Способ исследования свойств защитных покрытий в потоке морской воды и установка для его осуществления
METHOD OF STUDYING PROPERTIES OF PROTECTIVE COATINGS IN A STREAM OF SEA WATER AND AN APPARATUS FOR CARRYING OUT SAID METHOD

Группа изобретений относится к средствам исследования свойств защитных покрытий на субстратах, подвергающихся воздействию морской среды, а именно, к способам оценки свойств противообрастающих и антикоррозийных покрытий подводной части корпуса судов, которые изменяются в ходе их эксплуатации под воздействием потоков морской воды постоянной и переменной силы, обусловленных приливно-отливными, ветровыми и постоянными течениями, также под воздействием штормовой нагрузки, и установкам для их осуществления. Предлагаемые способ и установка могут найти применение при проведении экспериментов по изучению воздействия потоков морской воды на процессы формирования и функционирования отдельных гидробионтов-обрастателей и их сообществ в ходе навигации судна путем моделирования навигационных условий.
Коррозия и обрастание подводной части корпуса судов в условиях морской навигации являются неизбежными на море явлениями, которые затрудняют эксплуатацию судов и приводят к ухудшению экономических показателей как грузовых, так и пассажирских перевозок.
Обрастание подводной части корпуса судна увеличивает сопротивление воды его движению, в результате чего снижается производительность энергетической установки, происходит перерасход топлива. Кроме того, обрастание измерительной аппаратуры: эхолотов, лагов, спидометров, постоянно находящихся под водой, резко снижает их точность, а также, вкупе с коррозией, ухудшает работоспособность другого подводного оборудования. Коррозия и обрастание являются существенными причинами сокращения рабочего периода судна между двумя докованиями.
Для результативной борьбы с этими явлениями и их успешной профилактики необходимо изучение причин быстрого развития коррозии, условий осаждения и развития организмов-обрастателей в естественных либо максимально приближенных к естественным условиях с учетом биотического и абиотического компонентов окружающей среды. Для размещения необходимого оборудования на грузовом, рыбопромысловом да и пассажирском судне в период навигации обычно нет соответствующих условий, причем не везде навигация является круглогодичной, а исследования в чисто лабораторных условиях, как показывает практика, не всегда дают адекватные результаты. Создавшаяся ситуация побуждает к созданию разработок, направленных на решение этой проблемы, появление заметного количества которых наблюдается в последние годы.
Известна установка для изучения искусственно создаваемых приливов и отливов (полезная модель CN 203786217, опубл. 2014.08.20), содержащая цилиндрическую емкость типа цистерны, в которой создаются приливы и отливы, параллельно размещенный над ней смотровой канал, концы которого посредством переходных труб соединяются с концами упомянутой емкости, образуя замкнутый контур для непрерывного движения водного потока; в основной емкости, предназначенной для создания приливов и отливов, размещен подводный двигатель, вращающийся вал которого снабжен лопастями; обе соединительные трубы снабжены несколькими направляющими решетчатыми пластинами. Подводный двигатель приводит в движение вращающиеся лопасти, создающие мощный поток, который стабилизируется направляющими решетчатыми пластинами, при этом в смотровом канале создается равномерное движение водного потока, четко имитирующее морской прилив. Представляется, что известная установка имеет ограниченное, узко специфическое, применение, о практической пользе которого трудно судить по доступному реферату.
Известна установка для автоматического моделирования условий океанического прилива (CN 101871877, опубл. 2010.10.27). Циркуляцию морской воды регулирует блок, состоящий из двух частей, одна из которых осуществляет контроль водозабора, а другая - контроль водосброса; насосы, установленные на водозаборе и водосбросе, представляют собой водяные насосы, работающие с переменной частотой; устройство, контролирующее водозабор, связано с водозабором основной рабочей коррозионной камеры и с водосбросом вспомогательной рабочей коррозионной камеры; устройство, контролирующее водосброс, связано с водосбросом основной коррозионной рабочей камеры и, соответственно, с водозабором вспомогательной коррозионной рабочей камеры. Сенсор первого потока установлен в устройстве, контролирующем водозабор, а сенсор второго потока - в устройстве, контролирующем водосброс. Датчик температуры морской воды установлен у дна основной коррозионной рабочей камеры; датчик нижнего уровня и датчик верхнего уровня жидкости жестко закреплены в основной коррозионной рабочей камере. Отверстие для подачи потока воздуха и устройство, обеспечивающее подачу воздуха, а также осветительный прибор размещены выше датчика верхнего уровня жидкости. Устройства, контролирующие водозабор и водосброс, устройство подачи воздуха и осветительный прибор связаны с блоком, контролирующим циркуляцию морской воды. Известная установка предназначена для тестирования коррозионной стойкости металлических поверхностей, подвергающихся воздействию морской среды, и автоматически создает приближенные к реальным, причем контролируемые, условия для тестируемых объектов. Однако автоматическая поддержка заданного режима требует многочисленного, причем достаточно сложного и, соответственно, дорогостоящего, оборудования, нуждающегося в систематическом обслуживании квалифицированных специалистов, что также автоматически повышает расходы на осуществление известного способа. Автоматическая смена режима в известной установке не предусмотрена. Она требует переналадки всего оборудования.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является группа изобретений (CN 104034507, опубл. 2014.09.10), включающая способ исследования свойств защитных антиобрастающих покрытий подводной части корпуса судна путем оценки изменения их характеристик в ходе навигации судна и устройство для его осуществления в условиях, моделирующих навигационные, при этом в качестве основной характеристики покрытия используют его электросопротивление, для измерения которого известное устройство содержит блок с приспособлением для загрузки образцов, передаточный вал, под которым находится испытательная камера, подшипник нагрузки, датчик крутящего момента, электродвигатель, разъемы А и В; навигационные условия судна моделируют с помощью испытательной камеры с тестируемыми образцами, снабженной множеством независимых блоков, каждый из которых имеет привод от работающего двигателя. Для моделирования навигационных условий через испытательную камеру пропускают поток морской воды с регулируемой скоростью. Кроме того, известное устройство содержит систему управления с программным обеспечением, к которой подключены блок для измерения электросопротивления и камера для моделирования навигационных условий судна. Устройство также содержит два контролируемых программируемой системой управления набора термостатов с морской водой, которые связаны с камерой для тестирования электросопротивления и камерой для моделирования условий навигации.
