Tấm thép đóng tàu so với tấm thép ngoài khơi – Thành phần, xử lý nhiệt, tính chất và ứng dụng

Giới thiệu

Tấm thép tàu và tấm thép ngoài khơi là hai loại thép kết cấu phổ biến được sử dụng trong xây dựng hàng hải và công nghiệp hydrocarbon. Các kỹ sư và đội ngũ mua sắm thường cân nhắc các yếu tố đánh đổi như chi phí so với độ bền lâu dài, khả năng hàn so với độ bền, và tốc độ chế tạo so với an toàn vận hành khi lựa chọn giữa chúng. Các bối cảnh quyết định điển hình bao gồm kết cấu thân tàu (trong đó chi phí và khả năng tạo hình là yếu tố chính) so với kết cấu thượng tầng ngoài khơi và kết cấu chân đế/dưới biển (trong đó tiếp xúc với ăn mòn kéo dài, độ bền ở nhiệt độ thấp và kiểm tra nghiêm ngặt là rất quan trọng).

Điểm khác biệt kỹ thuật quan trọng là các tấm thép ngoài khơi được thiết kế và sản xuất để đáp ứng các yêu cầu bổ sung liên quan đến dịch vụ — độ bền cao hơn, kiểm soát hóa học nghiêm ngặt hơn, thử nghiệm không phá hủy (NDT) chặt chẽ hơn, và đôi khi là khả năng chống ăn mòn — so với các tấm thép tàu thông thường. Những khác biệt này ảnh hưởng đến lựa chọn thành phần, quy trình xử lý nhiệt cơ, kiểm tra và cuối cùng là chi phí vòng đời.

1. Tiêu chuẩn và Chỉ định

Các tiêu chuẩn chính và tên gọi chung được sử dụng cho hai họ này bao gồm:

• Quốc tế/Phương Tây:
• ASTM / ASME (ví dụ: ASTM A131 cho đóng tàu; ASTM A572/A709/HPS và API 2H/2W cho thép kết cấu và thép ngoài khơi)
• EN (ví dụ: dòng EN 10025 cho thép kết cấu; tiêu chuẩn NORSOK cho ngoài khơi)
• DNV–GL (quy tắc phân loại cho tàu và ngoài khơi)
• Châu Á:
• JIS (Tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản) — thép đóng tàu và kết cấu
• GB (Tiêu chuẩn quốc gia Trung Quốc) — tấm biển tàu và ngoài khơi

Phân loại theo loại thép: - Tấm tàu: thường là thép kết cấu cacbon hoặc thép hợp kim thấp (thép mềm/HSLA tùy theo cấp). - Tấm ngoài khơi: thường là thép HSLA được sản xuất bằng quy trình xử lý kiểm soát nhiệt cơ học (TMCP), cùng với thép hợp kim chống ăn mòn cho các địa điểm cụ thể; có thể bao gồm các loại hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) hoặc thép martensitic hợp kim thấp/thép tôi cho các ứng dụng có độ bền cao.

2. Thành phần hóa học và chiến lược hợp kim

Bảng sau đây tóm tắt sự hiện diện và vai trò điển hình của các nguyên tố hợp kim chính trong tấm thép tàu so với tấm thép ngoài khơi (các mô tả định tính được sử dụng vì thành phần cụ thể phụ thuộc vào tiêu chuẩn và cấp sản phẩm).

