第50卷第12期 2020年12月
涂料工业
PAINT &COATINGS INDUSTRY
Vol. 50 No. 12
Dec. 2020
海洋钢结构水性车间底漆的应用技术与经济分析
王长军，程国东，李风坚，赵光瑞，樊志勇
(海洋石油工程（青岛）有限公司，山东青岛266520)
应用研究
摘要：介绍了目前国内外环保法规现状和溶剂车间底漆VOCs排放状态，通过分析二次喷砂效 率，说明车间底漆的重要性。结合青岛地区所处环境和山东省V〇Cs排放标准，对水性无机锌车间底 漆性能验证和可行性进行研究，并通过与溶剂型车间底漆VOCs排放等方面的对比，进行经济性分 析。结果表明：
使用水性自固化无机硅车间底漆在满足环保法规的同时提高了二次喷砂施工效率，无需对VOCs净化进行较大改造，只需对烘干段加大通风量，加快水性车间底漆固化速率，即可以满 足生产要求。通过对设备改造和污染排放等费用综合分析，说明水性车间底漆具有良好的防腐性能 和经济价值。
关键词：自固化；水性无机硅；车间底漆;VOCs；设备改造，经济性
中图分类号：TQ637. 8 文献标识码：A 文章编号:0253-4312(2020)12-0058-05
d o i： 10. 12020/j. issn. 0253-4312. 2020. 12. 58
Technical and Economic Analysis on Application of Waterborne
Shop Primer for Offshore Steel Structure
Wang Changjun，Cheng Guodong，Li Fengjian，Zhao Guangrui,Fan Zhiyong
(Offshore Oil Engineering(Qingdao) Co., Ltd., Qingdao, Shandong266520, China)
A b s tra c t：Firstly,Introduced the current status environmental laws and regulations of
domestic and solvent shop primer VOCs emissions.Through analyze the secondary blasting efficien
cy to illustrate the importance of shop prime.Based on the environment of Qingdao and the VOCs emission standard of Shandong Province,verify the performance of water-borne inorganic zinc shop primer feasibility research,and the economic analysis compared with solvent shop primer VOCs released.Get the conclusion that using self-curable water-borne inorganic silicon shop primer can satisfy the environmental regulation,as well as improve the efficiency of sandblasting,There is only by increasing ventilation in the drying section and accelerating the curing rate of waterborne workshop primer can meet the production requirement,no need for a major renovation of VOCS purification.Through the comprehensive analysis of the cost of equipment renovation and pollution discharge,it is shown that the waterborne shop primer has good corrosion resistance and economic value.
K ey w o rd s：self—curable;waterborne inorganic zinc silicate;shop primer;V O C s;equip­ment renovation;economy
作者简介：
