GIẢI PHÁP TĂNG TUỔI THỌ VÀ TÍNH AN TOÀN CHO TÀU VỎ GỖ

MỞ ĐẦU.

Theo số liệu thống kê [1] tính đến năm cuối năm 2013 tổng số tàu thuyền đánh cá ở nước ta là trên 100.000 chiếc, trong đó hơn 95% là tàu vỏ gỗ, lượng gỗ hàng năm cần thiết để duy tu bảo dưỡng cho đội tàu cá vỏ gỗ khoảng 100.000m³ gỗ tàu thuyền. Hàng năm những con tàu này đều phải kéo lên đà để tu bổ định kỳ (cạo hà, xảm trét, quét dầu chai chống thấm, sơn kỵ hà…), tổn phí cho mỗi lần lên đà đến hàng chục, thậm chí hàng trăm triệu đồng.

Bên cạnh đó, hiện nay trên cả nước còn tồn tại hàng ngàn tàu vỏ gỗ phục vụ du lịch biển, trong đó đặc biệt tại khu vực vịnh Hạ Long đang có nhiều tàu du lịch vỏ gỗ cỡ lớn chuyên phục vụ khách du lịch ngủ đêm trên vịnh, nếu xảy ra hiện tượng phá nước (do vỏ tàu gỗ được ghép từ nhiều mảnh gỗ lại với nhau, sau đó xử lý kín nước bằng vật liệu xảm, trong quá trình hoạt động, dưới tác động của ngoại lực, tàu dễ bị phá nước, nhất là các tàu dã được sử dụng trên 10 năm) hậu quả sẽ rất thảm khốc.

Nguyên nhân chủ yếu làm giảm tuổi thọ của tàu vỏ gỗ (tàu bị phá nước và giảm sức bền) là tác dụng phá hủy các loại vi sinh vật biển (hàu, hà…) và môi trường ẩm mặn (làm mục gỗ) gây ra. Nếu khắc phục tác hại này – bằng cách sử dụng vật liệu thích hợp ngăn cách sự tiếp xúc trực tiếp giữa gỗ và môi trường nước biển – sẽ kéo dài tuổi thọ của tàu.Thực tế cho thấy, nếu sử dụng vật liệu và kỹ thuật bọc thích hợp, sẽ tăng tuổi thọ của đội tàu vỏ gỗ đến hàng chục năm.

Thời gian gần đây, với sự ra đời của Nghị định 67-NĐCP, Nhà nước đã ban hành chính sách hỗ trợ ngư dân vay vốn với lãi suất ưu đãi để phát triển nghề cá xa bờ. Trong đó có phần dành để duy tu, nâng cấp đội tàu cá vỏ gỗ hiện hành. Đây thực sự là cú hích giúp kéo dài tuổi thọ và tăng tính an toàn của đội tàu cá vỏ gỗ, vừa tránh lãng phí nguồn lực rất lớn của xã hội, vừa đảm bảo chủ trương phát triển ổn định đội tàu cá Việt Nam.

Với những ưu điểm nổi bật (nhẹ, bền, chống thấm và chịu nước mặn tốt), composite là loại vật liệu phù hợp nhất dùng làm lớp bọc ngoài cho các tàu vỏ gỗ (cũ và mới).

Việc sử dụng composite bọc phần dưới mớn nước các tàu vỏ gỗ đã được thực hiện ở nhiều địa phương. Tuy nhiên kết quả thu được chưa được như ý (thường bị sự cố bong tách giữa composite với gỗ, sự gãy nứt của bản thân lớp composite.), hiện tượng hư hỏng này do các nguyên nhân sau:

– Xử lý lớp bề mặt gỗ chưa tốt.

– Quy cách lớp composite chưa phù hợp.

– Không sử dụng các phương pháp tăng cường độ bám, hoặc có nhưng chưa phù hợp.

Vấn đề cơ bản cần giải quyết khi bọc tàu gỗ bằng vật liệu composite là căn cứ vào loại tàu cần bọc, vào đặc thù của vật liệu composite (vật liệu kết cấu dưới dạng tấm nhiều lớp, không đồng nhất và dị hướng) xác định quy trình bọc phù hợp với từng nhóm tàu, vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật (không bị gãy, vỡ, bong tách) vừa đảm bảo yêu cầu kinh tế (giá thành phù hợp).

