Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6475-6: 2007 về quy phạm phân cấp và giám sát kỹ thuật hệ thống đường ống biển – Phần 6: Tải trọng
TIÊU CHUẨN QUỐC GIA
TCVN 6475-6: 2007
QUY PHẠM PHÂN CẤP VÀ GIÁM SÁT KỸ THUẬT HỆ THỐNG ĐƯỜNG ỐNG
BIỂN –
PHẦN 6: TẢI TRỌNG
Rules
for Classification and Technical Supervision of Subsea Pipeline Systems –
Part 6:
Loads
1. Quy định chung
1.1.
Tiêu
chuẩn này đưa ra các quy định về điều kiện tải trọng và hiệu ứng tải trọng đặc
trưng được sử dụng trong thiết kế các hệ thống đường ống biển trong cả giai
đoạn xây lắp và giai đoạn vận hành.
1.2.
Tiêu
chuẩn này mô tả các tải trọng được áp dụng khi lựa chọn thiết kế theo phương pháp
các hệ số riêng phần (LRFD criteria).
1.3.
Tải
trọng được phân ra các loại sau:
·
Tải
trọng môi trường;
- Tải trọng xây lắp;
- Tải trọng sự cố.
1.4.
Các
phương pháp hoặc phép phân tích đơn giản có thể được sử dụng để tính toán các
hiệu ứng tải trọng với điều kiện chúng phải được thực hiện một cách thận trọng.
Các cuộc thử mô hình có thể được sử dụng cùng với, hoặc thay thế, các tính toán
trên lý thuyết. Trong trường hợp các phương pháp lý thuyết không đủ thuyết phục
có thể phải tiến hành thử mô hình (model test) hoặc thử mô hình với kích thước
như thật (full-scale test).
1.5.
Tất
cả các dạng khai thác đường ống phải được khảo sát theo các điều kiện chịu tải
trọng thực tế như: lực đẩy nổi, trọng lượng, tải trọng môi trường do tác động
của sóng, gió, dòng chảy, các chấn động và động đất (nếu có), sức chịu tải của
đáy biển, nhiệt độ, sinh vật biển bám và các điều kiện khác.
1.6.
Các
dạng khai thác cho phép, áp lực lớn nhất bên trong đường ống, nhiệt độ của các
chất vận chuyển, tốc độ dòng trong ống, các chỉ tiêu môi trường cực đại phải
được nêu trong Sổ khai thác.
2. Tài liệu viện dẫn
Trong tiêu chuẩn này, các tiêu chuẩn
sau đây được viện dẫn:
- TCVN 6475-7: 2007 -
Quy phạm phân cấp và giám sát kỹ thuật hệ thống đường ống biển – Phần 7:
Chỉ tiêu thiết kế;
3. Tải trọng chức năng
3.1.
Quy định chung
3.1.1.
Tải
trọng chức năng là những tải trọng phát sinh do trạng thái vật lý và việc sử
dụng theo dự kiến của hệ thống đường ống biển.
3.1.2.
Tất
cả các tải trọng chức năng ảnh hưởng lớn đến tính toàn vẹn của đường ống biển
trong quá trình xây lắp cũng như trong vận hành phải được xem xét đầy đủ.
3.1.3.
Các
hiệu ứng do các hiện tượng sau đây gây ra cần được xem xét khi xác định tải
trọng chức năng:
- Trọng lượng;
- áp lực thuỷ tĩnh bên ngoài;
- Nhiệt độ của chất trong ống;
- Phản lực từ các bộ phận (như
bích nối, kẹp,...);
- Lớp bao phủ (như đất, đá...);
- áp lực bên trong ống ở điều
kiện vận hành bình thường;
- Phản lực từ đáy biển (ma sát và
độ cứng xoay);
- Sự tạo ứng suất trước
(pre-stressing);
- Biến dạng dư của kết cấu đỡ;
- Biến dạng dư do lún nền theo cả
hai phương ngang và dọc;
- Tải trọng do vận hành thoi
(pig) thường xuyên gây ra;
3.1.4.
Trọng lượng bao
gồm các thành phần trọng lượng ống, lực nổi (buoyancy), các chất trong ống, lớp
bọc, anốt, hà bám và các bộ phận gắn vào đường ống.
3.1.5.
Phải xét tới áp
lực đất tác dụng lên đường ống, trong trường hợp chôn ống, nếu áp lực này lớn.
3.1.6.
