В металлургии и машиностроении более 100 лет успешно применяется метод газотермического напыления, позволяющий придавать поверхности металлоизделий требуемые физико-механические свойства. Суть метода состоит в нанесении расплава цветных металлов или их соединений, образующего на изделии защитную пленку.

В металлургии и машиностроении более 100 лет успешно применяется метод газотермического напыления, позволяющий придавать поверхности металлоизделий требуемые физико-механические свойства. Суть метода состоит в нанесении расплава цветных металлов или их соединений, образующего на изделии защитную пленку. Обычно газотермические покрытия используются для восстановления деталей механизмов и повышения износостойкости поверхностей скольжения. При этом используются способы газопламенного напыления, когда расплав формируется в среде горящих газов, а также плазменного высокотемпературного (до 100000С) напыления.

Начиная с 50-х годов прошлого века газотермические покрытия нашли широкое применение в качестве антикоррозионной защиты металлоконструкций. Поводом к тому послужили удачные разработки в области электродуговой металлизации. Здесь две постоянно подающиеся проволочки цветного металла расплавляются электрической дугой, возникающей между ними, а расплав диспергируется и наносится на защищаемую поверхность высокоскоростной струей сжатого воздуха или газа. В отличие от газопламенного и плазменного способов напыления электродуговая металлизация существенно дешевле, более производительна и технологична, что позволяет наносить покрытия не только в заводских, но и в полевых условиях при минимальных требованиях к коммуникационному обеспечению работ.

Металлизационные покрытия

Рабочие толщины металлизационных покрытий (ЭМП) обычно составляют 50-500 мкм. ЭМП прекрасно зарекомендовали себя в агрессивной (кислотной, щелочной) среде до температур более 10000С. Опыт промышленной эксплуатации показал, что в морской и подкисленной воде, атмосфере, содержащей примеси сернистого газа и других серосодержащих веществ, следует применять металлизационные покрытия из алюминия. Для сильнощелочных сред более предпочтительно использование цинка. В ряде случаев оптимальными эксплуатационными свойствами обладают смеси или соединения состава алюминий-цинк, другие цветные металлы, а также покрытия из легированных сталей.
На сегодняшний день за рубежом практически все крупногабаритные конструкции в той или иной степени защищены ЭМП. Металлизационные покрытия используются на железнодорожных мостах и переходах, в резервуарах и трубопроводах различного назначения, на осветительных опорах и ограждениях автомобильных дорог, в судостроении, на гидросооружениях и т.п. Причин тому достаточно много. Перечислим самые основные.

1. Свойства ЭМП практически совпадают со свойствами цветных металлов, из которых они изготовлены, поэтому их антикоррозийные возможности и химическая активность давно и достаточно хорошо изучены.
2. В наиболее часто встречающейся коррозионной среде, каковой является химически активная вода (атмосфера различных типов, морская вода, подтоварная вода, парогазовая фаза и т.д.), металлизационные покрытия по сравнению с лакокрасочными (ЛКП) имеют многократно более высокую (до 10 раз) коррозионную долговечность.
3. Металлизационные покрытия не содержат органических компонентов, оказывающих негативное влияние на качество реагентов, хранимых в защищаемых емкостях, в частности, нефти и нефтепродуктов.
4. ЭМП имеют высокую адгезионную прочность — до 10 кгс/мм2 на срез, что приблизительно в 100 раз больше адгезионной прочности традиционных ЛКП.
5. Металлизационные покрытия обладают естественной многослойностью и пористостью в пределах 10-20% объема. Высокая пористость ЭМП важна при создании сложных комбинированных покрытий, а также при использовании ЭМП в теплообменных и холодильных устройствах, где кроме антикоррозионных свойств нужны специальные теплофизические. Исследования показали, что металлизационные покрытия бойлерных трубок почти вдвое повышают их теплоотдачу, что позволяет резко увеличить эффективность теплообменных устройств либо снизить их металлоемкость при сохранении той же эффективности. Отметим, что с помощью специальной поверхностной обработки пористость можно устранить практически полностью.
6. ЭМП пластичны и сжимаемы. Они выдерживают изгиб при радиусе гиба до двух толщин в зависимости от толщины покрытия, т.е. пластинку с покрытием можно несколько раз перегнуть без видимых повреждений. Такие высокие деформационные свойства важны в том случае, когда элементы защищаемой конструкции при эксплуатации испытывают значительные деформации, например, стенки и днища нефтяных резервуаров в процессе взлива-опорожнения или из-за суточного колебания температур. Кроме того, деформационные возможности ЭМП позволяют производить металлизацию полотнищ стенок и днища резервуара непосредственно на заводе-изготовителе до сворачивания их в рулоны, что существенно уменьшает сроки монтажа на строительной площадке. Никакие другие типы антикоррозионных покрытий этого делать не позволяют.
7. Технология нанесения ЭМП не требует энергоемкого и крупногабаритного оборудования, такого, например, как ванны для горячего цинкования. Поэтому электрометаллизацию можно выполнять не только в цеховых, но и в полевых условиях в интервале температур от -15 до +600С, т.е. практически всесезонно.
8. Нет никаких ограничений на размеры конструкций, защищаемых ЭМП, кроме того, металлизация не вызывает деформирования изделий.
9. Скорости нанесения ЭМП и ЛКП практически совпадают, но металлизационные покрытия наносятся в один слой, не требуют какой-либо промежуточной или окончательной сушки и полимеризации, а «готовы» к эксплуатации сразу после нанесения, что крайне важно при ограниченных сроках строительства или ремонта.
10. За счет завихрений высокоскоростного газового потока и интенсивного разбрызгивания капель расплава при соударении со сталью, ЭМП полностью покрывают внутреннюю поверхность язв при условии, что отношение диаметра коррозионного дефекта к глубине составляет не менее чем 1 к 1. Более «тонкие» язвы, как показывает опыт, практически не встречаются. Это свойство позволяет применять металлизационные покрытия не только на новых, но и на ремонтируемых конструкциях, получивших в процессе эксплуатации развитую язвенную коррозию.
11. Физика взаимодействия ЭМП со стальной поверхностью такова, что после малейшего нарушения технологии перепад температур в 4-50С приводит к отслоению покрытия. Таким образом, в отличие от ЛКП брак в нанесении ЭМП проявляет себя уже на следующий день в виде легко различимых пузырей или вздутий, что существенно облегчает контроль выполнения работ и повышает их качество.

