Актуальность проблемы защиты корпусных металлических конструкций морских объектов подтверждается многочисленными исследованиями и наблюдениями вот уже несколько веков. Ещё древние римляне и греки, обшивая деревянные корпуса кораблей свинцовыми пластинами, как средством борьбы с червями и ракушками, заметили, что если прибивать пластины медными гвоздями, то через некоторое время эти пластины в местах соединения корродировали и отваливались. А если покрыть головки гвоздей свинцом или позолотой, то коррозийные процессы резко сокращаются. Таким образом, был определён факт коррозии металлических объектов в морской воде и применён метод пассивной электрохимической защиты. В дальнейшем благодаря развитию электротехники были найдены другие методы борьбы с коррозией, и это направление получило своё развитие как электрохимическая защита.
Проблема потери металла при коррозийных процессах имеет масштабный характер. Исследования, проведённые в 1950-х под эгидой Английского регистрационного общества Ллойда, показали, что средняя скорость коррозии наружной обшивки судов танкерного типа составляет 0,23 мм в год. В 1959-1960 годах Центральным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом морского флота (ЦНИИМФ) были обследованы 35 судов в период их докования. Обработка полученных данных показала, что средние значения скорости односторонней коррозии по всей наружной обшивке составляют 0,15-0,20 мм/год. В тематических публикациях Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов «Прометей» в 2010-2020 годах встречается описание результатов проведённых исследований, в которых указано, что скорость коррозийных разрушений корпусов отечественных атомных ледоколов и судов ледового плавания составляет 0,5—0,7 мм/год. При этом потеря прочности корпуса судна и несущих конструкций морских объектов идёт с нарастающим эффектом. Вследствие коррозионно-механических разрушений гибнет большое количество корпусных конструкций судов и гидротехнических сооружений. Российские и зарубежные источники приводят данные, что потери составляют 30% от годового производства стальных конструкций в мире. Суммарно в большинстве стран потери от коррозии составляют 4-6% ВВП. При этом 10% металла теряется безвозвратно, рассеиваясь в виде продуктов окисления. На долю работ по ликвидации коррозионных разрушений приходится 20-30% общих затрат на заводской ремонт морских объектов. Доковый ремонт судна не менее чем на 60% может быть отнесён к затратам на работы по ликвидации коррозии.В таком же ключе следует рассматривать процесс биообрастания объектов в морской воде, который также является негативным фактором, непосредственно влияющим на эксплуатационные характеристики и безопасность объекта. Если проблема биообрастания открытых участков корпусных конструкций успешно решается механическим способом, то обрастание микроорганизмами внутренних поверхностей забортной водоприёмной арматуры требует совершенно иных способов противодействия. Система приёма забортной воды и связанное с ней оборудование считаются критически важными элементами безопасности, поскольку их повреждение или внезапный отказ создают опасные условия и могут помешать работе других критических систем. Исследования последних лет показывают, что всего за год эксплуатации судовой забортной арматуры в условиях средних и южных широт проходное сечение трубопровода забортной воды вследствие осаждающейся биомассы уменьшается на 70% и более. А теплообмен в системах охлаждения уменьшается более чем на 50%. При этом необходимо принять во внимание что очистка внутренних поверхностей труб или бокскулеров охлаждения от ракушечных моллюсков невозможно и практически всегда приводит к полной замене арматуры, что возможно только в условиях докового ремонта и требует серьёзных финансовых затрат.
Особую значимость применению методов противодействия коррозийному разрушению корпусных конструкций и биообрастания внутрисудовой забортной арматуры придают гидрофизические и климатические условия района эксплуатации морского объекта. В условиях арктического шельфа на скорость коррозийных процессов влияет высокая концентрация растворённого в воде кислорода, а также истирающее воздействие льдов, особенно в зоне переменного смачивания корпуса морского объекта (ледового пояса судна). Исследования, проведённые в этой области ЦНИИ КМ Прометей, показывают, что даже при применении ледостойкой эмали на эпоксидной основе типа "Инерта-160" после 1,5–2 лет работы в Арктике сохранность покрытия в зоне ледового пояса составляет не более 20–30%. И если не применены другие средства защиты от коррозии, то корпус судна практически беззащитен перед коррозийными разрушениями, даже если в области ледового пояса применяется слой плакированной стали.
