CC BY
406
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
№141
УДК 621.396
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
НА ЛАКОКРАСОЧНЫЕ ПОКРЫТИЯ И КОРРОЗИОННОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕТАЛЛОВ
М.В. АНТОНОВА, Д.Г. БОЖЕВАЛОВ, Н.А. КОТЕЛЕВЕЦ, П.В. ОБУХОВ, Ю.С. СОКОЛОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В статье рассмотрено влияние климатических факторов на коррозионное поведение металлов и лакокрасочных покрытий ВС отечественного производства, эксплуатирующихся в республике Куба.
Ключевые слова: коррозия, атмосфера, влажность, химические загрязнения, хлористые соли, адсорбция, лакокрасочные покрытия ЛКП.
Опыт эксплуатации ВС свидетельствует о том, что характер коррозионных поражений весьма различен и зависит от условий местности, где находятся аэродромы базирования, условий, в которых работают детали внутри конструкции, длительности эксплуатации, качества противокоррозионной защиты, качества ухода за изделиями и др.
Причины возникновения и развития коррозии элементов конструкции ВС многообразны, но важнейшими из них являются:
- скопление конденсационной влаги;
- воздействие коррозионно-агрессивной среды (агрессивных жидкостей туалета, буфета, аккумуляторных батарей и др.).
Скорость развития коррозии элементов конструкции под действием конденсата и агрессивных сред напрямую зависит от времени их пребывания на поверхности, а также от состава вышеуказанных жидкостей. На время пребывания и состав, в свою очередь, значительно влияет агрессивность атмосферы аэропорта базирования ВС.
В соответствии с ГОСТ 9.039-74 [1] коррозионная агрессивность атмосферы характеризуется:
- увлажнением поверхности материалов (продолжительностью общего увлажнения поверхности, продолжительностью увлажнения поверхности фазовой и адсорбционной пленками влаги);
- загрязнением воздуха коррозионно-активными агентами (составом и концентрацией этих агентов).
Увлажнение поверхности зависит от климатических условий региона базирования ВС, и, прежде всего, от влажности и температуры воздуха. Значительно влияют на процесс увлажнения следующие характеристики: солнечная радиация; скорость ветра и др.
Температурно-влажностные параметры атмосферы определяют потенциальную возможность течения коррозионно-электрохимических реакций на металлах. Температура металла зависит от температуры воздуха, состояния неба (облачность, туман, затененность и т. д.) и радиационной способности металла. Последний фактор имеет существенное значение в процессах формирования и исчезновения фазового (или адсорбционного) слоя влаги при радиационном нагреве, охлаждении металла, перепаде температур.
Загрязнение воздуха коррозионно-активными агентами. Если климатические параметры атмосферы (главным образом, влажностные характеристики) являются экстенсивными факторами коррозии, определяющими вероятное время взаимодействия поверхности изделия со средой, то фактором интенсивного порядка, является состав и концентрация химических загрязне-
ний в атмосфере, поскольку, загрязнения преимущественно и определяют скорость коррозионного процесса.
Попадая на увлажненный металл и меняя агрессивность пленки влаги, атмосферные загрязнения различного характера (как естественные, так и антропогенные) значительно влияют на интенсивность протекания коррозионных процессов.
Самыми неблагоприятными загрязнениями являются - сернистый газ и хлориды.
Сернистый газ
С некоторой критической концентрации сернистый газ резко увеличивает скорость коррозии таких металлов, как железо, алюминий, цинк, медь и другие. При постоянной концентрации сернистого газа в атмосфере скорость коррозии металлов возрастает с повышением относительной влажности атмосферы.
Хлористые соли
Хлористые соли и прежде всего хлористый натрий весьма заметно усиливают коррозию ряда металлов в атмосферных условиях. Основной причиной ускорения коррозии хлористыми солями является образование в присутствии ионов хлора растворимых продуктов коррозии вместо нерастворимых гидроокисей, возникающих под чистой пленкой влаги. Кроме того, ионы хлора препятствуют образованию пассивирующих пленок.
Особенно опасно высокое содержание хлоридов для алюминиевых сплавов. Ионы хлора создают благоприятные условия для возникновения и развития на алюминиевых сплавах (Д16 и В95) таких опасных видов локальной коррозии, как расслаивающая и межкристаллитная коррозия.
К тому же агрессивное действие хлористого натрия в условиях атмосферы следует также связывать с его способностью адсорбировать влагу. Уже при относительной влажности воздуха, равной 70%, хлористый натрий адсорбирует влагу, что сопровождается сильным увеличением скорости коррозии.
