噴涂聚脲防護涂層在海水淡化工程中的應用

地球雖然有70%以上的水域面積，但對于許多內陸國家及島嶼國家來說，人們賴以生存的淡水依然是缺乏的，中國就是25個水資源最缺乏的國家之一，海水淡化也就成為中國海洋資源開發的重要一部分。

海水淡化需要具備進行海水淡化處理的裝置，考慮海水淡化處理所需要的巨大容積量，裝置的強度也成為重要考慮因素，價格適中、強度優良、表面結構處理簡便的碳鋼就成為首選材料，而采用碳鋼后接著帶來的就是防腐、防銹、防護問題；噴涂聚脲彈性體材料由于施工簡便、一次性成膜厚、防腐防水能力強、使用時間長久等特點，且涂層材料環保性好，無有機揮發物（VOC含量），達到飲用水防護材料要求等，被公認為是海水淡化裝置最合適的防腐防護涂層材料。

噴涂聚脲彈性體材料在我國問世以來，產品系列和應用技術獲得飛速發展，在國民經濟各個領域中不斷開發出新的應用成果。SWD上海順締聚氨酯有限公司也與行業內廣大同仁一樣，始終致力于新材料，新應用技術的開拓創新，繼在航天工業衛星密封系統應用中取得了重大成果之后，又在國際遠洋超大型海水淡化項目--超大型海岸沉箱裝置防腐工程的應用中取得了重大成功，為我國噴涂聚脲彈性體材料應用于海洋工程領域取得了突破性進展。

1 工程概況及技術要求

一般超大型海岸沉箱系列裝置防腐工程包括了多個體積為3 000 m3的鋼結構沉箱及其配套的管道系統和海水淡化操作系統過濾設施的內外防腐，工程的規模和材料的耗量都相當可觀。

海水淡化的海洋工程一般位于沿海或遠海海域，除了通常的防海水腐蝕、防海水沙石沖擊要求外，還要經受海洋熱帶風暴的強烈沖擊和海底電化學腐蝕的侵襲。通常沉箱一半在海底和海水內，一半在海面上，不同部位經受不同的海洋風暴、海浪、沙石沖刷的機械沖擊和化學侵蝕，因而對噴涂聚脲彈性體材料的物化性能提出了很高的要求，其中特別強調的是材料的附著力和耐陰極剝離強度。

（1）通常海水淡化裝置材料與鋼材基面的附著力要求大于8．0 MPa，耐陰極剝離強度要求小于9．5 mm，電火花試驗要求耐電壓為10 kV．100%。上述技術要求均高于我國聚脲材料的行業標準HG／T 3831—2006中規定的指標。針對這一系列高技術要求分別提供特殊的高強度底漆和高強度的層間復噴搭接劑是解決問題的關鍵。

（2）鋼結構裝置物件可在沿海基地制造，接著進行防腐保護層的噴涂施工。往往因施工工期緊迫，對季節和氣象條件沒有選擇的余地，必須在各種氣候條件下保障施工質量，如在低溫氣候條件，甚至雨雪天氣，氣溫低于-5℃以下的施工環境中，獲得優質的涂層質量，達到附著力強，表面無鼓泡，無氣孔，無剝離，厚薄均勻，平整美觀的效果。這對于我國現有的涂層材料品質和施工技術是一個高標準的挑戰和考驗。

（3）沉箱的代表性規格為20×10×15 m單臺重量達350 t，操作系統孔板箱單臺也重達約200 t。均要經歷切割，組焊，吊裝，遠洋航海及安裝等工序。在運裝過程中，不可避免的要受到機械損傷。因此要求在安裝現場進行相同質量材料的修補處理。同時在大面積噴涂施工過程，將難免出現少數涂層缺陷，對許多異形結構點，難以進行正常噴涂操作，也要求使用相同質量的材料進行手工施工和修補。該種配套材料必須是屬于同類型的聚脲材料，與噴涂聚脲有良好的相溶性，同時還既要有足夠的手工涂覆操作時間和流平性，又要在緩慢固化的過程中不流掛，不起泡。其配方技術難度是相當高的。

2 質量指標的研討和選用

雖然噴涂聚脲應用于海洋工程在國外已有不少成功應用案例，但在我國應用于大型海洋工程尚屬新創，某些技術指標尚無先例可循。因此對涂層的各項質量指標和檢測標準共同進行了研討和商定，其要點為：

（1）根據上海順締公司噴涂純聚脲SWD900材料的性能，我方主動提出了涂層的附著力指標為高于8．0 MPa的承諾，獲得了業主的高度滿意。

（2）裝置應用的外方代表十分強調耐陰極剝離強度的重要性，但按美國標準ASTM G8的檢測方法，在國內尚難進行檢測，因此商定采用我國石油天然氣的行業標準SY／T 0315—2005對陰極剝離的指標設置商定為由參考值“環氧燒結剛性涂層”的6 mm，調整為SWD900彈性體的9．5 mm。但仍然維持優于我國聚脲行標中對剛性聚氨酯涂層規定的15 mm的水平。

