TÍNH ỔN ĐỊNH CỦA TÀU – ĐIỀU GÌ KHIẾN TÀU MẤT ỔN ĐỊNH?

Việc nắm vững các đường cong ổn định nguyên vẹn (intact stability) giúp chúng ta hiểu và phân tích các trường hợp mất ổn định thực tế xảy ra trên các tàu hoạt động trên mặt nước. Đối với mỗi trường hợp mất ổn định, người thiết kế tàu trước hết phải xác định được tác động của nó đối với con tàu. Sau khi xác định được tác động, sẽ điều tra nguyên nhân gây ra tình trạng mất ổn định. Trong thực tế, các công cụ chính được sử dụng để phân tích nguyên nhân dẫn đến các trường hợp mất ổn định cho tàu gồm: Điều kiện xếp hàng (Loading Condition) và Các đường cong ổn định (Stability Curves).

Ngoài ra, trực giác được hình thành từ kinh nghiệm thực tế về tính ổn định của tàu hoạt động trên mặt nước cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nguyên nhân của từng trường hợp; điều này biến tính ổn định của tàu trở thành một chủ đề nghiên cứu đầy thú vị trong ngành kỹ thuật đóng tàu.

Trước tiên, chúng ta sẽ phân tích một số trường hợp mất ổn định phổ biến trên các tàu hoạt động trên mặt nước. Sau khi tìm hiểu tác động của từng trường hợp, chúng ta sẽ xem xét các biện pháp được áp dụng trong giai đoạn thiết kế và vận hành để ngăn ngừa những tình huống tương tự, đồng thời liên hệ với những sự cố thực tế đã từng xảy ra trong quá khứ.

Hiệu ứng bề mặt thoáng (Free Surface Effect):

Khi két hoặc khoang chứa chỉ được đổ đầy một phần, chuyển động của chất lỏng (do các chuyển động lắc ngang và lắc dọc của tàu) sẽ làm giảm tính ổn định của tàu. Tại sao lại như vậy? Bởi vì khi tàu nghiêng, chất lỏng bên trong két sẽ dịch chuyển về phía thấp hơn, như hình minh họa dưới đây:

Ở hình minh họa, két chứa trên tàu kéo dài từ phần đáy tàu lên đến mặt sàn hầm hàng (được biểu thị bằng màu đỏ) và chỉ chứa một phần chất lỏng. Khi tàu ở vị trí thẳng đứng, bề mặt tự do của chất lỏng trong két được biểu thị là đường AA1. Khi tàu nghiêng một góc nhất định (ký hiệu ‘theta’ – Ɵ), bề mặt tự do của chất lỏng chuyển sang vị trí TT1. Đồng thời, tâm nổi (center of buoyancy) cũng dịch chuyển từ vị trí ‘B’ sang ‘B1’.

Kết quả của quá trình này là gì? Cần lưu ý rằng khi chất lỏng trong két dịch chuyển về phía thấp hơn, thể tích chất lỏng nằm trong nêm giới hạn bởi các điểm ‘A’ và ‘T’ đã chuyển sang phía thấp hơn, nằm giữa các điểm A1 và T1. Về cơ bản, trọng tâm của khối chất lỏng đó đã dịch chuyển từ vị trí ‘g’ sang ‘g1’.

Do sự dịch chuyển trọng lượng bên trong con tàu, trọng tâm của toàn bộ con tàu cũng dịch chuyển từ ‘G’ sang ‘G1’. Hệ quả của sự dịch chuyển chất lỏng này là trọng lực tổng hợp của toàn bộ hệ thống tác động thông qua một điểm ảo nằm cao hơn đáng kể so với trọng tâm thực tế của con tàu. Trọng tâm ảo ‘GV’ này được xác định bằng cách kẻ một đường thẳng đứng từ trọng tâm mới ‘G1’ đến đường tâm dọc của con tàu. Kết quả là giá trị KG (khoảng cách từ đáy tàu đến trọng tâm) tăng lên, từ đó làm giảm chiều cao tâm nghiêng (metacentric height) của con tàu.

Chiều cao tâm nghiêng mới khi xét đến hiệu ứng bề mặt tự do là ‘GVM’, và cánh tay đòn phục hồi mới là ‘GVZV’; cả hai giá trị này đều thấp hơn đáng kể so với các giá trị ban đầu (khi chưa tính đến hiệu ứng bề mặt tự do). Chính sự sụt giảm chiều cao tâm nghiêng, hay nói cách khác là sự nâng lên của trọng tâm con tàu do hiệu ứng bề mặt tự do đã làm giảm độ ổn định của tàu, thậm chí khiến con tàu trở nên mất ổn định.

