Các công đoạn chính trong quy trình chế tạo cấu kiện thép xây dựng

Với sự phát triển không ngừng của kinh tế xã hội hiện đại, chất lượng cuộc sống của người dân ngày càng được nâng cao, môi trường sống, điều kiện sống và nhu cầu về nhà ở của con người cũng không ngừng thay đổi. Cùng với việc Nhà nước kiểm soát ngày càng chặt chẽ chế độ sử dụng đất, đất dành cho xây dựng tại Thâm Quyến ngày càng trở nên khan hiếm. Các công trình càng ngày càng phát triển theo hướng nhà chọc trời siêu cao, kết cấu bê tông cốt thép không còn đáp ứng được yêu cầu về hiệu quả kinh tế xây dựng, kết cấu công trình, thiết kế xây dựng và một số yêu cầu chức năng đặc biệt. Kết cấu thép được ứng dụng rộng rãi trong các công trình cao tầng do trọng lượng nhẹ, cường độ cao, độ dẻo và độ dai tốt, chế tạo đơn giản, thời gian thi công ngắn. Các công trình cao tầng hiện nay cũng ngày càng phát triển theo hướng sử dụng kết cấu thép.

I. Khái quát chung:

Do công trình kết cấu thép thường là bộ phận lõi và kết cấu chịu lực của các tòa nhà cao tầng, chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn, tính kết cấu và độ bền của công trình; nhẹ thì ảnh hưởng đến sử dụng bình thường, nặng thì gây tổn thất kinh tế lớn và thương vong nghiêm trọng. Vì vậy, công trình kết cấu thép được xếp vào dạng công trình chuyên ngành. Các cơ quan quản lý xây dựng quốc gia và địa phương rất coi trọng chất lượng công trình kết cấu thép, và đã tương ứng ban hành nhiều quy phạm, tiêu chuẩn và quy trình kỹ thuật liên quan đến các hạng mục công trình. Nhiều chuyên gia trong ngành đã dành nhiều năm nghiên cứu về lĩnh vực này, biên soạn nhiều chuyên luận và tài liệu từ nhiều góc độ khác nhau, đóng góp lớn cho công tác thiết kế, thi công, ứng dụng công nghệ mới, quy trình mới cho kết cấu thép.

Sự phát triển của ngành xây dựng trong những năm gần đây là điều mọi người đều thấy rõ. Công trình xây dựng không chỉ đáp ứng nhu cầu làm việc, sinh hoạt, cư trú của con người, mà còn trở thành điểm nhấn và đường nét cho cảnh quan đô thị. Với sự phát triển mạnh mẽ của đất đô thị và nguồn tài nguyên đất ngày càng khan hiếm, nhà cao tầng đã trở thành xu hướng chủ đạo và là tấm danh thiếp của sự phát triển đô thị. Cùng với sự phổ biến ngày càng rộng rãi của nhà cao tầng, công trình kết cấu thép ngày càng phát huy các ưu thế như tốc độ thi công nhanh, thời gian thi công ngắn, tiết kiệm ván khuôn, cường độ cao, dễ lắp ghép đúc sẵn, do đó được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình. Trước tình hình đó, Nhà nước đã biên soạn các tiêu chuẩn như "Quy phạm thi công và nghiệm thu chất lượng kết cấu thép", "Quy trình hàn kết cấu thép", v.v. Đồng thời, các chuyên gia, học giả trong ngành cũng biên soạn các tiêu chuẩn ngành và doanh nghiệp liên quan đến kết cấu thép, ví dụ như Tổng công ty Xây dựng Trung Quốc đã biên soạn "Quy trình gia công kết cấu thép". Mặc dù có nhiều tiêu chuẩn và quy định được ban hành và thực thi, nhưng đôi khi vẫn xảy ra các vấn đề trong công trình kết cấu thép, như nứt, sơn bề mặt cấu kiện bị bong tróc... Mặc dù một số rất ít liên quan đến chất lượng nguyên liệu thô, nhưng phần lớn các vấn đề chất lượng công trình đều bắt nguồn từ khâu gia công, chế tạo và thi công lắp dựng. Để loại bỏ các bệnh thường gặp về chất lượng trong kết cấu thép đòi hỏi một hệ thống công việc khổng lồ, cần được quan tâm đúng mức ở tất cả các giai đoạn của quá trình xây dựng, tất cả các bên tham gia xây dựng, cũng như các quy trình và khâu thiết kế, thi công. Đồng thời, việc phổ biến và ứng dụng công nghệ mới, quy trình mới cho kết cấu thép cũng cần được đẩy mạnh để mọi người thực sự nhận thức được tầm quan trọng của công trình kết cấu thép đối với đời sống cư trú, sinh hoạt và công việc, từ đó kiểm soát và loại bỏ triệt để các bệnh thường gặp về chất lượng.

