2.6. Борьба с обрастанием и коррозией

Подверженность подводных объектов обрастанию и коррозии накладывает особый отпечаток на весь процесс подводно-технических работ, во многом определяя их специфику как на стадии подготовки, так и на стадии выполнения. Учет этих явлений обязателен при эксплуатации самых различных сооружений, устройств и механизмов, применяемых для обеспечения подводного технологического процесса.

Как известно, обрастание - это поселение растительных и животных организмов на искусственных и природных твердых поверхностях, в том числе на камнях, подводных поверхностях судов, портовых и других сооружениях, на внутренних поверхностях промышленных водопроводных труб, конденсаторах тепловых электростанций и т. д. В результате обрастания судов и других подвижных средств повышается сопротивление их движению, возрастает требуемая мощность энергетических установок для сохранения первоначальной скорости. Так, увеличение шероховатости подводной части судна всего на 25 мкм повышает сопротивление его движению на 2,5 %. Сильное обрастание водоводов приморских и плавучих электростанций и заводов, обрастание заборных патрубков систем охлаждения часто приводит к их полной закупорке. В результате обрастания может нарушиться работа различных систем технического водоснабжения, гидроаппаратов и гидротехнических сооружений. Судовые и океанологические приборы и аппаратура, подвергшиеся обрастанию, преждевременно выходят из строя или дают неверные показания. Обрастание гидроакустических буев, плавающих сетей заграждения и других дрейфующих объектов приводит к потере плавучести, увеличивает воздействие на них течений. Зарастание сетей, образующих рыбные загоны в морехозяйствах, снижает циркуляцию воды и ухудшает кислородные условия в огороженных участках.

Скорость обрастания различна. На быстроходных судах и объектах, как правило, размещается небольшое количество обрастателей: их биомасса не превышает 10 кг/м² в год. На тихоходных судах и объектах их поселяется уже значительно больше: прирост биомассы в этом случае достигает 20 кг/м² в год. Наибольший прирост биомассы (40 кг/м² в год и более) наблюдается при обрастании неподвижных и малоподвижных объектов, таких как плавучие маяки, буи, боны, сваи, причалы, трубопроводы и т. п. Однако следует отметить, что не только степень подвижности определяет интенсивность обрастания [6]. На нее влияет также температура и соленость воды, колебания температуры в зависимости от сезона, наличие течений, подвижных илов, распределение освещенности в толще воды и др.

Защита подводных объектов от обрастания значительно сокращает экономический ущерб, наносимый им, повышает надежность систем, механизмов и оборудования, работающих в подводных условиях, уменьшает опасность возникновения аварийных ситуаций. Средства и методы защиты от обрастаний и борьба с ними включают разнообразные способы, основанные на применении физических и химических процессов.

Наиболее простой способ борьбы с обрастанием - периодическая механическая очистка поверхностей подводных объектов. В настоящее время именно механическая очистка занимает первое место как по объему выполняемых работ, так и по разнообразию применяемых устройств и приемов. Слой обрастателей удаляют с очищаемой поверхности скребками, щетками, струей воды высокого давления и т. п. Подлежащий очистке объект поднимают, если это возможно, из воды или обрабатывают под водой с помощью водолазов, дистанционных манипуляторов и подводных аппаратов.

Подводную очистку можно выполнять двумя способами: с поверхности воды или непосредственно под водой. Применение первого способа возможно, если подводный объект расположен на сравнительно малой глубине, доступной для современных устройств и механизмов очистки. Этот способ часто используется в таком виде подводного производства, как морские хозяйства, акватории которых имеют систему постоянных или плавающих мостков, либо расположены в приливно-отливной зоне. В последнем случае очистка объектов выполняется с лодок во время отлива. Установки для производства работ с поверхности применяют также при очистке малотоннажных судов, относительно ровных легкодоступных поверхностей крупных судов и гидротехнических сооружений (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Щеточный инструмент для очистки от обрастаний: а - цилиндрическая щетка; б - торцовая щетка; в - ручная пневматическая щеточно-зачистная машинка; г - надводная установка для подводной очистки поверхностей

Очистка подводных объектов водолазами - весьма трудоемкая и достаточно сложная операция, однако она является единственно возможной в тех случаях, когда очищаемый объект не может быть поднят на поверхность или очищен с поверхности. Эффективность водолазного труда при подводной очистке может быть повышена применением различных механизирующих устройств и установок. От их наличия, характеристик и условий работы зависит выбор технологии подводной очистки [35].

Для ряда подводных объектов создается постоянно действующая система механической защиты от обрастания. Наиболее удобна система, использующая воздух. Создавая поток воздушных пузырей в непосредственной близости от защищаемой поверхности, система предотвращает оседание на нее личинок обрастателей. Для этих же целей могут быть применены струи воды, подаваемые под большим давлением, а также некоторые виды покрытий.

К физическим методам борьбы с обрастанием подводных объектов кроме механической очистки можно отнести создание около них термической, электрической, ультразвуковой или радиоактивной защиты.

