Ảnh hưởng thống kê của các thông số môi trường biển đến tổn thất mỏi của hệ thống neo giữ công trình biển nổi trong điều kiện mỏ Bạch Hổ - Phạm Hiền Hậu

Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 189 ẢNH HƯỞNG THỐNG KÊ CỦA CÁC THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG BIỂN ĐẾN TỔN THẤT MỎI CỦA HỆ THỐNG NEO GIỮ CÔNG TRÌNH BIỂN NỔI TRONG ĐIỀU KIỆN MỎ BẠCH HỔ Phạm Hiền Hậu Viện XD Công trình Biển, Trường Đại học Xây dựng 55 – Đường Giải phóng, Hai Bà Trưng, Hà Nội Email: phienhau@gmail.com Tóm tắt: Việc phân tích mỏi ngẫu nhiên đối với hệ thống dây neo của các công trình biển nổi là bài toán rất phức tạp và có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong thiết kế các công trình biển nổi có neo giữ. Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất một phương pháp tổ hợp các thông số môi trường biển theo xác suất xảy ra của các thông số đó trong cùng một trạng thái biển để tính mỏi cho dây neo. Từ các trạng thái biển thu được, tác giả tiến hành phân tích mỏi ngẫu nhiên cho hệ thống neo giữ công trình biển nổi, dẫn đến đánh giá được ảnh hưởng thống kê của các thông số môi trường biển gây tổn thất mỏi lớn nhất đến công trình. Bài viết cũng trình bày một số kết quả ứng dụng tính toán phân tích mỏi cho hệ dây neo bể chứa nổi FSO Vietsovpetro-01 dạng neo Turret trong điều kiện mỏ Bạch Hổ, sử dụng phần mềm “ARIANE-3Dynamic” và chương trình “Goutte.exe” của Hãng Đăng kiểm Pháp. STATISTIC EFFECT OF MARINE ENVINRONMENTAL PARAMETER TO THE FATIGUE DAMAGE OF MOORING SYSTEM OF THE FLOATING OFFSHORE STRUCTURES IN WHITE TIGER FIELD CONDITION Abstract: The random fatigue analysis for the mooring system of floating offshore structures is a very complex problem and has particularly important meaning in the design of anchored floating offshore structures. In this research the author proposed a method of combining the environmental parameters corresponding to the occurring probability of these parameters of the same sea state for the fatigue analysis. From the obtained sea states the author analyzes the random fatigue of the mooring system, then assessing the statistic effect of marine environmental parameters to the greatest fatigue damage of the structures. The paper presents also some application results of fatigue damage calculations for the mooring line system of the Floating Storage and Offloading Unit (FSO) Vietsovpetro-01 connected by the Turret mooring system in the White Tiger Field conditions using the “Ariane-3Dynamic” software and the “Goutte.exe” program of Bureau Veritas (French Register). Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 190 1. Mở đầu: Qua khảo sát thực tế tổng hợp các sự cố xảy ra với các công trình biển nổi có neo giữ trên thế giới cũng như ở Việt nam [3], ta thấy tổn thất mỏi là một trong những nguyên nhân quan trọng gây ra các sự cố này. Do đó, việc phân tích mỏi ngẫu nhiên đối với hệ thống dây neo của các công trình biển nổi là bài toán có ý nghĩa đặc biệt quan trọng song lại rất phức tạp. Khi tính toán tổn thất mỏi cho hệ dây neo của công trình biển nổi, trước hết ta phải xác định được chính xác tải trọng đầu vào gây mỏi cho kết cấu, tức là phải tổ hợp được các số liệu thống kê phân bố trung bình trong 1 năm của các thông số môi trường trong các trạng thái biển ngắn hạn. Có 3 yếu tố của môi trường (gió, dòng chảy và sóng) được xét