Спросить
Войти
УДК 620.193.8
Е.А. Варченко1, Е.Ю. Ветрова1
ИССЛЕДОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ И КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ОБРАЗЦОВ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА ПОСЛЕ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ В ГЕЛЕНДЖИКСКОЙ БУХТЕ. Часть 1
DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-67-91-100
Основная цель работы - исследование влияния биологических и физико-химических факторов морской воды на изменение свойств металлических и неметаллических материалов в прибрежной зоне акватории Геленджикской бухты. В данной части статьи рассматривается биологическая составляющая исследования, дается качественная и количественная оценка биообрастателей материалов после сезонной (летней) экспозиции. Отдельно акцентируется внимание на отсутствии на сегодняшний день достоверных, простых и, главное, надежных экспериментальных методик, позволяющих однозначно выделить биологическую составляющую из общего коррозионного фона.
E.A. Varchenko 1, E.Yu. Vetrova 1
RESEARCH OF THE BIOLOGICAL AND CORROSION RESISTANCE OF SAMPLES OF ALUMINUM ALLOY AFTER NATURAL TESTS IN THE GELENJIK BAY. Part 1
The main goal in the formulation of this work was to study the influence of biological and physico-chemical factors of sea water on the change in the properties of metallic and nonmetal-lic materials in the coastal zone of the Gelendzhik Bay. In this part of the article, the biological component of this work is considered, a qualitative and quantitative assessment of biofouling materials after a seasonal (summer) exposure is given. Separately, attention is focused on the lack of reliable, simple and, most importantly, reliable experimental techniques to unambiguously distinguish the biological component from the general corrosion background.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» Государственный научный центр Российской Федерации [Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» State Research Center of the Russian Federation]; e-mail: admin@viam.ru
Введение
Черное море на сегодняшний день достаточно изучено [1], однако до сих пор тема исследования процессов коррозии и биообрастания сооружений и объектов, эксплуатирующихся в данной акватории, не раскрыта. Все большее значение приобретает проблема обрастания фиксированных морских сооружений: платформ, причалов, эстакад, буев и пр.
Черное море имеет особое значение в стратегических планах России, реализация которых невозможна без «работоспособных» металлоконструкций судов, портовых и гидротехнических сооружений, оборудования, эксплуатирующихся в морской воде. Все эти объекты подвергаются биологическому обрастанию, что, в свою очередь, становится
причиной усиления коррозионных процессов металла в водной агрессивной среде [2, 3]. Решение проблем защиты от морского обрастания и коррозии требует комплексного, системного подхода, исследований, проводимых как в лабораторных, так и, что особенно важно, в натурных условиях [4-8].
В большинстве источников научно-технической литературы внимание акцентируется либо на анализе видового состава, количественных характеристик, пространственного распределения обрастателей, либо, наоборот, на оценке изменения характеристик материала после экспозиции в морской воде без учета влияния биологической составляющей. При проведении коррозионных исследований в такой многофакторной системе, как море, невозможно и неправильно рассматривать по отдельности традиционные факторы, имеющие физико-химическую природу, и не учитывать при этом существенный вклад, который вносит в коррозионные процессы биофактор. Но в настоящее время простых и надежных экспериментальных методик, позволяющих однозначно выделить биологическую составляющую из общего коррозионного фона, просто не существует [9]. Как следствие - результаты различных экспериментов не поддаются однозначному истолкованию и не могут быть сопоставлены.
Основной целью работы является исследование влияния биологических и физико-химических факторов морской воды на изменение свойств металлических и неметаллических материалов в прибрежной зоне акватории Геленджикской бухты (Черное море).
В данной части статьи рассматривается биологическая составляющая исследования, дается качественная и количественная оценка биообрастателей материалов после сезонной (летней) экспозиции в шести мониторинговых точках прибрежной зоны г. Геленджика. Во второй части статьи будет рассмотрено влияние биотических и абиотических факторов среды на обрастание и коррозию, проведен сравнительный анализ влияния биологических и физико-химических факторов на показатели скорости коррозии металлических образцов и их прочностные характеристики.
Под обрастанием обычно понимают совокупность микро- и макроорганизмов (в основном прикрепленных), поселившихся на поверхности твердых субстратов, находящихся достаточно длительное время в морских и пресных водах [10]. Некоторые ученые [11-14] рассматривают обрастание как поселение организмов только на субстратах антропогенного происхождения (гидротехнические сооружения, суда и т. д.). Соответствующее же поселение на естественных субстратах (скалы, камни и т. д.) - это бентос, и, по их мнению, принципиально отличается от обрастания. С экологической точки зрения такое деление совершенно необоснованно. Наблюдаемые различия обусловлены не происхождением субстратов, а условиями внешней среды, включая физико-химические характеристики этих субстратов.
