Ståltau

Bakgrunn

Moderne ståltau ble oppfunnet av den tyske bergingeniøren Wilhelm Albert i perioden 1831 til 1834 for bruk i gruvedrift i Harzfjellene i Clausthal, Niedersachsen i Tyskland. Ståltauet fikk raskt gjennomslag fordi det var bedre enn vanlig tauverk eller kjetting, som hadde blitt benyttet før ståltauet ble oppfunnet.
Wilhelm Alberts første ståltau besto av tre kordeller med fire ståltråder i hver. I 1840 forbedret skotten Robert Stirling Newall produktet og produksjonen av det.
I siste halvdel av 1800-tallet begynte en å bruke ståltau for å distribuere mekanisk kraft, blant annet for taubaner. Ståltau kostet en tiendedel av remdrift og hadde mindre tap ved friksjon. På grunn av disse fordelene ble ståltau benyttet for å distribuere kraftved distanser opp til noen kilometer.
I USA ble ståltau etterhvert produsert av John August Roebling, noe som la grunnlaget for hans suksess med bygging av hengebroer. Roebling sto for en rekke forbedringer i konstruksjon, materiale og produksjon av ståltau.

Oppbyggingen av ståltau

Et ståltau er oppbygd av individuelle tråder, sammensatt til en kordel eller part (engelsk strand). Et antall kordeler er slått (spunnet) rundt en senterkjerne til et ferdig ståltau.
Ståltauene sies å være kryss- eller langslåtte – se figuren. Krysslåtte ståltau er vanligst, da er trådene og kordelene tvinnet hver sin vei.
Diameteren blir målt utenpå kordelene, der tauet er tykkest. Diameteren kan være opp til 120 mm for ståltau til forankring av FPSOer.
Man klassifiserer ståltauet etter type og diameter. Typen tau beskrives ofte på formen a × b + c der a er tallet på kordeler i tauet, b er tallet på tråder i hver kordel og c karakteriserer kjernen. Eksempelet i figuren øverst til høyre omtales som 6 × 19 + 1FC, det vil si seks kordeler hver med 19 tråder + en fiberkjerne (FC). En mer fullstendig kode kan være 22-6 × 19-FC-1770-B-sZ, for et ståltau med 22 mm nominell diameter, med bruddspenning på 1770 MPa. Leddet som her har bokstaven B viser til beskyttelsesmetode. Leddet som her har bokstavene sZ viser om spinningen av ståltråder er mot høyre eller venstre, og om spinningen av kordelene er mot høyre eller venstre. Kodene er standardisert i ISO 17893.

Ståltrådene

Ståltrådene er laget av eutektisk perlitt - en blanding av ferritt (rent jern) og sementitt (Fe₃C). Trådene er normalt finkornige og lavlegerte (mye mangan og silisium). Karboninnholdet er høyt for å oppnå høy styrke, typisk 0,4–0,95 %. En bruker betegnelser på ståltrådene som for eksempel C 82 D, som betyr et midlere karboninnhold på 0,82 %. En foretrekker ofte å ha karboninnholdet på om lag 0,86 %.
Kaldtrukne perlittråder kan ha flytegrenser på flere tusen megapascal. Det gjør perlitt til et av de sterkeste konstruksjonsmaterialer vi har. Maksimal strekkstyrke er funnet å være over 6000MPa. Selv om perlitt brukes i mange tekniske anvendelser, er opprinnelsen til den ekstreme styrken dårlig forstått. Kaldtrekkingen styrker perlitten ved forbedring av lamellestrukturene, gir delvis kjemisk nedbryting av sementitt, og en overgang fra krystallinsk til amorf sementitt.
Høyt karboninnhold innebærer at trådene er dårlig sveisbare. For å sveises med godt resultat må en ha varmebehandling.
I patenterte prosesser som innebærer kaldpressing, varmebehandling og ny kaldpressing, blir stålet presset gjennom stadig tynnere hull slik at det til sist kommer ut i den ønskede formen, tykkelsen og lengden. Oftest produseres trådene runde, men kan ha andre former.
Trådene blir ofte galvanisert med sink for å kunne brukes i korrosivt miljø.
Trådene er lett bøyelige og strekksterke, og lar seg rette ut og bøyes på nytt en del ganger. Når den ryker etter slik bøying er det på grunn av lavsyklusutmatting.

