Câu chuyện về mỏi kim loại, một vết nứt 1,5 mm và điều người kỹ sư phải nhìn thấy trước khi quá muộn
Có một nghịch lý rất lạ trong nghề cơ khí: những chi tiết gánh trách nhiệm lớn nhất nhiều khi lại là những chi tiết ít được người sử dụng nhớ đến nhất.
Người ta nhớ một đoàn tàu cao tốc bởi dáng đầu máy, những toa xe hiện đại và cảm giác khi cảnh vật ngoài cửa sổ lùi lại ở hơn 200 km/h. Ít ai cúi xuống những bánh xe đang lăn trên đường ray, càng ít người nghĩ đến những vùng vật liệu nằm sâu bên trong vành bánh, nơi mỗi vòng quay lại đưa thép đi qua thêm một chu kỳ tải.
Nếu tất cả làm việc đúng, chúng gần như vô hình.
Đó cũng là thành công thầm lặng của nghề kỹ sư: hàng triệu chu kỳ trôi qua mà chẳng có điều gì đáng để hành khách phải bận tâm.
Sáng 3 tháng 6 năm 1998, 287 hành khách cùng 8 nhân viên bước lên đoàn tàu cao tốc ICE 884 rời Hanover đi Hamburg. Khi đoàn tàu đã đi gần 61 km về phía bắc Hanover và đang chạy với tốc độ khoảng 200 km/h, một bánh xe trên toa đầu tiên tiến đến những vòng quay cuối cùng của đời làm việc.
Điều sắp xảy ra không bắt đầu trong buổi sáng hôm ấy. Nó đã bắt đầu từ rất lâu trước đó, ở một nơi mắt người không nhìn thấy và bằng một kích thước nhỏ đến mức nếu đặt cạnh cả đoàn tàu, gần như chẳng đáng để gọi tên.
Một vết nứt khoảng 1,5 mm.
KHI THÉP KHÔNG GÃY TRONG MỘT LẦN
Trong những bài đầu tiên về Chi tiết máy, sinh viên được học một điều tưởng đơn giản nhưng theo người kỹ sư suốt cả đời làm nghề: một chi tiết không nhất thiết phải chịu một tải trọng rất lớn mới phá hủy.
Có những chi tiết chịu một tải nhỏ hơn giới hạn phá hủy tức thời rất nhiều nhưng tải ấy cứ trở lại, hết chu kỳ này đến chu kỳ khác. Trục quay thêm một vòng, bánh răng vào khớp thêm một lần, ổ lăn đi qua vùng chịu tải thêm một lượt, bánh xe lăn thêm một chu vi trên đường ray. Trong hàng nghìn, hàng triệu rồi hàng chục triệu lần lặp ấy, vật liệu phải sống một cuộc đời khác với thứ ta nhìn thấy trên bản vẽ tĩnh.
Đó là thế giới của mỏi kim loại.
Mỏi nguy hiểm không phải vì thép bỗng nhiên trở nên yếu, mà vì sự phá hủy có thể tích lũy trong im lặng. Một vết nứt rất nhỏ hình thành tại vùng bất lợi; dưới tác dụng của tải trọng lặp, nó phát triển từng bước. Trong một quãng thời gian dài, chi tiết vẫn tiếp tục hoàn thành chức năng, máy vẫn chạy và người sử dụng không nhận thấy điều gì khác thường.
Bánh xe của ICE 884 đã trải qua một quá trình như thế.
Các nghiên cứu kỹ thuật sau tai nạn cho thấy từ một vết nứt ban đầu chỉ khoảng 1,5 mm, vết nứt mỏi đã phát triển qua hơn 35 triệu chu kỳ tải, tương ứng khoảng 95.000 km vận hành, trước khi đạt tới trạng thái nguy hiểm.
Ba mươi lăm triệu lần chịu tải không phải là ba mươi lăm triệu sự cố.
Ngược lại, trong phần lớn quãng đời ấy, bánh xe vẫn làm đúng việc mà nó được tạo ra để làm.
Và chính điều đó khiến mỏi trở thành một trong những bài học sâu nhất của nghề cơ khí: một chi tiết vẫn đang làm việc chưa có nghĩa là bên trong nó không có gì đang thay đổi.
TỪ MỘT VẾT NỨT ĐẾN MỘT THẢM HỌA
Vào buổi sáng ở Eschede, quá trình đã âm thầm kéo dài qua hàng chục triệu chu kỳ cuối cùng đi đến điểm mà vật liệu không còn đủ khả năng duy trì sự toàn vẹn của vành bánh. Một phần vành thép phá hủy, mảnh kim loại bị bật ra và tham gia vào chuỗi sự kiện tiếp theo trên đường chạy.
Khi đoàn tàu đi qua khu vực ghi, một bánh xe trật khỏi ray. Diễn biến sau đó xảy ra ở tốc độ rất cao: các toa tàu mất ổn định, một toa va vào trụ cầu và cây cầu bê tông phía trên sập xuống đoàn tàu.
101 người đã không trở về sau chuyến đi ấy.
