任 剛1，呂 偉1，楊 鋒1，李曉煒2，張 雷3，段永鋒2

（1. 中國(guó)石化股份有限公司煉油事業(yè)部，北京100728；2. 中石化煉化工程集團(tuán)洛陽(yáng)技術(shù)研發(fā)中心，河南洛陽(yáng)471003；3. 中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇常州213016）

摘要：水性涂料是綠色環(huán)保化的一個(gè)重要方向，通過(guò)從產(chǎn)品的優(yōu)劣勢(shì)、性能特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果和綜合成本等方面對(duì)水性涂料進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估和分析，結(jié)果表明：服役3 a以上的水性防腐涂層均出現(xiàn)不同程度的粉化，且隨著服役年限的延長(zhǎng)，涂層的粉化程度變高；水性涂料較同類型的溶劑型涂料價(jià)格平均高41.7%，防腐工程項(xiàng)目采用水性涂料較采用溶劑型涂料費(fèi)用增加13.0%。從原材料、施工環(huán)境、涂裝工序及完工檢查等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出質(zhì)量控制措施，明確了水性涂料在石化領(lǐng)域應(yīng)用的可行性和適用范圍，為水性涂料在石化行業(yè)的應(yīng)用提供實(shí)踐數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：水性涂料；煉化企業(yè)；施工環(huán)境；綜合成本；適用性分析

參考文獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)著錄格式：

任剛，呂偉，楊鋒，等. 水性涂料在煉化企業(yè)應(yīng)用的現(xiàn)狀及適用性分析[J]. 涂料工業(yè)，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

基金項(xiàng)目:中國(guó)石化科技開發(fā)項(xiàng)目（CLY19141，CLY21055）

環(huán)保法規(guī)的要求越來(lái)越高，溶劑型涂料的發(fā)展與應(yīng)用受到了極大的限制，水性涂料作為傳統(tǒng)溶劑型涂料的替代產(chǎn)品之一，獲得廣泛應(yīng)用涂料在線coatingol.com。但是，水性涂料在性能指標(biāo)、施工環(huán)境要求、成本及應(yīng)用效果等方面與溶劑型涂料仍存在一定的差異。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，如果施工單位對(duì)水性涂料的特性認(rèn)識(shí)不足，施工過(guò)程把關(guān)不嚴(yán)，水性涂料的性能難以發(fā)揮，甚至造成涂層過(guò)早失效，嚴(yán)重影響水性涂料在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用。

基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)石化行業(yè)水性涂料產(chǎn)品種類繁多、質(zhì)量參差不齊的現(xiàn)狀，本文從水性涂料產(chǎn)品的優(yōu)劣勢(shì)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)性等方面開展了系統(tǒng)性研究和評(píng)估，明確其在石化領(lǐng)域應(yīng)用的可行性及適用范圍，為水性涂料在石化行業(yè)的合理應(yīng)用提供實(shí)踐數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐，助力煉化企業(yè)的綠色、環(huán)保、高效運(yùn)行。

1 水性涂料在石化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，世界各國(guó)均投入巨大成本用于開發(fā)各種溶劑型替代涂料，其中水性涂料以其在環(huán)保、安全等方面的優(yōu)勢(shì)，獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。我國(guó)也出臺(tái)了一系列政策法規(guī)鼓勵(lì)水性涂料的發(fā)展與應(yīng)用，目前基于水性、溶劑型和粉末涂料而言，國(guó)內(nèi)水性涂料用量占比達(dá)30%以上，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在一定的差距。我國(guó)水性涂料的應(yīng)用主要集中在汽車、工程機(jī)械及集裝箱等工業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)車間涂裝施工能夠有效保證涂層的施工質(zhì)量，整體效果良好。而石化行業(yè)多數(shù)需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工，由于施工環(huán)境復(fù)雜、過(guò)程質(zhì)量控制難度大，導(dǎo)致水性涂料在石化領(lǐng)域的應(yīng)用比例相對(duì)偏低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中石化系統(tǒng)內(nèi)采用水性涂料的企業(yè)約占55%，其中水性涂料用量大于50%的企業(yè)僅占1/3。涂層的設(shè)計(jì)使用壽命大多數(shù)為6 a，少數(shù)設(shè)計(jì)使用壽命為10 a。