II. Phân tích các vấn đề chất lượng phát sinh trong công trình kết cấu thép

Có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến chất lượng công trình kết cấu thép khó được đảm bảo, rất phức tạp, bao gồm vấn đề do quy trình không phù hợp, do thao tác sai quy trình, do tay nghề và trách nhiệm của công nhân, cũng như do sai lầm trong quyết định quản lý. Bài viết này chủ yếu phân tích các vấn đề dễ phát sinh nhất trong quá trình gia công kết cấu thép, hy vọng có thể mang lại một số gợi ý cho người đọc.

(1) Các vấn đề tồn tại ngay trong bản thân thép

Tại một đơn vị gia công cột hộp 1200x1200x60mm cho một tòa nhà, trong quá trình hàn bỗng nhiên phát hiện hiện tượng nứt tách trên tấm dày 60mm được sử dụng làm bản bụng. Có thể nhìn thấy rõ ràng bằng mắt thường vết nứt chia đôi tấm thép theo phương chiều dày. Kiểm tra bằng phương pháp NDT (không phá hủy) cho thấy chiều sâu vết nứt khoảng 3mm. Đồng thời, kiểm tra các chi tiết được cắt từ các tấm khác cùng loại, cùng lô, phát hiện bên trong có tồn tại lớp phân lớp (cán màng không tốt), nguyên nhân chính là do chất lượng cán thép kém. Trong quá trình hàn, ứng suất hàn sinh ra đã làm bong tách vật liệu ở lớp phân lớp, gây ra hiện tượng nứt tách thép dày theo phương chiều dày.

Phân tích nguyên nhân: Do tính đặc thù của vị trí sử dụng, chi tiết này được dùng làm bản bụng trong cấu kiện. Các chi tiết được hàn dọc theo phương dọc lên xuống phải mở rãnh hàn thấu hoàn toàn. Do tồn tại lớp phân lớp bên trong tấm thép, ứng suất hàn sinh ra giải phóng ra ngoài, kéo theo làm rách tấm thép theo phương chiều dày.

Tùy theo tình hình thực tế, có thể áp dụng một trong các biện pháp xử lý sau:

1. Số lượng lớn thép có lớp phân lớp bên trong là vấn đề chất lượng phát sinh trong quá trình cán của nhà máy thép, đã vượt quá yêu cầu của tiêu chuẩn quốc gia. Có thể yêu cầu nhà máy thép cử người đến xác minh và thương lượng đổi trả hoặc trả hàng;

2. Nếu số lượng lớp phân lớp ít, có thể xin ý kiến bộ phận kỹ thuật và chủ đầu tư, phản hồi thông tin cho nhà máy thép, áp dụng biện pháp khắc phục thi công. Dựa trên kết quả kiểm tra không phá hủy (NDT), sử dụng phương pháp thổi khí (gouging) để khoét bỏ hoàn toàn phần có vấn đề đến vượt quá chiều sâu, sau đó hàn đắp bằng vật liệu hàn có cường độ tương đương. Sau khi hoàn thành, xử lý bề mặt, tiến hành NDT sau thời gian quy định, đồng thời lấy mẫu từ cấu kiện tương tự để kiểm tra lý hóa. Nếu đáp ứng yêu cầu thiết kế, có thể tiếp tục sử dụng;

3. Dưới sự chứng kiến của đơn vị giám sát, cắt bỏ chi tiết có vấn đề, thay thế bằng tấm thép đáp ứng điều kiện. Phần chi tiết bị cắt bỏ được sử dụng cho các vị trí không chịu lực, không quan trọng hoặc làm vật liệu phụ. Sau khi thay thế hoàn thành, tiến hành NDT sau thời gian quy định và ghi chép đầy đủ.

