CC BY
19УДК 620.19:629.5.023
О.А. Белов, Е.П. Белова
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
ВОПРОСЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ КОРАБЛЕЙ И СУДОВ ОТ КОРРОЗИИ В СОВРЕМЕННЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ
Как известно, коррозия является одним из ключевых факторов деградации корпуса судна. Исследованию процессов коррозии, определению скорости протекания коррозионных разрушений, а также совершенствованию способов защиты от коррозии и методов контроля посвящено большое количество исследований как российских ученых, так и зарубежных авторов. Следует отметить, что данное направление является весьма актуальным, что подтверждается наличием большого числа публикаций по этой теме как в зарубежных, так и в отечественных научных изданиях. Именно вопросам контроля, аналитического прогнозирования и оценки фактического состояния защищенности корпуса судна посвящен ряд работ представителей Камчатского государственного технического университета. Основной целью исследований в данном направлении является совершенствование как самой системы антикоррозионной защиты судов, так и средств и методов контроля ее фактического состояния на протяжении всего периода эксплуатации. В качестве необходимых условий для достижения данной цели авторы рассматривают возможности современных информационных технологий, программных средств и средств измерений. Приводится подробный анализ как самих информационных технологий, так и методов их применения при оценке технического состояния корпуса судна, анализа и прогнозирования активности протекания коррозионных процессов.
Ключевые слова: электрохимическая коррозия, скорость коррозии, коррозионный процесс, защита от коррозии, исследование коррозии.
O.A. Belov, E.P. Belova
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamcharsky, 683003 e-mail: [email protected]
ISSUES OF IMPROVING THE PROTECTION OF SHIPS AND VESSELS AGAINST CORROSION IN MODERN SCIENTIFIC RESEARCH
As you know, corrosion is one of the key factors in the degradation of the ship's hull. A large number of studies, both by Russian scientists and foreign authors, are devoted to the study of corrosion processes, the determination of the rate of corrosion damage, as well as the improvement of corrosion protection methods and control methods. It should be noted that this direction is very relevant, which is confirmed by the presence of a large number of publications on this topic both in foreign and domestic scientific journals. A number of works by representatives of the Kamchatka State Technical University are devoted to the issues of control, analytical forecasting and assessment of the actual state of protection of the ship's hull. The main goal of research in this direction is to improve both the system of anti-corrosion protection of ships, and the means and methods for monitoring its actual state throughout the entire period of operation. As necessary conditions for achieving this goal, the authors consider the possibilities of modern information technologies, software and measuring instruments. A detailed analysis of both the information technologies themselves and the methods of their application in assessing the technical condition of the ship's hull, analysis and prediction of the activity of the course of corrosion processes is given.
Key words: electrochemical corrosion, corrosion rate, corrosion process, corrosion protection, corrosion research.
Необходимость совершенствования организации технической эксплуатации кораблей и судов, а также возрастающие требования к обеспечению безопасности мореплавания актуализируют проведение научных исследований по данной теме. Важным вопросом остается обеспечение эффективной защиты судовых корпусных конструкций от коррозии как основного фактора,
влияющего на прочность и надежность корпуса судна. Исследования по данной теме ведутся в нескольких направлениях, среди которых приоритетными являются детальное изучение процессов коррозии, совершенствование средств антикоррозионной защиты и повышение эффективности системы контроля за состоянием корпуса судна.
Современные микропроцессорные технологии позволяют расширить возможности как способов защиты от коррозии, так и методов контроля и измерения параметров электрического поля судна и его защитного потенциала. Также повышается точность самих измерений за счет совершенствования первичных измерительных преобразователей. При этом большое внимание уделяется подготовке операторов как важного звена в системе контроля за состоянием корпуса судна. Этот фактор во многом определяет эффективность мероприятий по контролю и защите корпуса судна от коррозии и как следствие - экономический результат технической эксплуатации судна.
