PETROVIETNAM ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG NEO GIỮ BỂ CHỨA NỔI FPSO THEO PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT, ÁP DỤNG CHO ĐIỀU KIỆN BIỂN VIỆT NAM TS Phạm Hiền Hậu Đại học Xây dựng Email: hauph@nuce.edu.vn Tóm tắt Các nghiên cứu phân tích cố xảy với dây neo bể chứa FSO dạng CALM Liên doanh Việt - Nga “Vietsovpetro” mỏ Bạch Hổ [1] cho thấy nhu cầu cấp bách cần phát triển công trình biển (trong có FPSO) thiết kế, lắp đặt khai thác an toàn điều kiện khắc nghiệt biển Việt Nam Một nghiên cứu tổng hợp hệ thống neo công trình biển thực tác giả, dựa việc giải loạt toán liên hoàn: lực thủy động học bậc 2, phản ứng động ngẫu nhiên, phân tích tổn thất mỏi ngẫu nhiên đánh giá tuổi thọ mỏi hệ dây neo Một nghiên cứu tác giả đưa quan điểm sát với điều kiện thực tế chịu tải hệ dây neo để đánh giá độ tin cậy tổng thể hệ dây neo theo mô hình xác suất Đó độ tin cậy tổng hợp xác định điều kiện biển cực đại có kể đến trình tích lũy tổn thất mỏi dây neo Cuối cùng, phần nghiên cứu ứng dụng, tác giả tính toán cho hệ dây neo bể chứa FSO VSP-01 khai thác mỏ Bạch Hổ vùng biển Việt Nam Nghiên cứu dựa sáng chế đồng tác giả [2] sách tác giả xuất Nhà xuất Presses Académiques Francophones (PAF) Cộng hòa Liên bang Đức [3] Từ khóa: Độ tin cậy, lực thủy động học bậc 2, phản ứng động ngẫu nhiên, tổn thất mỏi ngẫu nhiên, tuổi thọ mỏi, hệ thống neo giữ, bể chứa FPSO, FSO Giới thiệu Xu hướng giới dần thay công trình biển cố định công trình nói chung bể chứa FPSO nói riêng để khai thác dầu khí độ sâu nước ngày tăng công trình có ưu so với giàn cố định như: lợi ích kinh tế (không cần đường ống ngầm để vận chuyển dầu), linh hoạt sử dụng (từ vùng nước nông đến vùng nước sâu), di chuyển từ mỏ sang mỏ khác khả chứa đựng dầu lớn Công trình bể chứa FPSO neo giữ hệ thống dây neo mà đầu dây cố định đáy biển neo Dạng neo điểm neo (single point mooring - SPM) dạng phổ biến nhất, loại Turret (Hình 1) có độ an toàn cao SPM cho phép bể chứa xoay quanh vị trí neo giữ để chịu tải trọng môi trường Tổng hợp phân tích nguyên nhân cố xảy với công trình biển có neo giữ nói chung bể chứa rót dầu FPSO nói riêng mỏ Bạch Hổ [1] cho thấy cố thường xảy dây neo điều kiện môi trường biển khắc nghiệt thường xuyên xảy bão nhiệt đới gió mạnh kết hợp với tổn thất mỏi tích lũy dây neo Do đó, việc xác định độ tin cậy tổng thể kết hợp độ tin cậy bền mỏi theo phương pháp xác suất hệ thống neo công trình biển toán có ý nghĩa đặc biệt quan trọng để phản ánh xác phản ứng kết cấu tác dụng lực ngẫu nhiên môi trường biển Nghiên cứu tất toán dây neo để nghiên cứu độ tin cậy hệ dây neo Sự phát triển bể chứa FPSO: FPSO (Floating Production Storage Offloading) công trình để khai Hình FPSO dạng neo điểm neo DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 35 CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ thác, xử lý, chứa đựng rót dầu biển, có hình dạng giống tàu trang bị thiết bị cần thiết để khai thác xử lý dầu, có khoang chứa dầu thô lấy từ đầu giếng dầu đáy biển thông qua đường ống mềm (risers) FPSO neo giữ vị trí khai thác hệ thống dây neo (neo quanh điểm nhiều điểm) neo cố định với đáy biển Còn FSO (Floating Storage and Offloading) bể chứa tương tự FPSO, chức xử lý dầu, thiết bị phục vụ việc xử lý dầu, khí Từ năm 1977, FPSO sử dụng để phát triển mỏ nhỏ, vùng nước nông, điều kiện môi trường không khắc nghiệt, hạ tầng đường ống ngầm Việc sử dụng FPSO cho phép giảm thiểu chi phí lắp đặt đường ống ngầm vận chuyển dầu Từ năm 1986 FPSO sử dụng biển Bắc, khởi đầu cho việc ứng dụng vùng biển nước sâu Theo số liệu thống kê tính đến tháng 5/2015 có 167 FPSO khai thác tổng số 273 công trình biển giới Số lượng FPSO hoán cải nhiều đóng FPSO hoán cải từ tàu dầu có giá thành