Tàu container là một trong những cỗ máy lớn nhất từng được con người chế tạo. Với chiều dài có thể lên đến hơn 300m, mỗi con tàu có thể vận chuyển khối lượng hàng hóa cực lớn chỉ trong một hành trình. Mỗi tàu container là một kết cấu thép khổng lồ có trọng lượng lên đến hàng trăm nghìn tấn nhưng vẫn có thể di chuyển vượt đại dương liên tục trong nhiều tuần mà không cần dừng lại.

Đằng sau quy mô đồ sộ đó không chỉ là thép và những động cơ công suất lớn. Mỗi con tàu là kết quả của một hệ thống sản xuất có độ phức tạp rất cao, nơi hàng nghìn công nhân, kỹ sư và máy móc vận hành đồng bộ như một dây chuyền công nghiệp khổng lồ. Chính quy trình sản xuất này đã biến những nguyên vật liệu thô ban đầu thành một trong những phương tiện quan trọng nhất của mạng lưới vận tải toàn cầu.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh The Factoran, nói về quy trình đóng những con tàu container khổng lồ.

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Ngày nay, hơn 90% lượng hàng hóa trên thế giới được vận chuyển bằng đường biển và tàu container chính là xương sống của hệ thống thương mại quốc tế. Trong vài thập kỷ qua, ngành vận tải biển đã phát triển vượt bậc, từ những con tàu có kích thước tương đối nhỏ trở thành các siêu tàu container có khả năng chở hàng chục nghìn container trong một chuyến đi.

Sự phát triển này không chỉ nhằm tăng năng lực chuyên chở mà còn hướng tới việc giảm chi phí vận tải và giảm lượng phát thải trên mỗi đơn vị hàng hóa được vận chuyển. Đồng thời, các công nghệ mới như động cơ sử dụng khí tự nhiên hóa lỏng (LNG) đang từng bước định hình lại tương lai của ngành vận tải biển toàn cầu bằng cách nâng cao cả hiệu quả khai thác lẫn hiệu suất môi trường.

Điểm khởi đầu – Thép đóng tàu
Mỗi con tàu container đều bắt đầu từ một vật liệu cơ bản nhưng đóng vai trò quyết định – thép. Hàng chục nghìn tấm thép cỡ lớn được vận chuyển đến nhà máy đóng tàu, sau đó đưa vào các khu vực lưu trữ rộng lớn để chuẩn bị cho các công đoạn sản xuất.

Đây không phải là loại thép xây dựng thông thường mà là thép đóng tàu chuyên dụng, được thiết kế để chịu tải trọng kết cấu rất lớn, chống ăn mòn và có khả năng làm việc trong môi trường nước mặn suốt nhiều thập kỷ. Trong bãi lưu trữ, từng tấm thép được phân loại cẩn thận theo độ dày, kích thước và vị trí dự kiến trên con tàu. Những tấm dày hơn được sử dụng tại các khu vực phải chịu ứng suất kết cấu lớn hơn (1), trong khi các tấm có kích thước và hình dạng khác nhau được bố trí cho từng phần cụ thể như đáy tàu, mạn tàu, mũi tàu và đuôi tàu.
(1) Ứng suất kết cấu (structural stress) là lực nội tại xuất hiện bên trong một vật liệu hoặc kết cấu khi nó chịu tác động của tải trọng hoặc các lực bên ngoài. Ứng suất cho biết mỗi đơn vị diện tích của vật liệu đang phải “gánh” bao nhiêu lực.

Chỉ riêng phần thân chính của một tàu container cỡ lớn cũng có thể cần tới hơn 12.000 tấm thép. Một ưu điểm quan trọng khác của loại thép đóng tàu này là tính bền vững. Sau khoảng 30 đến 40 năm khai thác, phần lớn lượng thép trên con tàu có thể được thu hồi, nấu chảy và tái chế để sử dụng trong các ngành công nghiệp khác.

Cắt thép bằng laser
Sau khi được phân loại, thép bước vào công đoạn sản xuất quan trọng đầu tiên: cắt và tạo hình sơ bộ. Độ chính xác ở giai đoạn này có ý nghĩa quyết định vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của toàn bộ thân tàu.