Yếu tố	Tấm tàu ​​(sự hiện diện điển hình)	Mảng ngoài khơi (sự hiện diện điển hình)
C (Cacbon)	Thấp–Trung bình (cân bằng giữa độ bền và khả năng hàn)	Thấp (giữ thấp hơn để cải thiện độ dẻo dai và giảm nguy cơ nứt)
Mn (Mangan)	Trung bình (khử oxy và tăng cường)	Trung bình-Cao (hỗ trợ khả năng làm cứng và kiểm soát độ bền)
Si (Silic)	Vết–Trung bình (chất khử oxy)	Dấu vết–Trung bình
P (Phốt pho)	Kiểm soát thấp (tạp chất)	Kiểm soát chặt chẽ hơn mức thấp
S (Lưu huỳnh)	Kiểm soát thấp	Kiểm soát chặt chẽ hơn mức thấp
Cr (Crom)	Thường thấp/không có	Đôi khi có hiện tượng ăn mòn/sức bền ở một số cấp độ cụ thể
Ni (Niken)	Thường thấp/không có	Có thể có độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp
Mo (Molypden)	Hiếm hoặc thấp	Có thể có tác dụng cải thiện khả năng làm cứng và độ bền ở nhiệt độ cao
V (Vanadi)	Hiếm	Thường xuất hiện dưới dạng hợp kim vi mô để tinh chế hạt và tăng cường
Nb (Niobi)	Hiếm	Hợp kim vi mô thông thường để tinh chế hạt trong các loại TMCP
Ti (Titan)	Hiếm	Đôi khi được sử dụng để ổn định / kiểm soát hạt
B (Bo)	Thông thường vắng mặt	Có thể sử dụng với số lượng nhỏ để tăng khả năng làm cứng ở các cấp độ cụ thể
N (Nitơ)	Thấp	Được kiểm soát; nitơ có thể được chỉ định cho một số hợp kim ngoài khơi không gỉ/duplex

Tóm tắt chiến lược hợp kim: - Các loại tấm thép tàu ưu tiên các thành phần hóa học đơn giản, bền chắc, dễ định hình và tiết kiệm. - Hóa chất tấm ngoài khơi được tối ưu hóa để mang lại độ dẻo dai cao, khả năng tôi luyện được kiểm soát và cấu trúc vi mô hạt mịn; do đó, hợp kim vi mô (Nb, V, Ti) và kiểm soát tạp chất chặt chẽ hơn là phổ biến. Hợp kim bổ sung (Ni, Mo, Cr) xuất hiện khi cần khả năng chống ăn mòn hoặc độ bền cao.

3. Cấu trúc vi mô và phản ứng xử lý nhiệt

Cấu trúc vi mô điển hình: - Tấm thép tàu: Cấu trúc vi mô ferit-pearlit phổ biến trong các tấm thép tàu thông thường được sản xuất bằng phương pháp cán thông thường và làm nguội có kiểm soát. Khi cần độ bền cao hơn, có thể sử dụng cấu trúc bainit nhưng vẫn tương đối thô so với thép TMCP. - Tấm thép ngoài khơi: Thép ngoài khơi hiện đại do TMCP sản xuất thể hiện cấu trúc vi mô ferit và bainit tinh chế (ferit hình kim hoặc bainit hạt mịn) với các kết tủa hợp kim vi mô phân tán. Các cấu trúc vi mô này mang lại sự kết hợp độ bền-độ dẻo dai tốt hơn và khả năng chống gãy giòn được cải thiện.

Hiệu ứng xử lý nhiệt và chế biến: - Chuẩn hóa: Tinh chỉnh kích thước hạt và có thể cải thiện độ dẻo dai cho cả hai loại thép nhưng thường được chỉ định cho các loại thép ngoài khơi cấp cao hơn để đáp ứng các yêu cầu về va đập. - Làm nguội và ram (Q&T): Được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng quan trọng có độ bền cao, xuyên suốt chiều dày, nơi cần độ bền và độ dẻo dai vượt trội; ít phổ biến hơn đối với các tấm tàu ​​cơ bản. - Xử lý kiểm soát nhiệt cơ (TMCP): Được sử dụng rộng rãi cho các tấm ngoài khơi để tạo ra cấu trúc hạt mịn, tăng cường độ bền kéo và cải thiện độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp mà không cần hóa chất chứa nhiều hợp kim. - PWHT (xử lý nhiệt sau hàn): Có thể cần thiết cho thép dày hoặc thép đã tôi/ram ngoài khơi; đối với tấm thép tàu, PWHT ít được chỉ định ngoại trừ các cụm hàn cụ thể.

