Разъедает ли нефть корпуса судов

Обновлено: 17.04.2024

Россия – северная страна. Арктическая зона России – это огромный макрорегион, занимающий 3,9 млн кв. км, составляющий более чем 20% территории нашего государства и имеющий большое значение в экономике страны.

Еще большее значение Арктическая зона будет иметь в перспективе – в связи с возрастающими техническими возможностями в области ресурсодобычи в условиях Севера, а также развитием транспортных сетей, и в первую очередь Северного морского пути (СМП) как кратчайшего транспортного моста, связывающего экономику северных регионов России между собой и страны Северо-Западной Европы с динамично развивающимися странами Азиатско-Тихоокеанского региона.

Обеспечение круглогодичного функционирования Северного морского пути для крупнотоннажных судов требует создания мощных атомных ледоколов нового поколения. При этом необходимо обеспечить их высокую эксплуатационную надежность при крайне тяжелых условиях эксплуатации: это рабочие температуры до –50…60 °С для замерзающих бассейнов и до –35 °С для открытых бассейнов Северного Ледовитого океана; высокая циклическая ветроволновая и ледовая нагрузка; длительное коррозионное воздействие и коррозионно-эрозионный износ при влиянии ледовых полей; низкая ремонтодоступность из-за удаленности развитой инфраструктуры.

НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей", ведущий материаловедческий центр страны по созданию материалов и технологий для судостроения, объектов морской техники, в том числе для добычи углеводородов на полярном шельфе России, особое внимание уделяет вопросам эксплуатационной надежности и продлению срока службы изделий и конструкций, работающих в экстремальных условиях эксплуатации.

Ученые предприятия разработали все применяемые в отечественном судостроении средства и системы защиты от коррозии: коррозионно-стойкие стали и сплавы, функциональные и защитные покрытия, системы электрохимической протекторной и катодной защиты.

Создавая в 1950-е годы первый атомный ледокол, мы многого не знали о свойствах льда и его коррозионно-эрозионном влиянии на обшивку ледокола, не была известна и физическая природа взаимодействия льда с обшивкой в зимний период.

Первые серьезные исследования взаимодействия сталей с движущимся в морской воде льдом были проведены специалистами Центрального научно-исследовательского института конструкционных материалов "Прометей" в 1980-х годах. Тогда возникла проблема снижения ледопроходимости атомных ледоколов за счет увеличения шероховатости подводной части корпуса в результате интенсивных коррозионных процессов. Кроме того, корпус ледокола находится под воздействием ветровых и волновых нагрузок, динамического воздействия движущихся льдов и отрицательных температур. Существовавшие в то время средства защиты от коррозии были малоэффективными.

Для разработки более эффективных мер борьбы с интенсивным износом корпуса ледоколов были проведены электрохимические, физические и коррозионные исследования, выполненные в лабораторных условиях и двух ледовых экспедициях на атомном ледоколе "Арктика", а также осуществлен анализ многочисленных данных о механизме разлома льдов при их взаимодействии между собой и металлом. Удалось обнаружить ряд явлений, которые позволили создать общее представление о процессах, способных усиливать коррозионный износ стальных конструкций, одновременно приводя к неравномерной коррозии (рис. 1).

Рис. 1. Повреждение корпуса судна вследствие процессов коррозии и эрозии

Проведенные обследования показали, что во всех случаях отмечается усиленный неравномерный износ сталей, который не зависел от примененной при строительстве марки стали. Интенсивность коррозии возрастала при увеличении срока эксплуатации судов в ледовых условиях. Но особенно сильному износу были подвержены атомные ледоколы проекта 1058 ("Арктика" и "Сибирь"), которые впервые начали проводку судов через тяжелые многолетние льды в зимних условиях. Существенное падение ледопроходимости ледоколов (вплоть до полной остановки) в зимних условиях вызвано как явлением лавинообразного облипания корпуса снежно-ледяной массой, так и значительным увеличением сопротивления движению в заснеженных льдах при низких температурах наружного воздуха (рис. 2).

Рис. 2. Облипание корпуса атомного ледокола "Арктика" снежно-ледяной массой на третьем году после ввода в эксплуатацию (Карское море, февраль 1978 г.)

Необходимость решения этих проблем определяет актуальность изыскания технических средств, улучшающих ледопроходимость и одновременно повышающих эффективность использования мощности главной энергетической установки.

