SEBF 涂层在海水系统法兰密封面上的应用性能研究

王树森，李晓东，史杰智

（1. 海装沈阳局驻鞍山地区军事代表室，辽宁 鞍山 114009；2. 中国科学院金属研究所，辽宁 沈阳 101015）

船舶上各种设备、装置、系统长期处于高温、高湿、高盐雾的恶劣海洋环境，腐蚀相当严重。 材料体系匹配性引起的电偶腐蚀经常会引起船体、管路、设备故障及事故的发生，直接影响船舶的使用和安全，导致维修工程量和经费大量增加，使用寿命缩短，给船舶使用带来隐患和风险[1]。 特别是管路及相关设备法兰密封面连接处， 长期处于恶劣的海洋腐蚀环境，极易发生电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀及杂散电流腐蚀[2]。环氧树脂涂层是当前应用范围最广泛的海洋工程重防腐蚀涂料。 环氧树脂涂层以环氧树脂为成膜物质，添加防腐蚀填料、助剂和溶剂等制备而成，具备较强的耐腐蚀性能。另一方面，较多的环氧基团导致涂层脆性大、耐冲击性差，从而限制了其在船舶通海系统中的应用。 而SEBFT （Super Epoxy Bond Fusion Technology），即熔结环氧涂层技术[3]，是中科院金属所研发的金属表面防腐技术。 SEBF涂层具有耐磨损性好、耐冲击强度高、化学性能稳定等特点，有望显著改善船舶通海系统长期所面临的腐蚀问题。本文针对船舶通海系统腐蚀与防护现状，对SEBF 涂层技术进行了介绍，研究了SEBF 涂层在海水系统法兰密封面上的应用特性。

1 SEBF 涂层技术简介

1.1 SEBF 粉末涂料

SEBF 粉末涂料属于无溶剂的涂料体系，主要由环氧树脂、填料、流平剂、固化剂、偶联剂等组成。 环氧树脂是粉末涂料的基料,为高分子的固体树脂,其分子量大小、分布和杂质等直接影响了涂层的质量； 填料关系到涂层的耐化学腐蚀性能和抗渗透性能，是调整涂层的硬度、强度、耐磨性等而加入的无机物,它也是涂料的主要原料；流平剂是增加树脂在熔融过程中的流动性， 增加涂层的平面度和减少针孔、桔皮等缺陷；固化剂是使树脂在熔融状态下交联成网状的物质， 固化反应的程度直接决定了涂层的性能， 因此选择固化剂相当重要；偶联剂能够促进原料中界面的活性，增加各种原料之间，尤其是填充料与树脂之间的结合力，虽数量少，但对涂层的性能作用显著。

1.2 SEBF 涂装工艺

用于海洋腐蚀环境下的SEBF 粉末涂料为单组份热固性熔融改性环氧粉末涂料， 采用热固涂装工艺在金属构件表面形成一层厚度均匀、 表面光洁的耐腐蚀固化膜。

SBEF 涂装技术可应用于腐蚀环境中各种金属构件，SEBF 涂装工艺流程见图1。

图1 SEBF 涂装工艺流程Fig. 1 Coating Process Flow for SEBF

2 试验样件

根据不同应用性能试验项目， 需要准备相应的SEBF 涂层法兰盘和SEBF 涂层法兰密封压力釜装置。

（1） SEBF 涂层法兰盘

样件使用普通碳钢材质规格为DN50 的法兰盘，法兰形式分别为平面和压槽法兰，密封表面采用静电喷涂熔融结合方式涂敷SEBF 涂层， 涂层厚度控制在350～600 μm。表面要求光滑、平整，无流挂、橘皮等缺陷。 用于紧固抗压性试验。

（2） SEBF 涂层法兰密封压力釜

试验用法兰密封压力釜的设计压力≥4.0 MPa。由于压力较高，设计采用压槽法兰连接方式。该装置分别由DN50 法兰、管段、阀门、压力表、金属缠绕垫片、紧固件构成，用于密封适配性和振动密封性试验。 试验前在压槽法兰盘密封面制作SEBF涂层，涂层厚度控制在350～600 μm。