Mức độ sụt giảm chiều cao tâm nghiêng do hiệu ứng bề mặt tự do có thể được tính toán thông qua biểu thức sau:

Trong biểu thức trên:

ρL = Khối lượng riêng của chất lỏng trong két.

ρS = Khối lượng riêng của nước biển.

IL = Mô-men quán tính diện tích bề mặt tự do của chất lỏng đối với đường tâm dọc của két. 

∇S = Lượng chiếm nước (khối lượng) của con tàu trong nước biển.

Từ biểu thức trên, có thể rút ra một số kết luận quan trọng, được sử dụng để xây dựng các phương pháp thiết kế nhằm khắc phục ảnh hưởng của bề mặt tự do của chất lỏng trên tàu. Cụ thể như sau:

• Ảnh hưởng của bề mặt tự do của chất lỏng không phụ thuộc vào vị trí của két. Nghĩa là, dù két nằm ở độ cao hay vị trí dọc nào trên tàu, thì sự hình thành bề mặt tự do của chất lỏng bên trong két đều gây ra tác động như nhau đối với con tàu. 
• Sự sụt giảm chiều cao tâm nghiêng do hiệu ứng bề mặt tự do sẽ lớn hơn đối với các loại chất lỏng có khối lượng riêng cao hơn.
• Hình dạng của két đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá hiệu ứng của bề mặt tự do. Nguyên nhân là do mức độ suy giảm độ ổn định của tàu tỷ lệ thuận với mô-men diện tích của bề mặt tự do đối với đường tâm dọc của két chứa. Điều này có nghĩa là gì? Diện tích bề mặt tự do theo phương ngang càng nhỏ thì mô-men quán tính diện tích của nó đối với đường tâm dọc của két càng thấp, dẫn đến mức độ sụt giảm chiều cao tâm nghiêng (GM) do hiệu ứng bề mặt tự do càng ít.

Để đạt được điều này, một ưu tiên trong thiết kế két chứa là giảm mô-men dọc của bề mặt tự do bằng cách lắp đặt các vách ngăn dọc bên trong những két có diện tích bề mặt lớn, như hình minh họa dưới đây.

Trong trường hợp thứ nhất, một két chứa có chiều rộng bằng với chiều rộng của tàu (b) sẽ gây ra sự sụt giảm đáng kể về GM do hiệu ứng bề mặt tự do. Nếu két đó được chia thành ba phần bằng nhau nhờ hai vách ngăn dọc, diện tích bề mặt tự do sẽ giảm đi một hệ số tương ứng với lũy thừa bậc ba của chiều rộng két (b). Nếu quan sát sơ đồ bố trí két trên bất kỳ con tàu nào, bạn sẽ thấy rằng các két chứa nhiên liệu và nước ngọt có kích thước lớn thường được chia thành các khoang bên mạn trái (Port), khoang giữa (Center) và mạn phải (Starboard) chính là vì lý do này.

Hiệu ứng bề mặt tự do đối với hai chất lỏng:

Có những trường hợp một két chứa hai loại chất lỏng không hòa tan vào nhau. Trong các két bù nhiên liệu, thể tích dầu nhiên liệu được tiêu thụ sẽ được thay thế bằng nước biển. Trong các két xăng, nước biển được đưa vào để loại bỏ không gian trống, ngăn ngừa sự tích tụ của các loại hơi dễ cháy. Vì xăng nhẹ hơn nước biển nên nó luôn nằm ở lớp trên và được rút ra từ phía trên cùng của két.

Một câu hỏi thú vị được đặt ra: các két luôn ở trạng thái đầy, vậy hiệu ứng bề mặt tự do có liên quan như thế nào trong những trường hợp trên? Hãy quan sát hình vẽ dưới đây:

Khi hai chất lỏng tiếp xúc với nhau, bề mặt phân cách giữa chúng đóng vai trò như một bề mặt tự do. Do đó, khi tàu nghiêng, mặt phân cách này vẫn duy trì trạng thái song song với đường mớn nước. Để đạt được điều đó, một thể tích nhất định của chất lỏng nặng hơn sẽ di chuyển về phía thấp hơn của tàu, thay thế cho thể tích tương ứng của chất lỏng nhẹ hơn. Ngược lại, thể tích chất lỏng nhẹ hơn bị thay thế sẽ dịch chuyển về phía cao hơn. Kết quả là trọng tâm (CG) của tàu bị dịch chuyển do sự chuyển động của các chất lỏng, tạo nên hiệu ứng bề mặt tự do.