В общем виде зависимость коррозионного эффекта (КЭ) от увлажнения поверхности и присутствия в атмосфере различных загрязнений можно описать следующим выражением:
П
КЭ = V -Та + X аП • СП -Та + Vф -Тф ,
1
где Va и Vф - соответственно скорости коррозии под адсорбционной и фазовой
пленками влаги без загрязнений;
та - продолжительность увлажнения поверхности адсорбционной пленкой влаги (время, в течение которого относительная влажность воздуха выше критической);
Тф - продолжительность увлажнения поверхности фазовой пленкой влаги возникающей при выпадении дождя, мокрого снега, тумана и росы.
аП - коэффициент, характеризующий влияние п-го загрязнения (сернистый газ, хлориды и др.), коэффициент показывает, во сколько раз возрастает скорость коррозии металла при введении в условно чистую атмосферу 1 мг/м3 п-го загрязняющего компонента;
С - концентрация п-го состояния загрязнения атмосферы.
В соответствии с ГОСТ 15150-69, [2] Куба относится к району с влажным тропическим климатом. Значения климатических факторов приведены в табл.1 и 2.
Таблица 1
Значения показателей температуры и влажности для влажного тропического климата
Значение температуры, 0С
Среднее из ежегодных экстремальных среднесуточных значений Среднее из ежегодных абсолютных экстремальных значений Абсолютное экстремальное значение
тах тіп тах тіп тах тіп
+35 +12 +40 +1 +45 0
Значение влажности
Среднегодовая относительная влажность, % (при среднегодовой температуре, 0С) Среднегодовая абсолютная влажность, г*м-3
80 при +27 20
Таблица 2
Показатели коррозионной агрессивности среды для различных местностей в условиях влажного
тропического климата
Содержание сернистого газа Выпадение хлористых солей
Сельская местность менее 0,02мг/м3 не более 0,3мг/м в сутки
Промышленные зоны 2мг/м3 0,3-2мг/м2 в сутки
Морская местность менее 0,02-0,2мг/м 2-2000мг/м2 в сутки
Метеорологическими службами Кубы было подсчитано, что в некоторых местах Кубы время, в течение которого относительная влажность превосходит 80%, достигает 5000 ч/год. Год можно разделить на 2 периода в зависимости от выпавших осадков: засушливый, начинающийся в ноябре и кончающийся в апреле, и дождливый, который начинается в мае и кончается в октябре. Известно, что интенсивная капиллярная конденсация, как и развитие коррозионных процессов, происходит при относительной влажности более 70...75%. Эти значения влажности считаются критическими фк. Экспериментально установленные значения фк для различных металлов в большинстве случаев находятся между 50.75%. Однако в области значений ф между фк и 98% активность воды возрастает примерно на порядок, скорость коррозии увеличивается. Количество сконденсированной влаги может изменяться также от присутствия на поверхности металла посторонних веществ. Особенно опасны вещества, отличающиеся высокой гигроскопичностью (например, хлориды). В их присутствии изменяются значения относительной влажности воздуха, при которой наблюдается резкое возрастание скорости коррозии металлов
[4].
Количество сконденсированной на поверхности металла влаги зависит от температурного перепада: чем он выше, тем больше конденсируется воды при заданной влажности.
Высокие температуры воздуха Кубы также влияют на коррозионные процессы. Зависимость скорости коррозии от температуры является весьма сложной и ее не всегда легко предсказать из-за наличия двух факторов, действующих в прямо противоположном направлении (длительность контакта металла с электролитом уменьшается с повышением температуры, а скорость реакций, обусловливающих коррозионный процесс, увеличивается). Однако высокие температуры, сочетающиеся с длительным пребыванием металла в контакте с электролитом, что, например, наблюдается во влажном тропическом климате, способствуют усиленной коррозии. В морской атмосфере тропических районов осаждение аэрозолей и капель морской воды на нагретую поверхность металлов приводит к резкому увеличению скорости коррозии [3].
Принимая во внимание, что Куба является длинным и узким островом, который в течение зимнего периода продувается сильными северо-восточными пассатами, можно предположить,
что существует большое влияние морских аэрозолей не только в прибрежных районах, но практически во всех точках страны.
Таким образом, климат Кубы характеризуется высокими значениями влажности воздуха и температуры, а также повышенным содержанием хлоридов в атмосфере.
Температурно-влажностные параметры тропического климата Кубы способствуют скоплению и длительному удержанию конденсата в «застойных зонах» фюзеляжа и крыла.
