Tài liệu Kết cấu tàu thủy - Vũ Ngọc Bích (Tập 1)

97 trang hapham 3430

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tài liệu Kết cấu tàu thủy - Vũ Ngọc Bích (Tập 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

tai_lieu_ket_cau_tau_thuy_vu_ngoc_bich_tap_1.pdf

Nội dung text: Tài liệu Kết cấu tàu thủy - Vũ Ngọc Bích (Tập 1)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH Vũ Ngọc Bích KẾT CẤU TÀU THỦY TẬP I Thành phố Hồ Chí Minh - 2007
MỞ ĐẦU Giáo trình “ Kết cấu tàu thủy” bao gồm hai phần, phần thứ nhất trình bày những vấn đề tổng quan về kết cấu tàu thuỷ. Phần thứ hai trình bày việc tính toán kết cấu tàu theo luật đóng tàu. Nội dung chính đề cập trong giáo trình tập I này bao gồm: • Giới thiệu về tàu và hệ thống kết cấu thân tàu. • Trình bày sơ lược về vật liệu đóng tàu. • Các chi tiết kết cấu tàu vỏ thép. Giáo trình trình bày những hiểu biết mang tính phổ thông, giúp người đọc biết và hiểu về kết cấu tàu thuỷ, nắm bắt nguyên tắc bố trí, thiết kế kết cấu tàu. Giáo trình được biên soạn cho sinh viên chuyên ngành thiết kế, đóng và sửa chữa tàu thuỷ. Giáo trình cũng có lợi cho những người làm việc tại các xí nghiệp đóng, sửa chữa tàu, công trình nổi và những người quản lý kỹ thuật tàu thủy. Mặc dầu đã có nhiều cố gắng, song người biên soạn nhận thức rằng, trong tài liệu không chắc tránh được các sai sót và khiếm khuyết. Hy vọng rằng, đồng nghiệp cùng bạn đọc gần xa, góp thêm nhiều ý kiến cùng xây dựng giáo trình hoàn chỉnh, phục vụ người đọc tốt hơn. Mọi phê bình, góp ý xin gửi về: KHOA ĐÓNG TÀU THUỶ VÀ CÔNG TRÌNH NỔI, Số 2, đường D3, khu Văn Thánh Bắc, phường 25, quận Bình Thạnh, thành phố Hồ Chí Minh, điện thoại/Fax: (08) 8035 655 hoặc Email: vubichchhp@yahoo.com. TS. Vũ Ngọc Bích 2
MỤC LỤC Trang Mở đầu 2 Mục lục 3 Chương 1 Giới thiệu tàu và kết cấu thân tàu 5 1 Các kiểu tàu thông dụng 5 1.1 Tàu chở hàng khô 5 1.2 Tàu chở hàng lỏng 8 1.3 Tàu chở khách 9 1.4 Tàu chuyên ngành 11 1.5 Tàu phục vụ khai thác dầu khí trên thềm lục địa 12 1.6 Tàu đánh bắt và chế biến cá 14 1.7 Tàu công tác hoạt động trên nguyên tắc khí động học 14 2 Đăng kiểm tàu thuỷ 15 3 Công ước Quốc tế liên quan đến đóng tàu 16 4 Vật liệu đóng tàu 17 4.1 Thép đóng tàu 17 4.2 Kim loại màu 19 4.3 Thép độ bền cao 19 4.4 Hợp kim nhôm 21 4.5 Gỗ 23 5.6 Vật liệu composite (chất dẻo cốt sợi thuỷ tinh) 25 Chương 2 Hệ thống kết cấu thân tàu 28 1 Hệ thống kết cấu thân tàu 28 2 Hệ thống kết cấu ngang 34 3 Hệ thống kết cấu dọc 37 4 Hệ thống kết cấu hỗn hợp ngang-dọc 40 5 Kết cấu các tàu vận tải thông dụng 43 5.1 Tàu vận tải hàng khô 43 5.2 Tàu chở dầu 45 5.3 Tàu chở hàng rời 54 5.4 Tàu chở hàng thùng tiêu chuẩn (container) 66 5.5 Tàu chở khí hoá lỏng (Liquid Gas Carriers) 75 5.6 Tàu khách 78 5.7 Tàu đánh bắt cá 82 5.8 Công trình nổi ngoài khơi 86 5.9 Tàu cỡ nhỏ 92 3
5.10 Tàu trên cánh ngầm chở khách 95 Chương 3 Chi tiết kết cấu thân tàu 98 1 Chi tiết kết cấu thân tàu 98 2 Dàn đáy 100 2.1 Đáy đơn 100 2.2 Đáy đôi 104 3 Mạn 117 4 Boong 128 5 Kết cấu phần mũi 148 6 Kết cấu phần lái 159 7 Vách 169 8 Vỏ bao 182 9 Vây giảm lắc 188 10 Vòm trục chân vịt 189 Chương 4 Thượng tầng và lầu 193 1 Lầu mũi 194 2 Thượng tầng 195 3 Be gió 202 Chương 5 Kết cấu bánh lái, bệ máy, ống khói 210 1 Bánh lái 210 2 B ệ máy 214 3 Ong khói 220 Tài liệu tham khảo 224 Bảng kê thuật ngữ về kết cấu tàu 225 CHƯƠNG 1 4
GIỚI THIỆU TÀU VÀ KẾT CẤU TÀU 1. Các kiểu tàu thông dụng Tàu thuỷ là cấu trúc nổi, có hoặc không có động cơ, chuyên dùng để hoạt động trên mặt nước. Tàu thủy được phát triển từ rất sớm trên trái đất, dùng vào các việc chuyên chở người, hàng hóa. Tàu thủy còn được phát triển phục vụ cho quân đội. Trước khi làm quen với kết cấu tàu cụ thể, bạn đọc có dịp tìm hiểu các kiểu tàu đang tồn tại cùng các đặc trưng kết cấu của chúng. Tàu thủy chia làm hai nhóm chính là tàu dân sự và tàu quân sự. Trong họ tàu dân sự lại gồm những nhóm nhỏ: 1.1. Tàu chở hàng khô Tàu nhóm này có mặt trên trái đất lâu đời nhất. Tùy thuộc loại hàng mà tàu chuyên chở, người ta đặt tên tàu. Tên gọi chung nhất là tàu chở hàng (cargo ship), bên cạnh đó còn tàu chở hàng rời (bulk carrier), tàu chở hàng thùng (container), tàu Ro-Ro (roll on – roll of), tàu chở sà lan (barge carrier), tàu chở gỗ (timber carrier), tàu chở hàng lạnh (refrigerated cargo ship), tàu chuyên chở xe, thiết bị (car carrier) vv Tàu chở hàng kiểu “cũ” chiếm hơn 50% số lượng tàu vận tải trên thế giới. Sức chở tàu loại này không lớn lắm, thường từ 4.000 dwt đến 10.000dwt. Lớn nhất trong nhóm này là tàu hàng sức chở 20.000dwt. Hình 1.1 là loại tàu hàng có thượng tầng giữa (tàu ba đảo - middle three island cargo vessel) ra đời vào khoảng giữa thế kỉ XX, hình 1.2 là loại tàu hàng có buồng máy đặt ở đuôi (tàu hai đảo – aft engine type cargo vessel) xuất hiện trong thập niên 70 của thế kỉ XX, hình 1.3 giới thiệu tàu hàng đi biển hiện đại. Hình 1.1. Tàu chở hàng kiểu 3 đảo (1950) Tàu chở container (hình 1.4) xuất thân từ tàu chở hàng khô với đặc tính hàng được bảo quản trong các thùng chuyên dụng loại dài 20 ft hoặc 40 ft, đã tiêu chuẩn hóa. Tàu container thường chế tạo với sức chở từ vài ngàn dwt đến 25.000dwt. Ra đời muộn hơn so với đội tàu container là tàu RO-RO (roll on – roll of) chuyên chở các thiết bị kỹ thuật có bánh xe (hình 1.5). Vận tốc khai thác tàu container và tàu RO-Ro khá lớn, khoảng 20-25 HL/h. 5
Hình 1.2. Tàu chở hàng kiểu 2 đảo (1970) Hình 1.3. Tàu vận tải đi biển hiện đại (1983) Hình 1.4. Tàu chở container (1993) Tàu chở hàng lạnh chuyên chở từ rau quả đến cá, thịt, thực phẩm. Nhiệt độ buồng lạnh khoảng +5°C đến -25°C. Tàu chở sà lan được nhắc đến nhiều là tàu LASH (Lichter Abroad Ship), chở các sà lan không tự hành (hình 1.6). Sức chở mỗi sà lan từ 370 tấn đến 850 tấn. Nhóm LASH dùng cần cẩu di động sức nâng 500T để dịch chuyển sà lan dọc tàu. Tàu SEA-BEE sử dụng cần cẩu cố định đặt phía lái để nâng hạ sà lan. 6
Hình 1.5. Tàu Ro-Ro (1978) Hình 1.6. Tàu chở sà lan (1969) Tàu chở hàng rời được chuyên nghiệp hóa để vận chuyển quặng, than đá, khoáng sản, các loại hạt rời không đóng gói (hình 1.7). Tàu nhóm này tuy gọi chung là tàu chở hàng rời, song nhiệm vụ cụ thể phải đọc từ tên gọi chuyên ngành như tàu OO (Ore-Oil) chở quặng lúc đi, chở dầu lúc về, tàu OBO (Ore- Bulk-Oil), tàu OSO (Ore-Slurry-Oil). Tàu nhóm chở hàng bulk có sức chở khá lớn, từ 100.000dwt đến 150.000dwt hoặc hơn. Hình 1.7. Tàu chở hàng rời (1978) 7
Ngoài ra, còn có nhóm tàu chuyên chở nặng (heavy cargo ship), hay còn được gọi là hàng siêu trường, siêu trọng – là hàng có kích thước hoặc trọng lượng thực tế của mỗi kiện/khối hàng vượt quá giới hạn quy định cho phép nhưng không thể tháo rời ra được (hình 1.8). Hình 1.8. Tàu chở hàng nặng (1995) 1.2. Tàu chở hàng lỏng. Trong nhóm này tàu chở dầu (tanker) dẫn đầu về sức chở và kích thước chiếm chỗ. Loạt tàu dầu khổng lồ, sức chở trên 540.000 tấn đã được đưa vào sử dụng từ hàng chục năm trước. Tàu chở khí hóa lỏng (liquefied gas carrier) và tàu chở hóa chất (chemical carrier) thuộc nhóm này. Tàu chở sản phẩm dầu chạy sông hay biển gọi chung là tanker. Sức chở thông thường tàu dầu từ 1000dwt đến tàu cỡ lớn, sức chở 300.000dwt đến 540.000dwt. Tàu chở khí hóa lỏng gồm khí thiên nhiên LNG và khí thuộc ngành dầu khí LPG. Các khí được nén và làm lạnh đến độ âm –161,5°C khi vận chuyển. Hình 1.9. Tàu dầu đi biển (1992) 8
Hình 1.10. Tàu dầu chạy sông Hình 1.11. Tàu chở khí thuộc gốc dầu hóa lỏng (LPG) Hình 1.12. Tàu chở khí khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG) 1.3. Tàu khách. Tàu chở khách bao gồm tàu đưa người qua lại trên tuyến đường ngắn chúng ta còn gọi “phà” (ferry car) đến tàu khách tuyến đường dài, cố định, chuyên ngành gọi là linear, tàu tuyến cố định. Tàu khách dùng để chở người hoặc chở người cùng hàng hóa. Có thể phân biệt thêm, tàu vừa chở khách và hàng hóa còn có tên gọi tàu hàng – khách. Tàu hoạt động tuyến cố định thường có kích thước 9
lớn, trang bị tiện nghi đầy đủ, lượng chiếm nước đến 70.000T, lượng khách đến 1.500 hoặc 2.000 người, hình 1.13 giới thiệu phà khách chạy biển; hình 1.14 giới thiệu tàu khách du lịch chạy biển mang tên Star leo, sức chở 1400 khách. Tàu du lịch chở khách tuyến ngắn, số lượng khách trên tàu không đông. Hình 1.13. Phà khách chạy biển Hình 1.14. Tàu khách chạy biển Hình 1.15. Tàu khách du lịch chạy sông 10
1.4. Tàu chuyên ngành Nhóm tàu này đa dạng, chuyên sâu vào một hoặc một số lĩnh vực phục vụ kỹ thuật. Đó là các tàu kéo (tug), tàu cứu hoả (fire vessel) tàu cứu hộ (salvage vessel), tàu thả phao, đảm bảo an toàn hàng hải (buoy vessel), tàu đặt cáp ngầm (cable layer), tàu cuốc bùn, tàu hút bùn làm công tác nạo vét luồng lạch, cảng (dredger), tàu hoa tiêu (pilot craft), tàu hải quan (custom boat), tàu kiểm ngư (fisheries patrol boat), tàu huấn luyện (training ship)vv . Hình 1.16. Tàu thả phao Hình 1.17. Tàu kéo – cứu hoả tại cảng Hình 1.18. Tàu đặt cáp ngầm 11
Hình 1.19. Tàu hút bùn Hình 1.20. Tàu huấn luyện 1.5. Tàu phục vụ khai thác dầu khí trên thềm lục địa (offshore vessels) Nhóm tàu này bao gồm các tàu làm dịch vụ cung ứng (supply ship), tàu đặt ống ngầm(pipe layer), cần cẩu nổi (crane barge), giàn khoan nổi gồm giàn nửa chìm và giàn tự nâng (semisubmersible drill rig, jack-up rig), tàu khoan (drill ship) và các công trình nổi phục Hình 1.21. Cần trục nổi 12
Hình 1.22. Tàu dịch vụ cung ứng Hình 1.23. Tàu khoan Hình 1.24. Dàn khoan tự nâng 13
Hình 1.25. Dàn khoan bán chìm 1.6. Tàu đánh bắt cá và chế biến cá Tàu cá chiếm đến 5% tải trọng của đội tàu trên thế giới. Tàu đánh bắt gồm tàu lưới kéo, tàu lưới vây, tàu làm nghề lưới rê vv Tàu chế biến ở dạng những cơ sở sản xuất khá lớn trên biển. Hình 1.26. Tàu đánh cá lưới vây 1.7. Tàu công tác hoạt động trên nguyên tắc khí động học Những tàu như tàu cánh ngầm (hydrofoil craft), tàu trên đệm khí (hover craft) thuộc nhóm này. Hình 1.27. Tàu cánh ngầm 14
Hình 1.28. Tàu đệm khí 2. Đăng kiểm tàu thủy Đăng kiểm tàu có tên gọi sát nghĩa là cơ quan phân cấp tàu, trong tiếng Anh được viết là Classification Society, người Trung Hoa gọi bằng từ “thuyền cấp xã”, trong ngôn ngữ của người Nhật dùng cụm từ này được hiểu theo âm Hán Việt là “hải sự hiệp hội”. Nhìn chung, nhiệm vụ chính của các cơ quan phân cấp tàu là giám sát kỹ thuật và phân cấp phù hợp với các yêu cầu được qui địunhậ bằng l t. Đăng kiểm Việt Nam (gọi bằng tiếng Anh là Vietnam Register) là cơ quan giám sát và phân cấp tàu, thực hiện công tác giám sát kỹ thuật, phân cấp, định mạn khô, đo dung tích tàu, giám sát việc thực hiện các yêu cầu của Công ước quốc tế có liên quan mà Việt Nam tham gia. Đối tượng kiểm tra, giám sát của cơ quan phân cấp là các loại tàu nói chung, các máy móc, trang thiết bị dùng trên tàu, các công trình trên biển cùng tất cả trang thiết bị trên đó. Các cơ quan này tiến hành hàng loạt công tác nghiên cứu khoa học liên quan đến thiết kế, chế tạo, bảo dưỡng, duy tu tàu và trang thiết bị đồng thời đưa ra các qui phạm (gọi bằng tiếng Anh là Rules and Regulations) liên quan đến độ bền, an toàn tàu cùng trang thiết bị. Các cơ quan phân cấp có uy tín trên thế giới, có liên quan đến công nghiệp đóng tàu Việt Nam có thể kể là: Đăng kiểm ra đời sớm nhất là Lloyd’s Register of Shipping thuộc vương quốc Anh. LR ra đời năm 1760, được cải tổ 1834. Từ năm 1914 cơ quan này mang tên trên cho đến ngày nay. LR có đại diện thường trú tại Việt Nam, tham gia các hoạt động đóng tàu, sửa tàu và công trình biển tại Việt Nam. Qui phạm tàu biển của LR mang tên “Rules and Regilations for the Classification of Ships”. Det Norske Veritas thành lập năm 1864 tại Oslo, Norway. Qui phạm đóng tàu DNV “Rules for Ships” được trình bày sáng sủa, dễ hiểu và trong chừng mức là chuẩn mực cho việc xác lập công thức qui phạm. DNV có đại diện tại Việt Nam, là đăng kiểm tham gia rất nhiều công trình tại Việt Nam. Đăng kiểm Liên xô trước đây và nay Đăng kiểm Liên bang Nga. Đăng kiểm URSS thành lập lại năm 1924 tại Leningrad, từ cơ quan mang tên Ruskij Registr lập năm 1914. Các qui phạm của Đăng kiểm URSS là nguyên mẫu cho các qui phạm chúng ta dùng đến từ những năm 1985 - 1997. Tên ghi tại bìa qui phạm URSS cũng là tên gọi ngoài bìa của qui phạm Việt Nam “Rules for the Classification and Construction of Sea-going Ships” . Ngày nay tên gọi chính thức của đăng kiểm này bằng tiếng Anh là Russian Maritime Register of Shipping (RMRS). 15
