大包裝噴涂工藝設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉洪偉， 揭 斌， 楊安海， 楊坤榮， 熊良銀， 牟治國(guó)

(1. 上海船舶工藝研究所， 上海 200032； 2. 廣州文沖船舶修造有限公司， 廣東 廣州 511462； 3. 上海外高橋造船海洋工程項(xiàng)目管理有限公司， 上海 202164)

0 引 言

目前，我國(guó)船舶與海工建造企業(yè)的雙組分油漆使用比例高(60%～70%)且普遍采用小包裝漆噴涂工藝，油漆噴涂結(jié)束后產(chǎn)生大量的廢棄油漆桶，桶內(nèi)殘留浪費(fèi)的油漆比例為2.5%～5.0%。對(duì)國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)進(jìn)行調(diào)研，涂裝工藝流程稀釋劑消耗體積分?jǐn)?shù)為10%～15%，其中油漆混合和油漆桶清洗需要額外消耗約5%的稀釋劑。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的高度重視，船廠(chǎng)普遍面臨揮發(fā)性有機(jī)化合物(Volatile Organic Compound，VOC)環(huán)境污染排放治理和油漆桶等危險(xiǎn)廢棄物處理壓力巨大的問(wèn)題。

大包裝噴涂工藝具有節(jié)省油漆消耗和減少VOC排放的優(yōu)勢(shì)，早已為行業(yè)所認(rèn)可，但仍存在制約該工藝大規(guī)模推廣應(yīng)用的因素。大包裝噴涂工藝在船舶、海工等行業(yè)的廣泛應(yīng)用需要解決設(shè)備中2種組分油漆配比的精確性、低溫油漆輸送穩(wěn)定性、大包裝容器清潔和循環(huán)再利用等問(wèn)題。

1 大包裝噴涂設(shè)備原理

雙組分油漆屬于靠化學(xué)反應(yīng)固化的油漆，使用前需要混合、攪拌均勻，某些雙組分油漆需要一段時(shí)間預(yù)反應(yīng)即熟化[1]。傳統(tǒng)的小桶雙組分油漆噴涂工藝采用人工混合、單泵噴涂，噴涂結(jié)束后設(shè)備、管路和噴槍均需及時(shí)清洗，以防止油漆固化導(dǎo)致設(shè)備和管路報(bào)廢。傳統(tǒng)的小桶油漆噴涂設(shè)備原理如圖1 所示，噴涂設(shè)備的管路設(shè)計(jì)規(guī)格如表1所示。

注：1英寸=0.025 4 m 圖1 傳統(tǒng)噴涂設(shè)備原理圖

表1 單泵噴涂管路規(guī)格及油漆損耗量

大包裝雙組分油漆噴涂設(shè)備采用大包裝桶供料，大包裝桶容積為200～900 L。雙組分噴涂泵的油漆配比范圍為1∶1～10∶1，油漆配比由電腦控制且精確可調(diào)。A、B大包裝桶分別與雙組分油漆的A、B噴漆泵連接，2種組分在進(jìn)入混合器前未實(shí)現(xiàn)混合，其優(yōu)點(diǎn)是可避免涂料混合后剩余浪費(fèi)。雙組分油漆噴涂設(shè)備采用遠(yuǎn)程混合、靜態(tài)混合和混合管混合等多級(jí)混合技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)雙組分油漆的A、B組分在管路內(nèi)動(dòng)態(tài)混合、熟化。設(shè)備最大的優(yōu)點(diǎn)是采用無(wú)稀釋劑添加噴涂技術(shù)，在施工過(guò)程中油漆混合無(wú)須額外添加稀釋劑稀釋?zhuān)捎行Ы档屯垦b生產(chǎn)的VOC排放。大包裝雙組分油漆噴涂設(shè)備原理圖如圖2所示，設(shè)備的管路設(shè)計(jì)規(guī)格如表2所示。

圖2 大包裝雙組分油漆噴涂設(shè)備原理

表2 大包裝雙組分油漆噴涂設(shè)備管路規(guī)格和油漆損耗量

2 油漆大包裝桶容器設(shè)計(jì)