Так, еще в 2000 г. В.Х. Хартт в своем докладе «Морская катодная защита - исторические тенденции и последние достижения (W.H. Hartt "Marine cathodic protection-historical trends and recent accomplishments". Conference Paper OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition) перечислил исторические отличительные достижения, связанные с проектированием и функционированием систем катодной защиты морских сооружений. Автором представлен сравнительный анализ начальных принципов разработки защитных систем, основанных на методе параметров наклона и разработанном на его основе едином расчетном уравнении, с современной стандартной практикой проектирования.
В работе описано применение, в том числе преимущества и ограничения этого подхода как к гальваническим, так и к импрессионным токовым системам катодной защиты на пространственных каркасах (например нефтедобывающие платформы), двухмерных (корпуса судов) и одномерных (трубопроводы и кабели) конструкциях. Автором показано преимущество этого метода в сравнении с существующими стандартными рекомендуемыми практиками [1].
В это же время научному сообществу была представлена обширная работа в области исследования коррозии морских судов, выполненная группой испанских ученых в составе Маринелы Панаётовой (Marinela Panayotova), Йордана Гарбатова (Yordan Garbatov) и Карлоса Соареса (Carlos Soares). В данной работе подробно описываются различные формы коррозии стали в морской среде. Выполнен глубокий анализ коррозионных процессов, которым подвергаются конструкционные стали при нахождении в морской среде. Представлены различные модели коррозии и проанализирована их способность прогнозировать развитие коррозионных процессов.
Также рассматриваются дополнительные факторы, активизирующие коррозионные процессы на уровне составных компонентов конструкционных сталей в процессе эксплуатации металлических корпусов. В статье предлагается обсуждение влияния состава сталей и его разновидностей на интенсивность процессов коррозии. Авторами также рассматриваются и другие эксплуатационные факторы, влияющие на развитие коррозии балластных систем, нефтяных танков и грузовых трюмов. В статье выполнен анализ методов и средств мониторинга, натурных испытаний и комплексной оценки защиты от коррозии [2].
Еще один способ определения скорости коррозии, запатентованный в США, основан на использовании шума потенциала, который при отклонении стационарного потенциала корродирующего металла коррелирует с характером коррозии. Шум потенциала может служить показателем начавшейся коррозии [3].
Кроме того, описан и способ электрохимической импедансометрии. При данном способе производятся замеры силы тока амперметром с нулевым сопротивлением. Сила тока резко уменьшается при повреждении защитной пленки металла вследствие распространения коррозии. Таким образом, по показателям силы тока можно судить о начале процессов коррозии.
Особенностям протекания коррозионных процессов в различных средах уделяется достаточное внимание и российскими учеными. В частности, А.С. Рысаков разработал свой способ определения скорости коррозии металлов и сплавов. По этому методу испытуемый образец помещается в коррозионную среду для замера потенциала коррозии. Затем производят удаление поляризатора из среды, а потенциал испытуемого образца поддерживают равным потенциалу коррозии. Получившееся значение тока позволяет установить скорость коррозии.
Другой способ определения скорости коррозии предложил В.Н. Лаврентьев. Образец испытуемого металла поляризуют током пассивации, выдерживая в растворе до установления постоянного значения потенциала. После этого образец анодно поляризуют и снимают кривую
поляризации. По этой кривой судят о скорости коррозии. Также известен способ А.П. Лубенско-го для определения скорости коррозии в агрессивной среде. Суть данного способа заключается в измерении тока между специально изготовленным образцом и медно-сульфатным электродом сравнения, которые помещаются в агрессивную среду. По силе тока судят и о скорости коррозии.
П.М. Созонов разработал способ обнаружения коррозионных повреждений на подземных трубопроводах. В процессе такого исследования трубопровод разбивают на участки. На границах участков откапывают шурфы. Затем проводят замеры электрического сопротивления участков и электрического сопротивления в шурфах по четырехэлектродной методике. На окончаниях трубы замеряют толщину стенки и наружный диаметр. Эти данные позволяют установить удельное сопротивление металла трубы.