目前，石化領(lǐng)域防腐涂層配套體系的選擇多參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3022—2019《石油化工設(shè)備和管道涂料防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，其中水性涂料外防腐配套主要采用環(huán)氧富鋅底漆（60 μm）+環(huán)氧云鐵中間漆（100 μm）+脂肪族聚氨酯面漆（80 μm），總干膜厚度約240 μm。為了解水性涂料在煉化企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用效果，研究了涂覆相同配套體系水性涂料的儲(chǔ)罐在不同服役年限的外觀。不同服役年限儲(chǔ)罐的涂層外觀整體良好，除服役10 a的儲(chǔ)罐的附屬鋼結(jié)構(gòu)涂層有局部開裂和剝落，以及服役超過(guò)3 a的儲(chǔ)罐表面有不同程度的粉化外，其他儲(chǔ)罐表面涂層均未出現(xiàn)明顯的開裂、剝落及銹蝕等問(wèn)題。參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 30789. 6—2015《色漆和清漆　涂層老化的評(píng)價(jià)缺陷的數(shù)量和大小以及外觀均勻變化程度的標(biāo)識(shí)　第6部分：膠帶法評(píng)定粉化等級(jí)》采用膠帶法對(duì)不同服役年限水性涂層進(jìn)行粉化等級(jí)測(cè)定，結(jié)果如圖1所示。

針對(duì)部署在中石化系統(tǒng)內(nèi)不同海域、內(nèi)陸及沿江煉化企業(yè)的不同大氣腐蝕環(huán)境下的聚氨酯面漆涂層曝曬試樣，經(jīng)1 a左右的曝曬試驗(yàn)后，其失光率如圖2所示。

由圖2可以看出，同一企業(yè)的水性聚氨酯面漆的失光率均大于溶劑型聚氨酯面漆的。

2 水性涂料的特性分析

2.1 水性涂料的優(yōu)劣勢(shì)

水性涂料以水作為溶劑，較傳統(tǒng)的溶劑型涂料在安全性、貯存與運(yùn)輸、涂裝施工和廢物處理等方面均具有較大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)水性涂料的發(fā)展和應(yīng)用起到了極大的促進(jìn)作用。但是，水性涂料在表面處理、施工環(huán)境等方面的要求更高、涂層性能等方面仍存在不足，且較同類型的溶劑型涂料的成本高，詳細(xì)內(nèi)容如圖3所示。

2.2 與同類型溶劑型涂料的對(duì)比

通過(guò)對(duì)比水性環(huán)氧、水性環(huán)氧富鋅、水性丙烯酸、水性醇酸及水性聚氨酯等水性涂料與同類型溶劑型涂料現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的性能指標(biāo)，其中環(huán)氧類涂料參考HG/T 4759—2014《水性環(huán)氧樹脂防腐涂料》和HG/T 4566—2013《環(huán)氧樹脂底漆》；環(huán)氧富鋅涂料參考HG/T 3668—2020《富鋅底漆》；醇酸涂料參考HG/T 4847—2015《水性醇酸樹脂涂料》和HG/T25251—2010《醇酸樹脂涂料》；丙烯酸涂料參考HG/T 4758—2014《水性丙烯酸樹脂涂料》和HG/T25264—2010《溶劑型丙烯酸樹脂涂料》；聚氨酯涂料參考HG/T 4761—2014《水性聚氨酯涂料》和HG/T2454—2014《溶劑型聚氨酯涂料（雙組分）》，并同時(shí)結(jié)合HG/T 5176—2017《鋼結(jié)構(gòu)用水性防腐涂料》各類型水性涂料進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，各類涂料標(biāo)準(zhǔn)中外觀狀態(tài)、耐沖擊性、附著力、耐酸堿性等性能指標(biāo)趨于一致，主要在不揮發(fā)物含量、柔韌性、耐鹽霧性和耐候性（人工加速老化試驗(yàn)）等方面存在差異，結(jié)果如表1所示。

由表1可以看出，水性涂料的部分性能指標(biāo)低于同類型溶劑型涂料，此外，對(duì)水性涂料在閃銹抑制性、貯存穩(wěn)定性、凍融穩(wěn)定性、早期耐水性等方面提出了更多的要求。

