酚醛環氧涂料在核電汽輪機油系統中的應用研究

李全德，倪榮，孟惠民，龔顯龍，戴君，同培茹

（1.東方汽輪機有限公司長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000；2.北京科技大學新材料技術研究院，北京，100083）

酚醛環氧涂料在核電汽輪機油系統中的應用研究

李全德1,2，倪榮1，孟惠民2，龔顯龍1，戴君1，同培茹1

（1.東方汽輪機有限公司長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000；2.北京科技大學新材料技術研究院，北京，100083）

針對不同粗糙度基材、不同厚度條件下核電油系統涂層進行附著力、耐水性、耐油性、耐高低溫沖擊試驗并結合涂層電化學阻抗數據，研究了酚醛環氧涂料的防護性能。結果表明：兩種涂層體系在試驗初期均能提供良好的附著力，隨基材粗糙度提高，涂層的防護壽命增加，酚醛環氧體系具有更加優良的防護壽命。

酚醛環氧，附著力，阻抗

0 引言

能源是工業、國防和科技發展的物質基礎。核電作為一種安全、經濟的清潔能源，已成為經濟發展的重要組成部分。核電站的任何工業安全事故不僅會導致直接的經濟損失，更有其難以估量的間接損失甚至是政治影響。因此，核電站在工程設計上，應使電站的工業危害事故風險降低到合理、可行、盡可能低的水平。

核電站汽輪機作為常規島部分，負責完成熱能到機械能的最終轉變，油系統給汽輪發電機的支持軸承、推力軸承系統提供清潔、溫度適宜、特定壓力的潤滑油。油系統的正常運行對核電機組安全可靠運行是至關重要的[1]。為保證油系統的清潔，目前主要采用油接觸面涂裝防銹涂層的做法。

本文選取酚醛環氧涂料與環氧+聚氨酯體系進行研究，以研究酚醛涂料在核電汽輪機油系統使用中的安全性，通過對不同體系的附著力、耐水性、耐油性、耐高低溫沖擊、電化學阻抗等性能進行模擬研究。

1 試樣制備及試驗方法

1.1 試樣制備

涂層體系基材采用Q235B鋼板，分別采用拋光+打磨、噴砂處理，獲得表面粗糙度分別為Rz15～25 μm、Rz50～75 μm、Rz100～130 μm的基材試板，并分別噴涂制備（200±20）μm、（300±20）μm、（400±20）μm、（500±20）μm、（600±20）μm厚的涂層體系。所有試樣均在室溫（23±2）℃、相對濕度50%±5%的環境下養護10 d后，進行各項性能測試。每塊試樣設置3塊平行試樣，附著力測試結果取其平均值。

1.2 試驗方法

附著力試驗采用液壓式自動對中拉拔儀，采用單組份膠粘劑將涂層與試柱進行連接，膠粘劑固化24 h后進行附著力測試，記錄方式見表1。

表1 破壞類型及記錄方式

耐鹽水性試驗采用分析純NaCl和去離子水配置5%NaCl的溶液，置于室溫下持續浸泡30天。

耐溫變性試驗在高低溫試驗箱中進行，選取-10℃（8 h）+40℃（16 h）為一個周期，連續循環30個周期。

耐透平油試驗采用90℃的透平油持續加熱30 d，試驗結束后采用無水乙醇清除表面油污，進行附著力測試。

電化學試驗采用P4000電化學測試系統進行，采用三電極體進行EIS測試。參比電極為飽和甘汞電極，涂層試樣為工作電極，電解質溶液為去離子水配制的3.5%（wt）的NaCl溶液，測試溫度25℃。測試頻率105～10-2Hz，正弦波激勵信號振幅為20 mV。

2 結果分析

2.1 附著力測試

圖1 基材粗糙度Rz15～25 μm酚醛環氧體系

由圖1（a）可知，涂層體系的附著力隨體系厚度的增加，出現了小幅升高，在涂層體系厚度達到500 μm時附著力出現最大值；當涂層厚度達到600 μm時附著力即出現下降。涂層拉脫試驗中的破壞形式，見圖1（b），出現了隨厚度增加，涂層與基材之間的斷裂形式（A/B）不斷減少（即由40%遞減至消失），涂層層間斷裂破壞形式（B）呈現不斷增加的現象（由28%增加至69%），層間斷裂的增加應該是由于涂層體系厚度增大，涂層體系的內應力不斷增大的結果。

