石油鉆機涂裝質量控制及驗收方法

謝志敏

（河北省防腐保溫行業協會，河北 石家莊 050051）

1 前言

石油鉆機系指在石油鉆井中帶動鉆具破碎巖石、向地下鉆進以獲得石油或天然氣的機械設備。20 世紀90年代以來，根據油田的要求和境外石油勘探開發的需要，參考1995年原中國石油天然氣總公司勝利油田石油鉆機方案定型會議提出的“大力提高輕便性和移動性”的意見，先后研制出機控、數控(2 000 M 以下級別至9 000 M 超深級別)等各種形式的石油鉆機。一部常用的石油鉆機主要由動力機、傳動機、工作機及 輔助設備組成，一般有八大系統，其主要設備有：井架、天車、絞車、游動滑車、大鉤、轉盤、水龍頭(動力水)及鉆井泵、動力機、聯動機、固相控制設備、井控設備等，這些設備的基材(一部鉆機耗用材料的總重量大約在200 ～ 300 t 不等)除旋轉系統外，基本上以碳鋼為主，設備的防護主要是針對大氣環境下的外腐蝕。

目前，鉆機的腐蝕防護主要采用有機覆蓋層保護。實踐證明，防腐蝕覆蓋涂層是最有效、最經濟和簡易可行的方法。防腐蝕涂料應用于被涂物表面，針對不同的腐蝕環境發揮其防護功能，故其應用價值最終以在被涂物表面形成的涂膜來體現，而涂裝質量的好壞，最后都要體現在涂膜的好壞上。因此，涂層間的復涂是涂裝施工中不可缺少的作業程序，也是實現多層涂層組合、達到持久性防腐蝕保護和美觀裝飾目的的關鍵步驟。涂層復涂是指利用適合的涂裝方式如刷涂、輥涂、噴涂等嫻熟的操作技術，在同類或不同類型成膜物質涂料間，將涂料均勻地覆蓋在已有涂層表面，一般稱為復涂或重涂。石油鉆機的服役長期處于惡劣的戶外大氣環境條件下，對防腐、防污、涂層保護等有著較為嚴格的要求，一般涂層的有效保護期按行業規范設計壽命為10 a。其保護涂層通常為“底漆+中間漆+面漆”的復合涂層。常用的復合涂層配套方案為環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+可覆涂丙烯酸聚氨酯耐候面漆。石油鉆機的涂層復涂看似簡單、易于操作的涂裝作業，但是，實際操作中常常于無意中忽視了復涂必須具備的基本條件，從而導致復涂涂層與被覆蓋涂層的層間附著不良，甚至發生漆膜剝落或脫落，失去涂層保護和外觀裝飾性的嚴重后果，直接影響到鉆機的正常戶外作業和使用壽命。

2 影響石油鉆機涂層復涂質量的因素

2.1 復涂層附著力

漆膜是附著在底材上才發揮其裝飾和保護功能的，附著是漆膜的首要性質，故附著力是影響涂層復涂的主要因素。附著力是一種復雜的現象，涉及到“界面”的物理效應和化學反應。涂膜對底材的附著，主要是靠分子間的作用力(即范德華力)來實現的。這些力的大小取決于基材表面和黏結料(樹脂、聚合物和基料)的性質。在多層涂膜體系中，不同或同一涂料品種的涂層間出現附著不良甚至脫落現象，其原因大致有以下7 個方面：

(1) 復涂時，下層漆膜已完全固化。

(2) 下層漆膜表面粘有異物。

(3) 上、下層漆膜混溶性不良。

(4) 漆膜與被涂表面的極性不相適應。

(5) 復涂涂料的膨脹系數過大。

(6) 底漆的內聚力大于面漆的表面張力。

(7) 涂料對底材(或上一道涂膜)潤濕不良，底材(或干膜)的潤濕張力不足。

2.2 低溫高濕環境

所謂低溫高濕環境，是指在施工及漆膜干燥/固化過程中溫度過低(＜ 5 °C)、濕度過大(相對濕度＞85%)的環境條件。低溫高濕環境是影響復涂質量的主要因素。

2.2.1 溫度因素

溫度下降會使分子擴散運動減慢。同時，根據界面理論，過低的溫度使得分子擴散到彼此相的量減少。環氧類的底漆、中涂在施工及漆膜干燥/固化過程中，所處的環境溫度與其固化交聯反應速率成正比關系，過低的溫度甚至可以使交聯反應停止，影響漆膜正常固化，導致層間附著下降。

