水性涂料在炼化企业应用的现状及适用性分析

2024-01-19 08:55:39 admin 34

任 刚1,吕 伟1,杨 锋1,李晓炜2,张 雷3,段永锋2

(1. 中国石化股份有限公司炼油事业部,北京100728;2. 中石化炼化工程集团洛阳技术研发中心,河南洛阳471003;3. 中海油常州涂料化工研究院有限公司,江苏常州213016)


摘要:水性涂料是绿色环保化的一个重要方向,通过从产品的优劣势、性能特点、现场应用效果和综合成本等方面对水性涂料进行系统评估和分析,结果表明:服役3 a以上的水性防腐涂层均出现不同程度的粉化,且随着服役年限的延长,涂层的粉化程度变高;水性涂料较同类型的溶剂型涂料价格平均高41.7%,防腐工程项目采用水性涂料较采用溶剂型涂料费用增加13.0%。从原材料、施工环境、涂装工序及完工检查等关键环节提出质量控制措施,明确了水性涂料在石化领域应用的可行性和适用范围,为水性涂料在石化行业的应用提供实践数据和技术支撑。


关键词:水性涂料;炼化企业;施工环境;综合成本;适用性分析


参考文献标准著录格式:

任刚,吕伟,杨锋,等. 水性涂料在炼化企业应用的现状及适用性分析[J]. 涂料工业,2023,53(11):51-57.

REN G,LÜ W,YANG F,et al. Application and applicability analysis of waterborne coatings in petrochemical enterprise[J]. Paint & Coatings Industry,2023,53(11):51-57.

DOI:10.12020/j.issn.0253-4312.2023-072


基金项目:中国石化科技开发项目(CLY19141,CLY21055)


环保法规的要求越来越高,溶剂型涂料的发展与应用受到了极大的限制,水性涂料作为传统溶剂型涂料的替代产品之一,获得广泛应用涂料在线coatingol.com。但是,水性涂料在性能指标、施工环境要求、成本及应用效果等方面与溶剂型涂料仍存在一定的差异。在实际应用过程中,如果施工单位对水性涂料的特性认识不足,施工过程把关不严,水性涂料的性能难以发挥,甚至造成涂层过早失效,严重影响水性涂料在石油化工领域的应用。


基于当前国内石化行业水性涂料产品种类繁多、质量参差不齐的现状,本文从水性涂料产品的优劣势、现场应用效果和经济性等方面开展了系统性研究和评估,明确其在石化领域应用的可行性及适用范围,为水性涂料在石化行业的合理应用提供实践数据和技术支撑,助力炼化企业的绿色、环保、高效运行。


1 水性涂料在石化领域的应用现状


近年来,世界各国均投入巨大成本用于开发各种溶剂型替代涂料,其中水性涂料以其在环保、安全等方面的优势,获得了长足的发展。我国也出台了一系列政策法规鼓励水性涂料的发展与应用,目前基于水性、溶剂型和粉末涂料而言,国内水性涂料用量占比达30%以上,但与发达国家相比仍存在一定的差距。我国水性涂料的应用主要集中在汽车、工程机械及集装箱等工业领域,通过车间涂装施工能够有效保证涂层的施工质量,整体效果良好。而石化行业多数需要进行现场施工,由于施工环境复杂、过程质量控制难度大,导致水性涂料在石化领域的应用比例相对偏低。据统计,目前中石化系统内采用水性涂料的企业约占55%,其中水性涂料用量大于50%的企业仅占1/3。涂层的设计使用寿命大多数为6 a,少数设计使用寿命为10 a。


目前,石化领域防腐涂层配套体系的选择多参照行业标准SH/T 3022—2019《石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计标准》执行,其中水性涂料外防腐配套主要采用环氧富锌底漆(60 μm)+环氧云铁中间漆(100 μm)+脂肪族聚氨酯面漆(80 μm),总干膜厚度约240 μm。为了解水性涂料在炼化企业的实际应用效果,研究了涂覆相同配套体系水性涂料的储罐在不同服役年限的外观。不同服役年限储罐的涂层外观整体良好,除服役10 a的储罐的附属钢结构涂层有局部开裂和剥落,以及服役超过3 a的储罐表面有不同程度的粉化外,其他储罐表面涂层均未出现明显的开裂、剥落及锈蚀等问题。参照标准GB/T 30789. 6—2015《色漆和清漆 涂层老化的评价缺陷的数量和大小以及外观均匀变化程度的标识 第6部分:胶带法评定粉化等级》采用胶带法对不同服役年限水性涂层进行粉化等级测定,结果如图1所示。

