В очередном выпуске издания «Индустрия. Инженерная газета» опубликована статья Генерального директора ВИАМ, академика РАН Евгения Николаевича Каблова.
***
Вопреки «нападкам» природы
Коррозия!.. Для тех, кто имеет дело с металлами, это слово звучит устрашающе. И это понятно, если вспомнить, какие потери коррозия несет человечеству. В марте 2016 года Международная ассоциация инженеров-коррозионистов NAСE вновь отметила тенденцию роста прямых потерь от коррозии. Если пять лет назад прямые мировые потери составили 2,2 трлн долларов, то через два года они возросли до 2,5 трлн долларов. Общие же потери, состоящие из затрат на замену деталей из-за коррозии, старения и биоповреждений (прямые потери) и компенсации простоя оборудования из-за утраты работоспособности (косвенные потери), еще более впечатляющи.
По оценке авторитетной лаборатории G2MT Labs, только в США полные потери от коррозии в 2016 году составят 1,1 трлн долларов. Из-за таких гигантских потерь убытки в экономике США, Великобритании и Германии достигают 3% ВВП. В то же время в Японии, благодаря целому комплексу эффективных профилактических мер, эта цифра в два раза меньше — 1,5% ВВП. К сожалению, в России подобной статистики не ведется. Но даже опираясь на оценки только зарубежных экспертов (4% от ВВП), видно, насколько огромны убытки.
В чем секреты могущества коррозии? Неужели она так всесильна? Ответ на эти вопросы и попытался дать молодой инженер Георгий Акимов.
Когда в 1927 году Г.В. Акимов совместно с будущим ученым и конструктором Робертом Бартини приступил к морским испытаниям на примитивном стенде-поплавке в г. Севастополь, никто не мог предвидеть, что у них на глазах зарождается новый фундаментальный раздел науки о коррозии металлов — учение о необратимых электродных потенциалах и теории многоэлектродных электрохимических систем. В середине 1930-х годов в научных трудах Г.В. Акимова и Р. Бартини была изложена основная концепция теории структурной коррозии: коррозионное разрушение металлов и сплавов в электролитах является результатом деятельности локальных структурно неоднородных микроэлементов. В настоящее время теория структурной коррозии общепризнана во всем мире. Она позволяет предвидеть коррозионное поведение сплавов и дает возможность создавать коррозионностойкие материалы.
В 1945 году вышла в свет монография Г.В. Акимова «Теория и методы исследования коррозии металлов», а в 1946 году — книга «Основы учения о коррозии и защите металлов». В них автор изложил теорию коррозии металлов с электрохимической точки зрения. И тем сам заложил фундамент для исследований коррозии металлов и сплавов. Эти труды Г.В. Акимова переведены на многие языки, изданы в разных странах и обогатили мировую науку о коррозии. Отечественная авиационная техника эксплуатируется в России и странах ближнего зарубежья во всеклиматических условиях. В том числе – в зонах теплого влажного, субтропического и тропического климата: в Закавказье, Средней Азии, на Дальнем Востоке и др. Увеличиваются поставки отечественной авиационной техники в Индию, Китай и другие страны дальнего зарубежья.
При этом общей закономерностью является ухудшение работоспособности техники из-за необратимых изменений свойств материалов под воздействием факторов внешней среды. Возникновение и развитие коррозии, старения и микробиологических поражений материалов и покрытий авиационной техники приводит к снижению работоспособности, возникновению разрушений, отказов, аварий и катастроф, к сокращению межремонтных и календарных сроков эксплуатации авиационной техники. Существенно увеличиваются и затраты на ремонт, так как при несвоевременном обнаружении коррозионных поражений, как правило, требуется разборка узлов и замена деталей.
С этой острейшей проблемой сталкивается не только авиация, но и другие отрасли промышленности, из-за чего экономика страны несет колоссальные потери. Анализ состояния авиационной техники показывает, что коррозии подвергаются, в первую очередь, детали из углеродистых сталей и алюминиевых сплавов. Например, в приморской зоне с умеренным холодным климатом первые очаги коррозии наблюдаются уже через 5–6 лет эксплуатации. А к десяти годам эксплуатации интенсивность коррозии значительно возрастает.
Кроме того, специалисты отмечают, что агрессивность природных сред до середины прошлого столетия была существенно ниже, чем в 21 веке. Доказано стремительное возрастание агрессивности внешней среды из-за промышленных выбросов и загрязнений. Около 50% отказов техники происходит по причине биокоррозии. Например, за последние 50 лет в 3 раза выросло количество штаммов микроорганизмов, поражающих неметаллические материалы и нефтепродукты. Если не препятствовать выбросам в атмосферу двуокиси серы, углекислого газа, метана, закиси азота, то к концу 21-го столетия в Индии, Китае, странах Центральной Азии число коррозионных поражений техники и строительных конструкций удвоится.
