История судоходства охватывает огромный период времени. Она началась раньше, чем появились первые описания и письменные свидетельства о состоянии вопросов, связанных с мореходством. Но даже самые ранние сообщения содержат упоминания о трудностях, возникающих при эксплуатации различного вида судов. Судовые покрытия претерпевали изменения за счет добавления или изменения тех, или иных свойств. Какими материалами пользуются сейчас читайте в текущей статье.
Корпус корабля, погруженного в морскую воду, подвергается ее воздействию, что создает две главные угрозы: физическую и биологическую. К физической угрозе относится коррозия, так как в соленой воде металлы корродируют, поэтому поверхность корпуса корабля должна быть защищена от разрушения. Это относится, естественно, только к металлическим конструкциям и стало насущным лишь в XVIII в., когда корабли начали изготавливать из железа; до этого времени все судна были деревянными. Однако коррозионная активность морского воздуха и влаги в отношении железа была известна еще до начала практического применения металла в кораблестроении.
Так, еще в трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) есть указание о применении олова для защиты железа от коррозии. Впоследствии при выплавке железа стали применять легирующие добавки (никель, хром, кобальт), что дало возможность ослабить действие коррозии на получаемую нержавеющую сталь, но поверхностное корродирование, хоть и с малой скоростью, все равно имеет место в соленой воде.
Были разработаны разнообразные антикоррозионные покрытия для судов, которые рассмотрены в статье “Противокоррозионные покрытия”. Однако защитные антикоррозионные лакокрасочные покрытия, хоть и служат преградой, препятствуя доступу воды и воздуха к поверхности металла, но не могут полностью гарантировать отсутствие очагов коррозии. Одной из причин возникновения очагов коррозии является биообрастание. В числе активных обрастателей, например, морские желуди, имеющие конусообразные раковины с острыми краями, которые, приближаясь к покрытию, могут нарушать его целостность.
Вторая угроза — биологическая, которая заключается в обрастании корпуса любого деревянного или металлического судна микроорганизмами, бесчисленное количество которых обитает в морской воде. Они образуют на поверхности корпуса корабля слои микро и макроразмеров: бактериальные слои, микро и макроводоросли, различные морские животные организмы.
И коррозия, и в еще большей степени обрастание способствуют огрублению поверхности корпуса корабля, что увеличивает сопротивление и приводит к снижению его скорости, а следовательно, увеличению расхода топлива. Так, при микрообрастании — образовании слоя слизи — потребление топлива возрастает на 1-2 %. Влияние макрообрастания зависит от природы обрастателей: водоросли повышают расход топлива до 10 %, а такие живые организмы, как балянусы и мидии, — до 40%.
Рекомендуется к прочтению: Классификация современных кораблей, судов и их устройство
Кроме того, обрастание приводит к коррозии, что существенно увеличивает расходы на ремонтные работы. Но если предотвратить развитие коррозии можно относительно легко путем применения соответствующих покрытий, то предотвратить обрастание значительно труднее, особенно при длительной стоянке судна. Очень агрессивное обрастание наблюдается во время плавания в тропических и субтропических водах, например из Европы в Латинскую Америку или Азию.
Рассмотрим, как развивался процесс защиты кораблей в историческом аспекте.
Современным историкам известны старые манускрипты, посвященные морскому флоту. Некоторые из них были написаны приморскими народами древнего мира. Но в этих документах ничего не сообщается об обработке кораблей, они посвящены описанию состава флота, виду кораблей (рис. 1-3), длинных походов и морских сражений. Корабли того времени были большими. Так, древние египетские корабли достигали 160 футов длины. Люциан описал египетские корабли, которые во времена Римской империи имели 180 футов длины, более четверти этого размера в ширину и 44 фута от палубы до киля.
В те времена уделялось большое внимание украшению надводной части корпуса корабля. Длинные галеры викинговДраккары викингов были очень красивы: боковые части обычно красили красным цветом, пурпурным с золотыми полосами, обычно использовали контрастные цвета и блестящие полоски металла.
Самое раннее упоминание об обрастании можно найти у Аристотеля в IV в. до н.э. Позже Плутарх описывал случаи сильного обрастания, когда корабль не мог двигаться с полной скоростью, а иногда даже останавливался, привязанный к одному месту в океане из-за огромного количества водорослей и морских организмов на корпусе.
Бороться с обрастанием начали уже в древние времена. Известен папирус, датированный 412 г. до н.э., содержащий инструкцию по обработке корпуса корабля. Мышьяк и серу смешивали с маслом и наносили на борт корабля. Для защиты деревянного корпуса применялся также воск, его использовали в горячем виде. Процесс стал известен под названием «энкаустик» или «корабельная краска». Согласно Плинию, такое покрытие никогда не будет портиться от солнца, ветра и соленой воды.