đến trong tính toán tải trọng lên kết cấu công trình biển. Về nguyên tắc, tất cả 3 thông số trên đều biến đổi theo thời gian với các tần số khác nhau. Tuy nhiên, từ trước tới nay trong tính toán mỏi, người ta chỉ giới hạn xét thông số sóng là biến đổi theo thời gian và lặp lại, với mô hình sóng thực, ngẫu nhiên, còn 2 thông số khác (gió, dòng chảy) thì được coi là không biến đổi trong thời gian một trạng thái biển. Do đó, đối với đầu vào của bài toán mỏi, theo truyền thống, người ta chỉ xét đến một thông số thống kê duy nhất là tải trọng sóng mà không xét đến ảnh hưởng xảy ra đồng thời của các thông số môi trường khác (gió, dòng chảy) đi kèm với sóng trong một trạng thái biển để tính mỏi. Nhưng trên thực tế thì khi có một con sóng được thống kê với một xác suất xuất hiện của nó, luôn có một dòng chảy và một cơn gió có cùng xác suất xuất hiện với con sóng đó đi cùng với sóng và tạo nên một trạng thái biển gây nên tích lũy mỏi cho công trình. Vì thế ta không thể bỏ qua các thông số thống kê của gió và dòng chảy khi tính mỏi. Vấn đề là làm thế nào để tổ hợp 3 thông số thống kê đó trong các trạng thái biển dài hạn để tính mỏi khi mà xác suất xuất hiện của chúng là khác nhau? Sau đây nghiên cứu sẽ đề xuất ra một phương pháp tổ hợp theo xác suất để giải quyết vấn đề đầu vào cho bài toán mỏi này và từ đó áp dụng tính toán tổn thất mỏi tích lũy cho hệ thống dây neo của bể chứa nổi và rót dầu (FSO VSP-01) ở mỏ Bạch Hổ. 2. Phương pháp đề xuất để tổ hợp các thông số môi trường theo xác suất: Thiết lập đồ thị phân bố các thông số môi trường của các trạng thái biển ngắn hạn Sau khi xử lí các số liệu dài hạn, ta có thể thiết lập được biểu đồ phân bố của sóng, gió, dòng chảy (Scatter diagram), với 3 bảng các phân bố các thông số tương ứng (Hs, Tz, hướng và xác suất của sóng; vận tốc, hướng và xác suất của dòng chảy; vận tốc, hướng và xác suất của gió) của một tập hợp các trạng thái biển ngắn hạn tại vùng biển khai thác [4]. 2.1. Tổ hợp về hướng của sóng, gió, dòng chảy : Mỗi trạng thái biển cơ bản là tập hợp của 3 tổ hợp hướng của sóng, gió, dòng chảy sau [3,7]: - Tổ hợp 1: Sóng nằm ở giữa và hợp với gió/dòng chảy một góc 22.5°; - Tổ hợp 2: Hướng sóng trùng với hướng gió,dòng chảy; - Tổ hợp 3: Hướng gió trùng với hướng dòng chảy và hợp với sóng một góc 22.5°. Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 191 Hình 1. Tổ hợp theo hướng của Gió (V), Sóng (H), Dòng chảy (C) cho tính toán mỏi Nguyên tắc tổ hợp theo mỗi hướng: 30%(Tổ hợp1) + 40%(Tổ hợp2) + 30%(Tổ hợp3)(1) trong đó các Tổ hợp 1, 2, 3 xem Hình 1. 2.2. Tổ hợp về cường độ của sóng, gió, dòng chảy theo xác suất : Dựa trên giả thiết là các xác suất vượt quá của các thông số sóng, gió, dòng chảy là giống nhau, ta có : pe (HSi) = pe(Vi) = pe(Ci) = pe (X nhỏ hơn i) (2) trong đó : pe(Hsi) là xác suất vượt quá Hsi, tức là xác suất xuất hiện của tất cả các chiều cao sóng đáng kể Hs nhỏ hơn một giá trị i trong hàng phân bố thống kê của thông số sóng; tương tự với vận tốc gió Vi và vận tốc dòng chảy Ci ; X là các đặc trưng của các thông số môi trường. - Các bước tổ hợp theo cường độ của các thông số môi trường : B1- Trong số liệu môi trường mỏ Bạch Hổ [4], có 3 bảng phân bố thống kê hàng năm với xác suất xuất hiện của chiều cao sóng đáng kể Hs, vận tốc gió V và vận tốc dòng chảy C theo 8 hướng, trong đó có 4 hướng trội. Do đó ta có thể nhóm lại thành 4 