Lực tác dụng lên
chi tiết cuối ống ( end cap force) do áp lực cũng như hiệu ứng áp suất tức thời
trong quá trình vận hành bình thường (xuất hiện khi đóng van) phải được xem
xét.
3.1.7.
Khi kiểm tra độ
bền mỏi phải tính đến dao động của nhiệt độ.
3.1.8.
Sự tạo ứng suất
trước, như độ dãn dài dư hay độ cong dư xuất hiện trong quá trình lắp đặt, phải
được xem xét nếu như khả năng chịu các tải trọng khác bị ảnh hưởng bởi sự tạo
ứng suất trước này. Các lực căng xuất hiện do các bulông ở mặt bích, các đầu
nối và kết cấu đỡ ống đứng cũng như các bộ phận được gắn cố định trên đường ống
cũng được phân loại là các tải trọng chức năng.
3.2.
Các hiệu
ứng tải trọng đặc trưng
3.2.1.
Hiệu ứng tải
trọng chức năng đặc trưng được định nghĩa là giá trị lớn nhất có thể của tải
trọng chức năng trong một khoảng thời gian được xem xét.
3.2.2.
Trong trường hợp
áp lực bên ngoài làm tăng khả năng chứa đựng (capacity) của đường ống, áp lực
bên ngoài không được lấy lớn hơn áp lực nước tại vị trí đang xét tương ứng với
mực triều thấp.
3.2.3.
Trong trường hợp
áp lực bên ngoài làm giảm khả năng chứa đựng của đường ống, áp lực bên ngoài
không được lấy nhỏ hơn áp lực nước tại vị trí đang xét tương ứng với mực triều
cao.
3.2.4.
áp lực thiết kế
và nhiệt độ thiết kế cực đại hoặc cực tiểu (lấy giá trị an toàn hơn) được dùng
cho tất cả các tính toán trong điều kiện vận hành, trừ tình huống tính mỏi hay
tình huống tải trọng môi trường là trội thì sử dụng áp lực vận hành bình thường
và nhiệt độ vận hành bình thường.
4. Tải trọng môi trường
4.1.
Quy định chung
4.1.1.
Các
tải trọng môi trường là các tải trọng tác dụng lên hệ thống đường ống do các
yếu tố môi trường xung quanh, và các tải trọng không được coi là tải trọng sự
cố hay tải trọng chức năng.
4.2.
Tải trọng gió
4.2.1.
Việc
xác định tải trọng gió phải dựa trên cơ sở số liệu gió được xác định theo một
phương pháp lý thuyết đã được công nhận. Để thay thế, các số liệu nhận được từ
thử nghiệm có thể được áp dụng trực tiếp.
4.2.2.
Khả
năng rung và mất ổn định do gió gây ra bởi các tải trọng có chu kỳ, ví dụ như
tải trọng do tách xoáy, cần được xét đến.
4.3.
Tải trọng thuỷ động
4.3.1.
Tải
trọng thuỷ động được coi là tải trọng của dòng do chuyển động tương đối giữa
ống và nước ở xung quanh. Khi xác định tải trọng thuỷ động, vận tốc tương đối
và gia tốc của hạt chất lỏng sử dụng để tính toán phải được xác định có tính
tới ảnh hưởng của sóng, dòng chảy và chuyển động của ống nếu các ảnh hưởng này
là đáng kể.
4.3.2.
Các
tải trọng thuỷ động cần xét đến bao gồm:
- Các lực cản và lực
nâng cùng pha với vận tốc tuyệt đối hoặc tương đối của hạt nước;
- Các lực quán tính
cùng pha với gia tốc tuyệt đối hoặc tương đối của hạt nước;
- Các tải trọng có
chu kỳ của dòng do tác dụng của tách xoáy và các hiện tượng mất ổn định
khác;
- Các tải trọng va
đập do sóng dâng (slamming) và sóng vỡ (slapping);
- Độ biến thiên của
lực nổi do tác dụng của sóng.
4.4.
Tải trọng
do sóng và dòng chảy
4.4.1.
Các tải trọng do
sóng và dòng chảy tác dụng lên phần ngập của ống phải được tính toán theo
phương pháp đã được công nhận.
4.4.2.
Khi xác định các
hệ số thuỷ động học liên quan, có thể sử dụng các số liệu từ thử mô hình hay
các số liệu đã được thực tế kiểm nghiệm.
4.4.3.
