Защита от коррозии корпуса судна

Морская коррозия

Особенности процесса морской коррозии

Факторы морской коррозии металлов

Защита от морской коррозии

Морская коррозия – один из видов электрохимической коррозии. Морская вода – отличный электролит.

Морская вода хорошо аэрирована (около 8 мг/л кислорода), имеет достаточно высокую электропроводность (может достигать 3•10-2 Ом-1 см-1), которая исключает появление омического торможения.

Среда – нейтральная (рН = 7,2 – 8,6). В морской воде присутствуют соли кальция, калия, магния, сульфаты натрия, хлориды.

Именно из-за наличия в морской воде растворенных хлоридов (ионов-активаторов Cl-) она обладает депассивирующим действием, по отношении к металлической поверхности (разрушает и предотвращает появление пассивных пленок на поверхности металла).

Морской коррозии подвергаются: металлическая обивка днищ судов, подводные трубопроводы, морская авиация, различные металлоконструкции, находящиеся в воде, металлические конструкции в портах, прокатные валки на блюминге, которые охлаждаются морской водой и т.п.

Наиболее часто выбирают для эксплуатации в условиях морской коррозии сталь. Для быстроходных морских судов и морской авиации используют более легкие сплавы.

Особенности процесса морской коррозии:

— высокая агрессивность среды (как самой воды, так и окружающей атмосферы);

— большое влияние контактной коррозии металлов;

— дополнительное влияние механического фактора (эрозия, кавитация);

— протекание биологической коррозии и большое влияние биологического фактора (обрастание днища морского суда микроорганизмами).

Морская коррозия протекает с кислородной деполяризацией и является электрохимическим процессом. Процесс проходит по смешанному дифузионно-кинетическому катодному контролю.

При интенсивной аэрации, быстром движении морского суда или самой воды (течение) может преобладать кинетический контроль.

В условиях неподвижной морской воды или при наличии на металлической поверхности толстого шара вторичных продуктов коррозии преобладает диффузионный катодный контроль.

В условиях морской коррозии защитная пленка (оксидная или шар продуктов коррозии) являются катодом, а металл в порах, трещинах и других дефектах – анодом.

Морская атмосфера менее агрессивна, чем промышленная.

При протекании морской атмосферной коррозии разрушения носят более равномерный характер, чем коррозия в морской воде.

Соленость воды

Соленость воды – влияет на скорость протекания морской коррозии незначительно. Соленость воды колеблется от 10‰ (Азовское море) до 35,6‰ (Тихий океан). Величина солености воды показывает количество твердых веществ в граммах, растворенных в 1000 г  морской воды.

Состав морской воды

Состав морской воды иногда может играть достаточно большую роль. Например, присутствие в воде сероводорода облегчает протекание как катодного, так и анодного процессов коррозии. На поверхности металла образуются труднорастворимые сульфиды, кроме того идет подкисление среды.

Ионы брома, йода даже при очень малом их содержании ускоряют процесс морской коррозии металлов. Некоторые соединения могут оказывать благоприятное действие (углекислый кальций, кремнекислые соединения).

Они образуют на поверхности металла или сплава оксидную пленку, обладающую защитным эффектом.

Движение водных масс

Движение водных масс влияет на скорость диффузии кислорода. При интенсивном перемешивании воды (быстрое движение морского суда) процесс проходит преимущественно с кинетическим контролем, а  при неподвижной воде – диффузионным.

Ватерлиния

Ватерлиния – зона периодического смачивания водой. Морская коррозия вблизи ватерлинии всегда носит усиленный характер.

Это связано с облегченным доступом кислорода к поверхности (усиленной аэрацией поверхности металла); агрессивным влиянием брызг (на месте высохших брызг остаются кристаллики соли, которые препятствуют образованию защитных пленок); поверхностный слой морской воды более прогретый солнечными лучами и в условиях усиленной аэрации идет усиление коррозии металла.

Зазоры и щели

Наличие зазоров и щелей в металлоконструкции очень негативно влияет на морскую коррозию металла. Металл в щели плохо аэрирован и играет роль анода, проходит его усиленное растворение.

Прокатная окалина на поверхности металла

Наличие на поверхности металлоконструкции  участков, неочищенных от прокатной окалины в десятки раз может ускорить протекание морской коррозии. На поверхности металла возникает гальванопара.

В этом случае окалина является катодом, а чистый металл – анодом. Проходит анодное растворение металла.

Такой же эффект наблюдается при наличии окрашенных участков (по отношению к неокрашенным) или при нарушении сплошности лакокрасочного покрытия.

