Альтернативные способы антикоррозионной защиты судов

В мире создано бесчисленное количество специализированных лакокрасочных материалов, повышающих стойкость корабельных конструкций к воздействиям атмосферы и морской воды. Однако до сих пор не ясно, как предохранять от коррозии подводные части судов и сварные швы оборудования, работающего в самых экстремальных условиях. 

Для того чтобы судовое оборудование не теряло своей эффективности, инженеры должны быть знакомы со всеми технологиями, продлевающими срок его эксплуатации. Кроме того, в перечень их обязанностей включено умение определять, какие именно детали подлежат ремонту, а какие нуждаются в замене. При этом им необходимо просчитывать возможный объем затрат на восстановительные работы.

На сегодняшний день существуют различные способы защиты морских конструкций, но при выборе одного из них важно учитывать следующие параметры: место нанесения покрытия (будет ли поверхность погружаться под воду), требуемый срок службы, очередность выполнения оперативных задач, время монтажа и, разумеется, ограниченность бюджета.

Если средства позволяют, инженеры предпочитают останавливаться на износостойких  металлических сплавах, способных противостоять экстремальному воздействию морской среды. Однако известны и другие менее затратные решения.

Когда такие части судна, как вентили, насосы, соединительные детали, необходимо предохранить от повреждений, лучшим выходом становится нанесение тонкого защитного слоя на сварные швы. Подобное покрытие должно выдерживать высокие нагрузки и не терять своих эксплуатационных характеристик от нахождения в щелочной среде.

Защита сварных швов обязательна, если речь идет о корабельных конструкциях, погружаемых под воду, к примеру, винтах и грейферах. Как правило, при их изготовлении используются разнородные металлы, которые в значительной степени подвержены электрохимической коррозии. Нанесение дополнительного покрытия на швы не только увеличит срок службы нового оборудования, но и восстановит сооружения, которые уже подверглись корродированию.

 


Защита сварных швов обязательна, если речь идет о корабельных конструкциях, погружаемых под воду


 

Укрепление швов может быть полезным даже для приборов, находящихся в закрытых помещениях, в частности, в машинном отделении. Обычная нержавеющая сталь применяется для предохранения фланцевых уплотнений вентилей и насосов. Если среда особенно агрессивна, рекомендуется использовать сталь более высокого качества, а также хромоникелевые и твердые сплавы. Крупные партии этих металлов очень дороги, однако нанесение тонкого слоя (порядка 3 мм) гарантирует отличную стойкость, что сократит дальнейшие расходы на ремонт.

Защитные материалы

В числе металлов, на которые стоит обращать внимание, − аустенитная, ферритная/мартенситная, двухфазная нержавеющая сталь и некоторые хромоникелевые сплавы. Главным недостатком аустенитной стали считается недостаточная стойкость к агрессивным воздействиям. Двухфазные и хромоникелевые материалы при сварке проявляют те же защитные свойства, что и углеродистая сталь.

Перед восстановлением все оборудование обычно обрабатывают, а затем автоматически наплавляют сварной шов или прибегают для этих целей к ручной сварке. Одним из наиболее эффективных материалов является никель-алюминиевая бронза.

Способы защиты

Углеродистая и низколегированная сталь наравне с коррозионно-устойчивыми сплавами применяются уже в течение нескольких лет и представляют собой хорошую альтернативу твердым сплавам как с технической, так и с экономической точки зрения.

Если детали сделаны из обычной стали, то на сварные швы можно нанести специальный защитный слой, который впоследствии не разрушится и не будет смещаться в сторону.

Технология сварки

После первичного осмотра поверхностей, требующих дополнительной обработки, специалисты могут выбрать устраивающий их способ сварки и подходящее для этих целей решение. Защита швов предполагает применение разнородных материалов. Более детально стоит рассмотреть несколько из них.

