Lựa chọn inox cho kết cấu chịu lực: tiêu chí và mác thép chuẩn

Lựa chọn inox cho kết cấu chịu lực không chỉ là chọn “304 hay 316”. Để kết cấu an toàn, bền và tối ưu chi phí vòng đời, bạn cần kết hợp yêu cầu cơ tính, môi trường ăn mòn, kiểu tải, nhiệt độ, khả năng hàn – gia công và tiêu chuẩn vật liệu. Bài viết này hệ thống đầy đủ các tiêu chí kỹ thuật, mác thép nên dùng trong thực tế Việt Nam, và quy trình chọn nhanh cho kỹ sư, nhà thầu, xưởng cơ khí.

Vì sao tiêu chí “chịu lực” khác với chọn inox trang trí?

– Kết cấu chịu lực chịu uốn/nén/cắt, mỏi, rung, nhiệt; sai sót vật liệu có thể gây mất ổn định hoặc gãy đột ngột.
– Ống/hộp inox trang trí (A554) phổ biến trên thị trường có thể không đáp ứng độ dày, độ bền, kiểm soát hàn cho mục đích kết cấu nếu không xác minh chứng chỉ.
– Đúng mác thép, đúng tiêu chuẩn sản phẩm, đúng quy trình hàn – xử lý bề mặt quyết định tuổi thọ và an toàn.

Những tiêu chí kỹ thuật cần quan tâm (theo thứ tự nên xét)

1) Môi trường và cơ chế ăn mòn

– Mức độ clo/ion Cl-: càng cao (ven biển, hồ bơi, công nghiệp muối) càng cần PREN cao hoặc thêm Mo/N (316L, duplex 2205).
– Dạng ăn mòn: pitting/crevice (khe), SCC – nứt do ứng suất trong môi trường clo ở nhiệt độ >60°C. Duplex chống SCC tốt hơn austenitic 304/316.
– Ướt/khô, lắng muối/bụi, đọng nước khe, nhiệt độ vận hành, vệ sinh bề mặt: các yếu tố này quyết định lựa chọn mác và hoàn thiện bề mặt.
– Chỉ số PREN tham khảo: PREN ≈ %Cr + 3.3×%Mo + 16×%N.
– 201: ~16–18 (không có Mo) – chỉ phù hợp môi trường khô, trong nhà.
– 304/304L: ~18–19 – ngoài trời đô thị, xa biển.
– 316/316L: ~24–26 (có 2–2.5% Mo) – ven biển, nước hơi mặn.
– Duplex 2205: ~34–36 – nước mặn/Cl- cao, công nghiệp hóa chất.

2) Cơ tính quan trọng với kết cấu

– Giới hạn chảy Rp0.2 (MPa): quyết định khả năng chịu uốn/nén trước khi chảy.
– 201: ~275–380; 304/316: ~205–310; 2205: ~450–550.
– Cường độ kéo đứt Rm (MPa): 201/304/316 ~ 515–720; 2205 ~ 620–880.
– Mô đun đàn hồi E (GPa): austenitic ≈ 193; duplex/ferritic ≈ 200. Lưu ý E inox austenitic thấp hơn thép carbon → độ võng lớn hơn với cùng kích thước.
– Độ dai va đập ở nhiệt độ làm việc: 304/316 tốt ở nhiệt độ thấp (tới -196°C). Duplex có thể giòn dưới -50°C nếu không kiểm soát.
– Ổn định đàn hồi và mất ổn định (buckling): cần xét mảnh mỏng tấm/ống; chọn chiều dày, gân tăng cứng phù hợp.

3) Kiểu tải và điều kiện làm việc

– Tải tĩnh: yêu cầu chính là chảy/uốn và ổn định.
– Tải động/mỏi: kết cấu cầu thang, giàn đỡ máy, tay vịn chịu rung – chú ý chi tiết hàn (vết khuyết tật làm giảm tuổi thọ mỏi).
– Va đập/động đất: ưu tiên mác có độ dai cao, tránh ferritic rẻ tiền.
– Nhiệt độ:
– Cao: >400°C cân nhắc 321/347 (ổn định Ti/Nb), 309/310S cho nhiệt rất cao.
– Thấp: 304/316 phù hợp tới -196°C; tránh ferritic/duplex nếu thiếu dữ liệu dai va đập.

4) Khả năng hàn, gia công và xử lý sau hàn

– Chọn L-grade (304L/316L) để giảm nhạy cảm kết tinh (sensitization) và SCC; dùng que/dây tương thích: 308L cho 304, 316L/316LSi cho 316, 2209 cho duplex 2205.
– Tiêu chuẩn hàn: AWS D1.6 cho kết cấu inox; quy trình WPS/PQR bắt buộc cho hạng mục chịu lực.
– Làm sạch sau hàn: tẩy mối hàn (pickling), thụ động hóa (passivation) loại bỏ màu ôxy hóa – khôi phục lớp thụ động chống ăn mòn.
– Biện pháp chống ăn mòn khe: thiết kế mối ghép kín, hàn liên tục, tránh khe hở giữ muối/nước.