2.2.2 濕度因素

在低溫高濕環境下，由于空氣中的水濃度過高，致使噴涂好的中涂漆膜表面微孔徑出現吸水而形成一層水膜，當聚氨酯面漆涂覆上去，自然微孔中的水與固化劑中的─NCO 基團反應生成二氧化碳而鼓氣，使兩相接觸面出現隔膜，表現為面漆漆膜發軟，達不到理想的機械性能，直接導致面漆與中間漆層間附著力下降，嚴重時會使漆膜出現大面積脫落。

固化劑中的異氰酸酯基與水反應的化學方程式為：

異氰酸酯基與水反應生成不穩定的氨基甲酸，隨即分解胺而放出二氧化碳。

2.3 表面清潔度

復涂層表面清潔度(塵埃、酸度、鹽度)是影響涂層復涂質量的重要因素之一。在復涂之前，要求對表面進行檢查，即將進行重涂的涂層必須完好無損，清潔、干燥，無油和污物。

2.4 涂裝間隔時間

每道油漆進行涂裝時，需有一定的涂裝間隔時間。涂裝間隔時間的控制一般以實干為最小復涂間隔時間，不宜再覆涂時為最大復涂間隔時間。而在實際施工中，往往不遵守規定的復涂間隔，而是根據發貨時間來安排工期。如環氧云鐵中間漆在超過最大復涂間隔時間后，其表面氯離子超標，清潔度差，如果在未對涂層進行全面的表面處理即涂覆面漆，中涂與面漆的層間附著性將受到嚴重影響，整體涂層的性能也會隨之下降。

2.5 機械損傷

在施工實際中，往往為趕工期、追求效率而違規操作，如翻面、吊裝移動而使漆膜損傷，尤其是對未完全固化的涂膜，影響更大。

2.6 施工原因

由于施工不當而引起的漆膜外觀缺陷，如流掛、橘皮、色差、起泡、針眼、漏涂、膜厚不勻等。

3 涂層復涂質量控制方法

為預防復涂涂層弊病，消除潛在隱患，注重涂層復涂質量控制是確保涂層總體質量達到預期防護目的的有效措施。具體的涂層復涂質量控制方法分述如下。

3.1 復涂涂層的涂料之間必須相互匹配、適應

涂料的配套就是按照施工要求，選擇最適合的涂料和涂裝系統，保證實施最佳涂料配套的系統工程。所謂涂料的配套性就是涂裝底材和涂料以及各層涂料品種之間的適應性。涂層間復涂的基本條件是覆蓋底層涂層的涂料必須與底漆涂料品種配套，二者有良好的相融、粘合、鏈接的匹配性。通常情況下，涂料各涂層間的配套應遵循以下原則：

(1) 同類溶劑的涂料可以互相配套。

(2) 下硬上軟。底漆用強溶劑的涂料，面漆用弱溶劑的涂料。如雙組分涂料不允許覆蓋在單組分涂層表面，因相容性差，易出現咬底弊病。

(3) 按所用溶劑的強弱從里到外、由強到弱排列配套。但底漆、面漆所用溶劑的強弱反差不能太大，否則產生底漆、面漆之間結合不牢或層間脫離現象。

(4) 按干燥方式配套。雙組分固化型涂料和氧化型涂料作底漆，氧化型涂料和揮發性涂料作面漆。

(5) 單組分涂料不宜直接覆蓋在雙組分涂層表面，應使用起鏈接作用的中間涂層，方可起到承上啟下的作用，從而消除因不易溶合而導致的層間附著力不良的缺陷。

3.2 涂裝環境條件必須能滿足復涂的基本要求

環境條件主要指被涂物所處的地域、場地、場所及周圍的天氣狀況和被涂物自身所具備的物理條件。

通常情況如雨、雪、霧、大氣揚塵、潮濕和低溫天氣，在空氣溫度、底材溫度、相對濕度、結霜、結冰等人為無法改變的戶外條件下，均不宜施工作業。而石油鉆機單個結構物件較大，一個較大構件往往是幾噸、十幾噸，如130-10 型鉆機僅鉆機系統的結構件就達130 余個，一般都是在戶外涂裝作業。若在上述條件下實施涂層復涂，會給涂層質量造成致命的危害，輕則涂層表面失光、縮孔、結皮；重則涂層起泡、回黏、針眼、不硬化、易剝離、甚至自行脫落。由此可見，環境條件的嚴格控制是保證復涂涂層質量的重要環節。具體的控制要求是：