Lực cản và lực
nâng do dòng chảy gây ra lên ống đứng và đường ống cần được xác định và tổ hợp
với các lực gây ra do sóng theo lý thuyết đã được công nhận về tương tác giữa
sóng và dòng chảy. Có thể sử dụng véc-tơ tổ hợp của vận tốc phần tử nước do
sóng và dòng chảy gây ra. Tuy nhiên, khi tính toán tổng vận tốc và gia tốc phần
tử nước, nên áp dụng lý thuyết về tương tác giữa sóng và dòng chảy có độ chính
xác nhất.
4.4.4.
Nếu ống đứng là
một bó ống thì các hiệu ứng chắn khuất và dầy đặc của các ống nằm cạnh nhau phải
được xét đến khi xác định các hệ số khối lượng và cản đối với từng ống hoặc cho
cả bó ống. Nếu không có đủ số liệu thì cần thử mô hình trên kích thước lớn.
4.4.5.
Đối với các
đường ống nằm trên hoặc gần với các biên cố định (fixed boundary) (các nhịp
hẫng của đường ống) hoặc trong các dòng chảy tự do (các ống đứng), phải xét đến
các lực nâng vuông góc với trục của ống và vuông góc với véctơ vận tốc.
4.4.6.
ảnh hưởng có thể
xuất hiện từ các bộ phận kết cấu liền kề phải được xem xét khi xác định các tải
trọng sóng và dòng chảy. Gia tốc và vận tốc dòng chảy tăng khi dòng nước chảy
quanh các ống trụ như các phần tử chân của giàn hoặc các cột trụ có thể gây ra
các lực bổ sung tác dụng lên ống đứng và các kết cấu đỡ ống đứng.
4.4.7.
Phải xét đến
việc hệ số cản tăng lên do dòng xoáy phía sau vật cản gây ra các dao động
ngang.
4.4.8.
ảnh hưởng có thể
có của tải trọng sóng và dòng chảy lên hệ thống ống đứng ở vùng tĩnh không của
giàn phải được xem xét.
4.4.9.
Các bộ phận của
hệ thống đường ống nằm trên vùng sóng va đập bình thường có thể phải chịu tác
động của tải trọng sóng do sóng chạy (wave run-up). Các tải trọng do các ảnh
hưởng trên phải được xem xét, nếu có.
4.4.10.
Khi sử dụng các
lý thuyết sóng được chấp nhận để xác định vận tốc sóng cục bộ cho các thanh
tròn trơn, giá trị của các hệ số để tính tải trọng sóng tác động lên ống đứng
có thể lấy như sau:
- Hệ số cản: CD
= 0,7
- Hệ số nâng: CL
= 0,9
- Hệ số quán tính: CM
= 2,0
Giá trị của các hệ số
này có thể thay đổi khi tính toán ở vùng gần đáy biển hoặc gần phần tử của
giàn. Đối với đường ống, giá trị của các hệ số này phụ thuộc vào điều kiện dòng
chảy.
4.4.11.
Đối
với chế độ chảy tới hạn và dưới tới hạn, nghĩa là Re <>5 và M ³ 0,8 , cần sử dụng hệ số thuỷ động thực tế, phù hợp với dòng
chảy dừng (CD = 1,2 ; CL = 0,9) để xác định
các lực thuỷ động dùng để tính toán ổn định. (Với Re – số
Rây-non (Reynolds), M – Tỉ số vận tốc của dòng chảy và sóng).
4.4.12.
Khi
dòng chảy tác động đồng thời với sóng thì phải xét ảnh hưởng của dòng chảy để
tính tải trọng. Vận tốc dòng chảy sẽ được cộng véctơ với vận tốc của phần tử
sóng. Véctơ tổng sẽ được dùng để tính tải trọng tổng cộng của sóng và dòng
chảy.
4.4.13.
Nếu
không có đủ các dữ liệu chi tiết, có thể giả định rằng sự phân bố vận tốc dòng
chảy theo độ sâu tuân theo quy luật số mũ 1/7.
4.5.
Các hiệu ứng của tải trọng đặc trưng
4.5.1.
Đối
với từng tải trọng và điều kiện thiết kế, tổ hợp bất lợi nhất, vị trí và phương
của các tải trọng tác dụng đồng thời phải được sử dụng để tính toán tính toàn
vẹn của cả hệ thống đường ống.
4.5.2.
