Phương pháp luận đánh giá an toàn cho các công trình biển dựa trên các điều kiện bền và mỏi mở rộng

Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 205<br /> <br /> <br /> <br /> PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ AN TOÀN CHO CÁC CÔNG<br /> TRÌNH BIỂN DỰA TRÊN CÁC ĐIỀU KIỆN BỀN VÀ MỎI MỞ RỘNG<br /> <br /> Phạm Khắc Hùng, Phạm Hiền Hậu<br /> Viện Xây dựng Công trình biển, Trường Đại học Xây dựng<br /> 55 – Đường Giải phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội<br /> Email: khachungpham@gmail.com<br /> Tóm tắt:<br /> Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu của các tác giá nhằm xây dựng phương<br /> pháp luận đánh giá an toàn của các loại kết cấu công trình biển dựa trên điều<br /> kiện bền trong trạng thái biển cực đại (như cách tính hiện hành với điều kiện<br /> bền - ULS), nhưng có kể đến kết cấu đã bị phá hủy mỏi tích lũy trong thời gian<br /> trước, được gọi là “điều kiện bền mở rộng”, và đồng thời dựa trên điều kiện<br /> phá hủy mỏi kết cấu tích lũy trong quá trình khai thác (như cách tính hiện hành<br /> với điều kiện phá hủy mỏi - FLS), nhưng có kể đến phá hủy mỏi xẩy ra ngay<br /> trong trạng thái biển cực đại, được gọi là “điều kiện mỏi mở rộng”. Phương<br /> pháp luận nói trên được thực hiện theo mô hình xác xuất và lý thuyết độ tin cậy.<br /> Đây là một phần của các kết quả nghiên cứu trong Đề tài KHCN cấp Nhà<br /> nước KC.09.15/06-10, phần nghiên cứu ứng dụng do NCS Phạm Hiền Hậu thực<br /> hiện, và đưa vào Luận án TS. của mình, đã bảo vệ tại ĐH Liège-Bỉ, [1], [5].<br /> Phương pháp luận này đã được chấp nhận đăng ký sáng chế tại Cục Sở hữu<br /> trí tuệ, Bộ Khoa học và Công nghệ.<br /> <br /> METHODOLOGY OF ASSESSING THE SAFETY OF OFFSHORE STRUCTURES<br /> BASED ON THE EXPANDED STRENGHT AND FATIGUE CONDITIONS<br /> Abstract:<br /> The paper deals with the research results of authors aiming to establish the<br /> methodology of assessing the safety of offshore structures, based on traditional<br /> strength condition in extreme sea state (corresponding to the current design<br /> standards, ULS) but taking into account of the fatigue damage accumulated in the<br /> past, called as “the expanded strength condition”, and based at the same time on<br /> traditional fatigue accumulative damage condition (corresponding to the current<br /> design standards, FLS) but taking into account of the fatigue damage in extreme<br /> sea state, called as “the expanded fatigue condition”. This methodology was<br /> performed by the probability model and structural reliability theory.<br /> This paper is taken from the National Research Project KC.09.16/06-10, in<br /> which the application research was realized by Pham Hien Hau and used in<br /> her doctoral thesis defended at Liege University – Belgium [1], [5].<br /> This methodology was registered and accepted at the Intelligent Property<br /> Department of the Science and Technology Ministry.<br /> 206 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V<br /> <br /> <br /> 1. Mở đầu:<br /> Từ trước cho tới nay, khi thiết kế các công trình biển (CTB), việc đánh giá an toàn của<br /> kết cấu dựa trên tính toán theo ”điều kiện bền hiện hành” là tính với công trình chịu tải<br /> trọng của trạng thái biển (TTB) cực đại (ví dụ lấy “bão thiết kế” với tần suất 100 năm), và<br /> ”điều kiện mỏi hiện hành” là tính với tải trọng tác dụng trong các TTB bình thường để xác<br /> định khoảng thời gian kết cấu có thể làm việc an toàn (tức là tuổi thọ mỏi).