Tấm thép cán nóng dùng trong đóng tàu là một trong những loại sản phẩm thép có yêu cầu chất lượng khắt khe nhất, bao gồm các quy trình chứng nhận và kỳ vọng về hiệu năng. Vỏ tàu, boong tàu, vách ngăn và kết cấu thượng tầng phải chịu được tải trọng sóng động, môi trường biển ăn mòn và các biến đổi nhiệt độ cực đoan, đồng thời duy trì độ bền cấu trúc trong suốt tuổi thọ khai thác kéo dài từ 25 đến 30 năm. Ngành công nghiệp đóng tàu tiêu thụ hàng triệu tấn tấm thép cán nóng mỗi năm, với các cấp độ thép được quy định theo các quy tắc của các tổ chức phân cấp tàu, chi phối mọi khía cạnh từ thành phần hóa học đến độ dai va đập ở nhiệt độ dưới 0°C. Việc hiểu rõ toàn bộ phổ các cấp độ thép dùng trong đóng tàu, các lộ trình chứng nhận tương ứng và các quy trình kiểm tra chất lượng liên quan là điều thiết yếu đối với các chuyên gia mua hàng phục vụ các xưởng đóng tàu, các công ty kỹ thuật ngoài khơi và các nhà sản xuất thiết bị hàng hải.

Phân loại thép đóng tàu: Hiểu hệ thống ký hiệu cấp thép

Việc phân loại thép tấm cán nóng dùng trong đóng tàu tuân theo một hệ thống có cấu trúc nhằm thể hiện cấp độ độ bền và khả năng chịu va đập ở nhiệt độ thấp. Theo tiêu chuẩn Trung Quốc GB 712, các mác thép kết cấu thân tàu có độ bền thông thường được ký hiệu là A, B, D và E; thứ tự chữ cái biểu thị khả năng chịu va đập ở nhiệt độ thấp ngày càng tốt hơn. Mác A yêu cầu thử nghiệm va đập ở 20°C (năng lượng hấp thụ tối thiểu 34 J đối với mẫu thử dọc trục), mác B ở 0°C, mác D ở -20°C và mác E ở -40°C, tất cả đều có giá trị năng lượng hấp thụ tối thiểu đảm bảo thép không bị gãy giòn khi vận hành trong vùng nước lạnh. Các mác thép kết cấu thân tàu có độ bền cao tuân theo quy ước đặt tên như AH32, DH32, EH32, FH32 (độ bền chảy tối thiểu 315 MPa), tiếp đến là AH36, DH36, EH36, FH36 (độ bền chảy tối thiểu 355 MPa) và lên tới AH40–FH40 (độ bền chảy tối thiểu 390 MPa). Chữ cái đứng đầu tuân theo cùng quy ước nhiệt độ như các mác thép có độ bền thông thường. Trên phạm vi quốc tế, tiêu chuẩn ASTM A131 bao quát các mác tương đương được sử dụng trong thực tiễn đóng tàu tại Hoa Kỳ, trong khi các tổ chức đăng kiểm như CCS (China Classification Society), ABS (American Bureau of Shipping), DNV (Det Norske Veritas), LR (Lloyd's Register) và BV (Bureau Veritas) đều duy trì các quy định riêng về phê duyệt vật liệu, nói chung phù hợp với các yêu cầu thống nhất của IACS (International Association of Classification Societies).

Kết cấu thân tàu: Các ứng dụng kết cấu chính

Vỏ tàu tạo thành kết cấu chính của bất kỳ phương tiện hàng hải nào và tiêu thụ lượng lớn nhất thép cán nóng dạng tấm dùng trong đóng tàu. Tấm vỏ tàu bao gồm các tấm đáy, tấm mạn và các dải cong ở vùng boong (bilge strakes) tạo thành lớp bao kín nước của tàu. Các tấm đáy chịu áp lực thủy tĩnh cao nhất và phải chống lại hiện tượng mất ổn định do nén kết hợp từ uốn dọc và áp lực nước ngang. Đối với các tàu đại dương cỡ lớn như tàu chở dầu thô siêu trọng (VLCC – Very Large Crude Carriers) có trọng tải trên 300.000 DWT và tàu container có sức chở trên 20.000 TEU, các mác thép cường độ cao EH36 và EH40, với độ dày từ 15 mm đến 80 mm, thường được yêu cầu sử dụng cho vùng tấm đáy và vùng boong chịu lực—nơi tập trung ứng suất cao nhất. Các thành phần chịu lực dọc như tấm sống chính, xà ngang boong và dải mép boong (sheer strakes) còn đòi hỏi các mác thép có tính chất đảm bảo xuyên suốt chiều dày (tính năng theo hướng Z, theo tiêu chuẩn GB/T 5313) nhằm ngăn ngừa hiện tượng nứt lớp (lamellar tearing) tại các mối hàn nối các thành phần quan trọng này. Các xưởng đóng tàu thường đặt mua tấm thép với chiều dài tối đa 12 mét và chiều rộng tối đa 4 mét, đồng thời yêu cầu áp dụng quy trình cán kiểm soát và cán ủ để đạt được vi cấu trúc hạt mịn—yêu cầu thiết yếu nhằm đảm bảo mức độ độ dai cần thiết.

