喷涂聚脲防护涂层在海水淡化工程中的应用

2015-03-16

净水技术 2015年1期

地球虽然有70%以上的水域面积，但对于许多内陆国家及岛屿国家来说，人们赖以生存的淡水依然是缺乏的，中国就是25个水资源最缺乏的国家之一，海水淡化也就成为中国海洋资源开发的重要一部分。

海水淡化需要具备进行海水淡化处理的装置，考虑海水淡化处理所需要的巨大容积量，装置的强度也成为重要考虑因素，价格适中、强度优良、表面结构处理简便的碳钢就成为首选材料，而采用碳钢后接着带来的就是防腐、防锈、防护问题；喷涂聚脲弹性体材料由于施工简便、一次性成膜厚、防腐防水能力强、使用时间长久等特点，且涂层材料环保性好，无有机挥发物（VOC含量），达到饮用水防护材料要求等，被公认为是海水淡化装置最合适的防腐防护涂层材料。

喷涂聚脲弹性体材料在我国问世以来，产品系列和应用技术获得飞速发展，在国民经济各个领域中不断开发出新的应用成果。SWD上海顺缔聚氨酯有限公司也与行业内广大同仁一样，始终致力于新材料，新应用技术的开拓创新，继在航天工业卫星密封系统应用中取得了重大成果之后，又在国际远洋超大型海水淡化项目--超大型海岸沉箱装置防腐工程的应用中取得了重大成功，为我国喷涂聚脲弹性体材料应用于海洋工程领域取得了突破性进展。

1 工程概况及技术要求

一般超大型海岸沉箱系列装置防腐工程包括了多个体积为3 000 m3的钢结构沉箱及其配套的管道系统和海水淡化操作系统过滤设施的内外防腐，工程的规模和材料的耗量都相当可观。

海水淡化的海洋工程一般位于沿海或远海海域，除了通常的防海水腐蚀、防海水沙石冲击要求外，还要经受海洋热带风暴的强烈冲击和海底电化学腐蚀的侵袭。通常沉箱一半在海底和海水内，一半在海面上，不同部位经受不同的海洋风暴、海浪、沙石冲刷的机械冲击和化学侵蚀，因而对喷涂聚脲弹性体材料的物化性能提出了很高的要求，其中特别强调的是材料的附着力和耐阴极剥离强度。

（1）通常海水淡化装置材料与钢材基面的附着力要求大于8．0 MPa，耐阴极剥离强度要求小于9．5 mm，电火花试验要求耐电压为10 kV．100%。上述技术要求均高于我国聚脲材料的行业标准HG／T 3831—2006中规定的指标。针对这一系列高技术要求分别提供特殊的高强度底漆和高强度的层间复喷搭接剂是解决问题的关键。

（2）钢结构装置物件可在沿海基地制造，接着进行防腐保护层的喷涂施工。往往因施工工期紧迫，对季节和气象条件没有选择的余地，必须在各种气候条件下保障施工质量，如在低温气候条件，甚至雨雪天气，气温低于-5℃以下的施工环境中，获得优质的涂层质量，达到附着力强，表面无鼓泡，无气孔，无剥离，厚薄均匀，平整美观的效果。这对于我国现有的涂层材料品质和施工技术是一个高标准的挑战和考验。

（3）沉箱的代表性规格为20×10×15 m单台重量达350 t，操作系统孔板箱单台也重达约200 t。均要经历切割，组焊，吊装，远洋航海及安装等工序。在运装过程中，不可避免的要受到机械损伤。因此要求在安装现场进行相同质量材料的修补处理。同时在大面积喷涂施工过程，将难免出现少数涂层缺陷，对许多异形结构点，难以进行正常喷涂操作，也要求使用相同质量的材料进行手工施工和修补。该种配套材料必须是属于同类型的聚脲材料，与喷涂聚脲有良好的相溶性，同时还既要有足够的手工涂覆操作时间和流平性，又要在缓慢固化的过程中不流挂，不起泡。其配方技术难度是相当高的。

2 质量指标的研讨和选用

虽然喷涂聚脲应用于海洋工程在国外已有不少成功应用案例，但在我国应用于大型海洋工程尚属新创，某些技术指标尚无先例可循。因此对涂层的各项质量指标和检测标准共同进行了研讨和商定，其要点为：

（1）根据上海顺缔公司喷涂纯聚脲SWD900材料的性能，我方主动提出了涂层的附着力指标为高于8．0 MPa的承诺，获得了业主的高度满意。

（2）装置应用的外方代表十分强调耐阴极剥离强度的重要性，但按美国标准ASTM G8的检测方法，在国内尚难进行检测，因此商定采用我国石油天然气的行业标准SY／T 0315—2005对阴极剥离的指标设置商定为由参考值“环氧烧结刚性涂层”的6 mm，调整为SWD900弹性体的9．5 mm。但仍然维持优于我国聚脲行标中对刚性聚氨酯涂层规定的15 mm的水平。

