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环保涂料在海洋石油设施防腐中的应用
2021年12月29日    阅读量:     新闻来源:《涂层与防护》  |  投稿

0 引 言


海洋石油平台、导管架、海底管道等油田设施结构复杂,所处腐蚀环境恶劣,维修难度大,长效防腐涂层是海洋石油设施防腐最常用的措施。常用的防腐涂层系统基本上由3层组成:底漆、中间漆和面漆。添加锌粉、氧化铁红、云母氧化铁或玻璃鳞片等颜填料的环氧树脂涂料具有良好的抑制腐蚀作用,且和金属基底间附着力良好,是最常用的底漆;具有良好的屏蔽作用的通用环氧涂层常作为中间漆使用;聚氨酯和聚硅氧烷涂料具有良好的抗紫外线辐射性能、保光保色性能良好,是海上高紫外线暴露环境的良好面漆中国牛涂网ntw360.com。但这些传统涂层体系施工过程中会释放大量的挥发性有机化合物(VOC),对环境和施工人员健康造成不良影响。本文分析了市面上常见的低VOC绿色环保涂料涂层的特点和优势,以期对海洋石油设施防腐涂层的选型和施工设计具有一定的现实指导意义。


1 水性涂料


水性涂料是以水做溶剂或以水为分散介质的涂料,满足环境对VOC排放的要求,近年来成为绿色环保涂料的一个发展方向,已经在工业和民用涂料应用方面得到很大的发展。但水性涂料中添加的具有防腐性能的颜填料是无机粉末,在水中分散困难。为解决这一难题,人们引入偶联剂对颜填料进行表面改性来改善漆膜对颜料和基料的湿润性。但偶联剂含有大量的亲水基团,亲水基团在涂层固化过程中会形成极性的输水通道,这些极性通道对固化后涂层的耐水性和渗透性有负面影响,导致水性涂料在海洋石油行业中作为长效防腐涂层应用极其困难。同时,由于水的存在,水性涂料的存储和施工对温度都有较高的要求,存储和运输的温度需>5 ℃,施工和干燥环境的温度需>10 ℃。在干燥过程中相对湿度要求<80%。海洋石油平台或导管架等结构物,体积巨大,无法实现在封闭、可控的环境内施工,这也导致水性涂料无法在海洋石油设施建造过程中大量使用。


水性涂料作为车间底漆其应用前景广阔。车间底漆是钢板或型钢经抛丸预处理除锈后在流水线上喷涂的一层厚度在30 μm左右的一层防锈漆,防止钢材在加工及建造期间生锈而带来腐蚀损害,其防护要求通常为6个月。车间底漆是自动化流水线作业,施工环境是在温湿度可控的室内。无机硅酸锌底漆的固化本来就需要水的参与,为了保证溶剂型无机硅酸锌涂料固化,喷涂结束后每2~3 h对无机硅酸锌漆膜喷水一次。水性无机硅酸锌底漆施工完成后作为稀释剂的水同时参与固化,减轻了喷水的工作量。同时,水性无机硅酸锌底漆的稀释剂是普通淡水,成本远远低于有机溶剂型的稀释剂,更为重要的是降低了油漆中VOC的含量,降低了有机溶剂挥发对环境造成的不利影响。


2 无溶剂涂料


无溶剂涂料又称为活性溶剂涂料,溶剂将最终成为涂层的组分,在固化成膜过程中不向大气排放VOC。无溶剂涂料通常是双组分,双组分混合后其反应速率通常比较快,涂层在很短的时间内硬化,并可以在较短的时间内重复喷涂,从而缩短了施工时间,这在海洋石油结构物的维护工作中具有很大的优势。无溶剂涂料固化过程中溶剂不挥发,因此不会出现溶剂蒸发时会留下微小的孔隙,其涂层的阻挡性能更好,防腐性能也更好。


无溶剂环氧树脂体系也可直接施工于低表面处理的基底表面,如高压水喷射、手动或机械工具清洁等方式都能满足其表面处理的要求。它也可以在0 ℃以下固化,甚至可以在水下固化,因此在施工过程中不必屏蔽修复区域,甚至可以被淹没。因此是目前海洋石油结构物维修中应用较多的防腐涂料。