<br /> Các phương pháp truyền thống đánh giá an toàn về bền và mỏi như đã nêu trong các<br /> Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành điển hình là của Viện Dầu mỏ Mỹ - API và Đăng kiểm Na-<br /> Uy DNV, [8], [9].<br /> Nhược điểm của phương pháp kiểm tra an toàn kết cấu CTB tính theo các Tiêu chuẩn<br /> thiết kế hiện hành có thể nêu ra như sau:<br /> 1) Việc đánh giá an toàn theo “điều kiện bền truyền thống” của kết cấu CTB trong trạng<br /> thái biển cực đại, không quan tâm đến hiện tượng kết cấu đã bị suy giảm chất lượng do phá<br /> huỷ mỏi tích luỹ trước đó trong các TTB bình thường;<br /> 2) Việc đánh giá an toàn theo “điều kiện mỏi truyền thống” của kết cấu CTB tích luỹ<br /> trong các TTB bình thường trước khi xẩy ra TTB cực đại, mà không kể đến phá huỷ mỏi<br /> tích luỹ do bản thân TTB cực đại gây ra;<br /> 3) Do không xét đến mối quan hệ giữa TTB cực đại và các TTB bình thường tích luỹ trong<br /> quá khứ trước khi xẩy ra TTB cực đại, nên cách tính truyền thống hiện hành theo các điều kiện<br /> bền và mỏi dẫn đến dự báo sai cả về khả năng chịu tải và về tuổi thọ mỏi của kết cấu CTB khi<br /> có TTB cực đại xẩy ra (là trường hợp bất lợi nhất).<br /> Mục tiêu nghiên cứu phương mới đánh giá an toàn kết cấu các công trình biển là nhằm<br /> khắc phục các khiếm khuyết như nêu trên của cách tính theo Tiêu chuẩn hiện hành, bao gồm:<br /> + Phương pháp luận đánh giá an toàn của kết cấu CTB theo “điều kiện bền mở rộng”,<br /> khác với cách tính theo “điều kiện bền truyền thống” là khi kiểm tra bền kết cấu CTB<br /> trong trạng thái biển cực đại có kể đến chất lượng của kết cấu bị suy giảm do phá huỷ mỏi<br /> tích luỹ trước khi xẩy ra TTB cực đại.<br /> + Phương pháp luận đánh giá an toàn của kết cấu CTB theo “điều kiện mỏi mở rộng”,<br /> khác với cách tính theo “điều kiện mỏi truyền thống” là có bổ sung thêm phá huỷ mỏi tích<br /> luỹ trong TTB cực đại.<br /> Các phương pháp trên được xây dựng dựa trên sử dụng mô hình xác suất để xác định độ<br /> tin cậy tổng thế của kết cấu CTB.<br /> 2. Phương pháp luận 1: Đánh giá an toàn cho các kết cấu công trình biển theo điều<br /> kiện bền mở rộng: [2]<br /> 2.1. Đánh giá an toàn kết cấu CTB theo điều kiện bền truyền thống:<br /> Giả sử đã xác định được hàm mật độ phổ của nội lực và ứng suất tại các phần tử kết cấu<br /> CTB cần khảo sát, có dạng phụ thuộc hàm mật độ phổ của sóng biển thông qua hàm truyền<br /> RAO:<br /> Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 207<br /> <br /> <br /> <br /> S () = RAO S ηη ()<br /> 2<br /> (1)<br /> <br /> Trong đó: S () - Hàm mật độ phổ ứng suất tại vị trí cần tính; S() - Hàm mật độ phổ<br /> của sóng trong trạng thái biển cực đại thiết kế; [RAO] - hàm truyền ứng suất tại điểm xét,<br /> được xác định theo phương pháp giải bài toán động lực học ngẫu nhiên trong miền tần số.<br /> Bài toán kiểm tra an toàn của kết cấu CTB được thực hiện theo “điều kiện bền truyền<br /> thống” xét tại các vị trí nguy hiểm của kết cấu CTB, trong đó nội lực và ứng suất gồm 2<br /> phần, được xác định từ các tải trọng tĩnh hoặc tựa tĩnh và từ tải trọng động trong điều kiện<br /> cực trị của môi trường biển (ULS).<br /> Sau đây ta xét 2 cách kiểm tra an toàn theo điều kiện bền truyền thống.