Все вышеперечисленное позволяет эффективно применять металлизационные покрытия для защиты оборудования, используемого в горячем и холодном водоснабжении, тепловых сетях, нефтяной и химической промышленности и т.д.

Коррозионная стойкость металлизационных покрытий

Остановимся несколько подробнее на природе высоких антикоррозионных свойств металлизационных покрытий. Во-первых, ЭМП создают барьерный слой, затрудняющий или полностью исключающий доступ коррозионной среды к металлу конструкции. Из-за многократно более низкой, по сравнению со сталью, скорости коррозии цветного металла (например, для алюминия она приблизительно в 10 раз меньше) металлизационные покрытия обеспечивают значительное увеличение срока эксплуатации конструкции. Стойкость электрометаллизационных покрытий практически не уступает коррозионной стойкости соответствующих гальванических покрытий. А за счет значительно большей толщины ЭМП обладают несравненно более высокой коррозионной долговечностью.

Во-вторых, ЭМП обычно выполняются из цветных металлов, анодных по отношению к стали. Когда коррозионный агент, являющийся электролитом, например, подтоварная вода или содержащаяся в атмосфере влага, проникает в поры ЭМП, образуется гальваническая пара, в которой покрытие действует как анод, а стальная поверхность — как катод. В результате более электроотрицательное покрытие, постепенно растворяясь в агрессивной среде, катодно поляризует защищаемую стальную поверхность, снижая или полностью предотвращая коррозию конструкции. Опыт показывает, что ЭМП обеспечивают достаточно эффективную защиту при повреждении до 80% площади покрытия в отличие от ЛКП, для подавляющего большинства которых браковочным признаком является потеря 10-15%.

В-третьих, ЭМП позволяют ремонтировать сквозные язвы, ножевую коррозию, трещины и т.д. простой сварочной наплавкой. Другие типы покрытий, не обладающие аналогичными свойствами, плохо восприимчивы к такого рода ремонту из-за естественной разницы химических составов наплавки и основного металла. Она приводит к возникновению гальванической пары, которая многократно (до 10 раз) увеличивает скорость локальной коррозии наплавки или зоны ее сплавления с основным металлом. В итоге вместо небольшой исходной каверны спустя достаточно непродолжительное время получается значительный по площади сквозной дефект. Более электроотрицательное ЭМП шунтирует гальваническую пару «наплавка — основной металл», останавливая развитие электрохимической коррозии.

В-четвертых, уникальные анодные свойства ЭМП предотвращают развитие коррозии под покрытием даже при его механическом повреждении. Процесс локализуется непосредственно на поврежденном участке, при этом образуются химически стойкие продукты коррозии, которые заполняют дефекты покрытия, восстанавливая его работоспособность. В результате происходит своеобразное «самозалечивание» трещин и небольших (диаметром до 1-2 мм) повреждений ЭМП. Таким образом, металлизационные покрытия являются единственным типом антикоррозионных покрытий, обладающих способностями самовосстанавления. Поэтому им не страшны язвенная, щелевая. питтинговая и др. типы стесненных коррозий, оказывающих наиболее губительное воздействие на металлоконструкции при локальном повреждении защитных покрытий.