В состав биоценозов на твердых субстратах входят как прикрепленные (обраста-тели), так и подвижные формы, которые живут среди них и находят там убежище, пищу, место для нереста и т. д. Наиболее часто встречаемыми обрастателями являются двустворчатые моллюски, усоногие ракообразные, мшанки, гидроиды, полихеты, асци-дии, кораллы, губки, водоросли, микроорганизмы. Подвижные виды обрастания представлены преимущественно моллюсками, полихетами, ракообразными, рыбами [15-17]. Биоценозы обрастания естественных и антропогенных субстратов служат источником расселительных стадий обрастателей для объектов, находящихся на расстоянии десятков, а нередко и сотен, километров от этих субстратов.
Обычно морское обрастание делят на прибрежное и океаническое, которое в свою очередь можно разделить на пелагическое и глубоководное [10]. Однако изучение
именно прибрежного обрастания имеет наибольший практический смысл, так как большинство гидротехнических объектов размещено именно в данной зоне, и к тому же оно характеризуется наибольшим видовым разнообразием и возможностью образовывать огромную биомассу, количество которой в благоприятных условиях может превышать 300 кг на 1 м субстрата [18].
На интенсивность процесса обрастания, помимо глубины погружения, влияют и другие факторы: географический район, время года, степень насыщенности кислородом среды обрастания, наличие в воде питательных веществ, соленость и рН воды, ее температура, загрязненность морского района, освещенность участков воды и т. д.
Так, например, в Балтийском море за март-декабрь величина обрастания достигает
и более [19].
Хорошо известно [2], что обрастание ухудшает эксплуатационные характеристики судов (уменьшается скорость, возрастает мощность энергетической установки для сохранения первоначальной скорости), судовые и океанические приборы и аппаратура, подвергшиеся обрастанию, преждевременно выходят из строя или дают неверные показания. Однако очевидно, что явление обрастания проявляет себя не только как внешний поверхностный фактор, существенно уменьшающий скорость движения судна и повышающий расход топлива, но и прежде всего как внутренний глубинный фактор, способствующий многократному усилению коррозионных процессов на поверхности обшивки судна и гидротехнических сооружений, в свою очередь приводящих к активному снижению усталостной прочности конструкции [2].
В большинстве случаев на определенном этапе обрастание способствует интенсивности коррозионных процессов, так как неравномерное распределение обрастателей на металлической поверхности приводит к неоднородности поверхности металла, различной концентрации кислорода и, следовательно, возникновению электрохимической коррозии. Однако, например, обрастание объекта организмами с твердой оболочкой уменьшает коррозию [10], и только лишь после отмирания они стимулируют местное разрушение в виде оспин. Со временем площадь пораженных участков увеличивается и коррозионный процесс протекает быстрее. Коррозионные разрушения приобретают язвенный (питтинговый) характер [20].
Наиболее сильное обрастание происходит во время стоянки судов в портах либо на стационарных неподвижных гидротехнических сооружениях. На ходу обрастание незначительное, так как личинки многих организмов не могут прикрепляться к подводной поверхности, если скорость воды, омывающей эту поверхность, превышает один узел [20].
Материалы и методы
Для испытаний использовали образцы алюминиевого сплава АМг6 размером 180 х180 х 2 мм и образцы бетонной плитки (тип цемента - портландцемент) в качестве контроля сравнения - образцы, максимально приближенные к природному субстрату. Металлические образцы фиксировали в кассетах в вертикальном положении, образцы бетонной плитки также экспонировались в вертикальном положении на глубине 1,0-1,5 м от поверхности воды.
Экспонирование проводили в течение трех летних месяцев. Испытательные стенды с образцами были размещены в четырех мониторинговых точках Геленджик-ской бухты и в двух точках прибрежной части открытого моря (рис. 1, точки 1-6).
Рис. 1. Мониторинговые точки 1-6
Во время проведения испытаний в определенных точках контролировались гидрологические (соленость, температура) и гидрохимические (рН, ионный состав) параметры морской воды. Результаты данных замеров приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Значения солености, температуры и рН морской воды в точках экспонирования _(средние за период экспозиции образцов) _
Условный номер точки Соленость, %о Температура, ° С рН
экспонирования
Таблица 2
Ионный состав морской воды в точках экспонирования (средние значения и диапазоны полученных значений за период экспозиции образцов)
Условный Концентрация, мг/л
номер точки катионов анионов
экспонирования К+ №+ Mg2+ а- 804"
Согласно данным научно-технической литературы [1], средняя соленость по всему объему Черного моря равна 21,96%о, в слое 0-300 м 20,26%о, в слое 400-2000 м
увеличивается до 22,26%о. Результаты измерений, проводимых в ходе исследования, показали, что параметры солености в шести мониторинговых точках в акватории проведения испытаний оказались относительно стабильными и составили ~18,3%.
