基于灰色局势决策的高压无气喷涂施工工艺研究

2022-07-05林实辉张春良任发喜薛永超

上海涂料 2022年3期

林实辉，张春良，任发喜，薛永超

（1.华邦建投集团股份有限公司，广东广州 510000；2.东南大学，江苏南京 210000）

0 引言

目前火力发电、生物制药、工业冶炼及化工行业中均广泛使用了大型混凝土贮存池，以存贮高腐蚀性的材料[1-3］。在水泥混凝土结构内壁涂刷防腐涂料，是延长水泥混凝土结构的服役寿命、保证设施使用可靠度的主要手段。

现有防腐涂料涂布的常用方法为高压无气喷涂，该法作业效率高，且无气作业的特点避免了因气体反弹而带走部分涂料，其涂料利用率较传统有气喷涂可提高10 %以上[4］。防腐涂层的施工工艺是影响防腐涂层使用性能的重要因素，不同工艺组合对所得涂层的性能影响显著。

本研究通过对不同工艺组合进行正交试验，结合灰色局势决策方法，就高压无气喷涂的不同工艺组合对所得涂层的性能影响展开研究，以获得最优的工艺组合，对高压无气喷涂的施工工艺提出改进意见。

1 试验设计

1.1 涂层材料及试件

采用由甲苯二异氰酸酯（TDI）、六亚甲基二异氰酸酯（HDI）、双酚A型E-44环氧树脂与玻璃鳞片复配制得的环氧聚氨酯防腐涂料，其组成参数如表1所示。

表1 高性能环氧聚氨酯防腐涂料的组成参数（部分）Table 1 Composition parameters of epoxy polyurethane anticorrosive coatings with high performance（part）

制备涂刷区域尺寸为100 cm×100 cm的立面水泥混凝土试件。待水泥混凝土的养护期结束后，先对混凝土试件表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料，养护结束后，再涂刷环氧富锌底漆，最后涂刷环氧聚氨酯防腐涂料。

1.2 正交试验方案设计

喷涂作业采用手持式小型高压喷枪，喷涂方向采用左右往复喷涂。同一区域的喷涂次数设定为2～3次，以可在试件表面喷涂1.0～1.5 mm厚度的涂层为准。综合分析高压无气喷涂的施工工艺，采用施工工序组合、雾化压力、喷枪移速、喷涂距离、保温温度和环境温度6个因素，每个因素分为3个水平，分别依据防腐涂层施工过程的特点来拟定；再基于正交设计原则与各影响因素水平，制作L18（37）的正交表；最后，以正交表L18（37）中的18种施工方案制备防腐涂层试件，每个施工方案涂刷4块混凝土板。影响因素水平表如表2所示。

表2 影响因素水平表Table 2 Table of influencing factor levels

1.3 性能测试

粘结性能：参照标准GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉开法附着力试验》中的相关规定进行测试，试验温度设为（23±2）℃，环境湿度设为（50±5）%。

涂层材料的拉伸强度：参照GB/T 16421—1996《塑料拉伸特性小试样试验方法》中的相关规定进行测试。

耐磨性：参照GB/T 1768—2006《漆膜耐磨性测定法》进行测试。

循环老化时间：参照ISO 20340：2003《色漆和清漆用于近海建筑及相关结构的保护性涂料系统的性能要求》附录A的内容进行测试。以1周（168 h）作为单次循环，计划进行25个循环周期，共计4 200 h。循环过程中观察并记录试样出现粉化与开裂的时间，以此作为耐老化循环时间。

硬度：参照GB/T 2411—2008《塑料邵氏硬度试验方法》中的相关规定进行测试。

厚度极差：待涂层固化后，采用精度为0.01 mm的螺旋测微仪量取其最大厚度与最小厚度，并计算二者的极差来评价喷涂效果，极差越小，说明涂层越均匀。

1.4 试验结果

不同试验方案所得涂层的性能检测结果如表3所示。

表3 涂层性能检测结果Table 3 Performance test results of coating

由表3可知，以不同施工工艺方案制备的试件的性能存在明显差异，例如以方案4制备的涂层，其粘结强度与循环老化时间均高于其他方案，涂刷后的厚度极差均低于其他方案，即此涂层的耐老化性能、均匀性，以及与被保护层间的粘附性能最好，但其耐磨性能相对较差；以方案13制备的涂层，其磨耗损失只有375 mg，即耐磨耗性能优于其他方案，但其与保护层的粘结强度和耐老化性能却逊于其他方案。由上可知，对于高性能环氧聚氨酯防腐涂料的施工，无法凭借单一性能指标全面反映不同施工工艺对涂层性能的影响，亦无法量化各关键因素对涂层性能的影响程度。因而，本研究拟采用改进灰色局势决策方法，通过多指标的对比分析，对各施工工艺方案进行优选。