При таких прогнозах благодушие недопустимо. Как и в предыдущие десятилетия, в Российской Федерации нет целевых программ учета влияния выбросов и загрязнений на работоспособность техники, что особенно опасно не только для авиационной техники, но и для объектов добывающей промышленности в различных регионах. Мониторинг агрессивности атмосферы с учетом промышленных выбросов на территории РФ, в том числе в Арктике, является проблемой государственного уровня, для решения которой требуются объединенные усилия и единый методический подход.
Проблема эта нашла отражение в программе «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», одобренной Научно-техническим советом Военно- промышленной комиссии РФ. В ней проанализирован отечественный и мировой опыт научно-исследовательских работ по созданию материалов и технологий нового поколения, обобщена практика применения и спрогнозированы перспективы их производства во всех отраслях нашей экономики. Всесторонне проработанный документ получил одобрение и поддержку более 100 экспертов из 80 научных организаций. Сегодня ВИАМ не просто предлагает новые материалы, но и оценивает создание изделий в ракурсе потребностей современного производства, определенных стратегиями развития таких ведущих интегрированных структур, как корпорации «ОАК», «ОДК», «Вертолеты России», «ОСК», «Росатом», «Роскосмос», «РЖД» и другие.
Особое внимание в документе уделено Стратегическому направлению «Климатические испытания для обеспечения безопасности и защиты от коррозии, старения и биоповреждений материалов, конструкций и сложных технических систем в природных средах». Многолетние исследования, выполненные ВИАМ в содружестве с Московским государственным университетом им. М.В. Ломоносова, институтами РАН и ведущими научными центрами страны, выявили общие закономерности протекания процессов коррозии, старения и биоразрушений в натурных климатических условиях.
Основными природными факторами, ухудшающими свойства материалов, являются температура, влажность, солнечная радиация, осадки, ветровые нагрузки, хлориды и другие коррозионно-активные газы в атмосфере. Под их воздействием происходит окисление и деструкция поверхности, ухудшается эластичность покрытий, накапливаются микротрещины, переходящие в растрескивание. Атмосферная влага проникает во внутренние слои материалов и активирует пластификацию, набухание, окисление. В свое время по инициативе Г.В. Акимова и под его руководством появилась первая в СССР лаборатория по изучению коррозионной стойкости авиационных сплавов, а затем — целая сеть коррозионных станций в представительных климатических зонах страны.
Его именем назван филиал ВИАМ — Геленджикский центр климатических испытаний (ГЦКИ им. Г.В. Акимова). После ввода его в эксплуатацию в 2009 году открылись новые возможности исследования процессов коррозии. Этот научный центр — единственный в России, где в условиях морского климата проводятся комплексные испытания материалов, элементов конструкций и изделий. К проведению климатических испытаний привлечены ведущие университеты Российской Федерации. В частности, в 2010 году заключено Соглашение о сотрудничестве между Мордовским государственным университетом им. Н.П. Огарева и ВИАМ, на основе которого создана совместная лаборатория климатических испытаний. Аналогичная лаборатория сформирована ВИАМ и Кубанским государственным университетом. Совместная лаборатория коррозионных испытаний организована ВИАМ и кафедрой «Материаловедение» Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Заключено соглашение о сотрудничестве между Дальневосточным федеральным университетом (Владивосток), Институтом химии Дальневосточного отделения РАН и ВИАМ в сфере научной, образовательной и инновационной деятельности, предусматривающее возможность привлечения специалистов университета к совместным исследованиям коррозии, старения и биоповреждений материалов. Лаборатория коррозии, старения и биоповреждений материалов и сложных технических систем создана на основании приказа руководителей ВИАМ и Самарского национального исследовательского университета им. С.П. Королева. В рамках соглашения между ВИАМ и МГУ им. М.В. Ломоносова создана совместная лаборатория исследований биоповреждений между Биологическим факультетом МГУ и ВИАМ.
