Nghiên cứu giải pháp kết cấu và vật liệu chế tạo hợp lý cho các loại cửa van vùng chịu ăn mòn cao là một vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Bài viết giới thiệu một số kết quả nghiên cứu ứng dụng cừ nhựa tổng hợp để chế tạo cửa van cho các công trình thủy lợi vùng ven biển.
Đối với ngành thủy lợi nước ta, chống ăn mòn cho các kết cấu thép nói chung và các cửa van nói riêng (đặc biệt là các cửa van cống vùng triều) thực sự là một vấn đề nan giải. Hàng năm, trên toàn quốc có hàng ngàn cửa van, khoảng 1/3 trong số đó cần phải được sửa chữa hoặc làm mới, tiêu thụ hàng ngàn tấn thép. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nhựa tổng hợp vào chế tạo cửa van, phôc vô cho thiết kế, chế tạo cửa van một cách hợp lý và hiệu quả, việc làm mang nghĩa khoa học và thực tiễn cao.
Tổng quan tình hình sử dụng cửa van trong công trình thủy lợi vùng ven biển
Cửa van trong công trình Thủy lợi vùng ven biển
Nước ta dọc bờ biển dài hơn 3000km, ở các vùng đồng bằng duyên hải có hàng ngàn công trình thủy lợi nhằm ngăn mặn giữ ngọt tiêu úng, thoát lũ, (một số cống có thêm nhiệm vụ lấy hớt nước triều ngọt). Nhiệm vụ của công trình được thực hiện thông qua việc vân hành các loại cửa van khác nhau. Cửa van là trái tim của hầu hết các công trình thủy lợi, kích thước của các cửa van phổ biến từ 2 m đến 10m.
Trên cơ sở nghiên cứu nguyên nhân quá trình ăn mòn thép trong nước biển, các nhà khoa học đã đề xuất nhiều giải pháp để bảo vệ kết cấu thép như: Chế tạo thép có độ tinh khiết cao và các hợp kim ít bị ăn mòn; ứng dụng công nghệ điện hoá anốt hy sinh; Sử dụng lớp phủ bảo vệ. Ở nước ta hiện tại đa phần được bảo vệ bằng3 biện pháp sau: Phủ sơn, Phun kẽm, Bọc bằng vật liệu Compsite.
Tính cấp thiết phải nghiên cứu giải pháp chế tạo cửa van bằng vật liệu mới
Thực tế cho thấy nhiều kết quả nghiên cứu và ứng dụng với nhiều hình thức bảo vệ cửa van kim loại như sơn, phun kẽm, anốt hy sinh, bọc cửa van bằng Composite, hoặc thay thế bằng vật liệu chịu môi trường chua, mặn như thép không rỉ, cửa van Composite, cửa van bê tông cốt thép đạt kết quả tốt. Tuy nhiên, bài toán chọn vật liệu làm cửa van vẫn là vấn đề thời sự cần đầu tư nghiên cứu để đáp ứng được đòi hỏi cấp bách của công tác xây dựng các công trình mới cũng như việc nâng cấp hiện đại hoá các công trình thuỷ lợi đã có ở vùng chịu ảnh hưởng của thuỷ triều.
Nghiên cứu chế tạo cửa van chịu ăn mòn bằng các vật liệu khác với các loại vật liệu truyền thống thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật, có tuổi thọ cao, quản lý vận hành nhẹ nhàng, sữa chữa đơn giản, giá thành hợp lý chấp nhận được về độ bền kết cấu và chống được sự ăn mòn của môi trường vùng ven biển, là hướng đi thích hợp.
Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nhựa tổng hợp vào chế tạo cửa van
Nghiên cứu đề xuất giải pháp kết cấu sử dụng vật liệu nhựa tổng hợp :
Ưu điểm cơ bản của vật liệu nhựa tổng hợp là chịu được sự ăn mòn của môi trường mặn, lợ vùng ven biển. Các loại cửa van phổ biến ở các công trình ven biển gồm có: cửa van phẳng, cửa van Clape và cửa van tự động thủy lực cánh cửa.
Việc đề xuất các giải pháp sử dụng nhựa tổng hợp vào các thành phần kết cấu cửa van dựa trên các kết quả phân tích đánh giá các yếu tố sau: Đặc điểm cấu tạo chung của kết cấu cửa; Đặc điểm của từng hạng mục trong cả quá trình vận hành cửa; Các kết quả về tính chất và khả năng chịu lực của vật liệu nhựa.