王长军（1986—），男，主要从事海洋石油工程防腐与保温质量控制工作。
王长军等：海洋钢结构水性车间底漆的应用技术与经济分析
涂料在制造、施1:、干燥、固化和成膜过程中向 空气散发的VOCs是重要的环境污染物之一，对人体 健康和环境构成严重的污染和威胁。为此，世界各 国制定了相关环保法规限制VOCs排放，如德国TA- Luft空气质量控制技术规范，美国新建固定源排放标 准（NSPS)和危险空气污染物国家排放标准(NESH/VP)，欧盟环保指令（有机溶剂使用指令1999/13/EC、涂料指令2004/42/EC)等1W1。近年来我 国的环保法规陆续出台，如2014年修订的《环境保护 法》、2 015年修订的《大气污染防治法》、2 018年修订 的《中华人民共和国环境保护税法》，从环保法规的 陆续出台说明国家对环境越来越重视。我国在2016 年《“十三五”生态环境保护规划》对V0C s作出严格 规定：“扩大污染物总量控制范围。在重点区域、重 点行业推进挥发性有机物排放总量控制，全国排放 总量下降10%以上”。2017年环境保护部印发《“十 三五”挥发性有机物污染防治工作方案》指出“重点 推进集装箱、汽车、家具、船舶、工程机械、钢结构、卷 材等制造行业工业涂装VOCs排放控制；到2020年，全国工业涂装VOCs排放量减少20%以上，重点地区 减少30%以上”，且对船体和钢结构制造行业提出试 点推行水性涂料。目前山东省VOCs的排放控制标准 为DB37-2801.5_2018(见表1)。目前预处理线普 遍采用活性炭吸附技术，喷涂车间底漆VOCs质量 浓度高峰时可达850 mg/m3，远远超出法规质量浓度限值，在现有吸附技术前提下使用无机硅涂料无法满足环保法规要求，且严重影响二次喷砂施工效率。
表1现有表面涂装企业或生产设施涂装工序VOCs 排放限值
Table 1The VOCs emission limit of existing surface coating industry and production facilities
项目
质量浓度限值"mgTiT3)0.5    5 15 70
速率限值'/(kg.tr1)0.3 0.6 0.8    2.4
注：*—污染治理设施处理效率达到90%及以上时，等同 于满足排放速率限值要求。
1水性车间底漆技术可行性研究
1.1车间底漆必要性分析
青岛的腐蚀环境为C5M级别（海洋环境重防腐），经过预处理后的板材具有50~75 pm的粗糙度，不喷涂车间底漆15 d后全部布满锈蚀，而且已经锈蚀 到波谷，二次喷砂很难将深处锈蚀点清理干净(图1)，且存在盐分超标现象，极易造成涂层脱落。对比二 次喷砂处理1 000 m2相同的型材，以15把喷砂枪同时施工计算，达到喷涂正式底漆所要求的表面处理等级Sa2.5,2种方案综合对比（见表2)。由表2可 以看出，钢板在预处理后喷涂车间底漆后二次喷砂并未造成整体费用增加，且二次喷砂的效率可提高40%0
(a)—预处理后喷砂（b) —预处理后喷砂[(a)放大5倍](c)一预处理后喷砂放置15 d (d)—预处理后喷砂放置30d
图1预处理未施工车间底漆二次喷砂表面
Fig. 1Secondary7 blasting condition after pre-treatment without shop primer
1.2车间底漆性能要求
车间底漆，主要用于抛丸的钢材（型钢或钢板）组装前的临时防护，防止钢材在加工、组装过程中 (3~6个月）产生大量锈蚀，从而减轻分段或组装后大 型结构件的二次喷砂除锈工作，提高工作效率，达到 节能环保的目的|3—41。海洋工程类和船厂主要使用无机硅酸锌车间底漆，车间底漆要求具有良好的附着力和施工性能，快干性能以适应自动化流水线的连续生产；具有优良的耐水性和耐化学品性，不影响切 割速率和焊接质量，加热时不会产生有毒气体：近 年来随着国内环保力度的加大，根据最新GB/T38597 一2020《低挥发性有机物含量涂装产品技术要求》
溶
王长军等：海洋钢结构水性车间底漆的应用技术与经济分析
剂型车间底漆涂料中VOC含量幻80 g/L。目前广泛 使用的是无机硅酸锌车间底漆，固体含量仅为26%~ 30%，约70%的成分是有机溶剂，施工后挥发成为污 染大气的VOC排放，VOC含量超过600 g/L151。水性车 间底漆的固体含量超过50%，水做稀释剂，可降低 V O C排放，应用车间底漆可提高二次喷砂效率(40%)，节省人工成本，无环保风险，非常适合开放式 的预处理线喷涂和型钢翼缘的手工喷涂和刷涂施工，在工程机械行业可以达到直排标准161。
1.3自固化水性无机硅车间底漆试验
1.3.1主要原料与设备