hướng sau : N(0.6%)+NE(44%) =>NE(44.6%) 45° S(3%)+SW(26.6%)=>SW(29.7%) 225° E(10.1%)+SE(2.1%)=>E(12.2%) 90° W(12.6%)+NW(0.9%)=>W(13.5%)270° B2- Bằng cách nhân với các hệ số điều chỉnh để cho tổng xác suất bằng 1 với mỗi hướng, ta có được các xác suất xuất hiện điều chỉnh. Ở bước cuối cùng, ta sẽ trả lại xác suất thực trên giá trị tổn thất mỏi. B3- Các xác suất vượt quá pe được tính dựa trên các xác suất xuất hiện điều chỉnh ở B2. B4- Trên hệ tọa độ logarit, ta vẽ được các đồ thị xác suất vượt quá pe theo hàm của các thông số Xi : chiều cao sóng đáng kể Hs, vận tốc gió Vi và vận tốc dòng chảy Ci (Hình 2) hoặc V H C H V C C V H V H C Tổ hợp 1 Tổ hợp 2 Tổ hợp 3 Phân bố Vận tốc gió Vi theo hướng 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 Xác suất vượt quá Pe(Vi) Vi (m /s ) ; NE 45° E 90° SW 225° W 270° Phân bố Vận tốc dòng chảy Ci theo hướng 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 Xác suất vượt quá Pe(Ci) C i ( m /s ) ; NE 45° E 90° SW 225° W 270° Hình 2a,b,c. Phân bố xác suất vượt quá của các đặc trưng Sóng Gió Dòng chảy theo hướng Phân bố chiều cao sóng đáng kể Hs theo hướng 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 0,0001 0,001 0,01 0,1 1 Xác suất vượt quá Pe(Hsi) Hs i ( m ) ; NE 45° E 90° SW 225° W 270° Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 192 B5- Trong đồ thị thứ nhất Hình 2-a, chọn 1 giá trị Hsi =>tìm được 1 giá trị pe(Hsi) = pe (Xi). Theo trình tự ngược lai, áp dụng pe(Xi) vào 2 đồ thị tiếp theo (Hình 2-b,c) pe(Vi) và pe(Ci) => tìm được giá trị Vi và Ci . Nếu ta không rơi vào đúng điểm Vi, Ci trong đồ thị thì chọn giá trị lân cận. Như vậy với mỗi pe(HSi), qua 3 đồ thị, ta có 3 giá trị (HSi ,Vi , Ci) => lập được1 trạng thái biển: ( CVH S ,, ) _ Các giá trị trung bình của mỗi khoảng thông số của sóng, gió, dòng chảy. B6- Tính chu kỳ đỉnh sóng TP : α = Hs/Tp² = 0,047188 => /HsTp  (3) Từ SH tính được theo bảng phân bố thống kê hàng năm, suy ra TP bởi pt(3). Cuối cùng ta có bảng tổng hợp các trạng thái biển (TTB) dùng cho tính toán tổn thất mỏi. 2.3. Các trường hợp tải trọng (THTT) trong tính mỏi FLS : Từ mục 2.2 ta có 41 TTB cơ bản khi tổ hợp các thông số môi trường theo cường độ, trong đó mỗi TTB đó lại có 3 tổ hợp theo hướng (mục 2.1), vì thế ta có 123 TTB tổ hợp để tính mỏi. Theo qui định phân tích mỏi ngẫu nhiên sử dụng mô phỏng trong miền thời gian bằng phần mềm ARIANE-3D, mỗi TTB cần tính 20 lần mô phỏng lặp [7], nên tổng số trường hợp tải trọng (THTT) cho tính mỏi là 2460 với trường hợp bể chứa đầy tải, và tương tự như vậy với trường hợp dằn nước. Khi tính toán mỏi động, ngẫu nhiên bằng chương trình “Goutte.exe” (chương trình đếm chu trình gây mỏi theo phương pháp Giọt mưa [5], lấy kết quả mô phỏng động của dây neo trong miền thời gian từ ARIANE-3D), mỗi lần tính mỏi chỉ áp dụng cho một loại đường kính dây. Trong phần ứng dụng sau đây tính cho bể chứa nổi FSO VSP-01 có 9 dây neo, 2 loại đường kính, do đó số THTT tính phải tăng gấp đôi. Vậy tổng số có 9840 THTT cho ví dụ tính tổn thất mỏi này. 3. Kết quả tính tổn thất mỏi cho trường hợp ứng dụng: 3.1. Sơ đồ thuật toán tính mỏi ngẫu nhiên cho hệ dây neo theo miền thời gian : Hình 3: Sơ đồ thuật toán tính mỏi ngẫu nhiên theo miền thời gian [1,2,6] (DDAF, DRF là các hệ số khuyếch đại động về mỏi và bền) Tiểu ban Năng lượng, Kỹ thuật công trình, Vận tải và Công nghệ Biển 193 3.2. Kết quả