Tấm sàn: Phân bố tải trọng và độ bền cấu trúc

Tấm boong vừa đóng vai trò là các thành phần kết cấu chịu ứng suất uốn dọc, vừa là bề mặt làm việc chịu tải trọng hàng hóa, trọng lượng thiết bị và tác động của sóng lên các boong lộ thiên. Boong chịu lực — tức boong liên tục cao nhất góp phần vào độ cứng dọc của dầm thân tàu — thường yêu cầu cùng cấp thép với tấm vỏ đáy ở khu vực giữa tàu, nơi mô-men uốn đạt giá trị lớn nhất. Đối với các boong chịu thời tiết (boong trên cùng) phải chịu tải trọng nước xanh (green water), tấm boong cần kết hợp cả độ bền và khả năng chống ăn mòn; do đó, các đặc tính kỹ thuật thường quy định hàm lượng lưu huỳnh được kiểm soát và kiểm soát hình dạng các tạp chất thông qua xử lý canxi nhằm cải thiện khả năng chống ăn mòn điểm (pitting corrosion). Các boong chở hàng trên tàu chở hàng rời đòi hỏi tính chất chống mài mòn; đối với những tàu chở hàng ăn mòn như than hoặc lưu huỳnh, chủ tàu có thể yêu cầu tấm boong có độ dư chống ăn mòn hơi lớn hơn hoặc lựa chọn các cấp thép được sản xuất bằng quy trình cán nóng điều khiển nhiệt cơ (TMCP), nhờ đó đạt được chất lượng bề mặt vượt trội. Độ dày tấm boong thường dao động từ 10 mm đến 40 mm đối với các boong chính, trong khi các tấm gia cường (doubler plates) và tấm chèn (insert plates) có thể dày tới 60 mm tại các góc nắp hầm và các vị trí tập trung ứng suất khác — nơi nguy cơ nứt mỏi đòi hỏi tăng thêm độ dày vật liệu.

Vách ngăn: Phân chia khoang và ổn định khi bị hư hại

Các vách ngăn chia thân tàu thành các khoang kín nước, điều này rất quan trọng đối với khả năng ổn định khi bị hư hại; đồng thời, chúng cũng đóng vai trò là các thành phần chịu lực ngang nhằm chống lại lực xoay (racking forces) và đỡ tải trọng từ boong. Các vách ngăn kín nước theo phương ngang trên tàu chở hàng thường được chế tạo từ thép tấm cấp A hoặc AH32, với độ dày dao động từ 8 mm đến 20 mm; độ dày tăng dần về phía đáy tàu do áp lực thủy tĩnh lớn hơn. Vách ngăn va chạm — vách ngăn ngang ở vị trí trước cùng, được thiết kế để chịu được va chạm ở mũi tàu — được xây dựng theo tiêu chuẩn cao hơn bằng thép cấp D hoặc DH36 và theo quy định của Công ước SOLAS (An toàn cho sinh mạng con người trên biển), phải được đặt cách đường vuông góc phía trước (forward perpendicular) một khoảng bằng 5% đến 8% chiều dài tàu. Đối với tàu chở dầu thô hoặc sản phẩm hóa chất, các vách ngăn gân (corrugated bulkheads) được tạo thành từ tấm thép đã được ép có ưu điểm giảm trọng lượng mà vẫn loại bỏ nhu cầu sử dụng các thanh gia cường — vốn sẽ tạo ra các khe hở nơi cặn bẩn hàng hóa dễ tích tụ. Thép dùng cho vách ngăn gân phải có khả năng uốn dập tốt để chịu được quá trình ép sâu mà không bị nứt; các mác thép này yêu cầu hàm lượng lưu huỳnh được kiểm soát dưới mức 0,010% và phải được sản xuất theo quy trình luyện thép hạt mịn nhằm đảm bảo độ dẻo dai trong quá trình gia công nguội.