Từ kết quả của đề tài B98-33-18-TĐ, UNINSHIP xin gửi đến bạn đọc quan tâm cơ sở tính toán chiều dày lớp composite bọc tàu vỏ gỗ, với mong muốn góp phần cùng xã hội trong việc duy tu và kéo dài tuổi thọ đội tàu vỏ gỗ, vốn chiếm số lượng áp đảo trong đội tàu Việt Nam, đồng thời góp phần giảm thiểu tai nạn do sự cố của tàu vỏ gỗ (nhất là hiện tượng chìm do phá nước), đặc biệt là đội tàu du lịch có phục vụ nghỉ đêm trên biển.

Việc xác định chiều dày lớp composite bọc ngoài vỏ tàu phù hợp với từng loại tàu được thực hiện theo trình tự:

(1) Xác định chiều dày lớp composite bọc vỏ tàu trên cơ sở sức bền cắt .

(2) Kiểm tra độ bền lớp bọc theo điều kiện bền uốn.

Từ đó đề xuất quy trình bọc tàu vỏ gỗ bằng vật liệu composite phù hợp với từng nhóm tàu, nhằm thoả mãn các yêu cầu:

– Lớp composite bọc ngoài không bị phá hủy (nứt, vỡ..)

– Không có sự bong tách giữa lớp composite và lớp vỏ gỗ.

– Giá thành vừa phải, phù hợp với điều kiện kinh tế của ngư dân.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu:

* Vật liệu composite được tổ hợp từ:

– Vật liệu cốt: sợi thủy tinh các loại (Matting, Woven Roving, Cloth)

– Vật liệu nền: Nhựa polyester không no loại chuyên dùng cho tàu thuyền.

– Vật liệu bao phủ: chống hiện tượng thủy phân nhựa polyesster.

* Vật liệu gỗ: gỗ đóng tàu

2.2 Phương pháp nghiên cứu:

2.2.1 Lý thuyết

– Tính sức bền chung của tàu cá theo 3 nhóm kích thước: 15, 20 và 25m.

– Xác định quy cách tấm composite bọc ngoài phù hợp với 3 loại tàu trên (đảm bảo đủ bền, không bong tách khi làm việc trên biển).

– Đề xuất quy trình phù hợp.

2.2.2 Thực nghiệm:

Gia công và kiểm nghiệm các mẫu composite, gỗ và gỗ bọc composite.

III. KẾT QUẢ

3.1 TÍNH SỨC BỀN CHUNG

Để đơn giản, phân loại tàu thuyền vỏ gỗ theo quy định của Cục bảo vệ nguồn lợi thủy sản (phân loại tàu theo kích thước) như sau:

– Loại có chiều dài trung bình 15m.

– Loại có chiều dài trung bình 20m.

– Loại có chiều dài trung bình 25m.

Việc tính sức bền chung của 3 nhóm tàu trên nhằm mục đích:

+ Xác định lực cắt cực đại của tác dụng lên thân tàu (trên cơ sở đó xác định chiều dày cần thiết của lớp bọc composite).

+ Xác định mô men uốn cực đại, từ đó xác định mô men đơn vị cực đại tác dụng lên thân tàu (trên cơ sở đó kiểm tra sức bền phá hủy và sức bền tách của lớp bọc composite).

Các bước tiến hành được thực hiện theo [2] như sau:

– Xây dựng biểu đồ lực cắt và mô men uốn tổng hợp của 3 nhóm tàu .

– Xác định vị trí mặt cắt ngang nguy hiểm (là vị trí mà lực cắt và mô emn uốn đạt giá trị cực đại).

– Từ kết cấu của mặt cắt ngang nguy hiểm, tính giá trị của ứng suất cắt cực đại t _max, ứng suất uốn cực đại s_max ,và mô men uốn đơn vị cực đại M_x.

Kết quả tính toán được tổng hợp trong bảng 1.

Bảng 1 : Tổng hợp giá trị cực đại của lực cắt, mômen và ứng suất

TT	TÊN GỌI	ĐƠN VỊ	Nhóm tàu 15m		Nhóm tàu 20m		Nhóm tàu 25m
TT	TÊN GỌI	ĐƠN VỊ	Giá trị	Vị trí	Giá trị	Vị trí	Giá trị	Vị trí
01	Mômen uốn lớn nhất	T.m	78,57	Đáy sóng	161,703	Đáy sóng	237,735	Đỉnh sóng
02	Lực cắt lớn nhất	T	35,36	Đáy sóng	63,573	Đáy sóng	84,22	Đáy sóng
03	Ứng suất uốn cực đại	T.m-2	464,76	Mạn	459,66	Mạn	335,45	Mạn
04	Ứng suất cắt cực đại	T.m-2	354,03	Mạn	488,39	Mạn	419,88	Mạn
05	Mômen uốn đơn vị cực đại M_x.	KN	22,517		32,86		36,228

3.2 XÁC ĐỊNH QUY CÁCH TẤM COMPOSITE PHÙ HỢP VỚI TỪNG NHÓM TÀU.

3.2.1 Xác định các hằng số đàn hồi và cơ tính của vật liệu composite và gỗ.

Thực hiện bước này nhằm xác định số liệu cần thiết dùng trong tính toán kiểm nghiệm. Các số liệu có được nhờ thực hiện các test cơ học như sau:

– Kiểm nghiệm sức bền kéo của các tổ hợp vật liệu composite theo QCVN 56:2013/BGTVT [3].