Традиционный способ защиты от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий не решает проблемы, так как на судах ледового плавания и ледоколах степень их разрушения на подводной части корпуса, и прежде всего в районе ледового пояса, чрезвычайно велика, что в условиях воздействия льда приводит к коррозионно-эрозионному разрушению корпуса, снижению ледопроходимости, повышенному расходу топлива и увеличению объема доковых работ.

Проблема повышенного и специфического коррозионного износа корпусов ледоколов, судов ледового класса и ледостойких морских сооружений усугубляется низкой эффективностью в ледовых условиях традиционных способов защиты от коррозии с помощью лакокрасочных покрытий. Как показывает опыт эксплуатации атомных ледоколов, 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% (рис. 3).

Для постоянного сохранения ледопроходимости ледоколов на спецификационном уровне с применением покрытия "Инерта-160" последнее, по опыту, следует обновлять ежегодно, что означает необходимость ежегодного вывода ледокола из эксплуатации с затратами времени и средств на его докование и окраску.

Рис. 3. Подводная часть корпуса атомного ледокола "50 лет Победы" при доковании в апреле 2011 г. (лакокрасочное покрытие отсутствует, защиту от коррозии обеспечивала только система катодной защиты)

Наиболее эффективное (экономически целесообразное) для мощных атомных арктических ледоколов средство сохранения их ледопроходимости на спецификационном уровне в процессе эксплуатации и предотвращения облипания корпуса снежно-ледяной массой – применение для наружной обшивки плакированных нержавеющим слоем сталей в сочетании с электрохимической защитой. Это позволяет сохранить взаимодействующие со льдом части корпуса практически гладкими в течение всего срока службы ледокола.

Одним из наиболее успешных примеров применения двухслойной стали в судостроении следует считать использование плакированной стали в качестве корпусного материала при строительстве атомного ледокола "50 лет Победы". Так, установка листов двухслойной стали с основным слоем из высокопрочной хладостойкой стали типа АБ и плакирующим слоем из коррозионно-стойкой азотсодержащей стали типа 08Х19Н10Г2Б в ледовом поясе наружной обшивки обеспечила надежную защиту корпуса ледокола от коррозионно-эрозионного воздействия льда и морской воды.

Разработки, проводимые в НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" по созданию азотсодержащих сталей, показали, что легированные азотом аустенитные коррозионно-стойкие стали могут иметь предел текучести на уровне 600–780 МПа, то есть на уровне высокопрочных низколегированных конструкционных сталей.

Благодаря этому просматривается перспектива по разработке биметалла с равнопрочными основным и плакирующим слоями, что позволило бы при расчете прочности конструкций принимать во внимание общую толщину двухслойной стали, включая толщину как основного, так и плакирующего слоев. В таком случае для толстостенных конструкций, таких как, например, наружная обшивка корпуса атомного ледокола, где толщина основного слоя листа двухслойной стали составляет от 30 до 40 мм, а плакирующего – 5–7 мм, учет в расчетах конструктивной прочности корпуса толщины плакировки оказывается очень актуальным.

Применением электрохимической (катодной) защиты можно обеспечить экономию за счет:

сокращения необходимости в замене листов корпуса или подварки швов;
уменьшения расхода топлива путем поддержания проектной ледопроходимости, так как шероховатость корпуса остается низкой;
увеличения интервалов между постановками судна в док.

При этом плакированная сталь обеспечивает высокую коррозионную стойкость в зоне истирающего и ударного воздействия льда и в зоне переменного смачивания, а защиту плакирующего слоя из нержавеющей стали от питтинговой коррозии и поверхности корпуса из гомогенной стали в подводной зоне, в том числе по линии ее стыка с двухслойной сталью, обеспечивает система катодной защиты.

При этом ледостойкие аноды катодной защиты располагаются ниже ледового пояса на поверхности корпуса из гомогенной стали, то есть ниже уровня воздействия максимальных ледовых нагрузок. Следует отметить, что применение для ледового пояса плакированной стали без установки системы катодной защиты приводит к интенсивной контактной коррозии гомогенной корпусной стали по всем районам ее стыка с плакированной сталью.

Такой комбинированный способ защиты ледового пояса от коррозионно-эрозионных разрушений, включающий применение плакированной стали и катодной защиты наложенным током, был впервые реализован на атомном ледоколе "50 лет Победы" и в дальнейшем при строительстве МЛСП "Приразломная".