Đăng kiểm Mỹ American Bureau of Shipping, thành lập từ 1867, trú đóng tại New York từ 1898 dưới tên gọi American Standard Universal Record of Shipping. Ngày nay đăng kiểm trên mang tên gọi như trình bày trong dòng chữ đậm, viết tắt ABS. Qui phạm của ABS mang tên “Rules for Building and Classing Steel Ships”. Đăng kiểm Nhật bản có tên gọi Nippon Kaiji Kyokai, viết tắt NKK, thành lập từ 1899, trụ sở tại Tokyo. Tên gọi chính thức của NKK, dịch ra âm Hán Việt được hiểu là :Nhật bản hải sự hiệp hội. Đăng kiểm NKK giúp đỡ những người đóng tàu Việt Nam rất nhiều, từ hướng dẫn, đào tạo, giúp đỡ trong công tác chuyên môn đến cho phép dịch qui phạm của NKK “Rules and Regulations for the Construction and Classification of Ships” thành qui phạm sử dụng chính thức từ 1977 tại Việt Nam. Đăng kiểm Trung quốc có tên gọi bằng tiếng Hán là Trung quốc thuyền cấp xã , viết bằng tiếng Anh “China Classification Society - CCS”, khai trương công việc từ 1956. Qui phạm đóng tàu đi biển do CCS đư a ra mang tên gọi như “ Cương chất hải thuyền nhập cấp dữ kiến tạo qui phạm - dịch thành: Qui phạm phân cấp và đóng tàu đi biển vỏ thép” có ý nghĩa thực tế. Đăng kiểm Pháp Bureau Veritas thành lập 1828, từ 1832 trụ sở đóng tại Paris. BV tham gia một số công trình tại Việt Nam. Các đăng kiểm vừa nêu đều thuộc Internatinal Association of Classification Societies - IACS, có quan hệ mật thiết với Đăng kiểm Việt Nam (VR). Đối tượng giám sát của Đăng kiểm thông thường là: (a) Tất cả các loại tàu biển (đang đề cập qui phạm tàu biển) được qui định cụ thể bằng văn bản. Đăng kiểm Việt Nam, giống như Đăng kiểm NKK, giám sát các đối tượng kể sau: - Tàu hàng, - Tàu khách, - Tàu dầu, - Tàu chở xô khí hóa lỏng, - Tàu chở xô hóa chất nguy hiểm, - Tàu công nghiệp hải sản, - Tàu đánh cá, - Tàu có công dụng đặc biệt, - Tàu chở hàng thùng, (container) (b) Thiết bị làm lạnh hàng đặt trên tàu. (c) Công te nơ vận chuyển hàng hóa, kể cả cont te nơ chứa hàng hóa. (d) Thiết bị nâng hàng tàu biển. (e) Vật liệu, sản phẩm lắp đặt trên tàu biển. Những con tàu nằm trong phạm vi giám sát của Đăng kiểm chỉ được phép hoạt động khi đã được Đăng kiểm cấp sổ đăng ký kèm theo hồ sơ và chứng nhận phân cấp đã được Đăng kiểm thông qua. 3. Công ước quốc tế liên quan đến ngành đóng tàu Các công ước quốc tế thông lệ được tổ chức hàng hải quốc tế có tên gọi “Inter-Government Maritime Organization”, viết tắt IMO, soạn thảo, hiệu chỉnh và khuyến cáo lưu hành tại tất cả các nước liên quan hàng hải. Tổ chức hàng hải này do hội nghị về hàng hải của Liên Hợp Quốc họp tại Geneve 16
1948 thành lập với tên gọi ban đầu “Tổ chức tư vấn hàng hải liên chính phủ”, viết tắt IMCO. Những công ước ra đời từ các hội nghị IMO nhằm mục đích đảm bảo an toàn mạng người trên biển, an toàn hàng hải, an toàn phương tiện và các biện pháp chống ô nhiễm môi trường. Những tàu được thiết kế và chế tạo để hoạt động trên biển nhất thiết phải tuân thủ những qui định ngặt nghèo đặt ra trong các công ước quốc tế. Một số công ước liên quan đến ngành tàu như sau: - International Convention for Safety of Life at Sea, 1948. Việt Nam tham gia “Công ước quốc tế về an toàn sinh mạng con người trên biển”, 1974, viết tắt SOLAS, 74. - International Convention for Safety of Life at Sea, 1960 - International Convention for Prevention of Pollution of the Sea by Oil, 1954 as amended in 1962. “Công ước quốc tế về ngăn ngừa ô nhiễm biển do tàu gây ra, 73/78”, MARPOL, 73/78 - International Convention on Load Lines, 1966. “Công ước về mạn khô tàu biển, 1966”, LOAD LINES, 66. - International Convention on Tonnage Measurement of Ships, 1969. “Công ước quốc tế về đo dung tích tàu biển,1969”, TONNAGE, 69. - International Convention relating to Intervention on the High Sea in cases of Oil Pollution Casualties, 1969 - International Regulations for Preventing Collisions at Sea, 1972. “Qui tắc quốc tế tránh va trên biển, 1972”, COLREG, 72. 4. Vật liệu đóng tàu 4.1. Thép đóng tàu Thép làm vỏ tàu thường là thép cacbon, chứa từ 0,15% đến 0,23% cacbon cùng lượng mangan cao. Hai thành phần gồm lưu huỳnh và phốt pho trong thép đóng tàu phải ở mức thấp nhất, dưới 0,05%. Từ năm 1959 các đăng kiểm đồng ý tiêu chuẩn hóa thép đóng tàu nhằm giảm thiểu các cách phân loại thép dùng cho ngành này, trên cơ sở đảm bảo chất lượng. Theo tiêu chuẩn đã được chấp nhận này, có 5 cấp thép, từ kỹ thuật bằng tiếng Anh viết là grade, chất lượng khác nhau, dùng cho tàu thương mại. Đó là các cấp A, B, C, D và E. Thép cấp B dùng tại những vùng nhạy cảm với tác động lực, những nơi đòi tấm có chiều dầy lớn. Đăng kiểm ABS ghi rõ ràng thép grade B vào danh mục thép dùng làm thân tàu. Về sau này nhiều nước không ghi cấp C vào danh mục các cấp thép đóng tàu. Theo cách ghi trong qui phạm do Đăing kiểm V ệt Nam đưa ra, cấp thép chấp nhận tại mục “phân loại thép”, Điều 3.1.2- Qui phạm phân cấp và đóng tàu biển vỏ thép, 2003, gồm A, B, D, E. Những yêu cầu đối với thép đóng tàu, độ bền bình thường. Bảng 1.1 Grade A B D E Ghi chú Cacbon, % 0,21 max 0,21 max 0,21 max 0,18 max Mangan, % 2,5min x cacbon 0,6 min 0,6 min - Phospho, % 0,035 max 0,035 max 0,035 max 0,035 max Lưu huỳnh,% 0,04 max 0,04 max 0,04 max 0,04 max Silic, % 0,50 max 0,35 max 0,10-0,35 0,10-0,35 Ni,Cr,Cu, % Ít hơn 0,02% 17
Độ bền vật liệu Giới hạn bền tất cả các nhóm: 400 – 490 N/mm2(4100-5000 kG/cm2) Thép hình grade A : 400 – 550 N/mm2 Giới hạn chảy của tất cả các nhóm : 235 N/mm2 (2400kG/cm2) Thép grade A, dầy trên 25 mm : 220 N/mm2( 2250 kG/cm2) Các ký hiệu vừa nêu trong phần vật liệu này được dùng tại hầu hết các nước. Trong tài liệu chính thức do Đăng kiểm Việt Nam lưu hành, yêu cầu chung cho tất cả 4 cấp, theo TCVN 6259-7:2003 là: Bảng 1.2 Cấp thép Thử kéo Giới hạn chảy (N/mm2) Giới hạn bền (N/mm2) Độ giãn dài, % A ≥235 400 ÷ 520 ≥22 B D E Nguồn cung cấp thép đóng tàu khá phong phú. Chọn thép cho kết cấu cần biết xuất xứ và các tiêu chuẩn dùng thép được chọn. Một số hệ thống qui tắc bắt buộc áp dụng khi dùng thép sản xuất tại USA có thể kể sau đây. Hệ thống phân loại quan trọng nhất của USA là AISI (American Iron and Steel Institut), theo hệ thống này cấp thép được dùng 4 con số để chỉ. Số thứ nhất chỉ cacbon, con số thứ hai chỉ lượng phần trăm hợp chất chính yếu trong đó. Ví dụ 10XX chỉ thép cacbon. Hai con số cuối chỉ lượng cacbon, tính bằng phần trăm, ví dụ AISI 1040 chỉ thép cacbon chứa 0,04% cacbon. Các ký hiệu theo hệ thống ASTM (American Society for Testing Materials) mang đặc trưng dễ nhận diện, được dùng chính thức trong văn bản của đăng kiểm ABS. Thép thường dùng trong đóng tàu thuộc nhóm A36-78, là thép cacbon, dùng trong xây dựng. Hai con số cuối cùng trong ký hiệu ASTM chỉ năm ra đời của phiên bản mới nhất. Thép tấm, thép hình, ống vv thường được phân loại trong hệ thống này. Thép độ bền cao ghi trong hệ thống này gồm A242, A440, A441, và A588, vv Thép dùng chế tạo chi tiết được ghi bằng ký hiệu của nó. Những ký hiệu của kim loại và hợp kim qui định trong TCVN 1659 – 75 được tóm tắt như sau: Thép các bon thông thường (thép xây dựng), ký hiệu bằng CT và các con số đi sau đó chỉ độ bền kéo, tính bằng daN/mm2. Thép nhóm này có thể là CT31, CT33, CT34, CT38, CT42, CT51, CT61. Thép cac bon chất lượng tốt ký hiệu bằng ký tự C. Con số đi sau C chỉ hàm lượng cac bon, tính bằng phần vạn, 1:10.000 . Ví dụ thép của nhóm C5, C8, C10, C15, C20, C25, C30, C40, C70, C85. Thép công cụ ký hiệu bằng CD, ví dụ CD70, CD80, CD0, CD100, CD120. Thép hợp kim ghi theo cách được dùng tại Việt Nam như các ví dụ: 10Mn2Si, 9Mn2, 10SiMnPb, 100Cr2 vv Trong các sách kỹ thuật dùng tại nước ta, cho đến những năm chín mươi đang sử dụng các ký hiệu phân loại của Nga từ rất lâu và đã được chuyển hóa theo cách hiểu của người không phải Nga. Từ cuối những năm chín mươi, người Nga đã sử dụng những tiêu chuẩn chung như các nước khác trong cộng đồng thế giới, cách ký hiệu cũng đã có những đổi mới. Có lẽ vì sự thay đổi từ nguồn đó cần giải thích rõ để bạn đọc dễ đối chiếu với các tiêu chuẩn vừa nêu. Thép đóng tàu dùng tại Liên xô trước đây được qui định trong tiêu chuẩn nhà nước liên bang, ví dụ GOST 5521-50, từ năm 1950, hoặc trước đó, theo đó các thép CT.3C, CT4C theo cách viết của người Nga (nếu phiên âm thành Latinh các ký hiệu đó phải được hiểu là St 3S, St 4S) được dùng như thép độ bền bình thường. Ký hiệu của ngưới Nga mang nghĩa 18
CT - viết tắt từ “thép”, C – viết tắt “đóng tàu”. Thành phần của các thép đóng tàu theo qui định trong GOST 5521-50 và sau đó như sau: Bảng 1.3 Mác thép C, % Si , % Mn, % S, % P, % CT.3C 0,14 ÷ 0,22 0,12 ÷ 0,35 0,35 ÷ 0,60 ≥ 0,05 ≥0,05 CT.4C 0,18 ÷ 0,27 0,12 ÷ 0,35 0,4 ÷ 0,7 ≥0,05 ≥0,05 Yêu cầu về giới hạn chảy và giới hạn bền: 2 2 CT.3C: không nhỏ hơn 220 MN/m ; 380 ÷470 MN/m 2 2 CT.4C: không nhỏ hơn 240 MN/m ; 420 ÷520 MN/m Trong một số tiêu chuẩn GOST được công bố những năm gần đây, đã sử dụng giới hạn dưới của độ bền chảy để kết hợp với mác thép tiêu chuẩn quốc tế ISO. Đối với thép chế tạo tàu thuyền, theo GOST 5521-89 có hai loại đều có tính hàn. Một là loại thép có độ bền thông thường, có 4 mác thép A, B, C, D, giới hạn chảy đề là 235MPa; một là loại thép có độ bền cao, mác thép là A x x, D x x, E x x. Trong đó x x biểu thị cấp độ bền, ví dụ A32 biểu thị cấp 32 kG (tức 315 MPa), D40 biểu thị cấp 40 kG (tức 395 MPa). 4.2. Kim loại màu Đồng kim loại ký hiệu bằng Cu, gồm Cu1, Cu2, Cu3 Cu1 đồng kim loại chứa 99,9% Cu; Cu2 đồng kim loại chứa 99,7% Cu; Cu3 đồng kim loại chứa 99,5% Cu. Latông (đồng thau) ký hiệu L. Ví dụ LCuZn20, LCuZn40Pb2 Brông (đồng thanh) ký hiệu B. Ví dụ BCuSn2, BCuSn6Zn6 Đuara, ví dụ AlCu4Mg2. 4.3. Thép độ bền cao Theo tiêu chuẩn được các nước chấp nhận, thép độ bền cao dùng trong đóng tàu được phân cấp thành ba mức, ký hiệu 32, 36, 40. Mỗi mức bền được chia làm bốn cấp: AH (ví dụ AH32, AH36, AH40), DH (ví dụ DH32, DH36, DH40), EH ( EH32, EH36,EH40). Mức bền cao hơn, tính từ 42, 46, 50, 56, 62 và 69 được ghi vào các grade FH. Theo tiêu chuẩn Việt Nam, thép cường độ cao được chia làm các cấp sau đây: A 32, D32, E 32, A 36, D36, E 36, A 40, D 40, E 40, F32, F36 , F40. Thành phần hóa chất trong thép độ bền cao không quá giới hạn sau: Cacbon : 0,18 % max; Chrom : 0,25% max; Mangan : 0,90 –1,6 % Molybdem : 0,08 max; Phospho : 0,04% max; Đồng : 0,35 % max; Lưu huỳnh : 0,04 % max; Silic : 0,1 – 0,5 %; Nickel : 0,4 % max; Vanad : 0,10 % max. Giới hạn bền : H32 470 -585 N/mm2 (4800-6000 kG/cm2 ) 19
H36 490-620 N/mm2 (5000-6300 kG/cm2) H40 510 – 650 N/mm2 (5200 –6600 kG/cm2) Giới hạn chảy : H32 315 N/mm2 (3200 kG/cm2) H36 355 N/mm2 (3600 kG/cm2 ) H40 390 N/mm2 (4000 kG/cm2 ) Độ giãn dài tương đối : 20% cho mức 40; 22% cho mức 32. Tính chất cơ học của các cấp thép cường độ cao: Bảng 1.4 Cấp thép Thử kéo Giới hạn chảy (N/mm2) Giới hạn bền (N/mm2) Độ giãn dài, % A 32 ≥315 440 ÷ 590 ≥22 D32 E 32 F32 A 36 ≥355 490 ÷ 620 ≥21 D36 E 36 F36 A 40 ≥390 510 ÷ 650 ≥20 D40 KE 40 KF40 Tính chất cơ học các mác thép sản xuất tại Liên trước đây, ký hiệu còn lưu lại trong tài liệu Việt Nam được ghi lại như sau. Bảng 1.5 Mác thép (Nga) Giới hạn chảy Giới hạn bền Độ giãn dài δ10 MN/m2 MN/m2 % CXΛ-1 350 ≥520 18 CXΛ-1 400 540÷660 16 MC-1 400 540÷660 16 09Γ2 300 ≥450 18 M 300 480÷620 18÷17 MK 350 500÷640 16 CXΛ-45 450 560÷680 16 KC 450 560÷680 15 Sử dụng các cấp thép vào kết cấu tàu theo đúng chức năng của chúng. Các nhà đóng tàu các nước tuân thủ qui định gần như thống nhất sau, trích từ qui định của RMRS (Russian Maritime Register of Shipping). 20
Bảng 1.6 Cơ cấu Cấp thép Nhiệt độ thiết kế dùng cho vật liệu, °C 0 -10 -20 -30 -40 -50 Chiều dày cơ cấu, mm, không quá trị gía sau Loại hai A 30 20 10 - - - B 40 30 20 10 - - D 50 40 30 20 10 - E 50 50 50 50 45 35 A32,A36,A40 40 30 20 10 - - D32, D36, D40 50 50 45 35 25 15 E32, E36, E40 50 50 50 50 45 35 Loại một A 20 10 - - - - B 25 20 10 - - - D 35 25 20 10 - - E 50 50 50 40 30 20 A32, A36, A40 25 20 10 - - - D32, D36, D40 45 40 30 20 10 - E32, E36, E40 50 50 50 40 30 20 Hạng A - - - - - - đặc biệt B 15 - - - - - D 20 10 - - - - E 50 45 35 25 10 - A32, A36, A40 15 - - - - - D32, D36, D40 30 20 10 - - - E32, E36, E40 50 45 35 25 10 - Chiều dày các tấm hoặc chiều dày thành thép hình của ba cấp A, B, D được đề cập tại đây không quá 50mm. Chiều dày tối đa cấp E chỉ được tính 100mm. Cụ thể hơn nữa, thép cấp A, B thường hóa được cung cấp dưới dạng chiều dày không bị hạn chế trong giới hạn, hiểu đơn giản hơn, thép cán thuộc cấp A, B có chiều dầy bất kỳ. Thép cấp D chiều dày đến 25mm có thể là thép lắng và xử lý hạt mịn ( steel is killed and fine grain treated). Thép cấp D dày trên 35mm qua lắng và xử lý hạt mịn còn phải chịu thử va đập. 4.4. Hợp kim nhôm Vật liệu truyền thống làm tàu cỡ nhỏ, chạy nhanh là hợp kim nhôm. Trên thị trường quốc tế giá vật liệu từ hợp kim nhôm cao hơn 10 lần thép cùng trong lượng. trong lượng riêng của nhôm thực ra chỉ bằng 35% trong lượng riêng của thép, do vậy giá thành tính cho đơn vị thể tích vật liệu, giá hợp kim nhôm chỉ cao hơn thép 4 lần. Điều có thể nói, nếu có giới hạn bền của hợp kim nhôm không cách xa nhiều so với thép thường, về mặt lý thuyết có thể tiết kiệm 65% trong lượng vật liệu nếu thay thế bằng nhôm. Trong thực tế giới hạn bền của nhôm thấp hơn do vậy mức giảm trong lượng tối đa khi thay thép bằng nhôm chỉ không đến 50%. Hợp kim nhôm dùng đóng vỏ tàu thưòng chứa mangan như chất bổ sung chính. Hợp kim này chịu được tác động của nước biển, trong khi đó độ bền của nó khá cao. Theo phân loại dùng tại UK hợp kim nhôm dùng trong đóng vỏ tàu (marinealuminim alloys) được phân thành 5 nhóm chính, ký hiệu N4, N5, N6, N8 và H30, tương ứng các phân loại của ISO là A1Mg2, A1Mg2, A1Mg3-5, A1Mg3-5, A1Mg5, A1 Mg 4-5 Mn và A1SIMgMn. Đặc tính cơ học hợp kim nhôm vừa nêu như sau: module đàn hồi E = 69 Gpa, module cắt G = 25 GPa Độ bền kéo nhóm N4: 160-225 MPa, nhóm N8:125-270 MPa, và của H30:120-240 MPa. 21