Ảnh hưởng của việc dịch chuyển hàng rời:

Trên các tàu chở hàng rời như ngũ cốc, quặng, than đá, v.v., mặc dù bề mặt hàng hóa đã được san phẳng sau khi xếp hàng lên tàu, nhưng chuyển động lắc ngang (rolling) trong suốt hành trình có thể làm hàng hóa bên trong hầm hàng bị phân bố lại, khiến chúng dịch chuyển về một phía. Điều này dẫn đến hiện tượng tàu bị nghiêng sang một bên. Một con tàu bị nghiêng do hàng hóa dịch chuyển sẽ rất dễ bị lật nếu góc lắc ngang tăng lên. Trên thực tế, đã từng có những trường hợp tàu chở hàng rời bị lật do sự dịch chuyển của hàng hóa.

Để ngăn ngừa các tình huống như vậy, các nhà thiết kế phải đảm bảo rằng thiết kế của họ tuân thủ "Bộ quy tắc về Tác nghiệp an toàn đối với hàng rời rắn" của IMO (IMO, 1980). Bộ quy tắc này cung cấp các thông số kỹ thuật cho từng loại hàng rời, bao gồm cả góc nghỉ (angle of repose) tương ứng của chúng. Chúng ta sẽ không đi sâu vào các chi tiết của Bộ quy tắc (Code) – vốn là một tài liệu chuyên biệt và dễ dàng tra cứu – mà sẽ tập trung tìm hiểu cách thức sự dịch chuyển hàng hóa ảnh hưởng đến độ ổn định của tàu.

Hình vẽ minh họa độ ổn định của tàu trong trường hợp hàng rời (ví dụ: ngũ cốc) bị dịch chuyển. Đường cong nét đứt ‘AB’ biểu thị cánh tay đòn nghiêng (heeling arm) phát sinh do sự dịch chuyển của hàng hóa. Để xây dựng biểu đồ này, người ta thực hiện phân tích cho nhiều điều kiện xếp hàng khác nhau, từ đó thu được các đường cong cánh tay đòn nghiêng tương ứng. Mỗi đường cong cần được xem xét như một trường hợp riêng biệt khi phân tích độ ổn định của tàu tại từng điều kiện xếp hàng cụ thể.

Hãy hình dung hàng hóa (ví dụ: ngũ cốc) trên một con tàu bị dịch chuyển sang một bên. Tàu sẽ nghiêng đến một góc mà tại đó, mô-men nghiêng do hàng hóa dịch chuyển sẽ triệt tiêu mô-men phục hồi (righting moment). Trên đồ thị, điểm này chính là giao điểm giữa đường cong cánh tay đòn nghiêng do hàng hóa dịch chuyển và đường cong ổn định tĩnh của tàu.

Khi hàng hóa bị dịch chuyển, giá trị cánh tay đòn phục hồi (righting arm - GZ) tối đa của tàu cũng bị giảm đi. Cụ thể, giả sử trong một trường hợp nhất định, giá trị GZ tối đa đạt được ở góc nghiêng 40 độ. Do sự xuất hiện của cánh tay đòn nghiêng tại góc 40 độ (ký hiệu là ƛ40), giá trị GZ tối đa thực tế sẽ là (GZMAX – ƛ40).

Độ ổn định động (dynamic stability) của tàu được xác định bằng diện tích nằm bên trong đường cong ổn định tĩnh của nó. Đại lượng này cho biết độ lớn của năng lượng nghiêng từ bên ngoài mà tàu có thể hấp thụ trước khi bị lật. Sự hiện diện của cánh tay đòn nghiêng do hàng hóa dịch chuyển làm giảm diện tích đại diện cho độ ổn định động. Nói cách khác, nếu không có sự dịch chuyển hàng hóa, độ ổn định động sẽ tương ứng với diện tích nằm giữa đường cong ổn định tĩnh và trục hoành. Ngược lại, khi hàng hóa dịch chuyển, diện tích nằm giữa đường cong cánh tay đòn nghiêng và trục hoành giảm đi so với diện tích ban đầu (phần tô bóng trong hình trên). Điều này đồng nghĩa với việc tàu chỉ có thể hấp thụ một lượng năng lượng bên ngoài ít hơn (từ gió, sóng, hoặc lực ly tâm khi tàu chuyển hướng ở tốc độ cao) trước khi bị lật tàu. 