Kordelene

Kordelene er oppbygd med flere lag med tråder rundt en kjerne. Miksen av tråder (dimensjon og antall) bør være en god kombinasjon av grove tråder mot korrosjon og slitasje, og tynnere tråder for fleksibilitet. Dess tynnere enkelttrådene er, dess mykere er ståltauet. Et standard ståltau består oftest av seks til åtte kordeler. Ved å øke antall kordeler blir formen på ståltauet mer sirkulært. Det reduserer slitasjeområdet i ledehjul og skiver. Valget av tykkelsen på trådene er i stor grad styrt av om en er utsatt for utmatting eller slitasje. For å hindre utmatting er det best å ha små diametere på ståltrådene. For å hindre slitasje er det best å ha store diametere på trådene. I praksis må en gjøre et kompromiss.

Kjernen

Kjernen er fundamentet for kordelene, og hjelper til å holde dem på plass. Senterkjernen er gjerne av fiber eller ståltråd. En velger fiber dersom en vil spare vekt. Kan ståltauet være utsatt for knusing, høye temperaturer eller om en trenger høy strekkstyrke, bør en velge en stålkjerne.
For offshore bruk anbefales det ikke å bruke fiberkjerner. Klassifikasjonsselskapet  DNV GL krever ved bruk av kordeler, at kjernen lages av et uavhengig ståltau (engelsk IWCR).

Plastkappen

En kan legge et beskyttende plastlag rundt ståltauet for å forebygge korrosjon. Laget vil også holde smøringen av tauet på plass og kunne redusere slitasje både internt, og redusere utvendig slitasje. Det lages av polyetylen eller polyuretan.
Plastbelegget har andre deformasjonsegenskaper enn ståltauet. Erfaring viser at når lange ståltau tøyes, kan en etter en tid få at endene av ståltauet er uten beskyttelse.
Friksjonen mellom plast og stål er mye høyere enn mellom stål og stål. Bruk av plastkapper vil derfor øke rotasjonen i ståltauet.

Korrosjon, smøring og vedlikehold

Ståltauet har sin store styrke og fleksibilitet i at ståltrådene beveger seg i forhold til hverandre i et samvirke. Dersom det oppstår korrosjon eller slitasje vil ikke trådene bevege seg i forhold til hverandre som tiltenkt, og en kan få skader eller brudd i tauet.
Korrosjon vil redusere utmattingslevetiden på ståltauet betydelig. Utmattingslevetiden blir også redusert om en bruker sinkbeskyttelse.
For å forebygge korrosjon vil ståltrådene være beskyttet. En kan bruke galvanisering, rustfritt stål (sjeldent), dypping av trådene i sink (vanligst) eller i en blanding av sink og aluminium.
En kan også smøre trådene for å forebygge rust, men effekten mot korrosjon er beskjeden. Ståltau som er smurt fra leverandøren har likevel typisk dobbelt så lang utmattingslevetid som et som ikke er det. Dersom en også ettersmører under bruk, øker levetiden typisk til tre ganger lenger enn et ståltau som er levert usmurt. En smører normalt bare overflaten på ståltau, men ved bruk av trykk kan det også smøres innvendig. Det er flere metoder for påføring, og flere typer smøremidler (som Feryl, Brilube, Finlube, Tex-lad og Nyrosten med flere) tilpasset bruksområdet for ståltauet. Smøremiddelet bør tilfredsstille standarden ISO 4346. I sjø vil smøringen bli vasket ut over tid. En vil få økt friksjon, avskraping av galvaniseringen, korrosjon der galvaniseringen forsvinner, økt friksjon mellom ståltrådene i de ytterste lagene av tauet og et ståltau som ikke fungerer som forutsatt.
Ståltau med plastbelagt kjerne er bedre beskyttet mot utvendig rust, og krever mindre smøring.
Ståltau som går gjennom skvettsonen i sjø, er mer utsatt for hydrogeninntrengning. Høy bruddstyrke øker også mulighetene for hydrogen. Hydrogenet kan føre til sprøbrudd.
En kasserer ofte ståltau ved om lag halvparten av den levetiden som er oppgitt av leverandøren (sikkerhetsfaktor på to).
Et rotasjonsfattig ståltau er svært vanskelig å sjekke visuelt for å avdekke innvendig slitasje, trådbrudd og utmatting siden dette oppstår i kjernen av ståltauet. Ved utmatting som følge av stor bøyebelastning over små skivehjul vil trådbruddene oppstå i kjernen og ikke være synlige ved utvendig visuell kontroll.

Vekt

Vekten av ståltau er avhengig av diameteren. Eksempelvis veier 100 meter av fabrikatet «Ståltau 6X36-IWRC» 26 kg for 8mm diameter, 236 kg for 24mm diameter og 942 kg for 48mm diameter.