2 基于灰色局势决策的涂层性能分析

灰色决策方法是现代决策方法的重要分支，由于其对原始数据没有特殊的要求与限制，灰色决策已经被广泛应用于经济、管理、工程及军事等多个领域[5］。灰色局势决策可分为局势效果的确定、最优局势效果的分析与灰色关联度的计算3个部分，可实现从多项对策中优选出效果最好的对策，本研究选用该方法对各施工工艺进行优化研究。考虑到灰色绝对关联无法较好地表现两序列相对于始点变化速率的接近程度，因此采用综合关联度替代绝对关联度，使得改进后的灰色局势决策能同时体现两序列的接近程度与联系紧密程度，可充分利用多指标的对比结果，得到每种方案综合优劣的结论。

2.1 局势效果的确定

定义U（k）为所述18个局势中防腐涂层第k个决策目标的效果样本序列，定义ui（k）为第i个局势中防腐涂层第k个决策目标的效果样本。设定6个决策目标，分别为：粘结强度A、拉伸强度B、磨耗损失C、循环老化时间D、硬度E与涂层厚度极差F，其效果样本序列U（k）如式（1）所示。

将表3中的试验数据作为效果样本分别代入式（1），可得

再设R（k）为效果样本序列U（k）的一致效果测度序列，ri（k）为效果样本ui（k）的一致效果测度，所述一致效果测度序列R（k）如式（2）所示：

对于防腐涂层，粘结强度、拉伸强度、循环老化时间与硬度越大，代表涂层的使用性能越好；磨耗损失与涂层厚度极差越小，代表涂层耐磨性能越好、涂层整体越均匀。因此，采用上限效果测度描述粘结强度、拉伸强度、循环老化时间与硬度，采用下限效果测度描述磨耗损失与涂层厚度极差，上限效果测度rui（k）与下限效果测度rdi（k）分别如式3和式4所示。

将U（1）～U（6）代入式（3）和式（4），得到一致效果测度序列R（k）如下：

最后，定义vi为第i个局势防腐涂层的6个决策目标的一致效果测度序列，vi（k）为第i个局势防腐涂层的第k个决策目标的一致效果测度，如式（5）所示。

则有一致效果测度序列vi，如式（6）所示。

将上述R（1）～R（6）分别代入式（5）与式（6），可得：

2.2 局势效果的分析

根据上限效果测度与下限效果测度，可知最优局势防腐涂层的6个决策目标的一致效果测度序列Vos=（1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0，1.000 0），分别绘制Vi与Vos的相似程度，如图1所示。

图1 各涂层局势与最优局势测度Figure 1 Each coating situation and optimal situation measurement

由图1可知，对于所述的6个决策目标，各局势与最优局势的相似程度均存在明显差异，且规律性较小，难以直接简单量化分析。

2.3 灰色关联度的计算

为综合对比各施工参数对防腐涂层性能的影响，通过式（7）计算灰色综合关联度，以此作为评价指标，对其联系程度进行对比分析，灰色综合关联度的计算结果如图2所示。

图2 各局势的灰色综合关联度Figure 2 Grey comprehensive correlation degree of each situation

式中，ρ0i代表序列M0与Mi的灰色综合关联度；ε0i代表M0与Mi的灰色绝对关联度；r0i代表M0与Mi的灰色相对关联度；θ为调节参数，取值范围在0～1之间，本研究取θ=0.5。

由图2可知，局势3的灰色综合关联度最小，为0.871；局势14的灰色综合关联度最大，为0.967；二者相差达0.096，这说明各局势与最优局势间的联系存在显著差异。对各局势的灰色综合关联度以降序排列，可得局势排序：14号、2号、4号、15号、8号、17号、6号、5号、11号、10号、9号、12号、7号、13号、18号、1号、16号、3号。此外，2号、4号、5号、6号、8号、10号、11号、14号、15号与17号局势的灰色综合关联度大于0.9，其工艺组成可划分为施工容许范围，以提高喷涂施工的可操作性。

综上所述可知，不同施工工艺方案所制备的防腐涂层的性能差异较大，且基于防腐涂层的6个性能指标，可得到18种施工工艺方案的优劣排序，即所述18种施工工艺方案的涂层性能排序依次为14号、2号、4号、15号、8号、17号、6号、5号、11号、10号、9号、12号、7号、13号、18号、1号、16号、3号，其中14号方案所制备的防腐涂层的综合性能最好。