Theo cách phân loại của Nga, hợp kim nhôm – mangan được chế tạo theo các mã AMg2, AMg3, AMg6, AMg61, và các mã khác. Đặc tính cơ học các tấm cán từ hợp kim nhôm sản xuất tại Nga được xác nhận theo tiêu chuẩn nhà nước ¥OCT 261631, (GOST 261631). Theo tiêu chuẩn này hợp kim AMg2 có các tính chất: độ bền kéo σu = 176,4MPa, giới hạn chảyσy = 147 MPa, giãn dài tương đối a = 7%. Hợp kim AMg3 có các tính chất: độ bền kéo σu = 186,2 MPa, giới hạn chảy σy = 78 –196MPa, giãn dài tương đối a = 12 –15%. Hợp kim AMg4 có các tính chất: độ bền kéo σu = 235 MPa, Giới hạn chảy σy = 98 MPa, giãn dài tương đối a = 12%. Theo qui định ghi trong quy phạm đóng tàu vỏ hợp kim nhôm của DNV, đặc tính cơ học tối thiểu áp dụng cho vật liệu làm vỏ tàu phải là: Bảng 1.7 Vật liệu Độ bền kéo, MPa Giới hạn chảy, MPa A1Mg3Mn 240 110 A1Mg4 250 110 AMg4,5Mn 270 145 AMsSil 170 115 Thành phần hoáhọc các hợp kim này phải nằm trong phạm vi sau: Bảng 1.8 Vật liệu Tiêu chuẩn tương đương Thành phần hoá học,% ISO2 AA3 Si Mg Mn Chất khác A1Mg4 A1Mg4 5086 Max0,5 3,5-4,6 Max0,8 Cu: 0,1 A1Mg3Mn A1Mg3Mn 5454 Max0,5 2,4-3,4 0,3-1,0 F: 0,5 A1Mg4,5Mn A1Mg4,5Mn 5083 Max0,5 4,0-4,9 0,3-1,0 Cr: 0,35 A1MgSil A1MgSil Max0,5 0,4-1,0 Zn: 0,20 Ti: 0,20 Cấp và cơ tính hợp kim nhôm cán dùng làm vỏ tàu chạy nhanh ghi trong TCVN 6451-2:1998 được trích dẫn tại bảng dưới đây. Lưu ý bạn đọc, mã hiệu được cơ quan có thẩm quyền Việt Nam dùng cho hợp kim nhôm phải được hiểu theo hoàn cảnh cụ thể. Trong bảng sau, nếu không giải thích thêm ký hiệu bằng số không khác ký hiệu được tổ chức AA (Aluminium Association) sử dụng. Ký hiệu chữ đi sau số phải được đối chiếu với giải thích do cơ quan có thẩm quyền nêu. Ưng suất trong bảng tính bằng Mpa. Bảng 1.9 Hợp kim nhôm Thử kéo Nhóm Cấp Chiều dày t Vật liệu cơ bản Liên kết hàn mm Ứng suất thử Độ bền kéo Độ bền kéo Nhóm 5052 5052 P-O ≤ 75 65 min 175~125 175 min 5052 P-H32 ≤ 12 155 min 215~265 5052 P-H34 ≤ 12 175 min 235~285 5052 S-O ≤ 130 70 min 175~245 5052 S-H-112 ≤ 130 70 min 175 min 22
Nhóm 5083 ≤ 40 125~265 275~355 275 min ≤ 12 215~295 305~385 ≤ 40 215~295 305~385 ≤ 38 120 min 275~355 ≤ 130 110 min 275 min Nhóm 5086 ≤ 6,5 125 min 255 min 245 min 6,5< t ≤ 13 245 min 13< t ≤ 25 110 min 25< t ≤ 50 110 min 5086 S-H112 ≤ 130 95 min 240 min 245 min Nhóm 5456 5456 P-H116 ≤30 230 min 315 min 285 min 5456 S-H111 ≤130 180 min 290 min Nhóm 6000 6061 P-T6 ≤6,5 245 min 295 min 167 min 6061 S-T6 ≤12 245 min 265 min 6N01 S-T5 ≤6 205 min 245 min 157 min 6 < t ≤ 12 175 min 225 min Cả hai loại vật liệu truyền thống này khi làm vỏ tàu đòi hỏi qui trình bảo dưỡng rất nghiêm ngặt. Tàu phải được cạo hà sơn lườn thường xuyên, bề mặt vỏ tàu phải đảm bảo nhẵn gần với mức khi xuất xưởng để tàu có thể phát huy tốc độ tính toán. Thực tế cho thấy, vỏ tàu thép có sức hẫp dẫn với các sinh vật biển trong môi trường nhiệt đới và điều này làm cho bề mặt vỏ tàu bị nhám rất nhanh. Đã có trường hợp tàu cao tốc vỏ thép có vận tốc thiết kế 28 Hl/h, chỉ sau thời gian đậu tại bến ba tuần đã bị hà bám bám tăng sức cản vỏ tàu đến mức khi chạy lại vận tốc tàu không vượt qua được 15Hl/h. 4.5. Gỗ Gỗ dùng trong đóng tàu rất đa dạng. Tính chất cơ học của vật liệu này khác nhau rất nhiều giữa các nhóm gỗ. Dữ liệu nêu tiếp đây được tính theo giá trị trung bình. Trọng lượng riêng của gỗ thay đổi từ gỗ nhẹ, ví dụ thông: 600÷650 kg/m3 đến 900 kg/m3 cho gỗ cứng. Tính chất cơ học của gỗ được xác định theo những yêu cầu đặc biệt của Đăng kiểm. Độ bền kéo dọc thớ vào khoảng 50÷60 MPa. Theo TCVN 1072-71 gỗ dùng trong đóng tàu được chia thành 6 nhóm theo tính chất cơ lý. - Gỗ nhóm I, nhóm II và nhóm III được dùng chế tạo khung xương của tàu. - Không được dùng gỗ nhóm IV, nhóm V và nhóm VI để làm sườn, sống mạn và mã nối, sống đuôi, sống mũi, trục lái, ống bao trục chân vị t và bệ máy. - Ván vỏ và vùng dưới đường nước phải là gỗ nhóm II hoặc nhóm III. Ván vỏ vùng trên đường nước và ván boong có thể là gỗ nhóm IV. Ván bao của thượng tầng và của lầu có thể là gỗ nhóm V. Ván vách ngang kín nước có thể là gỗ nhóm IV. Gỗ dùng để đóng tàu phải được sấy khô, có độ ẩm từ 15 ÷22%, không bị xiên thớ. 23
TCVN 1072-1971: GỖ – Phân nhóm theo tính chất cơ lý 1. Tiêu chuẩn này dùng cho các loại go dùng để chịu lực. Chủ yếu là xây dựng và trong giao thông vận tải. 2. Các loại gỗ được chia thành sáu nhóm theo ứng suất nén dọc, uốn tính, kéo dọc và cắt dọc như quy định trong bảng 1.10. Bảng 1.10 Ứng suất, 105N/m2(1N/m2=105 kG/cm2) Nhóm nén dọc uốn tĩnh kéodọc cắt dọc I Từ 630 trở lên Từ 1300 trở lên Từ 1395 trở lên Từ 125 trở lên II 525-629 1080-1394 1165-1394 105-124 III 440-524 900-1079 970-1164 85-104 IV 365-439 750-899 810-969 70-84 V 305-364 625-749 675-809 60-69 VI Từ 304 trở xuống Từ 624 trở xuống Từ 674 trở xuống Từ 59 trở xuống 3. Đối với các loại gỗ chưa có số liệu về ứng suất thì tạm thời dựa theo khối lượng thể tích để chia nhóm như trong bảng 1.11. Bảng 1.11 Nhóm Khối lượng thể tích I Từ 0,86 trở lên II 0,73-0,85 III 0,62-0,72 VI 0,55-0,61 V 0,50-0,54 VI Từ 0,49trở xuống 4. Khi tính ra các trị số tính toán thì dùng các trị số ứng suất qui định trong bảng 1.12. Bảng 1.12 Ứng suất, 105N/m2 Nhóm nén dọc uốn tĩnh Kéo dọc cắt dọc I 630 1300 1395 125 II 525 1080 1165 105 III 440 900 970 85 24
IV 365 750 810 70 V 305 625 675 60 VI 205 425 460 45 4.6. Vật liệu composite (chất dẻo cốt sợi thuỷ tinh) Vật liệu composite FRP đã dùng có kết quả lâu nay gồm nhựa polyester không no và sợi thuỷ tinh. Vật liệu này thường được viết tắt từ tiếng Anh kiểu Mỹ là FRP hoặc theo cách viết của người Anh là GRP. Những thông tin về vật liệu do các hãng sản xuất nước ngoài cung cấp, thông tin về công nghệ làm vật liệu composite được các trường đại học Anh, Mỹ và tổ chức nông lương thế giới FAO tại Rome, cùng chi nhánh của tổ chức này tại ASIAN cung cấp. Các mẫu tàu chạy nhanh thông dụng làm từ vật liệu composite được các nhà máy làm tàu chuyên dụng của hãng Transfield (Uc), tổ hợp công nghiệp quốc phòng hunting (Vương quốc Anh), Robert Allan (Canada), Simonneau (Pháp), Công ty cùng nhà máy Kan Nam (Hàn Quốc), tổ hợp công nghiệp đóng tàu Singapore giới thiệu. Những thông tin liên quan tại Việt Nam chúng tôi sử dụng tài liệu nội bộ cùng thông tin của các cơ sở làm vật liệu composite, tại thành phố Hồ Chí Minh, Nha Trang, Kiên Giang. Một số tính năng kỹ thuật của vật liệu FRT như sau: (1) Vật liệu composite làm vỏ tàu thuỷ gồm nhựa polyester không no, tỉ lệ trọng lượng nhựa trong thành phần vật liệu từ 70% đến 50%. Vật liều này thuộc nhóm nhiệt hoá (thermoset), mọi phản ứng xảy ra trong môi trường tự nhiên, ở nhiệt độ bình thường (từ chuyên môn còn gọi là nhiệt độ trong phòng). Thời gian đông cứng vật liệu sau khi trát có thể từ 5 phút, một giờ hoặc lâu hơn tuỳ thuộc yêu cầu người chế tạo. Khác vật liệu nhựa làm đồ dùng gia dụng, FRP hơn 40 tuổi thọ vẫn giữ đuợc đặc tính cơ học tốt xấp xỉ lúc mới đúc. Đặc trưng chính và cơ tính các vật liệu tham gia vào composite FRT như sau: (a) Vật liệu sợi thuỷ tinh. Trong thực tế sản xuất vật liệu composite, ở nuớc ngoài người ta đang sử dụng 6 nhóm thuỷ tinh dùng trong công nghiệp vật liệu composite. Thuỷ tinh nhóm E được dùng rộng rãi nhất, áp dụng cho nhiều lĩnh vực, giá không cao. Thuỷ tinh nhóm A(alkali), nhóm C( chịu hoá chất), đặc tính cơ học khác thuỷ tinh nhóm E không nhiều, song giá cao hơn. Thuỷ tinh nhóm S và nhóm R áp dụng vào những trường hợp đòi hỏi về sức bền rất cao như máy bay siêu tốc, tàu vũ trụ, đã được sản xuất và đưa vào sử dụng song giá thành còn quá cao. Thuỷ tinh nhóm E được kéo thành sợi hết sức mảnh, đường kính tính bằng đơn vị micron (ký hiệu μ bằng 1:1.000.000m). Ví dụ mỗi sợi thuỷ tinh dùng làm tấm vô hướng có đường kính chỉ bằng 8 ÷15 μ m. Nhiều loại thuỷ tinh được bện lại thành bó và cũng mang tên gọi sợi thuỷ tinh. Những bó nhỏ nhất gồm 60 đền 120 sợi mảnh. Đặc tính cơ học thuỷ tinh nhóm E: tỉ trọng 2,56; giới hạn bền khi kéo 3,4x105 N/m; modul đàn hồi 27x106 N/m2. Sợ thuỷ tinh được bó thành cuộn, được ép thành tấm hoặc dệt thành tấm. trong ngành tàu thuỷ chúng ta đang sử dụng các dạng bán thành phẩm từ sợi thuỷ tinh như sau: tấm sợi vô hướng, viết tắt CMS (chopped strand mat), sợi (rovings) do nhiều bó sợi kết hợp dưới dạng lớn hơn, cuộn xoắn vv Từ sợi người ta dệt thành tấm vải thuỷ tinh, viết tắt của cụm từ này là WR (woven roving), có chiều dày vải, trọng luợng tấm trên một diện tích thay đổi, ví dụ vải loại 300g/m2 hoặc 600 hay 800g/m2. Trong thành phần vỏ tàu luôn có mặt CMS vàWR. Phân bố lớp, chọn chiều dày các lớp vải, và cách trát lớp tuỳ thuộc tính năng vỏ tàu, tuỳ thuộc thiết kế và công nghệ chế tạo. 25
Ngoài sợi thuỷ tinh, khi làm vật liệu composite người ta còn dùng sợi aramind hay còn gọi là sợi Kevlar, nhẹ hơn sợi thuỷ tinh song độ bền cao hơn. Loại sợi thứ ba, sợi carbon khi ra đời chỉ phục vụ ngành hàng không, vũ trụ song ngày nay đã tìm thấy chỗ ứng dụng trong vỏ tàu thuỷ vì giá vật liệu đã giảm nhiều lần so với ngày đầu. Một số tàu nhỏ, chủ yếu cho quốc phòng đã được làm bằng kevlar hoặc sợi cacbon. Sợi cacbon và sợi thạch anh được các nhà khoa học Nga tổng hợp, áp dụng trong công nghiệp quốc phòng có kết quả, và hiện nay vật liệu này đang được thâm nhập vào các ngành không phải quốc phòng nhờ hạ giá sản xuất. Trong điều kiện của nước ta, sợi thuỷ tinh nhóm E đã được dùng phổ biến làm vật liệu composite. Sợi nhóm này cho đến năm 1996 đều được nhập từ nước ngoài, chủ yếu từ Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật, Uc và Trung Quốc. Giá vật liệu này đã liên tục hạ thấp trong những năm qua. Mặt khác khả năng sản xuất sợi thuỷ tinh trong nước, dùng nguyên liệu là cát trắng trong nước, theo công nghệ nhập từ ngoại đã là một thực tế. Nguồn nguyên liệu sợi thuỷ tinh có thể được đánh giá là khá ổn định trong điều kiện hiện nay. (b) Nhựa polyester không no. Để sản xuất vỏ tàu composite, ngoài sợi thuỷ tinh còn cần nhựa cao phân tử. Trước đây tại Việt Nam nhiều người đã sử dụng epoxy, chủ yếu do Liên xô (cũ) cung cấp, làm vật liệu liên kết và làm vật liệu thử composite. Do giá thành nhựa epoxy còn cao, còn giá nhựa polyester thấp nên nhựa polyester được sử dụng nhiều hơn trong công nghiệp sản xuất vật liệu composite. Đặc tính cơ học của nhựa polyester thay đổi tuỳ thuộc đẳng cấp nhựa đang dùng. Tính chất cơ học chung cho cả nhóm polyester như sau: tỉ trọng 1,38; Giới hạn bền 1,0x105 N/m2; modul đàn hồi 11x106N/m2. Hiện nay trên thị trường đã có chừng 25 đến 30 chủng loại mang tên gọi polyester dùng làm vật liệu composite. Những mã hiệu nhựa quen thuộc trên thị trường Việt Nam, từ quan sát có thể thấy, có nguồn từ Bắc Âu (Đan Mạch, Nauy), từ Uc, Hàn Quốc, Nhật Bản Và Trung Quốc. Nhựa polyester không no dùng cho ngành đóng tàu đều phải được các cơ quan Đăng Kiểm tàu quốc tế thử nghiệm và cấp chứng chỉ công nhận chất lượng đảm bảo cho việc làm vỏ tàu. Theo cách phân loại của cơ quan Đăng Kiểm, nhựa polyester không no được chia ra các nhóm như nhựa dùng vào nhiều mục đích; nhựa để “đúc” vỏ tàu; nhựa làm lớp phủ vỏ tàu, từ chuyên môn gọi là lớp áo ngoài bề mặt (gelcoat); nhựa chậm cháy làm xuồng cứu sinh chịu lửa; nhựa chịu tác động của hoá chất; nhựa chịu dầu; nhựa làm két; nhựa làm bồn chứa nước, chứa dầu. Trong sản xuất thực tế chúng ta đã sử dụng gần hết chủng loại nhựa đã được Đăng Kiểm cấp chứng chỉ. Mỗi chủng loại phù hợp với công việc đã được chỉ định. Tuỳ thuộc nước sản xuất, mã hàng hoá thương mại của nhựa khác nhau song chất lượng nhựa mỗi nhóm phải đảm bảo những yêu cầi u tối th ểu. Theo cách phân loại đang thịnh hành ở Châu Âu, mã hiệu nhựa được ký hiệu bằng số, ví dụ nhựa 873E là nhựa đa mục đích, có khả năng đông cứng nhanh (chừng 15 phút); nhựa 876E là nhựa chuyên làm vỏ tàu hoặc công trình trong môi trường nước biển; nhựa 849 có khả năng chịu lửa; nhựa 844 chịu được tác động của acid. Cũng làm từng ấy nhiệm vụ, cũng có khả năng chịu lửa, chịu acid song mã hiệu nhựa sản xuất tại Hàn Quốc được mã hoá như sau: G-3(BT), G-774(T,S,Y,P,), RF-2000SE, S-650, vv Tuỳ thuộc khả năng sử dụng, và điều này có liên quan đến mã hiệu nhựa, giá nhựa không hoàn toàn như nhau. Chênh lệch giá giưã nhựa chất lượng cao và polyester chất lượng thấp hơn có khi đến 50%. Một điều đáng quan tâm cho những người làm vỏ tàu composite là gía nhựa polyester trên thế giới ngày càng giảm. Nhờ sự hạ giá mua nguyên liệu gồm sợi thuỷ tinh và nhựa polyester, giá vật tư làm vỏ tàu giảm theo. Đơn giá một vỏ tàu hoàn chỉnh làm bằng vật liệu composite trước đây cao hơn giá vỏ tàu có kích thước tương đương làm bằng thép hoặc gỗ, hiện nay giá vỏ tàu composite không vượt quá giá vỏ thép. 26