<br /> 1) Điều kiện bền truyền thống dựa trên độ tin cậy về bền:<br /> Trong trường hợp này, an toàn của kết cấu tại những vị trí khảo sát có thể được đánh giá<br /> theo độ tin cậy của kết cấu dựa trên điều kiện bền truyền thống, có dạng [7] :<br /> P = Prob ( R  S) = Prob ( Z = R - S  0)  [P] (2)<br /> Trong đó: R - cường độ của vật liệu, có hàm mật độ xác xuất (PDF) là fR; S - ứng suất cực đại<br /> tại điểm khảo sát, có mật độ xác suất fS; P - độ tin cậy theo điều kiện bền của điểm cần kiểm tra;<br /> [P] - độ tin cậy cho phép, hoặc có thể chấp nhận.<br /> Tương tự, ta xác suất phá huỷ của kết cấu theo biểu thức<br /> Pf = 1 - P = Prob ( Z = R - S < 0) < [Pf ] (3)<br /> Trong đó: Pf - xác suất phá huỷ theo điều kiện bền tại điểm xét; [Pf ] - xác suất phá huỷ<br /> cho phép, hay có thể chấp nhận.<br /> Từ (2) và (3) ta thấy Z = R - S là miền an toàn theo điều kiện bền truyền thống, cũng<br /> là đại lượng ngẫu nhiên, có hàm mật độ xác suất fZ.<br /> Trên Hình 1 biểu diễn đồ thị hàm mật độ xác suất (f = PDF).<br /> Xác suất phá huỷ của kết cấu ứng với các giá trị Z = R – S < 0, được thể hiện bởi<br /> diện tích miền có gạch chéo của đồ thị fZ = fR-S .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1: Đồ thị hàm mật độ xác suất của các ĐLNN R, S và Z = R - S<br /> 208 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V<br /> <br /> <br /> Độ tin cậy còn được biểu diễn dưới dạng chỉ số độ tin cậy:<br /> Z  R  S<br />  = = , (4)<br /> Z  2R   S2<br /> Điều kiện an toàn theo chỉ số độ tin cậy có dạng:<br />   [] , (5)<br /> Trong đó: R , S và Z - kỳ vọng toán của các ĐLNN R, S và Z; R , S và Z - độ lệch<br /> chuẩn của các ĐLNN R, S và Z; [] - chỉ số độ tin cậy cho phép, hoặc chấp nhận được.<br /> S là ứng suất cực đại tại điểm cần kiểm tra bền, do tổ hợp các tải trọng của TTGH<br /> cực đại, trong đó chỉ có tải trọng sóng được xem là yếu tố ngẫu nhiên, nên S có dạng:<br /> S = S1 + S2 (6)<br /> Trong đó: S1 - đại lượng tiền định, là ứng suất tại điểm khảo sát do các tải trọng tiền định<br /> gây ra;<br /> S2 - đại lượng ngẫu nhiên, các ứng suất cực đại max của (t); (t) - quá trình ngẫu nhiên<br /> do tải trọng sóng gây ra, có phổ ứng suất S(), (1).<br /> Từ hàm phổ ứng suất (1), ta xác định được luật phân phối các ứng suất cực đại S2 = max<br /> phụ thuộc vào thông số độ rộng của phổ (là dải hẹp, rộng, hoặc bất kỳ). Biết luật phân phối<br /> của ĐLNN S2, sử dụng các hệ thức (2) và (6), ta xác định được độ tin cậy theo điều kiện<br /> bền tại điểm xét.<br /> Điều kiện an toàn theo độ tin cậy dựa trên điều kiện bền truyền thống (2) được biểu diễn<br /> dưới dạng tổng quát:<br /> P = Prob (Z = g ( X1, X2,....Xn)  0)  [P] (7)<br /> Trong đó: Z = g (X1, X2,....Xn) - hàm của các ĐLNN, biểu diễn miền an toàn của kết cấu<br /> theo yêu cầu thiết kế, điển hình là các trạng thái giới hạn (TTGH).<br /> 2) Điều kiện bền truyền thống dựa trên độ tin cậy về bền theo ứng suất cực đại<br /> Các Tiêu chuẩn hiện hành về thiết kế kết cấu CTB cố định chưa sử dụng độ tin cậy để<br /> kiểm tra bền. Tuy nhiên gần đây, một số tiêu chuẩn đã sử dung mô hình xác suất tính toán<br /> kết cấu CTB, trong đó tác động của sóng là quá trình ngầu nhiên dừng để thực hiện kiểm<br /> tra an toàn kết cấu theo điều kiện bền truyền thống với mô hình tiền định, bằng cách tính<br /> gần đúng giá trị trung bình của ứng suất cực đại là ĐLNN max(t), dựa trên hàm mật độ<br /> phổ của quá trình ngẫu nhiên ứng suất (t), [8].<br /> Trường hợp hàm phổ ứng suất thuộc loại phổ dải hẹp, tức là ĐLNN max (t) có phân<br /> phối Rayleigh, thì có thể tính được giá trị trung bình lớn nhất của ứng suất trong N chu<br /> trình ứng suất tính với sóng của TTB cực đại (ULS) kéo dài trong thời gian T*, theo công<br /> thức [7], [8]:<br /> <br /> max = M o . 