Большое количество хлоридов и других примесей в атмосфере Кубы приводит к обогащению конденсата коррозионно-активными агентами, значительно увеличивая его агрессивность. Причем ионы хлора увеличивают агрессивность не только «чистого» конденсата, но и активной среды, проникающей в подпольные зоны фюзеляжа из туалета, буфета и др. бытовых отсеков из-за недостаточной герметичности зон установки специального оборудования.
Все вышеперечисленные факторы влажного тропического климата значительно влияют как на скорость коррозионного процесса металлов, так и на состояние лакокрасочных покрытий (ЛКП).
Влияние факторов влажного тропического климата на старение ЛКП
В процессе эксплуатации лакокрасочных покрытий теряется их декоративный вид, снижаются физико-механические и защитные свойства, что обусловлено действием внешних и внутренних факторов. Основной причиной старения ЛКП являются химические и физические процессы, происходящие в пленке покрытия под влиянием света, тепла, влаги, кислорода и других факторов.
Свет. В комплексе климатических элементов, определяющих разрушение ЛКП, световая энергия играет наиболее важную роль. Действие солнечного света является главным фактором, вызывающим потерю блеска ЛКП и изменение цвета, а также меление на более глубоких стадиях старения.
Температура. Световое воздействие в атмосферных условиях всегда сопровождается повышением температуры.
Температура окрашенной поверхности существенно зависит от цвета ЛКП. Например, при температуре окружающего воздуха 20°С температура на поверхности ЛКП белого цвета составляет 43°С, зеленого 49°С, коричневого 56°С, черного 65°С (рис. 1).
В атмосферных условиях повышенной температуры и влажности в ЛКП происходит физико-химические процессы старения полимера, в результате которых образуются газообразные и жидкие продукты деструкции. Повышение температуры ускоряют процесс старения полимера, вызываемый световым облучением. Так, в интервале температур от 35 до 60 °С с повышением температуры на каждые 10° примерно вдвое увеличивается скорость деструкции. Понижение температуры вызывает переход пленкообразователя в стеклообразное, а затем в хрупкое состояние. Резкие колебания температуры могут приводить к микро- и макрорастрескиванию ЛКП под влиянием внутренних напряжений [6].
о
га
а
>
гз
а
<и
С
2
ф
50
40
30
20
10
0
ю
и
X
ф
и
аэ
ф
а
о
а
ф
(при
цвет ЛКГ
Рис. 1. Зависимость температуры окрашенной поверхности от ЛКП температуре окружающего воздуха +20°С)
Влага. В присутствии влаги происходит размягчение пленок, вымывание из них водорастворимых примесей и гидролиз полимера. Длительное действие влаги на ЛКП, характерное для влажного тропического климата, приводит к набуханию, образованию пузырей (из-за проникновения влаги под пленку покрытия), отслаиванию и последующему коррозионному разрушению металлических окрашенных поверхностей.
Коррозионно-активные загрязнения. Появление продуктов коррозии на ЛКП свидетельствует о разрушении окрашенного материала. Образование коррозии под пленкой ЛКП может свидетельствовать о недостаточных защитных свойствах покрытия в жестких условиях высокой влажности и коррозионно-активных примесей. Так, по данным исследований, на ЛКП в условиях умеренного климата коррозионные разрушения появляются после 8 лет, то в условиях тропиков на Кубе на идентичных образцах через 2 года экспонирования.
Особенно подвержены коррозионным разрушениям горизонтальные окрашенные поверхности. Скорость распространения коррозии от надреза на горизонтальных поверхностях в 2 раза выше, чем на вертикальных поверхностях.
Таким образом, влажный тропический климат ускоряет процессы старения лакокрасочных покрытий. Свет, высокая влажность, температура и большое количество хлоридов приводит к более раннему возникновению различных видов разрушений ЛКП (меления, пузырения, растрескивания, отслаивания), что в дальнейшем приводит к развитию коррозии.
Влияние влажного тропического климата на коррозионное состояние ВС, имеющих большую наработку и сроки службы.
Необходимо учитывать, что в исходном состоянии металлы и сплавы обладают хорошим комплексом противокоррозионных свойств, которые под действием эксплуатационных факторов (нагрузки, агрессивные среды и т.д.) ухудшаются. Деградация характеристик механических свойств металлических материалов, происходящая вследствие изменений структуры, падение качества защитных покрытий, наличие неопределенных в эксплуатации очагов коррозии и др. факторов, может способствовать многократному ускорению коррозионно-усталостных разрушений.
Проблема негативного влияния влажного тропического климата на элементы конструкции становится наиболее актуальной для ВС, имеющих большую эксплуатационную наработку и сроки службы. Они более подвержены влиянию любых внешних факторов.
