Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

Коррозия или жизнь

Академик Евгений Каблов, генеральный директор Всероссийского института авиационных материалов (ВИАМ). Материал подготовила Елена Лозовская.

Солнце, воздух и вода, столь необходимые человеку для жизни, в то же самое время — злейшие враги конструкционных материалов. А ещё песок, пыль, автомобильные выхлопы, микроорганизмы… Что нужно сделать, чтобы не рушились мосты и не обваливались крыши зданий, не ржавели корабли и не старели раньше времени самолёты? Чтобы из прохудившихся трубопроводов не сочились нефть, газ, да хоть бы и вода? Как рассчитать конструкцию изделия, чтобы из-за поломки крошечной детали не выходил из строя сложный агрегат? И как уберечь российских потребителей от товаров, не рассчитанных на наш климат? Эти вопросы — предмет серьёзного разговора. Слово — ведущему отечественному материаловеду.

Человек приспособился к жизни в разных климатических условиях, но этого мало: жару и мороз, сушь и дожди должна выдерживать техника. Чтобы оценить ресурс и надёжность сложных технических систем, важно понимать, какое воздействие на материалы оказывают климатические факторы.

По оценкам японских специалистов («Espec Technology Report», № 1), более 60% случаев отказа оборудования связаны с воздействием температуры и влаги. Например, при высоких температурах изменяются электрические параметры — индуктивность, ёмкость, сопротивление, в результате отказывает электроника. Из-за размягчения и расширения поверхностных слоёв начинается разрушение движущихся частей. Ускоряются окисление и связанное с ним старение материалов. Низкие температуры вызывают другие проблемы: уменьшается эластичность каучука и смол, застывают смазки, замерзают жидкости, происходит термоусадка, образуются трещины. Высокая влажность ускоряет коррозию, а материалы, способные впитывать влагу, набухают и теряют свои свойства.

Разрушение материалов под воздействием климатических факторов приводит к авариям на транспорте, на производстве, в жилищно-коммунальном хозяйстве. Около четверти аварий на газовых и нефтяных трубопроводах — следствие коррозии. И чем дольше эксплуатируется трубопровод, тем чаще аварии. По данным американской компании Corrpro, в течение первых восьми лет после запуска трубопровода фиксируются только три аварии, через 17 лет — уже 94! Прогноз на основе этих данных даёт 665 аварий через 25 лет эксплуатации. А любая авария, связанная с трубопроводом, — это не только экономические, но и экологические и социальные последствия.

Ежегодные мировые потери от коррозии оцениваются в 2,2 трлн долларов, и в таких странах, как США, Великобритания, Германия, достигают 3% ВВП. В США в 2011 году прямые потери составили 468 млрд долларов. (Последняя достоверная оценка коррозионных потерь в нашей стране относится к 1969 году: 6,7 млрд долларов, или 2% ВВП.) При этом по крайней мере четверти всех потерь можно было бы избежать, если использовать научно обоснованные методы защиты материалов от коррозии и других климатических факторов.

Приоритет в понимании механизмов коррозии принадлежит Георгию Владимировичу Акимову, одному из основателей ВИАМа. Ещё в 1920-е годы он задумался над тем, почему одни сплавы быстро разрушаются под воздействием кислорода и воды, а другие относительно устойчивы. В 1926 году Акимов, находясь на отдыхе в Севастополе, чтобы времени зря не терять, провёл серию опытов. Он подвешивал стальные болтики к алюминиевой проволоке, к медной проволоке, к обычной бечёвке, погружал их в морскую воду и смотрел, что происходит.

Акимов пришёл к выводу, что процесс коррозии описывается механизмами электролитического взаимодействия. А как только стал понятен механизм, появилась возможность разработать способы защиты, например покрытие стали и алюминия слоем цинка.

Полимерные композиционные материалы, которые в последние десятилетия заметно потеснили металлы, не подвержены коррозии. Но их тоже надо защищать. И в первую очередь — от влаги. Композиционный материал — многослойный, он состоит из прочного волокна и полимерного связующего, например эпоксидной смолы. Если влага проникает на границу раздела волокно—матрица, происходит расслаивание, разрушение материала. В каком-то смысле полимерный композиционный материал можно сравнить по структуре с железобетоном: стальная арматура обеспечивает прочность, жёсткость, а бетон — монолитность конструкции. И если, например, в бетоне осталась избыточная влага, которая к тому же замёрзла, бетон разрушается. То же и с полимерным композитом: когда в матрице композита образуются трещины, то есть основа материала теряет прочность, волокна просто расползаются и конструкция теряет эксплуатационные свойства. Есть международные стандарты, которые дают оценку воздействия воды на композит. Образец помещают в водяную баню и выдерживают в течение полутора месяцев, до полного влагонасыщения. После этого измеряют механические свойства материала: как правило, они снижаются на 30—40%. Мы в ВИАМе создали связующее, которое позволяет сохранить 85% свойств материала даже при длительном воздействии влаги и температуры.

Другой повреждающий фактор — ультрафиолет. Он вызывает деструкцию связующего, и материал теряет механические свойства. Похожие процессы происходят и под воздействием песка, который «выдувает» связующее из состава материала. Известен случай с компанией «Роллс-Ройс». В начале 1970-х там сконструировали новый двигатель, в котором лопатки вентилятора сделали из углепластика. Получили выигрыш по весу, отличные характеристики по модулю упругости и прочности. Но не учли одну особенность: пыль, которая засасывалась в двигатель на аэродроме, практически полностью удалила полимерную матрицу из тела лопатки, и та стала похожа на веник, только из волокон углерода. Компания потерпела очень большие убытки и обанкротилась. Тогда королева Великобритании приняла решение о национализации компании с выкупом всех долгов. А через некоторое время компанию вновь продали в частные руки. Пример грамотного отношения руководителей государства к бренду, составляющему национальное достояние.

Ещё один фактор — биоповреждения. Они особенно заметны в тропических условиях. Появилось множество разных микроорганизмов, которые питаются за счёт полимеров и других материалов. Самое главное — продукты жизнедеятельности этих микроорганизмов очень агрессивны. Некоторые выделяемые ими вещества прожигают пластинки из нержавеющей стали толщиной 1—1,5 мм. Есть микроорганизмы, которые могут жить в керосине, а им заправляют самолёты. К примеру, заправили самолёт в Юго-Восточной Азии, и в топливный бак попали эти микроорганизмы. Они активно размножаются, а продукты их жизнедеятельности образуют студенистую массу, которая забивает трубопроводы. А если топливо перестанет поступать в двигатель, он отключится. Было несколько авиакатастроф именно из-за того, что в керосин не ввели биоцидные присадки, которые уничтожили бы микроорганизмы.

Чтобы определять стойкость материалов и конструкций к воздействию природных факторов, надо иметь сеть климатических испытательных центров. К сожалению, в нашей стране не все это понимают и даже от специалистов нередко приходится слышать: зачем годами держать материалы на открытых площадках, если есть система ускоренных испытаний? Поставим образцы в камеру, где есть и влажность, и температура, и ультрафиолет, и будем гонять при жёстких режимах.

Конечно, используя ускоренные испытания, можно в первом приближении понять, насколько материал склонен к разрушению, способен ли он выдержать, например, воздействие соляного тумана. Но ни в одной климатической камере мы не сможем оценить совокупное влияние реальных климатических факторов — так смоделировать природу просто нельзя! Без натурных испытаний невозможно установить коэффициент корреляции ускоренных испытаний с теми процессами, которые происходят в реальных климатических условиях. И даже если для отдельных материалов коэффициент корреляции установлен, очень трудно определить, какой ресурс работы можно назначить изделию, состоящему из разных материалов, с разными системами защиты. Только сопоставляя натурные испытания с ускоренными, мы можем сказать, сколько лет прослужит это изделие при эксплуатации в тропическом климате или в умеренно холодном. Чтобы иметь полную картину того, как себя ведут и материал, и конструкция, ускоренные и натурные испытания надо проводить параллельно.

По техническим стандартам, которые действуют в США, Китае, европейских странах, определяющими являются результаты натурных испытаний. В США и странах НАТО существует целая сеть специальных центров: они обеспечивают испытания материалов и техники (как военной, так и гражданской) в климатических зонах 14 типов — от экстремально жаркого сухого климата пустыни Аризона до холодного на Аляске. Испытания — как натурные, так и ускоренные — проводятся по единой системе.

Испытывают не только образцы, но и узлы, агрегаты, электронные конструкции. Любая сложная техника должна пройти натурные испытания. Причём для автомобилей и вездеходов есть специальные вращающиеся площадки. Они совершают поворот вслед за солнцем, так что один бок автомобиля всегда подставлен солнечным лучам, а другой остаётся в тени.

Крупнейший климатический испытательный центр расположен на мысе Канаверал во Флориде, откуда происходят запуски космических аппаратов. Отличная испытательная площадка у американцев на Гавайях — там и морской климат, и высокогорный, и есть возможность установить испытательный стенд на действующем вулкане.

У нас в стране всего два испытательных центра, соответствующие международным стандартам. Один — в Москве, с площадкой на крыше одного из корпусов ВИАМа, где идут испытания в условиях города с развитой промышленностью и большим количеством автомобилей. Другой — в Геленджике, на берегу моря. Это Центр климатических испытаний ВИАМа им. Г. В. Акимова.

Что такое натурные испытания?

Это только так кажется, что можно просто выставить кусок металла или пластика на солнышко, и пусть он там лежит, греется, пока не разрушится. Для каждого материала есть несколько схем испытаний: в тени и на солнце, с дополнительными механическими нагрузками, с погружением в воду или с поливом морской водой. Через определённые промежутки времени, например через три месяца, из карточки испытуемого материала вырезают фрагмент, делают образцы, испытывают разными методами. Мы контролируем 16 параметров и через два года получаем достаточно полную картину деградации свойств. Есть образцы, которые экспонируются дольше — пять, десять лет и более.

Недавно в Швейцарии по нашему заказу изготовили уникальный автоматизированный комплекс для испытаний крупногабаритных элементов конструкций на силовом полу под открытым небом — он позволяет создавать нагрузки до 25 тонн.

Мы планируем разработать систему глубоководных испытаний, чтобы можно было оценить, как ведут себя трубопроводы, которые всё чаще прокладывают по дну моря. Конечно, их делают с большим коэффициентом запаса по прочности, но, чтобы быть уверенным, что труба прослужит расчётный срок, необходимо знать степень агрессивности придонного слоя воды. Например, в Чёрном море, где проходит «Голубой поток», есть области с очень высоким содержанием сернистых соединений.

Территория России огромна, она расположена в семи климатических зонах. Надо строить и оснащать испытательные центры в Якутии, на Урале, на Дальнем Востоке. Испытательную площадку Российской академии наук на острове Русский снесли, а новую так и не построили. В идеале для каждой климатической зоны нужен хотя бы один испытательный центр. А учитывая, что в каждой зоне есть районы с разной агрессивностью среды, при каждом центре должны быть ещё как минимум три климатические станции. И эти станции желательно располагать в тех местах, где агрессивность среды выше, чем в среднем по климатической зоне. Могу привести реальный пример: на одном из аэродромов разрушение материалов на фюзеляже самолётов почему-то шло гораздо быстрее, чем можно было ожидать. Оказалось, аэродром попадает в розу ветров металлургического комбината, выбросы которого разъедают металл. То есть в каждой зоне надо выявлять районы с более высокой агрессивностью и именно там создавать климатические станции.

Необходимы испытания и в тропических условиях, ведь мы продаём технику, и военную и гражданскую, в страны с тропическим климатом. Был такой случай: поставили вертолёты в Латинскую Америку. Лопасти у этих вертолётов сделаны из стеклопластика, и в нашей средней полосе 25 лет они служат без каких-либо проблем. А в тропических условиях они через два года так провисли, что при запуске лопасть стучала по хвостовой балке. Стали разбираться: оказалось, что связующее, которое использовали в стеклопластике, не может противостоять проникновению влаги. Мы дали изготовителям рекомендации по замене связующего, и теперь даже при насыщении влагой сохраняется 85% свойств. Лопасти заменили, и вертолёты работают уже 15 лет. А если бы мы не смогли найти такое решение, был бы большой скандал и деньги пришлось бы возвращать.

До распада СССР испытания материалов в тропических условиях проводили в Батуми. Сейчас мы пытаемся организовать подобные испытания в Тропическом центре Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН во Вьетнаме. В Геленджике тоже планируем создать испытательный комплекс с условиями, близкими к тропическим, чтобы изучать устойчивость к биоповреждениям.

Хочу подчеркнуть: нельзя подходить с одной меркой к технике, работающей на Кольском полуострове и в средней полосе, в Сибири и на Кавказе. Это касается и транспорта, и инфраструктуры, и строительных материалов. Например, мы уже убедились, что в северных районах России в качестве арматуры надо использовать не металлы, а базальтопластики — у них нет холодного охрупчивания. Сейчас идёт активное строительство дорог, мостов во влажном климате: на Дальнем Востоке — на острове Русский, на побережье Чёрного моря — в Сочи. Но никто не оценивал, как и какие материалы надо применять в таких условиях, и коррозия уже идёт, хотя строительство ещё не завершено. В сфере ЖКХ по всей стране — свои проблемы. Конечно, необходимо менять металлические трубы на пластиковые, но надо понимать, как защищать эти трубы от влаги и перепадов температуры.