3 试验方法及结果

根据实际使用中法兰密封面相关机械性能方面的要求，考察SEBF 涂层后表面机械性能，进行了如下试验。

3.1 表面粗糙度试验

（1） 方法

法兰在加工后通常要求密封加工面粗糙度≤3.2 μm。 对于采用SEBF 涂层后的表面同样要求，涂层表面粗糙度≤3.2 μm。

（2） 结果

使用粗糙度检测仪对样品SEBF 涂层进行表面粗糙度检测，结果均在0.27～0.35 μm，完全满足粗糙度≤3.2 μm 要求。 该测试结果表明，SEBF 涂层表面粗糙度远低于法兰面机加工时对粗糙度的要求，完全可满足密封面粗糙度的实际需要。

3.2 平整度试验

（1） 方法

试验方法按照GB/T 11374-2012《热喷涂涂层厚度的无损测量方法》进行，密封面涂层厚度应均匀一致，偏差要求<±0.1mm。

（2） 结果

通过对涂装后的样件表面SEBF 涂层进行厚度测量， 样品表面平面厚度误差可控制到＜±0.1 mm。由于SEBF 涂层可以进行车、磨、铣、刨机加工，如果涂层密封面有特殊要求， 可通过机械加工达到更精确的要求。 因此，法兰面制作SEBF 涂层后依然可达到平整度要求。

3.3 密封适配性试验

（1） 方法

将喷涂后法兰通过垫片和紧固件与钢质法兰、紧固件绝缘套筒一起组装成密封结构， 反复拆装10 次，观察涂层是否有起皱、裂纹、剥落等失效现象。 拆装完成后测试干态下绝缘电阻，要求干态绝缘电阻≥1×106Ω，并且在4.0 MPa 下保压10 min，观察是否有降压或泄漏现象。

（2） 结果

将喷涂SEBF 涂层后的法兰用金属缠绕垫片和紧固件与杯型管节， 紧固件绝缘套筒一起组装成密封结构，按要求反复拆装10 次后，干态下绝缘电阻＞1×106Ω。

在试验压力为4.0 MPa，试验时间为10 min耐压试验中，没有发生压力下降现象。 试验后，拆开装置检查发现SEBF 涂层无起皱、裂纹、剥落等现象。在采用了强度较高的金属缠绕垫片，反复拆装后， 密封面表面SEBF 涂层依然保持完好， 压槽法兰密封适配性试验后涂层表面状态如图2 所示。 可以看出SEBF 涂层满足法兰密封适配性要求。

图2 压槽法兰密封适配性试验后涂层表面状态Fig. 2 Coating Surface State after Sealing Compatibility Test for Flanges with Indents

3.4 法兰振动密性试验

（1） 方法

法兰喷涂SEBF 涂层后，将缠绕垫片、紧固件、钢制法兰与绝缘套筒一起组装成密封结构， 注入4.0 MPa 压力淡水， 随后固定在振动试验台上进行振动测试，试验装置振动密性试验见图3。 为了考察法兰喷涂SEBF 涂层在2 种试验条件下是否满足振动密性要求，分别进行加速度10 m/s2，振动频率60 Hz，振动次数3×106，以及位移振幅1 mm，振动频率16 Hz，振动次数3×106的两组振动试验，要求两组振动状态下均无泄漏和压降。 振动试验后，装置内部压力保持4.0 MPa 不变，观察拆卸后法兰表面SEBF 涂层破损及开裂情况。

图3 试验装置振动密性试验Fig. 3 Vibration Tightness Test for Test Device

（2） 结果

经拆卸后法兰表面SEBF 涂层无破损和开裂，表明SEBF 涂层法兰在苛刻振动条件下依旧能达到规定要求，振动密封性应用性能良好。说明SEBF涂层完全满足实际应用中抗振动性能的要求。