Phần kết cấu thượng tầng và khu vực ở

Kết cấu thượng tầng bao gồm các nhà boong và các khối khu vực ở trên boong chịu lực. Mặc dù những kết cấu này đóng góp ít hơn vào độ bền tổng thể của dầm thân tàu, chúng vẫn phải chịu được tải trọng gió, gia tốc do chuyển động của tàu và rung động từ máy đẩy. Tấm thép cán nóng dùng trong đóng tàu cho các ứng dụng kết cấu thượng tầng thường có độ dày nhỏ hơn, dao động từ 6 mm đến 15 mm, với các cấp độ A hoặc AH32 là các thông số kỹ thuật phổ biến nhất. Đối với sàn khu vực ở và vách ngăn, các yêu cầu về bảo vệ chống cháy theo Chương II-2 của Công ước SOLAS dẫn đến việc lựa chọn vật liệu có các đặc tính cơ học ở nhiệt độ cao đã được chứng minh rõ ràng; các vách ngăn đạt tiêu chuẩn chống cháy A-60 sử dụng tấm thép kết hợp với hệ thống cách nhiệt bằng len khoáng thay vì chỉ dựa vào độ dày của thép. Hiện tượng mỏi do rung động là vấn đề đặc biệt cần quan tâm tại các vị trí nối kết cấu thượng tầng với thân tàu chính, do đó các tổ chức đăng kiểm yêu cầu phân tích phần tử hữu hạn chi tiết đối với các mối nối này cùng với đánh giá độ mỏi dựa trên phương pháp đường cong S-N. Các tấm thép tại các vùng chuyển tiếp này có thể cần thêm kiểm tra siêu âm và dung sai độ phẳng nghiêm ngặt hơn nhằm đảm bảo chất lượng lắp ghép cho các mối hàn phức tạp.

Chứng nhận của Tổ chức Phân cấp: Khung khổ Quy định

Toàn bộ tấm thép cán nóng dùng cho đóng tàu đều phải được chứng nhận bởi một hội phân cấp được công nhận trước khi được các xưởng đóng tàu chấp nhận. Quy trình chứng nhận bắt đầu bằng việc nhà máy thép đạt được sự phê duyệt quy trình sản xuất từ hội phân cấp, thông qua một cuộc kiểm toán đánh giá toàn bộ chuỗi sản xuất, từ luyện thép (bao gồm tinh luyện thứ cấp và đúc liên tục), đến cán, xử lý nhiệt và các quy trình thử nghiệm. Sau khi được phê duyệt nhà máy, từng lô sản phẩm thép đóng tàu sẽ được kiểm tra thử nghiệm tại chỗ bởi kiểm sát viên của hội phân cấp, người này xác minh thành phần hóa học, tính chất cơ học kéo, độ dai va đập, và đối với một số mác thép nhất định, còn thực hiện thử kéo xuyên độ dày và kiểm tra siêu âm. Kiểm sát viên đóng dấu lên mỗi tấm thép bằng dấu hiệu của hội phân cấp cùng ký hiệu mác thép, nhằm đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc từ tấm thép thành phẩm trở về số lò luyện ban đầu và mã định danh phôi. Đối với thép xuất khẩu từ Trung Quốc, việc chứng nhận kép là thực tiễn phổ biến, theo đó các tấm thép đồng thời được chứng nhận bởi CCS và một hoặc nhiều hội phân cấp quốc tế như ABS, DNV hoặc LR, giúp cùng một loại vật liệu có thể được các xưởng đóng tàu thuộc các quốc gia treo cờ khác nhau chấp nhận. Yêu cầu thống nhất IACS W11 dành cho thép kết cấu thân tàu có cường độ thông thường và cao hơn đặt ra các tiêu chí kỹ thuật nền tảng mà từng hội phân cấp riêng lẻ đưa vào quy tắc của mình, từ đó đảm bảo mức độ nhất quán cao trên toàn cầu về chất lượng thép đóng tàu.