4. Tính chất cơ học

Sự khác biệt về tính chất cơ học được quyết định bởi thành phần và quy trình chế biến. Bảng dưới đây cung cấp các so sánh định tính (thông số kỹ thuật thực tế phụ thuộc vào cấp độ, độ dày và tiêu chuẩn).

Tài sản	Tấm tàu	Mảng ngoài khơi
Độ bền kéo	Vừa phải	Trung bình–Cao (tùy theo cấp độ)
Cường độ chịu kéo	Vừa phải	Trung bình-Cao (điểm HSLA thường cao hơn)
Độ giãn dài (%)	Cao (độ dẻo tốt)	Tốt nhưng có thể thấp hơn cấp tàu đơn giản ở độ dày tương đương do có độ bền cao hơn
Độ bền va đập (Charpy)	Đủ ở nhiệt độ môi trường xung quanh	Cao hơn, đặc biệt đối với dịch vụ ngoài khơi quan trọng và nhiệt độ thấp
Độ cứng	Thấp hơn	Biến đổi; có thể cao hơn đối với thép ngoài khơi có độ bền cao hơn hoặc thép Q&T

Cái nào mạnh hơn/cứng hơn/dẻo hơn: - Các tấm thép ngoài khơi thường được thiết kế để đạt được sự cân bằng tốt hơn giữa độ bền và độ dẻo dai, đặc biệt là ở nhiệt độ thấp; chúng có thể cung cấp độ bền kéo cao hơn trong khi vẫn duy trì độ dẻo dai chấp nhận được thông qua cấu trúc vi mô và hợp kim vi mô mịn. - Tấm thép tàu ưu tiên tính dẻo và khả năng định hình, có thể chuyển thành độ giãn dài cao hơn nhưng lại có giới hạn chảy thấp hơn.

5. Khả năng hàn

Khả năng hàn là yếu tố phân biệt chính và chịu ảnh hưởng bởi hàm lượng cacbon, khả năng làm cứng và hợp kim vi mô.

Các chỉ số khả năng hàn quan trọng (được sử dụng để đánh giá định tính): - Carbon tương đương (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (công thức Sindo): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$

Giải thích định tính: - $CE_{IIW}$ hoặc $P_{cm}$ thấp hơn cho thấy khả năng hàn dễ hơn và ít có khả năng bị nứt nguội do hydro gây ra. - Tấm thép tàu thường có hàm lượng hợp kim thấp hơn và lượng cacbon vừa phải, do đó nhìn chung có khả năng hàn tốt mà không cần yêu cầu nung nóng trước hoặc PWHT nghiêm ngặt đối với độ dày thông thường. - Các tấm thép ngoài khơi, mặc dù có hàm lượng carbon thấp hơn ở nhiều cấp độ, có thể có khả năng tôi cứng cao hơn do Mn, Mo, Nb, V hoặc B; điều này làm tăng nguy cơ nứt ở các tiết diện dày và có thể yêu cầu gia nhiệt sơ bộ, nhiệt độ giữa các lớp hàn và trong một số trường hợp, phải gia nhiệt bằng phương pháp PWHT. Thép ngoài khơi có độ bền cao hơn hoặc thép tôi và ram thường có quy trình hàn và yêu cầu chất lượng nghiêm ngặt hơn.

Những cân nhắc thực tế: - Độ dày, thiết kế mối nối và lượng nhiệt cục bộ ảnh hưởng đến các vấn đề về khả năng hàn trong thế giới thực. - Chế độ NDT cho các công trình ngoài khơi có thể nghiêm ngặt hơn (chụp X-quang, siêu âm) và quy trình hàn phải đạt tiêu chuẩn cao hơn.