Системы катодной защиты с изготовленными по нанотехнологии Pt-Nb анодами с текстурированным платиновым покрытием гарантированно обеспечивают полное предотвращение коррозии и снижают риск экологической опасности различных металлических судов и морских сооружений, в том числе при их эксплуатации в арктических широтах, на срок службы не менее 30 лет.

Опыт эксплуатации с 2007 года атомного ледокола "50 лет Победы" с учетом только одной окраски корпуса в 2011 году показал, что комбинированный способ защиты корпуса путем изготовления ледового пояса из плакированной стали в сочетании с установкой системы катодной защиты позволяет предотвратить возникновение шероховатости металлической обшивки вследствие коррозионных и коррозионно-эрозионных разрушений, что обеспечивает сохранение ледопроходимости ледокола на проектном уровне в процессе эксплуатации (рис. 4, слева). На МЛСП "Приразломная" система катодной защиты от коррозии успешно эксплуатируется с 2012 года (рис. 4, справа).

Рис. 4. Комбинированный способ защиты ледового пояса, включающий плакированную сталь и систему катодной защиты на атомном ледоколе "50 лет Победы" (слева) и МЛСП "Приразломная" (справа)

Богатейший опыт, накопленный в России при эксплуатации судов в высоких широтах Арктики, подтверждает, что природа не прощает ошибок при выборе материалов и оценке воздействия ни них внешних экстремальных условий.

В целях успешной реализации национальной морской политики и сохранения мирового лидерства в строительстве и эксплуатации атомных ледоколов в 2012 году на Балтийском заводе начато строительство серии из трех универсальных атомных ледоколов нового поколения проекта 22220 мощностью 60 МВт, это "Арктика", "Сибирь" и "Урал".

Учитывая перспективы развития добычи и переработки углеводородного сырья в арктической зоне, реализации в ближайшие десятилетия международных проектов создания трансарктической магистрали межконтинентальных морских перевозок из Атлантического бассейна в Тихоокеанский регион и обратно, созрела необходимость в создании ледокола-лидера, способного обеспечить плавание судов на традиционных, высокоширотных и приполюсных маршрутах СМП в круглогодичном навигационном цикле.

Для этих и других новых проектов ученые и специалисты НИЦ "Курчатовский институт" – ЦНИИ КМ "Прометей" предлагают широкий спектр современных металлических и неметаллических шельфовых материалов, методы и системы их защиты. Так, например, предложена к использованию двухслойная коррозионно- и эрозионно-стойкая сталь с плакирующим слоем из азотсодержащей стали 04Х20Н6Г11М2АФБ, равнопрочным основному слою из стали АБ2-2, вкупе с системой анодной защиты наружной обшивки в районе переменных осадок, а также сварных швов от коррозии с новыми узлами на ледоколе-лидере проекта 10510.

Разработки предприятия позволяют обеспечить конструкторов различных направлений высокотехнологичными и наукоемкими материалами при строительстве новых технических средств: уникальных ледоколов-лидеров, многофункциональных ледоколов, судов снабжения и других судов высокого ледового класса, отвечающих всем техническим нормам, способных внести весомый вклад в реализацию национальных интересов Российской Федерации в Арктике.

©"Новый оборонный заказ. Стратегии"
№6 (53) 2018г.

Глобальное потепление и повышение уровня воды в морях приводит к тому, что затонувшие много лет назад и законсервированные останки судов начинают выделять нефтепродукты. Рассказываем, почему так происходит.

Читайте «Хайтек» в

О каких суднах идет речь?

В основном о тех, что работали на дизеле. Такие судна использовали во время операций в ходе второй мировой войны. В результате, их часть затонула в мировом океане.

На данный момент они достаточно проржавели, чтобы начать приносить вред окружающей среде.

Чем судна могут быть вредны?

Для начала важно понимать, что вся история кораблестроения связана с многочисленными крушениями.

Если верить данным Гидрографического управления США, за последние 500 лет в мире ежегодно гибло в среднем более 2000 судов. Кораблекрушения могут быть вызваны самыми разными причинами — от шторма или отказа техники до теракта или ошибок экипажа. Но совершенно очевидно, что по обилию погибших судов ничто не может сравниться с военными действиями.