Биологическая морская коррозия

Присутствие в морской воде различных микроорганизмов (бактерии, моллюски, кораллы и т.д.) обуславливает прохождение биокоррозии металла. Из-за их наростания и скопления на обивке днищ судов и других его частях, к поверхности плохо подходит кислород, возникают различные неровности, происходит разрушение поверхности, усиленное коррозионное разрушение в щелях и зазорах.

Иногда обрастание металлоконструкции микроорганизмами имеет и положительный характер. Образовавшийся слой может тормозить коррозионный процесс. Вот, например, обрастание поверхности стали мидиями значительно тормозит коррозию сплава. Это явление объясняется значительным потреблением мидиями кислорода.

Кроме значительного влияния микроорганизмов на коррозионный процесс, их значительное скопление на днище морского суда может несколько тормозить его ход, при этом необходимо увеличивать мощность двигателей.

Морской биокоррозии наиболее часто подвергаются стали, сплавы на никелевой, алюминиевой основе, свинец, олово сплавы на их основе.

Магний и цинк морской биокоррозии могут не подвергаться.

Наилучшим материалом для применения в условиях биокоррозии можно считать медь. Ее ионы токсичны и поверхность не обрастает.

Контактная коррозия

Очень часто в условиях морской атмосферы наблюдается контактная коррозия металлов. Отчасти это обусловлено хорошей электропроводностью морской воды.

Очень многие металлы, находясь в морской воде становятся катодами  по  отношению к стали.

Электрокоррозия

Электрокоррозия возникает в морской среде по двум причинам: во-первых, под действием блуждающих токов (особенно в районе порта и т.п.); во-вторых – в результате неправильных схем питания на судне или других объектах.

Механический фактор

В результате воздействия механического фактора возможна коррозионная усталость, коррозионная эрозия и кавитация.

Защита от морской коррозии

Наиболее распространенный метод защиты металлических изделий от морской коррозии – нанесение лакокрасочных материалов (ЛКМ).

В этих целях используются лакокрасочные материалы на основе битумов, фенолформальдегидной (краски АИШ), винилов (этинолевые лакокрасочные материалы), эпоксидной,  каменноугольной основе. растворителей должно сводится к минимуму либо к нулю.

Лакокрасочные материалы хороши тем, что их достаточно просто наносить и при введении в их состав некоторых добавок можно добиться дополнительных защитных эффектов.

Необрастающую краску наносят только на часть металлоконструкции, находящуюся в непосредственном контакте с водой.

При защите металла от морской коррозии поверхность сначала подвергают холодному фосфатированию, а только потом наносят толстослойное   защитное лакокрасочное покрытие.

Лакокрасочные материалы на виниловой основе сами по себе обладают необрастающим эффектом.

Сплавы на основе алюминия защищают от морской коррозии при помощи оксидирования.

Для защиты от морской коррозии очень часто используют металлические защитные покрытия. Самое распространенное – цинковое. Толщина цинкового покрытия должна составлять около 150 – 200 мкм. Его можно использовать как самостоятельное защитное покрытие, так и в качестве основы под покраску.

Для обивки днища морского суда может использоваться легированный лантаном или цинком алюминий. Алюминиевое покрытие обладает высокой устойчивостью к коррозии, его можно применять в комплексе с лакокрасочным покрытием. Кроме того алюминиевые покрытия имеют повышенную стойкость к эрозии.

Для защиты стали от морской коррозии  первым делом ее поверхность тщательно очищают от прокатной окалины. Для этого используют пескоструйную очистку, либо пламя, или же химическое травление. На обработанную и заранее подготовленную поверхность далее наносят лакокрасочное или металлическое покрытие.

Низкое легирование стали незначительно увеличивают ее стойкость в морской воде.

Высокой стойкостью к морской коррозии отличается медь и ее сплавы, особенно монель-металл, состоящий с 25 – 30% меди, а остальное – никель.

Широкое применение в практике защиты от морской коррозии нашла электрохимическая защита (протекторная или от внешнего источника тока).

Такая защита от морской коррозии может применятся самостоятельно или в комплексе с защитными покрытиями.

Особое место при защите конструкции от морской коррозии занимает рациональное конструирование. Правильный подбор материалов (во избежание контактной коррозии), защитных покрытий, равномерное распределение по всей конструкции напряжений и т.п. могут значительно продлить срок службы металлоконструкции.

Электрокоррозию можно предупредить, использую дренирование или же применяя специальные электросхемы.

Для защиты металлоконструкций от морской биологической коррозии применяют  лакокрасочные материалы с биоцидными добавками. Также есть данные об использовании  метода ультразвуковой защиты.

Недостатком метода является большое потребление энергии и постепенное разрушение защищаемого материала.