6. Chống ăn mòn và bảo vệ bề mặt

Thép không gỉ (hầu hết các tấm kết cấu tàu và ngoài khơi) đều dựa vào lớp phủ và bảo vệ catốt: - Các biện pháp điển hình: chuẩn bị bề mặt, sơn lót, sơn hiệu suất cao, mạ kẽm nhúng nóng (nếu có thể) và hệ thống dòng điện cưỡng bức hoặc anot hy sinh cho các thành phần chìm. - Dịch vụ ngoài khơi thường đòi hỏi lớp phủ tiên tiến (nhiều lớp, chống mài mòn và tia UV) và thiết kế bảo vệ catốt; tuổi thọ và quá trình kiểm tra lớp phủ là những yếu tố quan trọng quyết định chi phí.

Khi sử dụng thép không gỉ hoặc thép hai pha ngoài khơi, hãy sử dụng PREN để đánh giá khả năng chống rỗ: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \lần \text{Mo} + 16 \lần \text{N}$$ - PREN không áp dụng cho các tấm thép carbon thông thường hoặc tấm thép HSLA. - Môi trường ngoài khơi (khu vực bắn nước, giao diện bắn nước vào khu vực ngập nước) có thể yêu cầu vật liệu thép không gỉ hoặc vật liệu song công có PREN cao, do nguy cơ rỗ do clorua gây ra.

7. Chế tạo, khả năng gia công và khả năng định hình

• Cắt: Cả hai loại này thường được cắt bằng oxy-nhiên liệu, plasma hoặc laser; các tấm ngoài khơi có độ bền cao hơn có thể cần xem xét đến lượng nhiệt cắt và tình trạng cạnh để hàn sau đó.
• Uốn/tạo hình: Tấm thép tàu, do dẻo hơn, dễ uốn và tạo hình hơn. Tấm thép HSLA ngoài khơi vẫn duy trì khả năng tạo hình hợp lý nhưng có thể cần bán kính uốn lớn hơn và lực uốn lớn hơn do giới hạn chảy cao hơn.
• Khả năng gia công: Thép hợp kim vi mô có độ bền cao hơn có thể khó gia công hơn và có thể làm giảm tuổi thọ dụng cụ so với thép tàu ít carbon. Các phương pháp gia nhiệt trước và sử dụng dung dịch cắt có thể giảm thiểu vấn đề này.
• Hoàn thiện bề mặt: Các tấm thép ngoài khơi có thể được xử lý thêm tại nhà máy hoặc sau chế tạo (ví dụ, giảm ứng suất, tẩy/thụ động hóa cho các loại thép không gỉ) để đáp ứng các tiêu chí kiểm tra.

8. Ứng dụng điển hình

Tấm tàu ​​(sử dụng thông thường)	Mảng ngoài khơi (sử dụng điển hình)
Tấm vỏ tàu, tấm sàn tàu, bộ phận gia cố bên trong cho tàu buôn và tàu kéo	Các thành phần áo khoác, các thành phần kết cấu phía trên, thanh giằng, sàn giàn khoan cho dầu khí ngoài khơi
Vách ngăn, nắp hầm, các thành phần cấu trúc chung trong đó khả năng tạo hình và chi phí là ưu tiên hàng đầu	Các thành phần cấu trúc dưới biển, giá đỡ ống đứng và các bộ phận vùng bắn tung tóe đòi hỏi độ bền/kiểm soát ăn mòn cao hơn
Kiến trúc thượng tầng không quan trọng, nơi kinh tế và hội họa là chính	Các mối hàn có tính toàn vẹn cao, các thanh giằng chịu lực và các thành phần chịu lạnh khi cần hiệu suất NDT và nhiệt độ thấp

Cơ sở lựa chọn: - Chọn tấm tàu ​​khi tốc độ chế tạo, khả năng uốn/tạo hình và chi phí vật liệu thấp là yếu tố quan trọng hàng đầu. - Chọn tấm ngoài khơi khi môi trường làm việc (nhiệt độ lạnh, tải trọng tuần hoàn, ăn mòn mạnh) đòi hỏi độ bền cao hơn, kiểm tra nghiêm ngặt hơn và tuổi thọ thiết kế dài hơn.