2.3 施工環(huán)境要求及控制

水的比熱容為4.2 kJ/ （kg·℃），較常用有機(jī)溶劑的大，如二甲苯的比熱容為1.36 kJ/（ kg·℃），水蒸發(fā)過(guò)程會(huì)吸收大量熱能，因此環(huán)境溫度和相對(duì)濕度（RH）的變化會(huì)極大地影響涂層的干燥速度。施工環(huán)境對(duì)水性涂料干燥過(guò)程的影響如圖4所示。

由圖4（a）可以看出，在同一相對(duì)濕度下，溫度越高，水性涂料的干燥時(shí)間越短。相較于溶劑型涂料，水性涂料對(duì)施工環(huán)境更加敏感，在冬季或雨季，環(huán)境溫度低、相對(duì)濕度大，水分在低溫或高濕條件下?lián)]發(fā)速度減慢，導(dǎo)致涂層干燥變慢，若不采取措施，極易出現(xiàn)流掛、閃銹、不干等涂層質(zhì)量問(wèn)題。

從圖4（b）可以看出，水性涂料的最佳施工窗口溫度為10~35 ℃，相對(duì)濕度為40%~70%。在實(shí)際施工過(guò)程中，施工環(huán)境超出施工窗口期時(shí)，常需要采取涂料加溫、選擇通風(fēng)/加溫、移動(dòng)式烘房等措施，確保涂層正常干燥。

因此，水性涂料的施工受溫度、相對(duì)濕度等影響較大，因此，以現(xiàn)有的技術(shù)條件，理想施工條件下水性涂料的最終性能可以達(dá)到或接近溶劑型涂料。但是，水性涂料對(duì)于施工條件的要求非常高，目前工業(yè)水性涂料的施工對(duì)于任何供應(yīng)商以及施工單位都是極具挑戰(zhàn)性的工作。唯有在應(yīng)用過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況不斷優(yōu)化產(chǎn)品、方案和工藝，才能持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量，獲得理想的防護(hù)效果。

3 綜合成本分析

隨著原材料的升級(jí)和水性技術(shù)的日趨成熟，未來(lái)水性涂料的市場(chǎng)定價(jià)會(huì)比當(dāng)下更具競(jìng)爭(zhēng)力。統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)某煉化企業(yè)近5 a內(nèi)水性涂料的采購(gòu)價(jià)格發(fā)現(xiàn)，各類水性涂料的價(jià)格均呈現(xiàn)逐年降低的趨勢(shì)，其中水性環(huán)氧富鋅底漆2022年價(jià)格（37.3元/kg）較2018年（39.9 元/kg）下降了6.5%，水性聚氨酯面漆2022 年價(jià)格（40.9 元/kg）較2018 年（44.7 元/kg）下降了8.5%，水性環(huán)氧導(dǎo)靜電涂料2022年價(jià)格（43.2元/kg）較2018年（50.2元/kg）下降了13.9%，3種涂料5 a內(nèi)的價(jià)格平均降幅近10%。由此可見，未來(lái)水性涂料價(jià)格將逐步接近同類型溶劑型涂料的價(jià)格。

為全面、客觀地反映水性涂料和溶劑型涂料的價(jià)格，本文統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)某大型石化企業(yè)網(wǎng)絡(luò)交易平臺(tái)2022年各類涂料及稀釋劑的價(jià)格。由于水性涂料和溶劑型涂料的體積固含量略有不同，單位面積涂料用量有所差異，因而將各涂料的價(jià)格統(tǒng)一換算為膜厚100 μm的涂層單位面積的成本造價(jià)進(jìn)行對(duì)比。溶劑型涂料在施工過(guò)程中通常需要加入一定量的稀釋劑調(diào)節(jié)黏度，也需要一定的費(fèi)用，而水性涂料可以直接加水稀釋，成本可忽略不計(jì)，因此將水性涂料與溶劑型涂料+稀釋劑的價(jià)格進(jìn)行對(duì)比更為合理，溶劑型涂料的稀釋劑用量以15%計(jì)，煉化企業(yè)常用水性和溶劑型涂料的價(jià)格對(duì)比結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，各類水性涂料產(chǎn)品價(jià)格均高于同類型溶劑型涂料+稀釋劑的價(jià)格，且水性涂料較溶劑型涂料的平均價(jià)格高41.7%。

