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喷涂聚脲超重防腐材料的性能和应用王宝柱刘培礼刘东晖张安智（青岛佳联化工新材料有限公司青岛266100）摘要：阐述了喷涂聚脲弹性体技术的国内外现状、定义、技术特点和性能指标，并与传统的防腐材料进行对比。重点介绍聚脲超重防腐涂层在化工储罐、储罐围堰、管道等领域的防腐应用。国内外的应用实例表明：喷涂聚脲防腐技术是一种性能卓越、施工方便的现场成型技术，在油田、化工等防腐行业的应用前景十分广阔。关键词：聚脲防腐储罐管道1前言钢结构的腐蚀问题遍及各行各业，大量的储罐、管道、构件和阀门等钢结构因腐蚀而造成破坏，既给国民经济造成巨大的经济损失，同时也给工业生产和人民生活带来了极大的困难。使用防腐涂料是防止金属腐蚀的重要措施之一。重防腐材料是指可在恶劣的腐蚀环境中长期使用的防腐材料，其使用寿命一般在15年以上。传统的重防腐材料有环氧、聚氨酯、玻璃钢、橡胶、塑料等品种，在实际应用中取得了较好的效果，但仍存在防腐性能欠佳、污染环境、接缝易渗漏、施工复杂等诸多弊病。喷涂聚脲弹性体技术是20世纪90年代发展起来的一种新型的环保防腐技术，它的出现为防腐界提供了一种全新的材料和工艺，在工程应用中显示出了无可比拟的优越性。由于聚脲的快速反应速度，其层间施工间隔只需几分钟，对涂层的最终厚度没有限制，而且能够在垂直面连续施工不产生流淌现象。聚脲材料集优良的防腐性能和快速的施工于一身，在石油、化工、管道、海洋工程等防腐领域的应用前景十分广阔[1]。2聚脲化学喷涂聚脲弹性体技术的发展经历了聚氨酯、聚氨酯脲和聚脲三个阶段。以上三种体系的A组份是基本相同的，均为芳香族或脂肪族的预聚物和半预聚物，区别在于R组份。喷涂聚氨酯的R组份由端羟基树脂和端羟基扩链剂组成，并含有用于提高反应活性的催化剂；喷涂聚氨酯/脲的R组份既可以是端羟基树脂，也可以是端胺基树脂和胺扩链剂组成，一般含有用于提高反应活性的催化剂。而喷涂聚脲的R组份必须是由端氨基树脂和端氨基扩链剂组成，并且不含任何羟基成分和催化剂。由于端氨基化合物与异氰酸酯组分的反应活性极高，无需任何催化剂，即可在室温或低温下瞬间完成反应，见图1，从而有效地克服了聚氨酯和聚氨酯/脲弹性体在施工过程中，因环境温度和湿度的影响而发泡、造成材料性能急剧下降的致命缺点。图1聚氨酯、聚脲化学反应原理3聚脲发展简史德国、美国是喷涂弹性体技术的发源地，最早开发喷涂聚氨酯以及聚氨酯（脲）弹性体技术的是Bayer、BASF、Futura和Uniroyal等公司。十九世纪八十年代中期，美国Texaco公司在化学家DudleyJ.PrimeauxⅡ先生的带领下率先研发成功喷涂聚脲弹性体技术，并于1989年首次发表研究论文，引起轰动。1991年该技术在北美地区投入商业应用，立即显示出其优异的综合性能，受到用户欢迎。由于研发喷涂聚脲弹性体配方和工艺的难度很大，澳大利亚及东南亚等国家基本上采取了全盘进口或者与美方合资建厂的做法。在中国，海洋化工研究院于1995年开展喷涂弹性体技术的前期探索研究，并于1997年引进了美国Gusmer公司最新设计制造的H-3500喷涂机。与澳大利亚等国家不同的是：海洋化工研究院依靠自己的科研实力，自力更生，终于研发成功具有自主知识产权的聚脲配方体系[2]。1999年是聚脲技术在我国投入商业应用的第一年，海洋化工研究院的聚脲弹性体相继在青岛海豚表演馆水池、上海沪东造船厂船舶地板和沈阳普利斯通公司护舷等项目成功应用。自2000年起，海洋化工研究院参加各类展览和会议，并发表了40多篇专业性文章，大力宣传和推广聚脲技术。2007年3月，海洋化工研究院将全套聚脲技术在青岛佳联化工新材料有限公司进行产业化。随后，江苏省化工研究所、烟台华特、湖南湘江、广州秀珀等公司纷纷投入到聚脲的研制中。美国SPI公司、美国纽科、韩国一山、美国宝莱、台湾环聚、美国联合涂料、美国顺缔等公司也陆续在国内销售聚脲。