Polimerizzazione UV LED per la verniciatura dei tubi OCTG

In questo articolo:

• • • • Polimerizzazione delle vernici liquide: caratteristiche e differenze dei 3 metodi principali
      • Verniciatura ad acqua e polimerizzazione UV LED a confronto: una simulazione realistica per quantificare consumi e vantaggi
      • Un revamp completo per migliorare il rendimento dell’impianto
      • Un impianto nuovo di zecca per la verniciatura UV LED dei tubi OCTG

Dalla verniciatura a base acqua alla polimerizzazione UV LED dei tubi OCTG: Movingfluid si evolve con il mercato

Il mondo industriale pone sempre nuove sfide: ciò che funziona oggi potrebbe non essere più adatto alla produzione di domani e le evoluzioni del mercato (commerciali, normative o tecniche) comportano cambiamenti importanti all’interno degli stabilimenti.

Un esempio? Le tipologie e i metodi di verniciatura. Negli ultimi anni abbiamo assistito infatti all’introduzione di soluzioni innovative che si sono affiancate a quelle più tradizionali: così, insieme alle più classiche vernici ad acqua, si sono sviluppati sistemi di polimerizzazione UV a mercurio e, più di recente, a LED.

Una tecnologia promettente – in termini di efficienza e risparmio – che Movingfluid ha già avuto modo di conoscere grazie a due progetti di verniciatura dei tubi OCTG (Oil Country Tubular Goods) elaborati per un colosso mondiale della produzione siderurgica.

Polimerizzazione delle vernici liquide: caratteristiche e differenze dei 3 metodi principali

La polimerizzazione UV LED è l’ultimo traguardo tecnologico raggiunto in ambito industriale per il rivestimento esterno di tubi destinati al settore Oil&Gas. Un ambito che richiede:

1. processi altamente affidabili e ripetibili;
2. procedure compatibili con elevati volumi produttivi;
3. funzionamento continuo su più turni;
4. standard qualitativi stringenti.

Ecco perché molte realtà operanti in questo segmento hanno preferito abbandonare (o si stanno preparando a farlo) il coating tradizionale in favore di alternative più performanti.

Ma vediamo nel dettaglio che differenza c’è tra questi 3 metodi:

1. verniciatura a base acqua;
2. verniciatura UV con lampade tradizionali;
3. polimerizzazione UV LED.

1. La verniciatura a base acqua con forni ad aria calda: un classico senza tempo

La verniciatura industriale dei tubi OCTG ha perlopiù una funzione protettiva e non estetica, utile soprattutto per i pezzi destinati all’esportazione.

Gli impianti che adottano soluzioni a base acqua sono piuttosto semplici da gestire e per questo ancora molto diffusi, ma hanno ampi margini di miglioramento: 

1. le vernici hanno un contenuto solido tipicamente del 40–55%: questo significa che solo la metà circa del prodotto acquistato ha capacità di copertura (inoltre, non tutta la parte solida viene spruzzata sul tubo: la maggior parte delle vernici ad acqua genera overspray, ovvero una parte della spruzzatura finisce nell’ambiente e non sul tubo);
2. l’altra metà, ovvero la componente acquosa, deve essere completamente evaporata per far sì che la vernice si solidifichi;
3. il che richiede l’uso di forni ad aria calda o IR/aria;  
4. i tempi di asciugatura sono piuttosto lunghi (da qualche minuto a qualche ora) e, di conseguenza, il consumo energetico è alto;
5. l’overspray generato in cabina di verniciatura non è recuperabile e, per contro, crea prodotti di scarto (fanghi, liquidi contaminati, ecc.) che devono essere smaltiti.

2. La verniciatura UV con lampade al mercurio: una soluzione che rischia di rimanere “in panchina”

Alcune di queste criticità sono state superate dalla polimerizzazione UV tradizionale, che impiega vernici 100% solide, senza parti acquose (la resa del prodotto è totale e può essere anche recuperato!), curate in modo istantaneo attraverso le lampade UV al mercurio.

A differenza dell’essiccazione classica, infatti, le lampade UV innescano una reazione fotochimica che indurisce e fissa la vernice ai tubi. Però, c’è un però, anzi tre: 

1. la potenza installata affinché l’impianto funzioni è piuttosto elevata; 
2. anche la quantità di calore residuo è significativa e, dunque, necessita di un trattamento per rendere l’ambiente di lavoro confortevole;
3. durante il processo vengono rilasciate diverse sostanze nocive, come l’ozono e il mercurio, che devono essere gestite.