（3）對100%電火花滲漏檢測的電壓取值，參照我公司樣板測試的選用電壓15 kV。根據有關行標推薦的計算方法計算結果采用V=7843=10 980 V≈10 kV ／2 mm。

3 主材生產的質量管理

在主材的質量管理體系中，我們按照ISO9001國標質輛認證體系的規范，完善了從原料質量到車間投料，工藝操作到包裝計量，成品質檢和倉儲管理等所有程序各個環節的監控和質保體系，確保了大批量投料的質量穩定性。

4 開發輔助配套的系列產品

在噴涂聚脲彈性涂層的防腐防護應用中，產品配套體現的是否完整，往往成了涂層體現應用是否成功的關鍵；上海順締公司及時研發成功了環氧改性的高效聚氨酯底漆SWD959D；層間（復噴）搭接劑SWD959C和手涂型聚脲修補料SWD956G，可以應對涂層施工時可能出現的各種現場的不同狀況。

（1）SWD959D系雙組分聚氨酯防銹底漆，由于引入了環氧改性功能，使涂層在滿足附著力和耐腐蝕性的基礎上，成功達到了耐陰極剝離強度的要求

表1 SWD959D改性聚氨酯防銹底漆主要技術指標

（2）SWD959C是單組分濕固化聚氨酯/聚脲底漆，采用安全環保型的MDI異氰酸酯和非苯類溶劑達到綠色環保的效果。

（3）SWD956G手涂型修補料

SWD956G是雙組分手涂型聚脲涂層，它不同于通用的聚氨酯涂料，而是完全符合美國聚脲協會PDA所定義的純聚脲材料。因此它與SWD900噴涂聚脲彈性體主材有極好的兼容性，兼具高強物化性能和高流平性，不起泡，不流掛，操作時間長。能有效的應用于施工修補和高難節點的補充涂覆。

表2 SWD959C層間（復噴）搭接劑主要性能指標

5 施工技術要求及現場技術管理

表3 SWD956G手涂型修補料的主要技術指標

（1）現場施工中，首要解決的是環境溫度，濕度，基材溫度，原料溫度的嚴格控制和管理。盡管工件長，寬，達到數十米，高達15 m，仍采取嚴格搭建保溫帳篷，吹送干燥熱風的措施。干燥清潔的熱風出口溫度約30～35℃，濕度＜30%。從而確保了工作環境達到以下條件

表4 工作環境監測數據

（2）設備采用三臺GRACO H-XP3 Reactor和一臺HV20／35，噴槍采用Fusion系列AP槍為主，局部用小流量槍便于控制。

（3）嚴格控制基材處理過程

鋼結構基材表面先噴砂處理按GB／T 9823的Sa2．5級要求，錨紋高度為40～100 μm，實測平均值為70～75 μm，并達到清潔標準，對焊縫，節點，死角進行嚴格的預處理。

（4）連續進行涂層表面質量，涂層厚度，設備操作數據的監控，提前預熱備用料桶，提前清槍，確保操作過程穩定。

（5）現場制樣，進行附著力監控測試。實施100%電火花檢驗

（6）嚴格進行待噴區域的遮蔽保護和噴涂前的飛濺顆粒鏟除，防止續噴過程中形成搭橋，空洞等缺陷。

（7）嚴格控制操作時間段，在施工中嚴格把握正確的操作時間段，對有效的避免表面異常狀態而導致鼓泡和剝離缺陷，具有特別重要的意義。實踐證明，一般超出正確操作時間段的情況下，工作面受到不同程度的污染，基層底涂熟化不完全或熟化過度都造成附著力差甚至分層和鼓泡等缺陷。

（8）無論是修補或大面積工作面的搭接施工，正確使用SWD959C層間搭接劑能使層間粘合力達到材料本體強度。層間搭接劑的涂覆面積必須大于待修補的區域200 mm以上，復噴主材區域必須小于搭接劑邊界200 mm，否則必定造成層間剝離。