Суть метода состоит в воздействии на защищаемую поверхность ультразвуковых колебаний, имеющих частоту 23 – 27 кГц.

Для комплексной защиты стали от морской коррозии можно применять ультразвуковую  и катодную защиту одновременно.

Источник: https://www.okorrozii.com/morskayakorrozia.html

Протекторная защита: все аргументы «за»

Между тем успехи современной бытовой химии таковы, что впору остановиться и подумать: все ли ее достижения одинаково хороши для окружающей среды? Хоть вода и выглядит голубой, нам все же стоит сохранить ее «зеленой».

Производители судовых красок не дремлют, и в то время как мы ищем способы надежно защитить корпуса от обрастания – уже предлагают варианты снижения количества попадающих при этом в воду ядов.

Подходы к защите от коррозии также требует переосмысления.

Недавние исследования показали, что цинк – наиболее распространенный анодный материал – ядовит в больших концентрациях, скапливающихся, например, на дне лодоч-ных стоянок.

Кроме того, цинк анодов содержит некоторое количество кадмия – тяжелого металла, токсичность которого даже в малых дозах хорошо известна (использование кадмия сейчас запрещено европейским законодательством).

Это важно, поскольку аноды по сути – расходный материал, частицы которого неминуемо осядут на дно, откуда и проникнут в живые организмы, и будут их отравлять. Природоохранное законодательство прямым образом ограничивает воздействие этих металлов на среду – так зачем нам загрязнять наши гавани?

Для чего нам протекторная защита?

Аноды нужны для предотвращения вредной электрохимической коррозии, возникающей при контакте разнородных металлов в среде электролита, т. е. морской воды.

Два любых металла, различных по своей электрохимической активности, при контакте образуют гальваническую пару, один из компонентов которой начинает разрушаться.

Однако мы в состоянии защитить важные детали металлических конструкций от разрушения. Электрический ток, текущий из одного из металлов в гальванической паре оказывает на него коррозионное действие, втекающий же в него – не оказывает.

Чтобы избежать коррозии на металлической детали, которую мы собираемся защитить, мы научились присоединять к ней дополнительную деталь, которая станет анодом, или отрицательным полюсом в паре – проводя ток, она начнет интенсивно корродировать, вести себя в буквальном смысле героически ради сохранения другого, более ценного металла.

В отличие от бронзовых винтов и нержавеющих валов, протекторы недороги и их легко можно заменить. Судовладельцы уже много десятилетий пользуются протекторной защитой и будут нуждаться в ней до тех пор, пока в составе судового корпуса будут одновременно сосуществовать металлы, различные по свойствам.

Альтернативы цинку

С недавнего времени производственники начали изготавливать аноды-протекторы из сплавов, компоненты которых обладают высокой электрохимической активностью, но при этом не ядовиты.

Новые сплавы на основе алюминия намного более дружественны окружающей среде, чем обычные цинково-кадмиевые, применявшиеся ранее. Они не содержат не то чтобы токсичных металлов – даже их примесей.

У алюминиевого анода при равной массе с цинковым конкурентом электроотрицательный потенциал выше вдвое.

Тестирование выявило, что равный по весу цинковому протектор из алюминия работает в полтора раза дольше, и при этом не выделяет ядовитых веществ.

Токсичность цинковых анодов – предмет внимания местного природоохранного законодательства, но им есть альтернативы, менее опасные для морских организмов.

К примеру, в штате Мериленд цинковые протекторы уже запрещены, и законотворческие инициативы в других регионах постепенно движутся в этом же направлении.

Пресные и солоноватые воды

Разработанные в последние годы, алюминиевые протекторы обретают все большую популярность и включены в списки поставляемых запчастей, одобренных к применению многими производителями судовой техники.

Моторостроители в плановом порядке рекомендуют алюминиевые аноды для своих подвесников и откидных колонок, работающих в морской воде.

Ничто не подвергается коррозии быстрее «ноги» подвесного мотора, лишенной протекторной защиты – при этом последствия коррозии для ее наиболее важных деталей неустранимы.

Рынок

На региональном уровне бескадмиевые алюминиевые протекторы продаются под именем «Martyr». Известны они также по бренду «Performance Metal», но в то же время они продаются и через сеть распространителей оригинальных запчастей для подвесных моторов Mercury, Yahama, Suzuki, и BRP, то есть под всеми наиболее влиятельными торговыми марками.

Некоторые важные моменты, которые стоит запомнить

Защитные аноды необходимо регулярно осматривать – слишком быстрый их расход, так же как и слишком медленный, свидетельствует о проблемах в протекторной защите.

