Seawater exposure and galvanic corrosion effects on Ohio replacement submarines propeller shaft materials

Naval components in general are exposed to heavy-duty life cycles because of both the mechanical stresses they are exposed to and the environment surrounding them. In fact, despite the great effort spent by engineers from different fields during the last century, naval structures such as ships, offshore platforms, pipelines and submarines are still subjected to failures due to the combined effect of the in-service loads and the service environment. One of the main problems concerning the design phase of such structures is the experimental procedure required to understand how a certain component will actually behave, when laid open to the natural ocean environment. Indeed, laboratory tests are often difficult to prepare and, most of all, it is a great challenge, because of the abundant number of parameters involved, being able to reproduce the actual conditions that a given component will have to go through during its service life. The thesis work is concerned with the study of a peculiar degradation phenomenon that concerns a vital component in US Navy submarines: the corrosion fatigue process on the Ohio class submarines main propeller shaft. More particularly, the focus is placed on the galvanic coupling induced issues that can worsen the corrosion fatigue mechanism. During the study, different tests have been performed aimed at understanding how pitting corrosion can lead to the formation of crack precursors that, by creating local stress concentration, are able to induce corrosion fatigue cracks nucleation. Particularly, a substantial number of electrochemical tests have been performed on the different materials exploited in the shafting system in order to understand the single materials corrosion behaviour in aerated seawater and the effect of galvanic couple formations on the overall degradation rate of the main propeller shaft. The results from mechanical and electrochemical tests headed to a better comprehension of the degradation phenomenon on such components and will allow to improve a predictive model, which is currently being developed, whose purpose is that of helping the US Navy in determining whether or not the scheduled maintenance interval for OR propeller shafts can be extended from six to twelve years.

La durabilità e l'affidabilità di diversi componenti sta guadagnando sempre più importanza, anche a causa della moderna tendenza a promuovere, al fine di minimizzare il più possibile i costi di produzione o di sostituzione, un impiego a lungo termine per molti componenti industriali. La durata di un certo elemento è un fattore chiave quando è legata a sistemi complessi che si prevede rimangano in servizio per lunghi periodi e che rappresentano un onere economico significativo per l'azienda che li produce. Inoltre, l'affidabilità di un elemento diventa ancora più importante nelle applicazioni in cui la sicurezza complessiva della struttura, o le condizioni di lavoro complessive, dipendono fortemente dalla funzionalità di un unico componente, il cui fallimento può provocare un collasso catastrofico della struttura o di un improvviso arresto del sistema. Questo è il caso di componenti meccanici come gli alberi di trasmissione e, specificamente, l'affidabilità di tali componenti e il loro impatto economico diventano molto importanti quando si tratta di alberi di propulsione navali o appartenenti a sottomarini. I componenti navali in generale sono esposti a cicli di vita onerosi a causa sia delle sollecitazioni meccaniche a cui sono esposti sia dell'ambiente che li circonda. Infatti, nonostante il grande sforzo speso da ingegneri provenienti da diversi settori nel corso dell'ultimo secolo, strutture navali quali navi, piattaforme off-shore, gasdotti e sottomarini sono ancora soggette a guasti dovuti all'effetto combinato dei carichi e dell'ambiente di servizio. Uno dei principali problemi riguardanti la fase di progettazione di tali strutture è la procedura sperimentale necessaria per capire come un certo componente possa effettivamente comportarsi, quando esposto all'ambiente marino naturale. Infatti, effettuare prove in grado di riprodurre le condizioni reali che un dato componente dovrà affrontare durante la sua vita di servizio, rimane una grande sfida a causa del numero abbondante di parametri coinvolti. Il lavoro di tesi riguarda lo studio di un fenomeno di degrado che interessa un componente essenziale nei sottomarini della US Navy: il processo di corrosione fatica sull’albero di trasmissione di sottomarini appartenenti alla classe Ohio Replacement. Più in particolare, l'attenzione è rivolta verso problemi indotti dall’accoppiamento galvanico dovuto alla presenza di materiali aventi diverso comportamento elettrochimico. Infatti, l’insorgere della formazione di coppie galvaniche durante l’utilizzo del componente può rendere ancora più aggressivo il processo di degrado per corrosion-fatigue. Durante lo studio, sono state eseguite diverse prove volte a comprendere come la corrosione localizzata può portare