thấp hơn, thời gian hoàn thành nhanh Từ năm 1995 đến nay, số lượng FPSO có tăng trưởng nhanh Trong 14 năm (1995 - 2008), 94 FPSO lắp đặt, trung bình 6,7 FPSO/ năm Trong số đó, 46 FPSO đưa vào sử dụng năm (1995 - 1999), trung bình FPSO/năm Đặc biệt từ 1996, với khám phá mỏ có độ sâu nước lớn, số lượng FPSO tăng vọt Từ độ sâu 1.000m, có 22 FPSO khai thác Độ sâu nước lớn Pioneer BP (2012) 2.600m, dự án độ sâu lớn Turitella Shell (2016) 2.896m (9.500ft) Số lượng công trình biển đưa vào khai thác chi phí đầu tư tăng nhanh sau năm, đặc biệt dạng FPSO chiếm 61,2% công trình biển (Hình 3) Nội dung nghiên cứu đánh giá độ tin cậy tổng thể hệ dây neo bể chứa bao gồm toán: + Lực thủy động bậc tần số thấp lên kết cấu bể chứa nổi: tính lực sóng, chuyển vị; + Phân tích động ngẫu nhiên cho hệ dây neo => toán kiểm tra bền (ULS); + Phân tích mỏi ngẫu nhiên cho hệ dây neo => kiểm tra mỏi (FLS), tính tuổi thọ mỏi; + Độ tin cậy tổng hợp dựa phương pháp xác suất: đóng góp Các toán thực theo thuật toán tính toán hệ dây neo bể chứa mục (Hình 6) Hình Quá trình phát triển công trình biển (1975 - 2015) Số liệu cập nhật đến 2014, năm 2015 dự tính Xác định lực thủy động ngẫu nhiên tác động lên bể chứa FPSO [4 - 6] Phần trình bày khái quát tải trọng động ngẫu nhiên sóng (lực thủy động) tác động lên kết cấu có dây neo Kết cấu dạng tàu FPSO coi vật thể kích thước lớn làm thay đổi nhiều đến chuyển động sóng tới Việc tính toán lực thủy động tác dụng lên kết cấu trường hợp giải toán nhiễu xạ - xạ bậc bậc hai 2.1 Bài toán nhiễu xạ - xạ sóng tác động lên kết cấu  Khai triển chuỗi Taylor cho hàm vận tốc: Hình Chi phí đầu tư cho công trình biển 36 DẦU KHÍ - SỐ 3/2016  (M, t) = (0) (x, y, z) + ε (1) (M, t) + ε² (2) (M, t) + … (1) PETROVIETNAM Với kết cấu vận tốc: (0) ≡  (0) ≡ dạng FPSO tác động lực trôi dạt chậm Bài toán nhiễu xạ - xạ bậc 1: Lực bậc  tần số thấp sóng ngẫu nhiên biểu diễn sau: (1) = I(1) + P(1) = I(1) + D(1) + R(1) (2) Hàm vận tốc = I(1) (hàm sóng tới) + D(1) (hàm nhiễu xạ) + R(1) (hàm xạ) Bài toán nhiễu xạ - xạ bậc 2: − iω p , mt Φ (2) = Φ (I2) + Φ (P2) = Φ (I2) + (Φ (D2)+ Φ (R2)) = ℜ φ I(2)+ φ D( 2)+ φ R(2) ⋅ e { } (3) Trong p, m = (1 ± 2) tần số cao (+) thấp (-) toán bậc 2; 1, 2 tần số toán bậc sóng song sắc Hiện nay, nhiều mô hình số để giải toán nhiễu xạ - xạ nghiên cứu đưa vào sử dụng Kết phần mềm tính hàm truyền (RAO - Response Amplitude Operator) thông số phục vụ cho tính toán thiết kế công trình biển như: lực sóng bậc bậc 2, chuyển vị kết cấu, áp lực lên kết cấu nổi, khối lượng nước kèm… Phần tính toán áp dụng số báo sử dụng phần mềm tính toán HydroStar For Expert hãng Đăng kiểm Pháp Bureau Veritas 2.2 Lực thủy động sóng tác động lên kết cấu Ta biểu diễn lực thủy động dạng ma trận sau: [F H ] = − ∫∫PH ⋅ [N ]dS = ε [F H ](1) + ε [F H ](2) (4) Sc Lực thủy động bậc 1: [F H ](1) = ρ ∫∫ ∂Φ (1) ∂t ⋅ [N ] dS [F H ](1) = [F HI ](1) + [F HD ](1) + [F R ](1) = [Fex ](1) + [F R ](1) (5) (6) Từ (5) (6), ta có công thức tính lực thủy động bậc sau : [F H ](1) = [Fex ](1) + [ma ]⋅ [&x&](1) + [B ]⋅ [x&](1) (7) Lực thủy động bậc 2, với dạng tần số thấp (w1 - w2) là chuyển động dịch chuyển ngang kết cấu có neo (lực trôi dạt chậm FPSO) chu kỳ dao động riêng tính phút.  [F H ](2) = [Fex1 ](2) + [Fex ](2) + [F R ](2) (8) [Fex1 ](2) : Phần thứ phụ thuộc vào hàm bậc ( 2) 1, [F ex ] : phần thứ phụ thuộc vào hàm bậc i ⎡ − (ω −ω )t +θ −θ ⎤ ⎫ ⎧ F −( 2) = ℜ⎨∑∑ai a j f −( 2) (ωi , ω j , β ) e ⎢⎣ i j i j ⎥⎦ ⎬ (9) ⎩ i j ⎭ Với f−(2) (i, j, ) hàm truyền bậc (QTF - Quadratic Transfer Function) lực sóng bậc 2 tần số thấp Lực trôi dạt chậm tác dụng lên kết cấu FPSO: Việc tính toán lực trôi dạt có ý nghĩa quan trọng việc thiết kế công trình để đảm bảo độ an toàn khai thác Có lý thuyết tính toán lực trôi dạt: Lý thuyết trường gần Pinkster, lý thuyết trường xa Maruo-Newman lý thuyết trường trung gian X.B.Chen [4] Trong đó, lý thuyết trường trung gian ưu việt nhất, xây dựng bề mặt nước xung quanh vật thể nổi, cách khoảng xác định từ vật thể khắc phục nhược điểm lý thuyết trường gần lý thuyết trường xa Phương pháp luận để kiểm tra bền hệ thống neo công trình [7, 8] Phần tác giả trình bày tóm tắt phương pháp luận phân tích kiểm tra bền hệ thống neo công trình cách sử dụng mô tựa động mô động ngẫu nhiên phi tuyến dây neo theo phương pháp phân tích miền thời gian sử dụng kỹ thuật mô Monte-Carlo Bài toán động ngẫu nhiên thiết lập phương trình chuyển động công trình tác dụng lực ngẫu nhiên Phần tính toán ứng dụng phần sử dụng phần mềm ARIANE-3Dynamic Đăng kiểm Pháp (Bureau Veritas) 3.1 Phương trình chuyển động công trình ([M ] + [ma ])U&& + [B ]U& + [K ]U = F exc (10) Trong đó: [M]: Ma trận khối lượng (ma trận quán tính); [ma]: Ma trận khối lượng nước kèm; [B]: Ma trận cản; [K]: Ma trận độ cứng hệ, xác định từ đặc trưng thủy tĩnh vật thể (KS), độ cứng phụ thêm hệ neo (KA ) nước dằn (Kb); sóng tới + sóng nhiễu xạ &&: Véc tơ chuyển động, vận tốc gia tốc chuyển U, U& , U động bể chứa nổi;  Lực bậc sóng tần số thấp xem nguyên nhân chủ yếu gây cộng hưởng kết cấu có dây neo Fexc: Các lực tác động cưỡng đến từ sóng tới sóng nhiễu xạ DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 37 CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ 3.2 Phản ứng công trình tác dụng sóng ngẫu nhiên  Phản ứng X kết cấu (RAO) dưới tác dụng sóng ngẫu nhiên tổng tất phản ứng thành phần, sóng thành phần cấu thành sóng ngẫu nhiên tạo nên ⎧∞ i ( − ω t +θ )⎫ X (t) = ℜ⎨∑a j f X (ω j , β ) e j j ⎬ ⎩ j=1 ⎭ (11) fX (ω j , β ) : Hàm truyền (phức) thứ j phản ứng Xj kết cấu 3.2.1 Phương pháp tựa động phân tích phản ứng ngẫu nhiên dây neo [6, 8] Bài toán giải miền thời gian cần giải toán phi tuyến dây neo Phương pháp tựa động thích hợp cho neo giữ vùng có độ sâu nước nông vừa Đầu tiên chưa có ngoại lực tác dụng, công trình thiết lập vị trí cân ban đầu sức căng ban đầu dây neo Sau tác động lực trung bình sóng, gió, dòng chảy, công trình dịch chuyển tới vị trí cân trung bình Tại đây, ngoại lực cân sức căng dây neo đầu dây Quanh vị trí cân này, công trình thực chuyển động tần số thấp tần số sóng Lúc này, lực quán tính cân với ngoại lực lực căng hệ dây Ngoại lực tác dụng lên công trình neo giữ phân thành loại: lực trung bình, lực biến thiên chậm tần số thấp (Low Frequency), lực dao động tần số sóng (Wave Frequency), dẫn đến phản ứng đầu (lực căng) mô gồm có thành phần: đầu dây), thời điểm t bão, tác dụng lực tần số thấp (lực bậc QTF), giải phương trình (10) cho dịch chuyển tần số thấp δLF + Phản ứng tần số sóng (hiệu ứng bậc nhất): Thêm vào dịch chuyển bậc gây sóng (thông tin RAO): δWF Dịch chuyển tổng cộng là: δtot = δLF + δWF - Xác định lực căng tương ứng điểm đầu dây (fairlead) thời điểm t Lặp lại vòng lặp t = giờ, ghi lại mô lực căng dây theo thời gian b Các quy ước tính toán miền thời gian theo phương pháp Monte Carlo: • Giả định: Các tượng tần số thấp tần số sóng xảy độc lập với • Tín hiệu sóng: Phương pháp Monte Carlo cho phép biểu diễn tập hợp sóng ngẫu nhiên (mật độ phổ sóng) N (100 - 5.000) sóng đơn Airy (Hình 5): η(t) = Ʃ cos(ωit + φi); Δω = (ωm - ωM)/N; ai² = S(ωi) (12) Δω; ≤ φi < 2π Trong đó: η(t): Mặt đường nước thời điểm t; ωi φi: Các thông số sóng Airy thứ i; S(ωi): Mật độ phổ tần số wi • Các thông số tính toán: Một mô tựa động kéo dài giờ; bước thời gian thường lấy giây; thời điểm bắt đầu ghi lại mô phỏng: sau dây bị đứt hệ cân Lực căng 100 đến 500s Chu kỳ sóng Tần số thấp + tần số sóng Tần số thấp Phản ứng trung bình - Phản ứng trung bình: Cân tĩnh lực trung bình; - Phản ứng tần số thấp: Áp dụng lực tần số thấp vị trí cân bằng; - Phản ứng tần số sóng: Thành phần thêm vào phản ứng tần số thấp (Hình 4) Thời gian Hình Mô lực căng dây neo Mật độ phổ a Các bước mô tựa động miền thời gian: - Giai đoạn phân tích tĩnh: Các tải trọng trung bình tác dụng lên công trình đưa công trình đến vị trí cân tĩnh Sηη S(ωP) S(ωi) - Giai đoạn phân tích tựa động: Bài toán lặp theo thời gian + Phản ứng tần số thấp: Tính động phần công trình (tức tính tựa động dây xét cho điểm 38 DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 Tần số vòng sóng i ωm Δω i+1 ωi ωP Hình Hàm mật độ phổ sóng ωM ω PETROVIETNAM c Xác định lực căng thiết kế dây neo theo miền thời gian Đối với trạng thái biển tính toán phải thực n lần mô phỏng, lần Các mô lực căng dây neo xây dựng theo bước thời gian Mỗi mô cho giá trị lực căng lớn nhất, từ tính giá trị trung bình độ lệch chuẩn n lực căng lớn tính lực căng thiết kế dây sau: n TD = TM + aTS , với: TM = ∑Tk n k =1 TS = n −1 n ∑(T k − TM ) (13) k =1 Trong đó: TD: Lực căng thiết kế dây; n: Số lần mô phỏng; Tk: Trị lực căng lớn đầu dây đạt mô thứ k; nghiên cứu mỏi miền thời gian cho hệ thống dây neo FPSO Có nhiều phương pháp để đếm chu trình lực căng theo thời gian Các phương pháp có mục đích để phân tích mỏi kết cấu công trình biển nói chung theo quy tắc Palmgren-Miner dựa phân tích miền thời gian để ước tính tuổi thọ công trình Phương pháp đếm giọt mưa hiện dùng phổ biến [11] 4.1 Đường cong mỏi T-N tính mỏi cho dây neo Để đánh giá độ bền mỏi dây neo hệ neo FPSO, cần xác định tuổi thọ dây từ mô ngẫu nhiên sức căng dây từ đường cong mỏi T-N dây xét thay đường cong S-N công trình giàn khoan cố định, với việc áp dụng luật PalmgrenMiner Đường cong mỏi T-N cho số chu trình trước xảy phá hủy dây neo [12] Phương trình đường cong mỏi T-N viết dạng sau: TM: Giá trị trung bình Tk sau n mô phỏng; TS: Độ lệch chuẩn (n-1) mô phỏng; a: Hệ số phụ thuộc vào n phương pháp phân tích [9, 10] 3.2.2 Động lực học dây neo - Phân tích đầy đủ miền thời gian Phương pháp áp dụng cho việc neo giữ vùng nước sâu điều kiện thời tiết khắc nghiệt dùng cho phân tích mỏi Trong phần nghiên cứu ứng dụng sau sử dụng module chương trình MCS Cable 3D Bước thời gian tính động (Cable-3D) theo kinh nghiệm 0,02 giây cần thiết để đạt tín hiệu đầu tốt lực căng động dây neo, chí cần phải giảm thêm trường hợp đặc biệt Hệ số an toàn tính bền dây neo: SF = TBr/TD ≥ [SF] (14) Trong đó: TBr lực đứt tới hạn dây cho số liệu đầu vào; [SF] hệ số an toàn nhỏ theo quy phạm [9] Với phương pháp tựa động [SF] = 1,75, phương pháp động: 1,67 Phương pháp luận kiểm tra mỏi hệ thống dây neo FPSO Trong số lực tác dụng lên hệ FPSO neo giữ, có lực gây trạng thái biển ngắn hạn với gió dòng chảy kèm theo Dưới tóm tắt số kết NRm = K (15) dạng phương trình tuyến tính: log10 N = log10 K - mlog10 R (16) Trong đó: N số chu trình xảy phá hủy mỏi; R = T V /TR: Tỷ số biến đổi lực căng (T V = Tmax Tmin) so với độ bền phá hủy tối thiểu dây cáp xích neo (kí hiệu TR); m K: Các hệ số đưa tiêu chuẩn thiết kế API RP2SK [12] 4.2 Tuổi thọ mỏi dây neo Dùng luật Palmgren-Miner để xác định tổn thất mỏi trung bình năm dây neo: n D (1 năm) = Dan = ∑D i (17) i =1 Trong đó: n: Số lượng trung bình trạng thái biển năm; Di: Hệ số tổn thất mỏi trung bình năm dây neo xét chịu tác dụng tải trọng môi trường trạng thái biển i (TTB i): Di = Dwi + DLi DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 (18) 39 CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ - Từ tiến hành tính toán hệ dây neo theo trạng thái giới hạn bền mỏi Tổn thất mỏi trung bình năm dây neo miền thời gian: n (19) (2) Bài toán tính toán hệ dây neo theo điều kiện bền (ULS) gồm có toán: Hệ số tổn