基于灰色局勢決策的高壓無氣噴涂施工工藝研究

林實輝，張春良，任發(fā)喜，薛永超

（1.華邦建投集團股份有限公司，廣東廣州 510000；2.東南大學，江蘇南京 210000）

0 引言

目前火力發(fā)電、生物制藥、工業(yè)冶煉及化工行業(yè)中均廣泛使用了大型混凝土貯存池，以存貯高腐蝕性的材料[1-3］。在水泥混凝土結構內壁涂刷防腐涂料，是延長水泥混凝土結構的服役壽命、保證設施使用可靠度的主要手段。

現(xiàn)有防腐涂料涂布的常用方法為高壓無氣噴涂，該法作業(yè)效率高，且無氣作業(yè)的特點避免了因氣體反彈而帶走部分涂料，其涂料利用率較傳統(tǒng)有氣噴涂可提高10 %以上[4］。防腐涂層的施工工藝是影響防腐涂層使用性能的重要因素，不同工藝組合對所得涂層的性能影響顯著。

本研究通過對不同工藝組合進行正交試驗，結合灰色局勢決策方法，就高壓無氣噴涂的不同工藝組合對所得涂層的性能影響展開研究，以獲得最優(yōu)的工藝組合，對高壓無氣噴涂的施工工藝提出改進意見。

1 試驗設計

1.1 涂層材料及試件

采用由甲苯二異氰酸酯（TDI）、六亞甲基二異氰酸酯（HDI）、雙酚A型E-44環(huán)氧樹脂與玻璃鱗片復配制得的環(huán)氧聚氨酯防腐涂料，其組成參數(shù)如表1所示。

表1 高性能環(huán)氧聚氨酯防腐涂料的組成參數(shù)（部分）Table 1 Composition parameters of epoxy polyurethane anticorrosive coatings with high performance（part）

制備涂刷區(qū)域尺寸為100 cm×100 cm的立面水泥混凝土試件。待水泥混凝土的養(yǎng)護期結束后，先對混凝土試件表面涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料，養(yǎng)護結束后，再涂刷環(huán)氧富鋅底漆，最后涂刷環(huán)氧聚氨酯防腐涂料。

1.2 正交試驗方案設計

噴涂作業(yè)采用手持式小型高壓噴槍，噴涂方向采用左右往復噴涂。同一區(qū)域的噴涂次數(shù)設定為2～3次，以可在試件表面噴涂1.0～1.5 mm厚度的涂層為準。綜合分析高壓無氣噴涂的施工工藝，采用施工工序組合、霧化壓力、噴槍移速、噴涂距離、保溫溫度和環(huán)境溫度6個因素，每個因素分為3個水平，分別依據(jù)防腐涂層施工過程的特點來擬定；再基于正交設計原則與各影響因素水平，制作L18（37）的正交表；最后，以正交表L18（37）中的18種施工方案制備防腐涂層試件，每個施工方案涂刷4塊混凝土板。影響因素水平表如表2所示。

表2 影響因素水平表Table 2 Table of influencing factor levels

1.3 性能測試

粘結性能：參照標準GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗》中的相關規(guī)定進行測試，試驗溫度設為（23±2）℃，環(huán)境濕度設為（50±5）%。

涂層材料的拉伸強度：參照GB/T 16421—1996《塑料拉伸特性小試樣試驗方法》中的相關規(guī)定進行測試。

耐磨性：參照GB/T 1768—2006《漆膜耐磨性測定法》進行測試。

循環(huán)老化時間：參照ISO 20340：2003《色漆和清漆 用于近海建筑及相關結構的保護性涂料系統(tǒng)的性能要求》附錄A的內容進行測試。以1周（168 h）作為單次循環(huán)，計劃進行25個循環(huán)周期，共計4 200 h。循環(huán)過程中觀察并記錄試樣出現(xiàn)粉化與開裂的時間，以此作為耐老化循環(huán)時間。

硬度：參照GB/T 2411—2008《塑料邵氏硬度試驗方法》中的相關規(guī)定進行測試。

厚度極差：待涂層固化后，采用精度為0.01 mm的螺旋測微儀量取其最大厚度與最小厚度，并計算二者的極差來評價噴涂效果，極差越小，說明涂層越均勻。

1.4 試驗結果

不同試驗方案所得涂層的性能檢測結果如表3所示。

表3 涂層性能檢測結果Table 3 Performance test results of coating

由表3可知，以不同施工工藝方案制備的試件的性能存在明顯差異，例如以方案4制備的涂層，其粘結強度與循環(huán)老化時間均高于其他方案，涂刷后的厚度極差均低于其他方案，即此涂層的耐老化性能、均勻性，以及與被保護層間的粘附性能最好，但其耐磨性能相對較差；以方案13制備的涂層，其磨耗損失只有375 mg，即耐磨耗性能優(yōu)于其他方案，但其與保護層的粘結強度和耐老化性能卻遜于其他方案。由上可知，對于高性能環(huán)氧聚氨酯防腐涂料的施工，無法憑借單一性能指標全面反映不同施工工藝對涂層性能的影響，亦無法量化各關鍵因素對涂層性能的影響程度。因而，本研究擬采用改進灰色局勢決策方法，通過多指標的對比分析，對各施工工藝方案進行優(yōu)選。