(1) 雨、雪、霧、揚塵、低溫天氣，停止戶外作業；戶內施工作業，應具備人為改變環境條件的能力，如冬天有降低濕度、提高溫度的設備和通風條件。

(2) 當環境溫度降至0 °C 以下時，戶外或室內潮濕處的被涂物表面易出現結霜或薄冰現象。實施復涂施工作業時，必須通過加溫設備提高表面溫度或在自然溫度回升(在陽光充足的時段)、被涂物表面冰霜融化蒸發后，再進行作業。

(3) 涂裝環境的空氣溫度、相對濕度，被涂物表面的溫度、露點溫度等必須能滿足涂料施工及其干燥、固化過程所需要的基本條件。

3.3 表面處理必須能達到復涂清潔度的要求

按照ISO 8502 標準，表面清潔就是徹底清除殘留在被涂覆蓋涂層表面，可能影響復涂層附著的灰塵、漆霧、油脂、水分、鹽分及表面附著的污物和異物(如底層涂膜表面流掛、堆積)等涂層缺陷。

石油鉆機的涂裝施工往往不是連續性完成一次涂裝成膜，在噴涂底漆或復涂中間漆后，要進行鉆機組裝、試機，試機合格后，出廠前再噴涂面漆，甚至存在底漆和中間漆或面漆涂裝間隔長達一個月、幾個月的情況。為了保證復涂涂層附著牢固，漆膜有效、外觀裝飾美觀，具體的控制要求是：

(1) 凡涂裝有環氧富鋅底漆的表面在復涂中間漆之前，復涂間隔超過10 d 以上的底漆表面，必須采取高壓淡水清洗或砂紙打磨后用溶劑清洗的方法，以清除表面的鋅鹽，使其達到允許殘留的含鹽量標準(不大于50 mg/m2)。

(2) 采取適當的方法(如砂紙打磨、工具鏟除、溶劑清洗、抹布擦拭或高壓淡水沖洗等)清洗復涂前殘留、附著在被覆蓋涂層表面的灰塵、漆霧、油脂、水分、污物及前涂層的表面流掛、堆積等缺陷，達到肉眼觀察無明顯殘留痕跡、表面潔凈平整的程度。

(3) 對在組裝試機中涂膜的損傷部位或由于焊接、校正等原因引起的損傷，必須及時進行表面處理和修補涂裝。

4 涂層復涂的方法及超期復涂補救措施

涂層復涂，除各涂層涂料必須配套適應、環境條件應滿足施工及干燥/固化條件、被覆涂層表面清潔須達標外，復涂時機的選擇也很重要。最佳的復涂時機應控制在被覆蓋涂層允許的最短至最長復涂間隔時間內。然而，石油鉆機的涂裝往往會因施工條件、天氣因素、組裝試機或交貨期限等原因而錯失最佳復涂時機，造成被覆蓋涂層超過最長復涂間隔時限，如底漆涂裝后1 ～ 2 個月內未涂中涂，或底、中涂裝后6 個月或更長時間未涂面漆。此時，若在涂層表面實施復涂，必將導致層間附著力不良，涂層易剝落甚至自行脫落的嚴重后果。要保證復涂涂層質量，必須采用“濕碰濕”的復涂方法。

4.1 “濕碰濕”涂層復涂方法

涂層“濕碰濕”復涂，就是在被覆蓋涂層未達到實干程度，漆膜仍處于軟狀態時，即實施后續涂層的復涂。“濕碰濕”復涂，通常應用兩種不同的配套方案，一種是中間漆涂層與底漆“濕碰濕”復涂，另一種是面漆與中間漆涂層的“濕碰濕”復涂。