油漆大包裝供料設(shè)計(jì)應(yīng)考慮大包裝桶容積、油漆灌注、攪拌、輸送和油漆溫度控制等幾方面因素。

2.1 油漆大包裝容積計(jì)算方法

在大包裝雙組分油漆供料生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)踐中，1套大包裝油漆桶包括2個(gè)部分，分別為油漆的主劑桶A和固化劑桶B。通常所說(shuō)的大包裝容積是指主劑桶A與固化劑桶B兩者容積的總和。在大包裝容積的確定問(wèn)題上，應(yīng)摒除越大越好的誤區(qū)。大包裝桶容積的確定原則如下：滿(mǎn)足船舶與海工結(jié)構(gòu)件的實(shí)際涂裝生產(chǎn)需求，即大包裝油漆量是實(shí)際涂裝使用量的1倍或整數(shù)倍，這樣可保證在施工中無(wú)須頻繁更換油漆大包裝桶，從而導(dǎo)致噴涂作業(yè)中斷；大包裝容積還應(yīng)滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)輸?shù)谋憷浴?/p>

大包裝的容積P包括油漆的實(shí)際需用量P′和大包裝桶內(nèi)的安全空間的容積V(根據(jù)設(shè)計(jì)確定)，因此大包裝桶的容積計(jì)算公式為

P=P′+V

(1)

式中：油漆的實(shí)際需用量P′[2]根據(jù)船廠(chǎng)典型構(gòu)件的涂裝生產(chǎn)綱領(lǐng)和實(shí)際油漆油漆損耗因數(shù)來(lái)確定，其計(jì)算公式為

P′=(1+a)QS

(2)

式中：α為油漆損耗因數(shù)；Q為油漆理論涂布率；S為涂裝面積。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和對(duì)船廠(chǎng)的調(diào)研，對(duì)于1個(gè)日生產(chǎn)綱領(lǐng)為2 400～3 000 m2的涂裝車(chē)間，配備800～900 L的大包裝桶完全可以滿(mǎn)足涂裝生產(chǎn)的使用需求。

2.2 大包裝桶結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.2.1 大包裝桶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的油漆大包裝桶有圓形和方形的結(jié)構(gòu)形式。雖然方形大包裝桶在相同的外部框架尺寸下容積更大，但在桶自身棱角部位附著的油漆不易清洗，而且油漆的整體攪拌效果差。因此，油漆大包裝桶盡可能采用圓形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圓形桶的優(yōu)點(diǎn)在于整體剛度佳，油漆攪拌時(shí)不易存在死角，且易于油漆桶的清洗。根據(jù)通用的運(yùn)輸工具和集裝箱尺寸以及操作的便利性，大包裝桶(含外部框架結(jié)構(gòu))尺寸(長(zhǎng)×寬×高)應(yīng)小于1 170 mm×1 170 mm×1 190 mm[3]。

油漆大包裝桶在實(shí)際生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)使用中需要頻繁地與油漆生產(chǎn)線(xiàn)和涂裝設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，因此需要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)接口。大包裝桶的接口包括油漆灌注口和設(shè)備外圍接口。油漆灌注口的作用主要是進(jìn)行生產(chǎn)線(xiàn)油漆灌裝，灌注接口可設(shè)計(jì)在桶的軸線(xiàn)處，開(kāi)口尺寸應(yīng)不小于φ300 mm，灌注口開(kāi)啟方便且應(yīng)具有良好密封措施，此外接口還應(yīng)便于清洗、清潔作業(yè)。設(shè)備外圍接口包括攪拌設(shè)備接口、噴漆設(shè)備接口和備用接口等。攪拌設(shè)備接口主要用于連接外圍攪拌設(shè)備，在灌注口位于軸線(xiàn)的情況下，攪拌口可與灌注口共用1個(gè)開(kāi)口。噴漆設(shè)備接口主要指油漆的供料接口，油漆供料接口應(yīng)采用帶有隔離保護(hù)功能的快接接口，接口設(shè)計(jì)應(yīng)確保良好的密封性能,設(shè)備與噴涂泵接口不小于1.250英寸。備用接口中心圓半徑應(yīng)大于攪拌體半徑，備用接口可用于提料、液位監(jiān)測(cè)等。

大包裝桶應(yīng)在常壓下工作，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)小于0.1 MPa，真空壓力小于0.02 MPa。大包裝桶在密封狀態(tài)下工作，大包裝桶上應(yīng)設(shè)置安全閥，當(dāng)桶內(nèi)蒸氣壓升高或內(nèi)部形成真空時(shí)，安全閥應(yīng)及時(shí)開(kāi)啟以保證結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。

