạm ................................................................................................ 55 IV.1.6 Các lý thuyết sóng sử dụng trong SACS ............................................................... 55IV.2 NỘI DUNG TÍNH TOÁN MỎI ................................................................................. 55 IV.2.1 Mô hình hóa kết cấu ............................................................................................. 57 IV.2.2 Tuyến tính hóa nền đất ......................................................................................... 57 IV.2.2.1 Lí thuyết về mô hình cọc-đất nền ................................................................... 57 IV.2.2.2 Tính toán sóng ở tâm phá hủy ........................................................................... IV.2.2.3 Lựa chọn tổ hợp tải trọng cho tuyến tính hóa ............................................... 60 IV.2.2.4 Kết quả thu được từ tuyến tính hóa nền đất bằng PM Sacs .......................... 60 IV.2.3 Tính toán dao động riêng công trình.................................................................... 66 IV.2.3.1 Mục đích của bài toán dao động riêng .......................................................... 66 IV.2.3.2 Lựa chọn tổ hợp khối lượng tính dao động riêng.......................................... 66 IV.2.3.3 Kết quả dao động riêng tính bằng PM Sacs .................................................. 66 IV.2.4 Lựa chọn phương pháp tính mỏi .......................................................................... 68 IV.2.5 Xây dựng hàm truyền tĩnh và hàm truyền động ................................................... 68 IV.2.5.1 Hàm truyền tĩnh (H(Q), H(M)) .......................................................................... 68 IV.2.5.2 Hàm truyền động (H(f)) .................................................................................. 70 IV.2.6 Tính toán tuổi thọ mỏi .......................................................................................... 74 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 4/86
  5. 5. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT CHƯƠNG I: TỔNG QUANI.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG TRÌNH BIỂN THẾ GIỚI Các loại công trình biển được xây dựng để đáp ứng nhu cầu các hoạt đông của con người trên biển trong nhiều lĩnh vực bao gồm: − Thăm dò và khai thác khoáng sản (chủ yếu là dầu mỏ và khí đốt). − Nghiên cứu khí tượng và hải văn biển. − Phục vụ an ninh quốc phòng. − Đảm bảo hàng hải, phục vụ du lịch… − Tram phát điện… Trong đó chủ yếu là các công trình phục vụ nhu cầu thăm dò và khai thác dầu khí, sự phát triển của các loại công trình biển gắn liền với sự phát triển ngành công nghiệp này. Đầu thế kỷ XIX việc khai thác dầu khí hầu như chỉ diễn ra trên đất liền, đến năm 1947 công trình biển đầu tiên trên thế giới được xây dựng tại vịnh Mexico ở độ sâu 3 ÷ 6 m nước. Đầu năm 1960 các công trình thiết kế cho độ sâu nước có kết cấu chủ yếu là kết cấu thép, từ đó đến nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật cho nên đã có nhiều dạng công trình biển cho các khu vực nước sâu hơn ra đời. I.1.1. Công trình biển cố định (Fixed Structures) − Công trình biển thép (Jacket) − Công trình biển bê tông trọng lực (Gravity) − Công trình biển lai giữa bê tông và thép (Hybrid Steel and Concrete): là loại có thân bằng thép và đế bằng bê tông cốt thép. Sử dụng các kết cấu cố định là phương án xây dựng với mục đích làm cho công trình có chu kỳ dao động nhỏ hơn hẳn vùng tập trung năng lượng sóng. ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 5/86