Удельное сопротивление металла трубы позволяет произвести дальнейшие расчеты. Устанавливается электрическое сопротивление участка используемого типоразмера труб с минимально допустимой толщиной стенки. Затем производится сравнение измеренных и рассчитанных значений для этих участков. Полученные отклонения позволяют судить о степени коррозионных повреждений металла на участках.
А.И.-М. Цинман использовал способ, при котором коррозия исследуется на поверхностях внутри трубопроводов и цилиндрических сосудов. Для исследования пользуются образцом-свидетелем, представляющим собой плоскую пластину, вводящуюся в закрепленном положении на направляющем штоке на поверхность исследования. Впоследствии на пластину прикладывается расчетное деформирующее усилие по средствам направляющего штока. Процесс повторяют пока пластина не начнет полностью прилегать к внутренней поверхности изучаемого объекта. Следующий этап подразумевает выдержку «образца-свидетеля» в агрессивной коррозионной среде. В завершение oбрaзeц-свидeтeль вынимают и подвергают изучению.
Способ контроля скорости коррозии металлических объектов, автором которого является Ю.Н. Пчельников, предполагает помещение объекта исследования в коррозионную среду и установки скорости коррозии с помощью возбуждения поверхностной электромагнитной волны. Вместе с этим чувствительный «орган» располагается в точке соприкосновения с коррозионной средой. В зоне, разграничивающей чувствительный орган и поверхность контролируемого объекта, возбуждается замедленная электромагнитная волна со смещенной энергией магнитного поля. О скорости объекта судят по изменению замедления электромагнитной волны.
Кроме того, во многих патентах, отечественных и зарубежных статьях отражены новые методики контроля средств электрохимической защиты [4-7]. Однако в связи с необходимостью длительной подготовки образцов, средств исполнений и реагентов такие методики невозможно использовать в судовых условиях. Кроме того, такие замеры способен произвести только квалифицированный специалист-химик. Этот факт также делает эти методы несостоятельными в судовой практике.
В исследованиях, проводимых группой авторов под руководством Ф. Дарчивио DarcЫvю), отмечается, что несмотря на совершенствование и развитие систем антикоррозионной защиты, затраты на восстановление судов и ремонт их корпусов, поврежденных коррозией, остаются высокими.
Сокращение затрат на ремонт в современных реалиях является важной и актуальной задачей. Для решения этой задачи авторами предлагается методика моделирования электрохимии распределения тока по корпусу судна для лучшего понимания протекающих процессов и дальнейшего совершенствования антикоррозионной защиты судов, а также продления их срока службы.
Авторы статьи обосновывают целесообразность проверки реального расхода гальванических анодов (протекторов) и дооснащения проектных критериев во время ремонта судна в сухом доке при очередном освидетельствовании. На сегодняшний момент такой подход не является стандартным, и продолжает использоваться технология удаления оставшихся протекторов в ходе подготовки корпуса судна к ремонту в сухом доке [8].
Некоторые исследователи в своих публикациях отмечают необходимость применения комбинированной защиты корпуса судна. Проведенный анализ показывает, что наиболее распространенными методами защиты от коррозии остаются катодная защита и использование специальных покрытий корпуса. Так как каждый из этих методов имеет свои недоработки, наиболее эффективным, по мнению авторов, является комплексный подход с сочетанием катодной защиты и лакокрасочных покрытий. Такое сочетание методов способствует повышению уровня антикоррозионной защиты и обеспечивает ее работоспособность в течение длительного периода времени.
В этот же период авторы научных публикаций по данной теме Фернандо Б. Майнер и Витор Перассолли обращают внимание на важность технического обслуживания и поддержание в работоспособном состоянии систем антикоррозионной защиты. В своих публикациях они рассматривают последствия коррозионных повреждений корпуса судна вследствие его эксплуатации с вышедшей из строя системой катодной защиты. Сама система катодной защиты - ее конструкция, технология монтажа, техническое обслуживание и эксплуатация - авторами статьи признается эффективной. При этом приводятся последствия воздействия активных коррозионных процессов на корпус в период полугодовой стоянки судна на якоре с нефункционирующей катодной защитой. Также авторами оценивается объем работ, выполненных в период ремонта судна для устранения последствий коррозионных разрушений и восстановления эксплуатационных качеств корпуса [9].