与此同时，美国Huntsman公司、德国Bayer公司、德国BASF公司、美国陶氏等化工巨头也在国内设立代理商，中国的聚脲市场呈现出百花齐放、欣欣向荣的大好局面。4聚脲防腐材料的优势喷涂聚脲技术集涂料、橡胶和塑料等防腐材料的诸多优点于一身，是目前国际上最先进的防腐技术之一。其技术优势主要表现在以下几个方面：(1)快速固化，可在任意曲面喷涂而不产生流淌现象，10s凝胶，10min即可达到步行强度。(2)对温度、湿气不敏感，施工时不受环境温度、湿度的影响。聚脲可在-28℃的低温环境下施工，也可在潮湿多雨的环境下施工。(3)100%固含量，符合环保要求，在施工和使用过程中没有气味，尤其适合通风不良的储罐内壁和管道内壁的防腐施工。(4)一次施工即可达到厚度要求，克服了传统防腐涂料必须多次施工的弊病。(5)聚脲涂层致密、无接缝，可耐受水、海水、酸、碱、盐、油等介质的长期腐蚀，耐化学介质和土壤侵蚀能力十分突出。(6)机械强度高，伸长率好，抗冲击性能好，在温度交变和外力冲击作用下不易破损。(7)附着力好，在喷砂至Sa2.5级的钢材上附着力大于10MPa，长期使用不脱落。(8)耐击穿电压高达20kv/mm以上，与阴极保护配套性良好。(9)不含催化剂，耐紫外光老化性能好，在户外长期使用不粉化、不开裂。（10）使用温度宽，可在－50～+121℃下长期使用，改性耐高温聚脲可在150℃以下长期使用。5聚脲技术指标在美国、西欧等发达国家，许多公司涉足聚脲超重防腐领域，如著名的Specialty-productsInc.、ElastomerSpecialtiesInc.、VersaflexInc.和PolyureaCoatingsystemsInc.等，他们的产品已在美国大量应用。和聚氨酯一样，针对不同的使用环境和性能要求，聚脲可在很宽的范围内调节性能。青岛佳联化工新材料有限公司成功开发出了SPUA聚脲系列产品共计12种，其中包括3种牌号的聚脲防腐产品，其主要性能指标见表1。表1聚脲超重防腐材料的主要性能指标材料性能SPUA-101SPUA-401SPUA-406（管道防腐材料）凝胶时间，/s102015拉伸强度/MPa162323扯断伸长率/%706860撕裂强度/KN·m-1578590硬度邵A85～92邵D60～70邵D60～70附着力/Mpa10（钢）/2.9（砼）12（钢）12（钢）耐冲击性/kg·cm100100100抗击穿电压/kv·mm-1232623耐阴极剥离/mm7.47.57.8耐盐雾/2000h无锈蚀、不起泡、无锈蚀、不起泡、无锈蚀、不起泡、不脱落不脱落不脱落推荐厚度/mm2～31～31～2其中SPUA-101超重防腐材料具有高强度、高伸长率，适合在混凝土底材上使用，如各类混凝土储罐及储罐围堰、蒸发池、中和池、污水处理池以及化工厂地坪等。SPUA-401超重防腐材料强度高、附着力好，适用于各类钢制化工设备，如原油罐、酸洗槽、电镀槽、炭化塔、盐水罐、舰船甲板及舱室地面、海上钻井平台、钢桩、跨海大桥等。SPUA-406管道防腐材料分为内壁和外壁2种，外壁防腐材料要求光滑减阻，而且凝胶时间较短，利于在工厂施工时缩短管道的下管时间，提高工作效率。外壁防腐材料要求强度高、抗冲击，确保在运输和安装过程中不宜破损。SPUA-406管道防腐材料可用于架空管及直埋管、铸铁管道、石油管道、煤气管道等领域。6应用领域及实例喷涂聚脲技术具有卓越的物理性能和施工性能，是一种新型的涂装技术。它可以完全或部分替代传统的聚氨酯、环氧树脂、玻璃钢、FBE以及聚烯烃类化合物，在化工防腐、管道、建筑、船舶、水利、交通、机械、矿山耐磨等行业具有广阔的应用前景[3-8]。6.1化工储罐防腐金属化工储罐防腐材料一般分为衬里和涂料两大类。常用的衬里有橡胶衬里、塑料衬里和玻璃钢衬里等。橡胶衬里一般采用天然橡胶或合成橡胶，可在常温常压下使用。缺点是需要现场加热硫化，施工工艺十分复杂，质量很难保证。塑料衬里一般为预制块状材料，施工时需要专门的粘贴工艺，接缝处极易导致渗漏，从而引起整体失效。