Mỗi tấm thép được đưa vào hệ thống cắt công nghiệp hiện đại, nơi các chùm tia laser có nhiệt độ lên tới khoảng 32.000 độ F (17.760 độ C) cắt xuyên qua bề mặt kim loại với độ chính xác rất cao, tạo ra những đường cắt sắc nét hoàn toàn khớp với bản vẽ kỹ thuật.

Thay vì vận hành thủ công, toàn bộ máy cắt hoạt động theo các tệp thiết kế số đã được lập trình sẵn, xác định chính xác kích thước, hình dạng cũng như vị trí lắp ráp của từng chi tiết trong tương lai. Mức độ chính xác này đặc biệt quan trọng vì mỗi tấm thép sau đó sẽ được ghép nối với hàng nghìn bộ phận khác để hình thành những mô-đun thân tàu khổng lồ. Chỉ một sai lệch rất nhỏ tại mép cắt cũng có thể gây ra nhiều khó khăn trong các công đoạn hàn và lắp ráp tiếp theo.

Tạo hình các đường cong của thân tàu
Sau khi cắt, thép chưa được lắp ngay vào kết cấu con tàu mà tiếp tục chuyển sang công đoạn tạo hình, nơi những tấm thép phẳng được uốn thành các bề mặt cong phức tạp của thân tàu hiện đại.

Không giống như các kết cấu phẳng trong xây dựng, lớp vỏ ngoài của thân tàu bao gồm rất nhiều đường cong được thiết kế cẩn thận nhằm tối ưu đặc tính thủy động học, giúp con tàu di chuyển hiệu quả hơn trong nước. Để tạo ra những hình dạng này, các tấm thép được đưa qua máy ép thủy lực, máy uốn và nhiều hệ thống tạo hình cơ khí khác có khả năng tạo ra lực ép rất lớn.

Trong nhiều trường hợp, quá trình gia công bằng máy còn được kết hợp với các thao tác điều chỉnh thủ công của công nhân lành nghề nhằm đạt được độ chính xác cần thiết. Sự kết hợp giữa độ chính xác của máy móc và tay nghề con người giúp đảm bảo rằng mọi tấm thép sau này đều có thể ghép nối hoàn hảo với nhau mà không xuất hiện khe hở hay sai lệch kết cấu.

Ở giai đoạn này, một số chi tiết thép cũng bắt đầu được hàn sơ bộ. Các gân tăng cứng, khung ngang và các tấm gia cường được liên kết với nhau để tạo thành những cụm kết cấu nhỏ, đóng vai trò gia cường cho thân tàu trong tương lai. Những mối hàn đầu tiên này tạo nên nền tảng kết cấu cần thiết cho công đoạn tiếp theo, khi các chi tiết riêng lẻ dần trở thành những phần hoàn chỉnh của con tàu.

Chế tạo các mô-đun thân tàu
Thay vì chế tạo toàn bộ con tàu như một kết cấu khổng lồ ngay từ đầu, ngành đóng tàu hiện đại áp dụng phương pháp sản xuất theo mô-đun. Toàn bộ con tàu được chia thành nhiều phần lớn gọi là block, mỗi block đại diện cho một khu vực quan trọng như thân tàu, đáy tàu, đuôi tàu hoặc các kết cấu chính khác.

Các tấm thép được hàn lại để tạo thành những mô-đun khổng lồ này. Tuy nhiên, công việc không chỉ dừng ở việc lắp ráp kết cấu thép. Trước khi mỗi block rời khỏi khu vực chế tạo, nhiều hệ thống bên trong như đường ống, khung kết cấu và các thiết bị kỹ thuật khác đã được lắp đặt sẵn. Việc hoàn thành trước những hạng mục này giúp giảm đáng kể khối lượng công việc trong giai đoạn lắp ráp cuối cùng, từ đó nâng cao đáng kể hiệu quả của toàn bộ quá trình đóng tàu.

Hàng nghìn block được chế tạo đồng thời trên nhiều dây chuyền sản xuất song song, cho phép nhiều phần khác nhau của con tàu được thi công cùng lúc. Sau khi hoàn thiện, các mô-đun này được vận chuyển đến khu vực lắp ráp chính để bước vào một trong những công đoạn ấn tượng nhất của toàn bộ quá trình chế tạo.