聚脲涂料是由异氰酸酯组分与氨基化合物反应生成的一类化合物,该涂料是100%固含量,不含任何VOC,对环境友好。聚脲涂层集合了特殊的物理性能,如高硬度、非常好的柔韧性、良好的撕裂和拉伸强度、优异的附着力、耐化学性和耐水性。同时聚脲疏水性极强,对环境湿度不敏感,甚至可以在水下喷涂成膜。聚脲涂层系统具有非常好的阻隔水、离子渗透的性能,具有良好的抗冲击性、抗疲劳性、耐紫外线性等性能。因此是将来用于高腐蚀性海上环境的理想涂层。


但无溶剂涂料固化交联速度快,双组分混合后适用期短,因此混合后需尽快喷涂,否则会在喷漆泵内固化而堵塞喷涂设备;无溶剂涂料黏度高,对喷涂设备压力也有较高的要求。目前,普遍采用双进料喷涂机进行喷涂,双组分在枪膛处混合,解决混合后适用期短的问题,在温度低时对涂料进行预加热解决高黏度的问题。


3 高固体分涂料


通常,不挥发物体积分数>70%定义为高固体份涂料,不挥发物体积分数>85%定义为超高固体份涂料。高固体份涂料VOC<250 g/L,满足GB/T 35602-2017绿色产品的要求。高固体份涂料具有很多和无溶剂涂料一样的优点,如一次涂装完工的单道涂层就能达到长效的防腐效果、优异的耐海水性能、可直接施工于低表面处理的基底表面、可在浸没环境下继续固化等。


海洋飞溅区受到涨潮和落潮及浪花冲击,海面漂浮物的撞击和侵蚀,是腐蚀最严重的区域。在中国渤海区域,冬季温度较低,还会形成大量海冰,对飞溅区涂层的耐磨性和耐冲击性要求更高。环氧基高固体分涂料还普遍具有高耐磨性、耐冲击性和很强的附着性能,部分产品加入玻璃鳞片强化后,耐冲击性能更强,是目前导管架等服役于飞溅区的结构物使用最广泛的涂料产品。


高固体份涂料含有一定量的有机溶剂,黏度比无溶剂涂料大大降低,施工难度较无溶剂涂料也大大降低,采用普通单组分喷漆机可以进行施工,但施工时压力比普通油漆要求高。高固体份涂料更适合采用双组分喷涂机进行喷涂,双组分喷涂机的采用减少了喷漆过程中稀料的用量,并减少了喷漆中断造成的设备清洗溶剂用量,进一步降低了VOC的排放。高固体份涂料既满足了环保的要求,施工相对也方便,相对于无溶剂涂层也具有更好的成本优势。这将是海洋石油设施长效防腐中绿色涂装发展的方向。


4 粉末涂料


粉末涂料是一种有机聚合物涂料,它以固体树脂和颜填料及助剂等组成。施工时它以自由流动的干粉形式涂覆,然后在加热条件下固化。与传统的液体涂层相比,粉末涂层系统不需要溶剂来保持粘合剂和填充物处于液体悬浮状态,它的分散介质是空气,具有无溶剂污染、100%成膜的优势。最常用的聚合物有聚酯、聚氨酯、聚酯环氧树脂、熔结环氧树脂、丙烯酸树脂。


熔结环氧涂层具有良好的耐溶剂性能,能够抵御硫化氢、酸、碱,有机物等物质的化学腐蚀,并能长期抵御海水、土壤中微生物产生的各种有机酸等物质的腐蚀;涂层具有良好的绝缘性,具有很强的耐阴极剥离能力,能够和阴极保护联合应用,达到长期保护的目的。因此熔结环氧树脂涂料广泛应用在油井管内防腐以及海底输油管线防腐。熔结环氧树脂涂料是一种热固性的涂料,管线在喷涂前经过喷砂处理和中频加热,再采用静电喷涂方法将环氧粉末涂料喷涂在加热的钢管表面后熔融粘结在钢管表面,固化形成涂层。油管内防腐常使用单层熔结环氧涂层,管线外部采用熔结环氧涂层加三层聚乙烯热缩带或三层聚丙烯热缩带防腐。