A questo si aggiunge poi un ulteriore ostacolo legislativo: secondo gli ultimi aggiornamenti, a partire dal 2027 questo tipo di lampade sarà vietato all’interno dell’Unione Europea. Per questo motivo, nonostante possibili deroghe e rinvii, alcune aziende preferiscono orientarsi già sulla novità.

3. La polimerizzazione UV LED: il top di gamma del coating

Non più a mercurio, ma LED: le lampade utilizzate in questo sistema sfruttano una lunghezza d’onda specifica per polimerizzare le vernici, anche in questo caso 100% solide e recuperabili.

La tecnologia LED ha dalla sua numerosi altri vantaggi:

1. dura molto di più rispetto a quella a mercurio, riducendo così i costi di sostituzione o riparazione dell’impianto; 
2. ha un basso carico termico, dunque non impone sistemi di gestione del calore in eccesso all’interno della fabbrica;
3. occupa molto meno spazio rispetto alla soluzione con vernice ad acqua: la cabina di cottura ingombra per una superficie di circa 3×2 m2 contro i 15×7 m2 del forno ad aria;
4. garantisce un’efficienza elettrica elevata; 
5. non produce mercurio né ozono (ma ha comunque bisogno del trattamento fumi), pertanto ha un’impronta ambientale (e un costo di smaltimento) decisamente inferiore;
6. il sistema di polimerizzazione UV LED può essere acceso e spento in qualunque momento e raggiunge la temperatura richiesta in pochi secondi, senza sprechi di energia e soldi.

Verniciatura ad acqua e polimerizzazione UV LED a confronto: una simulazione realistica per quantificare consumi e vantaggi

Sappiamo che parlare di risparmio in modo generico non basta: chi investe in industria vuole conoscere precisamente il quantum. Per avere un’idea più concreta dei vantaggi generati dal risparmio, abbiamo utilizzato i dati reali di produzione dell’azienda siderurgica e li abbiamo applicati a quelli delle due tecniche di verniciatura. Ecco cos’è venuto fuori.

Parametri di produzione considerati

• Diametro medio dei tubi: circa 220 mm;
• Lunghezza media: 10 m;
• Spessore vernice secca: 45 micron;
• Produzione: 60–120 tubi/ora (media 90 tubi/ora);
• Operatività: 3 turni, 24h/giorno, 330 giorni/anno;
• Superficie media per tubo: circa 6,9 m²;
• Produzione annua stimata: circa 712.800 tubi; circa 4.920.000 m² rivestiti/anno.

Consumi di vernice

Spazio industriale

• Forno aria + movimentazioni: ≈ 200 m²;
• Tunnel UV LED completo: ≈ 60 m²;
• Costo medio industriale considerato: 120 €/m²/anno.

Costi operativi annui (OPEX)

*Considerando un’operatività di 24 h/giorno per 330 giorni/anno a un costo medio di 0,06 €/kWhₜₕ.

In sintesi, un impianto UV LED (rispetto ad uno che utilizza vernici ad acqua) garantisce:

• un risparmio operativo di circa 844.000 euro all’anno;
• un payback time per l’acquisto di 16 mesi.

Operatività e risparmio senza rivali

Nel contesto OCTG ad alta produttività come quello dell’azienda presa qui in esame, il costo reale non è il prezzo della vernice, ma quello per m² utile polimerizzato. Lo spazio industriale, per contro, è capitale immobilizzato.

Se seguiamo questo ragionamento e riprendiamo i risultati della simulazione, risulta evidente che la tecnologia UV LED trasforma il processo di verniciatura da centro di costo a leva di marginalità. A parità di qualità finale del rivestimento, il paragone tra i due metodi è schiacciante. Bastano alcuni punti chiave per sintetizzarlo: 

1. il forno ad aria asciuga principalmente acqua;
2. l’impianto UV LED riduce drasticamente le spese operative;
3. i costi di investimento per l’UV LED sono più alti, ma il payback è piuttosto rapido;
4. l’impatto ambientale è sensibilmente più basso nella tecnologia UV;
5. la flessibilità e la rapidità produttiva sono ineguagliabili.

In contesti industriali ad alta intensità produttiva, la scelta UV LED non rappresenta solo un’evoluzione tecnologica incrementale, ma un cambio strutturale del modello economico del processo di verniciatura.

Un revamp completo per migliorare il rendimento dell’impianto

Anche per questo, nell’ultimo decennio alcune aziende si sono già orientate verso l’UV, abbandonando del tutto o in parte la verniciatura ad acqua.

