天冬聚脲重防腐涂料在藏木水电站钢闸门上的应用.doc

天冬聚脲重防腐涂料在水电站钢闸门上的应用
摘要：天冬聚脲重防腐涂料具有长效耐紫外线性能、超强耐磨性、环保性、施工效率高、防腐蚀效果好等优点，适合于环境恶劣的高海拔地区水工钢闸门的防腐蚀保护。聚天门冬氨酸酯聚脲涂料在藏木水电站闸门上的涂装，是该类涂料在西藏地区的首次应用。其使用效果将被长期关注。
关键词：聚天门冬氨酸酯；重防腐涂料；水工钢闸门；藏木水电站
引言
聚天门冬氨酸酯聚脲材料是近几年出现的一种新型脂肪族慢反应高性能涂层材料，被称为第三代聚脲，用它可以制备出性能优异的高级防护涂料。该类涂料的固体份在90-100%，零VOC或极低VOC排放，一次施工就可获得所需膜厚，施工效率高，不仅环保，而且节约能源。该涂料与脂肪族异氰酸酯固化剂反应，常温即可成膜，涂膜具有卓越的耐候性和超级的耐磨耗性能。其抗耐紫外线性能堪与氟碳涂料相媲美，远远超过传统的丙烯酸聚氨酯（PU）涂料。因此该类涂料在重防腐、船舶、风力发电、水工结构、海上平台等方面具有广泛的应用前景[1-2]。
珠海飞扬新材料股份有限公司多年来致力于聚天门冬氨酸酯的开发研究，推陈出新将天冬树脂从原来的少数牌号发展到当前的十多个牌号，解决了许多应用上的瓶颈问题，大大拓宽了其应用领域。这些新型结构的聚天门冬氨酸酯及其功能涂料已被国家科技部等四部委批准为2012年国家重点新产品，将极大地促进了该类涂料的推广。
以新型结构的聚天门冬氨酸酯做为主体树脂，研制出的长效重防腐涂料已成功应用于许多领域。天冬聚脲防腐涂料的成功应用，已引起众多设计单位和建设单位的极大关注，其中由中国水电顾问集团成都勘测设计研究院首先将其设计进入风电塔筒和水电站水工结构防腐蚀体系。目前风电塔筒已有13000m2的涂装案例，水电站闸门防腐有18000 m2涂装案例。之后又将其设计用于高海拔地区水电站水工结构防腐蚀涂装体系。
图1：风电塔筒防腐工程

图2：水电站闸门防腐工程
本论文着重介绍天冬聚脲重防腐涂料在西藏藏木水电站的应用。涂装方案由成都勘测设计研究院设计，建设方为华能西藏发电有限公司，涂料供应商为珠海飞扬新材料股份有限公司。