Исследования показали, что в процессе эксплуатации ВС в сплавах Д16АТ и В95 происходят структурно-фазовые превращения (изменение формы зерна, сегрегационные эффекты и дораспад твердого раствора), приводящие к изменению потенциальной склонности этих сплавов к расслаивающей и питтинговой коррозии [5]. Склонность как к расслаивающей, так и к питтинговой коррозии немонотонно увеличивается от наработки. Повышение склонности алюминиевых сплавов к этим видам коррозии значительно увеличивается в присутствии ионов хлора, что наблюдается в условиях влажного тропического климата Кубы. Поэтому на ВС, которые эксплуатируются в «жестких» климатических условиях и имеют большие наработки и сроки службы, при нарушении целостности защитных покрытий возникает большая вероятность развития расслаивающей и межкристаллитной коррозии.
Так, например, на самолетах типа Як-40, эксплуатирующихся в республике Куба (рис. 2), наибольшее количество коррозионных поражений отмечается на верхней и нижней поверхности крыла, выполненных из прессованных панелей Д16Т. Первые коррозионные повреждения прессованных обшивок верхней и нижней поверхностей крыла на самолетах типа Як-40 были обнаружены уже через несколько лет после начала эксплуатации.
Учитывая тот факт, что расслаивающая коррозия развивается без торможения во времени, несвоевременное обнаружение и устранение коррозии приводит к образованию коррозионных повреждений, превышающих допустимые значения, что увеличивает трудоемкость выполнения ремонта в данных зонах.
Степень поражения коррозией верхних и нижних прессованных панелей кессона крыла определяется в первую очередь временем воздействия коррозионно-активной среды
(конденсата и влаги, насыщенных хлоридами), а также защитными и адгезионными свойствами лакокрасочного покрытия. Конденсат, образующийся вследствие перепада температур в дневное и ночное время, в большей степени осаждается и удерживается в течение более длительного времени на верхней поверхности крыла. В связи с этим на самолетах типа Як-40 уже в течение 2-3 лет эксплуатации в условиях морского тропического климата в первую очередь начинает развиваться коррозия прессованных панелей верхней поверхности крыла. На нижней же поверхности за полтора года эксплуатации коррозия имела место только в зоне контакта разнородных материалов, электродные потенциалы которых значительно отличаются. Через 6 лет с начала эксплуатации в климатических условиях Кубы самолеты имели коррозионные повреждения как верхней, так и нижней поверхностей крыла, при этом размеры коррозионных повреждений прессованных панелей нижней поверхности крыла несколько меньше, чем верхней.
Необходимо отметить еще один фактор влияния влажного тропического климата Кубы на коррозионное состояние «стареющих» ВС. Многочисленные зачистки коррозионных поражений элементов конструкции ВС, эксплуатирующихся в этом климате, приводят к тому, что удаляются как защитные покрытия (анодное и ЛКП), так и часть плакирующего слоя. Но если систему ЛКП и анодное покрытие можно восстановить в соответствии с документацией по каждому типу самолета, то плакирующий слой восстановлению не подлежит.
Известно, что плакирующий слой не только изолирует от коррозионной среды сплав Д16АТ, но и защищает его электрохимически, поэтому на первых этапах разрушения плакировки основной сплав может быть еще защищен от коррозии. Это объясняется тем, что в паре алюминий-дюралюминий последний является катодом и вся коррозия локализуется в поверхностном алюминиевом слое. Электрохимическая защита действует до определенных размеров площади разрушенной плакировки.
Поэтому при больших площадях повреждений плакирующего слоя его защитные свойства существенно падают. К тому же проведенные лабораторные исследования в камере соляного тумана образцов из сплава Д16АТ с плакировкой свидетельствуют о немонотонном изменении защитной способности плакирующего слоя от нагрузок и продолжительности испытаний в соляном тумане. При некоторых нагрузках защитный эффект плакировки вообще не проявляется. Защитное действие плакирующего слоя при длительной выдержки в камере (для всего спектра нагрузок) заметно снижается, оставляя практически незащищенным основной сплав.
Выводы
1. На ВС разных типов, эксплуатирующихся на Кубе, возникают и интенсивно развиваются значительные коррозионные поражения различных элементов конструкции. Коррозионные дефекты носят массовый характер. Ряд коррозионных дефектов отмечаются только в подобных климатических условиях. Коррозия на элементах конструкции самолетов, эксплуатирующихся на Кубе, возникает и развивается за существенно меньшие календарные сроки эксплуатации.