Tra queste anche l’azienda multinazionale che, in un paio di occasioni, ha richiesto il supporto di Movingfluid: in un primo momento, per rinnovare completamente l’impianto di polimerizzazione UV al mercurio già in uso; e poi una seconda volta per elaborare una soluzione del tutto nuova con tecnologia UV LED.

Un sistema inaffidabile che causava tempi morti e sprechi ingenti

Nel suo stabilimento in Arabia Saudita, il cliente utilizzava una macchina per il coating dei tubi con lampade al mercurio: una scelta che si era rivelata piuttosto infelice, non tanto per il sistema in sé, ma per l’inefficienza dell’impianto, realizzato da un altro fornitore.

Tra le principali problematiche lamentate, c’erano:

1. tempi di inattività (downtime) prolungati;
2. bassa utilizzazione della vernice;
3. scarso controllo del processo e della qualità. 

Le aree che presentavano maggiori necessità di miglioramento erano la spruzzatura, il raffreddamento delle lampade e il recupero della vernice. Criticità attribuite a un design difettoso, che comportava anche un frequente intasamento del sistema di ricircolo e diversi punti di setup manuale, come la regolazione della pressione di atomizzazione e del ventaglio, e della posizione degli ugelli.

Risultato: produzione instabile e tempi di cambio ciclo lunghi, con un tasso di utilizzazione di vernice nettamente inferiore al previsto (pari solo al 61.81%).

Intervenire a monte per risolvere i problemi a valle

Grazie alla nostra esperienza nell’ambito della verniciatura industriale, abbiamo potuto proporre una serie di interventi migliorativi che andavano all’origine delle questioni segnalate dall’azienda.

Per prima cosa, ci siamo concentrati su tutto ciò che provocava tempi morti e dispersioni, a partire dalle pistole. Una sfida nella sfida era rappresentata infatti dalla varietà di dimensione dei pezzi, che possono andare dai 5-6 m fino ai 15 m di lunghezza, e dai 100 mm fino ai 350-400 mm di diametro, a seconda delle esigenze produttive. La soluzione proposta da Movingfluid elimina la necessità di un controllo manuale delle pistole, che si regolano automaticamente sulla base delle misure del tubo.

Anche la portata della vernice può essere affidata a un sistema autonomo tramite una pompa elettrica che adatta l’afflusso di prodotto al diametro del tubo. Ne consegue che i filtri non si intaseranno più perché le quantità di vernice saranno sempre calibrate sulla dimensione reale di ogni pezzo. Gestendo correttamente la spruzzatura – una fase spesso trascurata sia durante la progettazione che nell’indagine dei problemi – si risolvono a catena tutti gli intoppi successivi.

Un approccio distintivo dei nostri Sfigasolver che, oltre a poter agire su macchine esistenti per la loro ottimizzazione o conversione, sanno sviluppare impianti da zero, anche con il sistema più recente di polimerizzazione UV LED.

Un impianto nuovo di zecca per la verniciatura UV LED dei tubi OCTG

Lo testimonia il secondo progetto elaborato per l’azienda siderurgica, decisa a introdurre il metodo UV LED nella propria sede saudita. La soluzione proposta da Movingfluid consente di gestire l’ampio range di tubi trattati senza difficoltà, compresi quelli più corti. Questi, passando in linea dalla stazione di verniciatura a quelle di essiccazione rischiano infatti di sbilanciarsi in avanti, ma inserire un supporto centrale provocherebbe una lacuna nel rivestimento. Grazie a un sistema (già diffuso in altri impianti simili) di blocco e contrappeso in ingresso anche i tubi di lunghezza ridotta possono essere verniciati senza difetti.

Dopo la verniciatura, i pezzi attraversano in modo continuo una doppia area di cottura, collegata sia all’apparato di aspirazione fumi che all’area di recupero dell’overspray. Quest’ultimo, in particolare, è uno degli aspetti vincenti delle vernici UV: all’interno della cabina di spruzzatura, due coni automatizzati raschiano il prodotto inutilizzato dalla superficie e lo convogliano nella zona deputata, dove viene purificato per essere riutilizzato. Un recupero quasi totale che si traduce in risparmio vero e proprio.

I cambiamenti possono essere estremamente positivi se sai come gestirli e quali soluzioni scegliere per migliorare la produttività. Non avere dubbi: Movingfluid è il partner ideale per crescere!

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