А в резервуарах и баках таких кораблей находится огромное количество топлива, нефти и масел. Для сравнения вспомним об одной из наиболее разрушительных для нашей экологии катастроф, когда в 1989 году произошла авария нефтяного танкера «Exxon Valdez».

Так вот, в топливных и технических хранилищах затонувших кораблей, по предварительным оценкам, находится такое количество горючего, которое в 400 раз превышает нефтяной выброс после аварии у берегов полуострова Аляска. Тогда пятно после аварии распространилось на площадь 28 тыс. квадратных километров.

Почему топливо начинает вытекать из судов?

Все дело в необратимом процессе коррозии металлов. корпусная часть любого корабля по-разному подвергается процессу коррозии. Но все дело в том, что он необратим. Любая сталь становится за 10 лет тоньше на 0.5-2 мм.

Это может показаться незначительным, однако если стальные плиты уже потеряли до 10 мм своей первоначальной толщины, то материал становится максимально нестабильным. Даже незначительное давление может многократно ускорить процессы разрушения.

Подавляющее количество кораблей, которые лежат на дне со времен II-й мировой войны, в настоящий момент находятся уже в критической фазе своего состояния. Дальше начнутся полные разрушения обшивки и протекания топливных хранилищ.

Какие еще существуют проблемы на борту затонувших кораблей?

Помимо нефти, на борту многих из этих судов находится еще и немало боеприпасов. Со дня окончания войны прошло уже больше 65 лет, и все это время корабли на морском дне ржавеют и распадаются.

Что с этим делать?

В водах целого ряда стран, включая Соединенные Штаты, Великобританию, Канаду, Норвегию, Швецию, Польшу были обнаружены следы топливных и смазочных нефтяных продуктов.

Конечно, современная техника вполне позволяет как поднять суда с максимально больших глубин, так и выкачать из них горючее. Однако это требует огромных финансовых затрат.

Например, в Нидерландах сконструирован специальный дистанционно управляемый глубоководный робот. Он опускается на корпус корабля, бурит отверстие в обшивке и отсасывает нефть, словно огромный механический комар. Проблема лишь в том, что такая операция обходится в миллионы.

Поэтому сегодня некоторые страны — в частности, США и Швеция — пытаются первым делом выяснить, какие из затонувших судов, лежащих на морском дне в их территориальных водах, представляют наибольшую опасность для окружающей среды. Это позволит составить план предстоящих работ, расположив их по степени срочности.

В США был учрежден специальный фонд, из которого должны оплачиваться, например, работы по очистке акватории от разлившейся нефти.

Как это влияет на нас?

Последствия проживания или нахождения в зоне экологического бедствия можно заметить как сразу, так и через несколько лет. К примеру, пропитанная нефтяными продуктами рыба, которую человек съест, моментально отравит его организм.

Но в иных вариантах воздействие может быть незаметнее и медленнее. Если человек питается рыбой, которая выросла в загрязненной зоне, то сразу можно и не заметить что-то неладное.

Раковые заболевания, нездоровое потомство, генетические заболевания — это все последствия взаимодействия с нефтепродуктами.

Какая ситуация с затонувшими судами в России?

Только в Дальневосточном федеральном округе в этом году в прибрежной зоне выявлено 600 затонувших объектов, поделился источник в отрасли. Сверку затонувших судов нужно проводить по всем регионам. По данным двухгодичной давности, на внутренних водных путях было зафиксировано 837 затонувших объектов, а в пределах морских портов и подходов к ним — не менее 144 затонувших судов, говорят специалисты.

Сегодня, 9 октября, стало известно, что В Черном море у Крыма выявили источники нефтяных загрязнений. В РАН рассказали, что из-за повышения температуры воды из затонувших кораблей снова стали выделяться нефтепродукты.

В течение нескольких последних лет мы наблюдаем, что в Черном море в Каламитском заливе (изгиб берега от Севастополя до Евпатории) из-за прогрева, появления новых течений, которые несут теплую воду на более глубокие слои, появляются новые источники загрязнения. Например, лежит на дне корабль или появилось много лет назад мазутное пятно, из него уже давно выделены все легкие фракции, мазут вязкий и при температуре, которая держалась около дна раньше, был фактически законсервирован. А сейчас он нагревается, и новые объемы веществ выходят на поверхность моря.