Отдельно следует отметить немаловажную роль в осаждении, возможности закрепления на поверхности подводных объектов и развитии обрастателей такого параметра, как скорость течений. Во время проведения испытаний данный параметр отдельно не измерялся, однако, согласно Лоции Черного моря, а также данным научно-технической литературы [20-22], выделяют три характерные области с различным режимом течений:
- прибрежную область: очень изменчивый характер течений, скорость до 20-30 см/с;
- зону основного Черноморского течения: имеет струйный характер, ширина до 40-80 км, скорость 40-50 см/с, достигает значений 1-1,5 м/с;
- область открытого моря: скорости течений монотонно уменьшаются от периферии к центру, не превышая 5-15 см/с.
На основе данных измерений на автономных буйковых станциях (АБС) у побережья, по оценкам сезонного хода скорости течения, сезонный минимум относят к началу лета (май-июнь), а максимум - к декабрю-январю [23]. Ввиду того, что экспонирование образцов проводилось в прибрежной зоне, можно сделать вывод, что во время испытаний скорость прибрежного течения была незначительной, что способствовало осаждению и закреплению биообрастателей на поверхности образцов.
Количественную оценку результатов испытаний материалов проводили по развитию процессов обрастания. Степень обрастания оценивали по измерению площади оброста, определяемой при помощи трафарета, наложенного на образец, и подсчетом обросших квадратов. Массу оброста оценивали гравиметрическим методом.
Результаты и обсуждения
Результаты исследований образцов после трех месяцев экспонирования в шести мониторинговых точках показали, что наибольшая масса биообрастателей на единицу площади отмечается на образцах обоих материалов, экспонировавшихся в районе мониторинговой точки 4, и составляет 529,01 и 1607,00 г/м2 соответственно, степень биообрастания обоих образцов - 100% (рис. 2).
Рис. 2. Образцы металлической пластины (а) и бетонной плиты (б) после трех месяцев экспонирования в районе мониторинговой точки 4
В мониторинговых точках 2 и 3 масса биообрастателей металлических пластин превышает массу обрастателей, снятых с бетонных плит, в 3,1 и 1,5 раза соответственно (рис. 3). Степень обрастания обоих видов образцов после экспозиции в точке 2 одинаковая и составляет 85%, после экспозиции в точке 3 степень обрастания металлического образца составляет 100%, бетонного - 80%.
Рис. 3. Образцы металлической пластины (а, в) и бетонной плиты (б, г) после трех месяцев экспонирования в районе мониторинговых точек 3 (а, б) и 2 (в, г)
В точке экспонирования 5 и масса, и степень обрастания металлических и бетонных образцов оказались одинаковыми и составили 116,44 г/м (металлическая пластина) и 115,37 г/м2 (бетонная плита) со 100% обрастанием поверхности (рис. 4).
Рис. 4. Образцы металлической пластины (а) и бетонной плиты (б) после трех месяцев экспонирования в районе мониторинговой точки 5
При оценке образцов после экспозиции в открытом море (точки 6 и 1) установлено, что масса биообрастателей бетонных плит превышает массу обрастателей, снятых с металлических пластин, в 1,3 и 1,5 раза соответственно, в то время как площадь обрастания бетонных плит меньше и составляет 85%, металлической пластины - 100%. Однако объективная оценка степени и массы обрастателей металлической пластины, экспонировавшейся в акватории мониторинговой точки 6, затруднена, так как с одной стороны образца около 40% поверхности стесано (предположительно, при ударе о пирс во время шторма) (рис. 5).
В результате микроскопического анализа выявлено, что наибольшее видовое разнообразие обрастателей представлено на образцах обоих типов, экспонировавшихся в районе точки 5. Обнаружены зообентосные организмы типа Bryozoa, а также представители рода усоногих раков Balanus improvises; на мшанках молодь двустворчатых моллюсков из семейства Mytilidae - мидии Mytilus galloprovincialis; рачки отряда
Amphipoda; известковые домики представителей семейства Serpulidae, а также представители семейства Nereidae. Среди фитобентосных организмов, выделенных с образцов в данной точке, наиболее широко представлены водоросли Cystoseira sp., Gelidium sp., Ulva intestinalis, Zostera sp., Cladophora sp. (рис. 6).
