SEBF 涂層在海水系統法蘭密封面上的應用性能研究

王樹森，李曉東，史杰智

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

船舶上各種設備、裝置、系統長期處于高溫、高濕、高鹽霧的惡劣海洋環境，腐蝕相當嚴重。 材料體系匹配性引起的電偶腐蝕經常會引起船體、管路、設備故障及事故的發生，直接影響船舶的使用和安全，導致維修工程量和經費大量增加，使用壽命縮短，給船舶使用帶來隱患和風險[1]。 特別是管路及相關設備法蘭密封面連接處， 長期處于惡劣的海洋腐蝕環境，極易發生電偶腐蝕、點腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕、晶間腐蝕及雜散電流腐蝕[2]。環氧樹脂涂層是當前應用范圍最廣泛的海洋工程重防腐蝕涂料。 環氧樹脂涂層以環氧樹脂為成膜物質，添加防腐蝕填料、助劑和溶劑等制備而成，具備較強的耐腐蝕性能。另一方面，較多的環氧基團導致涂層脆性大、耐沖擊性差，從而限制了其在船舶通海系統中的應用。 而SEBFT （Super Epoxy Bond Fusion Technology），即熔結環氧涂層技術[3]，是中科院金屬所研發的金屬表面防腐技術。 SEBF涂層具有耐磨損性好、耐沖擊強度高、化學性能穩定等特點，有望顯著改善船舶通海系統長期所面臨的腐蝕問題。本文針對船舶通海系統腐蝕與防護現狀，對SEBF 涂層技術進行了介紹，研究了SEBF 涂層在海水系統法蘭密封面上的應用特性。

1 SEBF 涂層技術簡介

1.1 SEBF 粉末涂料

SEBF 粉末涂料屬于無溶劑的涂料體系，主要由環氧樹脂、填料、流平劑、固化劑、偶聯劑等組成。 環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、分布和雜質等直接影響了涂層的質量； 填料關系到涂層的耐化學腐蝕性能和抗滲透性能，是調整涂層的硬度、強度、耐磨性等而加入的無機物,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下交聯成網狀的物質， 固化反應的程度直接決定了涂層的性能， 因此選擇固化劑相當重要；偶聯劑能夠促進原料中界面的活性，增加各種原料之間，尤其是填充料與樹脂之間的結合力，雖數量少，但對涂層的性能作用顯著。

1.2 SEBF 涂裝工藝

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

SBEF 涂裝技術可應用于腐蝕環境中各種金屬構件，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 試驗樣件

根據不同應用性能試驗項目， 需要準備相應的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規格為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。

（2） SEBF 涂層法蘭密封壓力釜

試驗用法蘭密封壓力釜的設計壓力≥4.0 MPa。由于壓力較高，設計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、緊固件構成，用于密封適配性和振動密封性試驗。 試驗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 試驗方法及結果

根據實際使用中法蘭密封面相關機械性能方面的要求，考察SEBF 涂層后表面機械性能，進行了如下試驗。

3.1 表面粗糙度試驗

（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） 結果

使用粗糙度檢測儀對樣品SEBF 涂層進行表面粗糙度檢測，結果均在0.27～0.35 μm，完全滿足粗糙度≤3.2 μm 要求。 該測試結果表明，SEBF 涂層表面粗糙度遠低于法蘭面機加工時對粗糙度的要求，完全可滿足密封面粗糙度的實際需要。

3.2 平整度試驗

（1） 方法

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

（2） 結果

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

3.3 密封適配性試驗

（1） 方法

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

（2） 結果

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， 緊固件絕緣套筒一起組裝成密封結構，按要求反復拆裝10 次后，干態下絕緣電阻＞1×106Ω。

在試驗壓力為4.0 MPa，試驗時間為10 min耐壓試驗中，沒有發生壓力下降現象。 試驗后，拆開裝置檢查發現SEBF 涂層無起皺、裂紋、剝落等現象。在采用了強度較高的金屬纏繞墊片，反復拆裝后， 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后涂層表面狀態如圖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后涂層表面狀態Fig. 2 Coating Surface State after Sealing Compatibility Test for Flanges with Indents