5) Tiêu chuẩn sản phẩm và chứng chỉ

– Tấm/thanh: ASTM A240 (tấm), A276 (thanh), EN 10088-2.
– Ống kết cấu/áp lực: ASTM A312 (ống hàn/đúc cho áp lực), EN 10217; ống trang trí: ASTM A554 (chỉ dùng khi đã kiểm chứng cơ tính và độ dày).
– Bu lông: ISO 3506 (A2-70, A4-70, A4-80).
– Thiết kế kết cấu inox: EN 1993-1-4 (Eurocode 3 – phần inox) là tài liệu tham chiếu phổ biến; ở Việt Nam, nhiều dự án chấp nhận EN/ASTM.
– Luôn yêu cầu MTC 3.1, kiểm tra PMI và thí nghiệm cơ tính khi hạng mục quan trọng.

Mác inox khuyến nghị cho kết cấu chịu lực (theo bối cảnh Việt Nam)

– Trong nhà khô, không clo, tải vừa: 304/304L; có thể cân nhắc 201 nếu có chứng chỉ cơ tính, nhưng hạn chế cho cấu kiện quan trọng và tránh mối hàn phức tạp.
– Ngoài trời đô thị (xa biển >10–15 km): 304/304L; tăng chiều dày và đảm bảo xử lý sau hàn.
– Ven biển, khu vực phun sương muối, bể bơi: 316/316L. Chọn bề mặt mịn (No.2B, bead-blast mịn), tránh khe; bảo trì rửa nước ngọt định kỳ.
– Môi trường clo cao/nước biển trực tiếp, công nghiệp hóa chất: duplex 2205 – cho cường độ cao và chống SCC; có thể giảm chiều dày để tối ưu trọng lượng.
– Nhiệt cao: 321/347 (ổn định cacbit) hoặc 310S/309S tùy mức nhiệt; tham chiếu dữ liệu giảm cường độ theo nhiệt độ.
– Cryogenic: 304L/316L.

Thiết kế và kiểm chứng: những điểm kỹ sư cần tính

1) Sức kháng tiết diện và ổn định

– Sức kháng uốn Mpl,Rd và cắt Vpl,Rd dựa trên Rp0.2 và hệ số an toàn theo tiêu chuẩn thiết kế.
– Ổn định cột/dầm (buckling flexural, lateral-torsional): inox austenitic có đường cong ứng xử khác thép carbon; dùng công thức và hệ số giảm theo EN 1993-1-4.
– Slenderness bản mỏng: tăng chiều dày, dùng gân tăng cứng hoặc chuyển sang dạng ống/hộp để tăng mô men quán tính.

2) Độ võng và rung

– E thấp hơn → độ võng lớn: với dầm nhịp dài, cần tăng mô đun tiết diện/Z hoặc dùng duplex (E≈200 GPa) để cứng hơn một chút.
– Kiểm tra rung cho sàn, cầu thang, dầm đỡ máy; đặt gối đỡ/giằng để tăng tần số riêng.

3) Mỏi

– Chọn chi tiết hàn “mềm”, bán kính lượn đủ lớn, mài nhẵn mối hàn vùng chịu kéo; tránh khuyết tật.
– Áp dụng đường S–N cho inox theo EN hoặc IIW; với mối hàn thường, ứng suất mỏi cho phép thấp hơn nhiều so với vật liệu nền.

4) Ảnh hưởng nhiệt độ

– Tra biểu đồ giảm cường độ/độ cứng theo nhiệt; stainless giữ bề mặt tốt hơn thép carbon (chống oxy hóa), nhưng độ bền vẫn giảm theo nhiệt.
– Hệ số giãn nở nhiệt austenitic ~16–17×10^-6/K: xem xét khe giãn nở và ứng suất nhiệt.

Kết nối, liên kết và chi tiết

– Hàn: quy trình WPS/PQR theo AWS D1.6; kiểm tra NDT (VT/PT, cần thì RT/UT) cho mối hàn chịu lực. Sử dụng 304L/316L để hạn chế ăn mòn kẽ hở sau hàn.
– Bu lông/đai ốc: A2-70 (tương đương 304), A4-70/A4-80 (tương đương 316). Cách điện khi ghép với thép carbon để tránh ăn mòn điện hóa (đệm nylon/PTFE, sơn cách ly).
– Liên kết hàn kín tránh khe; nếu dùng bu lông, thiết kế thoát nước tốt, bề mặt mịn để hạn chế bám muối.