Công nghệ làm vỏ tàu bằng vật lịệu composite hiện nay bao gồm các bước chính như sau:(1) Làm khuôn mẹ (khuôn cái ) bằng composite; (2) Chuẩn bị vật liệu chống dính để tách khuôn khi đúc xong; (3) Trát lớp gelcoat; (4) Trát các vật liệu composite theo qui trình đã xác định; (5) Tạo các chi tiết gia cứng dọc hoặc ngang; (6) Tạo vách dọc, vách ngang bằng vật liệu composite hoặc vật liệu khác; (7) làm boong; (8) Liên kết thượng tầng. Trong tất cả các bước, khâu vật liệu composite đóng vai trò tối cần thiết. Vật liệu này được tạo ra khi liên kết bền hai thành phần chính là nhựa polyester nêu ở trên. Vật liệu sẽ đông cứng ở nhiệt độ bình thưòng với sự có mặt của chất đông cứng hay còn gọi là chất xúc tiến hay chất gia tốc. Thời gian đông cứng thường áp dụng khi trát vỏ tàu là trên dưới một giờ đồng hồ. Kích thước và hình dáng vật thể do vật liệu composite tạo thành bị giới hạn bởi sự có mặt của khuôn mẹ. Sau đông cứng, vỏ tàu định hình đúng hình mẫu mà khuôn mẹ đã hạn định. Khi đã thành vật liệu composite đặc tính cơ học của FRP như sau: - Vật liệu FRP có tỉ trọng từ 1,55÷1,7 t/m3 .So với thép đóng tàu, tỉ trọng của FRP chỉ bằng 1/5 tỉ trọng của thép (tỉ trọng thép đóng tàu 7,8 t/m3). - Giới hạn bền nằm trong phạm vi 1200 ÷1600 kG/cm2. (2) Giới hạn bền của vật liệu FRP thấp hơn của thép (bằng 50%÷60% giới hạn bền của thép đóng tàu với giới hạn bền của thép đóng tàu 2400 kG/cm2). Xét khối lượng vật tư cần đưa vào tàu cùng kích cỡ và tính năng, có thể nhận thấy tính, nhờ tỉ trọng bản thân nhỏ còn giới hạn bền không quá nhỏ so với thép, nên số luợng vật tư FRP sẽ nhỏ hơn, còn dùng thép khối lượng thép tính bằng tấn sẽ lớn hơn (xem bảng so sánh dươi). Tính chất này cho phép giảm lượng giãn nước của vỏ tàu bằng FRP, và điều này có lợi cho việc làm tăng tốc độ tàu hoặc giảm công suất máy. (3) Vật liệu FRP ra đời đã 50 năm, đã ứng dụng trong ngành chế tạo vỏ tàu trên 40 năm. Những vỏ tàu đầu tiên chế tạo từ giữa những năm 40 của thế kỷ XX, trên cơ sở công nghệ thời bấy giờ, chưa tiên tiến, vẫn còn bền vững cho đến ngày nay. Từ thực tế đã cho thấy vật liệu FRP đã tìm được chỗ ứng dụng tốt và phù hợp trong ngành đóng tàu thuỷ. Thực tế cũng cho thấy vật liệu FRP không bị thẩm thấu, không ngậm nước (tỉ lệ ngậm nước của vật liệu nằm trong giới hạn 1/10.0000), không bị lão hoá nhanh. Sinh vật biển không có khả năng thâm nhập và phá hoại loại vật liệu này. Nhờ tính chất này việc bảo dưỡng vỏ tàu FRP dễ dàng hơn nhiều so với bảo dưỡng vỏ thép, vỏ gỗ. Người ta có thể bảo dưỡng vỏ tàu FRP, kể cả phần chìm mà không cần lên đà, vào ụ nếu vỏ chưa bị sự cố trầm trọng. Dưới đây là bảng so sánh các tính năng chủ yếu giữa thép, nhôm, gỗ, vật liệu FRP. Trọng lượng trên một m2 diện tích vỏ tàu dài 14m được tính như sau cho các loại vật liệu khác nhau, trong đó đã tính cả vật tư làm các nẹp gia cường kết cấu: Bảng 1.13 Các đặc trưng Gỗ Thép FRP XMLT Trọng lượng riêng, (t/m3) 0,78÷0,82 7,8 1,6÷1,7 2,6 Chiều dày vỏ (tính mm) 35 5 9-10 28 Trọng lượng vật liệu/m2 50kg 56kg 24kg 76kg 27
CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG KẾT CẤU THÂN TÀU 1. Hệ thống kết cấu thân tàu Vỏ tàu dạng chung nhất được xét như kết cấu vỏ có nẹp cứng. Ba khung giàn kết cấu từ các dầm ngang, dầm dọc, lợp bằng tấm, như đã giới thiệu có tên gọi bằng tiếng Anh panel grillage, đóng vai trò các khung chính tạo vỏ tàu. Đó là các khung giàn đáy, mang ký hiệu 1, khung giàn mạn 2 và khung giàn boong 3 của kết cấu tàu vỏ kim loại (hình 2.1). Hình 2.1 Căn cứ bố trí các cơ cấu cứng như vai trò các panel trong ngành xây dựng, của các khung vừa nêu để phân biệt hệ thống kết cấu tàu. Hai hệ thống kết cấu tàu, hệ thống ngang (transverse framing) có cách sắp xếp panel như tại hình 2.2a, trong đó khoảng cách giữa các cơ cấu cứng đặt ngang tàu ngắn hơn khoảng cách cùng tên song đặt dọc. Nếu ký hiệu a – khoảng cách giữa các panel đặt ngang, b – khoảng cách giữa hai panel đặt dọc, dấu hiệu phân biệt hệ thống ngang sẽ là: a b chúng ta gặp kết cấu theo hệ thống dọc (longitudinal framing), hình 2.2b. Trường hợp thứ ba, khoảng cách a gần bằng b, các panel được xếp như mạng lưới đều nhau chúng ta gặp trường hợp kết cấu trung gian như hình 2.2c. Lái Mui Hình 2.2 Hệ thống kết cấu tàu Trước khi tìm hiểu các hệ thống kết cấu bạn đọc có thể nhớ lại cách gọi tên các cơ cấu và chi tiết trong thân tàu. Thân tàu (hull) dạng kết cấu vỏ mỏng có gia cường dọc và ngang, đảm bảo tàu nổi trên nước và làm việc an toàn trong các chế độ khai thác. Thông lệ có thể coi tàu gồm ba phần chính, xét theo chiều dọc như phần lái (aft end region) chiếm khoảng 30% chiều dài tàu, phần giữa tàu (midship region) chiếm 40% và phần mũi (fore end region) chiếm phần còn lại. Phần mút tàu được hiểu là phần thuộc 0,1L tính từ mỗi mút tàu. Trong ba phần này người kỹ sư phải đi sâu vào phân tích, tính toán và hình thành kết cấu đặc trưng từng vùng. Những kết cấu tại phần đuôi hoặc phần lái như vừa gọi thông thường gồm có kết cấu vùng lái, sau vách đuôi (after peak structure), kết cấu vòm đuôi, sống lái (sternframe, shaft brackets and bossings). 28
Khu vực giữa đòi được quan tâm đúng mức. Các kết cấu có tầm quan trọng đặc biệt gồm lớp tôn bao, mặt cắt ngang tương đương của thân tàu và mô đun chống uốn của mặt cắt, các vách ngang, vách dọc (bulkhead), đáy tàu, boong. Vùng trước của tàu gồm những phần quan trọng: sống mũi (stem), boong mũi, két sâu (deep tanks), kết cấu đặc trưng khu vực trước vách chống va (fore peak structure). Theo chiều cao, những người tính toán kết cấu tiếp xúc với những kết cấu chính của tàu, tính từ dưới lên như đáy tàu (có thể dạng đáy đơn, đáy đôi) thường là bộ phận quan trọng nhất nhì, nằm dưới cùng thân tàu. Trong cụm kết cấu này sống chính tàu (keel) phải được quan tâm hàng đầu vì đây là xương sống của tàu. Nếu bạn đọc còn nhớ cách gọi của người Trung Hoa rằng đây là “long cốt”, tức xương sống của rồng, chúng ta sẽ thấy cách coi trọng của những người quan tâm đến kết cấu tàu thuyền. Dàn mạn, các vách, cột chống vv như những thành đứng, trụ đứng làm cho tàu cứng vững. Boong hoặc các boong (decks) và kết cấu boong làm những chức năng khác nhau, boong giữa (tweendeck) làm nơi chứa hàng, boong trên đóng vai trò boong thời tiết không chỉ che mưa nắng cho tàu mà còn đóng vai trò boong sức bền. Những chi tiết chính của thân tàu bạn đọc làm quen trong phần này có thể tổng kết tại hình 2.3. Hình 2.3. Kết cấu chính thân tàu Các ghi chú trên hình 2.3 mang ý nghĩa: 1- mũi tàu (bow), 2- boong mũi (forecastle), 3- thượng tầng giữa (middle supertructure), 4- buồng lái (wheel house), 5- booong lái (poop deck), 6- vòm lái (stern), 7- be gió, be chắn gió, mạn giả (bulwark), 8- lan can, tay vịn (rails), 9- tôn mạn (side plating), 10- đáy (bottom), 11- miệng hầm hàng (cargo hatch), 12, 13- thành miệng hầm hàng (hatch coaming), 14- sống mũi (stem), 15- lô lái (stern-post), 16- boong (upper deck), 17-đường hàn dọc nối tôn vỏ (seams), 18- đường hàn ngang (butt). Thượng tầng của tàu (supperstructure) được bố trí trên boong, cụ thể hơn trên boong mạn khô. Chiều rộng thượng tầng có thể bằng chiều rộng tàu tại khu vực đặt thượng tầng. Trường hợp thượng tầng có các vách bên không trùng với chiều rộng mép mạn, khoảng cách giữa vách và mép mạn không lớn hơn 4% chiều rộng tàu tại khu vực đang đề cập. Thông lệ các thượng tầng phải là kết cấu kín, các lỗ khoét ở vách bên hoặc vách trước/sau phải có phương tiện đóng đảm bảo kín nước, chịu được tác động môi trường. Để phân biệt rõ ràng và chính xác hệ thống kết cấu cần thiết xem xét kỹ hơn bố trí các cơ cấu cứng của tàu. Trên tàu kết cấu hệ thống ngang, giàn đáy, giàn mạn và giàn boong được tổ chức hoàn toàn theo 29
đúng cách thức đã nêu: đà ngang, sườn, xà ngang boong đặt tại mỗi khoảng sườn, nối với nhau qua các mã. Hình 2.4 mô tả mặt cắt ngang tàu vận tải đi biển theo hệ thống ngang đặc trưng cho hệ thống kết cấu này. Hình 2.4. Kết cấu mặt cắt ngang tàu theo hệ thống ngang Các ghi chú trên hình 2.4 mang ý nghĩa sau: 1 –xà ngang boong (transverse beam), 2 – sườn (frame), 3 – đà ngang đáy (floor), 4 – sống phụ đáy (side girder), 5 – sống chính đáy (center girder), 6 – sống hông (margin plate), 7 – tôn đáy trên (tank top plating), 8 – tôn boong trên (upper deck plate), 9 – tôn boong nội khoang thứ hai (2nd deck plate), 10 – tôn boong nội khoang thứ ba (3rd deck plate), 11 - tấm quây miệng khoang hàng (hatch side coaming), 12 - tôn sống nằm/tôn giữa đáy (plate keel), 13 – mã hông (tank side bracket), 14 – tôn mép boong (stringer plate), 15 – tôn mép mạn (sheer strake), 16 – mã xà ngang boong (beam bracket). Mặt cắt dọc tàu với kết cấu theo hệ thống ngang được trình bày tại hình 2.5 tiếp theo. 30
Hình 2.5. Hệ thống kết cấu ngang tàu vận tải Các ghi chú trên hình 2.5 có ý nghĩa: 1 – các boong (decks), 2 – vách ngang (tranverse bulkheads), 3 – sườn thường (frames), 4 – sườn khỏe (web frames) chỉ có trong buồng máy, 5 – xà ngang boong (deck beams), 6 – đà ngang đáy (floors), 7 – sống dọc mạn (stringers), 8 - xà dọc boong (girders), 9 – sống mũi (stem), 10 – sống lái (stern frame). Trong hệ thống này, kết cấu đáy, mạn và boong tuân thủ đầy đủ qui định dành cho hệ thống ngang. Khoảng sườn tàu như thể hiện tại mặt cắt dọc, luôn nhỏ hơn khoảng cách ngắn nhất của hai cơ cấu dọc gần nhau. Có thể lưu ý bạn đọc ngay từ những dòng đầu tiên về kết cấu, rằng trên tàu vận tải tổ chức theo hệ thống ngang các sườn tàu được bố trí theo cách hợp lý nhất nhằm đảm bảo độ bền tàu mà không làm mất đi dung tích cần thiết chứa hàng. Các sườn mang tên gọi bằng tiếng Anh “Web” chỉ bố trí trong khu vực buồng máy, đảm bảo độ bền cục bộ, trong khi đó trong các hầm hàng người ta chỉ bố trí sườn thường, tránh bố trí sườn khỏe nhằm giảm thiểu phần chiếm chỗ của cơ cấu. Ngược lại, trong hệ thống kết cấu dọc, xuất hiện các cơ cấu dọc thấy rõ trong cả ba khung giàn vừa đề cập. Khoảng cách giữa các nẹp dọc của đáy, mạn, boong (bottom, side, deck longitudinals) khá nhỏ, xấp xỉ bằng khoảng sườn. Khoảng cách giữa các cơ cấu ngang trong hệ thống này khá lớn, thường từ ba khoảng sườn trở lên. Hình ảnh thân tàu theo hệ thống dọc được trình bày tại hình 2.6 nêu rõ sự khác biệt trong bố trí cơ cấu so với hệ thống vừa nêu trước. Hình 2.6. Kết cấu hệ thống dọc dùng cho tàu dầu 31
Tên gọi cơ cấu trong bản vẽ này được hiểu như sau. 1 – boong (deck), thông thường tàu dầu chỉ một boong, 2 – vách ngang (tranverse bulkheads), 3 – sườn thường (side frames), 4 – sườn khỏe (web), 5 – xà ngang boong khỏe (deck transverse), 6 – đà ngang đáy (floors), 7 – vách dọc (longitudinal bulkheads), 8 – nẹp dọc boong (deck longitudinals), 9 – xà dọc mạn (stringers), 10 – boong dâng mũi (forecastle), 11 – boong lầu lái (poop). Điều có thể nhận xét, kết cấu thực sự mang đủ đặc tính của hệ thống dọc trải dài trên phần lớn tàu. Các khoang hàng tại khu vực giữa tàu tổ chức hoàn toàn theo nguyên tắc của hệ thống dọc. Phần mũi tàu không áp dụng 100% nguyên tắc này, phần lái người ta có thay đổi trong cách bố trí hệ thống. bản vẽ phối cảnh tàu chở hàng lỏng, kết cấu theo hệ thống dọc được trình bày tiếp tại hình 2.7. Hình 2.7. Hệ thống kết cấu dọc tàu chở dầu Các ghi chú trên hình mang ý nghĩa: 1- sống chính đáy (center girder); 2- tôn sống nằm (plate keel); 3- đà ngang đáy (floor); 4,12- sống phụ đáy (side girder); 5- dầm dọc đáy (bottom longitudinal), 6,10, 13, 17, 19,21, 23, 32, 40,43- nẹp gia cường (strut); 7- tôn đáy ngoài (bottom plating); 8- vách dọc (longitudinal bulkhead); 9- nẹp dọc vách (bulkhead stiffener); 11- sống đứng vách dọc (longitudinal bulkhead girder); 14- dải tôn hông (bilge strake);15- tôn mạn (side plating); 16- dầm dọc mạn (stiffener);18- sườn khỏe (web frame); 20- thanh xà chống va (panting beam); 22, 27, 29, 41, 42- mã liên kết (beam bracket); 24- dải tôn mép mạn (sheer strake); 25- dầm dọc boong (deck longitudinal); 26- tôn boong (upper deck); 28, 30- xà ngang boong khỏe (strong beam); 31- sống boong (deck girder); 33- sống chính boong (center deck girder); 34,38 - sống đứng vách (vertical girder bukhead); 35- vách ngang 32
