水性涂料在石油鉆采裝備上的應(yīng)用*

雷廣進(jìn)，李 晨，劉宏亮，虞 文，孫艷超

(1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞 721002)

世界涂料和涂裝工業(yè)產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)約為11 Mt/a，占VOCs排放總量的20%～25%，是僅次于汽車尾氣的全球第二大大氣污染源[1]。國家“十三五”規(guī)劃綱要指出：要深入實(shí)施污染防治行動(dòng)計(jì)劃，大力推進(jìn)污染物達(dá)標(biāo)排放和總量減排。隨著國家法規(guī)對(duì)環(huán)境保護(hù)方面的要求不斷提高，國內(nèi)制造業(yè)面臨前所未有的環(huán)保壓力。在這樣的大背景下，為解決涂裝工業(yè)的VOCs排放問題，低VOCs排放、環(huán)境友好的水性涂料得到了石油鉆采裝備制造行業(yè)的重視。

1 石油鉆采裝備涂裝防腐蝕技術(shù)現(xiàn)狀

按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 12944的劃分，石油鉆采裝備的設(shè)計(jì)工作環(huán)境一般為C4，C5甚至CX大氣腐蝕環(huán)境。在該環(huán)境下，缺少防護(hù)的機(jī)械設(shè)備可在短期內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，對(duì)設(shè)備工作壽命和安全性構(gòu)成極大威脅。目前行業(yè)內(nèi)多以環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂類的雙組分溶劑型復(fù)合涂層對(duì)設(shè)備外表面進(jìn)行防護(hù)。根據(jù)SY/T 6919—2012《石油鉆機(jī)和修井機(jī)涂裝規(guī)范》的規(guī)定，典型的涂裝配套見表1。

表1 石油鉆機(jī)和修井機(jī)用防腐涂料配套

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)備外表面涂裝配套為：環(huán)氧(富鋅)底漆+環(huán)氧樹脂中間漆/環(huán)氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆。為滿足不同設(shè)計(jì)防腐蝕壽命的需要，標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了涂層使用壽命的三個(gè)等級(jí)，并對(duì)各涂層干膜厚度做出了規(guī)定，見表2。

表2 不同使用壽命要求的漆膜厚度

經(jīng)國內(nèi)外海洋石油鉆采設(shè)備項(xiàng)目上的應(yīng)用和檢驗(yàn)，以上溶劑型涂裝配套被證明是有效和成功的。制定水性涂料涂裝配套應(yīng)參照SY/T 6919—2012《石油鉆機(jī)與修井機(jī)涂裝規(guī)范》進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)。

2 水性涂料涂裝技術(shù)

水性涂料為多相體系，以水性環(huán)氧底漆為例，一般水性環(huán)氧樹脂以分散相形式分散在水相中，水性環(huán)氧固化劑則溶解在水中。固化成膜過程包括水分的蒸發(fā)，乳液粒子的聚集、變形以及與固化劑相互作用形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最終漆膜表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗?jié)B透性[2-3]。由于成膜機(jī)理的差別，水性涂料漆膜的致密性較溶劑型涂料差，其防腐蝕性能和外觀狀態(tài)稍遜于溶劑型涂料。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，通過選用高性能的環(huán)氧乳液和優(yōu)化配方，可使底漆的防腐蝕性能大大提高,選用二級(jí)分散體的丙烯酸乳液，也大大改善了面漆的外觀及性能。目前，機(jī)械制造行業(yè)多采用水性雙組分環(huán)氧底漆和水性雙組分聚氨酯面漆構(gòu)成的復(fù)合涂層進(jìn)行產(chǎn)品防腐蝕[4]。

3 水性涂料性能特點(diǎn)

以某品牌水性涂料為例，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 某品牌水性涂料技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)石油鉆采裝備防腐蝕要求及工況特點(diǎn)，參照SY/T 6919標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，以C4環(huán)境、中等設(shè)計(jì)壽命為例，設(shè)計(jì)產(chǎn)品一般外表面的水性涂裝防腐配套見表4。

表4 C4環(huán)境中等設(shè)計(jì)壽命的涂裝配套

經(jīng)專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，在相同的干膜厚度下，采用該水性涂裝配套和原來溶劑型涂裝配套(添加10%稀料)的實(shí)際VOCs排放量對(duì)比見表5。

表5 VOCs實(shí)際排放量對(duì)比

保守估算，將溶劑型涂料替換為水性涂料進(jìn)行產(chǎn)品涂裝，VOCs排放總量可減少80%以上，環(huán)保效果明顯。

4 水性涂料施工工藝

4.1 施工工藝流程

由于水的汽化潛熱高于有機(jī)溶劑，故其蒸發(fā)速度低于有機(jī)溶劑。為加速固化過程進(jìn)行強(qiáng)制烘干會(huì)導(dǎo)致水性漆膜內(nèi)外固化速度不一致，先固化的表面會(huì)抑制漆膜內(nèi)部水分的揮發(fā)，最終影響成膜外觀和強(qiáng)度。一般要求噴涂結(jié)束后先靜置自干一段時(shí)間，降低發(fā)生涂層缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。