2 基于灰色局勢決策的涂層性能分析

灰色決策方法是現(xiàn)代決策方法的重要分支，由于其對原始數(shù)據(jù)沒有特殊的要求與限制，灰色決策已經(jīng)被廣泛應用于經(jīng)濟、管理、工程及軍事等多個領域[5］。灰色局勢決策可分為局勢效果的確定、最優(yōu)局勢效果的分析與灰色關聯(lián)度的計算3個部分，可實現(xiàn)從多項對策中優(yōu)選出效果最好的對策，本研究選用該方法對各施工工藝進行優(yōu)化研究?？紤]到灰色絕對關聯(lián)無法較好地表現(xiàn)兩序列相對于始點變化速率的接近程度，因此采用綜合關聯(lián)度替代絕對關聯(lián)度，使得改進后的灰色局勢決策能同時體現(xiàn)兩序列的接近程度與聯(lián)系緊密程度，可充分利用多指標的對比結果，得到每種方案綜合優(yōu)劣的結論。

2.1 局勢效果的確定

定義U（k）為所述18個局勢中防腐涂層第k個決策目標的效果樣本序列，定義ui（k）為第i個局勢中防腐涂層第k個決策目標的效果樣本。設定6個決策目標，分別為：粘結強度A、拉伸強度B、磨耗損失C、循環(huán)老化時間D、硬度E與涂層厚度極差F，其效果樣本序列U（k）如式（1）所示。

將表3中的試驗數(shù)據(jù)作為效果樣本分別代入式（1），可得

再設R（k）為效果樣本序列U（k）的一致效果測度序列，ri（k）為效果樣本ui（k）的一致效果測度，所述一致效果測度序列R（k）如式（2）所示：

對于防腐涂層，粘結強度、拉伸強度、循環(huán)老化時間與硬度越大，代表涂層的使用性能越好；磨耗損失與涂層厚度極差越小，代表涂層耐磨性能越好、涂層整體越均勻。因此，采用上限效果測度描述粘結強度、拉伸強度、循環(huán)老化時間與硬度，采用下限效果測度描述磨耗損失與涂層厚度極差，上限效果測度rui（k）與下限效果測度rdi（k）分別如式3和式4所示。

將U（1）～U（6）代入式（3）和式（4），得到一致效果測度序列R（k）如下：

最后，定義vi為第i個局勢防腐涂層的6個決策目標的一致效果測度序列，vi（k）為第i個局勢防腐涂層的第k個決策目標的一致效果測度，如式（5）所示。

則有一致效果測度序列vi，如式（6）所示。

將上述R（1）～R（6）分別代入式（5）與式（6），可得：

2.2 局勢效果的分析

根據(jù)上限效果測度與下限效果測度，可知最優(yōu)局勢防腐涂層的6個決策目標的一致效果測度序列Vos=（1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0），分別繪制Vi與Vos的相似程度，如圖1所示。

圖1 各涂層局勢與最優(yōu)局勢測度Figure 1 Each coating situation and optimal situation measurement

由圖1可知，對于所述的6個決策目標，各局勢與最優(yōu)局勢的相似程度均存在明顯差異，且規(guī)律性較小，難以直接簡單量化分析。

2.3 灰色關聯(lián)度的計算

為綜合對比各施工參數(shù)對防腐涂層性能的影響，通過式（7）計算灰色綜合關聯(lián)度，以此作為評價指標，對其聯(lián)系程度進行對比分析，灰色綜合關聯(lián)度的計算結果如圖2所示。

圖2 各局勢的灰色綜合關聯(lián)度Figure 2 Grey comprehensive correlation degree of each situation

式中，ρ0i代表序列M0與Mi的灰色綜合關聯(lián)度；ε0i代表M0與Mi的灰色絕對關聯(lián)度；r0i代表M0與Mi的灰色相對關聯(lián)度；θ為調節(jié)參數(shù)，取值范圍在0～1之間，本研究取θ=0.5。

由圖2可知，局勢3的灰色綜合關聯(lián)度最小，為0.871；局勢14的灰色綜合關聯(lián)度最大，為0.967；二者相差達0.096，這說明各局勢與最優(yōu)局勢間的聯(lián)系存在顯著差異。對各局勢的灰色綜合關聯(lián)度以降序排列，可得局勢排序：14號、2號、4號、15號、8號、17號、6號、5號、11號、10號、9號、12號、7號、13號、18號、1號、16號、3號。此外，2號、4號、5號、6號、8號、10號、11號、14號、15號與17號局勢的灰色綜合關聯(lián)度大于0.9，其工藝組成可劃分為施工容許范圍，以提高噴涂施工的可操作性。

綜上所述可知，不同施工工藝方案所制備的防腐涂層的性能差異較大，且基于防腐涂層的6個性能指標，可得到18種施工工藝方案的優(yōu)劣排序，即所述18種施工工藝方案的涂層性能排序依次為14號、2號、4號、15號、8號、17號、6號、5號、11號、10號、9號、12號、7號、13號、18號、1號、16號、3號，其中14號方案所制備的防腐涂層的綜合性能最好。

3 結語

基于灰色局勢決策理論，研究了高壓無氣噴涂不同工藝組合對防腐涂層性能的影響，主要得到以下結論：

（1）根據(jù)各局勢的灰色綜合關聯(lián)度與最優(yōu)局勢的差異，可得所述18種施工工藝方案的涂層性能排序從優(yōu)到差依次為：14號、2號、4號、15號、8號、17號、6號、5號、11號、10號、9號、12號、7號、13號、18號、1號、16號、3號。

（2）通過對比各局勢的灰色綜合關聯(lián)度可知，14號方案的工藝組合最優(yōu)，即施工工序取2.4 kg/m2+ 2.4 kg/m2，霧化壓力設為0.65 MPa，噴槍移速設為75 cm/s，噴涂距離設為5 cm，涂料的保溫溫度為55 ℃，施工的環(huán)境溫度為25 ℃。

（3）2號、4號、5號、6號、8號、10號、11號、14號、15號與17號局勢的灰色綜合關聯(lián)度大于0.9，可基于此類工藝組合制備各工藝的施工容許范圍，以提高高壓無氣噴涂的施工效率。