SEBF 涂層在海水系統(tǒng)法蘭密封面上的應(yīng)用性能研究

王樹森，李曉東，史杰智

（1. 海裝沈陽局駐鞍山地區(qū)軍事代表室，遼寧 鞍山 114009；2. 中國科學(xué)院金屬研究所，遼寧 沈陽 101015）

船舶上各種設(shè)備、裝置、系統(tǒng)長期處于高溫、高濕、高鹽霧的惡劣海洋環(huán)境，腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。 材料體系匹配性引起的電偶腐蝕經(jīng)常會(huì)引起船體、管路、設(shè)備故障及事故的發(fā)生，直接影響船舶的使用和安全，導(dǎo)致維修工程量和經(jīng)費(fèi)大量增加，使用壽命縮短，給船舶使用帶來隱患和風(fēng)險(xiǎn)[1]。 特別是管路及相關(guān)設(shè)備法蘭密封面連接處， 長期處于惡劣的海洋腐蝕環(huán)境，極易發(fā)生電偶腐蝕、點(diǎn)腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、晶間腐蝕及雜散電流腐蝕[2]。環(huán)氧樹脂涂層是當(dāng)前應(yīng)用范圍最廣泛的海洋工程重防腐蝕涂料。 環(huán)氧樹脂涂層以環(huán)氧樹脂為成膜物質(zhì)，添加防腐蝕填料、助劑和溶劑等制備而成，具備較強(qiáng)的耐腐蝕性能。另一方面，較多的環(huán)氧基團(tuán)導(dǎo)致涂層脆性大、耐沖擊性差，從而限制了其在船舶通海系統(tǒng)中的應(yīng)用。 而SEBFT （Super Epoxy Bond Fusion Technology），即熔結(jié)環(huán)氧涂層技術(shù)[3]，是中科院金屬所研發(fā)的金屬表面防腐技術(shù)。 SEBF涂層具有耐磨損性好、耐沖擊強(qiáng)度高、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，有望顯著改善船舶通海系統(tǒng)長期所面臨的腐蝕問題。本文針對(duì)船舶通海系統(tǒng)腐蝕與防護(hù)現(xiàn)狀，對(duì)SEBF 涂層技術(shù)進(jìn)行了介紹，研究了SEBF 涂層在海水系統(tǒng)法蘭密封面上的應(yīng)用特性。

1 SEBF 涂層技術(shù)簡介

1.1 SEBF 粉末涂料

SEBF 粉末涂料屬于無溶劑的涂料體系，主要由環(huán)氧樹脂、填料、流平劑、固化劑、偶聯(lián)劑等組成。 環(huán)氧樹脂是粉末涂料的基料,為高分子的固體樹脂,其分子量大小、分布和雜質(zhì)等直接影響了涂層的質(zhì)量； 填料關(guān)系到涂層的耐化學(xué)腐蝕性能和抗?jié)B透性能，是調(diào)整涂層的硬度、強(qiáng)度、耐磨性等而加入的無機(jī)物,它也是涂料的主要原料；流平劑是增加樹脂在熔融過程中的流動(dòng)性， 增加涂層的平面度和減少針孔、桔皮等缺陷；固化劑是使樹脂在熔融狀態(tài)下交聯(lián)成網(wǎng)狀的物質(zhì)， 固化反應(yīng)的程度直接決定了涂層的性能， 因此選擇固化劑相當(dāng)重要；偶聯(lián)劑能夠促進(jìn)原料中界面的活性，增加各種原料之間，尤其是填充料與樹脂之間的結(jié)合力，雖數(shù)量少，但對(duì)涂層的性能作用顯著。

1.2 SEBF 涂裝工藝

用于海洋腐蝕環(huán)境下的SEBF 粉末涂料為單組份熱固性熔融改性環(huán)氧粉末涂料， 采用熱固涂裝工藝在金屬構(gòu)件表面形成一層厚度均勻、 表面光潔的耐腐蝕固化膜。