Lắp ráp thân tàu trong ụ khô
Bên trong ụ khô (dry dock) (2), các block lần lượt được ghép nối để tạo thành thân tàu container. Đây là giai đoạn mà những mô-đun thép đồ sộ không còn tồn tại như các bộ phận riêng biệt mà dần trở thành một kết cấu thống nhất.
(2) Ụ khô (dry dock) là một công trình hoặc kết cấu chuyên dụng trong ngành đóng tàu, được thiết kế để đưa tàu ra khỏi nước nhằm phục vụ việc đóng mới, kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa hoặc cải hoán phần thân tàu dưới mực nước.

Những cần cẩu công nghiệp khổng lồ có khả năng nâng hàng trăm tấn liên tục hoạt động phía trên ụ khô, cẩn thận hạ từng block vào đúng vị trí thiết kế. Mỗi lần lắp đặt đều đòi hỏi độ chính xác cực kỳ cao vì chỉ một sai lệch nhỏ trong quá trình căn chỉnh cũng có thể ảnh hưởng đến hàng chục mô-đun xung quanh trong các bước lắp ráp tiếp theo.

Trước khi tiến hành hàn cố định, các kỹ sư và công nhân kiểm tra tỉ mỉ khoảng cách, độ thẳng hàng và các bề mặt tiếp xúc giữa từng mô-đun. Bên dưới thân tàu, một hệ thống gối đỡ chuyên dụng đã được lắp đặt từ trước để giữ ổn định toàn bộ kết cấu trong suốt quá trình thi công. Mỗi gối đỡ được thiết kế để chịu được tải trọng lên tới hàng trăm tấn mà không làm biến dạng lớp vỏ thép bên ngoài.

Khi ngày càng nhiều block được ghép nối với nhau, hình dáng của con tàu container dần hiện ra. Những chi tiết thép riêng lẻ ban đầu từng bước biến thành một siêu kết cấu thống nhất nằm bên trong ụ khô khổng lồ, đánh dấu sự hoàn thành của một trong những giai đoạn quan trọng nhất trong quá trình chế tạo một tàu container hiện đại.

Hệ thống nhiên liệu LNG
Khi phần thân tàu dần hoàn thiện, một trong những hệ thống quan trọng nhất của tàu container hiện đại bắt đầu được lắp đặt: bồn chứa nhiên liệu khí tự nhiên hóa lỏng (LNG). Được thiết kế để lưu trữ hàng chục nghìn m³ nhiên liệu, bồn chứa này phải duy trì khí tự nhiên ở trạng thái lỏng trong điều kiện nhiệt độ cực thấp.

Để làm được điều đó, các kỹ sư phủ lên bồn chứa nhiều lớp vật liệu cách nhiệt dày. Các tấm polyurethane được dán và cố định cẩn thận lên thành bồn nhằm ngăn nhiệt xâm nhập vào bên trong. Đồng thời, mọi mối nối đều được kiểm tra bằng phương pháp thử chân không kết hợp với dung dịch xà phòng để phát hiện ngay cả những rò rỉ nhỏ nhất.

Chỉ sau khi toàn bộ bồn chứa được xác nhận hoàn toàn kín khí, hệ thống mới được chuyển sang giai đoạn lắp đặt tiếp theo. Bên trong bồn, các kỹ sư lắp đặt hệ thống bơm và thu hồi khí, có nhiệm vụ cung cấp nhiên liệu cho động cơ. Những thiết bị này phải hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cực thấp và áp suất cao, vì vậy chúng được chế tạo từ các vật liệu chuyên dụng cùng kết cấu có độ bền cao.

Các bơm đặt gần đáy bồn chịu trách nhiệm hút toàn bộ lượng khí tự nhiên hóa lỏng và duy trì dòng nhiên liệu liên tục. Đây là một trong những yếu tố quan trọng quyết định khả năng vận hành của con tàu trên những hải trình đường dài.

Động cơ chính
Sau khi hệ thống nhiên liệu hoàn thiện, quá trình chế tạo chuyển sang bộ phận được xem là trái tim của con tàu: động cơ chính. 

Trước khi được lắp đặt lên tàu, động cơ phải trải qua hàng loạt thử nghiệm nghiêm ngặt. Chỉ riêng trục khuỷu cũng có thể nặng tới hàng trăm tấn và cần đến những cần cẩu công nghiệp cỡ lớn để đưa vào vị trí trong quá trình lắp ráp.

