单组分湿固化聚氨酯（MCPU）涂料在海洋工程中的应用
李敏风1，2，徐 琥3（1. 中国涂料工业协会专家委员会，北京 100079 ；2. 中国钢结构协会防火防腐分会，上海 200092 ；3. 宏活（上海）贸易有限公司，上海 201199）
目前国内外生产MCPU 涂料的公司已有配套涂料系列，综合性能优异。如底漆黏度较低，渗透性强，在干膜厚度为40 μm 时，涂层有良好的附着力（10.0 MPa）；底漆和中间漆的防锈颜料一般采用铝粉、锌粉和云母氧化铁，涂层的防腐蚀性能优异；面漆可制成不同颜色，有一定的耐老化性。
比利时Libert 公司的MCPU 产品经过测试和实践表明：同样在C5-I 的海洋大气环境下，同样能达到15 a 的使用寿命，可采用较薄的膜厚，环保经济效益明显（见表5）。
0 引言
20 世纪是海洋的世纪。为了提高海洋资源开发能力、发展海洋经济、保护海洋生态环境、维护国家海洋权益，我国相继出台了一系列发展海洋经济的策略和规划，比如全国海洋经济发展“十二五“规划、海洋工程装备产业创新发展战略、海洋工程装备制造业长期发展规划（2011—2020）、船舶工业“十二五”规划等，旨在将我国建设成为海洋强国。这一系列措施促进了我国海洋工程迅速发展，见表1。
海洋工程包括船舶修造、集装箱、海上风力发电设备、海上采油平台、海上输油管道及有关设备、跨海大桥（包括混凝土及钢构件）、沿海港口设施（包括战备油库、核电站，以及相关行业的海水输送及冷却装置）、海底隧道等。其中，特别是海洋采油平台等相关装置发展更快，2013 年，我国新建各类海洋采油平台61 座，其中自升式钻井平台49 座，占世界总量的一半。
海洋工程包括船舶修造、集装箱、海上风力发电设备、海上采油平台、海上输油管道及有关设备、跨海大桥（包括混凝土及钢构件）、沿海港口设施（包括战备油库、核电站，以及相关行业的海水输送及冷却装置）、海底隧道等。其中，特别是海洋采油平台等相关装置发展更快，2013 年，我国新建各类海洋采油平台61 座，其中自升式钻井平台49 座，占世界总量的一半。
海洋工程的发展，亦推动了重防腐涂料的发展。据不完全统计，我国2013 年在海上采油平台相关设备上所用的重防腐涂料在15 万t 以上。随着中海油国内海洋工程和国外市场业务的发展，预计到2015 年中海油3 个基地重防腐涂料的用量如表2 所示。
由上海外高桥船厂制造的931 海洋平台，目前正在南海采油，当时用了各类重防腐涂料46 万L。目前我国90% 以上的海洋工程涂料由Jotun、AkzoNobel、PPG、Hempel、Kansai 等品牌公司供应。
1 海洋工程对涂料性能的要求
1 海洋工程对涂料性能的要求
（1） 防腐蚀性能优异，做到“长寿命”：根据超大型钢构件及所处海域的特点，要求配套涂层要有超长使用寿命（大于15 a）；对于特殊设备上涂层，甚至要求与设备同寿命，使用过程中只进行少量维修，无需重涂。
（2） 施工性能优异，节能减耗：特别在海洋钢结构工程的维修中，大力推广低表面处理涂料，可带锈、带潮湿涂装施工，也可直接复涂在牢固的各种旧涂层上，具有良好的附着力和配套性能；对于新工程中的电焊缝、边角、死角处，表面处理级别达到GB 8923—1988 St 2 级即可；对于无溶剂或高固含量的海洋重防腐涂料，一次无气喷涂膜厚应在250 μm以上，边缘覆盖率应在85% 以上。
（3） 环保性能优异：海洋工程重防腐涂料及其涂装必须具有良好的环保性能，符合国家的有关规定。港珠澳大桥规定的配套涂料的环保性能指标见表3。
单组分湿固化聚氨酯（MCPU）涂料符合上述三项要求，是一种性能优异的海洋工程重防腐涂料。
