XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование влияния агрессивных сред на процессы коррозии металлов на примере судов флота
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В современных реалиях нормой стало если не противостояние государств, то как минимум жесткая конкуренция. Это касается не только экономики, спорта, области IT технологий, но и, конечно, военной сферы. Россия всегда славилась своими морскими флотилиями и мореплавателями. Иван Крузенштерн - мореплаватель, адмирал, возглавивший первую российскую кругосветную экспедицию. Витус Беринг и Алексей Чириков, открывшие земли, расположенные в Северо-Восточной Азии и на Тихоокеанском побережье Камчатки. Харитон и Дмитрий Лаптевы. Фаддей Беллинсгаузен и Михаил Лазарев – первооткрыватели Антарктиды и многие другие. Отцом российского флота по праву считается Петр I, а его сподвижник Федор Апраксин – создатель армейского флота в России. Однако, с тех пор, как деревянное кораблестроение уступило место металлическому, дав известные преимущества, но и обнажило целый ряд задач для сохранения работоспособности, боеспособности и надежности флота нашей страны. Морская вода в виде жидкости и аэрозоля является весьма агрессивной средой, способной повреждать и разрушать металлические детали. Со временем корабли покрываются ржавчиной, с которой необходимо бороться.
Одним из основоположников науки о коррозии был В.Р.Уитни - профессор Массачусетского технологического университета. В 1903г. В Журнале Американского химического общества» он опубликовал статью «Коррозия железа». Значительный вклад в развитие науки внёс У. Уокер, который совместно с У.К.Льюсом с 1903 года начал преподавание коррозии в курсе «Химическое сопротивление материалов».
Впоследствии многие известные учёные продолжили исследования в области коррозии, среди которых выделяются К.Вагнер, М.Стерн, В.Д.Робертсон, Б.Чалмерс, Г.Т.Пол, Г.Шикорр, Х.С.Кэмпбэлл, К.Н.Ларраби, В.В.Бредли, Г.Т.Пол, Дж.Пемслер.
Одним из самых известных специалистов в области коррозии стал Г.Г.Улиг, который совместно с Реви Р.У. осуществил систематизацию причин коррозии, произвёл анализ коррозионных проблем не в общем виде, а применительно к металлам, для которых они наиболее характерны и технически важны (А.М.Сухотин)[44].
Целью данной исследовательской работы является поиск эффективного и наименее затратного метода защиты стационарных и движущихся металлический деталей судов флота.
Для достижения поставленной цели, решены следующие задачи:
- проведен анализ причин выхода из строя оборудования и судов флота
- рассмотрен процесс образования коррозии и следствия коррозионных реакций применительно к морским судам
- предложен новый способ защиты флотского оборудования от агрессивных сред.
Анализ причин выхода из строя судов флота
В зарубежных средствах массовой информации зачастую появляются любопытные публикации на тему сохранения и восстановления технической готовности кораблей ВМС США. Несмотря на все успехи кораблестроителей, коррозия остается серьезной проблемой, решение которой обходится в значительные суммы.
По данным прессы, в 2014 г. на выполнение работ по удалению ржавчины и обработку конструкций ВМС США потратили порядка 3 млрд долларов – примерно четверть от всех расходов на ремонт боевого и вспомогательного состава флота. Отмечается, что от коррозии страдают все корабли и суда, вне зависимости от их конструкции. Обслуживания требуют как стальные авианосцы водоизмещением в десятки тысяч тонн, так и легкие алюминиевые катера ( рисунок1) [2,3].
Рисунок 1 – Коррозия корпуса боевого судна
Борьба с коррозией осуществляется несколькими способами и во всех условиях. Часть мер принимается при строительстве или доковом ремонте; другие методики можно использовать при мелком ремонте силами экипажа прямо во время похода.
Тем не менее, несмотря на все усилия экипажей и ремонтников, корабли нередко выглядят не самым лучшим образом. Швы, углы, отверстия и другие элементы конструкции достаточно быстро покрываются характерным коричневым налетом, а его удаление на крупных кораблях превращается в непрерывный процесс. После работ на одном участке приходится переходить к другому, и так без перерывов (рисунок 2).
Рисунок 2 - Подводная часть десантного корабля USS Makin Island (LHD-8) после штатной эксплуатации
Следует отметить, что от коррозии страдают все флоты мира, в т.ч. и наш. Фактически на любом корабле – особенно после боевой службы – можно найти ржавые детали и характерные следы на краске. Исключение составляют разве что корабли, готовящиеся к праздничным мероприятиям. Их экипажи принимают все меры технического и эстетического характера.