Термическая защита заключается в периодическом нагреве защищаемой поверхности до определенной температуры либо в промывании ее теплой водой. Например, взрослые особи и личинки основных обрастателей Черного моря балянусов и мидий гибнут при температуре воды 44 °С в течение 5-15 мин. Для термической защиты водоводов от мидий на Одесской электростанции используют воду, подогретую до 70-80 °С, которую периодически подают в защищаемые устройства. С другой стороны, для борьбы с обрастанием можно использовать и низкие температуры (вымораживание обрастателей).

Электрический метод основан на создании возле защищаемой поверхности постоянного или переменного электрического поля, которое предотвращает поселение организмов. По одной из схем металлические изолированные электроды размещают вдоль защищаемой поверхности и периодическим включением переменного электрического тока между двумя электродами создают электрическое поле. Подобная схема работает и на постоянном токе. Однако эффективна она лишь при больших плотностях тока - свыше 10 000 мА/м².

Ультразвуковой метод основан на способности ультразвуковых волн сравнительно высокой интенсивности поражать живые организмы. Частоту и интенсивность излучения защитных ультразвуковых установок необходимо выбирать исходя из конкретных условий, в частности при защите обитаемых объектов, например судов, не должно быть травмирующего действия ультразвука на экипаж. Что касается защиты необитаемых подводных объектов, то здесь обычно основным показателем является обеспечение максимальной надежности.

Радиоактивный метод борьбы с обрастанием основан на использовании различных радиоактивных изотопов со сравнительно длительным периодом полураспада. В большинстве случаев изотопы в виде порошкообразного металла, окислов или солей добавляются в необрастающие покрытия перед их использованием и в составе покрытия оказывают летальное воздействие на обрастателей. Так, при использовании в покрытии изотопа иттрия с поверхностной активностью 0,05 мКюри/см² и выше на защищаемой поверхности обрастания не возникает.

Химические методы борьбы с обрастанием заключаются в том, что поверхность защищаемого объекта периодически или постоянно обрабатывается токсичными для обрастателей составами. Водоводы, трубопроводы, трубы теплообменников, затворы и другие конструктивные элементы гидротехнических и энергетических сооружений успешно защищают от обрастаний хлорированием проходящей через них воды. Возможно и использование других химических веществ.

Наконец, в борьбе с обрастанием применяются различные типы специальных покрытий, пассивных и активных. Пассивные покрытия исключают применение ядов, что особенно важно в тех случаях, когда необходимо обеспечить особую чистоту водной среды, например в морехозяйствах, связанных с культивированием моллюсков, рыб, пищевых водорослей и т. п.

В простейшем виде в качестве пассивных покрытий используют различные полиэтиленовые или резиновые пленки, мешки, которыми закрывают защищаемый объект. Такие покрытия не защищают от обрастания, но позволяют быстро очищать объект от слоя обрастателей. В частности, полиэтиленовыми мешками удобно закрывать небольшие буи и другие небольшие плавающие объекты. Сравнительно быстро можно очистить от обрастателей элементы объектов, обложенные или обмотанные резиной.

Развитием пассивных покрытий являются отслаивающиеся покрытия, которые по достижении определенной величины обрастания сбрасывают один слой вместе с обрастателями, как бы автоматически самоочищая защищаемый объект.

Для уменьшения обрастания в покрытия (резину, пленку и т. п.) помещают специальные микрокапсулы с ядами, летальными для обрастателей. В этом случае покрытия становятся активными и по принципу действия аналогичными необрастающим краскам. Оболочка микрокапсул выполняется полупроницаемой и изготовляется из различных полимеров или пленкообразующих веществ (нитроцеллюлоза, парафин, желатин, полиэтилен) толщиной около 1 мкм. Размеры микрокапсул колеблются от 5 до 300 мкм. Применяя в покрытиях микрокапсулы различной толщины и размеров, можно регулировать выделение ядовитых веществ, обеспечивая тем самым равномерность выщелачивания ядов и более длительную защиту объекта от обрастания по сравнению с необрастающими красками.

К активным относятся и покрытия из ряда ядовитых для обрастателей металлов и сплавов. Действие их основано на способности большинства организмов накапливать в себе вредные элементы, что и служит причиной их гибели. Интересна в этом смысле медь. Медные покрытия толщиной 0,1-0,12 мм наносятся на защищаемые поверхности плазменным напылением, электроосаждением или гальванизацией. Такие покрытия можно наносить и на изделия из полимерных материалов. В частности, достаточно широко и успешно эксплуатируются полиэтиленовые сети с медным покрытием, которые обрастают в два раза медленнее, чем подобные сети без покрытия. Однако лучше всего противостоят обрастанию стальные плетеные сети с медным покрытием, полученным методом гальванизации [36]. Эффективной защитой от обрастания могут служить такие достаточно медленно растворяющиеся в воде металлические покрытия, как цинк с алюминием (0,1%) и кадмием (0,05%), кадмий с оловом (0,1 и 0,3 % соответственно) и т. п.