Con số đó cần được ghi lại, nhưng không cần được dùng để làm câu chuyện đau hơn. Bởi với người làm kỹ thuật, sức nặng của Eschede còn nằm ở một câu hỏi khác: vì sao một bánh xe đã được thiết kế và đánh giá bằng những phương pháp kỹ thuật của thời điểm ấy vẫn có thể đi đến phá hủy?
Từ câu hỏi ấy, câu chuyện rời khỏi hiện trường tai nạn để trở về đúng nơi một bài học kỹ thuật cần trở về: bên trong chi tiết máy.
“ĐỦ BỀN” CÓ PHẢI ĐÃ LÀ ĐỦ?
Theo phương pháp đánh giá bền mỏi được sử dụng đối với bánh xe vào thời điểm ấy, chi tiết vẫn được xem là làm việc trong vùng an toàn. Nhưng phân tích sau tai nạn cho thấy một câu hỏi khác cần được đặt ra: nếu trong vật liệu đã tồn tại một vết nứt, dù rất nhỏ, thì điều quan trọng không còn chỉ là ứng suất danh nghĩa có nằm trong giới hạn cho phép hay không.
Người kỹ sư còn phải biết vết nứt ấy có phát triển không, mỗi chu kỳ làm nó tiến thêm bao nhiêu, hình học và trạng thái ứng suất tại đầu nứt ảnh hưởng thế nào đến quá trình phát triển, và ở kích thước nào phần vật liệu còn lại không thể tiếp tục gánh tải.
Đó chính là chỗ cơ học phá hủy bổ sung một cách nhìn rất quan trọng cho bài toán bền mỏi.
Một cách nhìn hỏi: Chi tiết chưa nứt có thể làm việc bao lâu dưới tải trọng lặp?
Cách nhìn kia buộc ta hỏi thêm: Nếu vết nứt đã có mặt thì còn bao lâu trước khi nó trở nên nguy hiểm?
Hai câu hỏi nghe gần nhau, nhưng đối với một chi tiết làm việc qua hàng chục triệu chu kỳ, khoảng cách giữa chúng có thể là khoảng cách giữa “vẫn đủ bền” và “cần phải dừng để kiểm tra”.
VẾT NỨT KHÔNG BIẾT ĐỌC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
Có một điều những câu chuyện về phá hủy máy móc thường nhắc người kỹ sư: vật liệu không biết chúng ta đã kết luận gì trên bản tính.
Nó chỉ “biết” tải trọng thực tế mà nó phải chịu, hình học thực tế mà nó mang, khuyết tật thực tế đang tồn tại và số chu kỳ thực tế đã đi qua.
Một phép tính đúng trong phạm vi giả thiết của nó vẫn có thể chưa đủ nếu ngoài đời xuất hiện một điều mà mô hình chưa xét đến. Một chi tiết đã vượt qua kiểm tra hôm qua cũng không vì thế mà được bảo đảm vô điều kiện cho ngày mai, bởi trong khoảng thời gian giữa hai lần kiểm tra, vật liệu vẫn tiếp tục sống dưới tải trọng và những khuyết tật, nếu có, vẫn tiếp tục có lịch sử riêng của chúng.
Đây có lẽ là chỗ Eschede bước ra khỏi một vụ tai nạn đường sắt để trở thành câu chuyện của nghề cơ khí.
Người kỹ sư không được đào tạo chỉ để tìm một con số rồi kết luận “đạt”. Điều quan trọng hơn là hiểu con số ấy được xây dựng trên những giả thiết nào, điều gì chưa được mô hình hóa, cơ chế hỏng nào có thể xuất hiện trong thực tế và dấu hiệu nào phải khiến ta nghi ngờ chính kết luận từng được coi là an toàn.
Bởi vậy, kiểm tra kỹ thuật không phải việc làm sau cùng dành cho một chi tiết đã cũ. Nó là phần tiếp nối của thiết kế trong suốt vòng đời sản phẩm.
Nếu thiết kế trả lời câu hỏi “chi tiết này cần được làm như thế nào?”, thì kiểm tra trong khai thác phải tiếp tục trả lời: “chi tiết thực tế đang trở thành như thế nào?”
Giữa hai câu hỏi ấy là tuổi thọ thật của máy móc.
SAU ESCHEDE, ĐIỀU GÌ PHẢI THAY ĐỔI?
Sau tai nạn, loại bánh xe đàn hồi BA064 được loại khỏi các đoàn tàu ICE. Hoạt động kiểm tra không phá hủy được tăng cường; việc đánh giá các chi tiết chịu tải chu kỳ cao được nhìn kỹ hơn dưới góc độ phát triển vết nứt; những vấn đề về cửa sổ và khả năng tiếp cận cứu hộ cũng được xem xét, cải tiến.
Những thay đổi ấy rất quan trọng.
Nhưng với một người đang học để trở thành kỹ sư, điều đáng giữ lại lâu hơn có lẽ không phải tên của một kiểu bánh xe hay một phương pháp kiểm tra cụ thể, mà là sự thay đổi trong cách đặt câu hỏi.