Bề mặt và hoàn thiện

– Bề mặt thô cán nóng No.1 phù hợp kết cấu ẩn; 2B hoặc bead-blast mịn cho kết cấu lộ thiên để giảm bám bẩn, dễ vệ sinh.
– Sau hàn: tẩy – thụ động hóa bắt buộc ở môi trường ăn mòn; vệ sinh định kỳ bằng nước ngọt ở ven biển.
– Tránh chà nhám quá thô (vân sâu) vì dễ gây ăn mòn kẽ.

Quy trình chọn nhanh (5 bước)

1) Xác định môi trường theo ISO 9223 và nguồn clo: trong nhà khô, ngoài trời đô thị, ven biển, hóa chất, nhiệt độ làm việc.
2) Chọn mác thép sơ bộ:
– Trong nhà: 304L (có thể 201 nếu có chứng chỉ và không hàn phức tạp).
– Ngoài trời đô thị: 304L.
– Ven biển/bể bơi: 316L.
– Clo cao/nước biển/hoá chất: duplex 2205.
– Nhiệt cao/thấp: 321/310S hoặc 304L/316L cho cryo.
3) Chọn tiêu chuẩn sản phẩm: A240 (tấm), A276 (thanh), A312 (ống chịu áp/làm kết cấu), hạn chế A554 trừ khi có MTC và thử cơ tính.
4) Tính toán tiết diện theo EN 1993-1-4: kiểm tra sức kháng, ổn định, võng, mỏi; tối ưu chiều dày và hình dạng (ống/hộp cho hiệu quả uốn–xoắn).
5) Xác nhận thi công: WPS/PQR, vật tư hàn, làm sạch sau hàn, cách ly điện hóa, kế hoạch bảo trì rửa định kỳ nếu gần biển.

Ví dụ thực tế rút gọn

– Khung sàn thao tác trong nhà máy thực phẩm, rửa CIP nhẹ, nhiệt ~60°C:
– Rủi ro clo: trung bình. Chọn 316L; tấm gân A240, ống A312, bu lông A4-70. Mối hàn TIG, pickling+passivation. Kiểm tra mỏi ở chỗ rung máy.
– Lan can ven biển Hà Nội – Hải Phòng (cách biển <5 km): - 304 sẽ bị pitting sớm; chọn 316L ống/hộp dày hơn, hàn kín chân đế, thoát nước tốt; vệ sinh nước ngọt hàng quý. - Bồn khung đỡ nước mặn tuần hoàn: - Chọn duplex 2205 để vừa chống SCC vừa giảm chiều dày nhờ Rp0.2 cao; que 2209, kiểm soát nhiệt đầu vào để tránh pha sigma.

Những sai lầm phổ biến cần tránh

– Dùng 201/304 cho công trình ven biển vì “giá tốt” → pitting, nứt SCC sau 1–2 mùa hè.
– Dùng ống A554 cho khung chịu lực mà không có MTC và thử kéo → thiếu an toàn.
– Không tẩy – thụ động hóa sau hàn → ăn mòn mối hàn cục bộ.
– Trộn inox với thép đen không cách điện → ăn mòn điện hóa tại mối ghép.
– Bỏ qua độ võng do E thấp → rung/độ võng vượt giới hạn sử dụng.

Chi phí và tính sẵn có tại thị trường

– 201 rẻ nhất nhưng rủi ro ăn mòn; 304/304L là lựa chọn cân bằng cho đa số dự án; 316/316L cao hơn ~20–40% tùy thời điểm; duplex 2205 cao hơn nữa nhưng có thể bù nhờ giảm chiều dày/khối lượng và bảo trì.
– Tại Việt Nam, thép hình I/U inox ít sẵn, thường dùng tấm hàn tổ hợp; ống A312 và hộp dày được ưa chuộng cho khung dàn. Luôn đặt hàng kèm MTC 3.1.

Kết luận

Để chọn inox cho kết cấu chịu lực đúng và kinh tế, hãy đi theo chuỗi: môi trường ăn mòn → mác thép và tiêu chuẩn sản phẩm → cơ tính và tính toán ổn định/võng → hàn và xử lý bề mặt → kiểm soát chất lượng và bảo trì. 304L phù hợp phần lớn ứng dụng trong nhà và ngoài trời đô thị; 316L cho ven biển/bể bơi; duplex 2205 khi cần cả cường độ cao lẫn kháng clo mạnh. Luôn dùng vật liệu có chứng chỉ, thiết kế theo EN 1993-1-4, hàn theo AWS D1.6 và xử lý sau hàn đúng quy trình. Làm đúng từ đầu sẽ giúp kết cấu an toàn, bền và tối ưu chi phí vòng đời.