Tại khu vực thử nghiệm, các kỹ sư vận hành động cơ ở mức tải rất cao, thậm chí vượt quá điều kiện làm việc thông thường, nhằm mô phỏng những môi trường khắc nghiệt nhất mà con tàu có thể gặp phải trên biển. Trong suốt quá trình này, các piston khổng lồ chuyển động liên tục, bộ tăng áp quay với tốc độ cực cao, đồng thời một mạng lưới cảm biến theo dõi rung động, nhiệt độ, áp suất và mức tiêu thụ nhiên liệu theo thời gian thực.

Do việc sửa chữa một động cơ nặng hàng nghìn tấn giữa đại dương là vô cùng khó khăn, mọi khuyết tật dù nhỏ nhất đều phải được phát hiện và khắc phục ngay trong giai đoạn thử nghiệm. Chỉ sau khi vượt qua toàn bộ chuỗi thử tải nặng, động cơ mới được chấp thuận để vận chuyển đến nhà máy đóng tàu. Khi đó, nó được tháo rời thành nhiều mô-đun riêng biệt để thuận tiện cho quá trình vận chuyển.

Hệ thống truyền động và trục khuỷu
Sau khi được đưa đến nhà máy đóng tàu, các kỹ sư bắt đầu lắp đặt hệ thống truyền động giúp động cơ tạo ra công suất sử dụng thực tế. Trục khuỷu có trọng lượng lên tới hàng trăm tấn được các cần cẩu khổng lồ nâng lên từ từ rồi hạ chính xác xuống bệ đỡ động cơ đã được chuẩn bị sẵn. Trong suốt quá trình này, các kỹ sư liên tục kiểm tra độ đồng tâm, khe hở ổ trục và các bề mặt tiếp xúc bằng các thiết bị đo chuyên dụng.

Khi đi vào vận hành, toàn bộ hệ thống phải chịu mô-men xoắn rất lớn cùng rung động liên tục trong hàng nghìn giờ hoạt động trên biển. Sau đó, các piston được nối với trục khuỷu thông qua thanh truyền và hệ thống truyền động, biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay chính xác.

Hàng chục cơ cấu cơ khí phải hoạt động gần như đồng bộ tuyệt đối để tạo ra lực đẩy ổn định cho chân vịt khổng lồ của con tàu. Trong những lần thử quay đầu tiên, mọi chi tiết bên trong đều được theo dõi chặt chẽ nhằm bảo đảm toàn bộ hệ thống phối hợp hoàn hảo. Chỉ một sai lệch rất nhỏ trong hệ trục cũng có thể truyền rung động đến toàn bộ thân tàu và làm giảm hiệu suất của chân vịt.

Vì vậy, các kỹ sư liên tục đo đạc mức độ rung, độ thẳng hàng của trục và sự phân bố tải trọng trước khi con tàu được phép chuyển sang giai đoạn lắp ráp tiếp theo.

Lắp ráp động cơ trong phòng máy
Do kích thước quá lớn, động cơ hoàn chỉnh không thể được vận chuyển dưới dạng nguyên khối. Thay vào đó, nó được chia thành nhiều mô-đun và đưa đến nhà máy đóng tàu để lắp ráp trực tiếp trong phòng máy trên bệ móng động cơ.

Mọi bu-lông, bề mặt lắp ghép và điểm kết nối đều phải được căn chỉnh với độ chính xác cực cao, bởi chỉ một sai lệch nhỏ trong quá trình lắp đặt cũng có thể ảnh hưởng đến rung động, hiệu suất vận hành cũng như độ ổn định tổng thể của con tàu trong suốt vòng đời khai thác.

Lắp đặt chân vịt
Sau khi hệ thống truyền động hoàn thiện, các kỹ sư tiến hành lắp đặt bộ phận trực tiếp tạo ra lực đẩy cho con tàu – chân vịt. Do có kích thước lớn cùng trọng lượng nặng, chân vịt được các cần cẩu cỡ lớn từ từ hạ xuống phía sau đuôi tàu trước khi kết nối với trục truyền động.