Do đó, các ràng buộc thiết kế sau được xem xét để ngăn ngừa tình trạng mất ổn định do sự dịch chuyển của hàng rời: 

• Giá trị chiều cao tâm nghiêng ngang ban đầu (GMT), với giả định có sự hiện diện của hiệu ứng bề mặt  tự do. Giá trị này không được nhỏ hơn 0,3 mét. 
• Góc nghiêng do sự dịch chuyển của hàng rời: Theo quy định, giá trị này không được vượt quá 12 độ trong bất kỳ điều kiện biển nào. 
• Giá trị cánh tay đòn nghiêng do hàng rời (grain heeling arm) tại góc nghiêng 40 độ: Ràng buộc này được thiết lập dựa trên giả định rằng hầu hết các tàu đều đạt giá trị GM lớn nhất tại góc nghiêng 40 độ. 
• Độ dốc của các két mạn trên (top-side tanks) và kích thước của các hầm hàng đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn ngừa sự dịch chuyển hàng hóa trên tàu chở hàng rời. 

Có nhiều nguyên nhân khác dẫn đến sự gia tăng trọng tâm của tàu, hay nói cách khác là làm giảm độ ổn định của tàu. Chúng ta sẽ liệt kê và thảo luận về một số nguyên nhân đó dưới đây: 

• Sự sụp đổ của vách ngăn dọc hoặc vách ngăn két có thể làm tăng trọng tâm (CG) của tàu, do nó làm tăng mô-men quán tính bề mặt tự do của chất lỏng.
• Độ ổn định của tàu bị suy giảm đáng kể do băng tích tụ trên các cấu trúc thượng tầng. Điều này không chỉ gây ra độ nghiêng ngang (list) ngoài ý muốn mà còn dẫn đến tình trạng chúi tàu (trim) không mong muốn. Thông thường, độ nghiêng do băng bám trên cấu trúc thượng tầng là kết quả của việc băng tích tụ không đồng đều giữa hai mạn tàu, khiến trọng tâm của tàu bị dịch chuyển. Giá trị của cánh tay đòn phục hồi (righting arm) sẽ giảm đáng kể ở mọi góc nghiêng, dẫn đến sự sụt giảm về:

1. Giá trị GZ cực đại.
2. Chiều cao tâm nghiêng ngang ban đầu (Initial transverse metacentric height).
3. Độ ổn định động.
4. Phạm vi ổn định.

Hiện tượng đóng băng cũng làm tăng diện tích đón gió của tàu, khiến mô-men nghiêng do gió tăng lên, đồng thời làm giảm thêm độ ổn định động trong trường hợp có gió thổi ngang (beam winds).

• Nước tràn vào tàu thông qua các nắp hầm hàng bảo dưỡng kém có thể gây ngập giữa các boong (tween decks). Đã từng có trường hợp cửa trên các boong hở (weather decks) không được đóng kín, để nước tràn vào gây tăng trọng tâm đáng kể do ngập lụt các boong trên cùng. 
• Trong điều kiện thời tiết xấu, tàu chở gỗ trên boong có thể bị dồn hàng về một phía do tàu lắc mạnh. Sự dịch chuyển hàng hóa này dẫn đến độ nghiêng tàu; thậm chí có những trường hợp tàu chở gỗ buộc phải chủ động đổ bớt một phần hàng hóa xuống biển để khắc phục tình trạng nghiêng nguy hiểm. 

Một câu hỏi rất thú vị được đặt ra. Nếu trong quá trình dỡ hàng, một tàu chở gỗ trên boong bị nghiêng sang mạn trái do gỗ dồn về phía đó, thì nên dỡ hàng ở phía nào trước để khắc phục độ nghiêng này?

