Cáp thép: cấu tạo, thông số kỹ thuật và cách chọn đúng chuẩn

Tóm tắt nhanh: cáp thép được chọn đúng khi khớp sáu thông số: cấu trúc (số tao x số tăm), loại lõi (FC hoặc IWRC), giới hạn bền (1670 đến 2160 MPa), lớp phủ bề mặt, chiều xoắn và hình dạng sợi thép. Với cần cẩu, cầu trục và thiết bị nâng, hãy dùng cáp đen hoặc cáp mạ kẽm dày loại dùng cho thiết bị nâng, kèm chứng từ chất lượng của nhà sản xuất. Không dùng cáp mạ dân dụng hoặc cáp bọc nhựa để nâng hạ.

1. Cáp thép là gì và gồm những thành phần nào?

Cáp thép là sợi dây chịu lực được bện từ nhiều sợi thép nhỏ. Các sợi thép nhỏ (gọi là tăm, tiếng Anh là wire) được xoắn lại thành tao (strand), nhiều tao được bện quanh một lõi (core) để tạo thành sợi cáp hoàn chỉnh (rope). Cách chia ba cấp này giúp cáp vừa chịu được lực kéo lớn, vừa đủ mềm để uốn qua puly, tang cuốn hoặc ròng rọc.

Ba thành phần trên quyết định hầu hết đặc tính của cáp:

• Tăm: quyết định độ bền kéo của vật liệu, khả năng chống mài mòn và chống mỏi.
• Tao: quyết định độ mềm, độ đặc chắc và khả năng chịu tải của cáp.
• Lõi: giữ hình dạng cáp, đỡ các tao và ảnh hưởng đến độ bền, độ đàn hồi, khả năng chịu nghiền ép.

Cáp thép được dùng trong cần cẩu, cầu trục, tời kéo, thiết bị nâng hạ, dây neo, dây căng và cả hàng rào dân dụng. Mỗi ứng dụng cần một tổ hợp thông số khác nhau, vì vậy không có một loại cáp "tốt nhất cho mọi việc". Sáu thông số kỹ thuật dưới đây giúp bạn đọc được catalogue, so sánh báo giá và chọn đúng loại cáp cho công việc của mình.

2. Cấu trúc cáp thép và cách đọc ký hiệu

Cấu trúc cáp cho biết hai điều: cáp có bao nhiêu tao, và mỗi tao gồm bao nhiêu tăm xếp theo quy luật nào. Đây là thông số đầu tiên bạn thấy trong mọi báo giá.

Cách đọc ký hiệu 6 x 26 WS + FC

• 6: sợi cáp có 6 tao.
• 26: mỗi tao có 26 tăm.
• WS: các tăm trong tao xếp theo quy luật kết hợp W và S.
• FC: lõi của cáp là lõi đay (fibre core).

Tương tự, cáp 4 x 39 có 4 tao, mỗi tao 39 tăm; cáp 6 x 36 có 6 tao, mỗi tao 36 tăm. Trên thị trường phổ biến các loại 4 tao, 6 tao, 8 tao, 18 tao, 35 tao và nhiều cấu trúc khác.

Bốn quy luật sắp xếp tăm trong tao

Số tao và số tăm ảnh hưởng thế nào đến cáp?

Quy tắc chung gồm ba điểm. Thứ nhất, cáp có nhiều tao thì mềm hơn cáp ít tao. Thứ hai, số tăm trong mỗi tao càng nhiều thì tăm càng nhỏ, cáp càng mềm, dễ uốn và chịu mỏi tốt, nhưng chịu mài mòn kém hơn. Thứ ba, số tăm ít và tăm to thì cáp cứng hơn nhưng bền mòn hơn.

Vì vậy cáp chạy qua nhiều puly đường kính nhỏ, uốn liên tục, thường cần cấu trúc nhiều tăm để chịu mỏi. Cáp kéo lê hoặc cọ xát nhiều trên bề mặt thường cần tăm ngoài to để chịu mài mòn. Với thiết bị có hai nhánh cáp phối hợp chuyển động, người ta chọn các cấu trúc nhiều tao chống xoắn (xem mục 6).