Không chỉ hỏi:
Chi tiết này có đủ bền không?
Mà còn phải biết hỏi:
Nếu bên trong nó đã có một khuyết tật rất nhỏ thì sao?
Không chỉ hỏi tuổi thọ tính toán còn bao nhiêu, mà phải nghĩ tới cách nhận ra một vết nứt trước khi nó đi hết quãng đường từ kích thước có thể phát hiện đến kích thước tới hạn. Không chỉ tin vào kết quả kiểm tra, mà còn phải hỏi phương pháp kiểm tra ấy có thực sự nhìn thấy đúng dạng hư hỏng mà ta đang lo ngại hay không.
Đó là một bước trưởng thành rất quan trọng của tư duy kỹ thuật: từ chứng minh rằng thiết kế đúng sang chủ động tìm xem nó có thể sai ở đâu.
NHỮNG CÔNG THỨC KHÔNG CHỈ NẰM TRÊN BẢNG
Sinh viên học Chi tiết máy đôi khi có quyền thấy mệt trước những đồ thị mỏi, hệ số tập trung ứng suất, số chu kỳ, hệ số an toàn và hàng loạt công thức phải nhớ. Khi một bài toán chỉ còn những ký hiệu trên giấy, câu hỏi “sau này mình có thực sự dùng đến những thứ này không?” là điều rất tự nhiên.
Nhưng những công thức ấy không sinh ra chỉ để tạo thành một bài tập.
Phía sau nhiều tiêu chuẩn, hệ số an toàn, quy trình kiểm tra và phương pháp tính mà sinh viên hôm nay được học là lịch sử rất dài của máy móc đã làm việc, những chi tiết đã hỏng, những giả thiết đã phải sửa và những giới hạn mà nhiều thế hệ kỹ sư phải mất rất lâu mới nhận ra.
Eschede nhắc chúng ta rằng học về mỏi không phải chỉ để tính một hệ số an toàn. Học về cơ học phá hủy không phải chỉ để biết thêm một công thức. Học về kiểm tra không phá hủy cũng không phải để thuộc tên một phương pháp.
Tất cả cuối cùng đều gặp nhau ở một năng lực quan trọng hơn: nhìn thấy điều chưa xảy ra từ những dấu hiệu rất nhỏ đang có mặt hôm nay.
Một vết nứt được phát hiện sớm.
Một kết quả đo bất thường được kiểm tra lại thay vì bỏ qua.
Một chi tiết được tháo xuống đúng lúc.
Một kỹ sư đủ thận trọng để chưa ký vào hai chữ “an toàn” khi trong lòng vẫn còn một câu hỏi chưa được trả lời.
Những việc ấy hiếm khi xuất hiện trên báo. Không ai tổ chức lễ kỷ niệm cho một bánh xe không gãy, một trục không phá hủy hay một chuyến tàu đến ga đúng giờ.
Nhưng đó lại chính là phần đẹp nhất và khó nhất của nghề.
35 TRIỆU VÒNG QUAY
Bánh xe của ICE 884 đã đi qua khoảng 35 triệu chu kỳ trước khi vết nứt tiến đến điểm nguy hiểm. Con số ấy rất lớn, nhưng bài học mà nó để lại bắt đầu từ một kích thước rất nhỏ: khoảng 1,5 mm.
Giữa hai con số ấy là cả một thế giới của mỏi, sự phát triển vết nứt, kiểm tra, tuổi thọ và trách nhiệm nghề nghiệp.
Và cũng ở giữa hai con số ấy, người học cơ khí có thể hiểu thêm vì sao nghề của mình đòi hỏi sự nghiêm cẩn đến vậy.
Bởi một người kỹ sư giỏi không chỉ biết làm cho máy chạy.
Họ còn phải biết lắng nghe những dấu hiệu rất nhỏ cho thấy một ngày nào đó, nó có thể không còn chạy như hôm nay.
Ba mươi lăm triệu vòng quay có thể trôi qua mà chẳng một hành khách nào biết bánh xe phía dưới mình đã làm việc vất vả đến đâu. Và có lẽ, đó mới là thành công mà nghề kỹ sư nên hướng tới: để những đoàn tàu cứ đến ga, những cỗ máy cứ hoàn thành công việc, con người bình yên trở về nhà – còn bao nhiêu phép tính, lần kiểm tra và sự cẩn trọng nằm phía sau những chuyến đi ấy, họ có thể chẳng bao giờ cần phải biết.
Bởi đôi khi, dấu ấn đẹp nhất của người kỹ sư chính là một điều đã không xảy ra.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Eschede train disaster, Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Eschede_train_disaster
[2] NASA Safety Center, Derailed – System Failure Case Study: InterCity Express Train 884, Eschede, Germany, 2007.
[3] V. Esslinger, R. Kieselbach, R. Koller, B. Weisse, The railway accident of Eschede – technical background, Engineering Failure Analysis, 2004.
[4] H. A. Richard, M. Fulland, M. Sander, G. Kullmer, Fracture in a rubber-sprung railway wheel, Engineering Failure Analysis, 2005.