水性涂料在煉化企業(yè)的應(yīng)用成本受原材料價(jià)格、運(yùn)輸和貯存成本、施工費(fèi)用、危廢處理、人員勞動(dòng)保護(hù)費(fèi)用、環(huán)保監(jiān)測(cè)等多種因素影響，本文分別從各方面進(jìn)行綜合成本分析，同時(shí)與溶劑型產(chǎn)品的成本進(jìn)行對(duì)比。

以一臺(tái)5 000 m3的成品油罐外防腐工程為例，項(xiàng)目總費(fèi)用約30萬(wàn)元，其中原材料費(fèi)占30%，技術(shù)措施費(fèi)（腳手架搭設(shè)等）占28%，表面處理費(fèi)14%，涂裝費(fèi)占18%，其他費(fèi)用約占10%。結(jié)合前文水性涂料和溶劑型涂料在原材料、施工、危廢處理等各方面費(fèi)用的差異，對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示。忽略無(wú)法核算的費(fèi)用，采用水性涂料比采用溶劑型涂料的項(xiàng)目費(fèi)用增加13.0%。

4 水性涂料在石化領(lǐng)域應(yīng)用的建議

4.1 關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量控制

（1）原材料控制。中國(guó)石化對(duì)標(biāo)一流、高質(zhì)量發(fā)展理念的提出，對(duì)防腐工程提出了新的要求，即煉化企業(yè)新建防腐工程設(shè)計(jì)使用壽命需達(dá)到15 a。因此企業(yè)在采購(gòu)水性涂料產(chǎn)品時(shí)應(yīng)明確要求相關(guān)性能應(yīng)滿足GB/T 50393—2017《鋼質(zhì)石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、SH/T 3022—2019《石油化工設(shè)備和管道涂料防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)對(duì)不同批次水性涂料進(jìn)行指紋檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比現(xiàn)行國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中外防腐涂層配套體系質(zhì)量要求，如ISO 12944-6：2018《Paints and varnishes—Corrosion protection of steelLaboratory performance test methods》、GB/T 30790. 6—2014《色漆和清漆防護(hù)涂料體系對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕保護(hù)第6部分：實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試方法》、SPMP-STDEM2019《中國(guó)石化防腐絕熱質(zhì)量提升工程規(guī)定》，對(duì)滿足C5環(huán)境的凝露試驗(yàn)、中性鹽霧試驗(yàn)和循環(huán)老化試驗(yàn)提出了不同的要求，其中凝露試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ISO 6270-1：2017 《Paints and varnishes—Determination of resistance to humidity—Part 1：Condensation（single-sided exposure）》或GB/T 13893—2008《色漆和清漆耐濕性的測(cè)定 連續(xù)冷凝法》，中性鹽霧試驗(yàn)執(zhí)行ISO 9227：2017《Corrosion tests inartificial atmospheres—Salt spray tests》或GB/T 1771—2007《色漆和清漆耐中性鹽霧性能的測(cè)定》，循環(huán)老化試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)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》，具體如表3 所示。因此，水性涂料的涂層體系若用于C5及以下大氣腐蝕環(huán)境時(shí)應(yīng)滿足表3 中的耐腐蝕和耐人工老化性能要求。

（2）施工環(huán)境。水性涂料施工環(huán)境要求溫度為5~40 ℃，相對(duì)濕度應(yīng)低于80%，相對(duì)濕度超過(guò)80%時(shí)必須停止施工，或采取通風(fēng)、加溫、除濕等相應(yīng)的環(huán)境控制措施。

（3）稀釋。水性涂料通過(guò)加水進(jìn)行稀釋，稀釋過(guò)程中應(yīng)注意：①稀釋用水必須為純凈水（去離子水），嚴(yán)禁加入污染水，加入量一般≤5%；②稀釋用水必須一次加注到位，嚴(yán)禁二次加水或在涂料使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)黏度過(guò)大再次加水調(diào)節(jié)；③必須在混合A、B組分后加水，嚴(yán)禁單獨(dú)加入到A、B組分；④建議在冬季或夏季采用熱水或冷水作為稀釋水，以保證其適用期，但嚴(yán)禁采用過(guò)熱（>40 ℃）或過(guò)冷（<5 ℃）的水進(jìn)行稀釋。