2 ln( N) (8)<br /> Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 209<br /> <br /> <br /> <br /> Trong đó:<br /> <br /> * T* M 2 Mo<br /> Mo =  S  ().d ; N = = ; TZ = 2. (sec)<br /> 0 TZ 2 M o M2<br /> với: S() - hàm mật độ phổ của quá trình ngẫu nhiên ứng suất (t); T+ - Thời gian của<br /> TTB ngắn hạn khảo sát (theo ULS).<br /> 2.2. Các tính chất của sự kiện an toàn của kết cấu CTB :<br /> Điều kiện bền mở rộng được xây dựng từ sự xuất hiện đồng thời của sự kiện an toàn về bền<br /> (ký hiệu là A)và sự kiện an toàn về mỏi (B), tạo nên sự kiện C., có các tính chất sau:<br /> + Tính chất 1: Trong quá trình khai thác CTB, bất cứ lúc nào có bão thiết kế xẩy ra<br /> (tương ứng với sự kiện A), thì kết cấu đã chịu tổn thất mỏi (tương ứng với sự kiện B), tức<br /> là A và B không xung khắc và tồn tại sự kiện C: C = A∩B;<br /> + Tính chất 2: Hai sự kiện A và B là độc lập (không tương quan): thực tế thống kê cho<br /> thấy hai sự kiện này không có ràng buộc gì với nhau.<br /> 2.3. Độ tin cậy tổng thể về an toàn của kết cấu CTB theo điều kiện bền mở rộng [4] :<br /> Từ tính chất 1 cho xác suất của sự kiện C được xác định bằng xác suất của giao giữa<br /> hai sự kiện A và B:<br /> P(C) = P (A∩B) = P (AB) ≠ 0; (9)<br /> Từ tính chất 2 ta có thể viết :<br /> P(A/B) = P(A) và P(B/A) = P (B) (10)<br /> Theo định lý nhân xác suất, từ (9) và (10), ta có:<br /> P(C) = P (A∩B) = P (A). P(B), (11)<br /> Trong đó: P(C) - độ tin cậy tổng thể của kết cấu CTB (tại vị trí khảo sát của kết cấu), khi<br /> xét đồng thời 2 điều kiện an toàn về bền và phá huỷ mỏi, có ký hiệu là PT; P(A) ký hiệu là PoB=<br /> const- độ tin cậy của kết cấu dựa trên điều kiện bền truyền thống, được tính bởi công thức<br /> (2); P(B) ký hiệu là Pm (t) - độ tin cậy do tổn thất mỏi tích luỹ của kết cấu trong quá trình<br /> khai thác CTB, được xác định theo công thức (16) dưới đây.<br /> Ta có biểu thức xác định độ tin cậy tổng thể của kết cấu tại vị trí khảo sát là tích của độ<br /> tin cậy bền và độ tin cậy phá huỷ mỏi<br /> PT (t) = PoB . Pm (t) (12)<br /> Trong đó: PoB và Pm (t) – độ tin cậy của kết cấu về bền và về mỏi được xác định dưới<br /> đây.<br /> Độ tin cậy của kết cấu theo điều kiện bền truyền thống được xác định theo công thức<br /> tổng quát, không phụ thuộc thời gian khai thác CTB, có dạng suy ra từ (2):<br /> 210 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V<br /> <br /> <br /> <br /> PoB = Prob ( Z = R - S  0) =  f ( z )dz = const (13)<br /> 0<br /> <br /> Trong đó: R - cường độ của vật liệu, có hàm mật độ xác xuất (ký hiệu PDF) là fR; S - ứng<br /> suất cực đại tại điểm khảo sát, có mật độ xác suất fS; f(z) - hàm mật độ xác suất của Z = R-<br /> S, như đã biểu diễn trên Hình 1.<br /> Tổn thất mỏi tích luỹ theo quy tắc Palmgren-Miner, trong bài toán mỏi ngẫu nhiên<br /> có dạng, [3], [6]:<br /> <br /> n( s )<br /> D=  N ( s) .ds (14)<br /> 0<br /> <br /> Trong đó: D- tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ; s - số gia ứng suất; N(s) - đường cong mỏi thực<br /> nghiệm Wohler; n(s)ds = số chu trình ứng suất với khoảng số gia ứng suất từ s đến s+ds.<br /> Độ tin cậy do tổn thất mỏi tích luỹ tại điểm khảo sát, trong khoảng thời gian là t, được xác<br /> định theo biểu thức tổng quát:<br /> [D]<br /> <br /> Pm (t) = Prob (Dt< [D] ) =  f ( Dt )dD (15)<br /> 0<br /> <br /> Trong đó: [D] - tỷ số tổn thất mỏi giới hạn cho phép; Dt - tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ<br /> trong thời gian t, là đại lượng ngẫu nhiên; f (Dt) - mật độ xác suất của Dt, phụ thuộc vào<br /> kỳ vọng và phương sai của tổn thất D xét trong khoảng thời gian t, được xác định theo<br /> (14).