Очевидно, что борьба с ржавчиной составляет существенную часть расходов ВМФ России на обслуживание кораблей. Однако точные цифры такого рода в открытых источниках пока не публиковались. Можно предположить, что доля подобных расходов не слишком отличается от американской практики.
Следует отметить, что от коррозии страдают не только сами корабли. Внешние факторы негативно сказываются на работе и ресурсе корабельных систем, вооружений, палубной авиации и т.д. Во всех случаях необходимо принимать меры по профилактике и борьбе с ржавчиной.
Причины и следствия коррозионных реакций корпусов и двигателей судов
Боевые корабли, как и другие металлические объекты, страдают от коррозии вследствие воздействия внешних факторов. Главным из них является соленая морская вода и ее пары. Также имеются другие факторы, способные приводить к появлению ржавчины, ослаблению и разрушению деталей.
В целом принято разделять три типа коррозии. Более редкой в корабельной практике считается химическая коррозия, обусловленная воздействием на металл некоторых веществ в диэлектрической атмосфере. Более частой является электрохимическая коррозия, при которой металл разрушается под воздействием различных химических веществ и электрических токов разной природы. Последние могут появляться из-за утечек в корабельных сетях (электрическая коррозия) или образовываться за счет взаимодействия металлов и других веществ (электрохимическая).
Очаги ржавчины бывают поверхностными, подповерхностными и межкристаллитными. Повреждения на поверхности видны сразу, а подповерхностные приводят к вспучиванию металла, что тоже упрощает обнаружение. Межкристаллитная коррозия, поражающая грани кристаллов материала, не имеет внешних проявлений и является наиболее опасной.
На ранних стадиях коррозия приводит к появлению коричневых пятен и неэстетичных потеков. Затем повреждение металла начинает сказываться на прочности конструкции. Если вовремя не принять меры, следует ожидать появление глубоких повреждений или даже сквозных отверстий в металле – в зависимости от его толщины. Нагруженные детали, теряя прочность, могут разрушиться с самыми серьезными последствиями.
Известны и применяются несколько основных способов защиты корабля от ржавчины. Они постоянно совершенствуются, но базовые принципы в целом остаются неизменными. Радикальное решение проблемы – применение неметаллических материалов или сплавов, слабо подверженных коррозии. Дерево, пластики и композиционные материалы разных видов не ржавеют – хотя и подвержены другим рискам при длительном воздействии соленой воды. Алюминиевые конструкции тоже не защищены от негативного воздействия среды, но являются более стойкими к коррозии в сравнении с основными сортами стали.
Классификация методов борьбы с коррозией судов
При использовании материалов, подверженных коррозии, используются несколько основных методик защиты – как отдельно, так и в различных сочетаниях. Защита может быть механической, химической, электрохимической и электрической, и выполняется при помощи разных средств.
Защита от электрической коррозии осуществляется путем правильного построения электросистем корабля, исключающего утечки на корпус. Также необходимо обеспечить изоляцию корпуса, не допускающую контакт металла с водой. Электрохимическая защита основывается на идее изменения хода реакции при помощи специальных средств. Примером этого является защита при помощи цинка – покрытия или брусков на внешней поверхности стальных деталей. Под воздействием соленой воды цинк разрушается, но сталь остается целой.
Механическая и химическая защита предусматривают нанесение лакокрасочных покрытий или создание оксидных пленок на поверхности металла тем или иным способом. В этом случае предотвращается контакт металла с водой и, как следствие, образование ржавчины [1, 5].
Полностью и гарантировано предотвратить образование ржавчины невозможно, и потому регулярно приходится бороться с уже имеющимися повреждениями конструкции. Подобный ремонт может быть как простым, так и достаточно сложным – в зависимости от размеров и глубины поврежденных участков.
При обнаружении очага ржавчины требуется зачистить деталь до неповрежденного металла, а затем обработать защитным составом и нанести штатное лакокрасочное покрытие. Во время похода эти задачи могут решаться при помощи ручного инструмента, а в доках применяется более сложное оборудование.
Следует отметить, что избавление от коррозии является не только непростым, но и недешевым делом. По известным данным, ВМС США для обработки зачищенных поверхностей сейчас применяет двухкомпонентный защитный состав Ameron PSX-700. Галлон такой смеси стоит порядка 250 долл. и его теоретически хватает на 27 кв.м. поверхности. При этом PSX-700 считается не только эффективным, но и одним из самых дешевых средств своего класса.
Военно-морские силы других стран применяют иные покрытия и составы того же назначения с отличающейся стоимостью и иным удельным расходом. Однако принципы ремонта не изменяются: удаление ржавчины, нанесение защиты, покраска.
Коррозия и разрушение металлических конструкций является серьезнейшей проблемой, требующей постоянного внимания на всех уровнях. По разным оценкам, ржавчина ежегодно уничтожает в мире эквивалент 10-15 проц. общего годового производства стали, а на борьбу с ней развитым странам приходится тратить до нескольких процентов ВВП.