Kỹ sư thiết kế chọn cấu trúc theo bốn tiêu chí: thiên về bền mòn hay bền mỏi, có cần chống xoắn không, tải thiết kế, và sự hợp lý về kinh tế và kỹ thuật. Với thiết bị đã có catalogue, hãy ưu tiên đúng cấu trúc mà nhà sản xuất thiết bị khuyến nghị.

3. Lõi cáp: lõi đay (FC) hay lõi thép (IWRC)?

Lõi cáp nằm ở tâm sợi cáp và là chỗ tựa cho các tao. Hai loại phổ biến là lõi đay và lõi thép. Cáp lõi thép có độ bền cao hơn cáp lõi đay khoảng 10% khi so sánh hai sợi cùng đường kính, nhưng giá cao hơn.

Khi nào chọn lõi nào?

• Chọn lõi thép (IWRC) khi cần độ bền cao, tải nặng, cáp bị ép chặt trên tang cuốn nhiều lớp hoặc làm việc ở nhiệt độ cao.
• Chọn lõi đay (FC) khi cần cáp mềm, đàn hồi tốt, tải vừa phải và muốn tiết kiệm chi phí.

Ngoài hai loại trên, một số cấu trúc cáp dùng lõi là một tao thép riêng (ký hiệu WSC). Nếu catalogue thiết bị chỉ định loại lõi, hãy giữ nguyên loại lõi đó khi thay cáp, vì lõi khác nhau làm thay đổi cả độ bền lẫn độ mềm của cáp.

4. Giới hạn bền và lực đứt tối thiểu

Giới hạn bền (Rr, đơn vị MPa hay N/mm²) phản ánh chất lượng thép dùng làm tăm cáp. Các cấp thông dụng là 1670, 1770, 1870, 1960 và 2160 MPa. Cấp càng cao thì cáp càng khỏe và càng đắt. Một MPa bằng một N/mm².

Giới hạn bền khác với lực đứt của cáp

Đây là chỗ nhiều người nhầm. Giới hạn bền là đặc tính của vật liệu sợi thép. Điều bạn cần biết khi tính tải là lực đứt tối thiểu (minimum breaking force) của cả sợi cáp. Theo ISO 2408, lực đứt tối thiểu được tính từ đường kính danh nghĩa, cấp giới hạn bền và hệ số K riêng của từng cấu trúc cáp:

F_{min} = \frac{d^{2} \cdot R_{r} \cdot K}{1000}

Trong đó F_min tính bằng kN, d là đường kính danh nghĩa (mm), Rr là cấp giới hạn bền (N/mm²) và K là hệ số lực đứt tra theo cấu trúc và loại lõi trong tiêu chuẩn hoặc catalogue của nhà sản xuất.

Ví dụ minh họa với số giả định: cáp d = 20 mm, Rr = 1770 N/mm² thì d² x Rr / 1000 = 708. Nếu K giả định là 0,33 thì F_min khoảng 234 kN. Hệ số K thật phụ thuộc cấu trúc cáp nên bạn phải lấy từ tài liệu của nhà sản xuất, không dùng số minh họa này để tính tải.

Từ lực đứt đến tải làm việc

Tải làm việc cho phép bằng lực đứt tối thiểu chia cho hệ số an toàn. Hệ số an toàn phụ thuộc loại thiết bị, chế độ làm việc và quy định áp dụng. Với thiết bị nâng, hãy lấy hệ số theo catalogue thiết bị và tiêu chuẩn an toàn hiện hành, không tự chọn.

Cấp giới hạn bền cao cho phép dùng cáp có đường kính nhỏ hơn với cùng lực đứt, nhưng giá cao hơn. Đổi lại, cáp có thể chịu mỏi kém hơn nếu uốn qua puly nhỏ. Đừng nâng cấp giới hạn bền nếu thiết bị chỉ cho phép đúng một loại cáp.

5. Lớp phủ bề mặt: cáp đen, cáp mạ kẽm, cáp bọc nhựa

Lớp phủ tạo màng bảo vệ giữ cho cáp không gỉ sét và không bị ăn mòn hóa học trong môi trường làm việc. Có ba nhóm chính.

