CN1362292A - 船舶涂层 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有抗腐蚀涂层的压缩机。所述涂层具有第一喷涂金属层。在该喷涂金属层上涂覆一层密封剂层,密封剂包括一种有机组份,一种溶剂组份和一种无机相。

Description

船舶涂层
技术领域
本发明总体来说涉及压缩机，更具体地说涉及用于减轻压缩机腐蚀的保护涂层。
                       背景技术
大多数压缩机的外壳是由热轧或冷轧低碳钢冲压形成，或者是由灰铸铁构成。如果没有抗腐蚀涂层，钢或铁即使是在非海洋性的环境中也会以很快的速度腐蚀。在传统的压缩机应用中，其外表是通过油漆涂层来减少腐蚀的。减轻腐蚀很重要，它不仅是为了延长压缩机的使用寿命，而且为了防止由于耐压外壳过早地失效而造成人员的伤害。
钢压缩机的外表面由几种冲压钢部件构成，这些部件主要通过焊接结合在一起。由于诸多的冶金方面的因素，焊接本身会使钢表面更易被腐蚀。其中两方面的冶金因素是阻碍涂料的粘着和形成气孔。铸铁型压缩机是由几种铁铸件通过紧固件组合在一起而构成的。在灰铸铁的情形下，也易发生腐蚀，这主要是由于铸铁内固有的石墨造成的。石墨能加强腐蚀的原因是铁和石墨之间存在电位差，这会引起铁基质的优先腐蚀。因此，对腐蚀领域的专家来说，上述的几种压缩机很容易发生腐蚀，特别是在极端的环境下，这是显而易见的。
上述方案中提到的涂层过程在实施中有下述几个步骤：液体化学清洗钢、铁表面，以除掉有机、无机污染物；用磷酸盐处理清洗后的表面(形成磷酸铁层用于帮助涂料的粘着)；密封磷酸盐化层(密封用来控制磷酸盐化反应并准备涂漆表面)；给压缩机涂漆(采用粉尘静电喷涂、浸泡或液体喷涂法)；在室温或升温的条件下熟化涂料。
通常，涂漆的压缩机必须经过多种标准测试方法的测试才被认为可以使用。ASTMB-117就是其中一种标准测试方法。对于现有技术中的涂层质量，压缩机通过标准测试是没有问题的，但是在涂层表面的局部地区仍可以看到其下层的钢或铁有腐蚀的痕象(红锈)。对于大多数应用，这种偶然出现的红锈是正常的，在压缩机的寿命期内不会影响发挥其功能。
但是，某些压缩机用途需要很高的可靠性，并且一旦出现腐蚀失效就会造成巨大损失。这种要求严格的用途要求在长时期内(如前所述，尽管通过了ASTM测试)其表面不能有可见的红锈腐蚀。这种用途的一个例子是海洋运输中使用的船用气候控制集装箱，由于海水中的盐份和其他的能加强腐蚀的成份的存在，海洋环境特别容易引起腐蚀。这些“集装箱”暴露在海雾里，甚至由于海浪的飞溅而不时与海水直接接触，同时还有温度的变化和阳光的直晒(其中包括紫外线的有害影响)。为了保护货物，这些集装箱需要在整个运输途中不间断地制冷。这种场合就需要高可靠性，而在这种情况下，压缩机失灵后不易修复。如果压缩机失灵而使气候控制系统停止工作，则会造成巨大的经济上的损失。如何在极容易造成腐蚀的海洋环境中抗腐蚀，是对人类的一个不同寻常的挑战。
现有技术的涂漆工艺达不到上述如此高要求的防腐性能，它虽然对于大部分应用是可行的，但却不能达到在压缩机的寿命期内不出现“肉眼看不见的红锈”的要求。现有方案有一个弱点，即在操纵或预防性维修压缩机时，由于诸如偶然的撞击或刮擦伤而出现刻痕和缝，涂层就会破损，露出来的钢面就会加速腐蚀。现有技术的油漆工艺只能形成薄弱的隔离涂层，一旦这层涂层被穿透而透出下面的钢，就立即发生腐蚀。以此方式而裸露的金属很快被腐蚀的原因是其失去了现有技术的油漆给他们提供的强有力的“阴极保护”。这就是现有方案的缺点，这特别是因为压缩机长时间地置于易腐蚀的环境中。
                   发明内容
根据本发明，提供一种覆盖有环境保护涂层的压缩机系统，保护层由两层或三层组成。第一层是涂在压缩机上的多孔的金属喷涂层；第二层是在金属喷涂层之上，是有机物基的表面层，用于密封金属层中的孔；可选的第三层是有机物基的最外涂层，用于装饰和进一步地增强抗腐蚀功能。