Особое место в зарубежных публикациях отводится вопросам моделирования коррозионных процессов и работы защитных систем. Рассмотрение этих вопросов представлено в статьях «Предотвращение коррозии корпуса судна при помощи ICCP и моделирования» (C. Fairclough "Avoiding Ship Hull Corrosion with ICCP and Simulation") и «Имитация импрессионного тока катодной защиты» (B. Nistad "How to Simulate Impressed Current Cathodic Protection").
В этих статьях указывается, что катодная защита является распространенным методом защиты металлических конструкций от гальванической коррозии, и приводится описание, как работает этот метод и для каких приложений он обычно используется. Приведен пример такого моделирования на корпусе судна, а также объясняются ключевые моменты для его реализации. В публикациях применяется моделирование, чтобы исследовать влияние характеристик конструкции винта и гребного вала на эффективность использования импрессионного тока катодной защиты (ICCP). В этой модели одним из важных аспектов является сигнатура электрического поля, возникающая в результате работы системы катодной защиты вала и гребного винта на борту [10, 11].
В публикациях группы ученых индонезийского университета в составе Ади Курниавана (Adi Kurniawan), Сутопо Пурвоно Фитри (Sutopo Purwono Fitri), Мухаммада Рахмана (Muhammad Rahman) подчеркивается, что катодная защита импульсным током является эффективным методом защиты судовых корпусных конструкций от коррозии. Реализация данного способа основана на применении термоэлектрического генератора с отбором мощности от системы выхлопных газов дизельной энергетической установки. Экспериментальные исследования прототипа термоэлектрического генератора на действующем судне позволили получить данные для вычисления требуемых параметров мощности генератора для эффективного электропитания системы катодной защиты импульсным током. Основной вывод по результатам данной работы показывает возможность снижения скорости протекания коррозионных процессов за счет применения метода катодной защиты импульсным током и при этом избегания дополнительных затрат на производство необходимой для этого электроэнергии [12].
Одним из главных направлений в исследованиях проблемы коррозии является обеспечение параметров надежности эксплуатируемых антикоррозионных систем. Многими авторами используется апробированный и усовершенствованный метод расчета надежности первого порядка (МНПП). Эффективность данного метода продемонстрирована в представленных в публикации результатах оценки надежности корпуса морского танкера, подвергнутого воздействию коррозии. На основании этого сделан вывод о влиянии погрешностей математической модели прогнозирования поведения элементов корпусных конструкций при динамических нагрузках на вероятность их разрушения [13].
Исследования по теме восстановления судов, поврежденных коррозией, и оценки качества выполненных ремонтных работ являются продолжением темы обеспечения надежности и также часто встречаются в иностранной научной литературе. В одной из своих работ Дэвид Чичи (David Chichi) и Йордан Гарбатов (Y ordan Garbatov) определяют целью исследования изучение эффективности восстановления эксплуатационных свойств корпуса нефтяного танкера в ходе устранения коррозионных повреждений. Оценка производится с учетом финансовых затрат, связанных с дооснащением или заменой элементов корпуса. С использованием метода Монте-Карло моделируется неравномерность коррозионной деградации элементов корпуса судна и определяется степень вероятности выхода из строя. В качестве дооснащения рассматриваются варианты полной замены листов обшивки корпуса, применение дополнительных продольных и поперечных ребер жесткости и усиление фланцевых отверстий. Всего в статье рассматривается и анализируется более десятка возможных сценариев [14].