2.2.2 噴涂設(shè)備控制設(shè)計(jì)

大包裝噴涂工藝設(shè)備的控制系統(tǒng)具有設(shè)置、顯示、警告、指示、用量統(tǒng)計(jì)等功能，控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。大包裝噴涂工藝設(shè)備須具有生產(chǎn)信息和班組信息采集功能，設(shè)備管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄、顯示油漆消耗量和油漆液位信息，采用SD卡進(jìn)行設(shè)備和生產(chǎn)信息的存儲(chǔ)，并提供U盤(pán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出，供管理人員查詢(xún)、下載和分析處理?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)測(cè)2種油漆組分的輸出流量數(shù)據(jù)，當(dāng)雙組分油漆2種組分的比例出現(xiàn)偏差時(shí)，及時(shí)報(bào)警并控制設(shè)備暫停工作，保證設(shè)備的噴涂質(zhì)量。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

3 大包裝油漆組合輸送技術(shù)

在進(jìn)行低溫環(huán)境及高黏度油漆輸送時(shí)，油漆輸送存在流動(dòng)性變差、管路中存在氣穴的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致供給噴涂設(shè)備的油漆供應(yīng)不足，從而引發(fā)噴漆系統(tǒng)設(shè)備頻繁報(bào)警，這也是限制大包裝噴涂技術(shù)廣泛應(yīng)用的瓶頸之一。為獲得油漆的黏度特性，對(duì)20 ℃下常用油漆黏度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表3所示。

表3 20 ℃下常用雙組分油漆黏度 mPa·s

針對(duì)油漆輸送性能變差的問(wèn)題，對(duì)油漆的攪拌、溫度控制和輸送方式采取相應(yīng)措施，以改善油漆輸送效果。攪拌是利用機(jī)械攪拌體的旋轉(zhuǎn)或其他方式迫使油漆在容器內(nèi)流動(dòng)、混合、傳遞熱量。影響油漆攪拌效果的因素較多，包括黏度或黏度差、密度或密度差、表面張力、攪拌體形式和罐體形狀等。為提高油漆輸送性能，大包裝桶應(yīng)設(shè)計(jì)攪拌功能，可根據(jù)油漆黏度、密度等條件采用槳式、錨式、框式等結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。攪拌的作用是保證油漆成分均勻，避免沉淀，提高油漆受熱的均勻性，進(jìn)而提高油漆的流動(dòng)性能。為說(shuō)明油漆輸送措施的應(yīng)用情況，繪制油漆黏度曲線(xiàn)，并根據(jù)黏度分成4個(gè)區(qū)域，如圖4所示。

圖4 20 ℃下雙組分油漆輸送黏度分區(qū)

在黏度區(qū)域1中，黏度小于2 000 mPa·s的油漆采用虹吸輸送可較好地滿(mǎn)足供漆需求。在黏度區(qū)域2中，黏度為2 000～10 000 mPa·s的油漆應(yīng)采用攪拌、循環(huán)、液位差等措施來(lái)滿(mǎn)足油漆輸送要求。在黏度區(qū)域3中，黏度為10 000～15 000 m Pa·s的油漆輸送需要輔以攪拌和增壓供漆措施來(lái)提高油漆的輸送效果。在黏度區(qū)域4中，油漆黏度超過(guò)20 000 mPa·s，油漆輸送管路內(nèi)氣穴現(xiàn)象明顯，出現(xiàn)噴漆泵供漆不足、報(bào)警頻繁現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)采取攪拌、加熱、增壓輸送等綜合措施來(lái)提高系統(tǒng)供漆能力。

在溫度降低時(shí)，油漆黏度隨之增加，應(yīng)配合使用加熱措施以改善油漆的流動(dòng)性能，加熱可采用油漆罐加熱、管路加熱等聯(lián)合加熱方式。當(dāng)溫度低于20 ℃時(shí)，應(yīng)采取比圖3所示更高一級(jí)的油漆輸送措施。

4 大包裝噴涂工藝的VOC減排控制

大包裝噴涂工藝采用大包裝油漆供料模式，在混合器前油漆A、B組分單獨(dú)輸送，油漆在混合管路內(nèi)動(dòng)態(tài)混合，噴涂過(guò)程無(wú)須額外添加溶劑，減少油漆和稀釋劑的消耗。但是，清洗噴槍和大包裝桶均產(chǎn)生VOC排放。