Tải
trọng môi trường đặc trưng trong quá trình lắp đặt đường ống biển là tải trọng
có giá trị lớn nhất có thể (probable largest value) trong một trạng thái biển
với khoảng thời gian diễn ra phù hợp với vị trí và thời gian thi công (Hs
và Tp) tại điều kiện gió và dòng chảy thích hợp. Hiệu ứng của
tải trọng đặc trưng là hiệu ứng tải trọng lớn nhất có thể, SE.c
, xác định từ công thức:
F(SE.c) = 1 –
(4.5-1)
trong đó:
- F(SE.c) là hàm phân bố xác suất của SE.c
;
- N là số chu trình tác dụng của
tải trọng trong một trạng thái biển với thời gian không nhỏ hơn 3 giờ.
4.5.3.
Hiệu ứng tải
trọng môi trường tổ hợp đặc trưng trong điều kiện vận hành phải là giá trị có
xác suất vượt là 10-2 trong khoảng thời gian 1 năm. Nếu không biết
sự tương quan giữa các thành phần tải trọng khác nhau như sóng, gió, dòng chảy
thì tổ hợp tải trọng (các tải trọng tác dụng đồng thời) được xác định theo xác
suất vượt quy định tại bảng 4.5-1:
Bảng 4.5-1: Tổ hợp của các tải trọng
môi trường đặc trưng theo xác suất vượt hàng năm
|
Gió
|
Sóng
|
Dòng chảy
|
Động đất
|
10-2
|
10-2
|
10-1
|
|
10-1
|
10-1
|
10-2
|
|
10-1
|
10-1
|
10-1
|
|
|
|
|
10-2
|
4.5.4.
Đối
với ống đặt tại đáy biển trong điều kiện tạm thời thì hiệu ứng tải trọng môi
trường tổ hợp đặc trưng có thể được xác định như sau:
- Đối với khoảng thời
gian ít hơn 3 ngày, hiệu ứng tải trọng đặc trưng có thể được lấy trên cơ
sở dự báo thời tiết;
- Đối với ống đặt tại
đáy biển trong điều kiện tạm thời thì lấy giá trị với chu kỳ lặp 10 năm
cho khoảng thời gian đang xét. Khoảng thời gian này không được lấy ít hơn
1 mùa, tức là 3 tháng. Nếu không biết khoảng thời gian đồng thời xuất hiện
các tải trọng môi trường thì tải trọng tổ hợp đặc trưng có thể lấy tương
tự như đối với điều kiện vận hành ở bảng 4.5-1 (ví dụ lấy sóng 10 năm với
dòng chảy 1 năm hay sóng 1 năm với dòng chảy 10 năm).
5. Tải trọng xây lắp
5.1.
Các
tải trọng xuất hiện khi xây lắp đường ống biển bao gồm tải trọng lắp đặt, thử
áp lực, vận hành thử, bảo dưỡng và sửa chữa gọi là tải trọng xây lắp. Tải trọng
xây lắp được phân ra làm hai loại:
- Tải trọng chức
năng;
- Tải trọng môi
trường.
5.2.
Cần
xét tất cả các tải trọng đáng kể tác dụng lên các mối nối ống hay đoạn ống phát
sinh trong quá trình vận chuyển, chế tạo, lắp đặt, bảo dưỡng và sửa chữa.
5.3.
Đối
với các tải trọng chức năng phải xem xét các lực phát sinh do ống chịu kéo
trong quá trình lắp đặt, bảo dưỡng và sửa chữa đường ống.
5.4.
Đối
với các tải trọng môi trường, phải xem xét các lực tác dụng lên đường ống do
gió, sóng và dòng chảy, bao gồm cả độ lệch và các tải trọng động phát sinh khi
tàu rải ống di chuyển.
5.5.
Các
tải trọng khác phải được xem xét bao gồm:
- Xếp ống (thành đống trên tàu
rải ống);
- Nâng đoạn ống;
- Lắp ống;
- Thử áp lực;
- Các hoạt động thử
chức năng đường ống.
5.6.
Các
điều kiện giới hạn hoạt động phải được xác định rõ tương ứng với các hoạt động
xây lắp.
5.7.