thất mỏi trung bình gây lực sóng, lực trôi dạt tần số thấp TTB i (kí hiệu Dwi DLi) - Phân tích tựa động dây neo miền thời gian, sử dụng chương trình ARIANE-3D D (1 năm) = D an = ∑( D wi + DLi ) i =1 - Phân tích động đầy đủ cho dây neo miền thời gian, sử dụng chương trình ARIANE-3D kết hợp với module MCS Cable 3D Tuổi thọ trung bình mỏi dây neo: τ= (20) Dan Theo [12], hệ số an toàn cho phép tính mỏi 3, hay tuổi thọ mỏi tính toán phải lần tuổi thọ mỏi tối thiểu dự kiến thiết kế (3) Bài toán phân tích mỏi ngẫu nhiên (FLS): phần tương tự toán bền với số liệu môi trường để tính mỏi, phần từ kết lực căng dây miền thời gian để tính tổn thất mỏi tích lũy chương trình Goutte.exe Phương pháp đánh giá độ tin cậy tổng thể hệ thống dây neo FPSO [3, 6, 13] (4) Tính toán độ tin cậy tổng thể cho hệ dây neo từ kết toán Hình thể thuật toán để giải toán sau: - Tổ hợp 1: Tổ hợp độ tin cậy bền độ tin cậy mỏi tích lũy T năm: Ptot1 (ULS, FLS-Tnăm) (1) Tính toán lực thủy động sóng tác động lên công trình phần mềm HydroStar - Tổ hợp 2: Tính độ tin cậy mỏi (FLS) tổ hợp tổn thất mỏi tích lũy T năm khai thác (FLS-Tnăm) tổn - Kết cho hàm truyền RAO phản ứng kết cấu Tính toán lực thủy động bậc (HydroStar) RAO hàm truyền lực sóng bậc 1, RAO hàm truyền chuyển động FPSO Tính toán hệ dây neo Kiểm tra BỀN (ULS) Phân tích tựa động ULS Kiểm tra MỎI (FLS) Điều kiện môi trường hàng năm để tính mỏi Điệu kiện bão cực hạn 100 năm Phân tích tựa động FLS Tính toán miền thời gian (ARIANE-3D) Phân tích động dây neo theo ULS Sức căng T D theo ULS (ARIANE-3D & Cable 3D) Hệ số an toàn theo bền Độ tin cậy điều kiện bền PULS Tổn thất mỏi bão De , σ De (ARIANE-3D & Cable 3D) (goutte.exe) Hệ số an toàn theo mỏi Độ tin cậy tổ hợp Ptol1 = Kết hợp ĐTC bền & mỏi Tuổi thọ Tổn thất mỏi T năm Hình Sơ đồ thuật toán tính toán độ tin cậy tổng thể hệ dây neo bể chứa [3] 40 DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 Tổn thất trung bình năm D an Độ tin cậy điều kiện mỏi T - Năm PFLS-Tans Độ tin cậy tổ hợp Ptol2 = ĐTC mỏi (T-n & bão) Độ tin cậy tổng thể P tol = min(Ptol1, P tol2) Phân tích động dây neo theo FLS PETROVIETNAM thất mỏi tích lũy trạng thái biển cực hạn (bão 100 năm), từ tính độ tin cậy mỏi cho dây theo tổ hợp - Độ tin cậy bền dây neo (ULS) xác định biểu thức sau: - Độ tin cậy tổng thể giá trị nhỏ tổ hợp + Độ tin cậy điều kiện bền dây neo trường hợp phổ dải hẹp: Sơ đồ thuật toán toán (4) thiết lập đánh giá [3] [6] ⎛ ⎛ T − T ⎞2 ⎞ ⎟ ⎟ (23) PR (ULS) = P(T Σa < T Ra) = - exp ⎜ − ⎜ R ⎜ 2⎜ σ ⎟ ⎟ ⎝ T ⎠ ⎠ ⎝ Σ 5.1 Phương pháp truyền thống để đánh giá độ an toàn dây neo Trong đó: TRa chênh lệch lực kéo đứt tối thiểu (TR) lực căng trung bình dây ( T ): - Đánh giá độ an toàn dây neo theo điều kiện bền (ULS) TRa = TR - T Tmax ≤ TBr (Lực đứt tối thiểu dây) (21) Khi đó, chịu đựng dây không đổi theo thời gian (t) (Hình 8a) - Đánh giá độ an toàn dây neo theo điều kiện mỏi (FLS) Tổn thất mỏi tích lũy, ký hiệu D (ti, năm), ta có: D (to) = < D (t1) < D (t2) < D (ti) < D(ti)max ≤ (22) Theo thời gian có xuống cấp kết cấu, dẫn tới chịu đựng dây giảm theo thời gian Vì thế, tổn thất mỏi tích lũy tăng theo (t) (Hình 8b) - Nhược điểm phương pháp truyền thống: (i) ULS thời điểm ti (bão 100 năm), không kể đến xuống cấp kết cấu tổn thất mỏi tích lũy khứ [D(ti)] Thực tế, chịu đựng thực dây giảm theo thời gian; (ii) FLS thời điểm ti (tổn thất mỏi tích lũy), không kể đến xuất trạng thái biển cực hạn (3 - giờ) thời điểm ti Do đó, tổn thất mỏi tích lũy D(i) (ti năm trạng thái biển bình thường) < D(i) (ti năm điều kiện biển bình thường + bão 100 năm) (do số chu trình sức căng dây tăng) (24) + Độ tin cậy điều kiện bền dây neo trường hợp phổ dải rộng: PR (UL S) = Prob{T Σa < TRa } TRa = ∫σ2 −∞ TΣ ⎛ 2π exp ⎜− T Σ a ⎞⎟ (25) ⎜ σ T2 ⎟ ⎝ ⎠ dTΣa Σ Phương trình (25) viết dạng thông số b theo [14]: PR (ULS) = Prob{ T Σa < T Ra} = P R (β) = 0,5 + Φ L (β) (26) (1) Độ tin cậy bền PR (ULS); (2) Độ tin cậy mỏi PFat (FLS-Tnăm); (3) Độ tin cậy tổng hợp = Ptot2 (FLS-Tnăm & bão); (4) Độ tin cậy tổng hợp = Ptot1 (ULS, FLS-Tnăm) Nhận xét: Đồ thị (1) không đổi theo thời gian, đồ thị (2, 3, 4) suy giảm theo thời gian Hình Mô đồ thị độ tin cậy dây neo giảm dần theo thời gian 5.2 Phương pháp xác suất đánh giá độ tin cậy tổng thể dây neo Phương pháp đóng góp tác giả nhằm khắc phục nhược điểm phương pháp truyền thống (a) 5.2.1 Độ tin cậy dây neo dựa theo phương pháp xác suất [2, 3] Các trạng thái giới hạn (ULS FLS) cho dây neo FPSO xác định với cách tiếp cận mới, kết hợp trạng thái giới hạn ULS FLS theo nguyên tắc xác suất, giúp cho ước tính xác ứng xử thực tế hệ thống neo giữ FPSO (b) Hình Sự chịu đựng dây neo theo phương pháp truyền thống theo điều kiện bền (a) tổn thất mỏi tích lũy (b) DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 41 CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ Trong đó: L(x) hàm Laplace, b số độ tin cậy bền dây neo xét: T −T β= R σT (27) Σ - Độ tin cậy mỏi dây neo sau T năm khai thác PFat(FLS- Tnăm) thiết lập tương tự: D − TD an ΦL( ) + Φ L ( an ) σ Dan Tσ Dan (28) PFat (FLS - Tnăm) = D 0, + Φ L ( an ) σ Dan - Độ tin cậy tổng thể dựa nguyên tắc giao hai kiện (A B) [5]: Ptot = Prob {C} = Prob {A ∩ B} = P (AB) = P(A/B) P(B) (29) Giả thiết hai kiện độ tin cậy bền mỏi (ULS FLS) độc lập => P(A/B) = P(A) FTot = Ptot (ULS, FLS-ti năm) (35) (được tính theo phương trình (31) (2) Tổ hợp 2: - Tổn thất mỏi tổng cộng tích lũy trạng thái biển cực hạn [DExt] ti năm khứ [D1(ti năm)]: DTotal = D2 (Ext) + D1(ti năm) (36) - Tổ hợp 2: Độ tin cậy tổ hợp 2 FTot = Độ tin cậy xác định tổn thất mỏi tổng cộng: tích lũy ti năm (D1) tích lũy trạng thái biển cực hạn (D2), tính theo phương trình (32) FTot = Ptot (FLS- Ext & tinăm ) = PTotal { D2 (Ext)+ D1(tinăm)} (37) (3) Đánh giá an toàn dây neo dựa độ tin cậy kết cấu dây neo: Độ tin cậy tổng thể kết cấu: Độ tin cậy tổng thể theo [2]: Ptot = Prob (C) = P(A) P(B) = P(ULS) P(FLS) (30) PTot = Min {FTot 1, FTot 2} ≤ [P] = – [Pf] (37) [P]: Độ tin cậy cho phép kết cấu (chưa có quy phạm) + Tổ hợp 1: Ptot (ULS, FLS-Tnăm) = Ptot R-F = PR x PFat(FLS-Tnăm) (31) + Tổ hợp 2: [Pf ]: Xác suất phá hủy cho phép kết cấu, nghiên cứu thêm để đưa vào quy phạm Ptot F-F = Ptot(FLS-Tnăm &Ext) = ΦL( − TD an − D e (Tσ Dan ) + (σ De ) 0, + Φ L ( )+ ΦL( TD an + D e (Tσ Dan ) + (σ De ) TD an + D e (Tσ Dan ) + (σ De ) ) (32) ) 5.2.2 Phân tích ý nghĩa việc xác định độ tin cậy tổng thể Hình Tổn thất mỏi tích lũy trạng thái biển bình thường trạng thái biển cực hạn - Tích lũy tổn thất mỏi D tăng dần theo thời gian, xem Hình Tại thời điểm ti, trạng thái biển bình thường FLS có tích lũy tổn thất mỏi D1 sau ti năm: Độ tin cậy mỏi (giảm dần theo thời gian, xem Hình 10): F1 = PF (FLS-tinăm) (33) - Tại thời điểm ti, có trạng thái biển cực hạn có độ tin cậy điều kiện bền:  Hình 10 Độ tin cậy tổ hợp 1 (FTot 1) Độ tin cậy bền ULS (không đổi 1,67 => tất hệ dây neo FSO dạng Turret thỏa mãn điều kiện bền trường hợp tải trọng Thời gian (giây) Lực căng động dây điểm đầu dây (kN) Hình 14 Mô tựa động 6.3 Kết tính tổn thất mỏi tuổi thọ mỏi cho hệ thống dây neo FSO Kết tính tổn thất mỏi tuổi thọ mỏi cho hệ dây neo FSO VSP-01 (Bảng 1) cho thấy hệ số an toàn mỏi tất dây neo FSO đều lớn 3, thỏa mãn với hệ số an toàn tới hạn qui định qui phạm [9, 10, 12] Từ kết luận bể chứa FSO này, lực căng thiết kế hệ dây neo thỏa mãn điều kiện mỏi lực căng cho phép dây neo trạng thái biển hàng năm môi trường (FLS) Thời gian (giây) Mô theo thời gian lực căng dây đầu dây số Hình 