9. Chi phí và tính khả dụng

• Chi phí: Tấm thép tàu thường có giá thành tính theo tấn thấp hơn so với tấm thép chuyên dụng ngoài khơi do thành phần hóa học đơn giản hơn, ít gia công hơn và có nhiều nhà cung cấp hơn. Tấm thép ngoài khơi (TMCP, hợp kim vi mô hoặc thép chống ăn mòn thông số kỹ thuật cao hơn) có giá cao hơn do được kiểm soát chặt chẽ hơn và gia công bổ sung.
• Tính khả dụng: Các tấm thép tiêu chuẩn đóng tàu được cung cấp rộng rãi từ nhiều nhà máy với độ dày và chiều dài tiêu chuẩn. Các tấm thép ngoài khơi theo tiêu chuẩn cụ thể hoặc có bảo hành chặt chẽ về biên dạng Z/độ võng thấp/độ bền kéo cao có thể có thời gian giao hàng dài hơn và nguồn cung hạn chế, đặc biệt đối với các hợp kim chống ăn mòn đặc biệt có độ dày lớn.
• Tư vấn mua sắm: Hợp tác sớm với các nhà cung cấp và chỉ định các thông số quan trọng (yêu cầu về tác động, phạm vi độ dày, NDT) giúp giảm rủi ro giao hàng và chi phí leo thang.

10. Tóm tắt và khuyến nghị

Thuộc tính	Tấm tàu	Mảng ngoài khơi
Khả năng hàn	Nói chung là tốt; thủ tục đơn giản hơn	Tốt với các điều khiển; có thể cần làm nóng trước/PWHT để có các cấp độ bền cao hơn
Cân bằng sức mạnh-độ dẻo dai	Độ bền vừa phải, độ dẻo cao	Được tối ưu hóa để có độ bền cao hơn với độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp được cải thiện
Trị giá	Thấp hơn	Cao hơn (xử lý, hợp kim, kiểm tra)

Chọn tấm tàu ​​nếu: - Dự án nhấn mạnh vào chi phí mua sắm thấp, hoạt động tạo hình/uốn mở rộng và môi trường dịch vụ ít đòi hỏi hơn (ví dụ, khu vực thân tàu không ngập nước với bảo trì và sơn phủ thường xuyên). - Yêu cầu về kiểm tra và truy xuất nguồn gốc ở mức vừa phải và các cấp đóng tàu tiêu chuẩn đáp ứng tiêu chuẩn về khả năng phục vụ.

Chọn tấm biển ngoài khơi nếu: - Ứng dụng này đòi hỏi độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp cao hơn, kiểm soát chặt chẽ hơn về tính chất hóa học và cơ học, cải thiện tính chất xuyên suốt hoặc NDT và tài liệu hướng dẫn nghiêm ngặt hơn. - Cấu trúc sẽ hoạt động trong môi trường biển khắc nghiệt, chịu tải trọng tuần hoàn hoặc cực đại, hoặc có khoảng thời gian bảo trì dài khi việc giảm thiểu rủi ro vòng đời hợp lý hóa chi phí vật liệu và chế tạo cao hơn.

Ghi chú kết luận: Việc lựa chọn nên được thúc đẩy bởi sự kết hợp giữa tải trọng thiết kế, mức độ tiếp xúc với môi trường, kế hoạch chế tạo, chế độ kiểm tra và mô hình hóa chi phí vòng đời. Hãy hợp tác với các hiệp hội, nhà cung cấp vật liệu và chuyên gia hàn ngay từ đầu quá trình thiết kế để xác nhận cấp độ, lộ trình gia công và quy trình hàn phù hợp cho cả ứng dụng trên tàu và ngoài khơi.