金属喷涂层通过粉末火焰喷涂、线材火焰喷涂或电弧喷涂形成。其厚度应在0.010英寸和0.015英寸之间，拉伸粘合强度(tensilebord adhesion level)至少为1000psi。
本发明还公开了喷丸处理压缩机表面以形成合适的表面光洁度的方法。当压缩机表面被处理后，在处理过的压缩机的表面上热喷涂金属涂层。然后涂覆有机物基密封剂和可选的最外涂层对所述热喷涂层中的孔进行密封。
                    附图说明
本领域普通技术人员在读了下述详细说明和参考附图后可以明了本发明的其它一些优点。附图中，图1-3示出的是不同处理阶段的压缩机主体的各部分。
                  具体实施方式
图1-3图示了压缩机主体10处于处理过程的不同阶段的各部分。可以由图看出：热喷涂装置的喷头11正在向压缩机表面涂覆金属涂层12。
本发明的涂层系统由于金属喷涂层12的存在而提供强大的“隔离”性能。此处所说的金属喷涂层12，其形态及成分易延展，很易粘附在钢基体上。因此，如果有意外撞击，比如扳手的撞击，铝只会出现凹痕和污点，但基本上仍保持与钢面附着，能覆盖并保护钢。当然，金属喷涂层12必须达到足够厚度才能具有这种性质。
此外，金属喷涂层12与钢之间的电化学电位关系，使得即使当裸露出钢或铁的地方局部地置于易腐蚀的环境里，钢或铁压缩机外壳10也能受到保护。金属喷涂层最好是铝涂层，可以牺牲铝而保护钢不受腐蚀。下面的公式可以估算出它们的关系：可使用年限＝(0.64×铝涂层厚度(微米))/表面发生裸露的百分比。
此发明的第一个步骤：清洗压缩机主体10外表面所覆盖的油脂或其它有机污染物。碱性水溶液清洗系统就可以满足要求。如果是灰铸铁压缩机，要视铸铁表面状况而决定是否需要增加一个步骤，由于铸铁表面的石墨会阻碍金属涂层的粘附，因此可能需要采用特殊的化学处理去除表面的部分或大部分裸露石墨。工业界已知的一种方法是科伦电解盐工艺(Kolene Electrolytic Salt Process)。同时大家也知道可能存在着其它的更加经济的工业方法也能达到这个目的。在某些特定的情况下，取决于铸铁表面质量以及喷丸处理的效果，清除石墨这一步骤也并不是必须的。
最好先用对压缩机的外表面进行彻底的喷丸处理，喷丸处理要充分，要达到SSPC SP 5或NACE 1#“白合金”标准对表面光洁度的要求。适当的表面喷丸处理对于热喷涂金属涂层与压缩机之间产生很好的粘合效果是至关重要的。这种粗糙化的表面结构不仅可以通过暴露钢或铁而清除表面污染物，而且可以将铝涂层牢固地机械固定于基底上。可以使用粒度大约25-40的有棱角的硬钢砂，但最好的喷丸工质是粒度为16-30的氧化铝。喷丸在钢、铁表面形成的凹痕最好为棱角状，而不是球形。经过有棱角的砂粒处理而形成的不规则表面结构可以对铝层产生更好的附着效果。基底经喷丸处理后形成的表面应具有啮齿状结构，按ASTM D4417方法A或方法B测量的表面轮廊约为50-75微米(0.002-0.003英寸)。通常在喷丸处理或为了其它日常清洁目的而使用的钢砂，不能产生我们此处所说的棱角状表面层，从而会导致铝层的粘着效果不好。喷丸处理不能太猛烈以致于使压缩机发生部分变形，一定要确保将被镀金属的表面100％都进行了清洗。
压缩机主体10上不应喷丸处理的地方应该保护起来。这种部件例如是电接线、玻璃座或内连接螺纹。
在压缩机主体10被喷丸处理后，必须在最长不超过4小时内进行热喷涂以取得最好的涂层粘着效果。这是为了避免快速生成的锈或形成其它的表面污染物，否则会阻碍铝层与压缩机的粘合。在喷涂之前，铁基底的表面质量一定要达到SSPS SP 5“白合金”的要求。