(transverse bulkhead); 36- nẹp vách (bulkhead stiffener); 37- sống nằm vách (horizontal girder bulkhead); 39- sống đứng vách ngang (vertical bulkhead girder). Hệ thống hỗn hợp dùng cho tàu chở hàng khô được minh họa tại hình 2.8. Theo cách làm tại đây, đáy tàu kết cấu hoàn toàn theo hệ thống dọc (longitudinally framed bottom), boong trên cùng theo đúng chuẩn dùng cho đáy. Trong khi đó dàn mạn tàu khác với hai bạn nối hai đầu, kết cấu theo hệ thống ngang. Boong giữa tổ chức theo hệ thống ngang. Tại đây chúng ta còn hiểu hệ thống hỗn hợp mang ý nghĩa thực tế về kết cấu, tổ chức theo cách này các cơ cấu chịu ứng suất một cách hợp lý hơn và bằng cách đó có thể tiết kiệm vật liệu làm vỏ tàu một cách đáng kể. Cần nói rõ hơn, bố trí các cơ cấu như tại hình2.8 là đề xuất của viện sĩ hàn lâm Shymanski thời Liên xô còn tồn tại. Hình 2.8. Hệ thống kết cấu hỗn hợp dùng cho tàu hàng Các ghi chú trên hình mang ý nghĩa: 1 – xà dọc boong (tiếng Anh chính thức E-E gọi là deck girder), 2 – tôn boong (deck plating), 3 – nẹp dọc boong (deck longitudinal), 4 – xà ngang boong (deck transverse), 5 – mã (beam knee), 6 – sườn (frame), 7 – tôn boong giữa (tweendeck plating), 8 – xà ngang boong (beam), 9 – tôn mạn (side plating), 10 – mã hông (bilge bracket), 11 – ki (vertical keel), 12 – đà dọc (side girder), 13 – nẹp dọc đáy (bottom longitudinal), 14 – đà ngang đặc (solid floor), 15 – đáy trong (tank top), 16 – tôn đáy (bottom plating), 17 – vách ( bulkhead), 18 – nẹp vách (bulkhead stiffener), 19 – cột chống (pillar). 33
2. Hệ thống kết cấu ngang Hệ thống ngang được dùng trong ngành đóng tàu từ rất sớm, chủ yếu cho các tàu chiều dài không lớn. Những tàu vỏ gỗ hầu như chế tạo theo hệ thống này. Tàu vỏ thép ra đời, ban đầu tàu chưa phải cỡ lớn nên cứ theo đà cũ, theo kinh nghiệm làm tàu gỗ người ta sử dụng hệ thống ngang làm chuẩn. Ưu điểm nổi bật của hệ thống kết cấu ngang là khả năng chịu các lực tác động ngang, tác động mang tính cục bộ rất tốt. Nếu xét về sức bền cục bộ, như chúng ta đã quen trong [8], hệ thống khung ngang kể từ đà ngang, sườn, xà ngang có khả năng chịu tải trọng cục bộ hoàn hảo. Chế tạo tàu có kết cấu theo hệ thống ngang thường đơn giản, chính vì vậy những nhà đóng tàu ngày trước rất ưa chuộng kết cấu dạng này. Điều có thể nói thêm, trên các tàu chở hàng khô, kết cấu theo hệ thống này cho phép bố trí các khoang hàng gọn, hợp lý, tạo nhiều thuận lợi cho người dùng, dung tích hầm hàng đủ độ lớn cần thiết. Hệ thống ngang áp dụng trên tàu cỡ nhỏ hoặc cỡ trung bình tỏ rõ tính ưu việt của nó. Chiều dày tôn vỏ không nhất thiết phải quá dày nhờ cơ cấu làm việc của bản thân tàu. Momen uốn chung tại những mặt cắt khu vực giữa tàu, tỷ lệ với chiều dài tàu không quá lớn, ứng suất nén các tấm boong hoặc đáy trong những trường hợp này không đạt giá trị đáng lo ngại, ổn định tấm trong hệ thống ngang vốn nhạy cảm với ứng suất nén và cách bố trí tấm không tạo ra sự lo lắng quá mức. Mặt cắt ngang tàu vận tải iđểi b n, tổ chức theo hệ thống ngang, chế tạo vào những năm sáu mươi có dạng như tại hình 2.9. Trên hình, chúng ta có nhận xét: tàu được thiết kế hai boong, nắp hầm hàng cấu trúc bằng các tấm nắp rời, dọc khoang hàng có gắn các tấm lót ngang 13 bằng gỗ, cách làm này ngày nay được biến thể bằng các tấm lót thép, gia công liền với quá trình đóng mới tàu. Hình 2.9. Mặt cắt ngang tàu vận tải kết cấu theo hệ thống ngang Các ghi chú tên hình được giải thíchnhư sau: 1- Nắp miệng khoang (hatch cover), 2- Xà ngang tháo lắp được (hatch beam), 3- thành miệng khoang (hatch coming), 4- tôn mạn chắn sóng (bulwark plate), 5- tôn boong trên (upper deck plating), 6- xà ngang boong (deck transverse beam), 7- mã xà (beam bracket), 8- vách dọc (line bukhead plating), 9- nẹp vách (bukhead stiffener), 10- tôn boong thứ hai/boong nội khoang (tweendeck plating), 11- sườn khoẻ (web frame), 12- sườn thường (hold frame), 13- tấm lót ngang 34
(horizontal sparring), 14- cột chống khoang (hold pillar), 15- tôn đáy trên (inner bottom plating), 16- ván lót sàn (bottom ceiling), 17- đà ngang đặc (solid foor), 18- đà nganghở/giảm trọng lượng (open floor), 19- sống chính (center girder), 20- sống phụ (side girder), 21- tôn đáy (bottom plating), 22- tôn mạn (side plating). Các tàu cỡ nhỏ thông lệ kết cấu theo hệ thống ngang. Hình 2.10 trình bày một trong những ví dụ thông dụng thường thấy trên các tàu công tác cỡ nhỏ, chạy sông. Đáy tàu tổ chức theo hệ thống ngang, 60x 6 sống chính cao 400mm, sườn khỏe có quy cách chữ T bố trí xen lẫn sườn thường có quy cách 130x 4 L63x40x5 và có sống dọc mạn. Xà ngang boong có quy cách L56x36x4, boong thượng tầng cao 2200mm, tôn vách dầy 3mm. Hình 2.10. Kết cấu tàu cỡ nhỏ, theo hệ thống ngang Hình 2.11 và 2.12 trình bày kết cấu tàu hai thân chạy sông với kết cấu theo hệ thống ngang. Điểm khác biệt so với thông lệ được nêu tại phần trình bày hệ thống kết cấu, trên tàu này sườn khỏe được sử dụng cả những khoang ngoài buồng máy, kể cả khoang đuôi và khoang mũi. Các sườn khỏe làm tăng độ bền khi chịu tác động cục bộ. 35
36 Hình 2.11. Kết cấu tàu catamaran theo hệ thống ngang
Hình 2.12. Kết cấu mặt cắt ngang tàu hai thân (catamaran) chạy sông 3. Hệ thống kết cấu dọc So với hệ thống ngang, hệ thống dọc sử dụng vào kết cấu tàu muộn hơn, kể từ khi tàu vỏ thép tìm được chỗ đứng vững. Hệ thống dọc lúc đầu ứng dụng rộng rãi hơn trên các tàu quân sự sau đó mới chuyển sang tàu dân sự. Công lao trong lĩnh vực này cần kể đến nhà đóng tàu người Anh Scott Russel. Theo đề xuất Russel từ những năm1852 đến 1857 kết cấu hệ thống dọc được áp dụng cho tàu “Great Eastern”, mở đầu cho việc sử dụng hệ thống này. Tuy nhiên cần nói rõ, các nhà đóng tàu và các cơ quan đăng kiểm thời đó chưa tin lắm vào hệ thống này nếu không nói họ có thái độ miệt thị hệ thống dọc. Năm 1910, tức 60 năm sau kể từ lúc hệ thống dọc vào tàu, Lloyd’s Register of Shipping của UK còn phải ghi vào giấy kiểm tra và phân cấp tàu vỏ thép kết cấu theo hệ thống dọc mộ t ký hiệu mà ngày nay chúng ta còn ngậm ngùi “exp”, viết tắt từ “thí nghiệm” nhưng lại mang ý nghĩa “chưa thử xong” hoặc rõ hơn “đang giai đoạn thử nghiệm”. Hệ thống dọc dùng cho các tàu có chiều dài đủ lớn tỏ rõ nhiều ưu việt. So với hệ thống ngang, nếu dùng cho tàu đủ dài, hệ thống này có thể giảm đến 15% nguyên liệu làm vỏ trong khi vẫn đảm bảo độ bền dọc tàu. Kết cấu dọc thường là kết cấu khỏe hiểu theo nghĩa đủ độ cứng, vững khi chịu lực bên ngoài tác động, còn độ tin cậy cao. Chúng ta thử xem lại vài vấn đề chung quanh ổn định tấm thép làm vỏ tàu để thấy các ưu điểm đáng phát huy của hệ thống kết cấu này1. Từ lý thuyết tấm, vỏ có thể thấy rằng, với các tấm cùng kích thước hàn vào khung tàu trong hệ thống dọc sẽ có độ ổn định cao hơn bốn lần nếu so với tấm đặt ngang trong hệ thống ngang. Giá trị “bốn” vừa nêu đề cập đến giới hạn của ứng suất Euler khi tính cho tấm dọc và tấm ngang. Còn điều này nữa, các dầm dọc (girder, stringer), nẹp dọc (longitudinal) được tham gia đầy đủ vào thành phần cấu thành mặt cắt ngang của dầm tương đương khi tính momen quán tính mặt cắt, mô đun chống uốn mặt cắt, trong khi đó các chi tiết quan trọng hàng đầu của hệ thống ngang, ví dụ đà ngang, sườn, xà ngang vv không có mặt trong các bảng tính quan trọng này. Điều sau cùng giải thích rằng mặc dầu hệ thống dọc phải sử dụng lượng vật tư đáng kể để làm các cơ cấu tăng cứng như nêu trên song tính chung cuộc lượng vật tư đưa vào thân tàu đủ dài vẫn ít hơn nếu so với kết cấu theo hệ thống ngang. Ứng dụng hệ thống dọc trên các tàu vận tải có thể thấy rõ qua các ví dụ. Tàu vận tải hàng khô, cỡ lớn, chiều dài tàu đủ dài, chịu tác động momen uốn chung sẽ mang gía trị lớn. Trong các kết cấu chính tạo nên thân tàu, tấm đáy và tấm boong nằm xa trục trung hòa nhất. 1 Đề nghị bạn đọc xem thêm phần “Lý thuyết đàn hồi”. 37
Tại hai nhóm kết cấu này người ta phải xử lý ứng suất nén nhiều khi đạt giá trị nguy hiểm cho ổn định tấm. Tình hình này đòi hỏi đáy và boong được thiết kế theo hệ thống dọc, các tấm được bố trí theo cách có lợi nhất về mặt đảm bảo ổn định. Tàu hàng phải có các miệng hầm hàng đủ rộng, dài nhằm tăng tính thuận lợi bốc dỡ hàng , rút ngắn thời gian thao tác hàng. Tàu hiện đại thường bố trí từ một dãy đến nhiều dãy miệng hầm hàng, và như vậy chiều rộng lỗ khóet tại tấm boong rất lớn. Hậu quả của việc làm này là dải tôn còn liên tục của boong, dải tôn được phép tham gia vào thành phần mặt cắt ngang dầm tương đương còn lại không nhiều. Người thiết kế bị bắt buộc phải tăng cường các nẹp dọc, các kết cấu d ọc khác làm tăng diện tích boong trong thành phần mặt cắt ngang dầm tương đương và tăng momen quán tính cùng mô đun chống uốn của mặt cắt. Điều này giải thích tàu vận tải cỡ lớn được thiết kế theo hệ thống dọc là chính. Kết cấu cơ bản tàu hai thân chạy sông, tổ chức theo hệ thống dọc được giới thiệu tại hình 2.13 và 2.14. Hệ thống dọc của tàu bố trí theo thông lệ nhằm đảm bảo độ bền chung toàn tàu trong các chế độ khai thác. Kết cấu ngang trong tàu được tăng cường với mức đáng kể so với các tàu chạy sông một thân nhằm đảm bảo độ bền cục bộ tàu. Kết cấu đáy và mạn khu vực buồng máy theo hệ thống ngang nhằm tăng cường độ bền cục bộ. Mặt cắt ngang tàu, hình 2.13, trình bày thêm chi tiết, sườn tàu tại thượng tầng thổ c ức trong hệ thống ngang, tấm che trên cùng được dập sóng chạy dọc tăng độ cứng dọc, từ boong trở xuống kết cấu tàu theo hệ thống dọc. Hình 2.13. Mặt cắt ngang catamaran trong hệ thống kết cấu dọc 38
Hình 2.14 Hệ thống kết cấu dọc tàu catamaran 39
4. Hệ thống hỗn hợp ngang – dọc Hệ thống hỗn hợp dùng phổ biến cho tàu vận tải cỡ lớn thường tổ chức theo mô hình nêu tại hình 2.15. Hình 2.15a Hình 2.15b 40
Các ghi chú trên hình 2.15a và 2.15b mang ý nghĩa: 1- sống chính (center girder), 2- sống phụ (side girder), 3- dầm dọc đáy dưới (bottom longgitudinal), 4- dầm dọc đáy trên (top longgitudinal of double bottom), 5- đà ngang đặc (solid foor), 6- dải tôn giữa đáy (keel), 7- dải tôn A/kề dải tôn giữa đáy (A strake), 8- tôn đáy (bottom plating), 9- dải tôn hông (bilge strake), 10- tôn mạn (side plating), 11- dải tôn đỉnh mạn (top side strake), 12- dải tôn mép mạn (sheer strake), 13- tôn đáy trên (inner bottom plating), 14- mã hông (tank side bracket), 15- tấm ốp (gusset plate), 16- sườn khoang (hold frame), 17- sườn nội boong (tween deck frame), 18- xà ngang boong thứ hai (2nd deck beam), 19- mã xà (beam bracket), 20- boong thứ hai (2nd deck), 21- boong trên (upper deck), 22- tấm mép boong (stringer plate), 23- mã chống vặn (tripping plate), 24- xà ngang boong (deck transverse beam), 25- dầm dọc boong (deck longitudinal), 26- sống boong (deck girder), 27- thành miệng khoang (hatch coming), 28- xà ngang boong khoẻ (strong beam), 29- sườn khoẻ (web frame), 30- cột chống khoang (hold pillar), 31- cột chống boong nội khoang (tween deck pillar), 32- tôn mạn chắn sóng (bulwark plate), 33- tay vịn (hand rail), 34- cột nẹp mạn chắn sóng (bulwark stay), 35- nẹp nằm (horizontal bracket), 36- vây giảm lắc (bilge keel), 37- mã gia cường sống chính (docking bracket), 38- mã gia cường sống hông (bracket to margin plate), 39- mã hông (tank side bracket), 40- mã liên kết dầm dọc đáy (bracket to longgitudinal bottom), 41- nẹp đứng (vetical stiffener), 42- thanh chống (strut), 43- lỗ khoét cho đường hàn chui qua (scallop or serration), 44- lỗ khoét giảm trọng lượng (lightening hole), 45- sông hông nghiêng (margin plate), 46- lỗ khoét người chui (manhole), 47- vách kín nước (water tight bukhead), 48- nẹp vách (bukhead stiffener), 49- tấm đệm chân cột chống (doubling). Ứng dụng thực tế của mô hình được giới thiệu tại hình 2.16 dưới đây. Trong đó đáy tàu tổ chức theo hệ thống dọc với các cơ cấu gồm nẹp dọc đáy L200x100x10, đặt cách nhau 900. Đà dọc chính (ki đứng) chạy suốt khu vực giữa tàu 0,4L cao 1160mm dày 13mm. Đà dọc phụ bố trí đối xứng qua tâm dọc tàu, mỗi bên hai đà dọc. hai boong đều tổ chức theo hệ thống dọc. Các khung khỏe của hệ thống ngang đặt cách nhau 3,0m. Xà ngang boong trên có chiều cao tấm thành 350, chiều cao đó cho xà ngang boong giữa 380. Sườn khỏe bố trí tại khu vực buồng máy, cách nhau 3,0m. Cơ cấu sườn khỏe từ thép mỏ 340x12,5. Hình 2.16 Hệ thống kết cấu hỗn hợp dùng trên tàu hàng 41