Насколько важна уникальная способность металлизационных покрытий к самовосстановлению, легко видно на примере нефтяных резервуаров. С точки зрения коррозии их днище — наиболее опасный элемент конструкции, поскольку оно является наиболее тонкой ее частью — около 6 мм, которая постоянно контактирует с подтоварной водой, насыщенной химически активными элементами, ускоряющими процесс коррозии. Кроме того, днище недоступно визуальному осмотру, поэтому те сквозные дефекты, которые на стенках резервуара достаточно быстро обнаруживаются и ремонтируются, здесь могут существовать и развиваться годами. Результаты анализа аварий резервуаров, проведенные зарубежными исследователями, говорят о том, что именно сквозные отверстия днищ и ножевая коррозия уторного узла, возникшие в результате локальных повреждений защитных покрытий, были причиной наиболее впечатляющих катастроф. Дело в том, что фундамент резервуара выполнен в виде бетонного кольца, которое опирается на песчаную подушку. Внутренняя часть кольца, являющаяся опорой днища, также заполнена песком. Нефть, сочащаяся из сквозного отверстия, постепенно пропитывает песок, превращая его в пластичную массу. В результате возникает возможность смещения фундамента, которое приводит к потере остойчивости, из-за чего резервуар складывается, как карточный домик. Последствия такого события нетрудно себе представить.

Отметим, что широко рекламируемые сегодня анодные и восстановительные свойства металлонаполненных ЛКП достаточно сомнительны, поскольку в них электрическому контакту препятствует изолирующая оболочка пленкообразователя, окружающая каждую металлическую чешуйку или гранулу наполнителя. Это резко снижает или вообще исключает электропроводимость, следовательно, и анодные свойства ЛКП.

Комбинированные покрытия

Испытания ЭМП в промышленной атмосфере, нефти и нефтепродуктах, в морской воде с периодической экспозицией на воздухе продемонстрировали, что при правильном подборе материала и соблюдении технологии нанесения металлизационные покрытия толщиной всего в 75 мкм обеспечивают надежную защиту стальных конструкций в течение не менее 15 лет. С целью увеличения коррозионной долговечности обычно применяются более толстые металлизационные покрытия. Например, алюминиевое ЭМП толщиной в 250 мкм защищает стальную конструкцию в атмосферных условиях более 50 лет, в нефти и нефтепродуктах — 20-25 лет, а в горячей воде — 15 лет.

Однако более эффективным способом повышения коррозионной стойкости и долговечности является использование сложных антикоррозионных систем, состоящих из ЭМП в качестве металлизационного подслоя в сочетании с последующим окрашиванием лакокрасочными материалами по облегченной схеме — в 2-3 слоя.

Преимущества таких комбинированных покрытий (КП) достаточно очевидны.

1. Поверхностное ЛКП, перекрывая открытую пористость металлизационного подслоя, исключает доступ коррозионной среды через сквозные поры к металлу конструкции, предупреждая, тем самым, анодное растворение ЭМП.
2. Практически все известные ЛКП прекрасно сцепляются с ЭМП без дополнительной подготовки поверхности, при этом адгезионная прочность ЛКП возрастает за счет развитой пористости и шероховатости металлизационного подслоя.
3. Так как скорость коррозии ЭМП примерно на порядок меньше скорости коррозии стали, разрушение ЛКП из-за диффузии среды происходит медленнее, в результате чего существенно возрастает собственная долговечность лакокрасочного слоя.
4. Поверхностное ЛКП обеспечивает необходимый декоративный вид защищаемой конструкции.
5. Наличие металлизационного подслоя существенно улучшает ремонтопригодность защитных комбинированных покрытий, в 3-4 раза снижая стоимость их восстановления при ремонте. Возобновление лакокрасочной пленки, нанесенной на ЭМП, требуется не чаще, чем один раз в 10-15 лет, и то лишь в декоративных целях.

