Защита морских судов и сооружений от локальных видов коррозии: перспективы и возможности

Море покрывает 2/3 поверхности Земли и является агрессивной средой, оказывающей постоянное воздействие на суда и морские сооружения.

В настоящее время использование морских сооружений и конструкций возросло из-за увеличения объемов добычи нефти, газа и других полезных ископаемых.

Срок службы морских судов и сооружений зависит от долговечности и надежности металлических конструкций, эксплуатируемых в условиях агрессивной среды.

Основное отличие в эксплуатации морских сооружений от морских судов заключается в том, что морские суда докуются каждые 1,5 – 2 года, что позволяет восстановить работоспособность подводной части и нанести защитные покрытия. При эксплуатации морских сооружений такой возможности практически нет. В итоге, необходимо, чтобы морские сооружения обладали большей стойкостью к коррозионным разрушениям.

Самым распространенным видом коррозии является общая коррозия. Существуют и другие виды коррозии, бороться с которыми нередко труднее, чем с общей. Наиболее опасной формой разрушения является локальные формы коррозии в первую очередь, коррозионное растрескивание и коррозионная усталость. Опыт эксплуатации судов и сооружений показывает, что предотвратить коррозию или, во всяком случае, существенно уменьшить, технически достижимо. Для этого есть как руководящая документация [1,2], так и рекомендуемые хорошо проверенные на объектах параметры защиты, промышленно изготавливаются и поставляются элементы систем как катодной, так и протекторной защиты. Существенное уменьшение скорости коррозии происходит при сдвиге потенциала поляризации на 0,05 – 0,2 В от стационарного. Электрохимическая защита морских судов рассчитывается на окрашенный корпус, электрическое сопротивление которого намного выше, чем неокрашенного метала. На морских сооружениях условий для возобновления лакокрасочного покрытия практически нет, следовательно, в расчетах защиты следует принимать конструкции в неокрашенном состоянии, электрическое сопротивление которых будет намного меньше.

Основное отличие механического нагружения при эксплуатации морских судов и сооружений заключается в том, что морские суда воспринимают эксплуатационные нагрузки, технологические, экстремальные в плоскостях X и Y. Морские сооружения воспринимают эксплуатационные нагрузки также и в третьей координате Z, что создает массу технических проблем. В первую очередь это приводит к эффективному влиянию на напряженное состояние не только σ_напр, но и τ.

Такое напряженное состояние влечет за собой принципиально важную особенность разрушения корпусных конструкций при эксплуатации: вследствие влияния τ (срезывающих напряжений) происходит расслоение корпусной стали по плоскостям расположения дефектов после прокатки стали. Основной причиной является расслоения под действием окисления в морской воде металлических дефектов [ 3 ].

При окислении металла, под воздействием морской воды, примеси превращаются в окись гидроокиси соли. Они занимают больший объем производящий расклинивающий эффект, так как объем окиси гидроокиси соли больше объема исходного не окисленного продукта.

Таким образом, основная задача предотвращения описанных процессов заключается в торможении окислительных реакций не только на поверхности металла, но и в зарождающихся трещинах.

В итоге, необходимо рассмотреть локальные формы коррозии (коррозионное растрескивание и коррозионная усталость), которые вызываются механическими нагрузками различного происхождения (остаточные, действующие напряжения) и возможной защиты от них.

Локальные разрушения (усталостные разрушения) вызывают дефекты на сравнительно не больших поверхностях металла. При этом локально происходит разрушения поверхностных пленок и образование активных свежеобразованных повреждений. Поверхность разрушения пленок (пассивирующих продуктов) на несколько порядков меньше поверхности, которая не подверглась разрушительному воздействию механических нагрузок. Другими словами, ток анодных участков на несколько порядков выше тока катодной, основной, поверхности.

Описанный механизм приводит к преимущественному растворению анодных дефектов, которые впоследствии превращаются в микротрещины.

Механизм адсорбции компонентов раствора (морской воды) на поверхность эксплуатирующего металла сводится, в основном, к преимущественной адсорбции аниона хлора (Cl^-) свежеобразованных поверхностях.

Адсорбция анионов [5], понижает, поверхностную усталость стали на 20 – 30 % (эффект Рибиндера). Соотношение действующих напряжений и пониженного адсорбцией придела прочности поверхности металла в морской воде, показывает, что физическая прочность корпусных сталей в морской воде полностью не реализуется.