可以在室温下进行喷涂，但是为了确保被喷涂的基底没有水分，应对喷涂区域进行局部加热。基底表面温度不能超过250华氏度。或者，在镀铝之前，压缩机主体10可以放置于250华氏度的烤箱中，以清除其表面的水分。环境空气应该至少高于露点大约5华氏度。
如图1-3所示，金属喷涂的入射角应该尽可能达到90度，并且不能小于45度。实践表明，在90度之内，喷涂时角度越小，涂层的孔隙率越高。同样的原因，喷枪距离压缩机主体10的距离不能超过8英寸。
其成份最好是纯铝(至少99％的纯度)。沉积在钢上的金属体系可以是铝合金(含有少于10％的镁)。如果铝合金中的镁的含量少于5％则会产生更好的抗腐蚀效果。在海水腐蚀环境中，应避免使用铝锌合金，这是由于它易在盐水中溶解而使抗腐蚀能力弱。铝层的厚度应该达到在铝层中没有从基底的钢铁基底直通到外部空气的连通孔的程度，这个条件有助于防止基底的腐蚀。为有助于避免多孔性问题，铝层的厚度必须在约0.01到0.015英寸。铝涂层的厚度应该通过涡流、超声波或磁感应仪器来测量。根据ASTM D 4514，用Elcometer Model106粘附力测定仪测量的铝层的拉伸粘合强度应至少达到1000PS1。铝的线径应为约0.0625英寸。在镀铝过程中喷嘴气压应大约为55psi。
金属涂层可以用粉末火焰喷涂或线材火焰喷涂，但是更好的方法是电弧线材喷涂。电弧线材喷涂形成的涂层的质量更好，而且比起火焰喷涂更加经济。电弧线材喷涂是将两根有一定电势差的铝线进行接触从而产生熔融电弧，这个电弧靠近压力气或空气射流，压力气可以采用惰性气体，但是从经济角度出发，也可以使用干燥、干净的压缩空气。
铝线在电弧附近熔化，气流使铝雾化，并使铝液滴撞击钢或铁基底上，铝液滴撞击到钢材上，一层贴一层堆积起来直至理想厚度。铝液滴在撞击到基底之前已经开始冷却并且部分固化，其撞击到钢上时，液滴的动能使铝微粒变形，变成扁平状，从而在钢或铁表面上形成一层均质的铝层。这个沉积过程的性质导致在铝微粒之间形成了少量的孔隙。为了使抗腐蚀效果最大化，必须不能有连通孔(连通海洋环境和基底铁基底的孔)。为防止出现连通孔，必须淀积足够量的铝，并且采用密封剂来堵塞这些孔。涂层必须是多个均匀的薄层，而不能一次喷涂就涂很厚。实践表明：各喷涂行程相互间成90度角，并且使相继的喷涂行程有部分重叠，对于涂层的完全性是有利的。这个过程在实践应用中要求是自动化的，由机器人或类似技术来完成，这可以保证涂层的一致性和完全性。基于同样的原因，前述喷丸处理也应该自动化。压缩机的复杂的形状使得人工喷丸处理或涂层很难保持一致性。自动化操作可以保证压缩机所有的地方都得以充分的处理。
在对压缩机进行热喷涂后，要涂覆密封涂层，密封步骤的目的是为了填充热喷涂金属层中存在的孔洞，以进一步增强抗腐蚀功能。如果密封层外没有最外涂层，密封层对阳光中的紫外线应当是稳定的。该步骤用于增强金属涂层的抗腐蚀能力，延长镀铝压缩机的使用寿命。当仅使用密封层时，密封层还用于使镀铝压缩机具有可以接受的外观。镀铝压缩机不能有黑斑出现，黑斑通常在密封不恰当或不充分时就会产生。
对于在压缩机上的这种应用，密封层的若干性能都必须是极好的，因此发明了具有特殊配方的密封剂。密封剂的粘度要足够低，以便渗入涂层中的孔，而不会在表面凝结成块。铝层上的密封层的干膜厚度不能超过0.002英寸。除非采用水基密封剂，在密封前，压缩机金属镀层的表面不能有水分。否则，压缩机在密封前应加热到250华氏度以清除水分。密封层应该在镀金属层后24小时内涂覆，以取得最佳效果。如果不再有其他涂层，应使密封层兼起防紫外线的功能。
此外，所选择的密封层的类型，必须能够承受压缩机300华氏度的稳定工作温度。压缩机表面只有某些部分能达到这个温度，因此，密封层必须不能在受热区域变色，而不加热的地方却不变色，从而产生外观上的差别。并且，长期置于300华氏度的温度下，密封层的抗腐蚀密封性能不能降低。此外，当密封层与常用的压缩机机油如多元醇型酯(polyol ester)、矿物油等接触后，也必须能保持其上述所有的性能，因为可能有偶然的机油溢出，使镀铝和密封表面与机油接触。