Описанные способ и устройство обеспечивают моделирование условий навигации, т.е. состояния морской среды, обусловленного характером течения потоков, омывающих подводную часть корпуса судна, для выбранных для исследования участков поочередно, отдельно для каждого участка, и, поочередное тестирование образцов, имитирующих эти участки, что значительно увеличивает время эксперимента, усложняет и удорожает известный способ, который, вдобавок, становится сезонным без подогрева поступающей «забортной» морской воды в холодное время года, что накладывает дополнительные ограничения на его использование вместе с устройством. Как следует из описания, для эффективной работы известного устройства используется большое количество регистрирующей, контролирующей и другой аппаратуры, требующей достаточно больших денежных затрат и квалифицированного обслуживающего персонала.
Задачей изобретения является создание эффективных, но достаточно простых и не требующих значительных расходов средств, обеспечивающих условия тестирования защитных покрытий подводной части корпуса судна в потоке морской воды в моделируемых условиях, идентичных условиям, в которых судно находится в ходе его навигации.
Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в упрощении способа исследования защитных свойств покрытий подводной части корпуса судна в моделируемых навигационных условиях и в сокращении времени, затрачиваемого на его осуществление, за счет моделирования этих условий для различных участков корпуса судна одновременно, в одном рабочем объеме, в упрощении установки для осуществления способа и снижении ее стоимости, а также в снижении общих расходов на эксплуатацию и обслуживание установки, и обеспечении круглогодичных исследований без затрат на обогрев воды.
Указанный технический результат достигают способом исследования свойств защитных покрытий в потоке морской воды, согласно которому осуществляют оценку защитного покрытия подводной части корпуса судна и его изменения в навигационных условиях, при этом в качестве основной характеристики покрытия используют его электросопротивление, а навигационные условия судна моделируют с помощью содержащей тестируемые образцы испытательной камеры с регулируемой скоростью пропускаемого потока морской воды, в котором, в отличие от известного, скорость потока регулируют путем его пропускания через испытательную камеру, выполненную в виде кольцеобразной емкости с переменным сечением, рассчитанным таким образом, что в моделируемых условиях скорость обтекания потоком морской воды тестируемых образцов, имитирующих выбранные для исследования участки корпуса судна, идентична скорости обтекания морской водой упомянутых участков в навигационных условиях, при этом забор морской воды и пропускание ее потока через испытательную камеру осуществляют круглогодично непосредственно из моря с помощью узла подводного водозабора и насосной станции.
Указанный технический результат достигают также установкой для осуществления способа по п. 1, содержащей испытательную камеру с тестируемыми образцами, обеспечивающую моделирование навигационных условий судна путем регулирования скорости пропускаемого потока морской воды, в которой, в отличие от известной, упомянутая камера выполнена в виде кольцеобразной емкости с переменным сечением, рассчитанным таким образом, что скорость обтекания потоком морской воды тестируемых образца, имитирующих выбранные для исследования участки подводной части корпуса судна, полностью соответствует скорости обтекания потоком морской воды упомянутых участков в навигационных условиях, кроме того, установка содержит также водовод для проточной морской воды с клапанами ее подачи и отвода, дренажную отводящую трубу; узел подводного водозабора морской воды с насосной станцией и снабжена маршевым гребным винтом, связанным с электродвигателем и блоком управления, обеспечивающими изначальный скоростной режим водного потока, пропускаемого через кольцеобразную емкость с учетом последующего перепада скоростей, создаваемого ее переменным сечением.
Предлагаемый способ включает исследование свойств защитных покрытий подводной части корпуса судна путем тестирования подготовленных образцов с исследуемыми покрытиями в навигационных условиях, которые различаются для разных участков подводной части корпуса судна с учетом различной скорости перемещения контактирующих с ними водных масс и различного характера течения формирующихся в морской среде потоков, обтекающих подводную часть корпуса судна. Согласно предлагаемому способу, навигационные условия моделируют путем регулирования скорости обтекания тестируемых образцов потоком морской воды и соответствующего изменения характера течения упомянутого потока. Возможность такого моделирования обеспечивается установкой для осуществления предлагаемого способа.