Đối với bộ phận tĩnh của cửa van:
Bộ phận tĩnh của cửa van gồm có khe phai và khe van cùng một vài chi tiết chôn sẵn trong phần thủy công của công trình. Về mặt cấu tạo, đây là các bộ phận cố định (tĩnh) làm nhiệm vụ trung gian truyền lực từ bộ phận động (cửa van) sang kết cấu công trình (trụ pin, thành bên,…). Tuy nhiên, trong một số trường hợp nó lại phải làm việc như là một bộ phận động, tuỳ thuộc vào từng loại cửa van cụ thể. Vì vậy, đối với bộ phận này việc đề xuất kết cấu cần phải đi vào cụ thể cho từng loại cửa van. Ví dụ đối với cửa van phẳng, thực hiện thao tác đóng mở ngay cả khi có độ chênh mực nước trước và sau cửa nên khi vận hành có ma sát lớn giữa cửa van với khe van, việc này lại xẩy ra khá thường xuyên do đó, vật liệu nhựa tổng hợp không nên sử dụng trong các bộ phận động đối với loại cửa van này.
Còn đối với cửa van Clape, trong quá trình vận hành khai thác khe phai và các chi tiết cố định (như gờ tựa kín nước bên) hoàn toàn không có sự chuyển động cọ xát với nhau có thể gây nên sự phá hỏng kết cấu. Thực tế cho thấy, đối với cửa van tự động kiểu cánh cửa cũng vậy. Cửa van thường được chế tạo và bố trí gọn trong hệ thống khung cửa. Khung được thả vào rãnh khe van. Vì vậy, đối với hai dạng cửa này hoàn toàn có thể sử dụng vật liệu nhựa tổng hợp cho các chi tiết khe phai và khe van.
Đối với bộ phận động của cửa:
Do đặc điểm cấu tạo cũng như tính chất làm việc mà các chi tiết và cụm chi tiết thuộc bộ phận động như: ổ trục quay, gối đỡ ổ trục quay, thiết bị đóng mở,… nhất thiết phải được chế tạo lắp đặt theo các phương án thông thường.
Đối với cửa van, về nguyên tắc có thể thay thế hầu hết các phần kết cấu cửa bằng thép bởi nhựa tổng hợp. Tuy nhiên, cần hết sức cân nhắc đến tính kinh tế cũng như yếu tố quản lý vận hành công trình để có các bước thay thế hợp lý.
* Các dầm chính (đứng, ngang):
Đối với cửa van khi làm việc, yêu cầu dảm bảo tính kín nước tốt dẫn đến đòi hỏi khá cao đến độ võng cho phép của cửa van nói chung và các dầm chính nói riêng. Đây là một yêu cầu rất khó đối với vật liệu nhựa tổng hợp nói chung vì hầu hết các loại nhựa đều có khả năng bị biến dạng lớn ngay cả với tải trọng nhỏ. Mặt khác, thường trên các dầm chính sẽ được bố trí các chi tiết ghép nối và làm việc với các chi tiết động như: cụm gối đỡ trục, ổ đỡ trục quay,… – là những điểm tập trung lực lớn. Việc định vị, liên kết các chi tiết này vào dầm bằng vật liệu nhựa đảm bảo kỹ thuật và khả năng chịu lực theo yêu cầu là một vấn đề hết sức khó khăn.
Do vậy, hiện tại, việc thay thế các dầm chính cửa van bởi các dầm bằng vật liệu nhựa là chưa thích hợp.
* Các dầm phụ (đứng, ngang):
Đối với các dầm phụ trong cửa van, yêu cầu về độ võng cho phép thường thấp hơn nhiều so với dầm chính và đặc biệt là không có bố trí các chi tiết cơ khí phức tạp khác. Dầm phụ chỉ có nhiệm vụ chính là truyền tải áp lực nước từ bản mặt cửa lên dầm chính cửa van. Như vậy, dầm phụ có thể thay thế được bằng vật liệu nhựa tổng hợp.
* Với bản mặt cửa:
Bản mặt cửa có nhiệm vụ chính là ngăn nước và truyền áp lực nước lên các dầm phụ (chính) của cửa van. Với nhiệm vụ ấy, có thể nói việc thay thế bản mặt cửa bởi vật liệu nhựa tổng hợp là hợp lý và hiệu quả nhất.