（4）完工質(zhì)量檢查。涂層質(zhì)量檢查內(nèi)容包括外觀、干膜厚度、附著力和光澤等。①目測(cè)檢查涂層表面，外觀應(yīng)保證平整光滑，無(wú)漏涂、返銹、氣泡、流掛、皺皮等，觸摸涂層表面不脫色；②采用涂層測(cè)厚儀檢查干膜厚度，檢查結(jié)果符合“90-10”規(guī)則，即所有單個(gè)干膜厚度值應(yīng)不低于設(shè)計(jì)值的90%，且所有測(cè)量點(diǎn)中低于設(shè)計(jì)值但不低于設(shè)計(jì)值90%的測(cè)量點(diǎn)數(shù)不超過(guò)總測(cè)量點(diǎn)數(shù)的90%，另外最大干膜厚度不超過(guò)設(shè)計(jì)值的3倍；③采用拉開法檢測(cè)涂層附著力，結(jié)果應(yīng)滿足涂層的性能指標(biāo)要求；④如對(duì)涂層光澤及保光性有要求，應(yīng)檢測(cè)涂層光澤。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)過(guò)科研工作者多年的努力，水性涂料已取得了較大的進(jìn)步和發(fā)展，然而該領(lǐng)域仍存在一些亟待解決的難點(diǎn)和問(wèn)題，主要集中在以下幾個(gè)方面：①需要加快原材料的技術(shù)升級(jí)；②施工性及環(huán)境控制措施有待改進(jìn)；③新型水性涂料有待開發(fā)、完善；④固含量，耐水、耐浸漬性，光澤、保光率等有待提高。水性涂料行業(yè)需在摸索中積累經(jīng)驗(yàn)并不斷進(jìn)步，更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展及應(yīng)用應(yīng)基于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈（包括但不僅限于水性樹脂、助劑、涂裝設(shè)備及工具等）的整體發(fā)展。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高和環(huán)保法規(guī)的不斷完善，綠色發(fā)展將成為我國(guó)涂料行業(yè)發(fā)展的主旋律。水性、無(wú)溶劑和高固含涂料已成為我國(guó)綠色防腐涂料的主要發(fā)展方向。無(wú)溶劑涂料由合成樹脂、固化劑和活性溶劑制得，其VOCs含量趨于零；高固含涂料一般指固體分含量在65%~85% 的涂料，可以有效減少涂料的消耗量和VOCs 揮發(fā)量，兩者均為“環(huán)境友好型涂料”。毋庸置疑，水性涂料是綠色環(huán)保化的一個(gè)重要方向，而無(wú)溶劑和高固含涂料因其在施工性、耐腐蝕和耐候性等方面的優(yōu)勢(shì)使其成為性能優(yōu)異的低VOCs 涂料產(chǎn)品，同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)性研究和評(píng)估水性涂料的優(yōu)劣勢(shì)、性能特點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果和綜合成本等，客觀、全面評(píng)價(jià)了水性涂料。目前，中國(guó)石化煉化企業(yè)采用水性涂料的企業(yè)約占55%，其中水性涂料用量超過(guò)50%的企業(yè)占1/3。在應(yīng)用效果方面，服役3 a以上的水性防腐涂層均出現(xiàn)不同程度的粉化，且隨著服役年限的延長(zhǎng)，涂層的粉化程度變高。在綜合成本方面，水性涂料較同類型的溶劑型涂料價(jià)格平均高41.7%，但在VOCs監(jiān)測(cè)及處理費(fèi)用、倉(cāng)儲(chǔ)費(fèi)用、人員健康和勞動(dòng)防護(hù)用品費(fèi)用等方面具有成本優(yōu)勢(shì)。

為保證水性涂料在煉化企業(yè)的應(yīng)用效果，建議從原材料、施工環(huán)境、涂裝工序、完工檢查等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量控制，并著力提高水性涂料的固含量、施工性、耐水/耐浸漬性、保光性等性能。今后一段時(shí)期，建議煉化企業(yè)在綜合分析的基礎(chǔ)上，因地制宜地選用合適的涂料，呈現(xiàn)水性涂料、無(wú)溶劑涂料和高固含涂等環(huán)保型涂料的多足鼎立、相互補(bǔ)充、協(xié)同發(fā)展的趨勢(shì)。

來(lái)源：涂料在線