密封剂的涂覆可采取刷、喷或浸渍密封剂的方法。基于上述同样的原因，必须保证涂覆的连续性，因此最好自动化操作。密封剂的熟化过程(curing process)，不应超过300华氏度，以免过度的热软化(thermal degradation)造成压缩机内部机件的损坏。密封剂应均匀地涂覆于压缩机上，而不能结成团，不然会超过要求的密封层厚度。
有几种化学物质组可以满足前面提到的要求。此处所说的专用密封剂通常包含一种载体、一种有机成分和一种无机成份。第一种是丙烯酸硅树酯(silicon resin acrylic)密封剂，包含的成份有对-氯三氟甲苯(parachlorobenzotriflouride)、苯丙硅酮(phenyl propylsilicone)、矿油精、高固体分硅酮、丙烯酸树脂和钴化合物。另外，可以添加铝和/或二氧化硅微粒。硅树酯涂层有很强的紫外线稳定性能，而且在300华氏度也能保持其稳定性。涂两层干膜厚各0.001英寸的涂层，比只涂一层厚度约为0.002英寸厚的涂层的效果要好一些。
另一种可行的密封涂料为环氧聚酰胺，并含有正丁醇，C8、C10芳香烃、磷酸锌和无定形二氧化硅。
可用作此用途的最后一种涂料，是由交联环氧酚(epoxy phenolic)与一种碱性熟化剂组成。应当先在热喷涂铝层上涂覆一个铝转化涂层，以增强密封剂的粘附及性能。工业界已知的两种转化涂料是铝表面化学处理剂或铬化镀层(Iridite)。然后把环氧酚涂覆于该转化涂层之上。
最外涂层应该具有较高的粘滞度，并且在性质上与漆近似。最外涂层的最大厚度应大约为0.004英寸，最外涂层涂于密封层之上，并且不应太厚，否则会使其下层的热喷涂层无法发挥阴极保护功能。出于美观的原因，最好在密封剂和最外涂层中加一些诸如碳黑之类的深色色素，以使其呈现出黑色或灰色。此外，最外涂层与密封层必须性质相容，以保持较好的粘合度。不应该在未密封的铝涂层上直接涂覆最外涂层。
下面是满足此处提到的外观和功能要求的一些最外涂层。第一种是聚氨酯聚合物并含有熟化剂，包括醋酸乙酯、1，6-己二异氰酸酯、HDI的均聚物，乙酸正丁酯以及铝的微粒。这种密封剂也符合作为这种用途的要求。这种最外涂层的颜色为灰黑色。
还有一种最外涂层涂料是以中性氨基甲酸乙酯为基础的丙烯酸(neutral urethane base acrylic)，并含有乙基苯(ethylbenzene)，甲酮(methyl ketone)，二甲苯，芳香族石脑油(aromaticnaphta)，硫酸钡，1，2，4-三甲基苯，及一种聚异氰酸酯熟化剂。这种涂料的颜色是黑色的。考虑的最后一种最外涂层是一种环氧聚酰胺涂料，其中包含硅酸镁，二氧化钛，氧化铁黑，丁醇和石脑油(naptha)。这种涂料的颜色是烟灰的。
可以利用上述所揭示及描述的各种材料的大量特性。前述的讨论公开并描述了如何较好的实现本发明。通过这样的讨论以及附图，本领域的技术人员很容易意识到在本发明的主旨精神和合理范围内，可以进行大量的改变、修改和变动。

Claims (39)

1.有保护涂层的压缩机，保护涂层包括：位于压缩机上的一金属喷涂层；在金属喷涂层上的有机物基的表面层。
2.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层是火焰喷涂层。
3.权利要求2中的压缩机，其中，火焰喷涂层是粉末火焰喷涂层。
4.权利要求2中的压缩机，其中，火焰喷涂层是线材火焰喷涂层。
5.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层是通过电孤线材喷涂形成的。