Hệ thống kết cấu hỗn hợp còn có chỗ đứng trên các tàu chở dầu cỡ trung hoặc cỡ lớn. Bản vẽ phối cảnh miêu tả hệ thống hỗn hợp ngang – dọc trên tàu dầu được trình bày tại hình 2.17. Hình 2.17 Trên hình có thể thấy rõ, kết dấu dọc áp dụng đúng nguyên tắc cho giàn đáy, giàn boong. Giàn mạn tàu tổ chức theo nguyên tắc hệ thống ngang. Hai vách dọc của tàu với tư cách thành phần chính tham gia độ bền dọc tàu, được tăng cứng bằng các cơ cấu tổ chức trong hệ thống ngang. Các nẹp đứng làm từ thép định hình làm chức năng cơ cấu cứng, hàn vào vách như sườn tàu vào mạn. Hai đầu nẹp đứng người ta sử dụng mã lớn, bẻ mép, liên kết nẹp đứng với tôn boong và tấm đáy. Chiều rộng chân mã dưới, tiếng Anh viết là bracket, phải vươn đến nẹp dọc đáy gần nó nhất. Chiều cao bracket thường phải từ 1,5 đến 2 lần chiều rộng. Mã liên kết đầu trên thường có kích thước nhỏ hơn. Bản vẽ kỹ thuật mặt cắt ngang cùng tàu được trình bày ở hình 2.18 sau: Hình 2.18. Mặt cắt ngang tàu chở dầu 42
5. Kết cấu các tàu vận tải thông dụng Trong phần tìm hiểu hệ thống kết cấu này bạn đọc có thể tìm hiểu kỹ kết cấu các tàu trong nhóm tàu chở hàng tổng hợp (general cargo ships) tàu dầu (tankers), tàu chở hàng rời (bulkcarries), tàu chở quặng (ore carries), tàu chở hàng thùng (container ships), những tàu có kết cấu theo hệ thống ngang và/hoặc hệ thống dọc. 5.1. Tàu vận tải hàng khô. Tàu nhóm này được gọi chung là tàu chở hàng tổng hợp, đóng gói hoặc cấu kiện, là tàu ra đời sớm, số lượng đông đảo nhất. Tàu vận tải đi biển sức chở từ 7.000 dwt đến trên 10.000 dwt, tàu cận hải (ven bờ) sức chở khiêm tốn hơn, từ vài trăm tấn đến 1.500 dwt. Một số kiểu tàu vận tải hàng khô ra đời khoảng những năm năm mươi tr ở về sau được giới thiệu tại chương 1, mục 1.1. Hình 2.19 Tổng chiều rộng các miệng hầm hàng so với chiều rộng tàu vượt quá giới hạn cho phép của những năm giữa thế kỷ XX. Tỷ lệ này ngày nay có thể đạt đến 80% - 85%, hình 2.19. Ngoài tình trạng trên đây, những tàu chuyên chở hàng kích thước lớn, khó đưa lên tàu qua miệng hầm hàng trên boong người ta phải mở các miệng hầm hàng tại mạn. Số lượng lỗ khóet này có khi đạt con số không nhỏ. Các lỗ khoét làm cho kết cấu mạn bị yếu, hình 2.20. Hình 2.20 Đặc điểm kết cấu tàu hàng cỡ lớn còn ở chỗ, số boong trên tàu không chỉ một mà thường có thêm các boong giữa. Kết cấu đặc trưng của tàu cỡ lớn trong nhóm là tàu ba boong, bạn đọc đã nhiều lần làm quen trong tài liệu này. Hai hình vừa nêu trên là tàu ba boong, tính theo chiều cao. Trong mọi trường hợp với tàu miệng hầm hàng rộng nhất thiết phải tìm mọi biện pháp tăng diện tích phần tôn liên tục nằm tại boong, tham gia vào thành phần mặt cắt dầm tương đương, tăng mô đun chống uốn của mặt cắt. Thành miệng hầm hàng (hatch coaming) các tàu đang đề cập phải chế tạo theo yêu cầu bù đắp độ bền cho boong bị khóet. Kết cấu thành miệng hầm hàng tàu vận tải vì vậy thường có kích thước không thông thường, chiều dày tấm thành không nhỏ và kết cấu này chạy dọc, liên tục trên suốt chiều dài phần giữa tàu. Một số tàu trong nhóm tìm kiếm biện pháp tăng độ bền dọc qua kết cấu đáy đôi, mạn đôi. 43
Chia khoang tàu vận tải theo qui tắc chung, các vách ngang, kín nước được bố trí cách nhau không quá 0,2 chiều dài tàu. Những năm cuối thế kỷ XX chiều dài giữa hai vách ngang kề nhau trên các tàu vận tải chạy nhanh như các liner ships – tàu vận tải trên các tuyến đường dài, cố định, tàu chở hàng lạnh, bị thu ngắn hơn nhằm tăng tính chống chìm. Đáy đôi tàu áp dụng trên các tàu không phải tàu cỡ nhỏ. Tàu dài từ 60 m trở lên đều có đáy đôi, chạy liên tục từ vách chống va mũi đến vách khoang lái. Chiều cao đáy đôi có chiều cao tối thiểu 620 mm để người có thể kiểm tra, thao tác các công việc cần thiết trong hầm đáy đôi. Chiều cao đáy đôi thường gặp của tàu hàng khô từ 1,0m đến 1,20m. Khoảng không trong đáy được sử dụng cho nhiều mục đích, ngoài chức năng khoang chống chìm. Trong đáy đôi có thể bố trí két chứa nước dằn, nếu cần phải thế, chứa d ầu, nước cho tàu. Kết cấu đặc trưng tàu vận tải cỡ nhỏ, thậm chí cỡ trung bình là kết cấu theo hệ thống ngang. Mặt cắt ngang tàu giới thiệu tại hình 2.4, hình 2.9 đại diện cho kết cấu này. Cần nói rõ thêm, hệ thống ngang áp dụng cho cả tàu vận tải hàng khô với lượng chiếm nước trên 20.000 dwt. Tàu vận tải vơi chiều dài khá lớn thường có kết cấu thuộc hệ thống hỗn hợp ngang – dọc. Một trong những ví dụ kết cấu hỗn hợp đã được trình bày tại hình 2.15. Mặt cắt ngang qua khu vực khoang hàng giữa tàu của tàu vận tải đi biển, chở hàng khô thuộc nhóm general cargo với bố trí nhiều tầng boong được nêu tại hình 2.21. Kết cấu đáy và boong chính tàu theo hệ thống dọc. Đà ngang, xà ngang boong chính tại cùng hình được bố trí cách ba khoảng sườn. Sống boong kết cấu dạng hộp nh ằm gia tăng tiết diện mặt cắt ngang bù đắp cho phần diện tích boong bị khoét lỗ lớn. Mạn tàu và tweendeck tổ chức theo hệ thống ngang. Kết cấu đặc biệt như nêu tại hình ra đời khoảng những năm sáu mươi, tỏ ta hữu hiệu trong khai thác. Hình 2.22 tiếp theo trình bày bố trí chung của tàu. Tàu dành 5 khoang hàng trước buồng máy chở hàng “general – tổng hợp”. Hầm hàng 1 bố trí trên két dằn, kéo đến boong mũi. Khoang hàng 2 có 2 tweendeck. Các khoang 3, 4, 5 số tweendeck t ăng lên 3. Khoang hàng lạnh đặt sau buồng máy. Nắp hầm hàng bố trí thuận tiện cho việc bốc dỡ hàng từng khoang hàng. Khu vực giữa tàu, tại các hầm hàng 4 và 5 bố trí hai dãy nắp hầm hàng. Khoang hàng 1, 2, 3 bố trí một dãy nắp hầm. Nắp các khoang hàng lạnh bố trí thành ba dãy như trình bày tại hình. Hình 2.21. Mặt cắt ngang tàu vận tải nhiều boong 44
Hình 2.22. Bố trí chung tàu vận tải thuộc nhóm general cargo 5.2. Tàu chở dầu Tàu chở dầu hiện đại thông lệ có kết cấu theo hệ thống dọc tại khu vực giữa tàu, nơi bố trí các khoang hàng, còn khu vực mũi tàu, lái tàu hệ thống chuyển sang ngang. Như đã đề cập trong phần bàn về hệ thống ngang, khu vực mũi tàu, lái tàu chịu tác động momen uốn chung với giá trị không cao song tác động tải trọng cục bộ không nhỏ. Tàu nhóm này phong phú về kích cỡ. Tàu dầu sức chở chỉ vài trăm tấn chạy sông hoặc ven biển xuất hiện từ thế kỷ trước XX. Những năm bảy mươi thế giới chứng kiến sự phát triển rầm rộ đội tàu dầu khổng lồ, gọi là “voi ma mút” trên biển, sức chở cỡ nửa triệu tấn. Tàu dầu sức chở một triệu tấn đã được thiết kế song người ta không chế tạo vì những lý do kinh tế. 45
Kết cấu tàu hàng lỏng, trong đó có tàu chở dầu, phụ thuộc nhiều vào loại hàng được chở trong đó. Những điểm chung của kết cấu tàu nhóm này là tàu một boong và thường là boong bằng. Tàu được chia khoang theo qui tắc chặt chẽ nhằm tăng tính chống chìm. Ngoài các vách ngang như tàu hàng khô vẫn có, tàu dầu thường có từ một đến hai, thậm chí ba vách dọc tàu, hình 2.23. Hình 2.23 Đặc điểm khác của tàu dầu đóng hơn chục năm về trước là vắng bóng đáy đôi kể cả trong tàu kích thước vô cùng lớn. Miệng hầm hàng tàu dầu rất nhỏ, chỉ phuc vụ việc cho đường ống đi qua và là chỗ vào, ra khoang hàng cho người kiểm tra hầm hàng. Diện tích miệng hầm hàng của tàu chở dầu, kể cả những tàu khổng lồ cũng khoảng chừng 1m2. Tuy nhiên, kích thước miệng hầm phải đủ cho phép một người có đeo thiết bị dưỡng khí và thiết bị bảo vệ chui lên hoặc xuống cầu thang mà không bị cản trở. Chiều cao thành miệng hầm chỉ từ 0,3m đến 0,75m. Nhận hàng vào tàu và đưa hàng ra khỏi tàu hoàn toàn nhờ vào hệ thống bơm hàng cùng hệ thống đường ống. Những đặc điểm do quá trình khai thác gây ra với tàu dầu có thể kể thêm sau đây. Các khoang hàng thường rộng và dài, chất lỏng di chuyển trong khoang không chỉ gây ra thay đổi trọng tâm hàng mà còn ảnh hưởng lớn đến ổn định do hiệu ứng mặt thoáng. Ảnh hưởng tĩnh do dịch chuyển hàng này đến độ bền kết cấu không nhỏ, ảnh hưởng động do hiện tượng sloshing khá lớn đến kết cấu boong, vách khoang hàng. Hàng lỏng trong tàu thay đổi thể tích theo nhiệt độ, do vậy các khoang chứa hàng lỏng phải có đủ dung tích cho sự thay đổi thể tích khí và chất lỏng. Tàu vận tải hàng khô ít gặp tình trạng chạy dưới ballast nếu công tác chuẩn bị hàng hai đầu bến tiến hành bình thường. Ngược lại đội tàu chở hàng lỏng luôn phải tính đến khả năng chỉ chở hàng một chiều, chiều ngược lại phải chạy theo chế độ dưới ballast. Tình trạng khai thác như vậy sẽ ảnh hưởng đến độ bền các kết cấu trên tàu. Bố trí chung của tàu dầu thông thường như sau. Buồng máy tàu nằm sau, thượng tầng bố trí trên khu vực buồng máy. Khoang bơm hoặc khoang cách ly ngăn cách buồng máy với các khoang hàng. Các khoang hàng, theo chiều dọc bị các vách ngang kín nước, kín dầu ngăn cách. Khoảng cách giữa các vách ngang không quá 15m. Số liệu thống kê cho thấy, chiều dài khoang hàng không quá 0,12 chiều dài tàu. Kết cấu đặc trưng của tàu dầu là hệ thống kết dọc. Trong hệ thống này các giàn đáy, mạn và boong tổ chức theo hệ thống dọc đúng nghĩa. Các vách dọc của tàu chạy qua suốt các hầm hàng, tham gia vào thành phần các kết cấu tăng cường độ bền chung. Các khung khỏe gồm đà ngang, sườn khỏe, xà ngang boong khỏe nằm cách nhau chừng 3m – 4m. Phần lái, kể cả buồng máy tàu, thông lệ chuyển sang hệ thống kết cấu ngang nhằm tăng cường độ bền cục bộ. Phần mũi tàu cũng thường thiết kế và chế tạo trong khuôn khổ hệ thống kết cấu ngang. Chúng ta thử xem xét kỹ hơn một phân đoạn thân tàu trong khu vực giữa tàu, qua các khoang hàng, tổ chức trong khuôn khổ hệ thống dọc, hình 2.24. Trong hệ thống này những chi tiết đặc trưng của thân tàu gồm: 1 - các nẹp dọc đáy (bottom longitudinals), 16 – đà dọc giữa (bottom centre line web), 3 - đà dọc đáy (bottom girder), 6 – nẹp dọc mạn (side longitudinals) , 7 – nẹp dọc boong (deck longitudinals), 8,9 - sống dọc boong (deck webs), 4 – nẹp dọc vách (bulkhead longitudinals) và 10 – sống dọc boong (deck centre line girder). Những thành phần tăng cường độ bền ngang, độ bền cục bộ gồm: 2 - 46
đà ngang đáy (bottom tranverse), 5 – sườn khỏe (vertical tranverse web), 11 - xà ngang boong khỏe (deck transverse web). Hình 2.24 Tàu chở dầu cỡ nhỏ, chạy sông có mặt cắt ngang như trình bày tại hình 2.25. Hình 2.25. Mặt cắt ngang tàu dầu cỡ nhỏ, chạy sông. 47
Mặt cắt ngang tàu dầu cỡ trung bình với đủ các chi tiết vừa nêu được thể hiện trên bản vẽ kỹ thuật được giới thiệu tại hình 2.26. Hình 2.26. Kết cấu theo hệ thống dọc của tàu dầu Ngày nay tàu dầu phải được thiết kế và đóng theo những yêu cầu khắc khe nhắm tránh tình trạng tràn dầu ra biển khi sự cố. Yêu cầu tàu phải có đáy đôi, tàu đáy đôi mạn đôi đã có hiệu lực từ những năm tám mươi. Tàu “thân đôi” (theo cách viết của người Anh: double hull) không chỉ có đáy đôi như chúng ta đã quen trên tàu hàng khô, mà còn đi liền với mạn đôi. Khoảng không gian trong thân đôi này được sử dụng đa mục đích. Các khoang có thể dùng chứa ballast, nhiên liệu và nước ngọt. Trong nhiều trường hợp lối đi được mở ngay trong khu vực mạn đôi. Hình 2.27 giới thiệu mặt cắt ngang tàu đáy đôi, mạn đôi cỡ trung bình. Chiều cao đáy đôi bằng chiều rộng trong mạn kép, bằng 1200mm. Lối đi bên trong xuyên qua các vách phần “vách đôi” dọc giữa tàu. Tàu được thiết kế theo hệ thống kết cấu dọc cho cả đáy, mạn và boong. 48
Hình 2.27. Mặt cắt ngang tàu dầu thân kép “double hull” Kết cấu “thân kép” (double hull) tàu dầu có tính bắt buộc với tàu sức chở lớn hơn giới hạn xác định bằng luật đóng tàu. Mạn kép của tàu dầu có thể không cần bố trí trên tàu sức chở dưới 5000 dwt và mỗi dung tích khoang hàng không quá 700m3. Đáy đôi không bắt buộc với tàu dầu sức chở 5000dwt hoặc hơn nếu thỏa mãn những điều kiện khắc khe qui định riêng cho tàu dầu, sẽ được bàn tiếp sau đây. Tàu dầu sức chở dưới 600 tấn deadweight được phép không sử dụng đáy đôi, mạn đôi. Đáy đôi tàu phải đảm bảo dung tích cần thiết do vậy chiều cao đáy đôi không được phép dưới mức qui định. Chiều cao đáy đôi tính bằng B/15 (m) hoặc 2,0m, chọn giá trị bé hơn, song trong mọi trường hợp không được phép nhỏ hơn 1,0m, với tàu có sức chở hơn 5000 dwt. Chiều cao thấp nhất áp dụng cho tàu có sức chở 600 < DWT < 5000 sẽ là 0,76m. DWT Chiều rộng mạn đôi tính theo cách : b = 0,5 + (m) hoặc b = 2,0 (m), chọn giá trị bé khi 20000 tính. Tuy nhiên yêu cầu bắt buộc, chiều rộng này trong mọi trường hợp không được phép nhỏ hơn 1,0m. 4,2 DWT Trường hợp tàu có sức chở 600 < DWT < 5000 chiều rộng tính theo công thức: b =4,0 + (m) 20000 hoặc 0,76 (m), chọn giá trị bé trong tính toán. Kết cấu hỗn hợp theo hệ thống dọc và hệ thống ngang không chỉ dùng trong tàu hàng khô mà còn tìm thấy chỗ đứng trong tàu dầu. Mặt cắt ngang miêu tả kết cấu hỗn hợp của tàu chở dầu 13.500DWT đóng trong những năm gần đây được trình bày trên hình 2.28 tiếp theo. Hình 2.28a mô tả kết cấu mặt cắt ngang khung sườn thường còn hình 2.28b mô tả kết cấu mặt cắt ngang khung sườn khỏe. 49