典型的水性涂料施工工藝流程為：清洗→烘干→噴射除銹→清理→4 h內(nèi)噴涂底漆→流平約30 min→ 60 ℃烘干約45 min→冷卻→噴涂中間漆→流平約30 min→ 60 ℃烘干約45 min→冷卻→噴涂中間漆→流平約30 min→ 60 ℃烘干約45 min→冷卻→修補(bǔ)打磨→噴涂面漆→流平約30 min→ 60 ℃烘干約45 min→冷卻→包裝運(yùn)輸。

4.2 表面處理

石油鉆采裝備在加工制造及產(chǎn)品試驗(yàn)的過程中，會(huì)接觸到各類油品、化學(xué)品、雜質(zhì)和污物等，污染物的存在極易影響水性涂料的附著力。待涂表面應(yīng)使用溶劑清洗、擦拭或高壓清洗機(jī)清洗，除去其表面的污染物，再以噴射除銹的方式將待涂覆表面處理至Sa2.5級(jí)，粗糙度為50～75 μm。待涂覆表面在涂裝前還需要再次清理，檢查灰塵殘留量符合相關(guān)工藝要求后方可涂漆。

4.3 涂裝施工環(huán)境

施工環(huán)境溫度應(yīng)控制在10～35 ℃，環(huán)境相對(duì)濕度≤85%，待涂覆表面溫度應(yīng)至少高于環(huán)境露點(diǎn)3 ℃以上。需要特別注意的是：水性涂料在低于0 ℃時(shí)會(huì)結(jié)冰，可能會(huì)出現(xiàn)不可逆的“破乳”現(xiàn)象造成涂料報(bào)廢，所以一般要求水性涂料的運(yùn)輸和存儲(chǔ)環(huán)境溫度不得低于10 ℃[5-6]。

4.4 涂裝施工過程

產(chǎn)品的自由邊應(yīng)先進(jìn)行預(yù)涂，保證局部有足夠的干膜厚度，避免涂層過早失效。為提高工作效率和成膜質(zhì)量，推薦使用無氣噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂施工。噴涂時(shí)保持噴槍垂直于待涂表面，距離待涂表面400 mm左右水平走槍，每道涂層與上一道涂層重疊50%，確保膜厚均勻、完整。

5 水性涂料優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)分析

5.1 水性涂料主要優(yōu)勢(shì)

(1)綜合VOCs排放總量不到溶劑型涂料的20%，涂裝生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物無毒無害，廢棄物處置難度小、費(fèi)用低。

(2)涂裝過程中無刺鼻氣味，對(duì)操作工人健康影響小，HSE(健康、安全和環(huán)境)優(yōu)勢(shì)明顯。

(3)生產(chǎn)設(shè)備、工藝與溶劑型涂料基本相同，用水性涂料替換溶劑型涂料的轉(zhuǎn)產(chǎn)難度小。

5.2 水性涂料劣勢(shì)

(1)其防腐蝕性能仍有待提高。大部分涂料生產(chǎn)商不建議在CX級(jí)大氣腐蝕環(huán)境下使用水性涂料涂裝配套。

(2)對(duì)涂裝環(huán)境十分敏感，因此施工中必須嚴(yán)格控制工藝條件。

(3)低于0 ℃有可能造成涂料報(bào)廢，故對(duì)涂料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用環(huán)境要求更高，同時(shí)也制約了水性涂料在寒冷地區(qū)的應(yīng)用。

(4)依據(jù)目前涂料生產(chǎn)商報(bào)價(jià)進(jìn)行測(cè)算，水性涂料價(jià)格一般比溶劑型涂料高約30%。

6 結(jié) 語

隨著國內(nèi)生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的不斷深入，水性涂料在制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，其理論研究和開發(fā)應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。相關(guān)研發(fā)生產(chǎn)單位應(yīng)把握發(fā)展契機(jī)，加強(qiáng)苛刻腐蝕環(huán)境下水性涂料耐蝕性能研究，著重解決水性涂料對(duì)施工環(huán)境敏感、運(yùn)輸存儲(chǔ)條件苛刻、價(jià)格高等問題，逐步提高其可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適用性。加緊開發(fā)耐水、耐油、耐高溫等特殊功能的水性涂料，豐富水性涂料產(chǎn)品種類，為水性涂料的廣泛應(yīng)用掃除障礙。