Исследования показали, что износ металлизационных покрытий в горячей воде, не защищенных ЛКП, достигает 10-20 мкм/год. Следовательно, если периодически восстанавливать лакокрасочный слой, толщина ЭМП, необходимого для обеспечения 20-летней защиты от коррозии, составляет 80-120 мкм. Если этого не делать, то для обеспечения той же коррозионной долговечности системы толщина ЭМП должна быть не менее 200-250 мкм. При этом конструкция не подвергается коррозии вследствие защитных барьерных свойств покрытий, предотвращающих доступ коррозионной среды к стали. Затем, по мере разрушения ЛКП происходит «включение» протекторных свойств ЭМП, эффективно действующих при разрушении до 80% площади металлизационного покрытия. Такое взаимодействие металлизационного и лакокрасочного покрытий приводит к тому, что общая коррозионная долговечность КП более чем в 1,5 раза превышает суммарную коррозионную долговечность каждого покрытия в отдельности.

Сегодня наиболее востребованными являются КП, состоящие из алюминиевого ЭМП толщиной 200-300 мкм и ЛКП толщиной 50-100 мкм из цинк-этил-силикатной композиции ЦВЭС. Это покрытие прекрасно зарекомендовало себя в баках-аккумуляторах горячей воды, а также резервуарах для хранения нефти и нефтепродуктов. Оно имеет высокую коррозионную стойкость и долговечность, подтвержденные многочисленными испытаниями, сертифицировано органами Госсанэпиднадзора РФ, достаточно технологично. Но, например, для емкостей, используемых в системах подпитки котлов высокого давления, такой тип КП неприемлем из-за выделения избыточной SiO23-, так называемой «кремневки». Поэтому в данном случае пришлось применять улучшенное алюминиевое ЭМП с уплотненным поверхностным слоем.

В связи с этим хочется отметить следующее. Выполнение ЭМП и КП на промышленных объектах почти всегда предваряется решением многофункциональной задачи. Основными ее переменными являются: 1 — коррозионная стойкость покрытия, определяющая его долговечность и гарантийные сроки эксплуатации металлоконструкции; 2 — стоимость нанесения покрытия; 3 — сроки выполнения работ. В качестве дополнительных параметров часто выступают декоративный вид покрытия, шероховатость, ремонтопригодность и т.д. К сожалению, на сегодняшний день готовых решений здесь крайне мало. За последнее десятилетие непрерывного экономического спада они либо утеряны, либо похороненных в архивах оборонных предприятий, поэтому сегодня технологии нанесения максимально эффективных КП приходится спешно восстанавливать.

Отечественная промышленность уже более 50 лет выпускает серийное оборудование и расходные материалы для нанесения ЭМП, действуют государственные стандарты, многочисленная отраслевая нормативно-техническая документация, регламентирующая общие требования к покрытиям, технологии нанесения и методам контроля. Металлизационные покрытия широко применялись при строительстве Останкинской телебашни, в атомных ледоколах «Сибирь» и «Арктика», для защиты крупногабаритных емкостей ТЭЦ, АЭС и т.д. Несмотря на это, масштабы внедрения металлизационных и комбинированных покрытий в РФ крайне невелики, и до последнего времени работы по их нанесению велись, в основном, силами оборонных КБ и НИИ как опытно-экспериментальные. Последнее объясняется, прежде всего, технологическими причинами, а именно: сложностью процесса нанесения ЭМП, высокой стоимостью и ненадежностью используемого при этом оборудования, которое приходится дорабатывать и совершенствовать собственными силами, а также особыми требованиям к качеству и сертификации расходных материалов. Но самым важным технологическим фактором, ограничивающим практическое использование ЭМП, являются высокие требования к квалификации и производственной дисциплине персонала. Как уже отмечалось, малейшее нарушение технологии приводит к резкому (на 3-4 порядка) уменьшению адгезионной прочность покрытия. В результате при первом же суточном перепаде температур на 4-5 градусов некачественное металлизационное покрытие отслаивается от поверхности конструкции.

Ограниченное использование ЭМП объясняется также экономическим невежеством эксплуатационников. Последние, не утруждая себя долгосрочными расчетами, обычно выбирают наиболее дешевые облегченные схемы окраски по простейшим технологиям из дешевых материалов. Такие покрытия обеспечивают антикоррозионную защиту на срок не более 3 лет. Последующие за этим ремонт самой конструкции и защитного покрытия могут составлять от 20 до 80% капитальных затрат на строительство объекта. Поэтому сравнение экономичности применения того или иного покрытия, кроме затрат на первичное нанесение, требует учета последующих эксплуатационных и суммарных ремонтно-восстановительных затрат на весь срок планируемой эксплуатации конструкции. Металлизационные покрытия действительно на 10-15% дороже отечественных ЛКП , но они обеспечивают гораздо больший срок антикоррозионной защиты, обладают уникальными адгезионными, анодными, деформационными и самовосстановительными свойствами, оставаясь при этом абсолютно ремонтопригодными. Несложные расчеты показывают, что с точки зрения долговременной эксплуатации ЭМП экономически намного выгоднее.