  6. 6. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT I.1.1.1. Công trình biển thép( Jacket) Là loại công trình được sử dụng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay.Công nghệ xây dựng công trình loại này đã trải qua một thời gian dài, từ loại kết cấu nhỏ ở vùng nước nông, đến những công trình lớn ở vùng nước sâu xây dựng ở biển Bắc và ở vùng vịnh Mexico. Các dàn loại này thường đòi hỏi phải hoạt động trong vòng 25 năm trở lên, cho tới nay trên thế giới đã xây dựng được trên 6000 công trình, trong đó có khoảng 4000 chiếc xây dựng ở vùng vịnh Mexico. Trên thực tế hầu như mọi công nghệ mới sử dụng trong chế tạo và lắp dựng các dàn đều xuất phát từ vịnh Mexico và vùng biển Bắc. Kết cấu công trình lớn nhất thế giới hiện nay là dàn Bullwinkle do hãng Shell xây dựng ở vịnh Mexico vào năm 1985 ở vùng nước sâu 1615ft (492m), kết cấu chân đế bằng thép nặng 56000T. Nói chung các dàn thép cố định tỏ ra có nhiều ưu điểm về tính an toàn khi khai thác. Điều này giải thích một phần lý do dàn cố định bằng thép được sử dụng rộng rãi. Xu hướng phát triển của kết cấu công trình biển thép: − Về dạng kết cấu: Ngày càng lớn với độ sâu nước ngày càng tăng − Về trọng lượng kết cấu: Ngày càng giảm thiểu trọng lượng nhờ sự phát triển các dạng vật liệu nhẹ, phương pháp thiết kế kết cấu nhẹ như thay đổi trong từng đoạn với tiết diện thanh biên đứng của kết cấu chân đế và thay đổi tiết diện tại các nút là nơi tập trung ứng suất, điều này cho phép giảm trọng lượng tổng thể kết cấu. − Phát triển dàn nhẹ, dàn vệ tinh và kết cấu đỡ đầu giếng: đây là xu hướng mới của loại kết cấu Jacket cho phép điển hình hoá kết cấu và trang thiết bị, đảm bảo công nghệ đơn giản, tin cậy, giảm trọng lượng, giá thành xây dựng… − Về cọc: xu hướng tăng kích thước các cọc chính, giảm bớt hoặc bỏ các cọc phụ. Điều này làm đơn giản kết cấu tổng thể và giảm bớt thời gian thi công trên biển. − Tăng khả năng thi công của thiết bị đóng cọc. − Đối với kết cấu thượng tầng: việc xây dựng bộ phận thượng tầng của các dàn thường được tổ chức phụ thuộc vào các cấu hình sau: + Thượng tầng gồm nhiều khối Block Module. + Thượng tầng kiểu bán toàn khối ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 6/86
  7. 7. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT + Thượng tầng kiểu toàn khối + Thượng tầng kiểu tấm phẳng, kiểu mặt boong Công nghệ thượng tầng không cần thiết bị cẩu lắp, đây là một kỹ thuật mới, lắp trọn kết cấu thượng tầng lên đỉnh kết cấu Jacket mà không cần dùng bất kỳ một loại cẩu nổi chuyên dụng nào như công nghệ truyền thống. Theo phương pháp này, việc lắp đặt thượng tầng được thực hiện nhờ một hoặc hai sà lan vận chuyển thông thường, nhờ đó giảm được đáng kể thời gian thi công trên biển. Công nghệ này cũng đã tính đến các điều kiện khác nhau của biển, trọng lượng thượng tầng… I.1.1.2. Công trình biển trọng lực bê tông cốt thép Dàn bê tông trọng lực là kết cấu công trình có tiềm năng phát triển mạnh, thích hợp với vùng nước sâu. Dàn bê tông trọng lực được xây dựng dựa nhờ một số ưu điểm nổi bật sau: − Ổn định bằng trọng lượng bản thân của nó theo nguyên lý móng nông − Tuổi thọ công trình cao − Tận dụng được nguyên vật liệu địa phương, tiết kiệm thép đặc chủng − Khả năng chống ăn mòn của môi trường biển cao − Chi phí duy tu bảo dưỡng ít hơn so với công trình biển thép − Tận dụng được các khoang (xilô) của công trình làm bể chứa − Khả năng chịu lực tốt, chu kỳ dao động nhỏ, khả năng xuất hiện mỏi ít Dàn khoan biển trọng lực đầu tiên là công trình EKOFISKI ở biển Bắc do công ty DORIS ENGINEERING của Pháp thiết kế và hoàn tất năm 1973 ở độ sâu 70m nước. Các công trình dàn bê tông trọng lực trên thế giới có độ sâu từ 42 ÷ 303m nước, phần lớn được xây dựng ở biển Bắc ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 7/86
  8. 8. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STTI.1.2. Công trình biển mềm − Công trình biển nổi (Floating Structures) − Công trình biển neo đứng − Công trình biển trụ mềm − Công trình biển neo xiên Công trình biển mềm là loại công trình được sử dụng vào việc khai thác những mỏ nhỏ hoặc khai thác ở những độ sâu rất lớn, không kinh tế khi xây dựng những công trình biển cố định, Công trình loại này có thể sử dụng làm bể chứa dầu đồng thời làm kết cấu bến cập tàu. Ngày nay các công trình dạng này đã đạt tới độ sâu hơn 1000m; Các công trình biển mềm được thiết kế sao cho chu kỳ dao động riêng vượt hẳn ra ngoài vùng tập trung năng lượng sóng.I.1.3. Đường ống biển Dùng để vận chuyển các sản phẩm khai thác được từ các giếng về nơi xử lý hoặc vận chuyển nước ép vỉa nhằm duy trì áp suất khai thác, đây là loại hình đang phát triển mạnh mẽ và hiện nay công nghệ chế tạo đường ống đã được chuyên môn hoá rất cao và chiếm một tỷ lệ lớn trong công tác xây dựng các công trình biển. Các loại đường ống rất đa