玻璃钢衬里采用手工粘贴工艺，气味大、污染环境，而且需要多道施工，施工质量难以保证。传统的防腐涂料具有施工方便的优点，可在内壁或外壁使用。但这些涂料体系一般存在着以下缺点：①硬度有余韧性不足，在热应力或冲击作用下极易开裂，过早的开裂可能导致储存的液体泄漏，修补及保养导致费用增加；②体系含有机溶剂，对人体有害、污染环境，溶剂挥发产生的针孔会造成腐蚀介质的渗入；③必须采用多道施工，周期长、效率低。SPUA技术有效地解决了上述难题，在钢质储罐内、外壁防腐工程中应用具有明显的技术优势，已在大庆油田、胜利油田、新疆油田、齐鲁石化、兰州石化、岳阳石化的原油罐、重油罐、污水罐和盐酸槽车等项目上成功应用。此外，SPUA技术还可用于有保温要求的化工储罐，作为保温层的防护层。传统的方法是在聚氨酯泡沫外面包裹镀锌铁皮，但存在的接缝容易导致进水，泡沫很快被腐蚀老化。而采用SPUA技术可起到防腐、防水的双重作用，无接缝，美观实用。聚脲已在大庆油田的原油储罐聚氨酯泡沫表面成功应用，并荣获大庆油田地面工程一等奖。图1聚脲防腐材料用于化工储罐6.2储罐围堰为防止化工原料泄露，在某些化工储罐周围建有储罐围堰。早期的储罐围堰十分简陋，一般是由混凝土或者土墙围制而成，底部铺上碎石。一旦原料发生大量泄露，围堰可临时储存，但少量泄露的化工原料会渗入土壤中，对土壤造成严重的污染。随着国外发达国家对环境保护越来越重视，要求储罐围堰必须完全封闭以保护土壤。塑料衬里曾在储罐围堰中应用，具有防腐性能好的优点，但施工工艺复杂，尤其是在形状复杂、管件多的地方施工非常困难。此外，施工后的塑料衬里有大量接缝，常常成为泄露的隐患。如前所述，聚脲可以耐受水和大多数化学介质的侵蚀，而且具有无污染、不流淌、施工快等特点。更为重要的是喷涂后聚脲弹性体无接缝、柔韧性好，伸长率高达300%以上，可以将混凝土底材上的毛细裂纹连接在一起，防渗漏效果极佳。目前，聚脲已在国外的混凝土储罐围堰上大量应用在太平洋西北部以及阿拉斯加地区的应用表明聚脲可经受苛刻的天气考验。除储罐围堰以外，相似的应用领域还有化工地沟、电厂排水沟及地面防渗层等表面的防护。图2聚脲防腐材料用于储罐围堰6.3管道防腐6.3.1管道外壁防腐按照国际规范，埋地金属管道均采用防腐层与阴极保护相结合的保护方法。管道防腐层是第一道屏障，直接关系到埋地管道的防腐性能和运行寿命。目前国内外常用的埋地管道防腐涂层主要有熔结环氧粉末（FBE）、双层熔结环氧粉末、3PE结构防腐层等。熔结环氧粉末（FBE）具有附着力好、耐化学腐蚀、使用温度宽、与阴极保护配套等优点，是目前北美地区管道上采用较多的防腐层之一。其主要缺点有以下几个方面：①耐紫外线性能差，在日光照射下容易粉化，物理性能大幅度下降；②耐划伤和磕碰的机械性能较差，在储存、搬运过程中容易损坏；③需要加热设备，对三通、弯头等异形件的加工十分困难；④补口及维修困难。3PE结构防腐层结合了高密度聚乙烯包覆和熔结环氧粉末的优点，利用环氧粉末与钢管表面结合牢固，利用高密度聚乙烯耐机械损伤，两层之间特殊的胶层使三者形成分子键结合的复合结构，从而实现了防腐性能、机械性能良好结合。其主要缺点有以下几个方面：①3PE的补口问题一直没有解决，搭接处的粘结力较低，国内外都已经发现由于热收缩套剥离而导致整体失效的案例；②覆盖层破损后容易形成静电屏蔽，阴极保护的作用不能很好地发挥；③由于弯头形状和尺寸所限，防腐层与主管道不一致；④使用温度低(70℃)。目前在国际防腐界对大型、长寿命、安全性要求高的管线防腐层选用有这样一个基本共识，这就是选择的防腐层性能优良、性价比高。在这种情况下，高性能的SPUA防腐材料成为目前管道外壁防腐的最理想选择。补口、管道焊接处的现场防腐，是整个管道防腐中的最重要的一步。如果没有方法简便、性能优良的补口技术，再好的防腐层也会因为这一薄弱环节而失败。而SPUA材料用于管道补口具有良好的施工性能。一般直管部分或弯头部分在工厂喷涂完成，接头处在现场喷涂连接。经聚脲处理连接后的管道能保持很好