Cáp đen (cáp không mạ)

Sợi thép được kéo đến kích thước cần thiết, nhúng qua bể dầu bôi trơn bảo quản, sau đó mới bện thành cáp. Phần lớn cần cẩu, cầu trục và thiết bị nâng dùng loại cáp này vì đạt yêu cầu về cả kinh tế lẫn kỹ thuật. Cáp đen cần được bôi trơn định kỳ để dầu không bị khô và cáp không gỉ.

Cáp mạ kẽm

Sợi thép được kéo đến kích thước cần thiết, nhúng qua bể mạ kẽm, rồi bện thành cáp. Hai loại cáp mạ kẽm có chất lượng rất khác nhau:

Hai loại này nhìn bên ngoài có thể giống nhau, nên đừng mua cáp mạ chỉ dựa vào màu sắc. Hãy hỏi rõ nhà cung cấp cáp thuộc loại nào, dùng cho mục đích gì, và yêu cầu chứng từ chất lượng. Một số tiêu chuẩn còn phân cấp khối lượng lớp kẽm (ví dụ cấp A và cấp B trong ISO 2408), nên khi cần môi trường ăn mòn mạnh hãy hỏi cấp lớp mạ cụ thể.

Cáp bọc nhựa

Cáp bọc nhựa thường thấy trong hàng rào dân dụng và các ứng dụng trang trí, căng kéo nhẹ. Không dùng cáp bọc nhựa cho cần cẩu hay thiết bị nâng.

Chọn lớp phủ theo môi trường

• Trong nhà, có bôi trơn định kỳ, nâng hạ: cáp đen.
• Ngoài trời, ẩm hoặc gần biển, nâng hạ: cáp mạ kẽm loại dùng cho thiết bị nâng.
• Hàng rào, căng kéo dân dụng, không chịu tải nâng: cáp mạ dân dụng hoặc cáp bọc nhựa.

6. Chiều xoắn và kiểu xoắn của cáp thép

Chiều xoắn được xác định theo hướng xoắn của các tao và các tăm trong cáp. Khi cáp có nhiều lớp, chiều xoắn của cả sợi cáp theo chiều của lớp tao ngoài cùng.

Xoắn phải (Z) và xoắn trái (S)

Cầm sợi cáp thẳng đứng và nhìn vào mặt bên. Nếu các tao chạy lên theo nét chéo giống chữ Z (từ trái dưới lên phải trên), đó là xoắn phải (right lay). Nếu nét chéo giống chữ S, đó là xoắn trái (left lay). Cáp xoắn phải là loại phổ biến nhất.

Một số tài liệu tiếng Việt dùng các từ "xoắn thuận" và "xoắn ngược" theo cách quy ước khác nhau. Để tránh nhầm khi đặt hàng, hãy dùng thuật ngữ xoắn phải, xoắn trái hoặc ký hiệu quốc tế bên dưới.

Xoắn thường và xoắn lang

Ký hiệu đầy đủ gồm hai chữ cái: chữ thường là hướng xoắn của các tăm trong tao, chữ hoa là hướng xoắn của các tao trong sợi cáp.

Xoắn thường ổn định, ít bung xoắn và là kiểu dùng phổ biến. Xoắn lang có các tăm nằm nghiêng ít hơn so với trục cáp nên thường chịu mài mòn và mỏi tốt hơn, nhưng dễ bung xoắn nếu hai đầu cáp không được cố định chắc. Hãy dùng đúng kiểu mà nhà sản xuất thiết bị chỉ định.

Khi nào chiều xoắn quan trọng?

Chiều xoắn chỉ cần quan tâm khi hai bộ phận chuyển động cùng lúc và phối hợp với nhau, ví dụ hai nhánh cáp cùng treo một tải. Lúc đó, chọn chiều xoắn và cấu trúc phù hợp để các nhánh khử xoắn lẫn nhau, bảo vệ cáp. Trong các trường hợp này, người ta chọn các loại cáp chống xoắn, thường có nhiều tao như các loại 18 tao hoặc 35 tao, với các lớp tao bện theo chiều ngược nhau để triệt tiêu mô men xoắn khi chịu tải.