Сергей Станичный, заведующий отделом дистанционных методов исследований Морского гидрофизического института РАН

При этом, добавил Станичный, говорить об объемах выделений, более точных показателях потепления воды и других аспектах явления говорить пока сложно — нужно дополнительное изучение.

Наверное, каждый в детстве хоть раз, да задавался вопросом – как плавают в воде металлические корабли? Мы с вами люди взрослые, у нас вопрос другой – как металлические корабли плавают в воде и не ржавеют? Ведь вода, как мы помним из предыдущих статей – одна из наиболее агрессивных природных сред, и коррозия в водной среде развивается быстро и неотвратимо.

Минутка теории

Для начала – корабли все-таки ржавеют. От легкого катера до могучего эсминца – все они подвержены коррозионным процессам. И это действительно большая проблема: так, например, в 2011 году 125-метровый прибрежный боевой корабль ВМФ США LCS Independence едва не растворился на глазах ответственных лиц из-за агрессивной коррозии, поразившей целые участки корпуса. При том, что на момент появления первых обширных участков поражения корабль сошел со стапелей менее года назад.

Конечно, случай с LCS Independence – из ряда вон выходящий. Но он помогает осознать главное: корабли ржавеют и довольно активно. Конечно, прогресс не стоит на месте – уже существуют легкие и прочные композитные материалы, совершенно не подверженные коррозии – но они все еще слишком дороги, а потому не допускают использование в таких процессах, как строительство морского или даже речного судна.

«Жертвы» и сила тока

Как быть? Для начала припомним основы. Самый опасный и вездесущий вид коррозии – электрохимическая. Она возникает тогда, когда металл соприкасается с электролитом — то есть, жидкостью или иной средой, проводящей электричество. На границе сред возникает разница потенциалов, которая приводит к развитию окислительного процесса. Понятно, что наиболее эффективный способ защитить металл от коррозии — свести эту разницу потенциалов к нулю. Сделать это можно при помощи специальных судовых комплексов. Помните, в прошлой статье мы рассказывали, что одно время среди автомобилистов модно было вешать на машины «жертвенные аноды» - кругляшки из электрически активного металла, который принимал разницу потенциалов на себя и разрушался, сохраняя таким образом в целости основной корпус?

Тут такой же принцип — только помимо жертвенного анода, в судовых комплексах антикоррозионной защиты имеются специальные электроды сравнения, а также импульсные преобразователи катодной защиты. Электроды сравнения (как правило, они изготавливаются из серебра, покрытого сверху хлоридом серебра) используются для считывания потенциалов. Преобразователи (сокращенно они называются ИПКЗ) же — для подачи постоянного тока. Отрицательный полюс ИПКЗ соединяется с защищаемой поверхностью — в нашем случае в качестве таковой выступает корпус судна — положительный — с «жертвенным анодом». За счет этого поверхность превращается в один большой катод, на всех участках которого электрический потенциал одинаков. Обычно вдоль корпуса судна располагается 10-12 жертвенных анодов, которые принимают на себя разрушающее действие электролита. Электрическая безопасность в случае использования специальных судовых комплексов антикоррозионной защиты достигается за счет использования источников тока с низким напряжением.

Впрочем, такой сложный в техническом плане и, безусловно, дорогой огород можно и не городить: как показывает практика, «жертвенные аноды» неплохо работают и без внешнего источника тока. В этом случае вместе с металлом корабельного корпуса они образуют гальваническую пару, а далее процесс идет по уже известной нам схеме: более активный металл разрушается первым, а менее активный, из которого изготовлен корпус, остается в целости и сохранности.

По дедовским заветам

Если же корпус корабля по каким-то причинам нельзя защитить электрохимическими методами, его можно просто-напросто экранировать — исключить или по крайней мере свести к минимуму контакт с агрессивной внешней средой. Подобный эффект достигается десятками самых разнообразных способов.

Самым простым способом экранирования корпуса являются уже знакомые нам покровные материалы — то есть, лаки, краски, мастики и так далее. Преимуществ у этого способа ровно два: покровные материалы дешевы и сравнительно легко наносятся. Далее следует длинный список недостатков, главным из которых можно считать высокую скорость их разрушения — особенно в соленой морской воде. Да и экономия, к слову говоря, при таком подходе представляется достаточно спорной: ведь защитный слой нужно будет регулярно подновлять по мере того, как он будет стираться и отслаиваться. Ну и да, еще один важный момент — просто так закупить на ближайшем строительном рынке тонну-другую «цинковой краски» и обмазать ей корпус корабля не получится. Вся продукция, которая может использоваться для защиты судов от ржавчины, в обязательном порядке должна иметь Свидетельство о типовом одобрении Российского морского регистра судоходства. Если Свидетельства нет — грош цена такой защите.