dạng về chủng loại, chiều dài, kích thước tiết diện cũng như độ sâu đặt ống ngày càng tăng;I.1.4. Công trình dàn tự nâng Jackup Đây là loại công trình biển có khả năng di chuyển được, có thể dùng để thăm dò, khai thác. Loại công trình này có thể làm việc độc lập hoặc kết hợp cùng các loại CTB khác nhằm giảm chi phí cho việc xây dựng tại các vùng nước sâu;I.2 TỔNG QUAN VỀ NGÀNH DẦU KHÍ VIỆT NAM Dầu khí là ngành công nghiệp có tiềm năng phát triển hết sức to lớn và toàn diện của đất nước, toàn bộ các hoạt động liên quan đến việc phát hiện, khai thác và làm gia tăng giá trị của nguồn tài nguyên dầu khí tại Việt Nam được chính phủ Việt Nam giao nhiệm vụ cho tập đoàn Dầu khi Việt Nam thực hiện. ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 8/86
  9. 9. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Với tiền thân là Tổng cục Dầu khí, Tổng công ty Dầu mỏ và Khí đốt Việt Nam, Tổng công ty Dầu khí Việt Nam; Tập đoàn Dầu khí Việt Nam (Petrovietnam) được hình thành theo quyết định số 198/2006/QĐ-TTg ngày 29/08/2006 của Thủ tướng Chính phủ. Hện nay với hơn 50 đơn vị thành và các công ty liên doanh, lực lượng lao động với hơn 22.000 người và doanh thu 2006 đạt 174.300 tỷ đồng (khoảng 11 tỷ đô la Mỹ), Tập đoàn Dầu khí Việt Nam hoạt động trong lĩnh vực dầu khí và các lĩnh vực khác không chỉ ở lãnh thổ Việt Nam mà còn cả ở nước ngoài. I.2.1 Quá trình hình thành và phát triển tập đoàn dầu khí Việt Nam − 1961 - Đoàn Địa chất 36 thuộc Tổng cục Địa chất được thành lập để thực hiện nhiệm vụ tìm kiếm, thăm dò dầu khí tại Việt Nam − 1969 - Đoàn Địa chất 36 được tổ chức lại và đổi tên thành Liên đoàn Địa chất 36. − 1975 - Tổng cục Dầu khí Việt Nam được thành lập trên cơ sở Liên đoàn địa chất 36 và Vụ Dầu khí thuộc Tổng cục Hoá chất − 1977 - Công ty Dầu khí Việt Nam (Vietnam Oil & Gas Company – Petrovietnam) trực thuộc Tổng cục Dầu khí Việt Nam được thành lập để thực hiện nhiệm vụ hợp tác với các công ty nước ngoài trong lĩnh vực thăm dò, khai thác dầu khí tại Việt Nam. − 4/1990 - Tổng cục Dầu khí Việt Nam được sát nhập vào Bộ Công nghiệp nặng. − 6/1990 - Tổng công ty Dầu khí Việt Nam (Vietnam Oil & Gas Corporation – Petrovietnam) được tổ chức lại trên cơ sở các đơn vị cũ của Tổng cục Dầu khí Việt Nam. − 5/1992 - Tổng công ty Dầu khí Việt Nam tách khỏi Bộ Công nghiệp nặng và trực thuộc Thủ tướng Chính phủ nước CHXHCN Việt Nam, trở thành công ty dầu khí quốc gia với tên giao dịch quốc tế là Petrovietnam. − 5/1995 - Tổng công ty Dầu khí Việt Nam được Thủ tướng Chính phủ nước CHXHCN Việt Nam quyết định là Tổng công ty Nhà nước với tên giao dịch quốc tế là Petrovietnam. − 8/2006 - Tổng công ty Dầu khí Việt Nam được Thủ tướng Chính phủ nước CHXHCN Việt Nam quyết định là Công ty mẹ - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 9/86
  10. 10. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT (gọi là Tập đoàn dầu khí Việt Nam) theo Quyết định số 199/2006/QĐ-TTg ngày 29 tháng 8 năm 2006. Tên giao dịch quốc tế: VIETNAM OIL AND GAS GROUP; gọi tắt là PETROVIETNAM. I.2.2 Các hoạt động kinh doanh của tập đoàn dầu khí Việt Nam. − Nghiên cứu, tìm kiếm, thăm dò, khai thác, chế biến, tàng trữ, vận chuyển dầu khí làm dịch vụ về dầu khí; − Xuất nhập khẩu vật tư, thiết bị dầu khí, sảm phẩm dầu khí, hoá dầu; − Kinh doanh và phân phối các sản phẩm dầu, khí, các nguyên liệu hóa phẩm dầu khí; − Khảo sát, thiết kế, xây dựng, khai thác, sửa chữa các công trình, phương tiện phục vụ dầu khí, dân dụng; − Tư vấn đầu tư xây dựng, thiết kế các công trình, phương tiện phục vụ dầu khí, dân dụng; sản xuất và kinh doanh vật liệu xây dựng; − Đầu tư kinh doanh bất động sản; − Đầu tư kinh doanh điện; − Hoạt động tài chính, chứng khoán, ngân hàng; bảo hiểm; − Đào tạo, cung ứng nhân lực dầu khí, xuất khẩu lao động; − Kinh doanh khách sạn, du lịch, văn phòng giao dịchI.2.3 Các mục tiêu hoạt động của Tập đoàn dầu khí Việt Nam. Mục tiêu chiến lược của Tập đoàn: “Phát triển ngành Dầu khí trở thành một ngành kinh tế - kỹ thuật quan trọng, đồng bộ, bao gồm tìm kiếm thăm dò, khai thác, vận chuyển, chế biến, tàng trữ, phân phối, dịch vụ và xuất, nhập khẩu; Xây dựng Tập đoàn Dầu khí mạnh, kinh doanh đa ngành trong nước và quốc tế.” Các mục tiêu cụ thể là: − Đẩy mạnh đầu tư công tác tìm kiếm thăm dò, gia tăng trữ lượng có thể khai thác một cách hợp lý, ưu tiên các vùng khó khăn. Phấn đấu gia tăng trữ lượng dầu khí hàng năm đạt 35-40 triệu tấn dầu quy đổi. ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 10/86