7. Hình dạng sợi thép: tăm tròn và cáp nén

Sợi thép trong cáp có hai dạng. Tăm tròn có tiết diện tròn và là dạng phổ biến nhất. Tăm vuông (còn gọi là cáp nén) dùng sợi thép có tiết diện biến dạng, xếp khít hơn trong tao.

Cáp nén đắt hơn cáp tăm tròn. Trong thực tế, đa số cáp dùng tăm tròn vì giá thành rẻ hơn. Cáp nén chỉ được chọn trong các thiết kế đặc biệt, khi kỹ sư đã tính toán kỹ và thiết bị yêu cầu. Nếu thiết bị của bạn không chỉ định cáp nén, cáp tăm tròn đúng cấu trúc là lựa chọn kinh tế và đủ dùng.

8. Bảng tóm tắt sáu thông số kỹ thuật

9. Chọn cáp thép theo ứng dụng

Bảng dưới là hướng lựa chọn chung. Với thiết bị có catalogue, luôn ưu tiên khuyến nghị của nhà sản xuất thiết bị về đường kính, cấu trúc, lõi và cấp giới hạn bền.

10. Quy trình sáu bước chọn cáp thép

1. Xác định mục đích sử dụng. Nâng hạ, kéo, neo hay căng dây? Cáp dân dụng tuyệt đối không dùng để nâng hạ.
2. Lấy thông số thiết bị. Đường kính, cấu trúc, loại lõi, chiều xoắn và cấp giới hạn bền mà catalogue thiết bị chỉ định.
3. Tính tải và đối chiếu lực đứt. Lấy lực đứt tối thiểu từ nhà sản xuất cáp, chia cho hệ số an toàn theo quy định để ra tải làm việc cho phép.
4. Chọn lớp phủ theo môi trường. Trong nhà, ngoài trời, gần biển hay nơi có hóa chất.
5. Cân nhắc điều kiện làm việc. Số puly, đường kính puly, nhiệt độ, mức mài mòn, có hai nhánh phối hợp hay không.
6. Yêu cầu chứng từ và kiểm tra khi nhận hàng. Thông số ghi trên nhãn, chứng chỉ chất lượng, đường kính thực tế khớp đơn đặt hàng.

11. Sai lầm thường gặp khi chọn cáp thép

• Chọn cáp theo giá và vẻ ngoài. Cáp mạ dân dụng và cáp mạ cho thiết bị nâng nhìn giống nhau nhưng độ bền cơ lý khác hẳn.
• Nhầm giới hạn bền với lực đứt cáp. Giới hạn bền là của sợi thép, còn lực đứt tối thiểu là của cả sợi cáp và còn phụ thuộc cấu trúc.
• Đổi loại lõi mà không tính lại. Lõi đay và lõi thép chênh nhau khoảng 10% độ bền, đồng thời khác độ mềm và khả năng chịu nghiền ép.
• Dùng cáp bọc nhựa hoặc cáp dân dụng cho thiết bị nâng. Đây là sai lầm nguy hiểm vì độ bền cơ lý không đạt yêu cầu.
• Bỏ qua chiều xoắn khi có hai nhánh cáp phối hợp. Cáp bị vặn xoắn, giảm tuổi thọ và có thể hư hỏng sớm.
• Không bôi trơn cáp đen. Cáp đen cần bôi trơn định kỳ, nếu không sẽ gỉ và mòn nhanh.
• Mua không có chứng từ. Không có chứng từ chất lượng thì không biết cấp giới hạn bền và lớp mạ thực tế.

12. Kiểm tra, bảo quản và thay thế cáp thép

Cáp đúng thông số vẫn phải được kiểm tra định kỳ. Với cáp cần cẩu, tiêu chuẩn ISO 4309 hướng dẫn bảo dưỡng, kiểm tra và tiêu chí loại bỏ cáp.