– Kiểm nghiệm sức bền uốn của các tổ hợp vật liệu composite theo QCVN 56:2013/BGTVT [3].

– Kiểm nghiệm sức bền kéo của vật liệu gỗ theo tiêu chuẩn TCVN364-1970 [4]

– Kiểm nghiệm sức bền uốn của vật liệu gỗ theo tiêu chuẩn TCVN365-1970 [4]

Hình 1: Máy kiểm nghiệm HTE-H50-S

Quá trình gia công mẫu và kiểm nghiệm được tiến hành trên máy kéo nén vạn năng HTE-H50-S (hình 1) tại UNINSHIP, với kết quả cho trên bảng 2.

Bảng 2: Tổng hợp cơ tính vật liệu composite và gỗ

	THÀNH PHẦN CƠ TÍNH
VẬT LIỆU composite	S₁₂ (MPa)	G₁₂(MPa)	_k(MPa)	E₁, E₂ (MPa)	E₄₅(MPa)	₁₂	_u (MPa)	E_u (MPa)
Cốt mát	157.9	1707	91.13	4097	4097	0.2	165.3	6782
Cốt lụa	122.5	1131	118.7	5406	3007	0.125	165.6	8244
Cốt WR600	83.6	778	133.6	6069	2414	0.13	135.4	9650
Cốt WR800	98.6	781	125.4	6106	2492	0.12	104.8	9650
FRP01	140.5	–	120.8	5263	–	0.17	166.1	6340
FRP02	136	–	90.42	4105	–	0.16	152.7	6652
FRP03	134	–	103.0	4493	–	0.165	148	5747
Gỗ tàu thuyền	83.55	595	69.9	7209/1144	2073	0.024	95.13	6704

Trong đó:

– S₁₂: Sức bền cắt.

– G₁₂ : Modul đàn hồi cắt.

– s_k : Sức bền kéo.

– E₁,E₂ : Modul đàn hồi kéo theo phương 0⁰ – 90⁰.

– E₄₅ : Modul đàn hồi kéo theo phương 45⁰.

– g₁₂ : Hệ số Poat – xông.

– s_u : Sức bền uốn theo phương 0⁰.

– E_u : Modul đàn hồi uốn.

– FRP01: tấm composite có nền là nhựa 9509 và cốt sợi sắp xếp theo quy cách:

[M300/WR800/M450/WR80]

– FRP02: tấm composite có nền là nhựa 9509 và cốt sợi sắp xếp theo quy cách:

[M300/WR800/M300/WR80]

– FRP03: tấm composite có nền là nhựa 9509 và cốt sợi sắp xếp theo quy cách:

[M300/WR600/M300/WR80]

– M300: Sợi thuỷ tinh dạng matting có trọng lượng 300g/m²

– M450: Sợi thuỷ tinh dạng matting có trọng lượng 450g/m²

– WR800: Sợi thuỷ tinh dạng Woven Roving có trọng lượng 800g/m²

– WR600: Sợi thuỷ tinh dạng Woven Roving có trọng lượng 300g/m²

– WR80: Sợi thuỷ tinh dạng Woven Roving có trọng lượng 80g/m²

3.2.2 Xác định chiều dày lớp composite bọc vỏ tàu trên cơ sở sức bền cắt .

Cơ sở tính

Xét mặt cắt nguy hiểm khi tàu gỗ bọc composite họat động ở chế độ tải thiết kế, rõ ràng trong trường hợp đó lực cắt lớn nhất tác động lên phần vỏ gỗ cũng chính là lực cắt tác dụng lên lớp composite bọc ngoài ngay tại vị trí đang xét, nghĩa là ta có:

N = S_c*J*d_f / S (1)

Hay S_c = (N*S)/(J*d_f). (2)

Trong đó: S_c: ứng suất cắt sinh ra trong tấm composite ở vị trí đang xét.

J: mômen quán tính của phân tố diện tích composite ở vị trí đang xét.