Các kỹ sư sử dụng một loại thuốc nhuộm chuyên dụng để kiểm tra độ tiếp xúc giữa các bề mặt lắp ghép, bảo đảm mọi vị trí đều khớp hoàn hảo. Chỉ một sai lệch rất nhỏ cũng có thể tạo ra rung động có hại khi con tàu vận hành ở tốc độ cao.

Sau khi việc căn chỉnh hoàn tất, áp suất dầu thủy lực rất lớn được sử dụng để ép chặt chân vịt vào trục mà không cần dùng lực cơ học trực tiếp, tạo nên một mối ghép chắc chắn và có độ chính xác rất cao.

Hàn kết cấu và sơn bảo vệ thân tàu
Khi các kết cấu chính đã được lắp ráp hoàn chỉnh, hàng nghìn đường hàn bắt đầu phủ kín toàn bộ thân tàu. Các hệ thống hàn công suất lớn liên tục di chuyển dọc theo kết cấu thép để tạo nên những mối liên kết chịu lực giữ toàn bộ con tàu thành một khối thống nhất.

Sau đó, từng mối hàn đều được kiểm tra cẩn thận nhằm bảo đảm không còn vết nứt, khuyết tật hay điểm yếu kết cấu nào trước khi con tàu được đưa ra biển.

Sau công đoạn hàn, thân tàu bước vào một trong những giai đoạn bảo vệ cuối cùng: sơn phủ công nghiệp. Các hệ thống phun áp suất cao phủ lên bề mặt thép nhiều lớp sơn chuyên dụng, trong khi công nhân liên tục kiểm tra và xử lý mọi khiếm khuyết giữa từng lớp sơn.

Những lớp phủ này không chỉ có tác dụng chống ăn mòn do nước biển mà còn tạo nên bề mặt nhẵn hơn cho phần thân tàu nằm dưới mực nước, giúp giảm lực cản thủy động học, nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm mức tiêu thụ nhiên liệu trong những chuyến hải trình kéo dài nhiều tuần.

Hoàn thiện hệ thống khai thác và chạy thử trên biển
Sau đó, quá trình lắp đặt chuyển sang các hệ thống phục vụ khai thác hàng hóa. Các ray dẫn hướng và khung đỡ container được lắp đặt bên trong hầm hàng cũng như trên boong tàu, cho phép container được xếp thành nhiều tầng. Mỗi container đều được cố định bằng các cơ cấu khóa chuyên dụng nhằm ngăn ngừa sự dịch chuyển khi tàu đang hành trình.

Đồng thời, buồng lái được trang bị đầy đủ hệ thống dẫn đường, radar và camera để hỗ trợ thuyền trưởng cùng thủy thủ đoàn điều khiển con tàu một cách an toàn.

Khi toàn bộ quá trình chế tạo hoàn tất, con tàu rời ụ khô và lần đầu tiên được đưa ra biển để bước vào giai đoạn chạy thử cuối cùng. Các kỹ sư đánh giá tốc độ vận hành, khả năng dừng khẩn cấp, độ ổn định của hệ thống truyền động cũng như hiệu suất của toàn bộ hệ thống dẫn đường trong điều kiện khai thác thực tế.

Động cơ chính được vận hành ở nhiều mức công suất khác nhau nhằm xác minh khả năng làm việc trên biển. Chỉ sau khi toàn bộ các bài kiểm tra được hoàn thành thành công, con tàu mới chính thức được nghiệm thu và bàn giao.

Thành quả của một kỳ tích kỹ thuật
Kể từ thời điểm đó, tàu container chính thức trở thành một phần của mạng lưới vận tải toàn cầu, vận chuyển hàng triệu tấn hàng hóa giữa các cảng biển lớn trên thế giới. Từ những tấm thép thô ban đầu đến một cỗ máy nặng hàng trăm nghìn tấn có khả năng vượt đại dương liên tục trong nhiều tuần, quá trình chế tạo tàu container là một trong những thành tựu kỹ thuật phức tạp nhất mà con người từng thực hiện. Hàng chục nghìn linh kiện, hàng nghìn lao động có tay nghề cùng vô số hệ thống cơ khí phải phối hợp với nhau một cách hoàn hảo để tạo nên một kết cấu có khả năng vận chuyển hàng hóa trên phạm vi toàn cầu.

Để xem các tin bài khác về “Tàu container”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: The Factoran