圖2 基材粗糙度Rz50～75 μm酚醛環氧體系

圖2（a）中當基材試樣表面的粗糙度增大時，涂層附著力小幅下降，但涂層從基材脫落的形態消失（見圖2（b）），涂層內部斷裂形式隨厚度的增加由35%（200 μm時）增至60%（500 μm時）；在涂層體系各厚度下粘結劑與涂層體系間斷裂形式比例均維持在40%以上（見圖2（b）），這也說明基材表面粗糙度的增加增強了涂層與基材之間的結合力、厚度的增加導致涂層內應力出現了增加。

隨著基材表面粗糙度的進一步增加，涂層附著力有小幅度升高（見圖3（a）），涂層體系的厚度增加導致涂層體系內應力的增加，主要表現為:當涂層體系厚度增加到400 μm后，涂層斷裂失效形式中從基材脫落形式（A/B）消失。但在粗糙度較高的情況下，涂層從基材斷裂（約23%），見圖3（b），可能是由于基材粗糙度升高導致涂層有效厚度降低而引發上述現象。

圖3 基材粗糙度Rz100～130 μm酚醛環氧體系

環氧聚氨酯體系拉脫強度在11.5～13.16 MPa之間，見圖4（a），表現出良好的附著力。但從拉脫斷裂形式看，在體系主要從第一層與第二層的層間（B/C）發生失效（面積占比75%～96%），見圖4（b），這表明涂層材料本身的結合力相對涂層體系的結合力更好，層間結合部位為該涂層體系較為薄弱的地方，在服役過程中易于從涂層層間結合處失效。

圖4 基材粗糙度Rz50～75 μm環氧聚氨酯體系

2.2 耐鹽溶液測試

對不同粗糙度試板的耐鹽水性，選取具有涂層體系的典型厚度（（300±20）μm）的試板進行測試。

試驗結束后，試樣表面未見腐蝕、異物、起泡等劣化現象，各體系附著力未見明顯下降，但粗糙度為15～25 μm試板涂層體系斷裂時出現基材+層間斷裂形式（A/B+B）由55%（見圖1（b））升高至93%（見圖5（b））；而同等條件下50～75 μm試板涂層體系由21%（見圖2（b））升高至70%（見圖5（b）），100～130 μm試板由17%（見圖3（b））升高至70%（見圖5（b））。

圖5 酚醛環氧體系耐鹽水

同時，與未試驗涂層體系相比，被試涂層體系從基材斷裂形式開始增加，且出現基材表面粗糙度越高涂層從基材表面脫落越少的趨勢，這說明，介質浸泡降低了涂層體系的防護效果，涂層體系基材粗糙度越高，涂層防護效果越好。

環氧聚氨酯體系在耐鹽水介質試驗后，試板涂層斷裂形式中未見從基材斷裂的形式（A/B），底漆內部斷裂+涂層層間斷裂形式（B+B/C）為100%（見圖6（b）），底漆的性能出現劣化導致了上述現象的發生，但對比圖6（a）與圖4（a）可知，底漆性能的劣化尚未導致涂層體系結合力的下降，故此可以判斷此時涂層體系仍處于失效的初級階段。

圖6 環氧聚氨酯體系耐鹽水

2.3 耐高溫透平油試驗

在經90℃透平油介質中持續試驗后，涂層試樣的表面附著力未出現下降（見圖7（a）），但拉脫試樣斷裂時的脫落形式出現了明顯的區別（見圖7（b）），粗糙度較低基材表面的涂層出現了試樣與基材之間100%的脫落，隨試樣表面粗糙度的增加，涂層層間脫落形態開始增加，由3%增加至5%，這說明在服役條件下，基材良好的前處理能為涂層體系提供良好的附著力，繼而為被保護金屬基材提供更好的防護效果。同時，應當指出，在經過上述處理后，涂層與基材的斷裂形式的變化可能是由于涂層與基材在受熱后不同的膨脹系數導致二者結合力的降低，因此該涂層應避免在過高溫度下使用。

