Коррозия корпуса судна и практичные способы её предотвращения

Введение
Согласно мировой статистике наиболее опасными разрушениями корпуса судна являются хрупкие разрушения ввиду их внезапного возникновения и высокой скорости распространения. Основными причинами данного типа разрушения являются коррозионно-усталостные трещины, часто возникающие в местах сварных швов [1, 2].
Морская вода представляет собой коррозионную среду с высокой электропроводностью из-за содержания в ней большого количества таких катионов, как натрий, кальций, калий и анионов - карбонатов, сульфатов и хлоридов. Последние являются ионами-активаторами, которые препятствуют образованию пассивных плёнок, а также способствуют возникновению питтинговой коррозии. В данной среде коррозия протекает по электрохимическому механизму. Кроме того, в морской воде содержится большое количество микроорганизмов, которые вызывают биологическую коррозию. Этот вид разрушения возникает из-за использования микроорганизмами металла, в качестве питательной среды, а также они способны выделять вещества, разрушающие металл [1, 3].
В настоящее время коррозионные процессы корпусов судов воспринимаются судовладельцами как нечто неизбежное. Мероприятия антикоррозийной защиты во многом выполняются формально. Это обусловлено тем, что нет чёткого руководства по организации антикоррозийной защиты корпусов судов в период эксплуатации [4].
Тема, рассматриваемая в данной работе, является крайне актуальной, поскольку основной причиной затопления судов является коррозионный износ их корпусов [5], что неизбежно ведёт к материальным потерям, а в некоторых случаях и к катастрофам.
Общие сведения о коррозии корпуса
Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлических материалов в результате их физико-химического взаимодействия с компонентами окружающей среды.
Коррозию металла, входящего в состав корпусов судов принципиально можно разделить на три группы:
Химическая коррозия – взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окисленного компонента среды протекает в одном акте. Химическая коррозия подчиняется законам кинетики гетерогенных химических реакций. Этот тип коррозии часто наблюдается в неэлектропроводных средах, к числу которых относятся жидкости-неэлектролиты и газовые среды при отсутствии конденсации электролитов на поверхности корродирующего металла.
Наиболее часто химической коррозии подвержена внутренняя поверхность грузовых танков нефтеналивных судов, перевозящих нефтепродукты с повышенным содержанием сернистых соединений и кислотных остатков, которые могут вступить в химическую реакцию с металлом. При этом происходит разрушение поверхности в виде местных локальных язвин. Скорость коррозии достигает 1,2-2 мм/год, что может вызвать появление сквозных разрушений обшивки корпуса.
Электрохимическая коррозия – взаимодействие металла с коррозионной средой, при котором ионизация атомов металла и восстановление окислителя протекают не в одном акте, а скорость этих процессов зависят от величины электродного потенциала. Электрохимическая коррозия следует законам электрохимической кинетики и может наблюдаться только в электропроводных средах.
В условиях эксплуатации судов на их корпусах в большинстве случаев реализуется коррозия по электрохимическому механизму.
Рассмотрим основные механизмы коррозии, которые могут быть обнаружены в конструкциях судов, и основные факторы окружающей среды, которые на них влияют.
На коррозию обшивки палубы в основном влияют дождевая и техническая вода, высокая влажность и агрессивная морская среда. Боковая обшивка подвергается воздействию трех различных сред. Верхняя её часть взаимодействует с агрессивной атмосферной средой, богатой высоким содержанием хлоридов и кислорода, а также этот участок контактирует с брызгами морской воды, возникающими в результате движения судна и воздействия волн.
В нейтральных средах такие металлы, как например, Fe, Zn, Al, Ni, Ti, Cr, Mn и др. склонны к пассивации, то есть проявляют относительно высокую коррозионную стойкость, в то время как с точки зрения термодинамики они являются вполне реакционноспособными. На поверхности металлов образуется пассивная плёнка, имеющая изолирующие свойства и препятствующая его разрушению. Однако в морской среде, несмотря на нейтральность, присутствуют ионы-активаторы – хлорид-ионы Cl-, которые активируют металлическую поверхность, не давая образовываться пассивной плёнке. Кроме того, хлориды вызывают питтинговую коррозию. Это вид коррозии является одним из наиболее опасных так как он имеет высокую скорость распространения, ведёт к локальному разрушению, и относительно затруднён коррозионный мониторинг участков с данным видом коррозии.
Также верхняя часть палубы подвержена высокой относительной влажности. Изменения относительной влажности воздуха вызывают либо испарение, либо конденсацию воды. В воздухе могут содержаться такие газы, как диоксид углерода СО2, сероводород H2S, диоксид серы SO2 или триоксид серы SO3. Они выступают в качестве активаторов и ускоряют скорость коррозии, поскольку этот процесс происходит в атмосфере, богатой кислородом, окисляющим металл [6, 7].
Нижняя часть боковой оболочки корпуса судна полностью погружена в морскую воду. Свойства воды, такие как соленость, температура, содержание кислорода, уровень pH и химический состав, могут изменяться в зависимости от местоположения и глубины воды. Все эти свойства влияют на коррозионное разрушение в этой части корабля.
На границе погруженной и атмосферной боковой частью корпуса судна обшивка подвергается воздействию более агрессивной среды. Эта зона является очень аэрированной из-за турбулентного режима течения воды вокруг корпуса корабля, что увеличивают содержание кислорода в этом слое, в дополнение к эффектам износа, возникающим из-за движения морской поверхности относительно боковой оболочки и эффекта мокрого и сухого состояния.