  11. 11. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT − Khai thác và sử dụng hợp lý, hiệu quả, tiết kiệm nguồn tài nguyên dầu khí trong nước để sử dụng lâu dài; đồng thời tích cực mở rộng hoạt động khai thác dầu khí ở nước ngoài. Phấn đấu khai thác 25-38 triệu tấn quy dầu/năm trong đó khai thác dầu thô giữ ổn định ở mức 18-20 triệu tấn/năm và khai thác khí 6-17 tỷ m3/năm. − Tích cực phát triển thị trường tiêu thụ khí trong nước, sử dụng khí tiết kiệm, hiệu quả kinh tế cao. Xây dựng và vận hành an toàn hệ thống đường ống dẫn khí quốc gia; sẵn sàng kết nối với đường ống dẫn khí khu vực Đông Nam Á phục vụ cho nhu cầu xuất nhập khẩu khí. Sản xuất 10-15% tổng sản lượng điện của cả nước. − Tích cực thu hút đầu tư của mọi thành phần kinh tế, đặc biệt là đầu tư từ nước ngoài để phát triển nhanh công nghiệp chế biến dầu khí. Kết hợp có hiệu quả giữa các công trình lọc, hoá dầu, chế biến khí để tạo ra được các sản phẩm cần thiết phục vụ nhu cầu của thị trường ở trong nước và làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác. − Tích cực thu hút đầu tư từ các thành phần kinh tế, tăng nhanh tỷ trọng doanh thu từ dịch vụ. − Tăng cường phát triển tiềm lực khoa học công nghệ, đầu tư trang thiết bị hiện đại để hiện đại hoá nhanh ngành Dầu khí; xây dựng lực lượng quản lý cán bộ, công nhân dầu khí mạnh cả về chất và lượng để điều hành các hoạt động dầu khí cả ở trong nước và ở nước ngoài.I.3 GIỚI THIỆU VỀ DỰ ÁN PHÁT TRIỂN MỎ SƯ TỬ TRẮNG Mỏ Sư Tử Trắng nằm ở vị trí phía Nam của lô 15-1, cách Thành Phố Hồ Chí Minh gần 200(km) về phía Đông Nam, ở độ sâu gần 50(m) nước. Chủ đầu tư dự án là Công Ty cổ phần Cửu Long JOC được bắt đầu từ ngày 17/03/2010, dự kiến hoàn thành vào khoảng giữa tháng 05/2012. Tổng giá trị của hợp đồng dự án là 145 triệu $. ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 11/86
  12. 12. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Hình I.1: Vị trí lô 15-1 và mỏ STT ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 12/86
  13. 13. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Sơ lược về giàn Sư Tư Trắng: - Giàn Sư Tử Trắng là giàn đầu giếng kết cấu 4 chân, có 4 conductor phục vụ khai thác dầu và khí nằm trong dự án phát triển mỏ Sư Tử Trắng - Độ sâu nước thiết kế là 55.6m - Tổng chiều cao khối chân đế là 62.85m, nặng 1200T - Khối thượng tầng nặng 1100T ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 13/86
  14. 14. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT 18500 14000 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 14/86
  15. 15. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 15/86
  16. 16. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT CHƯƠNG II NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN - SỐ LIỆU ĐẦU VÀOII.1 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Trong đợt thực tập cán bộ kĩ thuật tại Phòng Thiết kế phát triển mỏ & Công trình biển – Trung tâm Tư vấn Thiết Kế - Tổng Công Ty Tư vấn Thiết kế Dầu Khí (PV Engineering), được sự tư vấn và gợi ý của Ths. Nguyễn Mạnh Hùng về đề tài tốt nghiệp, em đã chọn đề tài: Tính toán tuổi thọ mỏi kết cấu chân đế giàn Sư Tử Trắng thuộc dự án phát triển mỏ Sư Tư Trắng để thực hiện đồ án tốt nghiệp. Cụ thể nhiệm vụ của đồ án được tóm tắt như sau: - Tìm hiểu lý thuyết tính mỏi công trình biển cố định bằng thép, bao gồm tính mỏi tiền định và tính mỏi ngẫu nhiên - Áp dụng lý thuyết tính mỏi trên để tính toán kiểm tra chân đế giàn Sư Tử Trắng bằng phần mềm SACS trên cở sở đã thiết kế giàn - Từ kết quả tính toán trên phát hiện ra những nút nhạy cảm với hiện tượng mỏi, qua đó có các kiến nghị cho duy tu bảo dưỡng trong quá trình sử dụng và thiết kế lại nếu cần thiết.II.2 SỐ LIỆU ĐẦU VÀO PHỤC VỤ TÍNH TOÁN II.2.1. Số liệu khí tượng hải văn II.2.1.1. Số liệu sóng Bảng 2-1: Số con sóng thống kê được cho tất cả các hướng ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 16/86