粉末涂料施工过程中需要对施工工件加热和旋转,施工时需要喷粉室、加热室等,该涂层只适用于车间内流水线施工,无法在车间外进行大规模施工,且也不适用于结构复杂构件的施工,主要应用于管道防腐。


5 生物基涂料


环氧树脂、醇酸树脂、聚氨酯、酚醛树脂、丙烯酸树脂、聚酯等都是石油基聚合物,其合成和应用过程会排放挥发性有机化合物而污染环境和危害人类身体健康。因此,人们正寻找和探索其他绿色和可再生来源的聚合物树脂,减少对化石或石油基材料的依赖。利用生物基材料合成聚合物/树脂是解决这些挑战的可能途径之一。这些生物基材料来源于自然,从而有助于在不消耗稀缺资源的情况下实现全球可持续性。利用生物基材料,包括淀粉、木质素、蛋白质、纤维素、蔗糖、糖、壳聚糖、紫胶、松香、多羟基烷酸酯、呋喃酮、海藻酸钠、羊毛纤维、植物油和动物油等,作为涂料添加剂、改性剂,用于树脂合成、粘合剂、涂料、复合材料等各种应用。


腰果酚是一种从天然腰果壳油中经先进技术提炼而成,可以代替或者部分代替苯酚用于制造环氧固化剂、液体酚醛树脂、液体或者粉末状的热固性酚醛树脂,腰果酚以其特殊的化学结构还具有以下特点:(1)含苯环结构,具有耐高温性能;(2)极性的羟基可提供体系对接触面的润湿和活性;(3)间位含不饱和双键的碳15直链,能提供体系良好的韧性,优异的憎水性和低渗透性和自干性。目前,腰果酚已经在涂料行业中大量应用,特别是其良好的自干性,腰果酚对环氧树脂固化剂改性可以使环氧涂料在较低温度环境下固化。腰果酚改性固化剂的快干型涂料在海洋石油行业使用的冬用型油漆中广泛应用。


由于微裂纹或划痕造成的保护涂层损坏会导致腐蚀性物质穿透损坏的孔,导致涂层材料劣化,并显著降低其使用性能。因此,有必要在涂层中引入自修复机制,以确保高水平的性能和延长的使用寿命,同时降低维护和维修的能源和成本。这对于海上设施上的涂层应用尤其重要,因为在海上设施上,定期维护和维修费用昂贵且不容易执行。Finkenstadt等从乳酸菌中制备了生物基胞外多糖,添加了胞外多糖的涂层通过降低离子扩散速率来抑制低碳钢基体上的腐蚀,该涂层在划伤后显示出良好的自我修复能力。Chen等通过将微胶囊桐油作为愈合剂添加到常规环氧涂料中,在涂层发生裂纹或划痕时,微胶囊破裂修复防腐涂层裂缝。此类自修复涂层有望带来防护涂层的长服役寿命,希望在不久的将来在海洋石油设施防腐涂层中大规模应用。


6 结 语


随着人们对环境的日益关注,低成本、环境友好、易施工和具有高效防腐性能的涂层是海洋石油设施防腐涂层必然发展方向。水性涂料不含有机溶剂,降低了有机溶剂挥发对环境造成的不利影响,但由于其自身缺点无法应用于海洋石油设施长效防腐,在临时性防护车间底漆上应用前景较好。无溶剂涂料具有低VOC、高防腐性能的特点,是将来用于高腐蚀性海上环境的理想涂层。粉末涂料施工时需要特殊设备并需要加热,只适用于管线等防腐要求高且结构不复杂的防腐。高固体分涂料防腐性能良好、施工简便且满足环保要求,综合成本优势明显,是目前应用广泛的环保型涂料,也是海洋石油设施防腐中应用前景最好的绿色环保涂料。生物基涂料原料来源于自然资源,具有绿色可持续发展的优势,是未来防腐涂层关注的方向。


参考文献(略)


 作者 丨 赵增元 ,张有慧 ,易桂虎 ,等

(海洋石油工程(青岛)有限公司)


标签:防腐涂料粉末涂料辅料与设备工业涂料技术中心涂装涂装应用
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