SBEF 涂裝技術(shù)可應(yīng)用于腐蝕環(huán)境中各種金屬構(gòu)件，SEBF 涂裝工藝流程見圖1。

圖1 SEBF 涂裝工藝流程Fig. 1 Coating Process Flow for SEBF

2 試驗(yàn)樣件

根據(jù)不同應(yīng)用性能試驗(yàn)項(xiàng)目， 需要準(zhǔn)備相應(yīng)的SEBF 涂層法蘭盤和SEBF 涂層法蘭密封壓力釜裝置。

（1） SEBF 涂層法蘭盤

樣件使用普通碳鋼材質(zhì)規(guī)格為DN50 的法蘭盤，法蘭形式分別為平面和壓槽法蘭，密封表面采用靜電噴涂熔融結(jié)合方式涂敷SEBF 涂層， 涂層厚度控制在350～600 μm。表面要求光滑、平整，無流掛、橘皮等缺陷。 用于緊固抗壓性試驗(yàn)。

（2） SEBF 涂層法蘭密封壓力釜

試驗(yàn)用法蘭密封壓力釜的設(shè)計(jì)壓力≥4.0 MPa。由于壓力較高，設(shè)計(jì)采用壓槽法蘭連接方式。該裝置分別由DN50 法蘭、管段、閥門、壓力表、金屬纏繞墊片、緊固件構(gòu)成，用于密封適配性和振動(dòng)密封性試驗(yàn)。 試驗(yàn)前在壓槽法蘭盤密封面制作SEBF涂層，涂層厚度控制在350～600 μm。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

根據(jù)實(shí)際使用中法蘭密封面相關(guān)機(jī)械性能方面的要求，考察SEBF 涂層后表面機(jī)械性能，進(jìn)行了如下試驗(yàn)。

3.1 表面粗糙度試驗(yàn)

（1） 方法

法蘭在加工后通常要求密封加工面粗糙度≤3.2 μm。 對(duì)于采用SEBF 涂層后的表面同樣要求，涂層表面粗糙度≤3.2 μm。

（2） 結(jié)果

使用粗糙度檢測儀對(duì)樣品SEBF 涂層進(jìn)行表面粗糙度檢測，結(jié)果均在0.27～0.35 μm，完全滿足粗糙度≤3.2 μm 要求。 該測試結(jié)果表明，SEBF 涂層表面粗糙度遠(yuǎn)低于法蘭面機(jī)加工時(shí)對(duì)粗糙度的要求，完全可滿足密封面粗糙度的實(shí)際需要。

3.2 平整度試驗(yàn)

（1） 方法

試驗(yàn)方法按照GB/T 11374-2012《熱噴涂涂層厚度的無損測量方法》進(jìn)行，密封面涂層厚度應(yīng)均勻一致，偏差要求<±0.1mm。

（2） 結(jié)果

通過對(duì)涂裝后的樣件表面SEBF 涂層進(jìn)行厚度測量， 樣品表面平面厚度誤差可控制到＜±0.1 mm。由于SEBF 涂層可以進(jìn)行車、磨、銑、刨機(jī)加工，如果涂層密封面有特殊要求， 可通過機(jī)械加工達(dá)到更精確的要求。 因此，法蘭面制作SEBF 涂層后依然可達(dá)到平整度要求。

3.3 密封適配性試驗(yàn)

（1） 方法

將噴涂后法蘭通過墊片和緊固件與鋼質(zhì)法蘭、緊固件絕緣套筒一起組裝成密封結(jié)構(gòu)， 反復(fù)拆裝10 次，觀察涂層是否有起皺、裂紋、剝落等失效現(xiàn)象。 拆裝完成后測試干態(tài)下絕緣電阻，要求干態(tài)絕緣電阻≥1×106Ω，并且在4.0 MPa 下保壓10 min，觀察是否有降壓或泄漏現(xiàn)象。