Древние финикийцы и карфагеняне обычно применяли смолу или медные листы, накладывая их на дно судна. Использовали также воск, деготь, асфальт. Эти вещества упоминаются в описаниях, но цель их применения не указана. Возможно, их использовали не только для предотвращения обрастания, но и для борьбы с корабельными червями, которые встречаются в определенных частях океана и наносят огромный ущерб деревянным частям корабля, сделанным даже из такой прочной древесины, как дуб.
Греки применяли воск и деготь с III в. до н.э. Кроме того, древние греки и римляне обшивали днища свинцовыми листами, которые прикрепляли к корпусу медными или позолоченными гвоздями обычно поверх изоляционного слоя из бумаги или ткани. Предполагается, что тогда же на корпусах кораблей были впервые обнаружены коррозионные поражения, что заставляло отказываться от использования свинцовых листов.
Предлагается к прочтению: Торговые суда и пиратские корабли Финикии
В XIII-XV вв. обычно применяли деготь, а иногда его смесь с маслом, смолой или каучуком. Большой венецианский флот для защиты корпусов использовал деготь. Во времена походов Васко де Гама (1469-1524 гг.) португальцы покрывали внешний корпус судна смесью смолы и серы, слоем толщиной несколько дюймов.
В Англии в XV в. для защиты применяли свинцовые листы: в период правления Генриха IV (1421-1471 гг.) подробно описан корабль, отделанный свинцовыми листами. Защита свинцовой обшивкой была распространена в XVI в. в Испании, Франции, Англии. От этого способа отказались, когда в 1682 г. специальная комиссия провела исследование и установила, что свинцовая обшивка хорошо предохраняет корпус от морских червей, но плохо защищает от обрастания. Однако ее использовали для защиты днища вплоть до XVIII в.
В годы правления Генриха VIII (1509-1547 гг.) было построено самое большое судно того времени — парадный королевский корабль «Великий Генри». Высокая часть корабля была украшена готическими окнами и панелями, художественно окрашенными и позолоченными. В то время для защиты корпуса корабля на его борта накладывали деревянные щиты на слой из шерсти животных и дегтя. Это предотвращало проникновение червей, хотя существенно удорожало стоимость судна. Деревянную обшивку применяли, начиная с XV в. В подробном описании строительства французского корабля «La Couronne» в 1636 г. указано, что для защиты корпуса его обмазывали смесью асфальта, серы, мелко разрубленной коровьей шерсти и измельченного стекла, затем накладывали деревянные щиты толщиной 0,5 см из более дешевых видов древесины, которые также смазывали. Рецепты смазочных средств были разными, но в основном все они содержали серу. На рис. 4 показан вид готового судна.
В XVIII в. после отказа от применения свинца вновь стали пользоваться деревянной обшивкой. Иногда ее закрепляли железными или медными гвоздями со свинцовыми головками. При этом иногда их располагали так тесно, что головки соприкасались и создавали впечатление сплошного листа.
Деревянные обшивки этого времени также часто красили разными смесями дегтя и жира с серой и другими ингредиентами.
В XVIII в. для защиты деревянного корпуса корабля начали применять обшивку из медных листов (рис. 5). Это было первое эффективное антиобрастающее покрытие, оно же с успехом защищало и от морских червей. Во времена Петра I в России строили деревянные суда с обшивкой нижней части медными листами, а в верхнюю часть окрашивали для придания декоративного вида.
К 1783 г. весь английский военный флот имел медную обшивку, к началу XIX в. примеру Великобритании последовали Испания и Франция (рис. 6). Этот метод применялся до тех пор, пока не появились суда из железа.
До наших дней в мире сохранился только один старинный корабль, изучение которого позволяет с большой достоверностью узнать о материалах, применявшихся для отделки.
Предлагается к прочтению: Кораблестроение в России
Это шведский корабль XVII в. «Васа» (Vasa), на котором сохранилось более 95% первоначальных элементов конструкции, а также сотни резных скульптур. «Васа» является уникальной художественной ценностью и одной из интереснейших достопримечательностей мирового масштаба.