Tóm lại: đối với cửa van việc thay thế vật liệu thép bằng vật liệu nhựa tổng hợp nên thực hiện đối với bản mặt và dầm phụ của cửa. Với việc thay thế này cửa van chỉ còn lại các chi tiết cơ khí quan trọng của bộ phận động (cụm cối quay, tai cửa,…) và dầm chính cửa là bằng thép còn lại là vật liệu nhựa tổng hợp.
Bố trí kết cấu cừ nhựa cho các loại cửa van:
Như đã phân tích ở trên, bản mặt cửa van nên được thay thế hoàn toàn bằng vật liệu nhựa tổng hợp. Tuy nhiên, trong thực tế do việc ứng dụng vật liệu nhựa tổng hợp vào chế tạo cửa van mới chỉ bắt đầu đưa vào nghiên cứu thử nghiệm, trong khi để tạo ra được một sản phẩm nhựa dù là đơn giản nhất là tấm phẳng cũng phải có một dây chuyền công nghệ với các khuôn ép, nén riêng dẫn đến giá thành một sản phẩm nhựa mới đơn lẻ sẽ có giá thành rất cao gấp nhiều lần với giá trị thực của nó.
Vì vậy, trong thời điểm hiện tại việc đề xuất thay thế bản mặt cửa van bằng một sản phẩm nhựa tổng hợp có sẵn trên thị trường là một giải pháp hợp lý.
* Lựa chọn hình thức vật liệu nhựa thay thế:
Từ những phân tích trên, kết cấu bản mặt cửa bằng tấm nhựa tổng hợp là giải pháp nên được lựa chọn. Việc thi công, chế tạo lắp đặt bản mặt dạng này vào cửa van được thực hiện hoàn toàn tương tự như đối với bản mặt thép, điểm khác nhau cơ bản ở đây là đối với bản mặt cửa bằng thép được liên kết với các dầm ngang và đứng bằng liên kết hàn, còn đối với bản mặt bằng nhựa tổng hợp nó được liên kết bởi hệ thống các bu lông. Qua nghiên cứu, tìm hiểu các loại sản phẩm nhựa hiện có trên thị trường chúng tôi thấy rằng việc ứng dụng cừ nhựa tổng hợp vào thay thế cho một số hạng mục cửa van là hoàn toàn có thể và mang tính khả thi cao hơn cả, nó có những đặc điểm cơ bản đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra: Đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật nếu sử dụng làm bản mặt cửa hay dầm phụ; Dễ chế tạo, lắp đặt; Sẵn có trên thị trương, giá thành chấp nhận được.
* Bố trí kết cấu:
Dựa trên đặc điểm chịu lực của cừ cũng như đặc điểm chung về kết cấu cửa van, đề tài chọn giải pháp sử dụng cừ vừa làm dầm phụ vừa kết hợp làm bản mặt cửa. Các tấm cừ sẽ được ghép nối liên tục với nhau (theo đúng kiểu cấu tạo ghép nối cừ nguyên bản), hai đầu cừ được gối trực tiếp lên các dầm chính của cửa van và được định vị bởi các bản nẹp gắn chặt vào dầm chính.
Với kết cấu như vậy, mỗi bản cừ được xem như là một dầm phụ (ngang hoặc đứng) và cũng đồng thời là các giải bản mặt cửa van. Kết cấu này hoàn toàn có thể áp dụng chung cho cả 3 loại cửa (Clape, phẳng, tự động kiểu cánh cửa). Về cấu tạo, việc bố trí bản cừ theo chiều ngang là hợp lý hơn. Tuy nhiên với mỗi loại, tuỳ thuộc vào khẩu độ cửa và tính thẩm mỹ công trình mà có thể bố trí các bản cừ theo chiều ngang hay đứng.
Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho công trình thực tế
Kết quả nghiên cứu đã được áp dụng thử nghiệm trong chế tạo cửa van Clape trục dưới công trình ngăn mặn Ninh Quới (Bạc Liêu).
Các dầm chịu lực (dầm chính ngang, đáy, dầm phụ đứng) và các chi tiết động (trục cửa, gối đỡ trục,…) được chế tạo bằng thép phun kẽm và thép không gỉ. Toàn bộ bản mặt cửa van được chế tạo bằng vật liệu nhựa tổng hợp (cừ nhựa). Các bản cừ nhựa được ghép nối thành các mảnh (cửa nhỏ) rồi ghép nối vào cửa van bằng bu lông.
Toàn bộ cửa được chế tạo hoàn chỉnh trong nhà máy sau đó mang ra hiện trường lắp đặt tại công trình, cửa van được thả vào khe đã lắp ghép với phần khe đáy được thi công chôn trước vào trụ pin và dầm đáy.
Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật:
Về kinh tế:
Tính riêng về giá thành chế tạo, cửa van bằng thép và bằng nhựa tổng hợp hiện tại xấp xỉ nhau. Nhưng xét về tổng giá trị xây lắp đối với hạng mục cửa van sẽ giảm xuống còn khoảng 70% so với cửa van thép thể hiện qua việc hạ giá thành ở các hạng mục khác. Do tổng khối lượng cửa van giảm (còn khoảng 60-70%) dẫn đến giảm các chi phí và đầu tư đối với các nội dung sau: Quy mô (công suất) của thiết bị đóng mở cửa van giảm; Chi phí nâng hạ cũng như vận chuyển tới chân công trình trong quá trình thi công chế tạo cửa van giảm; Chi phí cho việc lắp đặt giảm; Chi phí sơn sửa và bảo dưỡng hàng năm hay định kỳ giảm (đặc biệt hiệu quả đối với các vùng chịu ảnh hưởng mạnh của ăn mòn kim loại).
Về kỹ thuật:
Vấn đề nan giải đối với các loại cửa van vùng chua mặn là bảo vệ chống sự ăn mòn của môi trường, rõ ràng giải pháp cửa van bằng nhựa tổng hợp là giải pháp hết sức hiệu quả cho vấn đề này. Bên cạnh đó, việc thi công chế tạo lắp đặt cũng rất dễ dàng và thuận lợi.
Kết luận
Vật liệu tổng hợp được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, xây dựng dân dụng và nhiều ngành kinh tế quốc dân, do những tính ưu việt của nó. Trong thuỷ lợi, vật liệu tổng hợp được sử dụng làm cừ thay cừ thép để chống thấm và làm tường chắn đất, nhưng còn ít sử dụng vật liệu tổng hợp để làm cửa van.
Hiện tại có rất nhiều giải pháp cửa van áp dụng cho các công trình ven biển, mỗi biện pháp đó tuy có mộ số ưu điểm nhưng kèm theo lại có một số hạn chế nhất định. Vì vậy, trong thực tế tuỳ theo các điều kiện cụ thể của từng công trình mà cần có những sự phân tích lựa chọn nhất định cho giải pháp cửa van tương ứng. Ví dụ: Ưu điểm nổi bật của van nhựa tổng hợp là không bị ăn mòn trong môi trưòng chua mặn và dễ chế tạo kiểu công nghiệp, nhưng nhược điểm cơ bản của nhựa tổng hợp là khả năng chịu lực kém hơn Composite và kém hơn nhiều lần so với thép. Do vậy, không thể dùng vật liệu nhựa tổng hợp để làm kết cấu chịu lực thay thép cho những cửa van có cột nước lớn, ở trường hợp này khung chịu lực phải là thép không rỉ còn bản mặt và các kết cấu phụ là nhựa tổng hợp.
Đối với cửa van lớn, sử dụng vật liệu thép không rỉ và nhựa tổng hợp là hướng đi có nhiều triển vọng để giải quyết tình trạng han rỉ cửa van quá nhiều ở nước ta. Trong trường hợp cửa van có chiều rộng nhỏ hơn 3 m và có cột nước nhỏ hơn 1 m nên sử dụng cửa van hoàn toàn bằng nhựa tổng hợp. Kết quả nghiên cứu của đề tài đề xuất một hướng chế tạo lắp đặt cửa van mới góp phần lựa chọn các giải pháp công trình đạt hiệu quả cao hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. GS.TS.Trương Đình Dụ, PGS.TS. Nguyễn Đăng Cường, “Sổ tay kỹ thuật Thủy lợi phần 2 tập 4”, Nxb Nông nghiệp, Hà nội 2005.
2. Trương Đình Dụ và nhóm nghiên cứu đề tài (2005), “Báo cáo khoa học đề tài Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo cửa van bằng nhựa tổng hợp”, Viện Khoa học thủy lợi, Hà Nội 2005.
3. Trần Đình Hòa và nhóm nghiên cứu đề tài (2006), “Báo cáo khoa Nghiên cứu cải tiến nâng cấp các cống có cửa van tự động cống vùng ảnh hưởng triều ven biển phía Bắc”, Viện Khoa học thủy lợi, Hà nội 2006.
Tác giả: PGS.TS. Trần Đình Hòa
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Nguồn: Đặc san KHCN Thủy lợi