（2） 結(jié)果

將噴涂SEBF 涂層后的法蘭用金屬纏繞墊片和緊固件與杯型管節(jié)， 緊固件絕緣套筒一起組裝成密封結(jié)構(gòu)，按要求反復(fù)拆裝10 次后，干態(tài)下絕緣電阻＞1×106Ω。

在試驗(yàn)壓力為4.0 MPa，試驗(yàn)時(shí)間為10 min耐壓試驗(yàn)中，沒有發(fā)生壓力下降現(xiàn)象。 試驗(yàn)后，拆開裝置檢查發(fā)現(xiàn)SEBF 涂層無起皺、裂紋、剝落等現(xiàn)象。在采用了強(qiáng)度較高的金屬纏繞墊片，反復(fù)拆裝后， 密封面表面SEBF 涂層依然保持完好， 壓槽法蘭密封適配性試驗(yàn)后涂層表面狀態(tài)如圖2 所示。 可以看出SEBF 涂層滿足法蘭密封適配性要求。

圖2 壓槽法蘭密封適配性試驗(yàn)后涂層表面狀態(tài)Fig. 2 Coating Surface State after Sealing Compatibility Test for Flanges with Indents

3.4 法蘭振動(dòng)密性試驗(yàn)

（1） 方法

法蘭噴涂SEBF 涂層后，將纏繞墊片、緊固件、鋼制法蘭與絕緣套筒一起組裝成密封結(jié)構(gòu)， 注入4.0 MPa 壓力淡水， 隨后固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)測試，試驗(yàn)裝置振動(dòng)密性試驗(yàn)見圖3。 為了考察法蘭噴涂SEBF 涂層在2 種試驗(yàn)條件下是否滿足振動(dòng)密性要求，分別進(jìn)行加速度10 m/s2，振動(dòng)頻率60 Hz，振動(dòng)次數(shù)3×106，以及位移振幅1 mm，振動(dòng)頻率16 Hz，振動(dòng)次數(shù)3×106的兩組振動(dòng)試驗(yàn)，要求兩組振動(dòng)狀態(tài)下均無泄漏和壓降。 振動(dòng)試驗(yàn)后，裝置內(nèi)部壓力保持4.0 MPa 不變，觀察拆卸后法蘭表面SEBF 涂層破損及開裂情況。

圖3 試驗(yàn)裝置振動(dòng)密性試驗(yàn)Fig. 3 Vibration Tightness Test for Test Device

（2） 結(jié)果

經(jīng)拆卸后法蘭表面SEBF 涂層無破損和開裂，表明SEBF 涂層法蘭在苛刻振動(dòng)條件下依舊能達(dá)到規(guī)定要求，振動(dòng)密封性應(yīng)用性能良好。說明SEBF涂層完全滿足實(shí)際應(yīng)用中抗振動(dòng)性能的要求。

3.5 緊固抗壓性試驗(yàn)

（1） 方法

將噴涂后平面和壓槽法蘭面通過墊片和緊固件與鋼制法蘭、緊固件絕緣套筒一起組裝成密封結(jié)構(gòu)。將緊固件緊固至預(yù)緊力矩后保持5 min 后拆卸，連續(xù)30 次進(jìn)行緊固試驗(yàn)，試驗(yàn)用螺栓為M20，分別使用80、100、120 N·m 緊固力矩值安裝各10 次。觀察試驗(yàn)后涂層開裂、起皮、脫落等情況。

（2） 結(jié)果

圖4 為試驗(yàn)后法蘭SEBF 涂層表面狀態(tài)。 涂層表面未發(fā)生開裂、起皮、脫落現(xiàn)象，且多次拆卸依舊保持完好。 表明SEBF 涂層滿足法蘭緊固抗壓性要求。

圖4 法蘭密封適配性試驗(yàn)后表面狀態(tài)Fig. 4 Surface State after Sealing Compatibility Test for Flanges

3.6 充壓疲勞試驗(yàn)