选用某公司生产的自固化水性无机硅车间底漆，固体分为62%，膜厚为15~30 (xni；某公司生产的 溶剂型车间底漆，固体分为28%。喷漆泵采用GRACO无漆喷涂，泵压缩比33：丨，喷嘴GRACO623。
1.3.  2 试验过程
喷砂及检验要求：喷砂材料采用钢丸、等级S230，喷砂后清洁度等级达到Sa2.5，测量祖糙度达 到50〜75 pm，清洁度要求达到ISO8502-3 2级，喷砂 后表面可溶性盐含量为3 |xg/cm2。
喷漆：钢板行走速度3 min/m，喷枪行走速度0. 8 m/s，喷漆泵进气压力0.25 MPa，环境温度27 1，相对湿度70%，钢板温度35 T。
烘干：预处理流水线烘干段如图2所示，全长 12 m，吹地机、轴流风机均架设在前段7 m区间内^ 左侧架设2台轴流风机，右侧最前端架设吹地机和轴 流风机，检修门位置架设工业电扇。烘干段行走时 间3 min，烘干室内温度37丈。
1.3.  3 性能测试
对水性车间底漆性能进行测试，结果如表3所
轴流风机轴流风机左侧
烘干段
吹地机
〇〇I I 〇〇I >I C O I I
專!^风机轴流风机工业电扇右侧
图2预处理线烘干段设备布置
Fig. 2 Layout of the pretreatment line drying equipment
示。表中接收标准是根据船用车间底漆GB/T3747— 2008并结合公司生产线要求。
1.3.4水性车间底漆与溶剂型车间底漆
VOCs排放对比
现在使用的溶剂型车间底漆，其体积固体分低，VOCs含量高,VOCs及二甲苯的排放浓度及速率均难 以满足地方标准（DB37/2801. 5—2018)的排放要求。选取固体含量28%, V0C含量为640 g/L的溶剂型无 机硅酸锌车间底漆，与上文的无机硅车间底漆进行 对比，结果如表4所示。
从表4可以看出，一般情况下溶剂型车间底漆 VOCs排放浓度超过标准要求7倍，排放速率超过标 准要求6倍，但是水性车间底漆各项指标均满足环保 法规要求。
表2预处理喷涂和未喷涂车间底漆后二次喷砂方案对比
Table 2 Secondary sandblasting schemes comparison between pretreatment spraying and non-spraying shop primer
T T S■曰方案1方案2
丄贝日
预处理后未做车间底漆，二次喷砂预处理后喷涂车间底漆，二次喷砂所需总时间/h  5.63. 1
人力花费/元7 0007 000
磨料消耗花费(含预处理线)/元9 6007 800
车间底漆花费/元0  2 000
电费（含预处理线)/元  3 920(3 920+0)  3 820( 1 650+2 170)
费用合计/元 20 520 20 620
喷
漆
段
中
王长军等：海洋钢结构水性车间底漆的应用技术与经济分析
表3水性车间底漆性能测试结果
Table 3 The testing results of the waterborne workshop primer
项目接收标准实测参考标准
表干(触干)时间/m in<3(23^), <2(40^)2(27 °C)GB/T 1728—1979初期耐水性24 h无起泡，剥落、生锈24 h无起泡，剥落、生锈GB/T 1733—1993附着力/M Pa^21GB/T9286—1998耐候性(海洋气候环境）暴晒6个月，生锈<1级暴晒12个月，生锈U级GB/T 1766—2008切割减慢速度/%彡1515GB/T6747—2008焊接或切割漆膜破坏/mm^2020GB/T 6747—2008
表4水性与溶剂型车间底漆排放对比
Table 4 The emission comparison of waterborne and solvent-based shop primers
项目VOCs苯甲苯二甲苯
排放浓度/法规要求700.5515溶剂型底漆(检测值）>1505x l〇-40.075 614水性底漆(检测值）  6.2000
排放速率/法规要求  2.40.30.60. 8溶剂型底漆(检测值）14.70  2. 1x10-40.4
(kg.h-1)
水性底漆(检测值）0. 37000
2水性无机硅车间底漆经济性分析
根据对比试验，水性车间底漆性能和环保方面 均满足相关要求。现以每年预处理工作量40万m2为基数，从涂料材料成本、VOC排污税、固废处理成本、废液处理成本、预处理流水线设备改造费用、VOC后 处理设备投资及维护这6个方面对使用水性车间底 漆和溶剂型车间底漆进行成本分析。
2. 1涂料材料成本分析