Theo trực giác thông thường, nhiều người sẽ cho rằng vì mạn trái đang thấp hơn (do có quá nhiều hàng dồn về phía đó), nên cần phải dỡ hàng từ chính mạn trái. Tuy nhiên, hành động này lại có thể khiến tàu bị lật. Tại sao vậy? Bởi lẽ,  dù việc loại bỏ hàng hóa dư thừa ở phía thấp hơn có vẻ như sẽ giúp con tàu trở lại trạng thái cân bằng, nhưng thực tế lại khác: khi trọng lượng ở phía thấp hơn bị loại bỏ, trọng tâm của con tàu sẽ dịch chuyển lên trên. Điều này dẫn đến sự sụt giảm về chiều cao tâm nghiêng (metacentric height - GM), khiến biên độ ổn định của tàu giảm đi đáng kể.

Khái niệm về Heel (Nghiêng do tác động bên ngoài), List (Nghiêng do phân bố trọng lượng bên trong) và Loll (Nghiêng do mất ổn định ban đầu):

Chúng tôi đã sử dụng cả ba thuật ngữ này nhiều lần trong bài viết hiện tại cũng như các bài viết trước thuộc loạt bài này. Mặc dù cả ba thuật ngữ đều mô tả trạng thái con tàu bị nghiêng ở một góc nhất định, nhưng ý nghĩa của chúng hoàn toàn khác nhau. Cụ thể, các thuật ngữ này được sử dụng để xác định "nguyên nhân" dẫn đến trạng thái nghiêng của tàu.

List (Nghiêng do phân bố trọng lượng bên trong): Một con tàu đợc coi là ở trạng thái "list" khi các mô-men gây nghiêng xuất phát từ sự dịch chuyển trọng lượng bên trong tàu, có thể do các nguyên nhân sau:

• Sự dịch chuyển hàng hóa bên trong tàu.
• Ảnh hưởng của Hiệu ứng bề mặt tự do của chất lỏng (free surface effects).
• Hành khách tập trung quá đông về một phía của tàu.
• Sự tích tụ băng không đối xứng trên cấu trúc thượng tầng

Heel (Nghiêng do tác động bên ngoài): Một con tàu được coi là ở trạng thái "heel" khi các mô-men gây nghiêng xuất phát từ các tác nhân bên ngoài, chẳng hạn như:

• Gió thổi ngang thân tàu.
• Nghiêng do tàu chuyển hướng ở tốc độ cao.
• Nghiêng do lực tác động từ việc phóng tên lửa theo phương ngang (đối với tàu chiến).

Loll (Nghiêng do mất ổn định ban đầu): Trạng thái "loll" hoàn toàn khác biệt so với hai trạng thái nêu trên. Một con tàu được coi là ở trạng thái "loll" khi kết quả kiểm tra cho thấy tàu có độ ổn định ban đầu bằng âm, hay nói cách khác là chiều cao tâm nghiêng (GM) ban đầu mang giá trị âm (như minh họa trong đồ thị dưới đây).

Giá trị GM ban đầu âm có thể xảy ra do các nguyên nhân sau:

• Ảnh hưởng của bề mặt chất lỏng tự do.
• Các khoang tàu bị ngập nước.
• Trọng tâm nằm quá cao – do chất quá nhiều hàng hóa hoặc thiết bị trên các boong phía trên.
• Sự tích tụ nước biển trên boong hở do các lỗ thoát nước (scuppers) bị tắc nghẽn.

Từ những phân tích trên, chúng ta có thể rút ra hai kết luận quan trọng:

Một con tàu bị nghiêng (do tác động ngoại lực hoặc phân bố trọng lượng) không nhất thiết là không ổn định, vì các trạng thái này không đồng nghĩa với việc tàu có giá trị GM âm. Tuy nhiên, không thể loại trừ khả năng tàu mất ổn định nếu chưa kiểm tra các giá trị GM cụ thể. Ngược lại, một con tàu bị nghiêng do mất ổn định ban đầu (loll) chắc chắn là một con tàu mất ổn định, vì nó có giá trị GM âm ở trạng thái thẳng đứng.

Tầm quan trọng của việc hiểu rõ tính ổn định của tàu nằm ở chỗ các khái niệm và phương pháp tiếp cận mà chúng ta đã thảo luận. Chính nhờ những kết luận như vậy mà các nhà thiết kế và thủy thủ đoàn đoàn giàu kinh nghiệm có thể hình thành trực giác cần thiết để phân tích các trường hợp liên quan đến độ ổn định của tàu.

Julie
Nguồn: Marine Insight