4.1.1 “濕碰濕”復涂應具備的條件

(1) 環境條件必須滿足涂料施工及其干燥/固化過程的需要，如空氣溫度、相對濕度、表面溫度、露點溫度及天氣狀況。

(2) 須據被覆蓋涂層的表面狀態(如涂料的表干時間要求和現場實際干燥程度)來確定可復涂時間。

(3) 底漆必須達到膜厚的控制范圍，上限和下限應滿足涂料涂裝規定的膜厚值。

(4) 設有安全可靠的腳手架或操作平臺，避免涂層與操作者肢體接觸。

4.1.2 “濕碰濕”復涂質量保證措施

“濕碰濕”復涂的關鍵點就是恰到好處地把控涂層的干濕程度。如果涂層未達到允許復涂的表干程度，一旦復涂，會導致表層涂層連同底層一起流掛或堆積；若超過允許的表干時間，達到硬化程度，則會造成層間附著力差，易剝離、脫落的后果。確保復涂質量的措施如下：

(1) 控制的標準是底涂層已達到“指觸不粘手但處于表面干燥的軟狀態，未達到硬化程度”，即實施表層涂裝。

(2) 戶外施工前應了解天氣變化趨勢，以便施工后不會因為天氣變化而影響表層涂層的正常復涂。

(3) 對因天氣或其他原因未能在允許的時間內完成“濕碰濕”復涂的，可采用適當降低或增加膜厚的方法予以補救。

(4) 當天氣變化不宜復涂時，可將工件移至能滿足環境條件要求的廠房內實施復涂。

(5) 采取定量涂料控制與濕膜厚度測量相結合的方法，防止膜厚失控。

4.2 超時限涂層表面復涂的補救措施

超時限是指在涂料產品允許的最短至最長的間隔時間段，未能完成后續涂層的覆蓋，造成涂層完全硬化，使復涂涂層失去相互契合、滲透的基礎，從而影響層間附著力的情況。為防止和避免覆蓋在超時限涂層表面的后續涂層發生易剝離、脫落的弊病，具體補救方法如下。

4.2.1 底漆覆蓋底漆的處理

對涂有一道底漆且涂層已超過復涂間隔時限的表面，在復涂后續底漆前，應采取動力工具打磨的方法(磨料以60 目的砂磨片為宜)打磨底漆至部分顯露金屬基材，使膜面可見均勻分布的明顯劃痕，吹灰、清潔后，可進行后續涂層復涂。

4.2.2 面漆覆蓋底漆的處理

對于面漆總干膜厚度在60 ～ 80 μm 且有裝飾要求的表面，在復涂前，應采取手工砂紙打磨處理的方法(以選用36 目的砂紙為宜)進行縱橫交錯的摩擦，消除超時限涂層的表面光澤。當打磨至膜面可見均勻分布的明顯劃痕時，吹灰并使用專用溶劑清洗干燥，然后可進行后續面漆復涂。

4.2.3 面漆覆蓋面漆的處理

對面漆干膜厚度為40 μm 以下、且有嚴格裝飾美觀要求的表面，在復涂后續面漆前，可選用磨料粒度為60 目的砂紙，通過手工縱橫交錯打磨，基本消除超時限涂層的表面光澤。打磨至表面可見分布均勻的輕微劃痕，吹灰后使用專用溶劑清洗干燥，可進行后續面漆復涂。

5 涂裝質量檢測驗收內容及標準

涂裝后的質量檢測主要是對涂膜性能的檢測，它包括涂膜機械性能(如附著力、沖擊強度、硬度、光澤等)和其他特殊性能(如耐候性、耐酸堿性、耐油性、耐溶劑性等)兩個方面。針對被涂裝服務的腐蝕體系的不同，防腐蝕涂膜的各項技術性能指標和檢測方法也不同，不同的行業也有不同的檢測方法和標準。石油機械行業對完工的設備防護涂膜進行最后的質量檢查的內容及標準主要包括如下內容。

5.1 干膜厚度

雖然涂膜厚度的檢測不屬于涂膜機械性能的范圍，但在現場檢查中往往是一個不可缺少的檢查項目。與普通裝飾性涂層不同，防腐蝕涂膜的厚度往往決定了防腐蝕體系的使用壽命。實踐證明，在一定的腐蝕環境下，涂層的配套確定后，涂層厚度與保護壽命呈線性關系。