4.1 VOC排放計(jì)算方法

應(yīng)用傳統(tǒng)的雙組分油漆噴涂工藝，VOC排放包括3個(gè)部分：(1) 油漆自身的VOC排放；(2)為改善噴涂性能或清洗小油漆桶，在油漆中需添加不大于體積分?jǐn)?shù)為5%的稀釋劑產(chǎn)生的VOC排放；(3) 清洗噴槍消耗稀釋劑中的VOC排放。大包裝雙組分油漆噴涂工藝VOC排放亦包括3個(gè)部分：(1) 油漆自身的VOC排放；(2) 清洗大包裝桶消耗稀釋劑的VOC排放；(3) 清洗噴槍消耗稀釋劑的VOC排放。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在噴槍數(shù)量和噴涂條件相同的情況下，清洗噴槍消耗的稀釋劑的量基本相同，即5 L/槍?zhuān)虼丝烧J(rèn)為清洗噴槍產(chǎn)生的VOC排放是一樣的。基于該前提，傳統(tǒng)和大包裝雙組分噴漆工藝的VOC排放公式[4]為

G1=CpVp+CtVta+CtVtc

(3)

G2=CpV′p+CtVtb+CtV′tc

(4)

式(3)和式(4)中：G1和G2分別為傳統(tǒng)工藝和大包裝噴涂工藝的VOC排放量；Cp和Ct分別為油漆和稀釋劑中的VOC質(zhì)量濃度；Vp、Vta、Vtc分別為傳統(tǒng)噴涂工藝油漆消耗量、額外添加稀釋劑消耗量和清洗噴槍稀釋劑消耗量；V′p、Vtb、V′tc：分別為大包裝噴涂工藝油漆消耗量、清洗大包裝桶稀釋劑消耗量和清洗噴槍稀釋劑消耗量。

采用傳統(tǒng)噴涂工藝與大包裝噴涂工藝清洗每只噴槍消耗的稀釋劑基本相同，即Vtc=V′tc。將式(3)減去式(4)，得到計(jì)算2種工藝VOC減排的計(jì)算公式為

Δ=Cp(Vp-V′p)+CtVta-CtVtb

(5)

根據(jù)船廠(chǎng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，式(5)中的Cp和Ct均為常數(shù)，大包裝噴涂工藝與傳統(tǒng)小桶噴涂工藝清洗噴槍的稀釋劑消耗量基本相同，可見(jiàn)減少VOC的排放應(yīng)從減少油漆消耗、稀釋劑添加和清洗油漆桶的消耗量上采取措施。

4.2 大包裝容器綠色再利用

國(guó)內(nèi)大中型船廠(chǎng)每年產(chǎn)生大量的廢棄小油漆桶，廢棄油漆桶只能送到具有專(zhuān)業(yè)資質(zhì)的處理廠(chǎng)進(jìn)行處理，而且還實(shí)行配額制度，因此船廠(chǎng)面臨巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保壓力。大包裝供料桶一般采用不銹鋼設(shè)計(jì)，可在船廠(chǎng)及油漆商之間周轉(zhuǎn)、循環(huán)使用。由于油漆與大包裝容桶的表面積比較小，因此大包裝容器油漆殘留比例小于傳統(tǒng)小桶包裝。但是，在再次灌注油漆前，仍需清除大包裝容器殘留的油漆并將其清洗干凈。大批量的大包裝容桶必須交由有清洗能力的專(zhuān)業(yè)公司清洗[5-6]，驗(yàn)收合格后才能在油漆生產(chǎn)線(xiàn)上再次灌注油漆。大包裝桶的清洗環(huán)節(jié)增加VOC的排放。

為減少大包裝容器內(nèi)壁的油漆殘留，改進(jìn)油漆包裝方式，如應(yīng)用內(nèi)襯包裝袋技術(shù)等低殘留包裝技術(shù)方式。油漆低殘留包裝技術(shù)不僅可減少清洗油漆桶工序和人工消耗，而且可減少稀釋劑消耗，可有效減少VOC的排放。由于無(wú)須清洗大包裝桶，因此式(3)中的Vtb≈0，可得到如下公式：

Δ=Cp(Vp-V′p)+CtVta

(6)