Медленное расходование анода может быть вызвано неправильной его установкой, в частности, отсутствием электрического контакта с защищаемой поверхностью, либо тем, что тип анода выбран неправильно.

В пресной воде работают только магниевые аноды, алюминиевые подходят и для пресной, и для соленой, и для солоноватых вод.

Морские обрастания усиливают процесс коррозии – очистка от них мест контакта обязательна. Если протектор полностью растворился за сезон эксплуатации – значит, его размер недостаточен.

Первое время необходимо поэкспериментировать с размером анода, особенно на гребных валах.

Протекторы можно менять и на плаву, но специалисты рекомендуют для этого поднять судно, чтобы как следует зачистить место контакта и правильно закрепить анод. Для наибольшей эффективности аноды должны располагаться непосредственно вблизи от защищаемой поверхности.

Для уверенной защиты аноды стоит подключать через контактные шины; предпочтительны большие сечения шин.

www.martyranodes.com

Историческая справка

Ученые знают о явлениях, происходящих между парами разнородных металлов, с середины XVIII века, по работам Луиджи Гальвани (1737–1798) и Алессандро Вольта (1745–1827), оба считаются основателями электрохимии.

Примерно в то же время Сэмюэл Пепис, секретарь британского Адмиралтейства, описал явление непонятной коррозии железа и мягкой стали в присутствии меди и бронзы. Эксперты не смогли тогда объяснить преждевременного появления дефектов, но казна понесла значительные убытки из-за слишком быстрого списания боевых кораблей вследствие потери крепежом прочности.

Ученые познали на опыте, что разные металлы обладают различными электрическими характеристиками и порождают ток как при непосредственном контакте, так и внутри любой электропроводящей среды, при этом один из них интенсивно корродирует. Это открытие привело к изобретению гальванического элемента, в котором металлы с существенно разными свойствами создают ЭДС величиной до 1.5 В.

«Шкала благородства»

В процессе взаимодействия один из металлов гальванической пары постепенно разрушается, тогда как другой, более благородный (термин, принятый для характеристики свойств металлов в ряду электрохимических потенциалов), остается невредимым.

В судостроении любые пары из различных по свойствам металлов – источник проблем.

Ряд электрохимических потенциалов был выстроен по измерениям ЭДС, развиваемой различными парами.

Магний, цинк и алюминий находятся на «активной» его стороне, тогда как нержавеющая сталь, титан и графит – на менее активной, «благородной» стороне.

Электрический потенциал наиболее высок между веществами, находящимися на противоположных концах ряда, но в любом случае ЭДС возникает между любыми двумя из них, даже соседями.

Роберт Буллер

Источник:  «Катера и Яхты»,  №235.

Источник: https://yachtshipyard.wordpress.com/2013/08/05/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F-%D0%B7%D0%B0%D1%89%D0%B8%D1%82%D0%B0-%D0%B2%D1%81%D0%B5-%D0%B0%D1%80%D0%B3%D1%83%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D1%8B-%D0%B7/

Предотвращение Коррозии Корпуса Судна при Помощи Моделирования Системы Катодной Защиты — ICCP

Предотвращение коррозии в суровой среде океана зачастую требует применения методов катодной защиты. Эти методы используют различные приспособления, такие как протекторные (или жертвенные) аноды или внешние источники тока, для того чтобы помочь морским отраслям промышленности остаться на плаву.

Одна из таких систем, катодная защита с внешним источником тока (impressed current cathodic protection) — (ICCP), замедляет коррозию путем прикладывания внешнего тока к корпусу судна. Эффективность этого метода зависит от различных факторов, таких как, например, использование винта с защитным покрытием.

Здесь мы используем моделирование, для того чтобы исследовать, как покрытие винта влияет на эффективность катодной защиты.

Морская Коррозия

Сидя на палубе корабля, вы можете не подозревать о том, что происходит под ней. Но если вы нырнете под воду, вы сможете увидеть наибольшую проблему, с которой сталкиваются суда: коррозию.

Коррозия, которую вы увидели на корпусе судна, возникает, когда области с различным потенциалом помещены внутрь электролита — океанской воды, в данном случае. Проще говоря, океан служит электролитом, который способствует потоку электронов от анода с более высоким электролитическим потенциалом к катоду с более низким потенциалом. Это приводит к окислению и коррозии анодных областей.

Схематичное изображение, показывающее анод и катод в растворе электролита.

У конструкций, подобных судам и нефтяным платформам, коррозия является причиной износа и разрушения. Это может привести к разгерметизации корпуса конструкции и/или небезопасным условиям работы.