Các giải pháp khắc phục và biện pháp phòng ngừa sự cố chất lượng tương tự:

1. Trong hợp đồng mua thép, đưa ra yêu cầu kiểm tra khuyết tật đặc biệt (NDT) đối với thép mua. Điều này sẽ làm tăng chi phí thu mua nhưng ngăn chặn được tổn thất kinh tế ngay từ đầu;

2. Đối với thép đã mua về nhưng chưa đưa vào sản xuất, trước khi mở cắt, thực hiện kiểm tra NDT 100% tại bãi nguyên liệu để tránh tổn thất đã xảy ra trong quá trình mở cắt và gia công, kiểm soát tổn thất trước khi đưa vào quy trình sản xuất;

3. Đối với các tấm dày yêu cầu đặc biệt sử dụng ở các vị trí đặc biệt, thực hiện thử nghiệm đặc tính phương Z (Z-direction property test) và thử nghiệm lý hóa (physical and chemical tests) để đánh giá chất lượng vật liệu;

4. Biên soạn quy trình công nghệ hợp lý. Đối với quá trình hàn, đặc biệt là tấm dày trung bình sử dụng mối hàn thấu hoàn toàn, cần có quy trình gia công chế tạo hợp lý. Phòng kỹ thuật cần hướng dẫn thi công chi tiết trước khi thi công, phòng kiểm tra chất lượng tăng cường kiểm tra giám sát hiện trường, đặc biệt kiểm soát tay nghề thợ hàn, thứ tự hàn, biện pháp giữ nhiệt và kiểm soát nhiệt độ giữa các lớp hàn, thực hiện các biện pháp đảm bảo toàn diện để ngăn ngừa khuyết tật hàn do thi công gây ra.

(2) Các vấn đề phát sinh trong quy trình thi công

Quy trình gia công kết cấu thép thường là: Phóng dạng → Cắt vật liệu → Phay đầu → Khoan lỗ → Nắn chỉnh → Lắp ráp → Hàn → Nắn chỉnh → Mài nhẵn → Làm sạch bề mặt (Phun cát/Phun bi) → Sơn → Chất tải, xếp chồng.

Dựa trên các quy định của quốc gia, tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu của đơn vị giám sát đối với kết cấu thép, kết hợp với kinh nghiệm gần mười năm làm việc tại hiện trường kết cấu thép của tôi, các vấn đề chất lượng dễ phát sinh hơn và rất khó xử lý sau khi phát sinh chủ yếu tập trung ở các công đoạn đặc biệt (special processes) và công đoạn quan trọng (important processes). Các công đoạn thông thường có tỷ lệ xảy ra vấn đề chất lượng nhỏ hơn nhiều. Trong các quy trình trên, công đoạn đặc biệt bao gồm hàn và sơn; công đoạn quan trọng bao gồm cắt vật liệu và lắp ráp.

1. Công đoạn Hàn: Đây là công đoạn thuộc dạng "công việc ẩn" (hidden work), cũng là một trong những công đoạn dễ xảy ra vấn đề chất lượng nhất. Số liệu thống kê từ báo cáo chất lượng sản phẩm của một công ty năm 2004 cho thấy, trong các vấn đề chất lượng phát sinh ở công đoạn này: tỷ lệ sửa chữa mối hàn do chất lượng hàn kém lên tới hơn 80%; tiếp theo là các vấn đề do thao tác không đúng ở công đoạn trước và tay nghề người thợ chiếm khoảng 10%. Những vấn đề này thuộc dạng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng công trình, do đó phải được phát hiện và đánh giá thông qua các công ty kiểm định chuyên nghiệp bằng các thiết bị chuyên dụng. Phân loại theo dạng khuyết tật bên trong mối hàn bao gồm: tạp chất xỉ (slag inclusion), chưa nóng chảy (lack of fusion), rỗ khí (porosity),...