Шасси
11%
Двигатель
17%
Ак. отсек 1% Киль 9%
Фюзеляж
24%
Крыло 38%
Рис. 2. Распределение дефектов по зонам конструкции на самолете типа Як-40, эксплуатирующихся в республике Куба (2005-2008 гг.)
2. На ВС, эксплуатирующихся в условиях Кубы коррозии, подвергаются наружные поверхности самолета (внешняя обшивка фюзеляжа, панели крыла, обшивка киля).
3. Причиной высокой интенсивности коррозии на ВС, эксплуатирующихся на Кубе, является неблагоприятное воздействие факторов влажного тропического климата:
- скопление и длительное удержание на поверхности изделий пленки влаги;
- обогащение пленки влаги коррозионно-активными примесями и, прежде всего, хлоридами.
4. Свет, высокая влажность, температура и высокое содержание хлоридов, характерные для влажного тропического климата Кубы, способствуют преждевременному старению лакокрасочных покрытий, более раннему возникновению различных видов разрушений ЛКП (меления, пузырения, растрескивания, отслаивания), что в дальнейшем приводит к развитию коррозии.
5. Скопление и длительное удержание конденсата с высоким содержанием коррозионноактивных в «застойных зонах» интенсифицируют коррозионные процессы на всех основных конструкционных материалах: алюминиевых сплавах, высокопрочных сталях, магниевых сплавах. Ионы хлора создают благоприятные условия для возникновения и развития на конструкционных алюминиевых сплавах (Д16 и В95) таких опасных видов локальной коррозии как расслаивающая и межкристаллитная коррозия.
4. Наиболее значимо влияние климатических условий Кубы на коррозионное состояние ВС, имеющих большую наработку и сроки службы. Это связано с тем, что в процессе длительной эксплуатации ВС происходит:
- падение качества защитных покрытий;
- изменение структуры конструкционных алюминиевых сплавов, которое приводит к значительному повышению склонности сплавов Д16АТ и В95 к расслаивающей и питтинговой коррозии. Повышение потенциальной склонности к питтинговой коррозии в присутствии ионов хлора напрямую связано с развитием межкристаллитной коррозии;
- накопление неопределенных в эксплуатации очагов коррозии.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 9.039-74. Единая система защиты от коррозии и старения. Коррозионная агрессивность атмосферы.
2. ГОСТ 15150-69. Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды.
3. Корво Перес Ф. Атмосферная коррозия углеродистой стали Ст3 во влажном тропическом климате Кубы, Защита металлов. - М., 1992.
4. Справочник. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений; Под ред. А. А. Герасименко. - М.: Машиностроение, 1987, т. 1.
5. Васильев В.Ю., Шапкин В.С., Метелкин Е.С., Дуб А.В. Коррозия и старение воздушных судов при длительной эксплуатации. - М.: Логос, 2007.
6. Михайловский Ю.Н. Атмосферная коррозия металлов и методы их защиты. - М.: Металлургия, 1989.
ANALYSIS OF THE IMPACT OF EXTREME CLIMATIC CONDITIONS IN THE PAINT COATINGS AND CORROSION BEHAVIOR OF METALS
Antonova M.V., Bozhevalov D.G., Kotelevets N.A., Obuxov P.V., Sokolov Y.S.
The article deals with the influence of various climatic factors on the corrosion behavior of metals and paint coatings AC domestic production in a humid tropical climate on the example of the republic of Cuba.
Сведения об авторах
Антонова Марина Владимировна, окончила МИСиС (1986), старший научный сотрудник ФГУП ГосНИИ ГА, автор 17 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, коррозия и антикоррозионная защита ВС ГА.
Божевалов Дмитрий Геннадьевич, 1975г.р., окончил МГТУ ГА (1998), ведущий инженер ФГУП ГосНИИ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - поддержание летной годности ВС ГА РФ с точки зрения коррозионной стойкости ВС ГА.
Котелевец Нина Алексеевна, окончила МАТИ (1976), кандидат технических наук, начальник лаборатории отдела исследований долговечности и коррозионной стойкости ВС ФГУП ГосНИИ ГА, автор 25 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, коррозия и антикоррозионная защита ВС ГА.
Обухов Павел Вячеславович, 1975г.р., окончил МАИ (1998), руководитель группы отдела исследований долговечности и коррозионной стойкости ВС ФГУП ГосНИИ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - поддержание летной годности ВС.
Соколов Юрий Сергеевич, 1979г.р., окончил МАИ (2001), ведущий инженер ФГУП ГосНИИ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - поддержание летной годности ВС ГА РФ с точки зрения коррозионной стойкости ВС.