Bảng tra cứu chéo tiêu chuẩn quốc tế và lựa chọn cấp độ

Việc điều hướng các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế khác nhau đối với thép cán nóng dùng trong đóng tàu đòi hỏi phải hiểu rõ sự tương đương và những khác biệt tinh tế giữa các hệ thống đặc tả. Bảng dưới đây cung cấp bảng tra cứu thực tiễn cho các mác thép đóng tàu phổ biến nhất theo các tiêu chuẩn GB 712, ASTM A131 và IACS UR W11. Khi lựa chọn mác thép, các chuyên gia mua hàng cần xem xét môi trường vận hành của tàu, cụ thể là nhiệt độ thiết kế tối thiểu — yếu tố này xác định việc sử dụng mác A (chỉ phù hợp với vùng nước ôn hòa), mác D/E (bắt buộc cho tàu hoạt động ở vùng Bắc Đại Tây Dương vào mùa đông) hoặc mác thép FH (dành cho tàu hoạt động ở vùng Bắc Cực và tàu có khả năng phá băng). Các yếu tố cần cân nhắc thêm bao gồm độ dày tấm thép, vì độ dày ảnh hưởng đến yêu cầu thử va đập: các tấm dày hơn yêu cầu thử nghiệm ở nhiệt độ thấp hơn do mức độ hạn chế lớn hơn đối với biến dạng dẻo tại đầu vết nứt. Đối với các tàu được gia cường để hoạt động trong vùng cực, Quy tắc Lớp Bắc Cực (Polar Class) của IACS từ PC1 đến PC7 quy định các mác thép dành riêng cho vùng băng (ice belt) và mũi tàu, với độ dai va đập ở nhiệt độ thấp vượt trội so với các mác thép tiêu chuẩn FH36 và FH40, thường yêu cầu các mác thép đảm bảo năng lượng hấp thụ của thử nghiệm va đập Charpy V-notch đạt ít nhất 60J ở -60°C.

Yêu cầu Kiểm soát Chất lượng và Kiểm tra

Việc xác minh chất lượng thép tấm dùng trong đóng tàu tuân theo một quy trình kiểm tra nghiêm ngặt nhiều giai đoạn, vượt xa chứng nhận tiêu chuẩn của nhà máy. Các tấm thép dùng cho các vị trí kết cấu quan trọng phải được kiểm tra siêu âm 100% theo quy định của các tổ chức phân cấp, thường áp dụng phương pháp quét lưới để kiểm tra toàn bộ diện tích tấm nhằm phát hiện các lớp tách (laminations) và các khuyết tật bên trong. Kiểm tra chất lượng bề mặt nhằm xác định và xử lý các khuyết tật bề mặt như các vết sần (scabs), các đường nối hàn (seams), các nếp gấp chồng lấn (laps) và lớp gỉ quá mức (excessive scale), vốn có thể gây cản trở quá trình hàn hoặc độ bám dính của lớp phủ. Kiểm tra kích thước nhằm xác minh độ dày nằm trong giới hạn dung sai âm 0,3 mm theo quy định của hầu hết các tổ chức phân cấp, đồng thời kiểm tra độ phẳng với yêu cầu thông thường là 3 mm trên mỗi mét đối với các tấm có độ dày đến 25 mm và 2 mm trên mỗi mét đối với các tấm dày hơn. Việc gia công mép, bao gồm vát mép và phay mép cho các tấm thép dùng cho mối hàn giáp mối (butt-welded seams), phải đáp ứng các dung sai quy định về chiều cao phần chân (root face) và góc vát (bevel angle). Đối với các tấm thép sử dụng ở các chi tiết kết cấu quan trọng được xác định thông qua phân tích phần tử hữu hạn (finite element analysis) của thân tàu, có thể yêu cầu thêm các thử nghiệm như: thử kéo xuyên suốt độ dày (through-thickness tensile testing) nhằm đảm bảo đạt chất lượng Z35 (độ giảm diện tích tối thiểu 35% theo hướng xuyên suốt độ dày) và thử nghiệm CTOD (Crack Tip Opening Displacement – Độ mở đầu nứt) nhằm xác nhận độ bền chống nứt trong vùng ảnh hưởng nhiệt (heat-affected zone) của mối hàn. Các cơ quan kiểm tra độc lập như SGS, Bureau Veritas Inspection hoặc Intertek thường tham gia bổ sung công tác giám sát của các tổ chức phân cấp, đặc biệt đối với các lô hàng xuất khẩu, nơi quốc gia nhập khẩu của khách hàng có thể yêu cầu xác minh độc lập.