Флагман шведского королевского флота, самый крупный корабль с наиболее тяжелым вооружением на Балтике, вызывавший восхищение и гордость у жителей Стокгольма, был спущен на воду летом 1628 г. и затонул в день выхода в первое плавание. Корабль был поднят на поверхность лишь в 1961 г., а 16 августа 1990 г. вокруг него на острове Юргорден был открыт музей, который сейчас является одним из самых посещаемых в Стокгольме. Его здание, построенное специально для экспозиции корабля, позволяет осмотреть «Васу» со всех сторон на различной высоте.
Будет интересно: Материалы, применяемые в судоремонте
Поднятый корабль тщательно изучали специалисты, в частности были проведены физико-химические исследования красок, которыми пользовались при строительстве «Васы».
В результате ученые выделили пигменты, входившие в их состав. В разделе, посвященном строительству корабля, представлены минеральные, растительные и синтетические пигменты, которые применяли в XVII в. для изготовления корабельных красок (рис. 7).
Это наиболее интересная коллекция исторических пигментов для судовых красок из всех известных экспозиций мореходных музеев мира (см. таблицу).
На рис. 8 показаны дизайн и окраска средневекового корабля, поражающие разнообразием и яркостью цветов, что было возможно благодаря большому выбору различных пигментов. По происхождению использованных пигментов можно с большой долей вероятности проследить географию мореплавания того времени. Понятно, что шведские корабли в XVII в. путешествовали от Индии до Бразилии, а также, что в те времена существовал уже довольно большой ассортимент судовых красок и покрытий различного назначения. В частности, применялись противообрастающие краски, для приготовления использовали свинцовый сурик.
В XVII в. появились первые патенты на способы окраски корпусов кораблей. W. Beale первым получил патент на краску, содержащую порошок железа, меди и цемент. В 1670 г. Р. Howard и F. Watson запатентовали краску на основе дегтя, смолы и пчелиного воска. В 1791 г. W. Murdock запатентовал биоцид — смесь сульфида железа, порошка цинка и мышьяка. Затем было оформлено много патентов, большинство из которых были невоспроизводимыми.
В 1854 г. J. Mc. Innes запатентовал композицию, которая нашла широкое применение. Она содержала смесь сульфата меди со стеаратом («металлическим мылом»). Состав использовался в горячем виде по быстросохнущей грунтовке, состоящей из смолы и оксида железа. Подобный продукт был позже выпущен в продажу под названием Italien Moravien и применялся даже в XX в.
В конце XVIII — начале XIX вв. корпуса кораблей стали изготавливать из железа. Хотя вначале преобладали определенные предубеждения против использования металла, тем не менее дефицит древесины и успешное применение паровых машин заставило обратиться к замене древесины железом. Деревянные корабли не выдерживали вибрацию при установке на них паровых машин, кроме того, они были ограничены в размерах и мощности. Даже корабли с улучшенной конструкцией экономически не могли сравниться с кораблем, изготовленным из железа.
В начале XIX в. началось движение судов между США и Англией. В облике парусных судов многое начало меняться. Эти суда стали популярными у пассажиров, и дизайну уделялось много внимания: борта красили в яркие цвета с белыми полосами, а для внутренней отделки применяли светлые тона.
На ранних этапах истории строительства железных кораблей было обнаружено, что обшивку медными листами нельзя использовать из-за опасности коррозионного процесса. Железо и в меньшей степени его сплавы корродируют в соленой морской воде, поэтому эти материалы нуждаются в защите от коррозии. В это время было проведено много исследований, для защиты железа испытывались разные металлы и неметаллы (резина, эбонит, пробка, эмали, глазури, стекло, цемент). В 1824 г. был открыт способ катодной защиты, о котором сообщил сэр Гемфри Дэви в серии докладов, представленных Лондонскому королевскому обществу.
После продолжительных испытаний его впервые применили на судне «Самаранг» в 1824 г. Анодные протекторы из железа были установлены на медную обшивку корпуса судна ниже ватерлинии, что значительно снизило скорость коррозии меди. Медные листы, медленно разрушаясь, освобождают ионы меди, проявляющие альгицидное действие. Катодная защита в настоящее время используется для защиты морских судов от коррозии (преимущественно протекторная защита). Она эффективна против питтинговой коррозии, и с ее помощью можно защищать такие металлы, как нержавеющая сталь и алюминий.
Положительные результаты были получены при покрытии железа цинком, так как в этом случае обеспечивается защита от коррозии и одновременно предотвращается обрастание. Оцинковка до сих пор является одним из распространенных способов защиты стальных изделий от коррозии. Использовались также деревянные щиты, которые накладывали на металлический корпус.