Биообрастание открытых участков корпуса и забортной водоприёмной арматуры в условиях арктического шельфа, безусловно, протекает со значительно меньшими скоростями, чем в тёплых климатических поясах, но этот процесс всё равно имеет место. В конечном итоге зарастание трубопроводов забортной воды или бокскулеров охлаждения биоорганизмами непременно приводит к критическому ухудшению эксплуатационных характеристик морского объекта.На текущий момент существуют достаточно глубоко проработанные и эффективно работающие средства противодействия коррозии в судостроительной отрасли, применение каждого из которых так или иначе решают задачу защиты корпусных конструкций от разрушительного воздействия агрессивной среды, а именно:
Специальные антикоррозийные и анти-обрастающие покрытия из лакокрасочных материалов или использование плакированных сталей; Протекторная защита корпуса от коррозии с применением жертвенных анодов; Активная катодная защита корпуса от коррозии наложенным током с автоматической регулировкой потенциалов; Защита от электрохимической коррозии винто-рулевой группы; Защита забортной водоприёмной арматуры от биообрастания различного принципа действия.Лакокрасочные покрытия — один из самых распространённых способов защиты от коррозии. Они дёшевы и доступны, имеют простую технологию нанесения на поверхность, отличаются разнообразием внешнего вида и цвета. Защитные действия лакокрасочных покрытий заключаются в создании на металлической поверхности сплошной плёнки, которая препятствует агрессивному воздействию окружающей среды и предохраняет металл от разрушения. Но лакокрасочные покрытия легко повреждаются под воздействием сложных ледовых условий, что требует их обновления, как минимум, 1 раз в год. Поэтому применение только этого способа антикоррозийной защиты решает проблему лишь отчасти и на короткое время. То же относится и к использованию плакированных сталей. Существуют различные методы присоединения второго (третьего) слоя более коррозийно-устойчивого металла к основе из судостроительной стали, но все они приводят к неоправданному удорожанию материала корпуса судна, даже если плакированными листами обшита только часть корпуса, например, ледовый пояс. Кроме того, сварные швы такого метала, а также стальподложка в этой биметаллической паре подвергаются коррозии, скорость которой в несколько раз быстрее.
Протекторная защита с использованием так называемых «жертвенных» анодов. При таком методе к защищаемой поверхности присоединяют металл с более высоким электроотрицательным потенциалом — протектор из цинка, алюминия или магния, который, создавая гальваническую пару анод-протектор и катод-корпус, растворяется в окружающей среде и защищает от разрушения основную конструкцию. Но эффективность протектора ограничена определённым радиусом защитного действия. Вследствие большой площади защищаемой поверхности необходимо большое количество протекторов, что негативно влияет на динамические характеристики корпуса судна. Кроме того, существует риск потери части протекторов на внешних обводах корпуса при плавании в сложных ледовых условиях.
Активная катодная защита наложенным током. Самым универсальным и эффективным средством защиты от коррозии протяжённых по площади поверхностей является применение внешнего наложенного тока. При этом сгенерированный отдельным источником электропитания (станцией катодной защиты) постоянный ток замыкается положительным полюсом на специальный анод, встроенный в корпусе подводной части судна и изолированный от него, а отрицательный полюс подаётся на катод — защищаемую поверхность — корпус судна. В этой принудительно созданной гальванической паре ионы металла теряет только анод, сделанный из более гальванически отрицательного металла (титана) с нанесённым слоем оксидов металлов, практически не растворяющийся в морской воде. Срок службы такого анода может составлять 25 лет. Но генерируемый ток, распределяясь по поверхности корпуса, не заходит в полости корпуса – кингстонные, ледовые ящики, тоннели подруливающего устройства, тем самым ограничивая защитное воздействие наложенного тока.
Защита винто-рулевой группы от коррозии. Так как винт и перо руля электрически изолированы от корпуса судна, то для распространения действия активной катодной защиты наложенным током на эти устройства необходимо подать на них «минус» источника питания. Для этого на линию вала устанавливается контактно-щёточное устройство с вольтметром для измерения защитного потенциала, которое подключается к корпусу судна, а перо руля электрически коммутируется с корпусом судна специальным кабелем. В этом случае винто-рулевая группа включается в общую схему катодной защиты корпуса от коррозии наложенным током. Если на морском объекте не используется активная катодная защита, то винто-рулевая группа и подзор корпуса защищаются от коррозии с помощью протекторов.
Для борьбы с биообрастанием систем охлаждения, систем подачи забортной воды разработано много теоретических и практических способов. К таким способам борьбы с формированием вредоносных отложений относятся: механические, химические, электролитические, ультрафиолетовые, ультразвуковые методы воздействия на биомассу. Наиболее простым и универсальным способом противодействия обрастанию является электролитический метод. Этот способ противодействия включается на начальной стадии биообрастания, пока процесс имеет обратимый характер. Электролитический метод противодействия обрастанию состоит в негативном воздействии свободных ионов некоторых металлов на способность микроорганизмов прикрепляться к стенкам трубопроводов, а также в подавлении способности микрофлоры к росту и размножению. Обширным рядом научных исследований установлено что ионы меди, даже в самой незначительной концентрации способны подавлять жизнедеятельность морских микроорганизмов. Вместе с этим, ионы гидроокиси алюминия, образуют в результате процесса флокуляции медно-алюминиевые хлопья, которые равномерно распределяются вдоль стенок трубопроводов в области потока малой скорости и не позволяют микроорганизмам прикрепляться к их стенкам. Кроме этого, образовавшаяся гелевая плёнка из ионов меди и алюминия защищает поверхность трубопроводов от коррозии. Этот метод реализуется использованием двух анодов — медного и алюминиевого, расположенных около входного устья трубопровода в кингстонном ящике или в бокскулере системы охлаждения. На аноды подаётся постоянный ток, приводящий к выделению ионов меди и гидроокиси алюминия, которые в свою очередь негативно воздействуют на биологические микроорганизмы и одновременно препятствуют развитию коррозийных процессов во внутренних пространствах трубопроводов и других корабельных системах.