  17. 17. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Tz(s) 0-1.0 1.0-2.0 2.0-3.0 3.0-4.0 4.0-5.0 5.0-6.0 6.0-7.0 7.0-8.0 8.0-9.0 9.0-10.0 10.0-11.0 11.0-12.0 12.0-13.0 13.0-14.0 14.0-15.0 15.0-16.0 SUM Tz(Av) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15.5 Hs(m) 0.1-0.5 0 3 155 1081 222 61 20 9 12 6 3 0 0 0 0 0 1572 0.6-1.0 0 0 0 1297 3568 955 222 196 114 61 44 26 12 3 3 0 6501 1.1-1.5 0 0 0 35 380 3699 1157 377 225 120 96 50 35 15 6 3 6198 1.6-2.0 0 0 0 3 0 243 2820 947 473 356 117 67 44 20 12 0 5102 2.1-2.5 0 0 0 3 0 0 298 2490 488 403 245 67 23 23 20 9 4069 2.6-3.0 0 0 0 0 0 0 0 599 1376 313 225 137 15 12 12 25 2714 3.1-3.5 0 0 0 0 0 0 0 0 558 660 140 117 32 0 6 15 1528 3.6-4.0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 552 164 48 23 9 0 0 802 4.1-4.5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 32 336 26 23 6 3 0 426 4.6-5.0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 105 82 9 6 3 0 205 5.1-5.5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 94 9 0 0 0 103 SUM 0 3 155 2419 4170 4958 4517 4618 3252 2503 1475 714 225 94 65 52 29220 II.2.1.2. Số liệu dòng chảy Bảng 2-2: Vận tốc dòng chảy trong điều kiện bão cực hạn với tần suất 100 năm. Vận tốc dòng chảy (m/s) Vị trí N NE E SE S SW W NW Mặt 0.69 0.77 1.4 0.67 0.58 0.61 1.09 0.76 Đáy 0.2 0.35 0.73 0.2 0.2 0.22 0.27 0.2 Bảng 2-3: Vận tốc dòng chảy trong điều kiện bão khi vận hành với tần suất 10 năm. Vận tốc dòng chảy (m/s) Vị trí N NE E SE S SW W NW Mặt 0.55 0.62 1.22 0.54 0.46 0.5 0.97 0.61 Đáy 0.2 0.24 0.53 0.2 0.2 0.15 0.22 0.2 Bảng 2-4: Vận tốc dòng chảy trong điều kiện bão với tần suất 1 năm Vận tốc dòng chảy (m/s) Vị trí N NE E SE S SW W NW Mặt 0.56 0.62 1.1 0.46 0.39 0.52 0.96 0.52 Đáy 0.2 0.23 0.18 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 17/86
  18. 18. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT II.2.1.3. Số liệu gió Bảng 2-5: Vận tốc gió trung bình ở độ cao + 10m so với MSL Khoảng thời gian lặp lại Vận tốc gió trung bình trong 1h ở độ cao (+10 m) ,(m/s) (năm) N NE E SE S SW W NW 100 năm( bão cực hạn) 23 23 28 21 19 17 19 24 10 năm(bão vận hành) 18 18 22 16 15 14 15 19 1 năm 18 18 18 13 12 14 14 16 Vận tốc gió trung bình trong khoảng thời gian 1 phút, 3 giây sẽ được tính toán quy đổi từ vận tốc gió trung bình trong 1h theo tiêu chuẩn API RP-2A. II.2.1.4. Thủy triều Bảng 2-6: Biên độ thủy triều Biên độ triều Giá trị (m) Biên độ triều cao nhất so với MSL +1.7 Biên độ triều thấp nhất so với MSL - 2.8 II.2.1.5. Nước dâng do bão Bảng 2-7: Nước dâng do bão 100 năm (+)0.3m 10 năm (+)0.2m 1 năm (+)0.1m II.2.1.6. Hà bám Bảng 2-8: Số liệu về hà bám ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 18/86
  19. 19. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Chiều dày hà bám Độ sâu (m) Độ nhám (mm) (mm) MSL 51 25 4.500 153 64 52.00 102 64 Đáy biển 25 13 II.2.2. Số liệu địa chất Trọng trong ∅ Góc mát ứng suất cắt không thoát Độ sâu Loại lượng đơn (độ) nước Cu (KN/m2) STT dưới đáy đất vị biển (m) Đỉnh lớp đất Đáy lớp đất (KN/m3) 1 0.0-0.4 Cát 20 9.9 2 0.4-2.4 Sét 95 95 10.9 3 2.4-6.6 Cát pha 20 9.5 4 6.6-7.7 Cát-bùn 20 10.0 5 7.7-11.0 Sỏi 15 10.1 6 11.0-18.0 San hô 20 8.7 7 18.0-19.1 San hô 20 8.9 8 19.1-22.4 Cát pha 20 9.7 9 22.4-25.3 cát 20 9.3 10 25.3-28.5 cát 20 10.7 11 28.5-29.5 Sỏi 20 11.0 12 29.5-31.7 Sỏi 25 10.0 13 31.7-35.2 San hô 20 10.7 14 35.2-39.8 Sỏi 20 10.6 15 39.8-43.8 Sét 160 160 9.7 16 43.8-47.8 Sét -bùn 20 10.0 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 19/86
  20. 20. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Trọng Góc mát ứng suất cắt không thoát lượng đơn ∅ (độ) STT Độ sâu (m) Loại đất sát trong nước Cu (KN/m2) vị Đỉnh lớp đất Đáy lớp đất (KN/m3) 17 47.8-49.4 Sét 100 100 9.8 18 49.4-51.7 Sét 150 150 10.5 19 51.7-55.5 Sét 185 185 10.2 20 55.5-57.6 Sét 160 160 10.2 21 57.6-59.7 Bùn 20 9.4 22 59.7-61.7 Sét 180 120 10.3 23 61.7-65.6 Cát pha 25 10.2 24 65.6-68.9 Sét 175 175 10.1 25 68.9-71.6 Sét 200 200 10.1 26 71.6-75.5 Sét 160 160 9.7 27 75.5-89.9 Sét 130 180 9.6 28 89.9-93.4 Sét 270 270 9.7 29 93.4-99.8 Sét 135 135 10.1 30 99.8-102.0 Cát 25 9.2 31 102.0-104.0 Cát 25 9.6 32 104.0-107.2 Cát 25 9.8 33 107.2-109.0 Cát 20 10.6 34 109.0-116.2 Cát 30 10.5 35 116.2-128.4 Cát pha 25 10.4 36 128.4-131.2 Sét 140 300 9.8 37 131.2-132.7 Cát 25 10.3 38 132.7-136.4 Sét 135 205 9.9 39 136.4-141.9 Cát 25 10.2 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 20/86