Phân tích nguyên nhân:

1. Trong mối hàn thấu hoàn toàn kiểu rãnh X, do làm sạch đáy (back gouging) không kỹ trong quá trình hàn, dẫn đến xuất hiện khuyết tật trong mối hàn;

2. Trong mối hàn rãnh kiểu V có sử dụng tấm đệm (backing bar), do lớp oxit, rỉ sét, dầu mỡ... trên bề mặt phía tiếp xúc với mối hàn của tấm đệm không được làm sạch hoặc làm sạch không triệt để, trực tiếp hàn lên trên, sau đó kiểm tra bằng thiết bị phát hiện khuyết tật tại vị trí tấm đệm;

3. Quy trình công nghệ biên soạn không hợp lý, ví dụ: vị trí hàn quá nhỏ hẹp không thể thao tác; kích thước rãnh hàn không đáp ứng yêu cầu thi công; cường độ dòng điện hàn không phù hợp; thứ tự hàn sai gây biến dạng không thể nắn chỉnh; khi gia công thép dày trung bình không có xử lý sấy nóng trước hàn (preheating), kiểm soát biện pháp giữ nhiệt trong khi hàn và nhiệt độ giữa các lớp hàn không đúng, v.v.;

4. Trong quá trình hàn cấu kiện, phương pháp hàn không hợp lý để đáp ứng yêu cầu chất lượng mối hàn. Ví dụ: sử dụng thao tác hàn que (SMAW) cho lớp lót (backing run) nhưng chất lượng không đảm bảo sau đó lại dùng hàn hồ quang chìm tự động (SAW) phủ lên bên ngoài; dây hàn và thuốc hàn SAW không được nung giữ (baking) và kiểm soát nhiệt độ theo đúng quy định; khuyết tật bề mặt mối hàn do thợ hàn thiếu trách nhiệm.

Các biện pháp xử lý tùy theo tình huống cụ thể:

1. Biên soạn quy trình công nghệ chính xác, đặc biệt đối với cấu kiện sử dụng tấm dày trung bình, cần kết hợp đặc điểm kết cấu công trình cụ thể để xây dựng bản đánh giá quy trình hàn (Welding Procedure Qualification - WPQ/PQR) liên quan, ghi chép đầy đủ trong quá trình thí nghiệm, tích lũy kinh nghiệm cho thi công sau này. Xác định kích thước rãnh hàn, khe hở dự trữ theo đúng tiêu chuẩn quốc gia, đảm bảo tính chính xác, khả thi, kinh tế và phù hợp của quy trình được lập;

2. Việc lựa chọn vật liệu hàn phải được xác định thông qua thí nghiệm đánh giá quy trình hàn và tiêu chuẩn quốc gia. Trong quá trình sử dụng, yêu cầu bảo quản trước khi dùng, nung giữ trước khi sử dụng, nhiệt độ giữ (holding temperature) phải được kiểm soát trong phạm vi yêu cầu của quy phạm;

3. Trong quá trình lắp ráp và hàn, rỉ sét, dầu mỡ, oxit trên bề mặt phôi hàn phải được làm sạch hoàn toàn để đảm bảo nền tảng (lớp cơ bản) trong quá trình hàn được tốt. Đảm bảo xử lý bề mặt cho mối hàn ở lớp nền đạt yêu cầu;

4. Phần đáy (mặt sau) của mối hàn yêu cầu làm sạch (back gouging) phải được làm sạch triệt để và kỹ lưỡng, đảm bảo mối hàn đạt yêu cầu thiết kế.

2. Công đoạn Sơn (Coating): Đây cũng là công đoạn "công việc ẩn", ảnh hưởng đến chức năng sử dụng của công trình nhiều hơn là ảnh hưởng đến kết cấu. Cũng là công đoạn dễ xảy ra vấn đề chất lượng. Các vấn đề chất lượng ở công đoạn này chủ yếu bao gồm: sơn trên bề mặt cấu kiện bong tróc diện rộng hoặc cục bộ; sơn bị chảy nhễu (sagging); độ dày màng sơn không đủ; độ dày màng sơn phân bố không đều; sai lệch màu sắc quá lớn.