15 Mô động “cửa sổ” lực căng dây 3, TH 25 seed 536, trường hợp FSO đầy tải Hình 16 Hình ảnh mô hình hóa hệ dây neo 3D FSO dạng Turret trường hợp đầy tải DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 43 CÔNG NGHỆ - CÔNG TRÌNH DẦU KHÍ Bảng Tổng kết tổn thất mỏi, tuổi thọ hệ số an toàn mỏi cho hệ dây neo FSO VSP-01 Tổn thất mỏi trường hợp đầy tải Tổn thất mỏi trường hợp dằn Tổn thất mỏi tổng T (năm) [T] (năm) SF hệ số an toàn mỏi Dây Dây Dây Dây Dây Dây Dây Dây Dây 6,20E-03 7,87E-03 8,73E-03 5,35E-03 4,96E-03 4,55E-03 5,08E-03 5,13E-03 5,42E-03 1,94E-02 2,30E-02 2,44E-02 2,38E-02 2,52E-02 2,58E-02 2,54E-02 2,46E-02 2,33E-02 1,28E-02 1,54E-02 1,65E-02 1,46E-02 1,51E-02 1,52E-02 1,52E-02 1,49E-02 1,44E-02 78 65 60 69 66 66 66 67 70 20 20 20 20 20 20 20 20 20 3,9 3,25 3,45 3,3 3,3 3,3 3,35 3,5 Bảng Kết tính độ tin cậy dây neo số FSO VSP-01 theo: điều kiện bền (1), mỏi độc lập (2), hai độ tin cậy tổng cộng: bền + mỏi (3) mỏi tích lũy Tnăm bão (4) T, năm PR(ULS) 10 20 30 39 42 45 47 50 55 60 (1) 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 PFat (FLS-T năm) (2) 1 1 0,9999 0,9990 0,9921 0,9778 0,9292 0,7564 0,5199 Tổ hợp Ptot (ULS, FLS-T năm) (3) = (1) x (2) 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999999627 0,999899627 0,998999627 0,99209963 0,977799635 0,929199653 0,756399718 0,519899806 Tổ hợp P tot (FLS-T năm & Ext) (4) 1 1 0,99993 0,99891 0,99169 0,97686 0,92647 0,75175 0,51424 6.4 Kết tính độ tin cậy dây neo FSO VSP-01  Kết tính độ tin cậy dây neo số FSO VSP-01 (Bảng 2) cho thấy độ tin cậy tổng cộng tổ hợp tổ hợp (cột 4) từ năm thứ 42 trở nhỏ độ tin cậy bền mỏi tính riêng (cột 1, 2) độ tin cậy tính theo tổ hợp nhỏ tổ hợp Kết luận - Hệ dây neo FSO Turret đảm bảo điều kiện bền mỏi tác động sóng ngẫu nhiên, điều kiện dằn nước đầy tải - Đề xuất phương pháp chọn cửa sổ thời gian cho mô động (quanh giá trị Tqsmax) giảm thiểu thời gian tính động cho đánh giá bền mỏi [6, 8] - Đánh giá bền mỏi cho dây neo theo thành phần lực tần số thấp lực tần số sóng cho thấy chất phản ứng công trình biển neo giữ (lực trôi dạt bậc quan trọng) - Mô hình xác suất (tính cho miền thời gian) cho phép đánh giá sát thực phản ứng động ngẫu nhiên dạng công trình này, từ đánh giá độ tin cậy đồng thời tổ hợp bền + mỏi (quan điểm áp dụng cho công trình biển nổi) Công hiến tác giả nhằm xây dựng quy phạm đánh giá an toàn kết cấu: 44 DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 - Phạm vi ứng dụng tất kết cấu công trình biển nói chung, đặc biệt cho vùng nước sâu hoặc/và điều kiện biển khắc nghiệt; - Xu hướng: Đánh giá an toàn kết cấu dựa phương pháp xác suất độ tin cậy phát triển, đóng góp tác giả nhằm đề xuất cải tiến quy phạm thiết kế công trình biển hành Lời cám ơn Bài báo dựa Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước [16], luận án Tiến sĩ [6] sách [3] tác giả Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Xấy dựng, Bộ Giáo Dục Đào tạo, Cơ quan Đăng kiểm Pháp Nhà xuất PAF tạo hội thuận tiện cho tác giả có điều kiện đạt kết nghiên cứu Tài liệu tham khảo Phạm Khắc Hùng Đánh giá tổn thất hệ neo FPSO mỏ Bạch Hổ, Việt Nam Kết đề tài NCKH cấp Nhà nước Báo cáo Số 3/2004 Phạm Khắc Hùng, Phạm Hiền Hậu Phương pháp đánh giá an toàn cho kết cấu công trình biển theo điều kiện bền mỏi mở rộng Bằng Độc quyền sáng chế Số 10143 2012 Hien Hau Pham FPSO - Fiabilité des lignes d’ancrage avec prise en compte de fatigue ISBN13:978-3-8381-7928-5 Presses Académiques Francophones 2015: 336p X.B.Chen (Bureau Veritas) Hydrodynamics in offshore and naval applications - Part I Paper presented at the 6th Int Conference on Hydrodynamics Perth, Australia 2004 Molin Bernard Hydrodynamique des Structures Offshore, Guides pratiques sur les ouvrages en