Kiểm tra định kỳ

• Quan sát toàn bộ chiều dài cáp, đặc biệt các đoạn chạy qua puly, tang cuốn và đầu kẹp.
• Tìm tăm bị đứt, đặc biệt đứt tập trung ở một đoạn.
• Kiểm tra mòn bề mặt, giảm đường kính, gỉ sét và ăn mòn.
• Tìm biến dạng: cáp bị gập, bẹp, bung tao, "lồng chim" hoặc xoắn vặn.
• Kiểm tra bôi trơn, nhất là với cáp đen.

Bảo quản

• Để cáp nơi khô ráo, không đặt trực tiếp xuống đất ẩm.
• Cuộn cáp theo đúng chiều, không để gập hoặc xoắn.
• Bôi trơn đúng loại mỡ hoặc dầu, đúng chu kỳ.

Khi nào phải thay cáp?

Thay cáp khi kết quả kiểm tra vượt tiêu chí loại bỏ trong ISO 4309 hoặc quy định của nhà sản xuất thiết bị, hoặc khi cáp bị gập, bung tao, "lồng chim". Không tiếp tục dùng cáp đã bị biến dạng nặng chỉ vì "vẫn còn chạy được". Khi thay, dùng đúng cáp theo thông số thiết bị: cùng cấu trúc, lõi, đường kính, chiều xoắn và cấp giới hạn bền.

13. Câu hỏi thường gặp về cáp thép

Cáp thép 6x36 WS + IWRC nghĩa là gì?

Đó là cáp 6 tao, mỗi tao 36 tăm, các tăm xếp theo kiểu kết hợp Warrington và Seale (WS), lõi bằng thép (IWRC).

Cáp lõi thép hay lõi đay tốt hơn?

Không có loại tốt hơn cho mọi trường hợp. Cáp lõi thép bền hơn khoảng 10% ở cùng đường kính, chịu nghiền ép và nhiệt tốt hơn nhưng đắt hơn. Cáp lõi đay mềm và đàn hồi hơn, rẻ hơn nhưng không khuyến khích dùng ở nhiệt độ cao.

Cáp đen và cáp mạ kẽm khác nhau thế nào?

Cáp đen không mạ, được nhúng dầu bôi trơn bảo quản và là loại phổ biến cho cần cẩu, cầu trục. Cáp mạ kẽm có lớp kẽm chống gỉ. Cáp mạ cho thiết bị nâng có lớp mạ dày, bền, đắt hơn cáp đen; cáp mạ dân dụng mỏng, dễ gỉ và không dùng để nâng hạ.

Giới hạn bền 1770 MPa nghĩa là gì?

Sợi thép làm cáp chịu được ứng suất kéo tối thiểu khoảng 1770 N/mm² trước khi đứt. Đây là cấp vật liệu, không phải lực đứt của cả sợi cáp. Lực đứt của cáp phụ thuộc thêm đường kính và cấu trúc cáp.

Cáp xoắn phải hay xoắn trái?

Phần lớn thiết bị dùng cáp xoắn phải. Chiều xoắn chỉ cần chú ý đặc biệt khi hai bộ phận chuyển động cùng lúc và phối hợp, khi đó dùng cáp chống xoắn hoặc theo chỉ định của thiết bị.

Có dùng cáp bọc nhựa để nâng hàng không?

Không. Cáp bọc nhựa dùng cho hàng rào dân dụng, không dùng cho cần cẩu hay thiết bị nâng.

Cáp nén (tăm vuông) có cần thiết không?

Đa số trường hợp không. Cáp nén đắt hơn và chỉ được chọn trong các thiết kế đặc biệt đã tính toán kỹ.

14. Tiêu chuẩn tham khảo

Các tiêu chuẩn dưới đây thường được dùng cho cáp thép. Hãy kiểm tra phiên bản hiện hành và tiêu chuẩn mà thiết bị hoặc hợp đồng của bạn yêu cầu.

• ISO 2408:2017: cáp thép dùng cho mục đích chung, yêu cầu tối thiểu.
• ISO 4309:2017: cần trục, cáp thép, bảo dưỡng, kiểm tra và tiêu chí loại bỏ.
• Các tiêu chuẩn khác tùy ngành, ví dụ EN 12385 (cáp thép) và API Spec 9A (cáp cho dầu khí).