可見(jiàn)大包裝噴涂工藝在如下幾個(gè)方面可減少VOC排放：一是大包裝噴涂作業(yè)無(wú)須額外添加稀釋劑，可減少稀釋劑消耗；二是大包裝噴涂設(shè)備在混合器前的A、B組分單獨(dú)供漆管路內(nèi)的未混合油漆無(wú)須清洗(見(jiàn)表2)，可減少油漆消耗；三是大包裝供料可減少油漆殘留，可減少油漆消耗；四是采用包裝容器的塑料內(nèi)襯包裝袋可減少稀釋劑消耗。

5 大包裝油漆噴涂應(yīng)用

與傳統(tǒng)小包裝噴涂工藝相比，大包裝雙組分油漆噴涂設(shè)備采用大包裝桶供料，大包裝油漆桶可循環(huán)利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)300 L大包裝桶內(nèi)約有1.67%的油漆殘留。大包裝雙組分油漆噴涂設(shè)備A、B泵單獨(dú)供漆不預(yù)先混合，A、B噴漆管路在遠(yuǎn)程混合器前單獨(dú)輸送亦無(wú)預(yù)先混合，因此不存在剩余油漆固化浪費(fèi)問(wèn)題，噴涂結(jié)束后管路無(wú)須清洗，可減少油漆的浪費(fèi)。根據(jù)第1節(jié)的設(shè)備配置，2種噴涂工藝設(shè)備的油漆損耗情況如表4所示。

表4 2種工藝設(shè)備(2槍)噴涂油漆損耗情況

由表4可知，在相同的條件下，1臺(tái)2槍大包裝噴涂設(shè)備比2臺(tái)單泵噴涂設(shè)備每次噴涂可減少油漆浪費(fèi)量δ=7.52 L-5.28 L=2.24 L。

對(duì)于年造船物量為1.2×106m2、油漆消耗量為392 727 L的船廠(chǎng)，建設(shè)2噴4涂涂裝車(chē)間，按年250 d工作日計(jì)算，日涂裝面積為4 800 m2，車(chē)間日均涂裝施工4個(gè)分段。若每個(gè)分段配置1臺(tái)2槍大包裝噴涂設(shè)備，則與傳統(tǒng)噴涂工藝相比，大包裝噴涂工藝在理論上可節(jié)省油漆如下：

Vp-V′p=8 960 L+3 260 L=12 220 L

(7)

(Vp-V′p)/Vp=12 220 L/392 727 L=3.11%

(8)

Δ=CpαVp+CtβVp

(9)

由式(9)可知，2種噴涂工藝的VOC排放差主要取決于Cp、Ct、Vp、α和β等參數(shù)。在Cp、Ct、Vp相同的情況下，提高油漆節(jié)省比例α、降低稀釋劑添加比例β可明顯減少?lài)娡侩A段的VOC的消耗。

以上述船廠(chǎng)為例，常用的雙組分油漆主要有海虹和佐敦油漆，2家油漆廠(chǎng)商的油漆和溶劑中的VOC參數(shù)如表5所示。

表5 常用油漆和溶劑的VOC含量

將油漆總量Vp=392 727 L、α=3.11%、β=5%、Cp和Ct代入式(5)，則與傳統(tǒng)工藝相比，大包裝噴涂工藝使用海虹和佐敦油漆可分別減少20.1 t和19.3 t的VOC排放。

6 結(jié) 論

(1) 油漆大包裝容積應(yīng)根據(jù)船廠(chǎng)典型分段的涂裝面積確定，一般大包裝容積為800～900 L可滿(mǎn)足車(chē)間內(nèi)分段的涂裝需求。

(2) VOC計(jì)算公式可用于船舶與海工企業(yè)在噴涂階段的大包裝噴涂和傳統(tǒng)小包裝噴涂工藝的VOC排放估算。

(3) 采用稀釋劑清洗小油漆桶，雖然油漆殘留比例為0，但增加約5%的VOC排放。油漆包裝容器采用綠色再利用技術(shù)不僅可顯著減少油漆殘留比例，而且可減少VOC的排放和危險(xiǎn)廢棄物處理費(fèi)用。

(4) 在涂裝面積相同的情況下，大包裝噴涂工藝可有效減少油漆消耗和稀釋劑添加比例，因此比傳統(tǒng)小桶噴涂工藝具有更明顯的減排效果。