  21. 21. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT II.2.3. Số liệu khác II.2.3.1. Hệ số thủy động Hệ số cản vận tốc Cd và hệ số quán tính Cm trong tính toán mỏi được lấy theo tiêu chuẩn API RP-2A WSD như sau: Hệ số thủy động Vật cản bề mặt nhẵn Vật cản bề mặt nhám Cd 0.5* 0.8* Cm 2.0 2.0 Hệ số cản vận tốc Cd sẽ được điều chỉnh tăng thêm 5% kể đến những kết cấu, thiết bị đi kèm (như: anodes…vv…) mà không được mô hình hóa trong kết cấu. II.2.3.2. Độ dốc sóng Độ dốc sóng được chọn là 1/20 cho tính toán II.2.3.3. Lí thuyết sóng Lí thuyết sóng được chọn để tính toán tải trọng sóng gây mỏi phục vụ phân tích mỏi là lí thuyết sóng Airy ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 21/86
  22. 22. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT CHƯƠNG III CƠ SỞ LÍ THUYẾT TÍNH MỎI VÀ TIÊU CHUẨN ÁP DỤNGIII.1 HIỆN TƯỢNG PHÁ HỦY MỎI TRONG KẾT CẤU Hiện tượng mỏi là hiện tượng phá huỷ của kết cấu dưới tác động lặp lại nhiều lần của ứng suất, đến khi kết cấu xuất hiện vết nứt, các vết nứt phát triển dần đến khi có phá huỷ hoàn toàn kết cấu: Hiện tượng mỏi được phát sinh khi có đủ hai điều kiện cần sau: - Tải trọng tác động có gía trị thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi có chu kì. Chu kì có thể đều hoặc không đều. - Vật liệu làm kết cấu không đồng nhất. Hiện tượng mỏi cần có điều kiện đủ sau: - Số chu trình lặp lại của mức ứng suất phải đủ lớn để gây mỏi. Nếu ứng suất lớn thì cần ít chu trình để gây ra mỏi, nếu ứng suất nhỏ thì cần nhiều chu trình hơn. Trạng thái làm việc của công trình biển: - Tải trọng sóng tác dụng lên công trình là tải trọng thay đổi có chu kì và tác động lặp lại trong suốt thời gian tồn tại của công trình. - Vật liệu thép ống chế tạo tại nhà máy nhưng được thi công hàn tại công trường vì vậy không tránh khỏi khuyết tật. - Kết cấu dạng khung không gian của các công trình biển đòi hỏi nhiều nút liên kết các thanh lại với nhau tạo ra sự tập trung ứng suất lớn tại các nút này làm tăng nguy cơ phá hủy mỏi. Đây chính là điều kiện cần và đủ có thể xảy ra hiện tượng mỏi trong công trình biển. Các giai đoạn phá huỷ mỏi: ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 22/86
  23. 23. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT - Giai đoạn 1: Với 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: Quá trình vết nứt được lan truyền chậm sang các vị trí lân cận và sâu vào bên trong bề mặt vật liệu N2 > N1, thời gian lan truyền các vết nứt là (N2 – N1)Tm. Trong đó Tm là chu kì trung bình của ứng suất. - Giai đoạn 3: Vết nứt lan truyền rất nhanh và dẫn đến các cấu kiện bị phá huỷ tại mặt cắt. Tính toán mỏi là phần tính toán thứ hai trong tính toán kiểm tra kết cấu chân đế và là yêu cầu không thể thiếu đối với kĩ sư thiết kế. Quy trình tính mỏi trong thiết kế thực hành : chọn trước tuổi thọ mỏi của kết cấu dựa vào yêu cầu thiết kế của công trình và sử dụng thiết kế mỏi để đảm bảo tuổi thọ tính toán tại ‘điểm nóng’ của kết cấu lớn hơn tuổi thọ dự kiến. Tính mỏi không tính được khả năng chịu mỏi của công trình, nhưng nó cho biết những điểm nhạy cảm có tuổi thọ bé hơn tuổi thọ thiết kế để có kế hoạch theo dõi và sửa chữa.III.2 TẢI TRỌNG GÂY MỎI Tải trọng gây mỏi là tải trọng thường xuyên tác động vào công trình có giá trị thay đổi theo thời gian hoặc thay đổi có chu kì, như: sóng, gió, lực thủy tĩnh, nhiệt độ, v.v… Tuy nhiên trong phạm vi đồ án chỉ tính toán tuổi thọ mỏi cho khối chân đế của giàn do đó tải trọng gây mỏi được quan tâm ở đây là tải trọng sóng. Tải trọng sóng gây mỏi được xem xét theo 8 hướng sóng tiếp cận công trình.III.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH MỎI Phương pháp tính mỏi được chia làm 2 nhóm phương pháp sau: - Phương pháp xác định tổn thương tích lũy: Phương pháp xác định tổn thương tích luỹ: Dựa vào lý thuyết tổn thương tích luỹ của Palgreen-Miner và các đường cong mỏi S-N được xây dựng từ các thí nghiệm, áp dụng để dự báo tuổi thọ mỏi. Dựa trên phương pháp xác định tổn thương tích luỹ có các phương pháp cụ thể sau: 1. Phương pháp tiền định. 2. Phương pháp phổ. ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 23/86