1、 腐蚀环境和涂层体系设计
1.1 腐蚀环境
藏木水电站地处西藏高原地区，海拔3300m，位于西藏自治区山南地区加查县境内，属高原温带季风半湿润气候。年平均气温9.2℃, 极端最高气温和极端最低气温分别为 32.0℃和-16.6℃；年平均降水量为540.5 mm，平均相对湿度51％，平均风速为1.6m/s，最大风速为19 m/s，相应风向SE；年平均蒸发量为2075.2mm。
坝址水流年平均含沙量0.493kg/m3，多年汛期平均含沙量0.659kg/m3。输沙量年际变化较大，最大年输沙量5140万t。输沙量年内分配不均匀，主要集中在汛期（6～9月），占全年输沙量的96.2%，其中7、8两月占全年的74.1%。汛期（6～9月）平均含沙量0.659kg/m3。
由此可见，藏木水电站环境特点是海拔高，空气压力低，气温低，太阳辐射照度高，风沙大，水中含沙量大。做为其水工金属结构设备重要组成部分的钢闸门，长期处于干湿交替、紫外光照射、高速水流冲刷、水生物腐蚀、泥沙冲击、冰凌及其它漂浮物的冲击摩擦等恶劣环境中，极易发生腐蚀。如不采取防护措施，将不断削弱钢结构的承载能力，威胁闸门的安全运行，影响其使用寿命。
1.2水电站钢结构防腐蚀涂层体系设计
根据水电站钢结构设施所处工况环境，可将其分为钢闸门结构（导流底孔闸门门叶、拦污栅栅叶），和埋件结构（溢流坝门槽埋件、其它门槽埋件）两大类。
工程建设单位和设计单位均十分重视这两大类钢结构设施的防腐蚀涂层设计。针对藏木水电站闸门设备所处的环境特点，最终决定钢闸门结构采用热喷锌加涂料保护，埋件结构采用涂料保护的涂装方案。在涂料涂层设计上，采用环氧类富锌底漆和云铁中间漆，面漆防护层则采用具有优异耐磨损、耐紫外线性能的天冬聚脲重防腐涂料。涂料由珠海飞扬新材料股份有限公司提供。
建设单位和设计院之所以最终选定天冬聚脲重防腐涂料作为涂装体系，是基于其在性能上表现出的超级耐磨损、长效耐紫外线、厚涂施工性。利用环氧类底层漆附着力好、耐盐雾好、屏蔽性好、廉价的优点，结合天冬聚脲面漆，互相取长补短，组成长效的防腐蚀涂装体系，设计寿命可达20年以上。

防腐蚀涂层设计方案分别见如表1和表2。

表1 钢闸门的涂装设计方案
涂层系统
防腐层种类
厚度（μｍ）
喷锌层
锌
160（最小局部厚度）
封闭层
环氧类封孔剂
30
中间层
环氧云铁中间漆
120
面层
聚天门冬氨酸酯聚脲面漆
140
涂层总厚度

450

表2 埋件的的涂装设计方案
涂层系统
防腐层种类
干膜厚度
（μｍ）
底漆
环氧富锌底漆
70
中间漆
环氧云铁防锈漆
120
面漆
聚天门冬氨酸酯聚脲面漆
160
总厚度

350

2、 天冬聚脲重防腐涂料的特性
本涂装体系采用珠海飞扬新材料股份有限公司（原名珠海飞扬化工有限有限公司）生产的PH9503系列聚天门冬氨酸酯聚脲防腐蚀涂料，做为长效防腐蚀面漆。
2.1 聚天门冬氨酸酯防腐蚀涂料的性能
PH9503天冬聚脲防腐蚀涂料性能见表3。
从表中可以看出，天冬聚脲突出的性能优势表现在如下三个方面：
1）突出的耐紫外线性能。QUV加速老化试验4000h，色差△E=2.9， 失光率 15%，而较好一点的丙烯酸聚氨酯涂料耐 QUV1000h已基本变色，色差在3.0以上，失光30%以上。可见天冬聚脲有优异的保光保色性，性能堪与氟碳涂料相媲美。做为长效防腐蚀面漆，用于紫外线强度高的高海拔水电站钢结构件防护层，设计上是非常合理的。
2）优异的耐磨性。天冬聚脲由于较高的交联度，单位体积内存在较高密度的脲键，赋予了其涂层出色的耐磨性能。检测结果表明，天冬聚脲涂层在750g/500r条件下，磨耗失重仅为0.02g，而聚氨酯和环氧的磨耗数据在0.08g左右。可见天冬聚脲面漆做为长效防护层，适合于常年处于高速水流冲刷，泥沙、冰凌冲击摩擦等恶劣环境下钢闸门的防护。
3）施工过程的环保性。天冬聚脲涂料固体份在90%以上，甚至可以做到无溶剂，施工固含量高，结合环保型的溶剂做稀释剂，可以极大限度地减少施工过程中有害物质的排放。
表3：PH9503天冬聚脲防腐蚀涂料性能[1]
序号
检验项目
检测结果
检测方法
备注
1
固体含量（%）
90.5
GB/T1725-2007
125℃ 1H
2
细度（µm）
20
GB/T6753.1-2007