Phân tích nguyên nhân:

1. Xử lý bề mặt cấu kiện không đạt yêu cầu (xử lý nền - substrate preparation), tồn tại rỉ sét, oxit hoặc dầu mỡ, độ nhám bề mặt không đáp ứng yêu cầu, dẫn đến lực bám dính (adhesion) kém, đặc biệt với các công trình yêu cầu sơn nghiêm ngặt, cấu kiện phải đáp ứng yêu cầu quy trình và thiết kế;

2. Do trình độ kỹ thuật thi công. Sử dụng quy trình thi công lạc hậu, thao tác thủ công như sơn bằng chổi quét và lô lăn, dẫn đến độ dày màng sơn không đồng đều. Sơn lại (touch-up) trong quá trình thi công có thể gây sai lệch màu sắc lớn;

3. Trong quá trình thi công, cần tránh các vấn đề chất lượng do yếu tố khách quan như thời tiết, thao tác sai quy định, v.v. Ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm tại hiện trường vượt quá yêu cầu, thiếu biện pháp bảo vệ cấu kiện, v.v.;

4. Các vi phạm nghiêm trọng trong sơn do chạy tiến độ, gây ra rủi ro lớn về chất lượng và an toàn tiềm ẩn.

Các biện pháp xử lý và phòng ngừa sự cố chất lượng cũng như tránh các vấn đề tiềm ẩn:

1. Trước khi bắt đầu mỗi công trình, thực hiện đánh giá quy trình (PQR) trên mẫu thử sơn để xác định tính đúng đắn và khả thi của biện pháp xử lý bề mặt và quy trình công nghệ biên soạn, xác định độ dày màng sơn, thời gian khô bề mặt (surface dry), khô cứng (hard dry), ảnh hưởng và kiểm soát điều kiện môi trường;

2. Đảm bảo yêu cầu về khoảng cách thời gian giữa các lớp sơn lót (primer), sơn trung gian (middle coat), sơn phủ (top coat) và tổng chiều dày, tuân thủ nghiêm ngặt tài liệu nhà cung cấp sơn để tránh phản ứng giữa các thành phần khác nhau ảnh hưởng đến chất lượng cuối cùng;

3. Chất lượng phun cát/phun bi (abrasive blasting) bề mặt cấu kiện trước khi sơn phải đáp ứng yêu cầu. Trước khi phun sơn, cần làm sạch hạt mài, gờ sắc và che chắn (masking) các vị trí yêu cầu theo đúng quy định. Trong vòng 2 giờ sau khi hoàn thành phun cát, phải tiến hành sơn bề mặt cấu kiện;

4. Cấu kiện vừa mới sơn xong phải có biện pháp che chắn mưa, bụi, cát để tránh làm bẩn bề mặt, ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan (tính thẩm mỹ);

5. Trong quá trình phun sơn, cần tránh để lẫn lộn với các cấu kiện khác có màu sơn khác, tránh hiện tượng nhiễm chéo (cross-contamination) do các thành phần sơn từ các loại sơn khác nhau bay trong không khí bám vào;

6. Sau khi hoàn thành công việc, cần vệ sinh và bảo quản kịp thời các dụng cụ phun sơn.

3. Công đoạn Phóng dạng và Cắt vật liệu (Layout & Cutting): Công đoạn này là khâu đầu tiên trước khi gia công cấu kiện. Chất lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến các công đoạn tiếp theo, thậm chí có thể làm hỏng toàn bộ chi tiết, điều này khá phổ biến. Vì vậy, tăng cường kiểm soát chất lượng trong quá trình trước khi cắt là rất quan trọng và cần thiết. Các vấn đề chất lượng phát sinh ở công đoạn này bao gồm: biến dạng lớn khi cắt các loại chi tiết dạng thanh dài và tấm mỏng; mặt cắt xuất hiện các khuyết tật như đường răng cưa, vết lồi lõm cục bộ (nubs), vết cắt quá sâu do khí cắt không tinh khiết hoặc do tạp chất bên trong tấm thép; kích thước chi tiết cắt (bằng khí hoặc cưa) không tính đến độ co ngót trong các công đoạn sau dẫn đến vượt quá tiêu chuẩn; sai sót trong biên soạn quy trình công nghệ dẫn đến hỏng loạt chi tiết; kích thước cắt vượt quá yêu cầu tiêu chuẩn quá nhiều.