mer Editions Technip, Paris, France 2002: 415p PETROVIETNAM Phạm Hiền Hậu Estimation de la fiabilité du système d’ancrage des FSO/FPSOs au Vietnam, avec prise en compte de l’accumulation du dommage de fatigue PhD Thesis, University of Liège, Belgium 4/2010 Franck Legerstee (Bureau Veritas) Mooring Course Shanghai 2001: 55p Phạm Hiền Hậu Phân tích tựa động động ngẫu nhiên hệ thống dây neo trạm chứa rót dầu (FPSO) điều kiện mỏ Bạch Hổ dựa phần mềm Hydrostar Ariane-3D Tạp chí Dầu khí 2009; 9: trang 35 - 42 Bureau Veritas (Bureau Veritas) Quasi-Dynamic analysis of mooring systems using ARIANE software Guidance Note NI 461 DTO R00 E, Bureau Veritas, Paris 1998 10 Bureau Veritas Classification of mooring systems for permanent offshore units Guidance Note NI 493 DTM R00 E, Paris 2004 11 ASTM Standard practices for cycle counting in fatigue analysis E 1049-85, ASMT International 2005 12 API RP 2SK Recommended practice for design and analysis of stationkeeping systems for floating structures, 3rd Edition 2005 13 Pham Khac Hung et al Estimation of the Total Reliability of Offshore Structures in Vietnam Sea Conditions Combining the Ultimate States and Fatigue Limit States Proceedings of the OCEANS’04 MTS/IEEE/TECHNOOCEAN/04, Kobe, Japan 2004: p.176 - 185 14 Palle Thoft-Christensen and Michael J.Baker Structural reliability theory and its Applications SpringerVerlag Berlin - New York 1982 15 J.V.Vietsovpetro R&D Institue Enviromental design criteria extreme conditions for the  Bach Ho-Rong fields, South-East offshore Viet Nam Report in Vietsovpetro, Viet Nam 2000 16 Phạm Khắc Hùng, Phạm Hiền Hậu nnk Báo cáo tổng hợp kết KHCN đề tài nghiên cứu điều kiện kỹ thuật môi trường biển móng công trình nhằm xác định luận chứng kinh tế kỹ thuật xây dựng công trình biển vùng nước sâu Việt Nam KC.09.15/06-10 Bộ Khoa học Công nghệ 2011 17 Phạm Khắc Hùng, Phạm Hiền Hậu Phương pháp luận đánh giá an toàn cho công trình biển dựa điều kiện bền mỏi mở rộng Hội nghị Khoa học Công nghệ biển toàn quốc lần thứ V Hà Nội 10/2011; 6: trang 205 - 216 Estimation of total reliability of FPSO’s mooring system using the probability method and its application to Vietnam’s sea conditions Pham Hien Hau National University of Civil Engineering Email: hauph@nuce.edu.vn Summary The accident analysis of the CALM Soft Yoke FSO’s mooring lines of Vietsovpetro at the Bach Ho field [1] shows the urgent need for developing the offshore structures (including FPSO) which can be safely designed, installed and operated in the severe conditions of Vietnam’s sea A general research on the mooring systems of floating offshore structures has been realised by the author based on consideration of several continuous problems: the second-order hydrodynamic forces, random dynamic responses, random fatigue damage analysis and estimation of the fatigue life of the mooring lines In a subsequent research, the author proposed a new approach, which is closer to the real condition of the loaded mooring system, for estimating the total reliability of the mooring system by the probability method The total reliability is determined in the extreme conditions of the sea taking into account the process of cumulative fatigue damage of the mooring lines Finally, in the applied research, the author calculated the mooring systems of FSO “VSP-01”at the Bach Ho field in Vietnam's sea This research is based on a co-authors patent [2] and the book written by the author, published by "Presses Académiques Francophones" (PAF) in the Federal Republic of Germany [3] Key words: Reliability, second-order hydrodynamic forces, random dynamic responses, random fatigue damage, fatigue life, mooring lines, FPSO, FSO DẦU KHÍ - SỐ 3/2016 45