（1） 方法

將噴涂SEBF 涂層后法蘭面與緊固件、 金屬纏繞墊片組成一組考核用密封釜， 采用泵站配合PLC 進(jìn)行常壓（4 s）→3.2 MPa（60 s）→常壓（4 s）的壓力交變?cè)囼?yàn)。典型的充壓疲勞試驗(yàn)原理如圖5所示。 每100 次疲勞試驗(yàn)后保壓5 min，觀察是否泄漏。每300 次對(duì)螺栓緊固程度進(jìn)行檢查，如有力矩下降，則復(fù)緊后再進(jìn)行試驗(yàn)。 1 500 次壓力試驗(yàn)后，觀察壓力是否下降，以及涂層完整、開裂、剝落、起皮情況。

圖5 充壓疲勞試驗(yàn)臺(tái)架原理圖Fig. 5 Schematic Diagram for Pressurized Fatigue Test Bench

（2） 結(jié)果

充壓疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明， 每100 次疲勞試驗(yàn)后保壓5 min，未發(fā)生泄漏；密封釜經(jīng)1 500 次交變?cè)囼?yàn)后，也未發(fā)生泄漏，且涂層完整、無開裂、無剝落、無起皮。 這表明SEBF 涂層可滿足法蘭抗疲勞性能要求。

4 應(yīng)用情況

SEBF 粉末涂料能達(dá)到海洋環(huán)境重腐蝕防護(hù)耐久性的效果[3]，除了它本身必須具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性外，還具備如下3 個(gè)方面的性能要求：

（1） 涂層與基體有很強(qiáng)的結(jié)合力。 避免涂層材料在應(yīng)用過程中因環(huán)境因素的侵入而剝落，使基體暴露而被腐蝕。

（2） 涂層本身具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不會(huì)受外力的作用而破裂，保持防護(hù)效果。

（3） 涂層具有較強(qiáng)的抗?jié)B透能力，一些活性介質(zhì)（如O2、Cl-、H2O、SO42-等）不容易擴(kuò)散到基材與涂層的界面處，使基材得到有效的防護(hù)。

早期曾在青島海域?qū)EBF 涂層試件進(jìn)行了2 年實(shí)海腐蝕環(huán)境下的掛片考核試驗(yàn)，試樣基材采用材質(zhì)為Q235 鋼，2 年后去除掛片表面的海生物，SEBF 涂層試樣照片見圖6。 由圖6 可以看出，SEBF 涂層依然完好。

圖6 SEBF 涂層試樣照片F(xiàn)ig. 6 Photos of SEBF Coating Samples

目前，SEBF 涂層技術(shù)已應(yīng)用在港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋鋼管樁腐蝕防護(hù)上，表明SEBF 熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料在海洋腐蝕環(huán)境下較常規(guī)防腐涂料具備更高的防腐性能和具有更強(qiáng)的防護(hù)效果。 SEBF 涂層技術(shù)在港珠澳大橋上的應(yīng)用見圖7。

圖7 SEBF 涂層技術(shù)在港珠澳大橋上的應(yīng)用Fig. 7 Application of SEBF Coating Technology onto Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

5 結(jié)語

本文對(duì)SEBF 涂層技術(shù)及涂裝工藝進(jìn)行了介紹，研究了SEBF 涂層在海水系統(tǒng)法蘭密封面上的應(yīng)用特性。 試驗(yàn)結(jié)果表明，SEBF 涂層表面粗糙度、平整度、密封適配性、振動(dòng)密性、緊固抗壓性和抗疲勞性能均滿足海水系統(tǒng)法蘭的實(shí)際使用要求，SEBF 涂層表面無起皺、裂紋、剝落現(xiàn)象，SEBF 熔結(jié)環(huán)氧粉末涂料在海洋腐蝕環(huán)境下較常規(guī)防腐涂料具備更高的防腐性能和具有更強(qiáng)的防護(hù)效果。