Их вклинивали между рубцами на корпусе или закрепляли болтами, а затем покрывали медью. Деревянные листы в этом случае служили лишь для изоляции меди от железа. Хотя этот способ с успехом был применен во время испано-американской войны (1898-1899 гг.) и использовался британским и американским флотом, он был слишком дорогим, чтобы найти широкое распространение.
Наиболее простым и доступным способом, нашедшим широкое применение, оказались лакокрасочные покрытия.
Источник: shipspotting.com
Вторым и более важным направлением в создании судовых покрытий являются антиобрастающие композиции. Их разработка, в конечном счете, привела к созданию ЛКМ, заменивших медную обшивку. Как было упомянуто выше, уже в XVII-XVIII вв. появились патенты на композиции, содержащие соединения меди. Но внедрение новых разработок в практику часто заканчивалось неудачами. Адмирал Эдвард Бельхер по этому поводу сказал, что они больше способствуют обрастанию, чем устраняют его. Наиболее успешной нашедшей практическое применение была композиция Italien Moravien, упомянутая выше. Немного позже, в 1863 г., была запатентована успешно применяемая антиобрастающая композиция, содержащая оксид меди, деготь и растворитель типа бензина или нафты. Несколько позже была изготовлена краска на основе шеллака, содержащая в качестве биоцида мышьяк. Покрытия на ее основе обладали и антикоррозионными, и антиобрастающими свойствами.
В разработках того времени в качестве биоцидов использовали медь, мышьяк и ртуть, в качестве связующих — льняное масло, шеллак, деготь, другие смолы, растворителей — скипидар, нафту, бензин. К концу XIX в. наиболее часто применяли краски на основе шеллака, горячие пластичные краски — композиции типа Italien Moravien и различные медьсодержащие составы. Эти композиции обычно наносили поверх антикоррозионного покрытия на основе шеллака или чистого шеллачного лака или поверх этой же композиции, но не содержащей биоцида. Днище корабля покрывали горячими пластичными красками. Деревянные корабли также обшивали медными щитами, эти поверхности были эффективны против обрастания, но часто имели непродолжительный срок службы; кроме того, этот способ был дорогостоящим.
Промышленные антиобрастающие покрытия для днищ кораблей начали применять в США в 1908 г., хотя эти составы еще не были стандартизированы. В 1908 г. производство таких ЛКМ было начато в Норфолке. В состав красок в качестве биоцида входила суспензия оксида ртути в шеллаке. В композицию добавляли оксид цинка, цинковую пыль и индийскую красную, т. е. оксид железа. Хотя впоследствии состав композиции менялся, связующее шеллачного типа использовалось до 1926 г.
Читайте также: Ремонт вспомогательных механизмов
От шеллака отказались, так как его получали из Индии в ограниченном количестве и он был дорогим. Дальнейшие исследования показали возможность использования для замены шеллака доступного и дешевого материала — канифоли. Кроме того, необходимо было заменить оксид ртути — очень токсичный и дорогой продукт. Взамен оксида ртути и мышьяка в качестве биоцида нашел применение уже проверенный оксид меди.
Большое внимание уделялось также горячим пластичным композициям. В начале XX в. лучшим антиобрастающим ЛKM считалась горячая пластичная краска Italien Moravian, но в 1908 г. официальное признание получила краска на основе шеллака. В 1922 г. в результате испытаний покрытий на ее основе в условиях годичного плавания были подтверждены их отличные антиобрастающие свойства. Но производство горячих пластичных красок требует специального оборудования, работа с ними затруднительна. Это привело к разработке новых, более удобных композиций, известных под названием холодные пластики, которые можно наносить кистью. Они отверждаются за счет испарения растворителя.
В XX в. создание антиобрастающих ЛКМ шло ускоренными темпами. В связи с тем что вопросы экологии становятся все более актуальными, одним из главных направлений разработки стал отказ от применения токсичных веществ — биоцидов, входящих в состав антиобрастающих композиций. В 1974 г. компания International Paint представила первое самополирующееся антиобрастающее покрытие, в 1999 г. внедрена в практику революционная технология получения покрытий с низкой поверхностной энергией. В 2002 г. специалисты International Paint разработали систему антиобрастающих покрытий смешанного типа — самополирующихся с контролируемым выщелачиванием связующего.
В 2007 г. было предложено следующее поколение антиобрастающих покрытий на основе фторполимеров. В 2013 г. компания International Paint представила инновационные материалы на основе фторполимеров, которые позволяют блокировать влияние слоя слизи (бактерии и диатомовые водоросли). В результате последовательных разработок, которые описаны в статье “Противообрастающие покрытия”, были созданы и внедрены в промышленность антиобрастающие краски, не содержащие биоцидов.