3
表干时间 h
1
GB/T1728-1989

4
实干时间 h
24
GB/T1728-1989

5
施工期限 h
1
GB/T1728-1989

6
柔韧性 mm
1
GB/T1731-1993

7
耐冲击 kg.cm
50
GB/T1732-1993

8
铅笔硬度
3H
GB/T6739-2006

耐磨性 g
0.02
GB/T1768-2006
750g/500r
9
附着力（划格法）
1 级
GB/T9286-1998
间距1mm
10
耐碱性 240h
漆膜完好，无异常
GB/T9274-1988
10%NaOH溶液
11
耐酸性 240h
漆膜完好，无异常
GB/T9274-1988
10%H2SO4溶液
12
耐机油 240h
漆膜完好，无异常
GB/T9274-1988

13
冷热交替循环（3个循环）
漆膜完好，无异常
HG/T2884-1997
一个循环：
-20℃×1h→
80℃×1h
14
耐盐雾 2000h
合格
GB/T1771-2007
配套环氧富锌底漆
15
耐人工老化4000h
色差△E=2.9
失光率 15%
ASTM D4587-2005
QUV313nm
16
水蒸气渗透率g/（m2.d.kpa）
0.007
SY/T0319-1998
涂层厚度245µm
17
耐水性（1000h）
无气泡、无锈蚀
GB/T1733-1993
涂层厚度212µm
18
氯离子渗透率mg/(cm2.d)
0.7×10-4
JTJ/T275-2000
涂层厚度300µm

2,2 聚天门冬氨酸酯防腐蚀涂料与其它防腐蚀涂料的比较，见表4
表4：与传统丙烯酸聚氨酯/环氧涂料比较
项目
聚天门冬氨酸酯涂料
丙烯酸聚氨酯涂料
环氧涂料
施工性
快干，提高生产效率
干燥速度较慢
低温施工困难
保光保色性
保色性,抗紫外性能好，耐
QUV测试大于4000h
性能一般，性能最好的涂料耐QUV为1000h左右。
抗紫外性能差，易开裂，粉化。
力学性能
可设计成柔性涂料，力学性能优异。
力学性能一般，调整空间有限。
只可制备刚性涂层，柔韧性调整有限。
耐磨性
耐磨，抗冲刷性能优异
耐磨、抗冲刷性能一般
耐磨、抗冲刷性能一般
厚涂性
一次性成膜较厚（最高可至1000微米 ），减少施工次数
一次性成膜薄（最高100微米 左右）需多次施工
可厚涂。
环保性
环保低气味，施工固含高，80~100%
气味较大，通常施工固含35-40%
施工固含可调

3、 聚天门冬氨酸酯防腐蚀涂料的涂装工艺。
（一）对涂装环境的要求
1、无论是表面处理还是喷涂施工阶段，都必须对温度、相对湿度和露点等关键因素进行控制，以获得最佳的涂装质量。
2、空气相对湿度应低于85％，基材温度须高于露点温度至少3℃，以防止表面结露。
3、施工环境温度必须在5-40℃之间，10℃～30℃之间为最合适。
4、基材表面温度如果高于30℃，应小心避免成膜不良和过度干喷。
6、冬季施工应尽量避免傍晚或晚上进行，高湿低温施工会引起涂膜粉化、开裂、起翘、剥落等弊病。