Hình 2.28a. Mặt cắt ngang khung sườn thường tàu dầu 13.500DWT Trên hình ta thấy, tàu sử dụng kết cấu thân kép phù hợp với luật đóng tàu ngày nay. Đáy đôi tại dọc tâm tàu cao 1400, ra ngoài mạn cất lên cao độ 1600, khoảng cách giữa mạn trong và mạn ngoài là 1200. Boong, đáy và mạn trong kết cấu theo hệ thống dọc, mạn ngoài kết cấu theo hệ thống ngang. Khoảng cách giữa các dầm cơ cấu là 600. Tàu sử dụng kết cấu sống chính đáy dạng hộp, khoảng cách giữa hai tấm sống chính đáy bằng chính chiều cao sóng hình thang của kết cấu vách dọc, còn dải tôn sống nằm rộng 1500, dầy 15,5mm. Tôn đáy ngoài 11,5mm; tôn đáy trong 13mm; tôn mạn 14mm; tôn hông 11,5mm; tôn boong 11,5mm. Dầm cơ cấu của các dàn sử dụng thép mỏ, quy cách dầm cơ cấu như sau: dầm dọc boong 200x11,5; dầm dọc mạn trong 220x10; dầm dọc đáy trên 260x11; dầm dọc đáy ngoài 240x10; sườn thường 200x11. 50
Hình 2.28b. Mặt cắt ngang khung sườn khỏe tàu dầu 13.500DWT Hệ thống hỗn hợp dùng trong tàu dầu ven biển được trình bày tại hình 2.29. Mô hình dạng này còn được dùng phổ biến cho tàu dầu chạy sông. Hình 2.29. Mặt cắt giữa tàu dầu ven biển, cỡ nhỏ 51
Đặc tính chung kết cấu các tàu dầu như đã đề cập, khu vực từ buồng máy về sau và khu vực phía mũi hệ thống kết cấu dọc không xâm nhập vào hoặc xâm nhập có mức độ. Trong hai vùng đang đề cập kết cấu tàu chủ yếu tuân thủ qui định của hệ thống ngang. những đòi hỏi đặt ra cho những nhà thiết kế khi xử lý kết cấu tàu dầu là đảm bảo tính liên tục của bản thân kết cấu tại khu vực quá độ từ hệ thống dọc sang hệ thống ngang. Nói cách khác, phải dành ưu tiên cho sự liên tục các cơ cấu dọc nhằm đảm bảo độ bền chung của tàu. Trong thực tế chúng ta có thể thấy, giá trị momen uốn tàu tại khu vực cuối tàu bị giảm đáng kể nếu so với giá trị momen uốn tính cho khu vực giữa tàu. Điều này cho phép người thiết kế tìm cách giảm dần sự tham gia của cơ cấu dọc trong khu vực này, miễn rằng công việc đó xẩy ra hài hòa, không gây sự xáo trộn đột ngột. Hình 2.29 giới thiệu hai mặt cắt tàu qua khu vực buồng máy tàu chở dầu đi biển, cỡ trung bình. Hệ thống kết cấu dùng tại đây mang đủ đặc trưng hệ thống ngang. Các cơ cấu dọc của hệ thống dọc tàu sau khi đi suốt các khoang hàng còn được tiếp tục dưới các hình thức thỏa đáng. Sàn trong khu vực buồng máy đặt ngang mức mà sống dọc mạn (stringer) đang chiếm giữ và như vậy cơ cấu khoẻ này vẫn tiếp tục cho đến hết phạm vi buồng máy. Các sống dọc mạn khác được kéo dài cho đến vòm đuôi của tàu. Các cơ cấu khác thuộc hệ thống kết cấu ngang thiết kế đủ yêu cầu đảm bảo độ bền cục bộ mà yêu cầu này thường rất cao đối với buồng máy tàu. Bệ máy trong khu vực này có kết cấu cứng vững như các bệ máy trong tàu vận tải biển bất kỳ nào. Hình 2.29. Mặt cắt ngang qua buồng máy tàu dầu 52
Cách làm khác dùng trong kết cấu khu vực mũi và khu vực lái tàu dầu là tuân thủ cách bố trí của hệ thống dọc. Hình 2.30 trình bày mặt cắt ngang qua khu vực buồng máy tàu dầu đi biển, bố trí cơ cấu trong hệ thống kết cấu dọc. Trong trường hợp này các nẹp dọc kéo dài suốt từ mũi đến lái. Điều cần bàn tại đây, đáy đôi của tàu trong vùng này cần được giải quyết theo cách thích đáng, không nhất thiết phải tuân thủ các qui định của hệ thống kết cấu dọc một cách cứng nhắc. Khoảng không trong đáy đôi tại vùng này được chia ra các vùng chứa dầu dự trữ, nhớt, nước vv do vậy phải được “qui hoạch” theo cách hợp lý nhất. Hệ thống kết cấu ngang dùng cho vùng này tạo nhiều thuận lợi hơn cho các công việc. Ngoài điều đó ra, yêu cầu đảm bảo độ bền cục bộ tại đây phải được đặt lên vị trí cao; hệ thống kết cấu ngang như chúng ta đã bàn đến, làm việc này tốt hơn. Hình 2.30 53
5.3. Tàu chở hàng rời Tàu chở hàng rời dùng chở hàng hóa thể hạt, chở quặng hoặc vật liệu tương tự, chưa đóng gói. Hàng thường được chất đống trong quá trình bảo quản và cả khi chuyên chở. Trong tiếng Anh từ “bulk” được dùng chỉ hàng loại này. Trong trường hợp này hàng bulk nên được hiểu hàng chất đống, hàng khối (số lượng) lớn vv Tàu này được gọi chung là tàu chở hàng rời – bulk carrier trong tiếng Anh hoặc Massengutschiff nếu dùng tiếng Đức . Những mặt hàng thường gặp trong nhóm hàng này là quặng kim loại, không kim loại, than đá, hạt ngũ cốc, một số loại hóa ch ất, cát, xi măng vv Hình 2.31 giới thiệu sơ đồ bố trí tàu chở quặng lớp Panamax. Hình 2.31 Tàu chở hàng rời được phát triển theo hai hướng chính. Hướng thứ nhất tập trung chuyên môn hóa tàu được chế tạo. Theo hướng này tàu chỉ chở một mặt hàng, khai thác theo những tuyến đường đã đựơc hoạch định. Trong quá khứ đã có những tàu chỉ dùng để chở quặng (tàu chở quặng), tàu chở than đá, tàu chở xi măng, tàu chở đường vv Tàu chở quặng: Đặc tính nổi bật của mặt hàng chở bằng tàu này là trọng lượng riêng của quặng lớn hoặc rất lớn. Mặt khác cước vận chuyển quặng thấp hơn rất nhiều nếu so với vận chuyển mặt hàng khác. Hai điều trên đòi hỏi người thiết kế phải có cách xử lý, tàu chở quặng kết cấu không quá phức tạp, cầu kỳ, song tàu phải tạo mọi thuận lợi cho việc thao tác bốc dỡ hàng, lên hàng. Tàu phải đủ độ bền, cả bền chung và bền cục bộ, đảm bảo tàu đủ độ an toàn trong quá trình khai thác. Những đòi hỏi khắt khe vừa nêu đưa đến kết cục khá hấp dẫn, kết cấu tàu chở quặng luôn có dạng bất thường nếu so với tàu vận tải bất kỳ mà chúng ta đã gặp. Hình 2.32 trình bày ba mặt cắt ngang tàu chở quặng tiêu biểu. Hình 2.32a giới thiệu tàu chở quặng xấp xỉ 60.000dwt, hình 2.32b dành cho tàu 24.200dwt và hình thứ ba trong nhóm dành cho tàu 18.900dwt. 54
Hình 2.32. Mặt cắt ngang tàu chở quặng Mặt cắt dọc tàu chở quặng tiêu biểu được giới thiệu tại hình 2.33 sau. Hình 2.33. Mặt cắt dọc tàu chở quặng Hướng thứ hai tập trung xử lý những vấn đề kỹ thuật để tạo ra những tàu chở được nhiều mặt hàng. Trong hướng này người ta chế tạo những tàu “kết hợp” dùng để chở những mặt hàng khác khác nhau trong các chuyến đi và về. Ví dụ, tàu chở quặng khi đi song lúc về thay vì chạy ballasst tàu có thể chở than. Mặt hàng của tàu dạng này bao gồm từ hàng rời, hàng khô đến hàng lỏng. Bảng kê dưới đây trình bày dung tích riêng μ, tính bằng m3/t cho một số mặt hàng dùng trên các tàu chở hàng rời nói chung và tàu “kết hợp” nói riêng. Quặng sắt 0,25 – 0,85 Boc xit 0,72 - 1,0 Phot phat 0,7 – 1,2 Than đá 1,10 – 1,65 Ngũ cốc (nặng) 1,13 – 1,45 Ngũ cốc (nhẹ) 1,50 – 2,2 Xi măng 0,70 - 0,75 Đường 0,90 – 1,30 Trong hướng này người ta còn tạo ra loạt tàu tổng hợp (hoặc hiểu theo cách khác, tàu vạn năng). Tên gọi tàu này có thể là tàu chở hàng rời tổng hợp - Universal Bulk Carrier (UBC) hoặc Universal Bulk Ship, viết tắt UBS. Tàu này dùng chở hàng dạng bulk cho cả chuyến đi và cả chuyến về. Tàu chở hàng rời đã được đóng có độ lớn trung bình, tính bằng DWT nằm trong bảng tổng kết sau. Tàu chở dầu thô 60.000 Tàu chở quặng 40.000 Tàu tổng hợp 32.000 Tàu chở bôc xít 16.600 Tàu chở than đá 4.000 Vận tốc khai thác của đội tàu này không quá 14 – 16 Hl/h. Tàu chạy chậm trong nhóm thuộc tàu chở than, xi măng, vận tốc chỉ vào khoảng 11,0 – 11,5 Hl/h. Tàu tổng hợp có khi chạy nhanh hơn 16Hl/h. Hình 2.34 giới thiệu tàu chở hàng rời đa năng (UBC) loại đang được đóng và khai thác phổ biến nhất hiện nay, lớp Diamond 53 (53.000 DWT), hiện đang được đóng hàng loạt từ năm 2003 tại các xưởng đóng tàu Trung Quốc và Việt Nam. Hình 2.35 giới thiệu mặt cắt ngang cùng tàu. 55
56 Hình 2.34. Tàu chở hàng rời đa năng (UBC) 53.000 DWT /DIAMOND 53
Hình 2.35. Mặt cắt ngang tàu hàng rời 53.000DWT (Diamand 53) 57
Tàu chở dầu-quặng. Một trong những tàu kết hợp công việc được những nhà đóng tàu thiết kế đầu tiên là tàu chở dầu trong chuyến đi và quặng chuyến về (tiếng Anh: Combination Vessels). Nhìn chung kết cấu tàu chở quặng – dầu, gọi tắt là tàu O-O (Ore-Oil carrier), không khác tàu chở quặng, tiếng Anh chỉ gọi Ore carrier, giới thiệu trên hình 2.36. Điểm khác nhau chính đồng thời là dấu hiệu phân biệt tàu O và O-O là trên tàu chở mặt hàng dầu nhất thiết có buồng bơm và hệ thống bơm hàng. Ngoài ra tầu O-O còn có hệ thống thoát khí do dầu, các khoang cách ly giữa hành lang, khoang hàng mạn. Hình 2.36. Sơ đồ bố trí tàu O-O Sản phẩm dầu vận chuyển trong tàu dạng này có tỷ trọng trong giới hạn 0,80 ÷ 0,90 t/m3, tương đương hệ số dung tích chở hàng của tàu 1,10 ÷ 1,25 m3/t. Từ đây có thể thấy điều cần suy tính là dung tích cần cho việc chứa hàng nhẹ, trong trường hợp này là sản phẩm từ dầu, sẽ gấp hai lần dung tích cần cho hàng nặng. Hàng lỏng trên tàu O-O chứa trong các két bố trí trong các khoang mạn hoặc đáy đôi, trong các két mặt cắt ngang dạng chữ L, các deeptank vv Bố trí buồng bơm và số lượng bơm trên tàu O-O nhằm đảm bảo bơm hàng, gồm nhận hàng, chuyển hàng đến vị trí tập kết trong hạn định chuẩn. Thông thường thời gian bơm hàng khoảng 10 – 12 giờ. Hình 2.37 58
Hình 2.37 trình bày bố trí tàu O-O deadweight 44.500t đã được chế tạo và sử dụng có hiệu quả. Ghi chú trên hình mang ý nghĩa: 1 - két hàng, 2 – két ballast, 3 – két dự trữ tàu, 4 – buồng bơm, 5 – kho. Sản phẩm từ dầu được chứa trong các két tại các vùng đánh dấu bằng 2, 3, 5, 6. Quặng chỉ được bố trí trong vùng 1 và 4. Từ các hình vừa trình bày có thể nhận xét chung về tàu nhóm này như sau. Đây là nhóm tàu một boong, bố trí buồng máy phía lái, đáy đôi, mạn đôi. Đáy đôi của tàu này có chiều cao quá cỡ, mạn đôi, nếu có, thỉnh thoảng cũng quá cỡ. Chiều dài khoang hàng dài hơn tàu nhóm khác. Với tàu chở quặng là mặt hàng nặng, dung tích hầm hàng không đòi phải lớn nhất mà chỉ ở mức vừa đủ. Thông lệ chúng ta thiết kế tàu chở quặng theo yêu cầu về dung tích riêng hầm hàng trong giới hạn μ = 0,50 ÷ 0,60 m3/t. Cần nói thêm, những năm cuối thế kỷ XX khá nhiều tàu trong nhóm có dung tích riêng dành cho hầm hàng đạt đến giá trị 0,70 ÷ 0,85 m3/t. Dung tích hầm hàng thực tế của tàu được tính sau khi loại trừ dung tích mạn đôi và đáy đôi trong khu vực này. Công thức kinh nghiệm xác định chiều rộng hầm hàng bhh (chiều rộng tàu trừ hai lần chiều rộng khoang mạn) và chiều cao đáy đôi tàu chở quặng hdd như sau: b h hh =0,50 ÷ 0,60 ; dd =0,25 ÷ 0,30 B H Dung tích các khoang mạn, đáy đôi dùng cho việc chứa dự trữ và ballast. Điều khác thường nữa, ballast còn được chứa tại các két trên chúng ta đã làm quen. Các két trên tuy dung tích không lớn song lượng ballast tại đây giúp cho việc kéo trọng tâm tàu lên cao trong các chế độ khai thác. Cần nói lại cho rõ, với tàu vận tải thông dụng hoặc tàu dầu chúng ta tìm mọi cách hạ thấp trọng tâm tàu nhằm tăng khả năng ổn định. Ngược lại với tàu chở quặng, tình thế thường đảo ngược, với hàng nặng, trọng tâm tàu thường nằm thấp làm cho chiều cao tâm nghiêng của tàu tăng nhiều nếu so với tàu thông thường. Với tàu có GM lớn quá cỡ như chúng ta đã quen gọi trong phần lý thuyết tàu, tàu sẽ “cứng” quá. Tàu cứng sẽ lắc với biên độ không nhỏ song chu kỳ lắc quá ngắn, tính êm của tàu không còn, độ an toàn của tàu khó đảm bảo. Cấu hình mặt cắt ngang tàu chở hàng rời được trình bày tại hình 2.38. Các ghi chú mang ý nghĩa: 1 – lỗ trống cho hàng (opening with portable plate), 2 – tấm chắn cạnh (side panel), 3 – túi hàng hạt (grain), 4 – boong dâng (raised quarter deck), 5 – lối đi (passage). Một trong những đặc tính thuộc kết cấu tàu chở quặng còn là lối đi trong tàu, bố trí dưới boong. Đây không giống đường hầm (tunnel) mà là lối đi (passage) hay còn gọi là hành lang, cho phép người đi từ lái đến mũi và ngược lại trong mọi điều kiện thời tiết bên ngoài trở nên xấu. Từ hành lang này có lối thoát ra ngoài và cũng có cả lối dẫn ra khoang mạn, đến đáy đôi. Lối đi bị ngăn thành từng đoạn nhờ các cửa ra vào. Tại vách kín nước nhất thiết phải bố trí cửa kín nước. Hình 2.38. Mặt ngang điển hình tàu hàng rời 59
Tàu chở hàng lỏng và hàng rời: Họ tàu chở hàng lỏng – hàng rời khá đa dạng, tuy nhiên không khác nhiều so với tàu tổng hợp đã trình bày. Những yêu cầu bổ sung cho tàu làm nhiệm vụ kết hợp thường dành cho hàng lỏng, cụ thể hơn cho các sản phẩm từ dầu. Các tàu đầu tiên của nhóm này ra đời từ những năm sáu mươi và ngày càng phát triển kiểu cách, mẫu mã. Tàu chở hàng kết hợp dầu-hàng rời-quặng: Tàu nhóm này được viết b ằng tiếng Anh Oil-Bulk-Ore Carrier, viết tắt OBO carrier, có kết cấu đa dạng (hình 2.39). Hình 2.39. Sơ đồ bố trí tàu OBO Khó khăn lớn khi giải quyết những vấn đề thiết kế kết cấu tàu chở hàng kết hợp là tìm giải pháp dung hòa cho hai kết cấu tiêu biểu nêu tiếp tại hình 2.40. Kết cấu bên trái dùng cho tàu chở hàng rời chính hiệu (Bulk carrier), hình bên phải là kết cấu đặc trưng của tàu chở quặng (Ore carrier), được vẽ cùng tỷ lệ. Hình 2.40. Mặt cắt ngang tàu Bulk carrier (a) và Ore carrier (b) 60