Скорость коррозии определяется состоянием моря и температурой. Максимальная скорость атаки в холодном климате будет меньше, в то время как при более интенсивном воздействии волн в более теплых климатах она будет выше [8]

.
Коррозия включает в себя взаимодействие между металлом или сплавом и окружающей средой и зависит от свойств материала или сплава и окружающей среды. Атмосферная коррозия происходит на металлической поверхности, контактирующей с атмосферой. Однако, чтобы произошла коррозия, влажность воздуха должна создавать тонкую влажную пленку в сочетании с примесями.
Атмосферная среда варьируется в зависимости от химических компонентов. Некоторые основные химические составляющие атмосферной морской среды относительно постоянны во всем мире.
Тем не менее, незначительные составляющие варьируются от места к месту и в зависимости от сезона и штормов. Изменения в химии атмосферы открытого океана имеют тенденцию происходить медленно и в горизонтальном и вертикальном масштабах, которые являются большими по сравнению с размерами большинства морских структур. Такие постепенные изменения могут привести к одинаково постепенному изменению скорости коррозии конструкционных материалов в зависимости от сезона и местоположения, но они вряд ли приведут к резким изменениям либо механизма, либо скорости коррозии.
Биологическая коррозия – коррозионное разрушение от воздействия микроорганизмов или продуктов их жизнедеятельности.
Обрастание корпусов судов микроорганизмами в морской среде приводит к снижению скорости и увеличению топливного расхода.
Как показано на рис. 1, основная потеря скорости происходит в первые 15 месяцев эксплуатации.
Рис. 1. Потеря скорости судна вследствие обрастания корпуса
Однако можно предположить, что при применении стойкой необрастающей краски интенсивное обрастание начнётся после частичного разрушения необрастающей краски или после потери её свойств. Обрастание корпуса в первую очередь приводит к увеличению его шероховатости, а, следовательно, и к увеличению сопротивления трения, которое составляет 70-80 % общего сопротивления воды движению судна. Это вызывает потерю скорости движения судна или увеличение расхода топлива. Особенно влияет на скорость хода шероховатость носовой части судна, отсюда возникает необходимость более тщательной обработки носовой части корпуса [3]
Способы защиты от коррозии
Поскольку в морской воде корпус судна может подвергаться нескольким видам коррозионного разрушения, необходим комплексный подход для решения данной проблемы, сочетающий в себе различные методы защиты.
Комплексная защита должна включать в себя следующие мероприятия:
Использование для изготовления корпуса коррозионностойких и технологичных материалов
Проведение специальной обработки сталей для судостроения с целью повышения их коррозионной стойкости
Применение лакокрасочных покрытий
Электрохимическая защита корпуса или отдельных элементов
Эффективный мониторинг антикоррозионных систем
Часто применяются также такие методы, как легирование, плакирование и ингибиторная защита. В судостроении легирование применяется, в основном, для морских буровых платформ, для постройки которых используются низколегированные стали [9].
Для защиты от коррозии обыкновенных углеродистых сталей применяется плакирование, которое заключается в нанесении коррозионностойкого слоя таких металлов или сплавов, как меди, латуни, алюминия, никеля или нержавеющей стали на основной металл с последующей горячей прокаткой. Это приводит к диффузии на границе раздела двух металлов, вследствие чего образуется прочное соединение.
Один из самых распространённых и эффективных методов защиты от коррозии морских судов и сооружений - электрохимическая защита. Существует несколько разновидностей такой защиты, например, метод наложенного тока (катодная) или метод с использованием жертвенных анодов (протекторная), охватывающая комплекс мероприятий по наружной защите подводной части корпуса судна, а также всех навесных устройств и отверстий.
Принцип действия метода жертвенных анодов: при контакте двух различных соединённых между собой металлов с раствором электролита (морская среда) образуется гальванический элемент. Напряжение цепи определяется разностью потенциалов, всегда существующей между двумя различными металлами, которая является причиной электрического тока. Электрод, имеющий более отрицательный потенциал, становится анодом: то есть на нём происходит реакция окисления металла с высвобождением электронов. Более положительный электрод является катодом и практически не растворяется.
Рис. 2. Схема протекторной защиты корпуса судна
На рис. 2 показана схема с применением протекторной защиты стального корпуса судна, где в качестве протектора используются цинковые пластины. Так как цинк имеет более отрицательный потенциал в данных условиях, то будет растворяться первым. Также в качестве жертвенных анодов кроме цинка и его сплавов могут применяться сплавы алюминия или магния, в зависимости от солености морской воды.
Данный метод обеспечивает непрерывную защиту от коррозии конструкции [10]. Однако жертвенные аноды необходимо заменять каждые 3–4 года на протяжение всего периода эксплуатации.
В методе электрохимической защиты с использованием наложенного тока напряжение подаётся от источника постоянного тока, а не от гальванической ячейки, поэтому необязательно, чтобы анодный металл был электроотрицательнее конструкции.
Существует некоторое преимущество в том, если анод является более положительным, так как он не будет растворяться в морской воде полностью при катодной поляризации, но не исключается протекание катодных реакций, таких как разложение воды или растворённых в ней ионов хлора.
Рис. 3. Схема катодной защиты корпуса судна
На рис. 3 проиллюстрирована принципиальная схема катодной защиты. Постоянный ток от источника питания 6 подается к анодным узлам 1 через распределительные щиты 5. В пределах 2-3 м от анода располагается околоанодный экран 3, который снижает пиковые значения электродных потенциалов вблизи анодов