3.4 法蘭振動密性試驗

（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構， 注入4.0 MPa 壓力淡水， 隨后固定在振動試驗臺上進行振動測試，試驗裝置振動密性試驗見圖3。 為了考察法蘭噴涂SEBF 涂層在2 種試驗條件下是否滿足振動密性要求，分別進行加速度10 m/s2，振動頻率60 Hz，振動次數3×106，以及位移振幅1 mm，振動頻率16 Hz，振動次數3×106的兩組振動試驗，要求兩組振動狀態下均無泄漏和壓降。 振動試驗后，裝置內部壓力保持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 試驗裝置振動密性試驗Fig. 3 Vibration Tightness Test for Test Device

（2） 結果

經拆卸后法蘭表面SEBF 涂層無破損和開裂，表明SEBF 涂層法蘭在苛刻振動條件下依舊能達到規定要求，振動密封性應用性能良好。說明SEBF涂層完全滿足實際應用中抗振動性能的要求。

3.5 緊固抗壓性試驗

（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構。將緊固件緊固至預緊力矩后保持5 min 后拆卸，連續30 次進行緊固試驗，試驗用螺栓為M20，分別使用80、100、120 N·m 緊固力矩值安裝各10 次。觀察試驗后涂層開裂、起皮、脫落等情況。

（2） 結果

圖4 為試驗后法蘭SEBF 涂層表面狀態。 涂層表面未發生開裂、起皮、脫落現象，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后表面狀態Fig. 4 Surface State after Sealing Compatibility Test for Flanges

3.6 充壓疲勞試驗

（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 進行常壓（4 s）→3.2 MPa（60 s）→常壓（4 s）的壓力交變試驗。典型的充壓疲勞試驗原理如圖5所示。 每100 次疲勞試驗后保壓5 min，觀察是否泄漏。每300 次對螺栓緊固程度進行檢查，如有力矩下降，則復緊后再進行試驗。 1 500 次壓力試驗后，觀察壓力是否下降，以及涂層完整、開裂、剝落、起皮情況。

圖5 充壓疲勞試驗臺架原理圖Fig. 5 Schematic Diagram for Pressurized Fatigue Test Bench

（2） 結果

充壓疲勞試驗結果表明， 每100 次疲勞試驗后保壓5 min，未發生泄漏；密封釜經1 500 次交變試驗后，也未發生泄漏，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 應用情況

SEBF 粉末涂料能達到海洋環境重腐蝕防護耐久性的效果[3]，除了它本身必須具有較好的化學穩定性外，還具備如下3 個方面的性能要求：

（1） 涂層與基體有很強的結合力。 避免涂層材料在應用過程中因環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械強度，不會受外力的作用而破裂，保持防護效果。

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

早期曾在青島海域對SEBF 涂層試件進行了2 年實海腐蝕環境下的掛片考核試驗，試樣基材采用材質為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Fig. 6 Photos of SEBF Coating Samples

目前，SEBF 涂層技術已應用在港珠澳大橋、杭州灣跨海大橋鋼管樁腐蝕防護上，表明SEBF 熔結環氧粉末涂料在海洋腐蝕環境下較常規防腐涂料具備更高的防腐性能和具有更強的防護效果。 SEBF 涂層技術在港珠澳大橋上的應用見圖7。

圖7 SEBF 涂層技術在港珠澳大橋上的應用Fig. 7 Application of SEBF Coating Technology onto Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

5 結語

本文對SEBF 涂層技術及涂裝工藝進行了介紹，研究了SEBF 涂層在海水系統法蘭密封面上的應用特性。 試驗結果表明，SEBF 涂層表面粗糙度、平整度、密封適配性、振動密性、緊固抗壓性和抗疲勞性能均滿足海水系統法蘭的實際使用要求，SEBF 涂層表面無起皺、裂紋、剝落現象，SEBF 熔結環氧粉末涂料在海洋腐蝕環境下較常規防腐涂料具備更高的防腐性能和具有更強的防護效果。