phân bố tổn thất mỏi cho dây neo FSO VSP-01 dạng Turret ở mỏ Bạch Hổ a/ Phân bố tổn thất mỏi của hệ dây neo bể chứa nổi cho tất cả các TTB FLS : Để xử lí và nhận xét kết quả tính tổn thất mỏi, ta vẽ đồ thị phân bố tổn thất mỏi của hệ dây neo FSO VSP01 theo các thông số sóng (HS, TP) trong trường hợp đầy tải (Hình 4). Hình 4: Phân bố tổn thất mỏi của hệ dây neo FSO VSP01 theo các thông số sóng (HS, TP) b/ Nhận xét về ảnh hưởng thống kê của các thông số đến phân bố tổn thất mỏi: - Các TTB gây tổn thất mỏi lớn nhất cho hệ dây neo bể chứa nổi VSP-01 là các TTB có thông số sóng xung quanh giá trị Hs = 3.75m và Tp = 9s (Hình 4). - Các TTB ứng với sóng có Hs < 1,75m và Tp < 6s (các TTB rất thường gặp nhưng có cường độ sóng nhỏ), hoặc Hs > 6,75m và Tp>12s (các TTB ít khi xảy ra gặp nhưng có cường độ sóng lớn) thì đều cho tổn thất mỏi rất nhỏ, không đáng kể. - Bằng cách làm một phân tích chuẩn hóa cho các tổn thất mỏi tích lũy của các dây neo cho tất cả các TTB tính toán từ các số liệu thông kê (VD cho dây số 3 - Hình 5), ta thấy rằng: chỉ có ≈ 80/2460 (3%) TTB đã tích lũy tới 50% tổn thất mỏi tổng cộng trong dây; và ≈ 400/2460 (16.2%) TTB đã tích lũy toàn bộ 100% tổn thất mỏi tổng cộng trong dây. c/ Tuổi thọ mỏi và hệ số an toàn mỏi: được tính từ tổn thất mỏi theo thuật toán Hình 3 và so sánh với hệ số an toàn mỏi cho phép là 3, API [6]. Trong VD này các dây neo đều thỏa mãn. Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ V 194 Tổn thất mỏi tích lũy (chuẩn hóa) của dây số 3 FSO VSP01 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 500 1000 1500 2000 Số các trạng thái biển tính toán mỏi Tổ n th ấ t m ỏ i t íc h lũ y c ủ a cá c TT B Hình 5: Phân bố tổn thất mỏi tích lũy chuẩn hóa của dây neo 3 FSO cho tất cả các TTB 4. Lời cảm ơn Tác giả xin cảm ơn cơ quan Đăng kiểm Pháp (Bureau Veritas) đã tạo điều kiện cho tác giả sử dụng các phần mềm chuyên dụng (ARIANE-3D và Goutte.exe). Bài báo này trích trong Đề tài NCKH cấp Cơ sở năm 2011 mà tác giả đang thực hiện, xin cảm ơn trường ĐHXD. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Phạm Khắc Hùng,”Báo cáo tổng hợp kết quả KHCN Đề tài nghiên cứu điều kiện kỹ thuật môi trường biển và nền móng công trình nhằm xác định luận chứng kinh tế kỹ thuật xây dựng công trình biển vùng nước sâu Việt Nam”, Mã số KC.09.15/06-10. Bộ KHCN, (2011). 2. Phạm Hiền Hậu,”Phân tích tựa động và động ngẫu nhiên của hệ thống dây neo trạm chứa và rót dầu nổi (FPSO) trong điều kiện mỏ Bạch Hổ dựa trên các phần mềm Hydrostar và Ariane-3D”. Tạp chí Dầu khí số 9-2009, Tr.35-42. 3. Pham Hien Hau,”Estimation de la fiabilité du système d’ancrage des FSO/FPSOs au Vietnam, avec prise en compte de l’accumalation du dommage de fatigue ”. Thèse de Doctorat en Sciences de l’ingénieur, défendue à l’Université de Liège, 26 Avril 2010. 4. J.V“Vietsovpetro” R&D Institue, “Enviromental Design Criteria Extreme Conditions For the Bach Ho–Rong Fields, South-East Offshore VN”, Report in VSP, VN. (2000) 5. ASTM, E 1049-85, “Standard Practices for Cycle Counting in Fatigue Analysis”, ASMT International, (2005) 6. API RP 2SK, ”Recommended Practice for Design and Analysis of Stationkeeping Systems for Floating Structures”. 3rd Edition, (2005). 7. Bureau Veritas (B.V.), “Quasi-Dynamic Analysis of Mooring Systems using ARIANE software”, Guidance Note NI 461 DTO R00 E, Bureau Veritas, Paris, (1998).