Важным направлением в современных исследованиях коррозионных процессов является определение влияния коррозии на свойства материалов, применяемых для эксплуатации в морской среде. Результаты многих экспериментов показали, что без защитных покрытий металлических материалов процессы коррозии протекают более активно. Все это наглядно демонстрирует зависимость величины отклонения стандартных характеристик материалов как от качества покрытия, так и от вида используемого материала. В частности, экспериментально подтверждена лучшая устойчивость к коррозионному воздействию материалов из алюминия.
Таким образом, на современном этапе учеными уделяется большое внимание вопросам организации контроля за состоянием корпуса судна в процессе эксплуатации, в том числе с использованием информационных технологий и применением специальных автоматизированных комплексов и программных средств. Задачи организации защиты корпусов кораблей и судов от коррозии, а также вопросы восстановления корпусов, повышения их прочности и надежности после устранения коррозионных деформаций и разрушений также продолжают оставаться актуальными. С учетом востребованности флотом эффективных методов и способов защиты от коррозии и контроля за состоянием корпуса судна, разработки и исследования в этом направлении являются особенно актуальными.
Литература
1. Hartt W.H. Marine cathodic protection-historical trends and recent accomplishments. Conference Paper OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition. - Vol. 3. - 2000.
2. Panayotova M., Garbatov Y., Soares C.G. Corrosion of steels in marine environment, monitoring and standrds. - Safety and Reliability of Industrial Products, systems and Structures. - Taylor and Francis Group, London, 2010. - P. 369-413.
3. Пат. 2222001, U1 МПК G01N 17/02 (2006.01). Способ, предусматривающий использование электрохимического шума при коррозии / Йованчичевич В. / заявитель и патентообладатель Бэйкер Хьюз Инкорпорейтед (US). - № 2001119059/28; заявл. 12.09.1999. - Опубликован 12.09.1999, бюллетень № 2.
4. Пат. RU № 2643709. Способ контроля защищенности стальных корпусов кораблей и судов от электрохимической коррозии и электрокоррозии / О.А. Белов, В.А. Швецов, О.А. Бела-вина. - Опубл. 05.02.2018.
5. Ivocevic S., Bauk S. The use of information technology in the assessment of the corrosion damage on ship hull // 23rd International Scientific-Professional Conference on Information Technology (IT). - February 2018.
6. Udosoh N.E., Awwal S.I. Performance assessment of ship hull metal in seawater media // Journal of Engineering Research and Reports. - Vol. 15. - August 2020. - P. 50-56.
7. Tezdogan T., Demirel Y.K. An overview of marine corrosion protection with a focus on cathodic protection and coatings // Brodogradnja: Teorija i praksa brodogradnje i pomorske tehnike. -Vol. 65. - June 2014. - P. 49-59.
8. Darchivio F., Cassanelli A., Simison S. Cathodic protection of ship hulls by galvanic anodes: design evaluation // Nace International. Corrosion 2209: Conference and Expo. - January 2009. - P. 1-7.
9. Mainier F.B., Perassolli V. Ship hull corrosion caused by default and lack of maintenance on the impressed current cathodic protection // IOSR Journal of Engineering. - 2014. - Vol. 04. - P. 34-39.
10. Fairclough C. Avoiding Ship Hull Corrosion with ICCP and Simulation. 2015. Available from: https://www.comsol.com.
11. Nistad B. How to Simulate Impressed Current Cathodic Protection. 2019. Available from: https://www.comsol.com.
12. Kurniawan A., Fitri S.P, Rahman M. Experimental Study of Thermoelectric Generator as Electrical Source of Impressed Current Cathodic Protection for Ship Hull // International Journal of Marine Engineering Innovation and Research. - June 2017. - Vol. 1 (3). - P. 143-148.
13. Gong Ch., Frangopol D. System reliability of corroded ship hull girders // Structure and Infrastructure Engineering. - December 2019. - Vol. 16. - P. 1-9.
14. Chichi D., Garbatov Y. Retrofitting analysis of tanker ship hull structure subjected to corrosion // Brodogradnja: Teorija i praksa brodogradnje i pomorske tehnike. - June 2019. - Vol. 70. - P. 87-109.