2 单组分湿固化聚氨酯涂料（MCPU）
MCPU 是通过与空气中的潮气反应生成脲键而固化成膜，在此反应中有一个吸收水分和释放CO2 的过程，使其大分子结构中含有相当数量的氨酯键和脲键，这就决定了MCPU 具有各种优异性能。
2.1 MCPU 涂料的发展历程
MCPU 于20 世纪70 年代问世，美国是MCPU 开发较早的国家。起初应用在涂层维修上，以铝粉底漆为主，后来逐步开发了MCPU 的富锌底漆、云铁中间漆和面漆，直到80 年代末，脂肪族湿固化聚氨酯涂料问世，使MCPU 涂料有了系列产品，才广泛应用于钢铁、混凝土、木材等领域的涂装。
目前美国联盟公路局（FHWA）经多年的测试、筛选及实际使用，规定使用3 种涂料用于桥梁的维修：MCPU、低表面处理环氧底漆及不含铅、铬等重金属的醇酸漆，其中MCPU 的防腐效果好，已批量应用在旧金山金门大桥、纽约伯曼大桥等工程中。美国宣伟、SWD（顺缔）、PPG 均有此类涂料产品，而且均已进入中国市场。近年来，德国Steel Paint、比利时Libert 已在上海设立代理，销售MCPU 系列产品。
我国20 世纪90 年代初，南京大学开发研制了MCPU 产品，由温州龙湾立得达防腐材料厂生产、销售，投放市场，获得了原化工部和浙江省的嘉奖和行业推荐。二十多年来，以其优异的防腐性能、良好的施工性、合理的价格，在扬子石化、山东污水处理厂、浙江新安化工获得应用，拥有一批“老客户”；与此同时，在上海“东方明珠”等市政钢结构工程维修，以及中石化、中石油贮罐和管道工程的维修中发挥作用，显示了MCPU 产品节能环保的社会效益。
我国20 世纪90 年代初，南京大学开发研制了MCPU 产品，由温州龙湾立得达防腐材料厂生产、销售，投放市场，获得了原化工部和浙江省的嘉奖和行业推荐。二十多年来，以其优异的防腐性能、良好的施工性、合理的价格，在扬子石化、山东污水处理厂、浙江新安化工获得应用，拥有一批“老客户”；与此同时，在上海“东方明珠”等市政钢结构工程维修，以及中石化、中石油贮罐和管道工程的维修中发挥作用，显示了MCPU 产品节能环保的社会效益。
2.2 MCPU 涂料的性能特点
（1） 防腐性能优异：在固化过程中MCPU 涂料的化学组成已经从异氰酸酯变成聚氨酯聚脲，因此MCPU 涂料具有良好的耐溶剂性和耐化学品性，见表4。
比利时Libert 公司的MCPU 产品经过测试和实践表明：同样在C5-I 的海洋大气环境下，同样能达到15 a 的使用寿命，可采用较薄的膜厚，环保经济效益明显（见表5）。
（2） 施工性能优异：MCPU 涂料系单组分包装，不仅省却了混合操作过程，而且不会受活化期的限制，施工方便。它是低表面处理涂料的重要品种之一，能与旧涂层或锈蚀中的湿气反应，能在相对湿度95%~98% 以及0℃以下的低温环境下固化，且在施工后，涂层还能耐受表面凝露。它作为低表面处理涂料，可涂覆于经手工或动力工具打磨除锈至ISO8501.1—1988 St 2 级的钢材表面；也能用于经高压水除锈后仍具有一定锈蚀的钢材表面。在施工方式上，MCPU 涂料可刷涂、有气喷涂。在充分搅拌的前提下，无气喷涂的施工性能更为优异，漆膜质量也较好。MCPU 涂料的施工性能指标见表6。
由于MCPU 涂料的特殊成膜机理，其涂装施工成为决定漆膜质量的关键，具体要点如下：
① 切实做好露点管理工作。虽然MCPU 涂料能在低温条件下固化，但施工时钢材表面温度必须高于露点温度3℃。
② 控制涂层的固化速度。MCPU 涂料的固化速度取决于空气的湿度和温度，特别是固化过快时，涂层易产生结皮，影响附着力。