В первую очередь внимания заслуживает дуговая сварка вольфрамовым электродом (GTAW). В качестве электрода используется стержень, изготовленный из вольфрама, температура его плавления превышает максимальную температуру при сварочных работах. Сам процесс осуществляется в среде защитного газа (аргон, гелий, азот и их смесях) для предохранения шва и электрода от атмосферного воздействия, а также для устойчивого горения дуги.

Вольфрамовый электрод закрепляется в токопроводящем устройстве специальной горелки, к которой по шлангам подводится токоведущий провод и аргон. Истекающая из сопла горелки струя инертного газа оттесняет воздух и надежно защищает электрод, дугу и сварочную ванну от окисления и азотирования. Если возникает необходимость в добавочном (присадочном) металле для усиления шва (валика), то в дугу подается присадочная проволока, как правило, с таким же составом, что и свариваемый металл.

Поскольку данный процесс предполагает надежную изоляцию от кислорода и азота, то этот способ подходит главным образом для скрепления изделий из титана, циркония алюминия, магния и других химически активных металлов либо для изготовления конструкций из коррозиеустойчивой стали.

 

 

Дуговая сварка вольфрамовым электродом позволяет работать даже с небольшими участками диаметром 15 мм, кроме того, такой метод приемлем для неоднородных поверхностей, при контакте с которыми постоянно приходится регулировать положение сварочной головки. Среди таких областей могут быть фланцевые уплотнения или целые клапанные корпусы с отверстиями. Аналогичным образом обстоит ситуация с объектами неправильной формы или внутренними пространствами насосов и вентилей.

Наплавка стальным электродом (GMAW) используется достаточно ограниченно ввиду трудности получения сварного соединения без отбеливания и образования трещин. Такой способ применяют для заварки дефектов отливок и ремонта металлических деталей. Лучшие результаты достигаются при работе с электродами с карбидообразующими элементами в покрытии, в частности, содержащими до 70% ванадия. Он, поступая в шов, связывает углерод основного металла в мелкодисперсные карбиды ванадия, в результате чего структура шва получается ферритной с включением карбидов ванадия. По этой причине углерод шва не влияет на образование цементита, так как почти целиком используется для получения карбида ванадия, следовательно, не происходит отбеливания.

При сварке электродами поверхность должна быть хорошо очищена. Сначала в стенки наплавляют облицовочные валики электродами диаметром 3 мм, не допуская разогрева металла, делая наплавку вразброс. После этого заполняют разделку отдельными валиками электродов, не разогревая деталь. Работу следует выполнять медленно.

Сварка стальным электродом, наряду с электрошлаковым методом и сваркой под флюсом, применяются в том случае, если поверхность имеет большую площадь. Высокий коэффициент наплавки позволяет говорить об их экономичности. Существуют и другие способы обработки, которые не подразумевают использование стандартных одножильных проводов. Они подходят в основном для широких поверхностей, подверженных сильному истиранию.

Подбор типа сварки определяется несколькими факторами: площадью участка, его доступностью, видом сплава, толщиной слоя, пределом содержания химических элементов, положением шва при сварке и стандартами неразрушающего контроля. Как правило, автоматическая сварка обеспечивает лучший коэффициент наплавки и оптимальное качество нанесения состава, соответствующее результатам специальных оценочных испытаний. Механизация процесса требуется, если некоторые из областей не представляется возможным покрыть вручную.

 


Углеродистая и низколегированная сталь наравне с коррозионноустойчивыми сплавами представляют собой хорошую альтернативу твердым сплавам


 

К сварке под флюсом обращаются при работе с большими поверхностями, которые легко поддаются обработке. Для этих целей применяются провода диаметром от 2,4 мм, поэтому подложка должна быть достаточно толстой, чтобы выдерживать высокую тепловую нагрузку и интенсивность самого процесса.

Относительно недавно были разработаны методы, при которых отбираются провода диаметром 1,2 мм. Это позволяет наносить покрытие на более тонкие детали, контролировать толщину наплавленного металла и при этом сохранять скорость сварки 5 кг в час. Существуют комбинации расходных материалов, которые можно наносить в один слой при сварке под флюсом. Они сочетаются с двухфазной и ферритной/мартенситной сталью.