В области климатических и коррозионных исследований материалов ВИАМ сотрудничает с такими ведущими институтами РАН, как Институт физической химии и электрохимии РАН им. А.Н. Фрумкина, Институт физико-технических проблем Севера СО РАН, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, Государственный южный научно-исследовательский полигон РАН и др. ГЦКИ им. Г.В. Акимова стал основой созданного в 2010 году Центра коллективного пользования «Климатический центр коллективного пользования ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по испытаниям материалов, техники и сложных технических систем в природных средах». В его состав входит ряд подразделений института – Московский центр климатических испытаний, расположенный в черте города с промышленной атмосферой, лаборатории «Коррозия и защита металлических материалов», «Исследования неметаллических материалов на климатическую, микробиологическую стойкость и пожаробезопасность», «Металлофизические исследования», «Прочность и надежность материалов воздушного судна», «Исследования теплофизических свойств».
В период 2010–2015 гг. за счет собственных средств ВИАМ приобрел 30 единиц исследовательского и испытательного оборудования на общую сумму 163 млн рублей. В 2014 году Центр коллективного пользования ВИАМ был признан победителем конкурса Минобрнауки России по поддержке и развитию центров коллективного пользования научным оборудованием в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2014–2020 годы».
В связи с развитием нового поколения авиационной техники увеличились потребности в экспериментальных испытаниях материалов, соединений, конструктивных элементов и защитных систем на коррозию, старение и микробиологическую стойкость в лабораторных и натурных климатических условиях. Их целесообразно развивать на базе уникальной стендовой базы ВИАМ, в том числе – в условиях ГЦКИ ВИАМ.
Учитывая невозможность воссоздания в лабораторных условиях всего комплекса факторов, характерных для окружающей среды, наиболее перспективны исследования при нагружении образцов на испытательных машинах, расположенных на открытых атмосферных площадках, как это делается в ГЦКИ ВИАМ.
Например, с помощью вертикального стенда испытаны образцы – прототипы верхней панели центроплана самолета-прототипа Ту-204СМ и фрагментов прототипа сварной гибридной панели крыла. При статическом трехточечном и продольном изгибе испытаны крупногабаритные панели из углепластика ВСЭ-22 с интегрированными оптоволоконными сенсорами, позволяющими контролировать состояние конструкции под воздействием климатического и силового воздействия.
Под руководством Минпромторга России для дальнейшего развития системы климатических испытаний ВИАМ, ГК «Ростех», ГК «Росатом», РАН, ГК «Роскосмос», Росгидромет, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИЦ ЭРАТ (г. Люберцы), ФГУ 4-й ЦНИИ МО с привлечением более 50 научных и производственных организаций разработан проект создания национальной сети центров климатических испытаний. Мы ожидаем, что этот проект начнет реализовываться уже в ближайший год.
В проекте предусмотрено создание 7 региональных центров в представительных климатических зонах России с 25 дополнительными станциями в каждой зоне для полного охвата техногенной нагрузки и коррозионной активности окружающей среды при испытаниях сложных технических систем. Будут разработаны специализированные стенды для испытаний материалов, соединений и конструктивно-подобных элементов в климатических условиях с наложением механических нагрузок эксплуатационного уровня.
Предполагается существенно расширить объемы натурных климатических испытаний материалов, средств защиты, ответственных элементов конструкций, приборов и радиоэлектронной аппаратуры для оценки их работоспособности в климатических условиях, предупреждения и недопущения катастроф, аварий и отказов по причине коррозии, старения и биоповреждений. Предстоит актуализировать комплекс национальных стандартов и нормативных документов.
Очень важно вести натурные испытания в самых агрессивных климатических условиях – в зоне морских тропиков. Поэтому ВИАМ инициировал вопрос о создании климатической станции на территории Республики Куба. При поддержке Минобрнауки России, Минпромторга России и Министерства науки, технологии и окружающей среды Республики Куба в июле 2016 года подписано Соглашение о сотрудничестве между ВИАМ и Центром экологических исследований в г. Сьенфуэгос, куда вскоре будут направлены первые образцы для климатических испытаний.
Достигнута также договоренность между ВИАМ и Государственным унитарным предприятием Республики Узбекистан «ФАН ВА ТАРАККИЁТ» об экспонировании типового набора образцов в условиях жаркой пустыни в районе г. Термез (Узбекистан). Мы также заинтересованы в создании первой совместной российско-китайской климатической станции на острове Хайнань, в Индии и других представительных регионах. Опыт у нас имеется: климатические центры ВИАМ включены в международную сеть станций климатических испытаний ATLAS. Нашему знаменитому предшественнику Г.В. Акимову мировую известность принесли работы в области коррозии и защиты металлов. Это направление исследований было главным во всей его многогранной научной деятельности. Сегодня Россия имеет необходимые ресурсы для нового технологического рывка, развития социально-экономической базы уже на основе нового поколения материалов. И защита этих материалов от коррозии, старения и биоповреждений для многих может стать ориентиром активной творческой жизни на ближайшие десятилетия.