Phân tích nguyên nhân:

1. Độ tinh khiết của khí cắt không đáp ứng yêu cầu, ảnh hưởng chất lượng mặt cắt;

2. Lớp oxit trên bề mặt thép đột ngột nổ tung khi chịu nhiệt độ cao, làm tắc mỏ cắt, gây ra các khuyết tật như răng cưa, ngoằn ngoèo;

3. Tay nghề công nhân vận hành thủ công kém dẫn đến đường cắt không thẳng, mặt cắt nghiêng, v.v.;

4. Do lực không đồng đều, các chi tiết dạng thanh dài bị cong lưỡi mã (khiên cung - bowing);

5. Liên quan đến đường ray của máy, mức độ sử dụng và độ chính xác của thiết bị. Ví dụ, máy cắt đã qua nhiều năm sử dụng, trong quá trình di chuyển có hiện tượng rung lắc, nảy lên.

Các biện pháp phòng ngừa và khắc phục:

1. Trước khi cắt hàng loạt chi tiết, thực hiện kiểm tra chọn mẫu (sampling inspection) để tránh các hư hỏng không thể cứu chữa được với số lượng lớn. Áp dụng cơ chế kiểm tra giám sát đối với các mẫu (template) dùng để gia công chi tiết phức tạp, kiểm soát vấn đề trước khi mở cắt vật liệu;

2. Tăng cường kiểm soát quá trình, thực hiện nghiêm túc "chế độ 3 lần kiểm tra" (Operator self-inspection → Team leader cross-inspection → Professional inspector inspection), ghi chép quá trình và giám sát tình hình thực hiện, không để "chế độ 3 kiểm tra" trở thành hình thức;

3. Trước khi cắt chính thức, thực hiện công việc gia nhiệt sơ bộ để tránh hiện tượng lớp oxit bề mặt thép đột ngột nổ tung, làm tắc mỏ cắt, gây ra khuyết tật trên bề mặt cắt, dẫn đến phải sửa chữa, mài lại ở các công đoạn sau;

4. Cố gắng sử dụng máy cắt bán tự động hoặc tự động để giảm thao tác thủ công, giảm thiểu các yếu tố do con người gây ra.

4. Công đoạn Lắp ráp (Assembly): Công đoạn này chiếm vị trí quan trọng trong chất lượng gia công cấu kiện, chất lượng của nó chịu ảnh hưởng lớn từ công đoạn trước, vì vậy việc tăng cường kiểm soát quá trình trước khi lắp ráp là rất quan trọng. Các vấn đề chất lượng phát sinh ở công đoạn này bao gồm: Định vị sai vị trí của chi tiết lắp ráp, ví dụ: lắp 3450mm nhưng lại lắp 4350mm; Sử dụng sai chi tiết, ví dụ: đáng lẽ lắp chi tiết số 2 nhưng lại lắp chi tiết số 3; Định hướng chi tiết sai vị trí, ví dụ: lỗ 45mm đáng lẽ hướng ra ngoài nhưng lại hướng vào trong; Khe hở lắp ráp vượt quá yêu cầu của quy phạm và tài liệu kỹ thuật, khe hở 3mm yêu cầu nhưng thực tế 7mm; Một số chi tiết chưa được nắn chỉnh thẳng đã đem đi lắp ráp, dẫn đến sau khi lắp ráp xong không thể khắc phục biến dạng sẵn có; Công nhân tiện tay cắt rạch tùy tiện để làm việc dễ hơn dẫn đến kích thước vị trí lỗ trên chi tiết sai; Khu vực lắp ráp hàn không được xử lý bề mặt; Sai sót do kích thước sai trên bản vẽ dẫn đến lắp ráp sai.