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 chức năng;

·         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:                    C­_D = 0,7
• Hệ số nâng:                   C_L = 0,9
• Hệ số quán tính:            C_M = 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 R_e < 3.10⁵ và M ³ 0,8 , cần sử dụng hệ số thuỷ động thực tế, phù hợp với dòng chảy dừng (C_D = 1,2 ; C_L = 0,9) để xác định các lực thuỷ động dùng để tính toán ổn định. (Với R_e – 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 (H_s và T_p) 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, S_E.c , xác định từ công thức:

F(S_E.c) = 1 –                                                 (4.5-1)

trong đó:

• F(S_E.c) là hàm phân bố xác suất của S_E.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:

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.