  24. 24. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT 3. Phương pháp lịch sử thời gian (Phương pháp mô phỏng). - Lý thuyết cơ học phá huỷ: Sử dụng các lý thuyết về sự hình thành và lan truyền vết nứt để tính toán áp dụng cho giai đoạn 2 và 3 của hiện tượng mỏi. Luật phát triển vết nứt Paris thường được sử dụng trong tính toán theo phương pháp này. Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, trong đồ án này hai phương pháp được tìm hiểu kĩ là: phương pháp tiền định và phương pháp phổ.III.4 ĐIỂM NÓNG – HỆ SỐ TẬP TRUNG ỨNG SUẤT – ĐƯỜNG CONG MỎI III.4.1. Điểm nóng (host spot) Điểm nóng là điểm có ứng suất cục bộ cực đại, có vị trí tại liên kết giữa các phần tử, tức là ở các vị trí bất liên tục của kết cấu điển hình là nút ống, vị trí và giá trị chính xác của nó phụ thuộc vào dạng hình học của liên kết và các điều kiện chịu tải. h=2chiÒu dµy èng chñ vïng c¸c ®iÓm nãng Điểm nóng thường được khảo sát và cũng là một ví dụ về điểm nóng phụ thuộc vào dạng hình học và tải trọng: ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 24/86
  25. 25. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Ong nhanh Ong chinh (Brance) Diem Hong (Chord) ( Crown point ) Diem Dinh (Saddle Point ) Vi tri diem nong Phan tu Tai trong Uon trong mat Uon ngoai mat doc truc (AX) phang (IPB) phang (OPB) Ong chinh Ong nhanh Tại vành hàn nối giữa ống nhánh với ống chính, thường có hai dạng phá huỷ điển hình, cả hai dạng phá huỷ này thường xảy ra trong vùng lân cận với mối hàn đỉnh: - Phá huỷ phía ống nhánh (tách giữa ống nhánh và mối hàn) - Phá huỷ phía ống chính (tách giữa ống chính và mối hàn) Ong nhanh Ong nhanh (Brace) (Brace) Duong han Duong han Ong chinh Ong chinh (Chord) (Chord) Pha huy giua ong nhanh va moi han Pha huy giua ong chinh va moi han Hình vẽ mô tả sự thay đổi ứng suất tại điểm nóng: ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 25/86
  26. 26. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Snotch Shot Shot3/2 Stress Snom Weld toe Snom : Ứng suất danh nghĩa. Shot : Ứng suất tập trung tại điểm nóng chỉ kể tới ảnh hưởng của biến đổi đột ngột dạng hình học. Snotch : Ứng suất tập trung có kể tới biến đổi dạng hình học và ảnh hưởng của mối hàn. III.4.2. Hệ số tập trung ứng suất SCF Biểu thức xác định ứng suất cục bộ:  e = (SCF ) n  n : Ứng suất danh nghĩa tại vị trí tương ứng của đầu phần tử thuộc nút đang xét.  e : Ứng suất cục bộ tại vị trí điểm nóng của nút khảo sát. SCF: hệ số tập trung ứng suất tại điểm nóng đang xét - là vấn đề chúng ta đang quan tâm ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 26/86
  27. 27. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Ong nhanh Ong nhanh (Brace) (Brace) Ong chinh Ong chính (Chord) (Chord) Hệ số tập trung ứng suất phụ thuộc vào điều kiện chịu tải, dạng hình học của nút, vị trí ống nhánh quy tụ vào nút, cấu tạo hình học mối hàn xét trong mối liên hệ với đường cong mỏi S-N tương ứng. Cơ sở xác định SCF: - Phương pháp phần tử hữu hạn (phương pháp lý thuyết). - Thí nghiệm mô hình (phương pháp thực nghiệm). - Xây dựng các công thức số (nhận được từ mô hình số, mô hình vật lý và phương pháp phần tử hữu hạn) Phương pháp thứ 3 thường được sử dụng trong thiết kế với các nút ống đơn giản. Chính vì vậy trong đồ án này phương pháp thứ 3 được tập trung nhiều hơn. III.4.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn Trong trường hợp các công thức kinh nghiệm không có sẵn để tính hoặc độ chính xác không đủ thì phải dùng phương pháp tinh vi là phương pháp PTHH để xác định SCF. Phương pháp PTHH cho phép tính SCF tại nút có hình dạng bất kì, bằng cách sử dụng các phần tử vỏ mỏng có thể phân tích được biến dạng tại điểm nóng của nút, trong đó việc chia lưới các phần tử phải đủ dầy sao cho có thể xác định được biến thiên theo bước chia của ứng suất cục bộ và tìm được giá trị ứng suất tại vị trí chân mối hàn thực tế. Cũng ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 27/86