Можно, впрочем, немного усложнить процесс и вместо лаков, красок и мастик использовать металлизированные и металлические покрытия — медь, олово, цинк, никель, хром и так далее. Это приведет к значительному подорожанию антикоррозионной защиты, но и эффект от нее будет куда выше. Чаще всего среди всех перечисленных выше металлов для сохранения корабельных корпусов в целости применяется цинк — в том числе составы класса Zinker, которые сочетают эффективность и простоту использования (кстати о Свидетельстве — у компании, которая производит составы класса Zinker, оно есть, так что мы упомянули ее здесь не для красного словца; ее продукции действительно можно доверять). Правда, нужно учитывать, что цинк сам по себе металл довольно мягкий, поэтому судно, защищенное им, нужно беречь — не допускать ударов о твердые и острые предметы, чтобы защитный слой прослужил как можно дольше.

Защита «от противного»

Ну а если краски и лаки — неэффективно, а металлизированные покрытия — слишком дорого, на помощь придут старый-добрый бетон и битум. Это дешево, сердито и достаточно эффективно, хотя и не везде применимо. Так, например, защищать бетоном небольшое рыболовецкое судно нецелесообразно — скопление дополнительной серьезной массы во внутренних отсеках наверняка не лучшим образом скажется на его эксплуатационных свойствах. Что же касается битума, то его чаще всего используются для «экранирования» грузовых трюмов. При этом процесс нанесения битума связан с некоторыми техническими сложностями: так, например, защищаемую поверхность предварительно необходимо загрунтовать (чаще всего это делается при помощи смеси нефтяного битума и бензина). Сам же материал становится пластичным лишь при нагревании до 200 градусов — поэтому при работе с ним необходима помощь компетентных специалистов, у которых имеется необходимое оборудование.

Ну а если вдруг нельзя по какой-то причине экранировать корпус, то почему бы не сделать окружающую среду менее агрессивной? Такой способ тоже используется, но в очень ограниченных масштабах. Понятное дело, что свойства всей морской воды (или даже речной) воды на всем протяжении пути корабля не изменишь — зато это можно сделать с жидкостями, находящимися в самом корабле. В частности, в балластную воду, которую судно набирает непосредственно из водоема, в котором находится, могут добавлять специальные ингибиторы коррозии — особые химические вещества, которые снижают деструктивные свойства жидкости и тем самым либо замедляют процессы ржавления металла, либо исключают их вовсе. То же самое, зачастую, проделывается и с нефтью в случае нефтеналивных танкеров.

Вывод из всего сказанного выше можно сделать простой. Даже два вывода: во-первых, успешная борьба с коррозией на воде дает надежду на то, что рано или поздно человечество сумеет одолеть этого грозного врага окончательно. Ну и во-вторых - доверяйте проверенным производителем! Любое средство защиты корабля от ржавчины в обязательном порядке должно быть сертифицировано и иметь специальные обозначения (например, для обслуживание корабельной отрасли — Свидетельство о типовом одобрении Российского морского регистра судоходства). Если использовать нечто непонятно кем, непонятно где, как и для чего изготовленное - в лучшем случае вы просто потратите зря время и деньги. В худшем - только усугубите проблему.

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.

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-ShareAlike 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.

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.

На поверхности вала в нашей модели наблюдается отрицательный знак локальной плотности тока, что свидетельствует о протекании тока в обратном направлении к поверхности вала, а не от него. Это подтверждает то, что поверхность вала подвергается катодной реакции.

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

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.

Аварии нефтеналивных судов происходят регулярно — и не всегда обходится без серьезных последствий. Вспомним трагедию с танкером «Торри Кэньон », которая была далеко не первой аварией танкера. Зато «первый звонок» для человечества точно прозвенел — масштабы беды заставили людей задуматься о том, насколько опасны могут быть эти суда . Случилась несчастье в 1967 г. Вообще, этот год был крайне неудачным для судоходства. Тогда в различных районах океана погибло 337 судов, причем 15 из них исчезли бесследно.