Рис. 5. Образцы после трех месяцев экспонирования: металлической пластины в мониторинговой точке 6 (а, б) и бетонных плит в районе мониторинговых точек 6 (в) и 1 (г)
На образцах после экспонирования в районе мониторинговой точки 4 идентификация фитобентосных организмов крайне затруднена ввиду покрытия образцов плотным черным налетом, обладающим резким запахом (предположительно, осаждение горючесмазочных материалов - данный район является местом пристани теплоходов и катеров).
Отдельно следует отметить так называемые косвенные индикаторы загрязнения воды, например Balanus improvises, которые играют важную роль биофильтра и выполняют функцию очистки воды от взвесей [25], и представителей типа Bryozoa, которые развиваются преимущественно в чистой теплой воде, обогащенной растворенным кислородом [26]. Так, наибольшее развитие Balanus improvises на образцах (и на металлических пластинах, и на бетонных плитах), по сравнению с образцами с других мест экспозиции, зафиксировано в точке 4, что вполне закономерно свидетельствует о загрязнении воды ввиду близости морского порта и места швартовки кораблей. Отмечено доминирование мшанок (тип Bryozoa) на металлических образцах после экспозиции в точке 2, а также значительное развитие данных организмов на образцах, экспонировавшихся в открытом море (мониторинговые точки 1 и 6).
Примерно одинаковое видовое разнообразие представлено на образцах, экспонировавшихся в точках 1,3, 5 и 6: доминирующий зообентос представлен типом Bryozoa, также встречаются молодь мидий Mytilus galloprovincialis, рачки отряда Amphipoda, известковые домики представителей семейства Serpulidae. Среди фитобентосных организмов наиболее широко представлены Cystoseira sp., Gelidium sp. и Cladophora sp. (рис. 7).
Рис. 6. Зообентосные организмы, выделенные с образцов, экспонирующихся три месяца в районе точки 5:
а - Balanus improvises; б - рачки отряда Amphipoda; в - Mytilus galloprovincialis; г - мшанки (тип Bryozoa); д, е - представители семейства Nereidae; ж - Gelidium sp.; з - Cladophora sp.
Рис. 7. Наиболее широко представленные обрастатели образцов металлических пластин и бетонных плит в точках экспонирования 1, 3, 5 и 6:
а - Gelidium sp.; б - известковые домики представителей семейства Serpulidae; в - рачки отряда Amphipoda; г - мшанки (тип Bryozoa); д - Balanus improvises
Заключения
В результате проведенной количественной и качественной оценки биообраста-телей образцов двух типов материала (алюминиевого сплава и бетонной плиты) в течение трех летних месяцев в шести мониторинговых точках Геленджикской бухты (две точки - открытое море) установлено:
- наибольшая масса биообрастателей на единицу площади отмечается на образцах обоих материалов, экспонировавшихся в районе мониторинговой точки 4 и составляет 529,01 и 1607,00 г/м2 соответственно, степень биообрастания обоих образцов - 100%; наименьшая масса обрастания отмечена в точке 2 и составляет для металлического и бетонного образцов 89,2 и 59,2 г/м2 соответственно, степень биообрастания при этом - 85%;
- среди организмов, выделенных с образцов, наиболее широко представлены следующие: зообентосные организмы типа Bryozoa, представители рода усоногих раков Balanus improvises, на мшанках молодь двустворчатых моллюсков из семейства Mytilidae - мидии Mytilus galloprovincialis; рачки отряда Amphipoda; известковые домики представителей семейства Serpulidae, а также представители семейства Nereidae; среди фитобентосных организмов - Cystoseira sp., Gelidium sp., Ulva intestinalis, Zostera sp., Cladophora sp.
По результатам развития так называемых косвенных индикаторов загрязнения Balanus improvises (индикаторы грязной воды) и организмов типа Bryozoa (индикаторы чистой воды) можно сделать вывод о наиболее загрязненной точке бухты в период исследования (точка 4) и выделить точки с наибольшей чистотой воды (точки 1, 2 и 6).
Анализ гидрологических и гидрохимических (соленость, температура, рН, ионный состав) параметров морской воды в точках проведения испытаний показал, что существенных различий в значениях, способных оказать влияние на развитие биоорганизмов, не выявлено.
Библиографический список
B.Н. Никитина, Н.И. Тарасова. М.: Воениздат, 1957. 502 с.
C. 890-892.