Ранее после покрытия швов металлом применялась повторная обработка, но с развитием технологий ее стали использовать все реже, зачищая лишь некоторые участки. Впрочем, это не относится к местам уплотнения или прилегания прокладки, потому что их подготовка требует большой осторожности.

Метод наплавки слоя сварного шва в настоящее время очень распространен в нефтегазовой, химической, энергетической и судостроительной отраслях промышленности, поскольку подготовка к нему не требует особых денежных затрат и проводится достаточно быстро.

Выбор способов защиты огромен, что подразумевает обычную ручную дуговую сварку и тепловую сварку вольфрамовым электродом (TIG) с использованием множества головок, и даже лазерный метод. Несколько лет назад некоторые из металлов плохо поддавались обработке, но эту проблему удалось решить за счет приведения в соответствие требований к качеству защитного материала стали с предписаниями к уровню подготовки поверхностей.

Новаторский проект

Эффективность защиты швов в судостроительной отрасли была доказана несколькими компаниям, в том числе и Arc Energy. Ее специалисты смогли разработать программу по сокращению расходов при строительстве судов. Два последних проекта включали в себя изготовление 24 труб для системы циркуляции морской воды, которая охлаждала ядерные реакторы на двух кораблях класса Astute, сконструированных фирмой BAE Systems.

Разработчики поставили перед собой цель повысить производительность и максимально снизить затраты. Так как на некоторых судах применялись трубные заготовки из дорогого медно-никелевого сплава, возникла необходимость в поиске высококлассной альтернативы. Недостатком сплава также оказалась длительность поставки, что подрывало графики строительства. В качестве замены было предложено использовать углеродистую сталь в сочетании с подходящим коррозиеустойчивым сплавом. Материалы наносили на участки, которые были подвержены воздействию морской воды. 

Восемь двухметровых стальных труб и шестнадцать метровых концевых секций диаметром 430 мм были полностью покрыты сплавом, даже в местах уплотнения. В  соответствии со стандартом ASTM A694 F65, в качестве основного материала Arc Energy применяла кованую сталь, подходящую для систем, работающих при высоком давлении. Медно-никелевый сплав, отличающийся стойкостью в хлоридной среде, служил сварочным материалом. Чтобы обеспечить химическую совместимость подложки и сплава, был нанесен слой толщиной 5 мм. Кроме того, для лучшей прочности поверхность подверглась предварительной обработке.

После нанесения покрытия, последующей обработки и неразрушающего контроля специалисты компании изготовили специальные детали для скрепления трех основных компонентов секции. Наружную поверхность сооружения покрыли алюминиевым составом. Также было решено спроектировать специальные балки и опорные конструкции, провести чистовую обработку.

Еще один проект, реализованный инженерами Arc Energy, представлял собой защиту некоторых труднодоступных частей судна Astute. Эти детали должны быть выполнены из того же типа стали, что и весь корпус. Поскольку сталь не обеспечивала оптимального уровня коррозионной устойчивости и герметичности, а некоторые участки вступали в непосредственный контакт с морской водой, возникла необходимость в защитном покрытии для сварных швов. Выбор был сделан в сторону сплава Monel 400 (70% никеля и 30% меди).

Как можно было убедиться, защита сварных швов судового оборудования обладает рядом преимуществ. Она предназначена для наиболее уязвимых зон и позволяет заменить дорогостоящие антикоррозионные материалы на более экономичные. Такой способ универсален и не зависит от размера и формы объектов, будь то палубный насос или коробка силовой передачи, так как в любом случае можно подобрать удовлетворяющий всем запросам сплав.

Данная технология защиты широко применяется на нефтяных платформах. Инженеры-проектировщики отмечают существенную выгоду и возросший срок службы материалов, что возможно только при работе с проверенными поставщиками, чья продукция отвечает требованиям стандарта ISO 3834, регулирующего качество сварочного процесса.

 Алан Робинсон