水性车间底漆的体积固体分(6 2%)较溶剂型车 间底漆（2 8%)提高121 %，因此水性车间底漆的使用 量可降低73%。并且水性车间底漆使用去离子水作 为稀释剂，与溶剂型车间底漆相比，几乎没有稀释剂 成本。虽然每升单价有所上升，但折合到每年的涂 料材料总成本，仅比使用溶剂型车间底漆高10.3% (见表5)。
2.2 V O C排污税分析
根据《中华人民共和国环境保护税法》，若油漆 中含有税法中提及的污染物，需要根据相应的污染 物当量值，并根据山东省的环境保护税征收标准进 行征税。
表5水性与溶剂型车间底漆综合成本对比 Table 5 Comprehensive cost comparison between waterborne and solvent—based shop primer
项目
溶剂型车间
底漆
水性车间
底漆
变化
率/%
体积固含28%62%121
干膜厚度25 |xm15 |J L m-40
稀释剂比例15%30%100
涂料综合成本约2. 9元/m2约3.2元/m210. 3溶剂型车间底漆中的应税污染物为二甲苯，含 量5%。同时依据山东省的标准，每1污染当量征税1.2元。按照1a涂装40万m2计算，每年排放V0C总 量为28 414. 29 kg，其中有5%的二甲苯需要应税，因此每年的环境保护税为6 307. 97元。
相对于溶剂型车间底漆，水性车间底漆V0C含 量不足2 g/L，且不含任何应纳税污染物，因此无需缴 纳环境保护税。
2.3固废处理成本分析
使用溶剂型车间底漆，每年需要超过2 150桶涂 料，产生包装桶等危险固体处理费约3. 5万元，而使
王长军等：海洋钢结构水性车间底漆的应用技术与经济分析
用水性车间底漆，包装桶不属于危险同废。
2.4废液处理成本分析
使用溶剂型车间底漆，每次喷涂前后都需要使 用大量的溶剂清洗设备及管道，其废液排放量按每 周160 kg计算，每年废液处理费近5万元。使用水性 车间底漆，可采用淡水清洗设备和管道，清洗完设备 的废水经过过滤，滤除锌粉等颗粒之后可以循环再 利用，收集回来的锌粉还可回收，因此废液处理成本 可以忽略不计。
2.5预处理流水线设备改造费用分析
使用水性车间底漆，需在烘干段增加风机以加 大干燥速度和通风量，并且需对布风管和废水池进 行改造，加速空气流动，总费用成本约5万元。2.6 VO Cs后处理设备投资分析
根据国家要求，使用溶剂型涂料，若V0C S排放速 率>2 kg/h就不能直排，必须要安装VOCs处理设备。根据目前现状VOCs排放速率高峰达28. 79 kg/h，选 择国产的设备需要300万元，每年的电费、运维费用 约为30万元。水性车间底漆的VOCs无需后处理设 备，可进行直排。
2.7涂装总费用比较
由于VOCs后处理设备的初期投资费用较高，为 了更合理的比较使用水性无机硅车间底漆和溶剂型 车间底漆的成本，分别对水性无机硅车间底漆方案 和溶剂型车间底漆方案5 a和10 a总费用的净现值进 行比较，结果如表6所示。
表6涂装净现值计算
Table 6 Calculation of net present value
项目溶剂型车间底漆水性车间底漆变化率/%材料成本/元1 148 571.431 277 419. 3511
V0C排污税/元  6 307. 970.00-100固废处理费用/元34 714.290.00-100废液处理费用/元49 920. 000.00-100流水线改造费/元050 000. 00100
V0C后处理设备-国产/元  3 300 000. 000-100 1a合计/元  4 539 513. 691 327 419. 35-71
5 a合计/元10 103 838. 11  5 580 557. 30-45 10 a合计/元15 923 947. 729 913 893.65-38
由表6可知，使用水性车间底漆，第一年总费用 净现值降低71%，5 a总费用的净现值比使用溶剂型 车间底漆降低45%，10 a总费用的净现值降低38%。
3结语
随着国家对环保形势重视程度的深人，自固化 水性车间底漆不但表现出优良的耐水、耐候、切割和 系统兼容性，而且其低VOCs排放突显出环保优势，满足地方法规的VOCs排放要求，二次喷砂处理生产 效率得到大幅提升。经过对比分析，使用水性车间 底漆，虽然涂料成本略有上升(提高11%)，但从整体 成本上考虑，可以大大降低V0C、固废及废液的处理 费，第一年的总费用相对于使用溶剂型车间底漆，可 降低71%。因水性车间底漆的经济和环保性，其有望 代替溶剂型车间底漆。
参考文献
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收稿日期2020-11-09(修改稿）

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