<br /> Thay (13) và (15) vào (12), ta có dạng tổng quát của độ tin cậy của kết cấu CTB (tại<br /> điểm khảo sát), khi xét đồng thời về điều kiện an toàn về bền và phá huỷ mỏi, được gọi là<br /> độ tin cậy tổng thể của kết cấu CTB dựa trên điều kiên bền mở rộng:<br />  [D]<br /> <br /> PT (t) = PTotal-1 (t) =  f ( z )dz x  f ( Dt )dD (16)<br /> 0 0<br /> <br /> Từ kết quả (16) cho thấy độ tin cậy tổng thể của kết cấu CTB (tại vị trí khảo sát),<br /> PT (t), dựa trên “điều kiện bền mở rộng”, là hàm đơn điệu giảm theo thời gian, phản ảnh<br /> đúng hiện trạng về khả năng chịu lực của kết cấu bị suy giảm theo thời gian do tổn thất phá<br /> huỷ mỏi tích luỹ.<br /> Trên Hình 2 biểu diễn đồ thị của các loại độ tin cậy (ĐTC) tại vị trí khảo sát, thay<br /> đổi theo thời gian khai thác CTB.<br /> 3. Phương pháp luận 2: Đánh giá an toàn cho các kết cấu công trình biển theo điều<br /> kiện mỏi mở rộng<br /> Phương pháp luận 2 được xây dựng dựa trên “điều kiện mỏi mở rộng”là điều kiện đánh<br /> giá bởi phá hủy mỏi tích luỹ trong quá trình khai thác, và được kể thêm phá hủy gây ra trong<br /> bản thân TTB biển cực đại.<br /> Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 211<br /> <br /> <br /> <br /> Độ tin cậy tổng thể của kết cấu dựa trên điều kiện mỏi mở rộng có dạng:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2: Đồ thị biểu diễn các loại độ tin cậy (P) thay đổi theo thời gian<br /> [Ghi chú: POB = const - độ tin cậy (ĐTC) về bền của vị trí khảo sát; Pm (t) và Pfm (t) -<br /> ĐTC về mỏi và xác suất phá huỷ mỏi, theo điều kiện mỏi truyền thống; + PT(t) - ĐTC tổng thể<br /> theo điều bền mở rộng; Pf T(t) = 1- PT(t) - xác suất phá huỷ tổng cộng theo điều bền mở<br /> rộng].<br /> [D]<br /> <br /> PTotal-2 (t) = PTotF-F (t) =  f ( Dtot )dD (17)<br /> 0<br /> <br /> Trong đó: [D] - tỷ số tổn thất mỏi giới hạn cho phép ; Dtot - tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ<br /> tổng cộng xét trong thời gian khai thác t và trong TTB cực đại thiết kế, là đại lượng ngẫu<br /> nhiên;<br /> f(Dtot) - mật độ xác suất của Dtot, phụ thuộc và kỳ vọng và phương sai của tổn thất Dtot ,<br /> được xác định dựa theo (14), có dạng :<br /> E [Dtot] = D tot = D Tan + D e (18)<br /> <br /> Var (Dtot) =  2Dtot = (DTan)2 + (De)2 (19)<br /> <br /> Với DT n và (DTn)2 là kỳ vọng và phương sai của tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong t =<br /> Tnăm; D e và (De)2 là kỳ vọng và phương sai của tỷ số tổn thất mỏi tích luỹ trong TTB<br /> cực đại.<br /> 4. Đánh giá độ tin cậy thực tế của kết cấu CTB theo phương pháp mới<br /> Dựa trên các giá trị ĐTC tổng thể của kết cấu CTB tính theo phương pháp 1 (Điều<br /> kiện bền mở rộng), PTotal-1 (t), và phương pháp 2 (Điều kiện mỏi mở rộng), PTotal-2 (t), ta<br /> có thể đánh giá cuối cùng về an toàn của kết cấu CTB theo nguyên tắc:<br /> 212 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V<br /> <br /> <br /> Mức an toàn của kết cấu CTB được đánh giá bởi độ tin cậy P(t), là một hàm giảm theo<br /> thời gian khai thác CTB có giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị độ tin cậy tổng thể tính theo<br /> Điều kiện bền mở rộng, PTotal-1 (t), và phương pháp 2 (Điều kiện mỏi mở rộng, PTotal-2 (t):<br /> P (t) = min {PTotal-1 (t), PTotal-2 (t)} (20)<br /> 1,2<br /> <br /> <br /> 5. Ứng dụng điều kiện bền và mỏi mở rộng để đánh giá an toàn cho hệ thống dây<br /> neo của bể nổi chứa (kho chứa) và rót dầu - FPSO [5]<br /> 5.1. Xác định độ tin cậy tổng thể của hệ thống dây neo bể chứa FPSO<br /> Đây là phần nghiên cứu ứng dụng phương pháp luận tổng quát nêu trên để đánh giá an<br /> toàn cho kết cấu hệ dây neo phao của bể chứa (kho chứa) dầu ngoài mỏ (FPSO) loại liên<br /> kết một điểm neo kiểu CALM và TURRET, là loại neo và liên kết điển hình đang được sử<br /> dụng rộng rãi hiện nay trên thế giới, và ở Việt Nam (Hình 3).<br /> a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3: a) Hình ảnh hệ thống neo phao của FPSO kiểu Turret, b) Sơ đồ neo kiểu CALM<br /> Sau đây là một số kết quả nghiên cứu xác định độ tin cậy tổng thể để đánh giá an toàn cho<br /> hệ thống neo bể chứa nổi FPSO và kết quả tính toán cụ thể cho hệ thống dây neo Bể chứa<br /> kiểu Turet VSP-01 hoạt động tại mỏ Bạch Hổ. Các chứng minh chi tiết được nêu trong<br /> Luận án Tiến sĩ của Phạm Hiền Hậu, [5].<br /> Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 213<br /> <br /> <br /> <br /> 1) Dạng 1 độ tin cậy tổng thể của dây neo : sử dụng “điều kiện bền mở rộng”, kết<br /> hợp độ bền (ULS) và mỏi (FLS) theo công thức (16) :<br /> Ptot.1 (ULS,FLS-Tans) = Ptot R-F = PR x PFat(FLS-Tans) (21)<br /> Trường hợp ứng suất tại điểm xét có phổ dải hẹp :<br /> 1  TD an D<br />  1  T  T 2  L( )   L ( an )<br /> Ptot R-F = {1 - exp    R   }x T Dan  Dan ; (22)<br />  2    D<br />   T   <br /> 0,5   L ( Dan )<br />  Dan<br /> Trường hợp ứng suất tại điểm xét có phổ dải rộng :<br /> 1  T Dan D<br /> L ( )   L ( an )<br /> T T T Dan  Dan<br /> Ptot R-F = {0,5 + L( R )}x ; (23)<br />  T D<br /> 0,5   L ( Dan )<br />  Dan<br /> <br /> Trong đó : TR - Lực căng cho phép của dây neo phao giữ bể chứa dầu FPSO; T - kỳ vọng<br /> của lực căng trong dây neo; D an - kỳ vọng của tổn thất mỏi trong 1 năm của dây neo;  T - độ<br /> lệch chuẩn của tổng lực căng trong dây neo (do lực sóng và lực dạt); T - thời điểm đánh giá<br /> độ tin cậy về mỏi (số năm);  L - Hàm Laplace.<br /> 2) Dạng 2 độ tin cậy tổng thể của dây neo: sử dụng “điều kiện mỏi mở rộng”, kết hợp<br /> tổn thất mỏi tích luỹ trong T năm và trong TTB cực đại (FLS -Tans&Ext) theo công thức<br /> (9.17) :<br /> Ptot F-F = Ptot(FLS -Tans&Ext) =<br /> 1  TDan  D e TDan  De<br /> L ( )  L ( )<br /> 2 2<br /> (T  Dan )  ( De ) (T  Dan )2  ( De ) 2<br /> = (24)<br /> TDDan  De<br /> 0,5   L ( )<br /> (T  Dan ) 2  ( De )2<br /> <br /> Trong đó : D e - kỳ vọng của tổn thất mỏi trong bão cực đại; σe - độ lệch chuẩn của lực<br /> căng tổng cộng trong dây neo trong bão cực đại; Các ký hiệu còn lại, có ý nghĩa như trong<br /> công thức (23).<br /> Độ tin cậy tổng thể được sử dụng là giá trị bé hơn trong hai giá trị độ tin cậy nói trên.<br /> Các loại độ tin cậy biến đổi theo thời gian T có dạng được minh hoạ như trên Hình 4.<br /> 214 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4: Đồ thị của các loại ĐTC thay đổi theo thời gian khai thác bể chứa nổi FPSO<br /> [Ghi chú:1 - Độ tin cậy về bền (không đổi theo thờigian); 2- Độ tin cậy về mỏi giảm<br /> theo T năm; 3- Độ tin cậy tổng thể dạng 1 (kết hợp bền và mỏi: độ bền mở rộng); 4- Độ tin<br /> cậy tổng thể dạng 2 (phá huỷ mỏi tổng cộng trong quá khứ và trong bão thiết kế tại thời<br /> điểm T)].