（3）对100%电火花渗漏检测的电压取值，参照我公司样板测试的选用电压15 kV。根据有关行标推荐的计算方法计算结果采用V=7843=10 980 V≈10 kV ／2 mm。

3 主材生产的质量管理

在主材的质量管理体系中，我们按照ISO9001国标质辆认证体系的规范，完善了从原料质量到车间投料，工艺操作到包装计量，成品质检和仓储管理等所有程序各个环节的监控和质保体系，确保了大批量投料的质量稳定性。

4 开发辅助配套的系列产品

在喷涂聚脲弹性涂层的防腐防护应用中，产品配套体现的是否完整，往往成了涂层体现应用是否成功的关键；上海顺缔公司及时研发成功了环氧改性的高效聚氨酯底漆SWD959D；层间（复喷）搭接剂SWD959C和手涂型聚脲修补料SWD956G，可以应对涂层施工时可能出现的各种现场的不同状况。

（1）SWD959D系双组分聚氨酯防锈底漆，由于引入了环氧改性功能，使涂层在满足附着力和耐腐蚀性的基础上，成功达到了耐阴极剥离强度的要求

表1 SWD959D改性聚氨酯防锈底漆主要技术指标

（2）SWD959C是单组分湿固化聚氨酯/聚脲底漆，采用安全环保型的MDI异氰酸酯和非苯类溶剂达到绿色环保的效果。

（3）SWD956G手涂型修补料

SWD956G是双组分手涂型聚脲涂层，它不同于通用的聚氨酯涂料，而是完全符合美国聚脲协会PDA所定义的纯聚脲材料。因此它与SWD900喷涂聚脲弹性体主材有极好的兼容性，兼具高强物化性能和高流平性，不起泡，不流挂，操作时间长。能有效的应用于施工修补和高难节点的补充涂覆。

表2 SWD959C层间（复喷）搭接剂主要性能指标

5 施工技术要求及现场技术管理

表3 SWD956G手涂型修补料的主要技术指标

（1）现场施工中，首要解决的是环境温度，湿度，基材温度，原料温度的严格控制和管理。尽管工件长，宽，达到数十米，高达15 m，仍采取严格搭建保温帐篷，吹送干燥热风的措施。干燥清洁的热风出口温度约30～35℃，湿度＜30%。从而确保了工作环境达到以下条件

表4 工作环境监测数据

（2）设备采用三台GRACO H-XP3 Reactor和一台HV20／35，喷枪采用Fusion系列AP枪为主，局部用小流量枪便于控制。

（3）严格控制基材处理过程

钢结构基材表面先喷砂处理按GB／T 9823的Sa2．5级要求，锚纹高度为40～100 μm，实测平均值为70～75 μm，并达到清洁标准，对焊缝，节点，死角进行严格的预处理。

（4）连续进行涂层表面质量，涂层厚度，设备操作数据的监控，提前预热备用料桶，提前清枪，确保操作过程稳定。

（5）现场制样，进行附着力监控测试。实施100%电火花检验

（6）严格进行待喷区域的遮蔽保护和喷涂前的飞溅颗粒铲除，防止续喷过程中形成搭桥，空洞等缺陷。

（7）严格控制操作时间段，在施工中严格把握正确的操作时间段，对有效的避免表面异常状态而导致鼓泡和剥离缺陷，具有特别重要的意义。实践证明，一般超出正确操作时间段的情况下，工作面受到不同程度的污染，基层底涂熟化不完全或熟化过度都造成附着力差甚至分层和鼓泡等缺陷。

（8）无论是修补或大面积工作面的搭接施工，正确使用SWD959C层间搭接剂能使层间粘合力达到材料本体强度。层间搭接剂的涂覆面积必须大于待修补的区域200 mm以上，复喷主材区域必须小于搭接剂边界200 mm，否则必定造成层间剥离。