Kết cấu đặc trưng của tàu chở hàng rời (bulk carrier) có thể thấy trên hình 2.41 trình bày sau đây. Tàu đáy đôi với chiều cao đáy khá cao, có trường hợp đến 6m. đáy trong thường đặt bằng suốt cả chiều rộng tàu. Tấm đáy trong được hàn cố định với tấm mạn và được liên kết với tấm mạn qua mã hông (bracket). Kích thước mã hông thường rất lớn. Đặc điểm thứ hai của kết cấu này là, két thượng (top tank) có kích thước khá lớn, dung tích lớn dùng vào hai việc khác nhau: hoặc để chứa nước dằn hoặc dùng chứa hàng. Hàng được đưa vào két qua hệ thống miệng hầm hàng diện tích khá nhỏ trên boong. Hình 2.41. Mặt cắt ngang tàu hàng rời có kết cấu hỗn hợp Kết cấu tàu thuộc kiểu kết cấu hỗn hợp ngang – dọc. Các nẹp dọc đáy, dọc boong bố trí theo cách quen thuộc như vẫn dùng cho các tàu vận tải khác theo hệ thống kết cấu dọc. Hệ thống các sườn đảm bảo độ bền cục bộ không khác nhiều nếu so với tàu vận tải hàng khô. Tàu với kết cấu kiểu này dùng vào việc vận chuyển than, hạt nặng và các hàng nặng khác chỉ trong hầm hàng, và hàng hạt nhẹ vừa trong khoang hàng vừa trong két thượng. Khi chở hàng nặng trong khoang, các két thượng chứa nước dằn nhằm nâng cao trọng tâm tàu, bằng cách đó hạ thấp chiều cao tâm nghiêng ban đầu GM0, giảm lắc ngang cho tàu. Biện pháp chống tàu “cứng” này được áp dụng cho tàu chở hàng nặng, đảm bảo tính êm và đảm bảo an toàn cho tàu. Kết cấu và vai trò tấm nghiêng trong tàu chở hàng rời đa dạng. Vách nghiêng tại hông (hopperside) bố trí dưới những góc xác định, tạo thuận lợi cho quá trình bốc dỡ hàng và bảo quản hàng trong vận chuyển. Với tàu chở hàng nặng, vách hông hạn chế dung tích phần dưới của khoang, bắt buộc hàng phải dồn lên cao, trọng tâm hàng nâng theo. Hàng rời theo triền dốc của vách nghiêng đổ xuống vùng tập kết nhanh hơn khi bốc dỡ hàng. vách nghiêng phía trên làm nhiệm vụ chính là nón che sát mặt thoáng hàng hạt khi chở hàng đầy khoang. Vách nghiêng thiết kế phù hợp với độ dốc tự nhiên của ngọn hàng có tác dụng ngăn dịch chuyển mặt thoáng hàng. Kết cấu của vách nghiêng giới thiệu tại hình 2.42. 61
Hình 2.42a. Sơ đồ bố trí kết cấu tàu hầm hàng Bulk carrier Những chi tiết chính ghi trên hình 2.42 mang ý nghĩa sau: 1- Sườn khoang (side shell frame), 2- Ranh giới của vách ngang và vách nghiêng (boundaries of transverse bulhkeads and bukhead stools), 3- boong ngang (cross deck), 4- Thành quây miệng hầm hàng (hatch coaming), 5- Sườn ngang trong két ballast (hopper side transverse), 6- tôn đáy trên (inner bottom plating). Để hiểu rõ hơn bố trí này, hình 2.42b giới thiệu mặt cắt ngang cùng hình. Hình 2.42b. mặt cắt ngang điển hình hầm hàng Bulk carrier 62
Một cách tương tự, hình 2.43 nêu dưới đây trình bày đầy đủ kết cấu vách nghiêng hông làm chức năng thành két hông và vách nghiêng trên làm chức năng đáy két thượng trong tàu chở quặng kiểu cũ. Hình 2.43 Hình 2.44 Điều có thể nói thêm, kết cấu các khoang này theo hệ thống ngang trong trường hợp cụ thể này. Lối đi trên tàu này bố trí khoảng giữa hai két nước dằn đang nêu. Trường hợp tàu có hai vách dọc, bố trí vách nghiêng hông và vách nghiêng trên như tại hình 2.44. Trường hợp sau chúng ta có thể thấy rằng lối đi được đặt cao, đúng vào vị trí top tank mà các tàu khác vẫn thực hiện. Tàu chở quặng được đề cập và giới thiệu tại các hình 2.32, 2.40b có kết cấu thực sự phức tạp. Kết cấu theo hệ thống dọc áp dụng triệt để cho đáy, mạn, boong và các vách dọc, không kể vách đứng hay nghiêng. Quặng thuộc nhóm hàng tỷ trọng lớn cần được quan tâm lúc chất hàng để trọng tâm hàng nằm cao nhất trong điều kiện có thể. Khoang chứa quặng có dung tích không lớn, nằm cao. Chính vì lẽ đó chiều cao đáy đôi tàu đạt con số chóng mặt như đã nêu. Vách dọc tàu kiên cố, nằm rất gần mặt dọc giữa tàu. Vách nghiêng phần vách dưới thay cho vách nghiêng hông nêu trên, hạn chế lan rộng của quặng tại đáy trong, vách nghiêng phần trên của vách ngăn dịch chuyển quặng tại mặt thoáng. Hình 2.45. Kết cấu tàu chở quặng Độ bền cục bộ phải được xem xét kỹ và có biện pháp xử lý thích hợp trên tàu chở quặng. Hệ thống khung sườn khoẻ, hay nói đủ hơn, rất khoẻ, đảm nhận chức năng sau. Hình 2.45 trình bày trong bản vẽ 63
phối cảnh kết cấu tàu chở quặng. Những chi tiết chính ghi trên hình mang ý nghĩa sau: Ki chính hay còn gọi sống chính, ki đứng mang số 1, còn 2 – khoang chứa quặng, 3 – lối đi và 4 – két ballast. Hình 2.46 tiếp theo trình bày bản vẽ mặt cắt ngang tàu chuyên dụng trong lĩnh vực chúng ta đang quan tâm. Hình 2.46. Kết cấu mặt cắt ngang tàu chở quặng Tàu O-O nhắc tại phần dưới đây có kết cấu gần giống mô hình vừa đề cập tại hình 2.46. Đặc trưng của tàu nhóm này, tàu một boong, hai vách dọc, đáy đôi cao, hình 2.47. Hình 2.47 Mặt hàng thứ nhất, từ chữ O đầu có xuất xứ từ Ore, được xếp tại khoang trung tâm, bị ngăn bằng hai vách dọc đủ bền. Trường hợp này tàu làm việc không khác tàu chở quặng. Mặt hàng O thứ hai, Oil – dầu, chở trong các két hình L bố trí tại các khoang mạn và đáy đôi. Trên hình 2.47 ký hiệu 2 chỉ các két dạng L dùng chứa hàng (oil - dầu), 3 – quặng (ore). 64
Mặt cắt ngang đặc trưng của tàu O-O giới thiệu phía phải hình 2.47. Có thể nhận thấy rõ, kết cấu tàu O-O theo hệ thống dọc. Hệ thống các thanh giằng luôn phải có mặt nhằm tăng cường độ bền cục bộ. Tàu UBC trình bày tại hình 2.34 cùng các mặt cắt ngang phổ biến tại hình 2.35 là hình mẫu của nhóm tàu bulk carrier hiện đại. Tàu không chỉ chở một loại hàng duy nhất mà phải chở kết hợp, chở nhiều loại hàng tính năng khác nhau. Điểm khác của tàu đang trình bày là hệ thống các boong giữa (tweendeck) được bố trí xen kẻ trong các khoang hàng của tàu. Hình ảnh bố trí tweendeck như minh họa tại hình 2.38e. Tàu chúng ta đang xem xét, chiều dọc chia thành 5 khoang hàng dài, bố trí ba cụm tweendeck mạn. Vách dọc không toàn phần, hiểu theo nghĩa, vách không gắn chân vào sàn đáy, không kéo dài liên tục suốt chiều dài như những vách chúng ta gặp trong tàu dầu, cho phép tạo nhiều khoang hàng mang tính độc đáo. Theo mô hình 2.38e, không gian bị vách dọc và tweendeck ngăn nằm tại vị trí cao, thuận tiên chứa hàng hạt hoặc nước dằn. Trường hợp sử dụng các khoang đang nêu chứa hàng hạt, khoang dưới chứa quặng chúng ta có tàu chở ít nhất hai loại hàng. Ngoài khu vực tweendeck không toàn phần vách dọc thay đổi kết cấu. Thông thường vách dọc hạ thấp phần chân đến ngang tầm sống dọc mạn (stringer) hoặc sâu hơn song không chạm đáy, hình 2.38g và 2.38f. Các vách này có thể coi là vách treo, luôn bị hẫng chân. Vách hẫng chân kiểu này có tác dụng rất tốt ngăn nhỏ mặt thoáng tại ngọn chất hàng hạt tại khoang tàu, trong khi cho phép hàng tuồn từ các khoang mạn vào dãy khoang giữa. Biện pháp ngăn ảnh hưởng mặt thoáng như thế này tỏ ra rất hiệu nghiệm. Trường hợp sau cho phép sử dụng tàu vào việc chở hàng rời tỷ trọng không cao trong tất cả các khoang hàng. Sơ đồ chất hàng của hãng Mc Gregor áp dụng cho tàu UBC đang đề cập có dạng như tại hình 2.48. Trên sơ đồ tại hình 2.48 phân biệt các loại hàng sau: a) quặng nặng, dung tích riêng hầm hàng: 0,45 m3 /t; b) than đá, dung tích riêng hầm hàng: 1,33 m3 /t; c) hạt nặng, dung tích riêng hầm hàng: 1,25 m3 /t; d) hạt nhẹ, dung tích riêng hầm hàng: 1,56 m3 /t; hình 2.48e dành riêng cho trường hợp chạy dưới Hình 2.48 ballast. Hình 2.49 cho sơ đồ đổ đống hàng và vai trò của các két trong vùng khoang hàng của quá trình chuyên chở hàng hoá 65
Hình 2.49 5.4. Tàu chở hàng thùng tiêu chuẩn (container). Thùng tiêu chuẩn được đề xuất từ rất sớm, trước những năm năm mươi. Đến những năm sáu mươi thùng tiêu chuẩn được thống nhất hoá và được dùng trên khắp thế giới. Thùng (container) kích thước LxBxH tính bằng đơn vị feet (20x8x8) được thống nhất là đơn vị chuẩn dùng cho tàu container. Một đơn vị thùng dài 20’ đặt trên tàu gọi là TEU (Tweenty feet Equivalent Unit). Năm 1964 tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa IOS (International Organization for Standarnization) thống nhất đưa ra tiêu chuẩn cho các thùng dùng vận chuyển hàng hóa trên tàu thủy. Các thùng này có kích thước đo trong hệ metric, theo qui định mang tên gọi tiêu chuẩn ISO như sau: 66
Kiểu Kích thước phủ bì, (m) Trọng Dài Rộng Cao lượng tối đa, t IA 12,20 2,44 2,44 30,5 IB 9,15 2,44 2,44 25,4 NHÓM I IC 6,10 2,44 2,44 20,3 ID 3,05 2,44 2,44 10,2 IE 2,04 2,44 2,44 7,1 IF 1,52 2,44 2,44 5,1 IIA 2,92 2,3 2,1 7,1 NHÓM II IIB 2,40 2,1 2,1 7,1 IIC 1,45 2,30 2,1 7,1 Thùng nhóm I có chiều rộng và chiều cao cùng một cỡ 8’ (tương đương 2,44m trong tiêu chuẩn ISO), thùng nhóm II có chiều cao cùng cỡ 2,10m. Trọng lượng tối đa ghi trong tiêu chuẩn đã tính đến lượng hàng trong thùng. Hình ảnh thùng container được tham khảo trên hình 2.50 dưới đây: Hình 2.50 Công cụ vận chuyển container trong vận tải biển là tàu chở container (container ship), bao gồm: Tàu chở hàng bách hoá (General Cargo Ship): chủ yếu chở hàng bách hoá thông thường, nhưng trong mỗi chuyến có thể nhận chở một số lượng hạn chế container xếp trên boong. Tàu bán container (Semi-Container Ships): thường được cải tạo từ các tàu hàng bách hoá, trên tàu có vài hầm tàu thích ứng để chứa container và một số container được xếp trên boong. Số hầm hàng còn lại để chở hàng bao gói thông thường. Tàu container kiểu tổ ong (Full Cellular container ships): loại này có cấu trúc một boong, chia làm nhiều hầm, có nhiều vách ngăn, trong mỗi hầm có thể xếp 7 ÷8 tầng container. Trên boong cũng có cấu trúc đặc biệt để có thể xếp được khoảng 40% tổng số container. Tàu container kiểu RO-RO: loại tàu này có cấu trúc nhiều boong, giữa các boong có các đường dốc nghiêng, được bố trí ở mũi, đuôi, hoặc bên mạn tàu có cửa để xếp dỡ container. Phương pháp xếp dỡ 67
theo phương nằm ngang (phương tiện lăn – Roll on and Roll off). Theo cách này, container được để trên xe rơ moóc, ô tô hoặc toa xe mặt phẳng, rồi được đầu máy kéo đưa thẳng vào hầm tàu. Ơ cảng đến, lại dùng đầu máy kéo đưa thẳng container cùng rơ moóc, toa xe từ hầm lên bờ. Tàu container kiểu LASH (Light Aboard Ships): là loại tàu có cấu trúc đặc biệt, có trang bị cần cẩu khung có sức nâng 500 ÷1500 tấn để xếp dỡ sà lan. Sức chở moi sà lan từ 100 ÷ 1000 tấn. Trên mỗi sà lan có thể xếp hàng hoá thông thường hoặc xếp container có chứa hàng (gọi là sà lan container – Light container ship). Các sà lan được xếp lên tàu mẹ (Mother Ships). Mặt cắt ngang qua hình 2.51 dưới đây nêu rõ cách sắp xếp thùng trong tàu “Semi-Container” được đóng vào đầu thập niên sáu mươi của thế kỉ XX. Tàu được thiết kế đáy, boong the hệ thống dọc, mạn the hệ thống ngang với 02 sống dọc mạn. Điểm đặc biệt là tàu được thiết kế lối đi từ thượng tầng lái tới thượng tầng mũi trong hầm boong. Hình 2.51. Sơ đồ xếp thùng tàu “Semi-Container”. Tàu chở container tiêu chuẩn có các khoang hàng hình khối, đủ chứa nhiều dẫy và nhiều chồng thùng. Tàu dạng đang nêu có thể gọi là tàu (chỉ) chở container, tương đương cách gọi của người Anh “Full Container Ship” hoặc cách gọi của người Đức “Vollkontainerschiff”. hình 2.52 dưới đây nêu rõ cách sắp xếp thùng trong tàu “full-Container”. Kết cấu trong khoang tàu chở hàng thùng tiêu chuẩn khác tàu chở hàng khô thông thường ở chỗ, trên các thành đứng của khoang hàng phải lắp đặt các thanh dẫn hướng thùng. Các thanh này làm hai chức năng đồng thời: giúp đẩy nhanh quá trình đưa thùng vào, lấy thùng ra và ngăn cản xê dịch thùng khi 68
tàu chuyển động. Thường gặp trên các tàu đang khai thác các thanh dẫn hướng làm từ thép hình cỡ 100x100 hoặc 150x150 mm, hình 2.53 mô tả việc bố trí các thanh dẫn hướng thùng như vậy. Hình 2.52. Sơ đồ xếp thùng tàu “full container Hình 2.58. Bố trí ray dẫn hướng Thông lệ, buồng máy tàu container đặt phía sau. Thượng tầng tàu bố trí lùi phía sau buồng máy. Điều khác thường của tàu hàng thùng cũng thể hiện tại khu vực này. Trên một phần boong lộ thiên trên khu vực buồng máy và boong lộ thiên vùng khoang hàng, người ta làn sàn đủ cứng vững để chất thùng cao lên. Tàu chở container cỡ lớn, sức chở 1700TEU được giới thiệu tại hình 2.53. Điều cần được quan tâm đặc biệt khi thiết k ế tàu kiểu này là bố trí các khoang hàng chứa đủ số thùng đã định và kết cấu phải đảm bảo bền khi chở thùng tiêu chuẩn. Tài liệu trích từ thiết kế tàu container trên có thể tham khảo khi thiết kế kết cấu tàu kiểu này. Tàu mang cấp đăng kiểm Đức (GL CLASS 100 A5) với chiều dài toàn bộ LOA = 184,10m; chiều dài giữa hai trụ Lpp =171,94m, chiều rộng B = 25,30m, chiều cao mạn D = 13,50m, chiều chìm d = 9,50m, lượng chiếm nước ∆ = 23.000 tấn, trang bị máy chính có công suất 13320 KW, dự tính khai thác với vận tốc v = 19,7 Hl/h. Tàu một boong, bốn khoang hàng. Buồng máy tàu đặt phía lái. Tàu được thiết kế để chở thùng tiêu chuẩn 20’ (TEU) theo chuẩn ISO, kiểu IC song có thể chở thùng 40’ (FEU) kiểu IA của ISO. Sức chở của tàu 1730 TEU. Trong số thùng này 634 TEU bố trí trong các khoang, 1096 TEU (chiếm ~ 64%) bố trí trên boong. 69