③ 严格控制膜厚。要求配套的单组分湿固化聚氨酯底漆的黏度较低，以便有良好的渗透性；底漆不能太厚，否则CO2 难以挥发，使涂层起泡。
④ 在MCPU 涂料的生产过程中，应杜绝水分的进入，开启后的漆料好不要搁置过夜，以免影响漆膜质量。
（3） 节能、环保：MCPU 涂料的VOC 含量较低，符合相关法规；也不含Pb、Cr、Hg、Cd 等重金属成分；大部分为高固体分含量，一次无气喷涂可达到较高的膜厚，加上该涂料对表面处理的要求低，可避免因喷砂等导致的不安全及环境污染隐患，节能、环保效益突出（见表7）。
（4） 配套性能优异：以新建钢结构为例，一般底漆、中间漆采用单组分湿固化聚氨酯涂料时，面漆可采用双组分丙烯酸聚氨酯涂料，是经济有效的佳配套体系。单组分湿固化聚氨酯涂料与各种旧涂层（包括环氧、聚氨酯、醇酸等）有良好的配套性能。实验和实践表明：其与氯化橡胶、高氯化聚乙烯等旧涂层同样有良好的配套性能。
（5） 应用范围广：MCPU 涂料不仅可用于钢材（包括不锈钢），而且可用于混凝土，附着力好，防碳化性能强。对于海洋工程来说，它也可以用于锌、铝表面，包括热浸镀锌、电弧喷锌、铝表面的封闭、涂装，这对减少涂料种类，降低耗漆量等涂装管理是极为有利的。
3 应用案例
MCPU 涂料在海洋工程上已有了不少的成功应用案例。现以比利时Libert 公司在海洋采油平台等部分装置上的配套涂层及涂装要点加以阐述。
3.1 海洋采油平台中大气区及操作温度低于120℃钢结构（表8）
上述配套涂层在C5-I 大气环境下，涂层有15 a以上使用寿命：
（1）“Polyzinc”单组分湿固化聚氨酯富锌底漆干膜中的锌粉含量大于92%，接近于冷涂锌的锌粉含量（95%），作为底漆的阴极保护作用强烈，防腐蚀作用优异。
（2）“Polymicace”中间层中含有片状结构的云母氧化铁成分，“迷宫效应”十分显著。
（3） 聚氨酯底漆与基体表面有较好的附着力；加上底、中、面三个涂层均为同类型树脂，配套性能好。
（3） 聚氨酯底漆与基体表面有较好的附着力；加上底、中、面三个涂层均为同类型树脂，配套性能好。
（4） 施工性能良好：从总体来说，单组分湿固化聚氨酯涂料（包括富锌底漆）对表面处理要求低、对不利环境条件的宽容度大，这些均有利于涂层质量的提高。
按ISO 12944—2007 标准的有关规定和定义：涂层的使用寿命是指涂层到次大修的年限，即表8的配套涂层使用15 a 后，它的锈蚀等级达到ISO 4628标准的Ri 3 级（锈蚀面积为1%），此时开始次大修为有效，性价比高。
3.2 海洋采油平台中栏杆、扶手、格栅等镀锌件及不锈钢外表面
海洋采油平台装置中热浸镀锌、电弧喷锌铝、不锈钢构件配套涂层方案一直是设计和涂装技术人员面临的棘手问题。如锌、铝合金的表面喷涂磷化底漆后，不仅复涂效果不好，有的磷化底漆还含有六价铬成分，环保上不允许使用；又如热浸镀锌件高温浸锌后引起结构变形、火工校正、电焊切割后，镀锌层修补等；电弧喷锌、铝层有较高的孔隙率，必须采用效果好的封闭涂层。这些问题通过采用单组分湿固化聚氨酯涂料系列产品可完满解决，见表9。
注：Crytane DTS 是双组分聚氨酯底面合一漆，价格较便宜，经济效益好。
3.3 海洋钢结构工程灯塔与航标
跨海大桥、码头港口、海上风电、海边核电厂、海洋采油工程的陆上终端等海洋工程均需采用航标、灯塔进行指路导航。近年来，随着海洋工程的发展，我国对航标的需求量越来越大，在配套涂层方案的设计上，一般以环氧底漆、环氧中间漆和氯化橡胶面漆为主，同一般的渔轮相仿，每两年拖回来一次，所有涂层喷砂处理后，再重涂。而在比利时和挪威则采用先进的MCPU 系列产品配套（见表10），有5~10 a以上的使用寿命，经济、环保效益明显。