Таким образом очевидно, что применение отдельных из указанных методов защиты корпусных конструкций не приводит к гарантированному предотвращению процессов, негативно влияющих на эксплуатационные характеристики корпусных конструкций. Необходимо отметить, что некоторые из указанных методов несколько разнятся по физическим принципам. Так лакокрасочное покрытие не относится к электрохимическим методам защиты, но является непременным условием защиты корпусных конструкций от коррозионных потерь и биообрастания. И также необходимо подчеркнуть, что остальные указанные методы основываются на электрохимическом взаимодействии материалов. Таким образом, надо резюмировать: только комплексное применение всех указанных методов защиты от коррозии и биообрастания, при котором недостатки каждого компенсируются достоинствами другого метода, в совокупности с мерами специального технического обслуживания, могут с большой степенью эффективности решить задачу сохранения целостности корпуса судна. В настоящее время определены и закреплены в различных регулирующих официальных документах, как российских, так и международных, рекомендации по обязательному комплексному применению всех имеемых способов защиты от коррозии. Основные из них это: РД 31.28.10-97 "Комплексные методы защиты судовых конструкций от коррозии" (утв. распоряжением Минтранспорта РФ от 17 декабря 1997 г. № МФ-34/2306); DNV-RP-B401 - CATHODIC PROTECTION DESIGN, January 2005); ГОСТ26501-85 – Корпуса морских судов. Общие требования к ЭХЗ.Все эти руководящие документы рассматривают комплексное применение методов защиты объектов от коррозии, как действительно эффективное средство защиты корпусных конструкций
Сегодня комплексный подход к решению такой системной задачи как противодействие воздействию агрессивной морской среды на корпусные конструкции морских объектов вызывает неоднозначную реакцию со стороны многих представителей научно-технических, проектно-конструкторских кругов, судовладельцев и заказчиков морской техники. Такой разносторонний подход к проблеме прямо коррелирует и с недостатками в области промышленного производства соответствующего оборудования, и с недостаточно полным и эффективным анализом мирового опыта построения таких систем, и с отсутствием необходимых знаний в области физических принципов работы подобного электротехнического оборудования, а также недостаточно проработанной научно-исследовательской базой, особенно в области эксплуатации морских объектов в условиях высоких широт. Однако, имеющиеся научные и практические разработки в единстве с наработанным опытом восстановления корпусных конструкций позволяют говорить о том, что комплексный подход к решению корпусных проблем может стать единственным средством недопущения экономических и физических потерь. И относиться к этому следует как к совершенно необходимому, а не как к чему-то нужному, но не обязательному. При этом следует принимать в расчёт и то, что комплексный научный подход к этой проблеме непременно приводит к комплексному практическому решению задачи противодействия коррозии и биообрастанию.
В настоящий момент существует целый ряд промышленных производителей оборудования, применение которого решает проблему коррозионного разрушения лишь отдельных элементов корпуса или объекта. Комплексный подход производителей оборудования электрохимзащиты должен заключается в том, что на этапе проектирования или при реконструкции корпус морского объекта (судна) рассматривается как система корпусных элементов, защита которых от агрессивного воздействия среды требует раздельного подробного анализа. Далее выполняется расчёт и построение комплексной системы защиты всех корпусных элементов с учётом условий эксплуатации и особенностей конструкции морского объекта. Очень важно при этом, чтобы вся комплексная система защиты рассчитывалась по единому плану, в одной расчётной плоскости, одним научно-производственным коллективом и строилась на одних или близких физических принципах. Эти требования в полной мере подходят к электрохимической защите от коррозии и электролитической защите от биообрастания. Как уже сказано выше, лакокрасочные покрытия, как метод противодействия коррозии и биообрастанию, не является электрохимическим методом защиты, но рассмотрение его в составе комплексной системы существенно необходимо. Тем более, что расчёт прогнозируемых потерь материала покрытия при эксплуатации входит составным элементом при расчёте характеристик оборудования электрохимической защиты.
В Корпорации ПСС имеет место именно такой комплексный системный подход к электрохимической защите корпусных конструкций от коррозии и водоприёмной арматуры от биообрастания. Компания имеет все научные и инженерные возможности, чтобы рассчитать по существующим методикам, разработать проект и поставить оборудование для комплексного решения задачи антикоррозийной защиты корпуса судна – катодную защиту наложенным током, протекторную защиту жертвенными анодами, систему защиты от коррозии винто-рулевой группы и оборудование защиты приёмной забортной арматуры от биообрастания. Комплексный подход к поставке указанного оборудования включает в себя и меры специального технического обслуживания, в которые входят обязательные шеф-монтажные и пуско-наладочные работы, мониторинг функционирования составных элементов системы, а также гарантийное и постгарантийное обслуживание.