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针对部署在中石化系统内不同海域、内陆及沿江炼化企业的不同大气腐蚀环境下的聚氨酯面漆涂层曝晒试样,经1 a左右的曝晒试验后,其失光率如图2所示。


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由图2可以看出,同一企业的水性聚氨酯面漆的失光率均大于溶剂型聚氨酯面漆的。


2 水性涂料的特性分析


2.1 水性涂料的优劣势


水性涂料以水作为溶剂,较传统的溶剂型涂料在安全性、贮存与运输、涂装施工和废物处理等方面均具有较大的优势,对水性涂料的发展和应用起到了极大的促进作用。但是,水性涂料在表面处理、施工环境等方面的要求更高、涂层性能等方面仍存在不足,且较同类型的溶剂型涂料的成本高,详细内容如图3所示。

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2.2 与同类型溶剂型涂料的对比


通过对比水性环氧、水性环氧富锌、水性丙烯酸、水性醇酸及水性聚氨酯等水性涂料与同类型溶剂型涂料现行标准中的性能指标,其中环氧类涂料参考HG/T 4759—2014《水性环氧树脂防腐涂料》和HG/T 4566—2013《环氧树脂底漆》;环氧富锌涂料参考HG/T 3668—2020《富锌底漆》;醇酸涂料参考HG/T 4847—2015《水性醇酸树脂涂料》和HG/T25251—2010《醇酸树脂涂料》;丙烯酸涂料参考HG/T 4758—2014《水性丙烯酸树脂涂料》和HG/T25264—2010《溶剂型丙烯酸树脂涂料》;聚氨酯涂料参考HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》和HG/T2454—2014《溶剂型聚氨酯涂料(双组分)》,并同时结合HG/T 5176—2017《钢结构用水性防腐涂料》各类型水性涂料进行对比。结果表明,各类涂料标准中外观状态、耐冲击性、附着力、耐酸碱性等性能指标趋于一致,主要在不挥发物含量、柔韧性、耐盐雾性和耐候性(人工加速老化试验)等方面存在差异,结果如表1所示。

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由表1可以看出,水性涂料的部分性能指标低于同类型溶剂型涂料,此外,对水性涂料在闪锈抑制性、贮存稳定性、冻融稳定性、早期耐水性等方面提出了更多的要求。


2.3 施工环境要求及控制


水的比热容为4.2 kJ/ (kg·℃),较常用有机溶剂的大,如二甲苯的比热容为1.36 kJ/( kg·℃),水蒸发过程会吸收大量热能,因此环境温度和相对湿度(RH)的变化会极大地影响涂层的干燥速度。施工环境对水性涂料干燥过程的影响如图4所示。

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由图4(a)可以看出,在同一相对湿度下,温度越高,水性涂料的干燥时间越短。相较于溶剂型涂料,水性涂料对施工环境更加敏感,在冬季或雨季,环境温度低、相对湿度大,水分在低温或高湿条件下挥发速度减慢,导致涂层干燥变慢,若不采取措施,极易出现流挂、闪锈、不干等涂层质量问题。


从图4(b)可以看出,水性涂料的最佳施工窗口温度为10~35 ℃,相对湿度为40%~70%。在实际施工过程中,施工环境超出施工窗口期时,常需要采取涂料加温、选择通风/加温、移动式烘房等措施,确保涂层正常干燥。


因此,水性涂料的施工受温度、相对湿度等影响较大,因此,以现有的技术条件,理想施工条件下水性涂料的最终性能可以达到或接近溶剂型涂料。但是,水性涂料对于施工条件的要求非常高,目前工业水性涂料的施工对于任何供应商以及施工单位都是极具挑战性的工作。唯有在应用过程中,根据实际情况不断优化产品、方案和工艺,才能持续提升产品质量,获得理想的防护效果。