В последние десятилетия в нашей стране обращали так мало внимания на состояние технических систем, что мы можем столкнуться с массовыми авариями. Уже сталкиваемся — из-за халатности и технической безграмотности. Почему, например, в 2006 году в Москве рухнул Бауманский рынок? Как установила комиссия, основная причина — нарушения правил технической эксплуатации. Не обеспечили нормальную работу вентиляции, утеплитель кровли пропитался влагой, в результате пошла коррозия. Некоторые элементы несущих конструкций оболочки, в том числе тросы-ванты, на которых держалась крыша, имели коррозийный износ до 50%! И никто за этим не следил.

Сейчас принято считать, что бытовая техника не должна служить долго, поскольку морально устаревает быстрее, чем начинают разрушаться материалы. Возможно, и так, но в любом случае должна быть обеспечена безопасность эксплуатации изделий, которые поступают на наш рынок. Когда подрядчики оснащали оборудованием филиал института в Геленджике, закупили кондиционеры двух разных фирм. Через два года в одном из кондиционеров, выпущенных малоизвестной китайской фирмой, образовалась дыра, кронштейны сгнили, и он упал — хорошо, что не на голову сотрудникам. А кондиционеры фирмы «Панасоник» (кстати, тоже выпущенные в Китае) уже шесть лет работают без проблем.

В связи с вступлением России в ВТО вопрос качества импортной продукции будет стоять очень остро. К нам придёт большое количество товаров, которые никто не оценивал с точки зрения пригодности для нашего климата, нашей инфраструктуры. Уже сейчас рынок завален лаками и красками с поддельными сертификатами, выданными непонятно кем. В ВИАМе, к примеру, испытали серию лакокрасочных покрытий для металла, в том числе от известных производителей, которые якобы можно наносить прямо по ржавчине. Оказалось, что лучше всего защищает поверхность та система, которую мы использовали при восстановлении скульптуры «Рабочий и колхозница» (см. Наука и жизнь» № 11, 2009 г. — Прим. ред.). Причём сначала обязательно надо очистить поверхность, затем нанести грунт и лишь потом — защитное покрытие.

Чтобы обеспечить безопасную эксплуатацию, надо не только знать, в каких климатических условиях работает техника, выдерживает ли она, скажем, сорокаградусные морозы, но и учитывать особенности инфраструктуры. Например, качество водопроводной воды. Если в системы охлаждения заливать воду с высоким содержанием солей или других примесей, забиваются каналы. Если вода имеет щелочную реакцию, пусть даже очень слабую, разрушаются стеклопластики.

Любая сложная техническая конструкция — это сочетание различных материалов и различных систем их защиты. Сейчас растёт использование углепластиков, других полимерных композиционных материалов. И это хорошо, но только надо обязательно учитывать, что углепластики не должны напрямую контактировать с алюминиевыми сплавами, а применение полимерных композитов требует продуманной системы вентиляции, предотвращающей образование конденсата.

Необходимо, чтобы заключения, разрешающие безопасную эксплуатацию техники и сооружений, выдавали не расплодившиеся ООО «Рога и копыта», а государственные научные центры, которые имеют соответствующую школу, традиции, опыт, знания.

Нынешнее время называют веком умных материалов. Но для того чтобы разрабатывать и эксплуатировать такие материалы, нужны умные люди, технически грамотные специалисты. Иначе мы не будем конкурентоспособны. Например, в США уже идёт оснащение самолётов сенсорами коррозии, а также оптоволоконными датчиками с брэгговскими решётками для оценки деформации элементов конструкции самолётов в полёте. Мировой рынок таких датчиков оценивается в миллиард долларов. Поговаривают, что с 2017 года ни один самолёт не будет летать в небе над Америкой, если в крыле нет подобных датчиков. Сделаете — будете летать. Не можете сделать — покупайте у нас. Такими же датчиками оснащают мосты и высотные здания.

Все развитые страны уже давно поняли, что деньги надо вкладывать в науку, в получение новых знаний. Науке отдан приоритет и в США, и в Китае. Фактически это схема нового миропорядка. Мировую элиту уже составляют те, кто создаёт новые знания, разрабатывает на их основе новые технологии и в дозированном виде передаёт часть своих знаний и технологий другим. Возможно, звучит жёстко, но об этом надо говорить.


Случайная статья


Другие статьи из рубрики «Трибуна ученого»

Детальное описание иллюстрации

При механических нагрузках коррозионные процессы проходят более интенсивно. Для испытаний крупногабаритных элементов конструкций под открытым небом в Геленджикском центре климатических испытаний в 2012 году введён в эксплуатацию уникальный автоматизированный комплекс.