5.1.1 干膜厚度的測量

干膜厚度的測量分為破壞性和非破壞性兩種方法。破壞性的測試方法要對涂膜進行劃刻等損傷性行為，非破壞性測試方法則不會對涂膜造成損害。破壞性測試方法如ISO 2808:1974 漆膜厚度測定標準中的顯微鏡法，只有出現爭議或者需要仲裁時，才使用此測試方法。非破壞性的測量一般采用平分尺法、磁性測厚儀和渦流測厚儀3 種方法。其中，磁性測厚儀適用于磁性金屬底材，渦流測厚儀適用于非磁性金屬底材表面防腐層的檢測(如鋁、不銹鋼等底材)。石油鉆機的涂裝現場干膜厚度的測量一般選用便攜式磁性測厚儀。

5.1.2 測量標準

(1) 按照GB 50205-2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》第14 部分，用干膜測厚儀檢查，每個構件檢測5 處，每處的數值為3 個相距50 mm 的測點涂層干膜厚度的平均值。同時規定按照構件數抽查1%，且不少于3 件。

(2) ISO 2898:1997 和美國SSPC-PA2 涂膜厚度測量原則，每10 m2測量5 個點，每個點的測量應在一個很小的面積內測量3 個點，取平均值，5 個測量值的平均值必須符合規定的涂膜范圍。

(3) 在石油鉆機的涂裝現場對涂膜厚度的測量，一般遵守90-10 原則或相近的測量原則。即所有測量點90%的測量值不得低于或者等于規定的干膜厚度，余下10%的測量值不得低于規定的干膜厚度的90%。

5.2 固化/干燥

由于現場涂膜的固化或干燥受到諸如通風條件、環境、溫度、復涂道數等諸多因素的影響，對于涂膜的固化或干燥，需要參考產品說明書和施工記錄及現場測試來進行判斷。石油鉆機涂裝的配套體系一般為環氧富鋅底漆+環氧云鐵中間漆+可覆涂脂肪族丙烯酸聚氨酯耐候面漆等雙組分涂料，現場測試可用抹布蘸溶劑在涂層上進行擦拭，如果抹布上沒有任何東西，則可判定為涂膜已經固化；用手指輕觸涂層表面，既不留下痕跡亦不感到粘手，即為指觸干。

5.3 附著力/結合力

漆膜附著力是指漆膜與被涂物件表面結合在一起的堅固程度。附著力是涂料物理機械性能的重要指標之一，漆膜附著力除取決于選用的涂料基料外，還與底材的表面處理、施工方式以及漆膜的保養有十分重要的因果關系。

測定附著力的方法有：劃圈法、劃格法、拉開法、扭開法以及美國ASTM D 3359 中方法A 的劃叉法等數種。國家標準GB/T 1720-1989(1979)規定了劃圈法測定漆膜附著力的方法，而GB/T 9286-1988 規定了采用劃格法測定附著力，GB/T 5210-1985 規定了采用拉開法測定涂層附著力的方法。其中，最簡便的方法是劃圈法測定漆膜附著力，現場最為常用的是劃格法或美國ASTM 中的劃叉法。

5.4 漏點測試

漏點測試儀是用來判斷涂裝部位是否有足夠涂膜或涂膜中是否有孔隙的儀器，主要用于石油鉆機儲水罐等重要的防腐部位以及大氣中對濕氣或液體(如冷卻水)具有屏蔽效果的涂層。

石油鉆機復合涂層厚度要求為200 ～ 260 μm，一般采用低壓漏點測試儀，使用標準是ASTM G 62-85方法A 。

5.5 涂膜外觀

對復涂涂層表面的檢查主要包括是否有表面缺陷(如流掛、橘皮、起泡)、光澤、顏色色差等，現場通常采用目測或對比的方法。

6 結語

石油鉆機在制造和維修過程中，其涂料涂裝整體質量的控制重點在于復涂涂層之間的涂料匹配性、施工環境條件、表面處理、復涂間隔控制、復涂間隔超時補救措施等方面，只要它們能得到有序、有效的控制，那么就能有效保證涂膜質量達標，使石油鉆機防腐涂層的使用壽命達到設計要求。

[1]龐啟財.防腐蝕涂料涂裝和質量控制[M].北京: 化學工業出版社,2003.

[2]曹京宜.涂裝質量控制技巧問答[M].北京: 化學工業出版社,2007.

[3]姜英濤.涂料基礎[M]..2 版.北京: 化學工業出版社,1998.