В марте танкер «Торри Кэньон» возвращался с грузом нефти из Персидского залива. Это было одно из самых больших в мире судов — длина танкера почти 300 метров, а вмещал 117 тыс. тонн нефти.

Утром 18 марта «Торри Кэньон» налетел на скалу Поллард Рок , находящуюся в 16 милях от побережья Корнуолла (Великобритания) . Из разорванных цистерн судна полилась нефть, и несмотря на то, что к месту аварии прибыли корабли с детергентом (специальным химическим веществом, которое должно «связать» и осадить нефть) , вокруг танкера начало расплываться ядовитое пятно.

К 21 марта нефть распространилась на площади 100 квадратных миль , причем огромное пятно двигалось по направлению к Англии. Несколько попыток стащить танкер со скал с помощью буксиров закончились неудачей. В машинном отделении произошел взрыв, и один из трех членов экипажа, оставшихся на танкере, погиб.

27 марта танкер, который постоянно било волнами о скалы, развалился пополам.

Нефтяное пятно тем временем достигло Корнуолла — крупнейшего британского курорта. На протяжении почти 100 км пляжи оказались залиты нефтью. Спасательную операцию было решено прекратить. Британская авиация начала бомбардировку остатков танкера с целью поджечь и уничтожить нефть.

С неба падали ракеты и бомбы, пятно поливали авиационным бензином и даже напалмом (зажигательная смесь, используемая в военных целях; не тушится водой и прожигает дметаллические конструкции). Возник международный скандал — правительство Великобритании ранее заявляло, что не производит и не хранит напалма. Над местом трагедии поднимались густые столбы дыма, но выжечь нефть так и не удалось.

А на побережье люди очищали от нефти пляжи и спасали водоплавающих птиц, перья которых склеились от нефти. Были задействованы тысячи людей — солдаты, пожарные, добровольцы из гражданского населения. Пляжи Корнуолла были очищены только к июлю , а курорты заработали лишь к концу лета . Очищать побережье от нефти пришлось и во Франции.

Случай с «Торри Кэньоном» не забыт и по сей день. Но уже через два года — в 1969 году — затонул танкер «Марпесса» , который был почти вдвое больше «Торри Кэньона» . На счастье, он только направлялся в Персидский залив, и нефти на борту не было.

В ноябре 2002 года греческий танкер «Престиж» потерпел катастрофу у берегов испанской провинции Галисия.

Он шел из Латвии в Гибралтар с 77 тысячами тонн мазута на борту. Во время сильного шторма в корпусе судна появилась широкая трещина. Мазут хлынул в открытое море. Было принято решение отбуксировать аварийное судно подальше от берега. «Престиж» удалось отвести на 133 морских мили (250 км) от побережья, где судно переломилось на две части и затонуло. Впоследствии испанское военное командование признало, что намеревалось поднять самолеты, которые должны были разбомбить и поджечь «Престиж» . Однако после того как судно затонуло, от этой идеи пришлось отказаться.

В итоге в трюмах танкера, лежащего на глубине 3,5 км, осталось более 20 тысяч тонн нефтепродуктов. С помощью батискафов удалось залатать пробоины на затонувших частях танкера, чтобы остановить загрязнение моря. На поверхности с нефтяными пятнами боролись суда-нефтесборщики Испании, Бельгии, Великобритании, Дании, Франции, Германии и Нидерландов.

На побережье — а всего в Испании, Португалии и Франции было загрязнено около 1000 км — работали войска, пожарные и добровольцы.

За катастрофу «Престижа» пришлось заплатить высокую цену. Погибли тысячи птиц. Нефтяные пятна достигли уникальной экологической зоны Испании — Риас-Бахас. Этот район богат рыбой и моллюсками, здесь собирают 80% всех мидий, употребляемых европейцами. Общая сумма ущерба составила, по некоторым оценкам, почти миллиард евро.

Итак, сейчас человечеству ясно, что транспортировка нефтепродуктов судами — дело рискованное и чревато большими неприятностями. Что же люди могут противопоставить опасности?