S: mômen tĩnh của tiết diện phân tố đang xét

d_f: chiều dày lớp composite bọc.

Nếu gọi b là chiều rộng phân tố composite đang xét, y_c là khoảng cách từ tâm phân tố diện tích đến trục trung hòa, bỏ qua các thành phần vô cùng bé bậc cao, ta có:

S = b* d_f*y_c; và J = b* d_f*y_c².

Thay các giá trị của S và J vào (4-2) ta :

S_c = N/(y_c* d_f) ; hay d_f = N/(S_c*y_c) (3).

So sánh kết quả:

Nếu chọn quy cách tấm composite bọc cho các nhóm tàu lần lượt là FRP01 cho nhóm 25m; FRP02 cho nhóm 20m; FRP03 cho nhóm 15m. Khi đó dựa vào giá trị sức bền cắt cho phép [S_c] của các tổ hợp FRP01, FRP02, FRP03 cho trong bảng 2, dựa vào giá trị của N, y_c ứng với từng nhóm tàu trong trường hợp nguy hiểm nhất, tính toán và tổng hợp kết quả cho trong bảng 3.

Bảng 3: Xác định chiều dày lớp bọc theo 3 nhóm tàu

Đại lượng tính toán	Đơn vị	Tàu 25m	Tàu 20m	Tàu 15m
Lực cắt cực đại N	N	842200	635730	353600
y_c	mm	3600	2700	1900
Quy cách tấm composite bọc		FRP01	FRP02	FRP03
Ứng suất cắt cho phép của lớp composite bọc tàu	N/mm² (MPa)	140,5	136	134
Chiều dày tối thiểu _f lớp bọc	mm	1,73	1,66	1,38
Chiều dày lớp bọc thực tế	mm	3,3	3,1	2,9
Hệ số an toàn	–	1,9	1,86	2,1

3.2.3 Kiểm tra độ bền lớp bọc theo điều kiện bền uốn:

Xác định ứng suất tại bề mặt tiếp xúc giữa gỗ và composite

Xét một đọan vỏ tàu (gỗ bọc composite) chịu tác động của mômen uốn đơn vị Mx như hình 2 (giá trị cực đại của Mx ở mặt cắt nguy hiểm nhất cho trong bảng 1).

Theo [5], dưới tác dụng của thuần túy mômen uốn Mx, ứng suất phát sinh trong lớp thứ k nào đó tấm composite được xác định theo biểu thức:

Các số hạng của ma trận Q và D ứng với lớp thứ k bất kỳ (gỗ cũng được xem là một lớp trong tấm “composite” gỗ bọc composite) được xác định thông qua các đặc trưng vật liệu của bản thân lớp thứ k, và được xác định theo [5].

Căn cứ vào giá trị của Mx (bảng 1), đặc trưng vật liệu composite đã được kiểm nghiệm, quy cách lớp composite dự kiến bọc cho từng nhóm tàu (hình 2), giải bài toán xác định các giá trị s^k_xx, s^k_yy, s^k_xy tính cho lớp tiếp xúc giữa composite và gỗ (hình 3) ứng với 3 nhóm tàu đã chọn. Trong tính toán chọn góc q lần lượt theo 3 giá trị: 0⁰ (tương ứng vơi khi tàu chạy song song với sóng), 45⁰ (tương ứng với khi tàu chạy chéo sóng) và 90⁰ (tương ứng với khi tàu chạy vuông góc với sóng). Kết quả cho trên bảng 4.

Chế tạo và kiểm nghiệm các mẫu gỗ bọc composite.

b1. Chế tạo mẫu:

Bảng 5: Quy cách gỗ bọc composite

TT	Quy cách mẫu	Kích thước LxBxH (mm)	Số lượng	Chiều dày lớp FRP(mm)
01	Gỗ + FRP01	450x225x30	10	3,3
02	Gỗ + FRP02	450x225x28	10	3,1
03	Gỗ + FRP03	450x220x30	10	2,9

b2. Kiểm nghiệm uốn mẫu

Quá trình kiểm nghiệm được thực hiện trên máy HTE-50K, Tổng hợp và tính toán cho kết quả trong bảng 6.

Bảng 6: Tổng hợp kết quả kiểm nghiệm uốn gỗ phủ FRP

	CÁC THÔNG SỐ
Nhóm mẫu	Kích thước	K/c Span	Lực Max	Sức bền uốn
	b x h (mm)	L (mm)	(N)	(MPa)
01	225×30	400	28.220	83,6
02	225×28	400	27.650	94,1
03	220×30	400	26.951	81,7