Вместо того чтобы пытаться укрепить эти конструкции после случившегося, что к тому же дорого обходится, мы можем сосредоточиться на предотвращении коррозии до ее возникновения с помощью методов защиты, таких как ICCP.

Суда подобные этому, могут использовать системы предотвращения коррозии для поддержания своей конструкционной целостности. (By Jean-Michel Roche. Licensed under Creative Commons Attribution-ShareA 3.0 Unported, via Wikimedia Commons.)

Замедление Коррозии Корпуса Судна с помощью ICCP

При использовании метода ICCP для защиты судна от коррозии, внешний источник тока прикладывается для преобразования высоко-потенциальных анодных участков на корпусе судна в низко-потенциальные катодные участки. Это гарантирует то, что поверхность корпуса судна будет защищена от коррозии, потому что весь корпус функционирует как катод.

Геометрия корпуса судна.

Величина тока, необходимого для функционирования системы ICCP зависит от множества факторов, таких как соленость и температура воды. Однако, участкам оголенного (чистого) металла, помещенным в морскую воду, требуется большее количество тока.

Винт часто изготавливается из незащищенного (оголенного) металла, но его можно снабдить покрытием. От того, имеет или нет винт защитное покрытие, зависит потребление тока системой ICCP (сколько тока потребуется для функционирования системы ICCP).

Давайте обратимся к моделированию, для того чтобы сравнить эффективность системы катодной защиты ICCP для корабля с покрытием винта и без него.

Оценка Работоспособности Винта с Покрытием при помощи Моделирования

Для оценки использования винта с покрытием в системе ICCP, мы создали модель на основе статьей, написанной Хубером (Huber) и Вангом (Wang).

Винт с Покрытием

В случае винта с покрытием, тестовое значение прикладываемого тока было 0.87 А. При этом видно, что поверхность корпуса судна имеет относительно однородный низкий электролитический потенциал, в то время как поверхность анода находится под более высоким электролитическим потенциалом. До сих пор все кажется хорошо, но давайте посмотрим поближе на менее однородный участок вблизи анода.

Слева: (Распределение) Электролитический потенциал для учебной модели винта с покрытием. Анод выглядит как красный круг. Справа: Локальная плотность тока на поверхности вала для винта с покрытием.

Наличие катодной реакции на поверхности вала, большего электролитического потенциала на поверхности анода, и низкого электролитического потенциала в целом, свидетельствует о том, что приложенной плотности тока достаточно для успешной защиты от коррозии в случае винта с покрытием.

Винт без Покрытия

При моделировании винта без покрытия, используется значение прикладываемого тока 3.1 А. Точно так же, поверхность анода имеет более высокий электролитический потенциал, чем остальная часть поверхности корпуса. Однако, в этом случае, поверхности вала и винта без покрытия имеют более низкий электролитический потенциал, по сравнению с оставшейся поверхностью корпуса судна.

Слева: Электролитический потенциал для учебной (обучающей) модели винта без покрытия. Анод выглядит как красный круг. Справа: Локальная плотность тока на поверхности вала и винта без покрытия.

Можно удостовериться, что на поверхности вала и винта без покрытия наблюдается отрицательный знак локальной плотности тока. Благодаря этому, можно предположить, что катодная реакция присутствует и на поверхности вала и на поверхности винта без покрытия. Следовательно, плотности тока и в этом случае также достаточно для защиты от коррозии.

Несмотря на то, что в обоих случаях — с покрытием и без — выполняются условия для защиты от коррозии, винт с покрытием требует меньшего значения тока, что делает его более эффективной системой. Кроме этого, электролитический потенциал также распределен более однородно в случае винта с покрытием, как видно из графика представленного ниже.

График сравнения электролитических потенциалов для моделей винтов с покрытием и без. Длина дуги представляет длину корпуса судна.

Заключение и Дальнейшие Шаги

При помощи моделирования в среде COMSOL Multiphysics, мы убедились, что поверхность корпуса в случае винта с покрытием защищена лучше, чем поверхность корпуса с винтом без покрытия, благодаря стабильно низкому потенциалу. Очевидно, что система (катодной защиты) ICCP функционирует лучше в случае винта с покрытием.

Хотите узнать, как настроить и запустить эту модель и проанализировать собственную систему ICCP? Скачайте учебную модель из нашей Библиотеки Приложений. Вы также сможете легко модифицировать эту учебную модель, для моделирования различных типов систем катодной защиты, таких как система с использованием протекторных анодов без внешних источников питания.

Дополнительная Информация по Моделированию Коррозии

Источник: https://www.comsol.ru/blogs/avoiding-ship-hull-corrosion-with-iccp-and-simulation/