  28. 28. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT có thể sử dụng các phần tử vỏ dày và các phần tử khối đẳng hướng để mô tả vùng mối hàn; Nhược điểm chính của phương pháp này giá thành cao và phải tốn nhiều thời gian Từ các kết quả tính toán theo phương pháp PTHH rút ra nhận xét: Gía trị tại một điểm gốc 0 không có ý nghĩa thực tế và giá trị tại nút  e phải lấy tương ứng tại chân mối hàn thuộc ống chính hoặc ống nhánh (Hình vẽ trên). Việc xác định các ứng suất tập trung và các hệ số tập trung ứng suất SCF tại các nút phức tạp của kết cấu bằng phương pháp PTHH có thể thực hiện bởi các chương trình máy tính thích hợp có sẵn chư các phần mềm nổi tiếng ADINA, ANSYS, ABAQUS, NASTRAN, SAMCEF, . III.4.2.2. Phương pháp thí nghiệm mô hình Giá trị của các hệ số tập trung ứng suất cũng có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm trên mô hình, trong đó sử dụng các thiết bị đo biến dạng; Từ các giá trị đo biến dạng có thể ngoại suy ra các giá trị của giá trị ứng suất tương ứng: giá trị ứng suất cục bộ tại chân mối hàn  e . Thông thường có các phương pháp đo biến dạng: - Phân tích quang đàn hồi trên mô hình chất dẻo ở tỉ lệ nhỏ. - Dùng thiết bị đo biến dạng trên mô hình. - Dùng thiết bị đo biến dạng trên mô hình kết cấu thép III.4.2.3. Phương pháp số Các công thức số được sử dụng rộng rãi trước tiên vì nó cho phép sử dụng dễ dàng và nhanh chóng, tuy nhiên nó có thể đưa đến sai số lớn nếu áp dụng không đúng phạm vi hoặc dạng hình học của nó, do đó việc đi xác định phạm vi áp dụng và phân loại nút là công việc rất quan trọng. ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 28/86
  29. 29. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Phạm vi áp dụng công thức số tính hệ số SCF: Bảng 3-1: Phạm vi sử dụng công thức tương ứng với các nút. Loại nút Lực dọc trục Uốn trong mp Uốn ngoài mp Kuang Kuang Kuang T DnV DnV DnV Lloyds Lloyds Lloyds Kuang Kuang Kuang Y Loyds Loyds Loyds X Lloyds Lloyds Lloyds Kuang Kuang Kuang K, TY Lloyds Lloyds Lloyds Kuang KT Lloyds Lloyds Lloyds Bảng 3-2: Phạm vi giá trị các thông số hình học Thông số DnV Kuang Lloyds hình học Thanh chủ Thanh rằng  6.67 - 40 7 - 16 8 - 40  0.3 – 0.8 0.225 – 0.9 0.3 – 0.9 0.13 – 1.0  8.33 – 33.3 10 – 30 10 -30 12 -32  0.2 – 0.8 0.4 – 1.0 0.47 – 1.0 0.25 – 1.0  0.0 -  /2  /2  /2  /6 -  /2  0.01 – 1.0 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 29/86
  30. 30. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Các công thức tính hệ số SCF: Bảng 3-3: Công thức theo API (Công thức Efthymiou) ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 30/86
  31. 31. CER ATMER TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂYDỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI VIỆN CÔNG TRÌNH BIỂN ---------  ---------- Tính toán tuổi thọ mỏi KCĐ ICOFFSHORE giàn STT Dạng hình học S.C.F Phạm vi áp dụng và chịu tải Ống chính S.C.F=1.981. 0.057.e −1.2. . 0.808. 1.333. sin1.694  3 TY AX Ống nhánh S.C.F= 3.751. 0.12 .e −1.35. . 0.55 . . sin1.94  3 Ống chính TY S.C.F = 0.702.  −0.04 . 0.6 . 0.86 . sin 0.57  I.P.B Ống nhánh S .C .F = 1.301 . −0.38 . 0.23 . 0.38 . sin 0.21  TY Ống chính 0.3 ≤  ≤ 0.55 O.P.B S.C.F = 1.024.  0.7874 . 1.014 . 0.889 . sin 1.557  Ống nhánh 0.3 ≤  ≤ 0.55 S .C .F = 1.522 . 0.801 . 0.852 . 0.543 . sin 2.033  6.6 ≤  ≤ 40 Ống chính 0.55 ≤  ≤ 0.75 0.3 ≤  ≤ 0.8 S.C.F = 0.462.  −0.619 . 1.014 . 0.889 . sin 1.557  8.3 ≤  ≤ 33.3 Ống nhánh 0.55 ≤  ≤ 0.75 0.2 ≤  ≤ 0.8 S .C .F = 0.796 . −0.281 . 0.852 . 0.543 . sin 2.033  0.01 ≤  ≤ 1.0 Ống chính S.C.F = 1.506 . −0.059 . 0.666 . 1.104 . 0.067 sin 1.521  0 o ≤  ≤ 90 o KTY AX Ống nhánh  2 : góc nghiêng S.C.F = 0.920 . −0.441 . 0.157 . 0.56 . 0.058 .e 1.448. sin  ống nhánh giữa Ống chính KTY S.C.F = 1.822 . 0.06 . 0.38 . 0.94 . sin 0.9  I.P.B Ống nhánh S.C.F = 2.8727 . −0.35 . 0.35 . sin 0.5  Ống chính S.C.F = 1.832. 0.12 . 0.10 . 0.68 .( 1 +  2 ) sin 0.5  0.126 Ống nhánh 0 o ≤  ≤ 45o S.C.F = 6.056. −0.36 . 0.10 . 0.68 .( 1 +  2 ) sin 0.5  0.126 KT AX Ống nhánh 45 o ≤  ≤ 90 o S.C.F = 13.804. −0.36 . 0.10 . 0.68 .( 1 +  2 ) sin 2.88  0.126 Ống nhánh trung gian 0 o ≤  2 ≤ 90 o S.C.F = 4.981. −0.396 . 0.123 . 0.672 .( 1 +  2 ) sin 2.267  2 0.159 ---------------------------------------------------------------  ----------------------------------------------------------------Cán bộ hướng dẫn: Ths. Nguyễn Mạnh HùngSinh viên thực hiện: Lê Văn Tiến MSSV: 7305.52 Lớp: 52cb1 Page 31/86

×