alla formazione di crack precursors che, creando concentrazione di sforzi locale, sono in grado di indurre nucleazione di cricche microscopiche che poi si evolveranno in cricche di corrosion-fatigue. In particolare, un numero considerevole di test elettrochimici è stato eseguito sui diversi materiali sfruttati nel sistema di propulsione per comprendere il comportamento delle leghe in acqua di mare aerata e l'effetto della formazione di coppie galvaniche sulla velocità di degrado complessivo dell'albero di trasmissione. Dal punto di vista meccanico, il degrado dell'albero, caratterizzato da un comportamento delle cricche particolare, ha dimostrato di non essere dipendente da discontinuità microstrutturali o di proprietà meccaniche del materiale. Studi futuri saranno svolti attraverso simulazioni di stress pattern volte a capire se il comportamento osservato è dovuta ad una particolare configurazione di stress indotta dal processo di degrado nelle condizioni di servizio. COMSOL Multiphysics è stato sfruttato per ottenere modelli riguardanti la relazione tra la propagazione delle cricche e il segnale DCPD (Direct Current Potential Drop) e per effettuare simulazioni di prove elettrochimiche di immersione. Il modello di propagazione delle cricche ha permesso di ottenere una migliore comprensione del segnale DCPD acquisito durante le prove di fatica e di trasformarlo in una misura della lunghezza della cricca stessa. I risultati di queste simulazioni rappresentano una base per il lavoro futuro che verrà eseguito usando la tecnica ACPD (Alternate Current Potential Drop) come strumento di rilevamento cricche. Il modello di immersione e il confronto con prove di immersione e di polarizzazione sono stati in grado di dimostrare la legittimità dell'utilizzo di tali simulazioni per ottenere una prima approssimazione sulla previsione del comportamento di diverse leghe in condizioni di accoppiamento galvanico in acqua di mare aerata. Le prove di immersione sono state dimostrate essere un valido mezzo attraverso il quale è possibile riprodurre la corrosione localizzata osservata sull'albero di dimensioni reali; il lavoro futuro si occuperà della produzione di repliche aventi dimensioni maggiori e geometria più accurata, in modo da essere il più possibile rappresentativi della reale giunzione albero-manica. Infine, lo studio esteso del comportamento elettrochimico dei diversi materiali ha consentito di ottenere una migliore comprensione dei problemi di corrosione che possono verificarsi nel sistema di propulsione in caso di guasto al rivestimento GRP in diverse zone. Le principali conclusioni che si possono trarre sono: l’acciaio Class I ha un comportamento attivo in acqua di mare aerata. Le leghe Inconel 625 e CuNi 70/30 mostrano buona resistenza alla corrosione in acqua di mare aerata ed entrambe si passivano quando esposte all'ambiente. Entrambe le leghe utilizzate per le maniche presentano nobiltà sostanzialmente superiore rispetto all'acciaio Class I; questo porta alla formazione di coppie galvaniche che promuovono un processo di degrado accelerato in prossimità delle estremità delle maniche causato dalla corrosione galvanica. Il materiale di rivestimento proposto, la lega FeCrSi, mostra un comportamento passivo in acqua di mare e resistenza alla corrosione molto superiore a quella dell'acciaio Classe I. Il potenziale di corrosione della lega FeCrSi è superiore a quello del materiale dell'albero; questo significa che, se il rivestimento FeCrSi è perforato a causa del pitting, il materiale dell'albero sarà sottoposto ad una forma molto localizzata di corrosione galvanica in prossimità dei pit in grado di perforare completamente il cladding. Tuttavia, Le prove di corrosione per contatto galvanico effettuate sulle leghe In 625 e FeCrSi dimostrano che la corrente che circola tra le due leghe assume valori praticamente trascurabili, dell’ordine delle correnti di passività per i due materiali. Ciò significa che, fino a che i materiali sono entrambi passivi, la combinazione del cladding FeCrSi e della lega di nickel 625 potrebbe effettivamente rappresentare una buona soluzione in termini di protezione dell'albero dalla corrosione localizzata in prossimità dei difetti del rivestimento polimerico. D’altra parte, se il rivestimento FeCrSi fosse perforato a causa del pitting, il materiale dell'albero (acciaio class I, meno nobile sia della lega di nichel o di rame sia della lega FeCrSi, sarebbe sottoposto ad una forma localizzata di corrosione galvanica in prossimità dei pit. I risultati delle prove meccaniche ed elettrochimiche, diretti ad una migliore comprensione del fenomeno di degradazione su tali componenti, consentiranno di migliorare un modello predittivo, che è attualmente in fase di sviluppo, il cui scopo è quello di aiutare la US Navy nel determinare se l’estensione prevista per l’intervallo di manutenzione degli alberi di trasmissione OR da sei a dodici anni può effettivamente essere messa in atto o se ulteriori modifiche riguardanti i materiali o il design del sistema di propulsione saranno necessari per raggiungere tale traguardo.