Предлагаемая установка, общий вид которой показан на чертеже (фиг. 1), содержит кольцеобразную, в форме сильно вытянутого овала, емкость 1, по сути представляющую собой кольцевой канал с переменным сечением, на боковых стенках которого закреплены тестируемые образцы с исследуемым защитным покрытием, идентичным покрытию подводной части корпуса судна.
Кроме того, установка включает водовод 2 для подачи морской воды, снабженный клапанами, дренажную трубу водосброса 3, маршевый гребной винт 4, играющий роль движителя, создающего поток морской воды заданной исходной скорости, который связан с силовой установкой 5 в виде электродвигателя, снабженного блоком управления 6, обеспечивающим включение-выключение электродвигателя 5 и регулирующим число его оборотов.
Тестируемые в моделируемых условиях образцы являются имитацией поверхностей винторулевой группы 7 и борта морского судна: миделя 8, носовой части, в том числе бульба 9, различающихся типом водообмена вследствие различий в характере течения (ламинарное, турбулентное, переходное) омывающих их потоков, что отражает специфические навигационные условия, существующие для каждого из этих участков.
Как известно, характер течения жидких потоков в общем случае определяется их скоростью и вязкостью. Поскольку вязкость при моделировании с использованием природной морской воды сравнивать не требуется, ее во внимание можно не принимать. За счет соответствующего подбора скорости потока, омывающего тестируемый участок, предлагаемый способ и установка обеспечивают характер его течения, идентичный наблюдаемому для имитируемого участка корпуса судна в навигационных условиях. Переменное сечение испытательной камеры позволяет регулировать скорость пропускаемого потока морской воды и одновременно в одном рабочем объеме имитировать условия морской среды для любого участка подводной части корпуса судна и рулевой колонки. В действительности наибольший практический интерес в плане изучения обрастания и средств борьбы с ним представляет область подводной части судна, близкая к ватерлинии.
Для контроля основных характеристик подаваемой в установку морской воды (температура, соленость) установка снабжена проточным солемером-термометром непрерывного действия 10, установленным на водозаборе с отводом подаваемой воды. Для подачи морской воды служит не показанный на чертеже узел подводного водозабора, связанный с насосной станцией 11.
Предлагаемую установку размещают по возможности вблизи береговой черты, при этом ее размеры могут варьировать в соответствии с условиями ее размещения.
Примером выполнения установки является ее задействованный в испытаниях экспериментальный вариант со следующими габаритами. Длина длинных параллельных сторон кольцевого канала 1 составляет 1,5 м, радиус концевых закруглений - 0,8 м, глубина заполнения канала 1 морской водой в рабочем состоянии установки - 0,5 м. Ширина канала в области его максимального сечения 40 см, минимального - 25 см. Опробованный вариант установки, показанный на фото (фиг. 2), подтверждает ее работоспособность, в полной мере обеспечивая осуществление предлагаемого способа. При этом он является оптимальным с точки зрения затрат на создание установки и текущих расходов на ее техническое обслуживание.
Вода, поступающая в установку непосредственно из морской акватории, содержит личинки и споры гидробионтов-обрастателей, которые прикрепляются и растут на тестируемых участках поверхности кольцевого канала 1. Таким образом, тестирование в моделируемых условиях позволяет наблюдать полную картину изменения защитных покрытий и оценить их стойкость к коррозии с помощью известного метода, включающего измерение электросопротивления покрытия с подсчетом его изменения через определенный промежуток времени, и «устойчивость» к обрастанию. Все экспериментальные поверхности доступны наблюдению и при необходимости могут быть подвергнуты камеральному обследованию и изучению в стационарных и полевых лабораториях.
Предлагаемая установка при осуществлении способа действует следующим образом.
После включения электродвигателя 5 с помощью блока управления 6 устанавливают исходный скоростной режим водного потока, с учетом того факта, что на участках кольцевого канала 1 с разными сечениями скорость будет различной. Поток морской воды с помощью маршевого гребного винта 4 приводится в движение и первоначально попадает в широкую часть кольцевого канала 1 (с максимальным значением площади сечения), затем поступает в его более узкую часть - скорость потока возрастает и становится максимальной в самом узком месте канала с минимальной площадью сечения. Соответствующим образом меняется характер течения потока: от ламинарного к турбулентному.
Скорость потока морской воды, определяющая характер его течения, задается шириной кольцевого канала 1 (при постоянной глубине его заполнения). Простота и доступность моделирования навигационных условий открывает большие возможности для своевременного и оперативного проведения исследований защитных покрытий подводной части корпуса судна.
Установка с успехом может применяться также для нагрузочных испытаний устройств и механизмов в потоке морской воды постоянной и переменной силы, моделировании приливно-отливных, ветровых и постоянных течений, а также штормовой нагрузки.