К особенностям морской воды как коррозионной среды относятся: высокая концентрация растворенных солей; большое содержание хлоридов, в частности хлоридов натрия и магния (почти 90% солевого состава); содержание в воде депассиваторов ионов хлора и окислителя - растворенного кислорода; присутствие микроорганизмов, водорослей, моллюсков и других живых организмов-обрастателей, в результате жизнедеятельности которых выделяются вещества, способствующие коррозии.

К этим факторам, определяющим коррозионную активность поверхностных слоев воды, на глубине добавляется воздействие гидростатического давления, изменение химического состава воды. Результаты ряда экспериментов [41] показывают, что на глубинах до 1800 м сплошная и питтинговая коррозия сталей и некоторых других материалов не превышает тех пределов, которые отмечены у поверхности моря. Однако следует учесть, что агрессивность илов и осадков, а также сероводородное заражение воды в некоторых районах морей может стать причиной ускоренной коррозии (рис. 2.19). Характерные для морской воды небольшие колебания рН в интервале 7,2-8,6 не оказывают заметного действия на процессы коррозии.

Рис. 2.19. Изменение скорости коррозии стальной сваи в различных зонах. 1 - атмосфера; 2 - морские брызги (в прилив); 3 - средний уровень отлива; 4 - спокойная вода; 5 - ил

В общем виде на коррозионную стойкость объектов, эксплуатируемых в водной среде, влияют три группы факторов: конструктивные, технологические и эксплуатационные (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Классификация факторов, влияющих на стойкость конструкций против коррозии и обрастания

Из технологических факторов укажем способ и условия нанесения покрытий, качество их выполнения при изготовлении и монтаже изделий, а также в период проведения ремонтно-профилактических работ в подводных условиях [35]. Здесь, как и в надводных условиях, решающими могут быть не только чисто технологические характеристики, такие как скорость и равномерность нанесения покрытия, правильный режим сушки, температурные условия, но и, казалось бы, совершенно простые вспомогательные операции, например перемешивание или подогрев красок и грунтовок перед их использованием.

Серьезно могут повлиять на коррозионную стойкость объектов нарушения при установке средств защиты и определении их правильного размещения на объектах. Так, в результате неправильного размещения анода при катодной защите неподвижных металлических поверхностей возникают блуждающие токи и коррозия объекта значительно усиливается [41]. К этому же может привести отсутствие контакта между отдельными элементами защищаемого объекта, неправильно установленный режим защиты, плохо смонтированный протектор и многое другое.

Тщательно должны отрабатываться технология нанесения покрытий и режим защиты при совместном применении необрастающих антикоррозионных покрытий и электрохимических методов защиты.

Подготовка поверхностей, защищаемых покрытиями и электрохимически, должна быть особенно хорошей. Здесь важен вид покрытия, способ его нанесения и качество адгезии. В случае отслоения покрытия, при его повреждении возможно возникновение интенсивной местной коррозии с образованием активных катодных участков. Необходимо помнить, что необрастающее покрытие наносится поверх антикоррозийного.

Как известно, действие электрохимических методов защиты основано на эффекте катодной поляризации - отрицательном отклонении электрического потенциала от стационарного при наложении постоянного электрического поля между катодом (защищаемая конструкция) и анодом в электролите. При этом отрицательный полюс генератора постоянного тока соединяется с защищаемым металлом, а положительный - с анодами, изолированными от металла и установленными на внешней его поверхности или вне её. Стационарный потенциал корродирующей стали в морской воде составляет примерно 0,35 В (по водородной шкале). При возрастании катодной поляризации скорость коррозии стали уменьшается, а при достижении потенциалом значения около 0,55 В коррозия практически прекращается. Катодная поляризация может также создаваться присоединением к защищаемому металлу специального протектора - металла с более сильным отрицательным электродным потенциалом, который быстрее разрушается в морской воде. Как правило, для протекторов используются алюминиевые сплавы. Первый вид защиты называется катодным, второй - протекторным.

При электрохимической защите отмечается повышение щелочности воды у катодов. Это заставляет внимательно относиться к выбору типа покрытия. Достаточно щелочестойкими являются покрытия на основе поливиниловых, эпоксидных, эпоксидно-пековых, полиуретановых и некоторых других смол, а также на основе этинолевого лака. При катодной поляризации стали (до 0,55 В) эти лакокрасочные покрытия не подвергаются разрушению. При более низких значениях поляризации возможно разрушение лакокрасочного покрытия. В этом отношении одним из наиболее долговечных следует считать покрытие на основе эпоксидной смолы. Высокой стойкостью обладает применяемое в последнее время покрытие с катодным слоем из цинковой пыли на основе этилсиликатов. Однако его обязательно следует наносить сплошным слоем, без пропусков.

Чтобы уменьшить возможность разрушения покрытия, в последнее время прибегают к снижению нормативного значения защитного потенциала примерно до 0,40 В. При такой поляризации подавляется склонность стали к язвенной коррозии, а скорость равномерной коррозии остается небольшой (0,06-0,10 мм/год), что допустимо [13]. В этом случае неравномерность распределения потенциала по защищаемой поверхности будет сравнительно невелика, что и обеспечит эффективную защиту металла от коррозии без повреждения лакокрасочных покрытий.