<br /> 5.2. Ứng dụng vào thực tế Việt Nam<br /> Phương pháp đánh giá an toàn cho các kết cấu công trình biển theo “các điều kiện bền và<br /> mỏi mở rộng” cũng được ứng dụng để đánh giá an toàn của các dây neo bể chứa dầu (FSO)<br /> kiểu TURRET (ký hiệu VSP-01) tại mỏ Bạch Hổ, Thềm lục địa Nam Việt Nam.<br /> Kết quả tính toán độ tin cậy tổng thể theo "điều kiện bền mở rộng" và "điều kiện mỏi mở<br /> rộng" của dây số 3 trong hệ thống dây neo của bể chứa dầu VSP-01 được cho trong Bảng 1.<br /> Bảng 1: Giá trị của các loại độ tin cậy dây neo Bể chứa VSP-01<br /> ĐTC bền ĐTC mỏi ĐTC bền và mỏi ĐTC mỏi tổng cộng<br /> T, năm<br /> PR(ULS) PFat (FLS-Tans) Ptot.1 P tot.2<br /> (1) (2) (3)=(1)*(2) (4)<br /> 1 0.999999627 1 0.999999627 1<br /> 10 0.999999627 1 0.999999627 1<br /> 20 0.999999627 1 0.999999627 1<br /> 30 0.999999627 1 0.999999627 1<br /> 39 0.999999627 0.9999 0.999899627 0.99993<br /> 42 0.999999627 0.9990 0.998999627 0.99891<br /> 45 0.999999627 0.9921 0.99209963 0.99169<br /> 47 0.999999627 0.9778 0.977799635 0.97686<br /> 50 0.999999627 0.9292 0.929199653 0.92647<br /> 55 0.999999627 0.7564 0.756399718 0.75175<br /> 60 0.999999627 0.5199 0.519899806 0.51424<br /> Từ kết quả ở 4 cột tương ứng ở của Bảng nêu trên cho phép xây dựng các đồ thị biểu<br /> diễn 4 loại độ tin cậy của kết cấu đường dây neo thứ 3 của Bể chứa dầu VSP-01 kiểu<br /> Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 215<br /> <br /> <br /> <br /> TURRET tại mỏ Bạch Hổ (Hình 5), trong đó ĐTC về bền truyền thống là hàm không đổi,<br /> ba loại ĐTC còn lại đều là các hàm giảm theo thời gian khai thác công trình.<br /> Nhận xét:<br /> (1) ĐTC cậy tổng thể theo độ bền mở rộng Ptot.1 (ULS, FLS-Tans) có giá trị lớn hơn một<br /> chút so với và độ tin cậy tổng thể tính theo mỏi tổng cộng Ptot.2 (FLS-Tans&Ext), nhưng từ<br /> những năm 42 trở về sau, thì ngược lại.<br /> (2) Nếu chấp nhận độ tin cậy tổng thể là 0,99169 ta có tuổi thọ mỏi là 45 năm và kể đến<br /> hệ số an toàn, nếu bằng 2, thì tuổi thọ của dây neo là 22,5 năm.<br /> So sánh Độ tin cậy của dây số 3 - VSP-01 trong<br /> trạng thái biển ULS, FLS-Tans và FLS-Tans&Ext<br /> 1<br /> <br /> <br /> 0,9<br /> <br /> <br /> 0,8<br /> P -Độ tin cậy )<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 0,7<br /> <br /> <br /> 0,6<br /> Độ tin cậy bền (ULS)<br /> <br /> 0,5 Độ tin cậy mỏi trong T năm (FLS - Tans)<br /> Độ tin cậy tổng cộng bền mỏi<br /> 0,4<br /> Độ tin cậy tổng cộng mỏi Tnămvà mỏi do bão<br /> <br /> 0,3<br /> 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60<br /> T (Năm)<br /> <br /> <br /> Hình 5: Các loại ĐTC của dây neo thay đổi theo thời giankhai thác bể chứa nổi VSP-01<br /> 6. Kết luận:<br /> 1) Sử dụng mô hình xác suất để mô tả tác động của sóng biển lên CTB cho phép tính<br /> toán chính xác hơn các phản ứng động của kết cấu CTB so với cách tính truyền thống với<br /> mô hình tiền định;<br /> 2) Đánh giá an toàn của các kết cấu CTB theo độ tin cậy tổng thể dựa trên<br /> điều kiện bền mở rộng với TTB cực đại (ULS) có kể đến phá huỷ mỏi tích luỹ trong quá<br /> khứ đã khắc phục được sai sót khi đánh giá an toàn theo điều kiện bền truyền thống độc lập<br /> với điều kiện phá hủy mỏi (FLS);<br /> 3) Đánh giá an toàn của các kết cấu CTB theo độ tin cậy tổng thể dựa trên điều kiện mỏi<br /> mở rộng, đã khắc phục sai sót trong cách đánh giá an toàn theo điều kiện mỏi truyền thống<br /> (FLS) là không kết đến phá huỷ mỏi khi có biển cực đại;<br /> 4) Phương pháp mới này phép đánh giá an toàn phù hợp với thực tế chịu lực của kết<br /> cấu các CTB chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên. An toàn của kết cấu được đánh giá bởi độ tin<br /> cậy là 1 hàm giảm theo thời gian khai thác CTB là phù hợp với thực tế chịu lực của kết cấu<br /> CTB, và đã đưa ra độ bền cũng như tuổi thọ thực tế của kết cấu CTB thấp hơn so với<br /> cách tính theo các Tiêu chuẩn hiện hành. Sự sai lệch này càng lớn khi quá trình khai<br /> thác CTB càng dài. Điều này sẽ gây ra bất lợi về pháp lý cho kỹ sư thiết kế theo các Tiêu<br /> chuẩn hiện hành, mà CTB có thể bị phá hủy với bão nhỏ hơn bão thiết kế, hoặc tuổi thọ<br /> CTB thấp hơn đáng kể so với tuổi thọ thiết kế.<br /> 216 Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V<br /> <br /> <br /> 7. Lời cám ơn<br /> Các tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến Văn phòng các Chương trình trọng điểm<br /> cấp NN (Bộ BHCN), Ban chủ nhiệm Chương trình Biển KC.09/06-10, Lãnh đạo xí nghiệp<br /> Liên doanh Vietsovpetro, Lãnh đạo Trường ĐH Xây dựng và Viện XD Công trình biển đã<br /> tận tình theo dõi, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho các tác giả trong quá trình nghiên<br /> cứu. Các tác giả cũng xin chân thành cám ơn Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) đã kịp thời<br /> xem xét và chấp nhận Đơn đăng ký sáng chế về phương pháp mới này.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> 1. Phạm Khắc Hùng,”Báo cáo tổng hợp kết quả KHCN Đề tài nghiên cứu điều kiện kỹ<br /> thuật môi trường biển và nền móng công trình nhằm xác định luận chứng kinh tế kỹ thuật<br /> xây dựng công trình biển vùng nước sâu Việt Nam”, Mã số KC.09.15/06-10. Số đăng ký<br /> 2011-52-398/KQNC, lưu trữ tại Cục Thông tin khoa học và Công nghệ QG – Bộ KHCN,<br /> (2011).<br /> 2. Phạm Khắc Hùng, ”Xây dựng điều kiện bền mở rộng để xác định độ tin cậy tổng thể<br /> đánh giá an toàn của kết cấu công trình biển cố định bằng thép, áp dụng cho điều kiện biển<br /> nước sâu Việt Nam ”. Tạp chí KH và CN biển, Tập 10, số 3, năm 2010.<br /> 3. Pham Khac Hung, Mai Hong Quan, Ta Thi Hien (ICOFFSHORE.HUCE & TCU),<br /> “Assessment of fatigue damage of fixed offshore steel structures installed in deep-water areas of<br /> Vietnam sea by probabilistic modelling”. PETROVIETNAM Journal, Vol 6 - 2010, Pp.55-60.<br /> 4. Pham Khac Hung, Dinh Quang Cuong, Mai Hong Quan, Nguyen Van Ngoc<br /> (ICOFSHORE & VMU, Vietnam), “Estimation of the Total Reliability of Offshore Structures in<br /> Viertnam sea Conditions Combining the Ultimate Limit States and Fatigue Limit States.”.<br /> OCEANS’04 MTS/IEE Conference Proceedings, Kobe, Japan, Nov.2004, Pp.176-184.<br /> 5. Pham Hien Hau,”Estimation de la fiabilité du système d’ancrage des FSO/FPSOs au<br /> Vietnam, avec prise en compte de l’accumalation du dommage de fatigue ”. Thèse de Doctorat<br /> en Sciences de l’ingénieur, défendue à l’Université de Liège, 26 Avril 2010.<br /> 6. Barltrop NDP, Adams AJ, “Dynamics of Fixed Marine Structures”. ButterWorth<br /> Heinemann - UK, (1991).<br /> 7. Palle Thoft-Christensen, Michael J.Baker, “Structural Reliability Theory and Its<br /> Applications”. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, (1982).<br /> 8.API-RP2A-WSD, “Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing<br /> Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design”. American Petroleum Institute,<br /> Washington, D.C., 21rst Ed, (2002).<br /> 9. DNV, “Rules for Classification of the Fixed Offshore Installation”, (1993).<br />