6.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层中含有铝。
7.权利要求6中的压缩机，其中，金属喷涂层中还含有镁。
8.权利要求7中的压缩机，其中，金属喷涂层含有低于10％的镁。
9.权利要求7中的压缩机，其中，金属层含有低于大约5％的镁。
10.权利要求6中的压缩机，其中，金属层含有高于99％的铝。
11.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层的厚度在0.010到0.015英寸之间。
12.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层的粘合强度至少为1000Psi。
13.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层是由扁平的金属滴组成的。
14.权利要求1中的压缩机，其中，金属喷涂层是一个多孔涂层。
15.一个具有保护涂层的压缩机包括：一层铝喷涂层；在铝喷涂层上的一层有机表面层。
16.权利要求15中的压缩机，其中，有机表面层包含有一种载体和一种有机成份。
17.权利要求16中的压缩机，其中，有机表面层还可以包括无机物微粒。
18.权利要求17中的压缩机，其中，无机物微粒包括铝。
19.权利要求15中的压缩机，其中，有机表面层中包括一种紫外线稳定剂。
20.权利要求15中的压缩机，其中，有机表面层能够承受高于300华氏度的温度而不会使其功能降低。
21.权利要求15中的压缩机，其中，有机物基表面层的厚度小于0.002英寸。
22.一种压缩机涂层方法，包括以下步骤：
喷丸处理压缩机表面；
在压缩机表面上热喷涂一层金属涂层；
在金属涂层上涂覆密封剂。
23.权利要求22中的方法，其中，所述表面处理步骤包括用粒度为15到40的钢砂撞击所述表面。
24.权利要求22中的方法中，所述表面处理步骤包括用粒度为16到30的氧化铝砂撞击所述表面。
25.权利要求22中的方法中，所述表面处理步骤包括在表面上形成多棱角状凹痕。
26.权利要求22中的方法中，所述表面处理步骤包括将表面处理到具有符合SSPC Sp5标准的表面光洁度。
27.权利要求22中的方法中，所述表面处理步骤包括形成表面轮廓约为50-75微米的啮齿状结构。
28.权利要求22中的方法中，所述热喷涂金属涂层的步骤包括热喷涂一层含铝的涂层。
29.权利要求22中的方法中，所述热喷涂金属涂层的步骤包括热喷涂一层含铝和镁的涂层。
30.权利要求22中的方法中，所述热喷涂金属涂层的步骤包括喷涂一层厚度在0.010到0.015英寸的金属涂层。
31.权利要求22中的方法中，所述热喷涂金属涂层的步骤包括火焰喷涂一层金属涂层。
32.权利要求31中的方法，所述热喷涂金属涂层的步骤包括粉末火焰喷涂一层金属涂层。
33.权利要求31中的方法，所述热喷涂金属涂层的步骤包括线材火焰喷涂一层金属涂层。
34.权利要求22中的方法，其中，所述热喷涂金属涂层的步骤包括电弧喷涂一层金属涂层。
35.权利要求22中的方法，其中，所述涂覆有机物基密封剂的步骤包括涂覆一层厚度小于0.002英寸的有机物基密封剂。
36.权利要求22中的方法，其中，所述涂覆有机物基密封剂的步骤包括涂覆一层含有紫外线稳定剂的有机物密封剂。
37.权利要求22中的方法，其中，所述涂覆有机物基密封剂的步骤包括涂覆一层其中含有无机物微粒的有机物基密封剂。
38.权利要求22中的方法，其中，所述涂覆有机物基密封剂的步骤包括涂覆一种能够承受300华氏度以上的温度而不降低其性能的有机物基密封剂。
39.权利要求22中的方法包括涂覆一个表面最外涂层的步骤。
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