Есть несколько методов борьбы с разлившейся по воде нефтью. Самый простой — это установка переносных плавучих заграждений (их еще называют боновыми). Главная их задача — локализовать нефтяное пятно, помешать его распространению и перемещению. Основной же недостаток боновых заграждений — они не дают стопроцентного эффекта, а устанавливать их трудно, особенно при волнении моря, а тем более — в штормовую погоду. К тому же, чем больше нефтяное пятно, тем труднее его окружить «плавучим забором».

Мы уже упоминали о судах-нефтесборщиках и детергентах . Теперь расскажем об этих средствах борьбы с разлившейся нефтью чуть подробнее. Нефтесборщики — специальные суда, оснащенные скиммерами, — устройствами для сбора верхнего слоя воды вместе с нефтяной пленкой. В случае крупных катастроф, когда специализированных нефтесборщиков не хватает, задействуются подвесные скиммеры, которые крепятся на рыболовецкие и транспортные суда.

Детергенты — химические вещества, распыляемые над нефтяным пятном. Когда детергент попадает в нефть, та превращается в плотное вещество, которое тонет в воде. Здорово! Нет, не очень. Детергенты ядовиты. Плавающая на поверхности нефть не причиняет вреда живущим в глубине морским организмам. А вот когда скованная детергентом нефть идет ко дну, она несет с собой смерть обитателям мелководья, которые слишком медлительны, чтобы спастись бегством. Как выяснили ученые после катастрофы «Торри Кэньона» , нефть и детергент в сочетании гораздо более ядовиты, чем порознь. На восстановление животного и растительного мира побережья в тех местах, где нефть выбросило на берег, ушло около двух лет. А там, где применяли детергент, флора и фауна возродились лишь десять лет спустя! Противоядие оказалось хуже яда . В ряде стран сегодня использование детергентов запрещено.

Но, конечно, гораздо лучше предотвратить катастрофу, чем ликвидировать ее последствия.

После того, как в 1989 году супертанкер «Эксон Вальдез» сел на мель в проливе Принца Уильяма у Аляски, вылив в море 50 тысяч тонн нефти, судостроители решили уменьшить вероятность таких аварий. Корпуса новых танкеров стали делать двойными. Принятый в США закон требовал, чтобы к 2015 году все плавающие в водах США танкеры имели двойной корпус. После аварии танкера «Престиж» аналогичное законодательство появилось и в Евросоюзе.

Конечно, двойной корпус судна надежнее в случае столкновения. Но противники законодательства о двойных корпусах приводят свою статистику. С 1995 по 2001 год в море ежегодно разламывались или были близки к этому в среднем по 408 танкеров. При этом столкновения стали причиной аварий только в половине случаев. Другая половина — на счету коррозии . Проржавевшие суда разваливались сами по себе. И как считают некоторые ученые, на «двойных» танкерах корпус ржавеет гораздо быстрее.

В морской воде ржавчина съедает до 0,1 мм стали в год. Но в танкерах коррозия может идти в пять, десять и даже в тридцать раз быстрее. Для этого есть несколько причин.

Когда танкеры пусты, их заполняют водой для остойчивости. Морская вода превращает резервуары в огромные электрические батареи: между железом и другими, содержащимися в стали химическими элементами возникает слабенький, но опасный электрический ток. Нет-нет, этим током нельзя никого убить. Зато он значительно ускоряет процесс коррозии металла и образование ржавчины. А когда резервуары заполнены нефтью, из нее выделяются так называемые кислые газы — продукты реакций между нефтью, кислородом и водой. На верхнем своде резервуара появляются капли кислоты, разъедающей металл.

В любой нефти есть вода. Она, как более тяжелая, опускается на дно резервуара. В воде размножаются микробы, поедающие нефть и выделяющие кислоту, которая разъедает днища танков со скоростью до 2 мм в год. Отдельные микроорганизмы научились даже поедать антикоррозионное покрытие.

Это относится ко всем танкерам. А к «двойным» — в особенности, так как двойной корпус действует как стенка термоса, не давая морской воде охлаждать содержимое танков.

В тепле коррозия идет быстрее! Ее скорость увеличивается вдвое с повышением температуры на каждые 7 градусов. Проверять же состояние металла в пустотах между двумя корпусами крайне трудно.

Чем больше танкер, тем дешевле обходится транспортировка нефти. И тем больше нефти попадет в море в случае аварии. Пока человечество только ищет выход из этого тупика, стараясь гарантировать максимальную безопасность танкерным перевозкам.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: