Индекс цитирования Яндекс.Метрика
09.10.2014

Коррозия, старение и биостойкость материалов для сложных технических систем

В специальном выпуске «Инженерной газеты» вышла статья Генерального директора ВИАМ, академика РАН Евгения Николаевича Каблова.

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 дает 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.

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, жесткость, а бетон - монолитность конструкции. И если, например, в бетоне осталась избыточная влага, которая к тому же замерзла, 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 ВИАМ создали связующее, которое позволяет сохранить 85% свойств материала даже при длительном воздействии влаги и температуры.

Еще один фактор - биоповреждения. Они особенно заметны в тропических условиях. Появилось множество разных микроорганизмов, которые питаются за счет 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 самолеты. К примеру, заправили самолет 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 жестких 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. Причем 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 остается в тени.

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

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 еще 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 самолетов 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 продаем технику, и военную и гражданскую, в страны с тропическим климатом. Был такой случай: поставили вертолеты в Латинскую Америку. Лопасти у этих вертолетов 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 могла задеть хвостовую балку. Стали разбираться: оказалось, что связующее, которое использовали для изготовления лонжерона из стеклопластика, не может противостоять проникновению влаги. Мы дали изготовителям рекомендации и разработали новое связующее, и теперь даже при термовлажностном воздействии свойства материала сохраняются на 85% вместо 60%. Лопасти заменили, и вертолеты 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.

В связи с вступлением России в ВТО вопрос качества импортной продукции будет стоять очень остро. К нам придет 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.

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 создает новые знания, разрабатывает на их основе новые технологии и в дозированном виде передает часть своих знаний и технологий другим. Возможно, звучит жестко, но об этом надо говорить.