（二）对表面喷射处理的要求
1、钢结构表面在喷射清理前，须先进行结构处理，按ISO 8501-3：2001进行。锐边和切割边缘打磨到R≥2mm，气孔要进行补焊，打磨咬边处，焊缝光滑没有焊渣、飞溅等。结构处理前对焊缝进行预喷射有助于更好地发现缺陷。
2、喷射清理前所有油脂和因探伤拍片留下的润湿剂，按SSPC SP1“溶剂清理”清除干净。
3、喷射用磨料要清洁干燥。磨料要符合标准GB/T 18838.1.
4、磨料粒径大小选择原则，要求能产生规定的表面粗糙度，表面粗糙度按 GB/T 13288-2008 执行。
5、喷射清理时，要防止油或水对喷射清理后的表面的污染。空压机须安装油水分离器。
6、磨料不能循环使用，除非得到业主代表或现场技术人员的书面认可。
7、钢材表面要求喷射清理到GB 8923-88 Sa 2.5级，即表面应无明显的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。
8、粗糙度达到Rz 40-70 微米或ISO 8503-2 中规定的“中等（G）”级别。
9、不便于喷射除锈的部位，手工或动力工具除锈至GB/T 8923规定的St3级。
10、喷射清理后的钢材表面要保持清洁直到第一道漆喷涂完毕。
（三）对涂料施工的要求
喷射完工后的工件，要求在4小时内涂装底漆。如间隔时间过长，必须重新检验表面状况。如表面已返锈或污染，必须重新处理，检验合格后方可涂敷施工。
涂料的使用严格按厂家规定的要求进行。
施工方法：天冬聚脲涂料施工采用辊涂、高压无气喷涂、空气喷涂均可。
辊涂：采用合适的工具以获得要求的干膜厚度，如果涂层过厚，可以将涂料适度稀释或采用短毛的辊筒施工。
高压无气喷涂：推荐采用17-21 号喷嘴（0.35-0.53mm），总输出流体压力17-25Mpa。
空气喷涂施工：，应检验油漆喷涂雾化是否良好，喷枪距被涂面30-50cm，通过调节喷枪移动速度和选用不同流量喷咀以控制厚度，，要防止一次喷涂过厚导致漆膜流挂。
涂装后应对涂膜认真维护，在固化前应避免雨淋、曝晒及践踏，吊装搬运过程中应采取适当防护措施，尽量减少对涂层的损伤。
（四）涂层修补
1 因焊接、切割、机加工、运输碰撞等原因造成的涂层损坏，应进行修补。修补前先进行表面处理达Sa2.5 级或St3 级，然后依次涂装底漆、中间漆和面漆，达到设计膜厚。不允许单用面漆修补。
2 为焊接预留未涂漆的部位，在焊接完后，应去除焊渣、磨平焊缝，喷射或动力工具除锈到Sa2.5 级或St3 级，然后根据设计要求依次涂装底漆、中间漆和面漆，达到设计干膜厚。不允许单用面漆修补。

4、 涂装质量控制
1) 涂装前首先要对涂料性能进行抽检；对环境温度、湿度、天气状况及工件表面温度等进行检测记录。
2) 涂装前应对表面预处理的清洁度、粗糙度等进行检查，得到监理工程师确认，合格后方能进行涂装。
3) 涂装过程中对每道涂层均应进行湿膜厚度检测及外观检查，并应符合《水电水利工程金属结构防腐蚀技术规程》(DL/T 5358) 的规定要求。
4) 涂装结束漆膜固化后，应进行干膜厚度的测定、附着性能检查等，检查方法按《水电水利工程金属结构防腐蚀技术规程》(DL/T 5358) 及《色漆和清漆漆膜的划格试验》(GB/T 9286) 进行，面漆颜色符合GSB G51001漆膜颜色标准样卡要求。
(5) 涂装检验的各项数据用表格型式记录，交监理工程师签字认可后，留作闸门设备出厂验收资料。
(6) 监理工程师对涂装施工过程进行全程监理。

5、 结语
聚天门冬氨酸酯防腐蚀涂料具有长效耐紫外线性能、超强的耐磨性、环保性、施工效率高、防腐蚀效果好等优点，适合于环境恶劣的高海拔地区水工钢闸门的防腐蚀保护。聚天门冬氨酸酯聚脲涂料在藏木水电站闸门上的涂装，是该类涂料在西藏地区的首次应用。其效果将被长期关注。
随着西部地区水电大规模开发，天冬聚脲重防腐涂料在我国水利水电工程建设中将展现广阔的应用前景。

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