3 综合成本分析


随着原材料的升级和水性技术的日趋成熟,未来水性涂料的市场定价会比当下更具竞争力。统计国内某炼化企业近5 a内水性涂料的采购价格发现,各类水性涂料的价格均呈现逐年降低的趋势,其中水性环氧富锌底漆2022年价格(37.3元/kg)较2018年(39.9 元/kg)下降了6.5%,水性聚氨酯面漆2022 年价格(40.9 元/kg)较2018 年(44.7 元/kg)下降了8.5%,水性环氧导静电涂料2022年价格(43.2元/kg)较2018年(50.2元/kg)下降了13.9%,3种涂料5 a内的价格平均降幅近10%。由此可见,未来水性涂料价格将逐步接近同类型溶剂型涂料的价格。


为全面、客观地反映水性涂料和溶剂型涂料的价格,本文统计了国内某大型石化企业网络交易平台2022年各类涂料及稀释剂的价格。由于水性涂料和溶剂型涂料的体积固含量略有不同,单位面积涂料用量有所差异,因而将各涂料的价格统一换算为膜厚100 μm的涂层单位面积的成本造价进行对比。溶剂型涂料在施工过程中通常需要加入一定量的稀释剂调节黏度,也需要一定的费用,而水性涂料可以直接加水稀释,成本可忽略不计,因此将水性涂料与溶剂型涂料+稀释剂的价格进行对比更为合理,溶剂型涂料的稀释剂用量以15%计,炼化企业常用水性和溶剂型涂料的价格对比结果如图5所示。由图5可以看出,各类水性涂料产品价格均高于同类型溶剂型涂料+稀释剂的价格,且水性涂料较溶剂型涂料的平均价格高41.7%。

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水性涂料在炼化企业的应用成本受原材料价格、运输和贮存成本、施工费用、危废处理、人员劳动保护费用、环保监测等多种因素影响,本文分别从各方面进行综合成本分析,同时与溶剂型产品的成本进行对比。


以一台5 000 m3的成品油罐外防腐工程为例,项目总费用约30万元,其中原材料费占30%,技术措施费(脚手架搭设等)占28%,表面处理费14%,涂装费占18%,其他费用约占10%。结合前文水性涂料和溶剂型涂料在原材料、施工、危废处理等各方面费用的差异,对二者进行对比,结果如表2所示。忽略无法核算的费用,采用水性涂料比采用溶剂型涂料的项目费用增加13.0%。

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4 水性涂料在石化领域应用的建议


4.1 关键环节质量控制


(1)原材料控制。中国石化对标一流、高质量发展理念的提出,对防腐工程提出了新的要求,即炼化企业新建防腐工程设计使用寿命需达到15 a。因此企业在采购水性涂料产品时应明确要求相关性能应满足GB/T 50393—2017《钢质石油储罐防腐蚀工程技术标准》、SH/T 3022—2019《石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计标准》等标准要求,同时对不同批次水性涂料进行指纹检测。通过对比现行国内外标准中外防腐涂层配套体系质量要求,如ISO 12944-6:2018《Paints and varnishes—Corrosion protection of steelLaboratory performance test methods》、GB/T 30790. 6—2014《色漆和清漆防护涂料体系对钢结构的防腐蚀保护第6部分:实验室性能测试方法》、SPMP-STDEM2019《中国石化防腐绝热质量提升工程规定》,对满足C5环境的凝露试验、中性盐雾试验和循环老化试验提出了不同的要求,其中凝露试验执行标准ISO 6270-1:2017 《Paints and varnishes—Determination of resistance to humidity—Part 1:Condensation(single-sided exposure)》或GB/T 13893—2008《色漆和清漆耐湿性的测定 连续冷凝法》,中性盐雾试验执行ISO 9227:2017《Corrosion tests inartificial atmospheres—Salt spray tests》或GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性盐雾性能的测定》,循环老化试验执行标准ISO 12944-9:2018《Paints andvarnishes—Corrosion protection of steel structures byprotective paint systems—Part 9:Protective paintsystems and laboratory performance test methods foroffshore and related structures》,具体如表3 所示。因此,水性涂料的涂层体系若用于C5及以下大气腐蚀环境时应满足表3 中的耐腐蚀和耐人工老化性能要求。