Các
tải trọng xây lắp tiêu biểu xuất hiện trước khi lắp đặt ống đứng và giá đỡ hay
dẫn hướng ống đứng là:
- Lực do gió, đặc
biệt là lực xoáy tác dụng lên các bộ phận sẽ ngập trong nước sau khi lắp
đặt kết cấu chịu lực;
- Lực hay độ lệch
xuất hiện trong quá trình hạ thủy kết cấu chịu lực chính;
- Các lực tác dụng
trong quá trình vận chuyển do chuyển động của tàu rải ống;
- Các lực tác dụng
trong quá trình đánh chìm do độ lệch và các tải trọng thuỷ động, như kéo,
vỗ, đập..., tác dụng lên kết cấu;
- Lực hay độ lệch
xuất hiện trong quá trình lắp đặt kết cấu chịu lực chính;
- Các lực quán tính
tác dụng lên giá đỡ hay dẫn hướng ống đứng trong quá trình đóng cọc (chân
đế);
- Phân bố lại lực
trên các giá đỡ khi tháo các giá đỡ tạm thời của ống đứng tạm và ống đứng
dịch chuyển về vị trí cuối cùng;
- Sự co dãn nguội
(cold spring) của ống đứng (tiền biến dạng dẻo);
- Các lực lắp ghép
khi ống đứng được nối với đường ống;
- Các tải trọng động
xuất hiện từ các hoạt động chuẩn bị chạy thử.
5.8.
Các
tổ hợp tải trọng được xét phải là tổ hợp tải trọng nguy hiểm nhất có thể xuất
hiện trong quá trình lắp đặt.
6. Tải trọng sự cố
6.1.
Các
tải trọng tác dụng lên đường ống dưới các điều kiện bất bình thường hay không
dự tính trước được coi là tải trọng sự cố.
6.2.
Các
nguyên nhân gây ra tải trọng sự cố có thể là:
- Va đập với tàu hoặc
các vật thể tương tự khác;
·
Vật
rơi;
- Trượt đất;
- Nổ;
- Cháy và thoát nhiệt;
- Vận hành sai chức năng;
- Bị kéo lê do neo (dragging
anchors).
6.3.
Các tải trọng sự
cố, cả về độ lớn lẫn tần suất cho từng hệ thống đường ống cần được xác định
bằng phân tích rủi ro.
7. Các tải trọng khác
7.1.
Tải trọng
do lưới đánh cá
7.1.1.
Thiết kế đường
ống chịu tải trọng do lưới đánh cá phải dựa vào tần suất đánh cá và đánh giá
khả năng nguy hiểm gây ra do lưới đánh cá để đảm bảo tính toàn vẹn của đường
ống.
7.1.2.
Tải trọng do
lưới đánh cá có thể do thân lưới (trawl boards) hay cần lưới (trawl beam) gây
ra.
7.1.3.
Tải trọng do
lưới đánh cá có thể thay đổi tuỳ thuộc vào từng đường ống hay từng đoạn đường
ống. Tải trọng này phụ thuộc vào kiểu, trọng lượng, vận tốc,dây đan lưới đánh
cá ...
7.1.4.
Các thông số về
lưới đánh cá cần phải xác định là:
- Kích thước cực đại của lưới
đánh cá thường được sử dụng trong vùng;
- Các loại lưới sẽ sử
dụng trong tương lai;
- Tần suất đánh cá trong vùng.
7.1.5.
ảnh hưởng do
lưới đánh cá có thể phân ra làm ba giai đoạn:
7.1.5. 1.
Va đập, nghĩa là
va đập của thân lưới hay cần lưới gây móp cục bộ ống hay làm hư hại lớp bọc. Tải trọng này thường
được coi là tải trọng môi trường.
7.1.5. 2.
Kéo
qua, nghĩa là giai đoạn thân lưới hay cần lưới trượt trên đường ống. Khi đó, nó
gây ảnh hưởng tổng thể lên các bộ phận của ống. Tải trọng này thường được coi
là tải trọng môi trường.
7.1.5.
3.
Nâng,
nghĩa là thân lưới hay cần lưới bị kẹt dưới ống và trong trường hợp nguy hiểm,
đường ống phải chịu lực bằng với lực làm đứt dây cáp của lưới. Tải trọng này thường được coi là tải
trọng sự cố.
7.1.6.
Khi xác định
năng lượng va đập, ít nhất phải xét đến các yếu tố sau:
- Trọng lượng và vận tốc của thân
lưới hay cần lưới;
- ảnh hưởng của vận tốc và khối
lượng nước kèm.
7.2.
Động đất
7.2.1.
Các
hiệu ứng tải trọng do động đất, kể cả trực tiếp hay gián tiếp được phân chia
làm hai loại: tải trọng môi trường và tải trọng sự cố, phụ thuộc vào xác suất
xuất hiện của động đất cùng với các tải trọng sự cố quy định trong TCVN 6475-7:
2007 mục 5.11.