ОСНОВЫ СВАРКИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ

Коррозия - это процесс разрушения металлов в результате взаи­модействия их с внешней средой. Термин ржавление применим только к коррозии железа и его сплавов с образованием продуктов коррозии, состо­ящих в основном из гидратированных оксидов железа. Другие металлы и их сплавы, следовательно, корродируют, но не ржавеют.

Различают химическую и электрохимическую коррозию. Химическая коррозия возникает при воздействии на металл агрессивных веществ (жидких, газообразных) обычно при высоких температурах. Примером такой коррозии является окисление раскаленного железа в воздухе, сопровождаемое образованием слоя окалины. Электрохимическая кор - розня позшгкает при контакте металлов с электропроводящей Жидко­стью - электролитом (кислотами, щелочами, водными растворами; агрес­сивной средой является и морская вода).

Как правило, коррозионные процессы являются электрохими­ческими, именно гго этому механизму корродируют основной металл и сварные соединения судов. Электрохимическая коррозия - сложный процесс, сопровождаемый развитием окислительно-восстановительных ионных реакций па поверхностях соприкосновения металла с электро­литом, Развитие этих реакций обусловливает появление электрических токов. Здесь уместна аналогия с гальваническим элементом, представ­ляющим собой систему из двух разнородных электрических проводни­ков (электродов), погруженных в электролит. Гальванический элемент преобразует химическую энергию в электрическую.

Существуют три основных типа элементов, принимающих участие в коррозионных процессах.

1. Элемент с разнородными электродами - система из двух раз­нородных электродов, погруженных в электролит. Примерами та­ких элементов являются:

• бронзовый винт судна, контактирующий! со стальным корпу­сом судна:

• нагартованный металл в контакте с таким же отожженным ме­таллом;

• граница зерна металла в контакте с самим зерном;

• монокристаллы разной ориентации и др.

Следует заметить, что любая поверхность метах'іа с вкраплениями при­месей представляет собой совокупность электродов, замкнутых между со­бой через основной метатл. Локальные токи и коррозия не возникают, пока металл остается сухим. При погружении металла в воду или водные раство­ры локальные электроды начинают функционировать, что сопровождается превращением металла в продукты коррозии.

2. Концентрационный элемент - система двух одинаковых электро­дов, контактирующих с растворами разных составов. Из возмож­ных типов концентрационных элементов, имеющих большое прак­тическое значение, следует выделить элемент дифференциальной аэрации, Примером может служить элемент из двух железных электродов, погруженных в разбавленный раствор хлористого на­трия Nad, причем у одного электрода электролит интенсивно на­сыщается воздухом, а у другого - деаэрируется азотом. Различие в концентрации кислорода сопровождается возникновением раз­ности потенциалов, что обусловливает протекание тока. Возник­новение элемента этого вида вызывает разрушения в гцелях (щеле­

вая коррозия), образующихся на стыках труб пли в резьбовых со­единениях, поскольку концентрация кислорода в щелях ниже, чем снаружи. Этим также объясняется язвенное разрушение под сло­ем ржавчины (рис. 20.18, а) или коррозия на границе раздела ра­створ-воздух (рис. 20.18, о). Доступ кислорода к участкам метал­ла, покрытым ржавчиной или другими твердыми продуктами коррозии, затруднен по сравнению с участками, покрытыми тон­кими пленками иди свободными от них.

а)

Элементы дифференциальной аэрации часто являются причиной язвенной или щелевой коррозии нержавеющих сталей, алюминия, ни­келя и других пассивных металлов в водных средах, например в морс­кой воде.

2. Термогальваническпіі эдемеш - система двух одинаковых элек­тродов. но имеющих ратную температуру, контактирующих с электролитом одинакового состава. Эти элементы возникают в теплообменниках, паровых котлах, погруженных нагревателях п аналогичном оборудовании.

На практике коррозия может быть связана с элементами всех трех гипов.

Для любого гальванического элемента процесс коррозии харак­теризуется двумя процессами - анодным и катодным. Начальный по­тенциал анода - отрицательный, катода - положительный.

Электрод, на котором происходит окисление, т. е. электроны посту­пают из раствора в электрод, называется анодом:

Ме+иН20 -> Ме+пН20 + ё, (20.17)

где Ме - атом металла; Н,0 - молекула воды: Me ' дН. О - гидратирован­ный ион металла; в - свободный электрон.

Реакция (20.17) - это реакция окисления в химическом смысле. Кор­розия металлов протекает именно на аноде: в электролит поступают по­ложительно заряженные гидратированные ноны металла.

Электрод, на котором протекает реакция восстановления, т. е. элек­троны из металла переходят в раствор, называется катодом:

Д~ -»Д-ё. (20.18)

где Д' - нон.

Реакция (20.18) - это реакция восстановления в химическом смысле.

Проиллюстрируем вышесказанное схемой (рис. 20.19) коррозии в морской воде корпусной стали, имеющей поверхностный слой окали­ны, являющийся катодом по отношению к стали. В этом случае в при - анодной области образуются, согласно реакции (20.17), положительные ионы железа Fe-’ Освободившиеся электроны ё внутри металла пере­ходят от анода к катоду. Находящиеся в морской воде положительные ионы водорода Н' стремятся разрядиться на катоде с образованием Н,, а отрицательные ионы ОН, С1 перемещаются к аноду, где они соеди­няются с ионами железа Fe2', образуя соответственно Fe(OH)Fe(OH) FeCl„ FeCl, (гидрооксиды и хлориды железа).

Интенсивность коррозионных процессов существенно зависит от разности электродных потенциалов элемента, так как эта разность оп­ределяет величину коррозионного тока, т. е. характеризует ннтенсив -

ность протекания реакции (20.17). Для опенки коррозионной стойкос­ти металлов в воде используются значения так называемых стандарт­ных электродных потенциалов, которые образуют металлы в паре с во­дородом (электродный потенциал водорода условно принят равным нулю).

Более отрицательные значения потенциалов соответствуют более реакцпонноспособным металлам. Из двух металлов, составляющих эле­мент, анодом будет более активный, т. е, металл с наименьшим (более отрицательным) электродным потенциалом.

В реальных условиях механизм коррозионного разрушения металлов очень сложен п требует фундаментальных исследований конкретных коррозионных проблем, изучения электрохимических кннетик процес­сов. В настоящем подразделе указаны только некоторые общие сведе­ния, позволяющие судить о коррозии металлов.

Разность электродных потенциалов гальванопары не остается посто­янной в процессе коррозии в связи с так называемой поляризацией (тор­можением) процесса электрохимической коррозии. Поляризацией кор­розионного процесса называют уменьшение начальной разности потенциалов коррозионной пары. либо за счет смещения потенциала анода в положительную сторону (анодная поляризация), либо - катода в отри­цательную сторону (катодная поляризация). Характерным примером анодной поляризации является образование защитных барьерных (пас­сивных) пленок на поверхности некоторых металлов (нержавеющая сталь, алюминий и др.).

Скорость равномерной коррозии обычно измеряют уменьшением толщины элементов за год [мм/год], в отдельных случаях - потерей массы металла с единицы площади за час [г/'(мЛч)]. Металлы, у кото-

рых скорость коррозии не превышает 0.15 мм/год. относят к группе металлов, обладающих высокой коррозионной стойкостью, вследствие чего они пригодны для ответственных изделии и конструкций (конст­рукционные стали: ВСтЗсп - 0,13 мм/год, 10ХСНД - 0,10 мм/год). іМеталльг, у которых скорость коррозии более 1.5 мм/год. как конструк­ционные материалы не используются.

В зависимости от характера коррозионных разрушении элементов конструкций корпуса судна из углеродистых и низколегированных ста­лей, контактирующего с забортной водой и водовоздушными смеся­ми в надводных его частях, различают общую или равномерную кор­розию, заключающуюся в более или менее одинаковом разрушении поверхностей листов (лишенных защитного покрытия), и местную коррозию, при которой разрушения сосредоточиваются на небольших поверхи остях.

Осмотры корпусов судов при доковых ремонтах показывают, что максимальные коррозионные разрушения корпуса и сварных соедине­ний наблюдаются в зоне переменной ватерлинии. Коррозионные раз­рушения в подводной части корпуса несколько ниже, но и они достига­ют часто значительных величин. Характерно, что наибольшие коррозионные разрушения наблюдаются па пазовых (горизонтальных) швах, особенно при выполнении их ручной дуговой сваркой покрыты­ми электродами. Стыковые швы (вертикальные), как правило, имеют точечноязвениые поражения. Процесс коррозии сварных соединений корпуса судна в междудоковый период может быть условно разделен на четыре этапа (рис. 20.20):

Г - скорость коррозии очень низка, так как лакокрасочное покрытие полностью защищает корпус судна;

П - скорость коррозии сварных швов значительно возрастает, так как здесь, как правило, начинается разрушение лакокрасочных покры­тий:

III - скорость коррозии сварных швов несколько снижается, при этом возрастает скорость коррозии основного металла, что связано со значительным разрушением лакокрасочных покрытий;

IV - скорость коррозии корпуса снижается в связи с обрастанием обшивки корпуса судна.

Основными видами коррозионного разрушения сварных соедине­ний являются:

• равномерный износ сварного соединения (скорость коррозии всех зон сварного соединения одинакова);

• усиленный износ металла сварного шва (равномерный - рис. 20.21. а: локальный - рис, 20,21, б);

• усиленный износ ЗТВ (ножевая коррозия - рис, 20.21, в):

• усиленный износ основного металла вблизи ЗТВ (рис. 20.21, г. д).

Виды коррозионных разрушений сварных соединении тесно связаны с

термодинамической нестабильностью зон сварных соединений. Равномер­ный износ сварного соединения происходит в случае, когда потенциа­лы всех зон сварного соединения одинаковы, - это идеальный случай коррозии сварного соединения. Наиболее распространенным видом

коррозии сварного соединения является усиленный износ металла сварного шва. Он характерен для сварного соединения, v которого потенциал сварного шва более отрицателен, чем потенциал основного металла. Усиленный износ металла ЗТВ при коррозии сварных соеди­нении корпусов морских судов начал наблюдаться с тех пор, как кор­пуса изготовляются из стали 09Г2, Аналогичные явления с несколько менылеп і дубиной разрушения наблюдаются и на углеродистых ста­лях при применении для сварки.-электродов, легирующих металл шва хромом. Причинами усиленного разрушения металла ЗТВ и вне ее яв­ляются также специфическая структура отдельных зон, наличие ра- зупрочненной зоны и значительные остаточные сварочные напряже­ния растяжения во всех зонах сварного соединения.

Нельзя забыват ь, что интенсивность возможных коррозионных раз­рушений зависит н от многих других факторов (местных н внешних). Приведем некоторые примеры:

• неудовлетворительная поверхностная очистка листов наружной обшивки корпуса, наличке поверхностных пленок: как уже от­мечалось, окалина но величине поіенштла - ка год. места, сво­бодные от окалины, например сварные швы, - аноды: следова­тельно, разрушаться будут швы:

• неудовлетворительное выполнение лакокрасочных работ: есте­ственно. что коррозионные разрушения будут развиваться в тех местах корпуса судна, на которых защитное покрытие разруше­но, а:л о. в свою очередь, может предопределить соотношение пло­щадей анодных ц катодных участков: чем больше площадь катод­ных участков (например, на основном металле) и чем меньше площадь анодных участков (например, металл шва), тем больше коррозионные разрушения анодных участков, т. е. сварных швов:

• усиление движения воды (турбулезанпя обтекающего потока)

лзо

усиливает отвод продуктов коррозии ог поверхности металла и тем самым ускоряет коррозию;

• повышение температуры воды (в тропических зонах) сопровож­дается усилением диффузионных процессов, ускоряющим отвод продуктов коррозии и. соответственно, коррозию;

• наложение постоянного тока шише, например при сварочных ра­ботах наплаву, когда сварочный источник на берегу, а обратным проводом служит морская вода; этот вид коррозии крайне опа­сен, гак как интенсивность коррозионного разрушения корпуса резко возрастает.

Вопросы, связанные с защитой судовых конструкций и сварных со­единений от коррозии путем использования лакокрасочных покрытии, методов катодной защиты, рассматриваются в дисциплинах материа­ловедения и технологии судостроения. Ниже рассмотрены только об­щие направления повышения коррозионной стойкости, связанные с изготовлением судовых конструкций.

1. Предварительная подготовка элементов (листов, проката и пр.). поставляемых на сборку и сварку узлов п секций. Если на повер­хности листов остается слон прокатной окалины. то, с точки зре­ния коррозионной стойкости металла сварных швов, создаются неблагоприятные условия. В этом случае металл шва будет яв­ляться анодом и коррозионные разрушения его будут особенно интенсивными. Для удаления с элементов окалины, образующей­ся при прокате, термической обработке, применяется дробемет - ная очистка, после которой поверхности элементов подвергают­ся пассивированию в специальных реактивах.

2. Регулирование химического состава металла шва. Следует иметь химический состав металла шва таким, чтобы его электродный по­тенциал был равен или был незначительно выше потенциалов ос­новного металла н металла ЗТВ. В атом случае шов будет являться катодом. Даже маленькая степень отрицательности электродного потенциала шва недопустима, так как это приведет к интенсивному коррозионному разрушению металла шва. Высокий электродный потенциал металла шва также недопустим, так как это обусловит интенсивное разрушение ЗТВ.

Необходимый уровень электродного потенциала металла шва дос­тигается его легированием никелем, медью, молибденом. Обычно для сварки малоуглеродно гых и низколегированных конструкционных с на­лей используются присадочные материалы, легированные никелем п мелью, наиболее эффективно легирование металла шва никелем в пре­делах (0.7..Л.1)%.

С зтон целью для ручной злектродуговой сварки наружных слоев (швов, проходов) обшивки корпуса, а также для подваркн прокорректи­ровавших швов корпуса (при ремонтных работах) на статей ВСтЗси, 09Г2, 10ХСНД, 12Г2СНД и др. следует рекомендовать электроды ма­рок Э-138/45Н и Э-138/50Н. Они обеспечивают следующий состав на­плавленного металла: С <0.1 IV Si = (0,15...0,35)%, Мп = (0,35...0,65)%, №== (0.7...1,1)%.

При механизированной сварке аналогичных сталей под флюсами ОСЦ-45, АН-348А и подобных им необходимый уровень электродного потенциала металла шва достигается применением сварочной прово­локи марки Св-08ГН.

Для сварки в углекислом газе можно рекомендовать сварочную про­волоку марки Св-08ГСНТ.

3. Швы, обращенные в сторону будущей коррозионной среды, в сварных судовых конструкциях (секциях) следует выпол­нять в последнюю очередь. Они должны иметь равномерное очертание по длине при минимальной высоте усиления (для лучшего сохранения лакокрасочных покрытий). Рекоменду­ется применение механизированных способов сварки, в час­тности, автоматической сварки под флюсом, полуавтомати­ческой сварки порошковыми проволоками в защитном газе (смесь Аг и СОД, обеспечивающими более плотный и термо­динамически более стабильный металл шва.

4. Следует помнить, что остаточные сварочные растягивающие на­пряжения ускоряют процессы обшей п местной коррозии. А для некоторых конструкционных материалов (высокопрочные ста­ли, высоколегированные стали) возникает опасность коррозион­ного разрушения в виде трещин - коррозионное растрескивание под напряжением (КРН).