Адсорбционное взаимодействие металлической поверхности и электролита тормозится при потенциале нулевого заряда, когда заряд поверхности и заряд электролита выравнивается.

Применительно к реальным растворам, к которым относится морская вода, потенциал нулевого заряда сложных по составу металлов теоретически не определен. Приходится пользоваться термином «потенциал незаряженной поверхности».

В таком случае, учитывая неоднородности металлической поверхности, заряд устанавливается на минимальном уровне в каком-то -τ диапазоне. Практически этот диапазон является вполне приемлемым и можно обоснованно рассматривать, как параметр защиты от коррозионно-механического разрушения на корпусных сталях в морской воде при электролитной защите.

Потенциал, при котором минимальная адсорбция компонентов среды на стали, в случае защиты от локальных форм разрушений, вызванных механическим воздействием (усталость, растрескивание) должен совпадать с потенциалом минимального взаимодействия металла и среды, то есть потенциала незаряженной поверхности.

Если мы рассмотрим проводящие материалы [1,2] по защите судостроительных сталей от коррозии, то увидим, что параметры защиты (потенциала поляризации) выбранной по принципу уменьшения материальных потерь металла при общей коррозии. Эти параметры ни в коей мере не отвечают требованиям условий приближения потенциала поляризации при защите сталей от коррозии, к потенциалу защиты сталей от локальных разрушений (потенциал разряженной поверхности) который, будет отрицательнее рекомендуемой. Стационарный потенциал стали 35, (к примеру), в морской воде соответствует – 0,4 В(ХСЭ) согласно стандартов защиты корпусов судов от коррозии катодная поляризация до – 0,6 В доступная для существенного торможения коррозионного процесса. Однако деформация в локальных участках, инициирует потенциал до 0,9 В (ХСЭ), то есть потенциалом стали в активном состоянии поверхностных пленок (продуктов коррозии или окисями). В этом случае оптимальной защиты в локальных участках недостаточно, если поляризацию осуществлять согласно требованиям стандартов [1,2].

При статических нагрузках свежеобразованные поверхности могут пассивироваться окисями или продуктами коррозии, при динамических нагрузках происходит постоянное обновление свежеобразованной поверхности, тоесть активные локальные поверхности в результате деформации существуют длительное время и преимущественно растворяются, превращаясь в микротрещины. Их ускоренное растворение создает конструктивные дефекты металла, растворяющиеся по электрохимическому механизму, как аноды, обладающие малой поверхностью, контактирующие с катодной поверхностью, обладающей на несколько порядков большей площадью. Соответственно, плотность анодного тока на несколько порядков выше плотности катодного тока.

Учитывая выше сказанное, следует отметить, что рекомендуемые стандартами параметры защиты от коррозии не могут являться параметрами защиты от локальных форм коррозии (коррозионное растрескивание, коррозионная усталость). Поэтому, необходимо принять теоретическое положение, что локальные формы коррозии могут быть предотвращены при потенциале, когда взаимодействие металлической поверхности и агрессивной среды (морской воды) возможно лишь в диапазоне заторможенности взаимодействия анионов морской воды (в основном иона Cl^{- )}.

Проведенные раннее исследования в судостроительной промышленности [7] показали, что такой потенциал может быть экспериментально определен но способ не приспособлен к практическому применению для машиностроительных сталей имеют один существенный недостаток: соотношение анодных и катодных участков при эксперименте непрерывно изменялось и не определялось, что существенно затрудняет определение потенциала незаряженной поверхности.

В теоретическом и практическом аспекте предстоит найти, способ стабильной имитации активного состояния при механическом воздействии внешней силы на корпусных сталях морских сооружений, судов и кораблей, эксплуатирующиеся в морской воде.

Библиографический список

1. Защита протекторная корпусов судов. ОСТ 5.9042 – 80

2. Защита катодная корпусов судов. ОСТ 9149 – 83

3. Правила классификации и постройки морских судов.

4. Глинка Н.Л. Общая химия.- Л.: «Химия»,1984г. – 702 ст.

5. Карпенко Г.В. Прочность стали в коррозионной среде. Москва – Киев, Машгиз, 1963, стр. 188

6. Фрумкин А.Н. Потенциалы нулевого заряда. Изд. Наука. 1979, стр. 253.

7. Авторское свидетельство № 820392 «Способ определения потенциала незаряженной поверхности твердых металлов», 1981г.