表5 SWD900系列的操作时间段控制条件

6 有效控制涂层的鼓泡，起泡和剥离等缺陷。

（1）由工程实践证明：涂层鼓泡和气孔等缺陷，主要由A,B料比例失衡（over ratio）和混合不匀所导致。当A料过量时，过量的A料继续与空气中的水分发生反应生成CO2气体，在涂层的层间和涂层与基层之间形成气垫，产生潜在起泡区；当B料过量时，多余的B料不能充分反应，以粘液的形式存在于涂层内部。当涂层收缩时，两者均会形成空泡（或气孔），有研究指出：喷涂聚脲弹性体的收缩并非来自于普通材料的热胀冷缩现象，而是来自于热固性高聚物的聚合反应特性。因此尽管材料本身的弹性高达200%以上，仍会产生高达5%的线性收缩，从而使A，B料过剩区域形成鼓泡，通常前者（A过量）由于要完成吸水反应而发生较慢（视潮气程度而定），而后者（B过量）多在8～10 h就出现，由泡内干湿状态也容易判别是何种料过量而进行及时处理。A，B料的料比错误现象来自于料温失控或某侧通道（特别是滤网）堵塞，偶尔出现的料比失衡也很容易在每次停枪后重新起喷时发生，或在料桶原料用尽后，更换料桶时发生，这些问题都可以通过严密监控设备两侧的压力平衡和有经验的精心操作，及时发现和避免。

（2）混合不均匀的现象可能来自于两种料温控制失衡，粘度相差太大或设备的压力——流量不稳定。已有研究对A，B料的混合机理进行了流体力学分析，并引用雷诺准数的概念进行说明。研究者认为喷涂聚脲反应过程的优劣（在料比正确的前提下）决定于料液通过喷枪混合室及喷嘴的高速撞击，形成湍流的均匀混合程度。这一概念已为业内普遍接受和认同。但是雷诺数Re＞4000时液体呈湍流高效混合状态主要用来描述流体在管道内的流动行为。与喷枪腔内的混合状态并不相符。其雷诺准数值也不高。对混合状态的研究作用有限。从我们的案例和经验中可做以下补充：

（3）根据计算，A、B料在混合室的停留时间仅仅为0．3 ms或更少，实际上，在这样的极短的时间内要完成物料的混合是十分困难的，真正大量的有效混合应当发生在料液高速冲出喷枪喷嘴之后，由于腔内高压突然消除，物料高速扩散，在雾化过程中形成气溶胶分散体系。气溶胶是一种微小液滴悬浮于气体分散相中的高效分散体系。此时的A，B液体颗粒分散达10 μm以下。其接触比表面积远远大于混合室内的高压液相的比表面积，其接触时间也远远大于在混合室内的停留时间，从而能完成高效传质过程，（可视为微观混合）。因此原料在离开枪口后的雾化状态应当作为混合和传质过程均匀程度的主要考察指标。深入地研究应当可以建立一个实用的数学模型。

7 工程应用案例

2011年上海顺缔聚氨酯有限公司承接了在澳大利亚的中信西澳铁矿海水淡化装置喷涂聚脲弹性体防腐防护涂层项目，该项目历时一年多，总耗用涂层材料达2 000多t，被在美国的《聚氨酯杂志》评为当今世界单体装置使用聚脲最多的一个项目，并因应用后状况良好而被载文介绍。

此项目是中国生产的聚脲弹性材料首次应用于海洋海水淡化装置工程，工程初期受到了澳方的多种怀疑，并提出最严苛的技术监督检查条件，但上海顺缔方面都一一满足了他们的要求，最终获得了澳方的认可及赞赏，并因澳方的推介而使上海顺缔公司顺利得到了一系列国外同类工程的施工应用项目。

上海顺缔聚氨酯有限公司在海洋工业全新领域的超大型工程案例的成功再次证明了我们一贯坚持的观点——聚脲材料应用的成功决定于材料技术和施工工艺两个百分之百，缺一不可，聚脲产业今后的发展也必然依赖这两项技术的创新和提高。

图1 海水淡化装置内部喷涂

8 结论

SWD900喷涂聚脲弹性体系列产品成功的应用于远洋超大型海洋海岸设施及海水淡化工业设施，是我公司产品配套和技术水平的一大提高，是走向国际海洋产业的一大突破性成果，也为今后我国的喷涂聚脲弹性体材料迈进海洋设施这一潜力巨大的市场做出了一个成功的案例。这一成果取得首先来源于公司的质量第一的理念和严格把关的措施及竭诚为顾客服务的敬业精神。在技术上主要得益于立足于美国总公司强大的技术背景和研发能力，成功的开发出高强度耐阴极剥离底漆和高效层间搭接剂和高强慢速聚脲涂层。三者与喷涂聚脲弹性体主材配合成为一个完整的材料技术体系，以适应海洋工程的特别需要。其次是在技术理论基础和丰富实践经验支持下的现场施工技术服务，有效的解决了恶劣气候条件，复杂结构，苛刻应用条件和缺损修补等技术难题，给材料的施工应用提供了有力的技术支持。