表5 SWD900系列的操作時間段控制條件

6 有效控制涂層的鼓泡，起泡和剝離等缺陷。

（1）由工程實踐證明：涂層鼓泡和氣孔等缺陷，主要由A,B料比例失衡（over ratio）和混合不勻所導致。當A料過量時，過量的A料繼續與空氣中的水分發生反應生成CO2氣體，在涂層的層間和涂層與基層之間形成氣墊，產生潛在起泡區；當B料過量時，多余的B料不能充分反應，以粘液的形式存在于涂層內部。當涂層收縮時，兩者均會形成空泡（或氣孔），有研究指出：噴涂聚脲彈性體的收縮并非來自于普通材料的熱脹冷縮現象，而是來自于熱固性高聚物的聚合反應特性。因此盡管材料本身的彈性高達200%以上，仍會產生高達5%的線性收縮，從而使A，B料過剩區域形成鼓泡，通常前者（A過量）由于要完成吸水反應而發生較慢（視潮氣程度而定），而后者（B過量）多在8～10 h就出現，由泡內干濕狀態也容易判別是何種料過量而進行及時處理。A，B料的料比錯誤現象來自于料溫失控或某側通道（特別是濾網）堵塞，偶爾出現的料比失衡也很容易在每次停槍后重新起噴時發生，或在料桶原料用盡后，更換料桶時發生，這些問題都可以通過嚴密監控設備兩側的壓力平衡和有經驗的精心操作，及時發現和避免。

（2）混合不均勻的現象可能來自于兩種料溫控制失衡，粘度相差太大或設備的壓力——流量不穩定。已有研究對A，B料的混合機理進行了流體力學分析，并引用雷諾準數的概念進行說明。研究者認為噴涂聚脲反應過程的優劣（在料比正確的前提下）決定于料液通過噴槍混合室及噴嘴的高速撞擊，形成湍流的均勻混合程度。這一概念已為業內普遍接受和認同。但是雷諾數Re＞4000時液體呈湍流高效混合狀態主要用來描述流體在管道內的流動行為。與噴槍腔內的混合狀態并不相符。其雷諾準數值也不高。對混合狀態的研究作用有限。從我們的案例和經驗中可做以下補充：

（3）根據計算，A、B料在混合室的停留時間僅僅為0．3 ms或更少，實際上，在這樣的極短的時間內要完成物料的混合是十分困難的，真正大量的有效混合應當發生在料液高速沖出噴槍噴嘴之后，由于腔內高壓突然消除，物料高速擴散，在霧化過程中形成氣溶膠分散體系。氣溶膠是一種微小液滴懸浮于氣體分散相中的高效分散體系。此時的A，B液體顆粒分散達10 μm以下。其接觸比表面積遠遠大于混合室內的高壓液相的比表面積，其接觸時間也遠遠大于在混合室內的停留時間，從而能完成高效傳質過程，（可視為微觀混合）。因此原料在離開槍口后的霧化狀態應當作為混合和傳質過程均勻程度的主要考察指標。深入地研究應當可以建立一個實用的數學模型。

7 工程應用案例

2011年上海順締聚氨酯有限公司承接了在澳大利亞的中信西澳鐵礦海水淡化裝置噴涂聚脲彈性體防腐防護涂層項目，該項目歷時一年多，總耗用涂層材料達2 000多t，被在美國的《聚氨酯雜志》評為當今世界單體裝置使用聚脲最多的一個項目，并因應用后狀況良好而被載文介紹。

此項目是中國生產的聚脲彈性材料首次應用于海洋海水淡化裝置工程，工程初期受到了澳方的多種懷疑，并提出最嚴苛的技術監督檢查條件，但上海順締方面都一一滿足了他們的要求，最終獲得了澳方的認可及贊賞，并因澳方的推介而使上海順締公司順利得到了一系列國外同類工程的施工應用項目。

上海順締聚氨酯有限公司在海洋工業全新領域的超大型工程案例的成功再次證明了我們一貫堅持的觀點——聚脲材料應用的成功決定于材料技術和施工工藝兩個百分之百，缺一不可，聚脲產業今后的發展也必然依賴這兩項技術的創新和提高。

圖1 海水淡化裝置內部噴涂

8 結論

SWD900噴涂聚脲彈性體系列產品成功的應用于遠洋超大型海洋海岸設施及海水淡化工業設施，是我公司產品配套和技術水平的一大提高，是走向國際海洋產業的一大突破性成果，也為今后我國的噴涂聚脲彈性體材料邁進海洋設施這一潛力巨大的市場做出了一個成功的案例。這一成果取得首先來源于公司的質量第一的理念和嚴格把關的措施及竭誠為顧客服務的敬業精神。在技術上主要得益于立足于美國總公司強大的技術背景和研發能力，成功的開發出高強度耐陰極剝離底漆和高效層間搭接劑和高強慢速聚脲涂層。三者與噴涂聚脲彈性體主材配合成為一個完整的材料技術體系，以適應海洋工程的特別需要。其次是在技術理論基礎和豐富實踐經驗支持下的現場施工技術服務，有效的解決了惡劣氣候條件，復雜結構，苛刻應用條件和缺損修補等技術難題，給材料的施工應用提供了有力的技術支持。

圖2 質量經得起最嚴苛的檢查

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