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(2)施工环境。水性涂料施工环境要求温度为5~40 ℃,相对湿度应低于80%,相对湿度超过80%时必须停止施工,或采取通风、加温、除湿等相应的环境控制措施。


(3)稀释。水性涂料通过加水进行稀释,稀释过程中应注意:①稀释用水必须为纯净水(去离子水),严禁加入污染水,加入量一般≤5%;②稀释用水必须一次加注到位,严禁二次加水或在涂料使用过程中发现黏度过大再次加水调节;③必须在混合A、B组分后加水,严禁单独加入到A、B组分;④建议在冬季或夏季采用热水或冷水作为稀释水,以保证其适用期,但严禁采用过热(>40 ℃)或过冷(<5 ℃)的水进行稀释。


(4)完工质量检查。涂层质量检查内容包括外观、干膜厚度、附着力和光泽等。①目测检查涂层表面,外观应保证平整光滑,无漏涂、返锈、气泡、流挂、皱皮等,触摸涂层表面不脱色;②采用涂层测厚仪检查干膜厚度,检查结果符合“90-10”规则,即所有单个干膜厚度值应不低于设计值的90%,且所有测量点中低于设计值但不低于设计值90%的测量点数不超过总测量点数的90%,另外最大干膜厚度不超过设计值的3倍;③采用拉开法检测涂层附着力,结果应满足涂层的性能指标要求;④如对涂层光泽及保光性有要求,应检测涂层光泽。


4.2 发展趋势


经过科研工作者多年的努力,水性涂料已取得了较大的进步和发展,然而该领域仍存在一些亟待解决的难点和问题,主要集中在以下几个方面:①需要加快原材料的技术升级;②施工性及环境控制措施有待改进;③新型水性涂料有待开发、完善;④固含量,耐水、耐浸渍性,光泽、保光率等有待提高。水性涂料行业需在摸索中积累经验并不断进步,更长远的发展及应用应基于整个产业链(包括但不仅限于水性树脂、助剂、涂装设备及工具等)的整体发展。


随着人们环保意识的提高和环保法规的不断完善,绿色发展将成为我国涂料行业发展的主旋律。水性、无溶剂和高固含涂料已成为我国绿色防腐涂料的主要发展方向。无溶剂涂料由合成树脂、固化剂和活性溶剂制得,其VOCs含量趋于零;高固含涂料一般指固体分含量在65%~85% 的涂料,可以有效减少涂料的消耗量和VOCs 挥发量,两者均为“环境友好型涂料”。毋庸置疑,水性涂料是绿色环保化的一个重要方向,而无溶剂和高固含涂料因其在施工性、耐腐蚀和耐候性等方面的优势使其成为性能优异的低VOCs 涂料产品,同样具有广阔的应用前景。


5 结 语


通过系统性研究和评估水性涂料的优劣势、性能特点、现场应用效果和综合成本等,客观、全面评价了水性涂料。目前,中国石化炼化企业采用水性涂料的企业约占55%,其中水性涂料用量超过50%的企业占1/3。在应用效果方面,服役3 a以上的水性防腐涂层均出现不同程度的粉化,且随着服役年限的延长,涂层的粉化程度变高。在综合成本方面,水性涂料较同类型的溶剂型涂料价格平均高41.7%,但在VOCs监测及处理费用、仓储费用、人员健康和劳动防护用品费用等方面具有成本优势。


为保证水性涂料在炼化企业的应用效果,建议从原材料、施工环境、涂装工序、完工检查等关键环节进行质量控制,并着力提高水性涂料的固含量、施工性、耐水/耐浸渍性、保光性等性能。今后一段时期,建议炼化企业在综合分析的基础上,因地制宜地选用合适的涂料,呈现水性涂料、无溶剂涂料和高固含涂等环保型涂料的多足鼎立、相互补充、协同发展的趋势。


来源:涂料在线

常州涂料网

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