圖7 酚醛環氧體系高溫透平油

環氧聚氨酯體系在高溫透平油試驗后，涂層體系附著強度出現了大幅度下降，特別是粗糙度較低的表面下降86%、較高粗糙度的情況下也下降約50%，斷裂時涂層表面100%從基材直接脫落，圖8（a）、圖8（b），涂層附著力出現嚴重劣化。由此可見，該型涂料在施工初期對工件表面的粗糙度表現的要求不高，在較低粗糙度情況下也能獲得較好的附著力（圖4（a）），但隨服役壽命的不斷延長，表面處理情況較差的（粗糙度低）體系中，涂層的防護效果（表現為附著力）出現嚴重下降（見圖8），而對比粗糙度較高的體系（兩種粗糙度），兩種粗糙度試板涂層出現涂層劣化程度接近（見圖8（a））。同時上述現象也說明，適當的基材粗糙度即可維持涂層的附著力，單純的增加涂層粗糙度并不能提高涂層的使用壽命，反而會導致涂層使用過程中對材料的浪費。

圖8 環氧聚氨酯體系耐高溫透平油

2.4 冷熱交替試驗

酚醛涂層體系在冷熱交替試驗后附著力未見明顯變化，附著強度仍維持在12 MPa以上，見圖9（a），但涂層體系在拉脫試驗中，隨基材表面粗糙度的增加，試樣表面涂層內部斷裂失效不斷減少，見圖9（b），即涂層體系與基材之間的附著力隨基材粗糙度的增加在不斷增加。

圖9 酚醛環氧體系冷熱交替

環氧聚氨酯體系在冷熱交替試驗后體系附著力出現了明顯下降，約20%，見圖10（a）。涂層體系的斷裂形式也發生了較大變化，見圖10（b），即全為涂層體系第一道涂層內部破壞，表面該涂層體系在冷熱交替環境中，第一道涂層出現了強度下降的情況，導致涂層體系強度下降，進而可影響到涂層的實際防護效果。

圖10 環氧聚氨酯體系冷熱交替試驗結果

2.5 交流阻抗測試

浸泡試驗結束后，試樣表面未見銹蝕起泡等劣化現象，酚醛環氧體系未浸泡時阻抗模值在4.462×1010Ω·cm2（圖11（a）），環氧聚氨酯體系同等條件下的阻抗模值6.413×109Ω·cm2（圖11（b）），兩種涂層體系的模值均在108Ω·cm2以上。浸泡試驗結束后，酚醛環氧體系阻抗模值為4.157×1010Ω·cm2（圖11（c）），環氧聚氨酯體系同等條件下的阻抗模值為4.161×109Ω·cm2（圖11（d）），兩種涂層在短期浸泡后均能提供良好的防護性能，但酚醛環氧體系在浸泡后阻抗模值下降約6.8%，環氧聚氨酯體系阻抗模值下降約35.1%，環氧聚氨酯體系的性能劣化相對較大。同時對比兩種涂層的阻抗模值，酚醛環氧體系的阻抗模值較環氧聚氨酯體系高約一個數量級，達到1010Ω·cm2。

圖11 涂層阻抗測試

3 結論

（1）在表面清潔度良好、不同粗糙度基材上兩種涂層體系在試驗初期均能提供良好的附著力，隨基材粗糙度提高，涂層的防護壽命增加。在基材粗糙度達到一定值后，單純增加基材粗糙度并不能提高涂層的使用壽命和涂層附著力。

（2）酚醛環氧體系和聚氨酯涂層體系均具有良好的附著力和較好的防護效果，但經一定時間的浸泡試驗后，環氧聚氨酯體系的性能劣化相對較大。

[1]祁靜,王德偉,唐福順,等.大型核電機組油系統介紹[J].汽輪機技術,1998,41(4)：250-251.

Phenolic Epoxy Coating Application in Nuclear Power Turbine Oil System Research

Li Quande1,2，Ni Rong1，Meng Huimin2，Gong Xianlong1，Dai Jun1，Tong Peiru1

（1.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Deyang Sichuan,618000; 2.Institute of Advance Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing,100083）

Adhesion,water resistance,oil resistance,resistant to high and low temperature impact test and electrochemical impedance are performed on protective properties of different thickness phenolic epoxy coating under different roughness of substrate.Experiment results indicates that two kinds of coating systems can provide good adhesion at the beginning of the test.Coating protection increases service life with the substrate roughness.Phenolic epoxy system can provide more excellent protective life.

phenolic epoxy,adhesion,electrochemical impedance

TG174

A

1674-9987（2017）02-0031-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.008

李全德（1985-），男，博士生，主要從事與發電設備防護相關應用研究工作。