3.5 紧固抗压性试验

（1） 方法

将喷涂后平面和压槽法兰面通过垫片和紧固件与钢制法兰、紧固件绝缘套筒一起组装成密封结构。将紧固件紧固至预紧力矩后保持5 min 后拆卸，连续30 次进行紧固试验，试验用螺栓为M20，分别使用80、100、120 N·m 紧固力矩值安装各10 次。观察试验后涂层开裂、起皮、脱落等情况。

（2） 结果

图4 为试验后法兰SEBF 涂层表面状态。 涂层表面未发生开裂、起皮、脱落现象，且多次拆卸依旧保持完好。 表明SEBF 涂层满足法兰紧固抗压性要求。

图4 法兰密封适配性试验后表面状态Fig. 4 Surface State after Sealing Compatibility Test for Flanges

3.6 充压疲劳试验

（1） 方法

将喷涂SEBF 涂层后法兰面与紧固件、 金属缠绕垫片组成一组考核用密封釜， 采用泵站配合PLC 进行常压（4 s）→3.2 MPa（60 s）→常压（4 s）的压力交变试验。典型的充压疲劳试验原理如图5所示。 每100 次疲劳试验后保压5 min，观察是否泄漏。每300 次对螺栓紧固程度进行检查，如有力矩下降，则复紧后再进行试验。 1 500 次压力试验后，观察压力是否下降，以及涂层完整、开裂、剥落、起皮情况。

图5 充压疲劳试验台架原理图Fig. 5 Schematic Diagram for Pressurized Fatigue Test Bench

（2） 结果

充压疲劳试验结果表明， 每100 次疲劳试验后保压5 min，未发生泄漏；密封釜经1 500 次交变试验后，也未发生泄漏，且涂层完整、无开裂、无剥落、无起皮。 这表明SEBF 涂层可满足法兰抗疲劳性能要求。

4 应用情况

SEBF 粉末涂料能达到海洋环境重腐蚀防护耐久性的效果[3]，除了它本身必须具有较好的化学稳定性外，还具备如下3 个方面的性能要求：

（1） 涂层与基体有很强的结合力。 避免涂层材料在应用过程中因环境因素的侵入而剥落，使基体暴露而被腐蚀。

（2） 涂层本身具有一定的机械强度，不会受外力的作用而破裂，保持防护效果。

（3） 涂层具有较强的抗渗透能力，一些活性介质（如O2、Cl-、H2O、SO42-等）不容易扩散到基材与涂层的界面处，使基材得到有效的防护。

早期曾在青岛海域对SEBF 涂层试件进行了2 年实海腐蚀环境下的挂片考核试验，试样基材采用材质为Q235 钢，2 年后去除挂片表面的海生物，SEBF 涂层试样照片见图6。 由图6 可以看出，SEBF 涂层依然完好。

图6 SEBF 涂层试样照片Fig. 6 Photos of SEBF Coating Samples

目前，SEBF 涂层技术已应用在港珠澳大桥、杭州湾跨海大桥钢管桩腐蚀防护上，表明SEBF 熔结环氧粉末涂料在海洋腐蚀环境下较常规防腐涂料具备更高的防腐性能和具有更强的防护效果。 SEBF 涂层技术在港珠澳大桥上的应用见图7。

图7 SEBF 涂层技术在港珠澳大桥上的应用Fig. 7 Application of SEBF Coating Technology onto Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

5 结语

本文对SEBF 涂层技术及涂装工艺进行了介绍，研究了SEBF 涂层在海水系统法兰密封面上的应用特性。 试验结果表明，SEBF 涂层表面粗糙度、平整度、密封适配性、振动密性、紧固抗压性和抗疲劳性能均满足海水系统法兰的实际使用要求，SEBF 涂层表面无起皱、裂纹、剥落现象，SEBF 熔结环氧粉末涂料在海洋腐蚀环境下较常规防腐涂料具备更高的防腐性能和具有更强的防护效果。