水性涂料在石油鉆采裝備上的應用*

雷廣進，李 晨，劉宏亮，虞 文，孫艷超

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

世界涂料和涂裝工業產生的揮發性有機物(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”規劃綱要指出：要深入實施污染防治行動計劃，大力推進污染物達標排放和總量減排。隨著國家法規對環境保護方面的要求不斷提高，國內制造業面臨前所未有的環保壓力。在這樣的大背景下，為解決涂裝工業的VOCs排放問題，低VOCs排放、環境友好的水性涂料得到了石油鉆采裝備制造行業的重視。

1 石油鉆采裝備涂裝防腐蝕技術現狀

按照國際標準ISO 12944的劃分，石油鉆采裝備的設計工作環境一般為C4，C5甚至CX大氣腐蝕環境。在該環境下，缺少防護的機械設備可在短期內發生嚴重銹蝕，對設備工作壽命和安全性構成極大威脅。目前行業內多以環氧樹脂、聚氨酯樹脂類的雙組分溶劑型復合涂層對設備外表面進行防護。根據SY/T 6919—2012《石油鉆機和修井機涂裝規范》的規定，典型的涂裝配套見表1。

表1 石油鉆機和修井機用防腐涂料配套

標準規定設備外表面涂裝配套為：環氧(富鋅)底漆+環氧樹脂中間漆/環氧云鐵中間漆+聚氨酯面漆。為滿足不同設計防腐蝕壽命的需要，標準中還規定了涂層使用壽命的三個等級，并對各涂層干膜厚度做出了規定，見表2。

表2 不同使用壽命要求的漆膜厚度

經國內外海洋石油鉆采設備項目上的應用和檢驗，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參照SY/T 6919—2012《石油鉆機與修井機涂裝規范》進行防腐蝕設計。

2 水性涂料涂裝技術

水性涂料為多相體系，以水性環氧底漆為例，一般水性環氧樹脂以分散相形式分散在水相中，水性環氧固化劑則溶解在水中。固化成膜過程包括水分的蒸發，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狀結構，最終漆膜表現出較強的抗滲透性[2-3]。由于成膜機理的差別，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稍遜于溶劑型涂料。近年來，隨著技術的發展，通過選用高性能的環氧乳液和優化配方，可使底漆的防腐蝕性能大大提高,選用二級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，機械制造行業多采用水性雙組分環氧底漆和水性雙組分聚氨酯面漆構成的復合涂層進行產品防腐蝕[4]。

3 水性涂料性能特點

以某品牌水性涂料為例，其主要技術指標見表3。

表3 某品牌水性涂料技術指標

依據石油鉆采裝備防腐蝕要求及工況特點，參照SY/T 6919標準規定，以C4環境、中等設計壽命為例，設計產品一般外表面的水性涂裝防腐配套見表4。

表4 C4環境中等設計壽命的涂裝配套

經專業機構檢測，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)的實際VOCs排放量對比見表5。

表5 VOCs實際排放量對比

保守估算，將溶劑型涂料替換為水性涂料進行產品涂裝，VOCs排放總量可減少80%以上，環保效果明顯。

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溶劑，故其蒸發速度低于有機溶劑。為加速固化過程進行強制烘干會導致水性漆膜內外固化速度不一致，先固化的表面會抑制漆膜內部水分的揮發，最終影響成膜外觀和強度。一般要求噴涂結束后先靜置自干一段時間，降低發生涂層缺陷的風險。

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→修補打磨→噴涂面漆→流平約30 min→ 60 ℃烘干約45 min→冷卻→包裝運輸。

4.2 表面處理

石油鉆采裝備在加工制造及產品試驗的過程中，會接觸到各類油品、化學品、雜質和污物等，污染物的存在極易影響水性涂料的附著力。待涂表面應使用溶劑清洗、擦拭或高壓清洗機清洗，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，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工藝要求后方可涂漆。

4.3 涂裝施工環境

施工環境溫度應控制在10～35 ℃，環境相對濕度≤85%，待涂覆表面溫度應至少高于環境露點3 ℃以上。需要特別注意的是：水性涂料在低于0 ℃時會結冰，可能會出現不可逆的“破乳”現象造成涂料報廢，所以一般要求水性涂料的運輸和存儲環境溫度不得低于10 ℃[5-6]。

4.4 涂裝施工過程

產品的自由邊應先進行預涂，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量，推薦使用無氣噴涂設備進行噴涂施工。噴涂時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 水性涂料優勢和劣勢分析

5.1 水性涂料主要優勢

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

(2)涂裝過程中無刺鼻氣味，對操作工人健康影響小，HSE(健康、安全和環境)優勢明顯。

(3)生產設備、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產難度小。

5.2 水性涂料劣勢

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

(2)對涂裝環境十分敏感，因此施工中必須嚴格控制工藝條件。

(3)低于0 ℃有可能造成涂料報廢，故對涂料的儲存、運輸及使用環境要求更高，同時也制約了水性涂料在寒冷地區的應用。

(4)依據目前涂料生產商報價進行測算，水性涂料價格一般比溶劑型涂料高約30%。

6 結 語

隨著國內生態環境保護工作的不斷深入，水性涂料在制造業等領域的應用前景廣闊，其理論研究和開發應用迎來了難得的發展機遇。相關研發生產單位應把握發展契機，加強苛刻腐蝕環境下水性涂料耐蝕性能研究，著重解決水性涂料對施工環境敏感、運輸存儲條件苛刻、價格高等問題，逐步提高其可靠性、經濟性和適用性。加緊開發耐水、耐油、耐高溫等特殊功能的水性涂料，豐富水性涂料產品種類，為水性涂料的廣泛應用掃除障礙。