Вместе с прочими структурами от коррозии страдают военно-морские силы разных стран. На разных стадиях проектирования, строительства и эксплуатации кораблей принимаются все необходимые меры, но полностью исключить повреждение металлических конструкцией не получается.
К сожалению, все существующие меры позволяют лишь сократить вероятность повреждения кораблей от коррозии, а также уменьшить ее негативные последствия – но не полностью исключить.
Новый способ защиты флотского оборудования от агрессивных сред
Предлагается к использованию метод защиты металлов от коррозии на основе патента РФ № 80190. Суть метода заключается в использовании «жертвенного» электрода, выполненного из имеющего более высокий отрицательный электрохимический потенциал по отношению к металлу корпуса и оборудования судна. Предложенный способ относится к разновидности протекторных защит. Метод протекторов осуществляют в растворах электролитов присоединением к защищаемому изделию металла или сплава, потенциал которого значительно отрицательнее потенциала металла изделия. В качестве материала протектора используют сплавы алюминия, магния и цинка. При хорошем контакте между металлами защищаемый металл (железо) и металл протектора, например, магний, оказывают друг на друга поляризующее действие. Согласно взаимному положению этих металлов в ряду напряжений, железо поляризуется катодно, а магний – анодно. В результате этого на железе идет процесс восстановления того окислителя, который присутствует в воде, а магний окисляется [4].
В коррозионной среде металл протектора растворяется:
Mg – 2e → Mg2+
На защищаемой поверхности выделяется водород:
2Н2О + 2е → Н2↑ + 2ОН -
Общее уравнение реакции:
Mg + 2H2O → Mg2+ + Н2↑ + 2ОН -
В начальный период осуществления протекторной защиты под действием образующихся ионов водорода на защищаемой поверхности медленно разрушается оксидная пленка, при этом поверхность приобретает металлический блеск. Процесс в общем виде описывается уравнением:
FexОy · n Н2О + 2yН+ → xFe +(n+2у) Н2О
Кроме электрохимических реакций в водной среде протекают вторичные химические реакции, например, взаимодействие ионов магния с гидроксид-ионами:
Mg2+ + 2ОН - = 2H2O + Mg(ОН)2↓
Образующаяся гидроокись магния представляет собой белый осадок, причем ее образование в значительной степени определяется рН среды: в щелочной среде (рН более 10,5) происходит полное осаждение, в нейтральной среде (рН 6-7) осаждение частичное.
Для протекторной защиты стальных сооружений принципиально могут быть использованы все материалы, имеющие более электроотрицательный электродный потенциал. Наиболее часто используются сплавы на основе цинка, алюминия и магния.
Чистые металлы не получили практического использования для изготовления, анодных протекторов, так как алюминий и цинк склонны к пассивации, магний имеет сравнительно низкую токоотдачу. Введением в эти металлы различных присадок можно получить сплавы с более отрицательными, чем у основного металла, потенциалами. Эти сплавы могут равномерно корродировать и не пассивироваться в среде. При этом загрязняющие примеси в протекторе (такие, как железо, медь, никель, кремний) увеличивают саморастворение протекторов, тем самым снижают срок их службы.
Заключение
Выполнен анализ причин выхода из строя оборудования и судов флота, одной из наиболее существенных является коррозия. Рассмотрен процесс ее образования, степень влияния на надежность и работоспособность морских судов. Классифицированы методы борьбы с коррозией и способы ее предотвращения. Наиболее перспективными и эффективными признаны методы протекторной защиты. Предложен новый способ защиты флотского оборудования от агрессивных сред на основе Патента РФ № 80190. Необходимы лабораторные испытания предложенного метода на образцах металла корпуса судов в условиях морской воды.
Список использованных источников и литературы
Глинка Н.Л. / Общая химия. г. Москва, 1985г. 250-253
Интернет ресурс https://topwar.ru/166807-korrozija-kak-glavnyj-vrag-flota.html Проверено 7.02.2023
Интернет-ресурсhttps://flot.com/publications/books/shelf/maritimehandbook/34.htm
Мавзютов А.Р., Ахметов А.И., Ленченкова Л.Е., Волошин А.И., Даминов А.А. Экспериментальные исследования снижения коррозионной активности глубинно-насосного оборудования путем протекторной защиты с использованием различных сплавов активных металлов. IV Научно-практическая конференция для аспирантов, студентов, бакалавров, магистрантов высших учебных заведений, 15 апреля 2014, Ижевск.
Томашов Н. Д., Чернова Г. П., Пассивность и защита металлов от коррозии, М., 1965.