石油钻机涂装质量控制及验收方法

谢志敏

（河北省防腐保温行业协会，河北 石家庄 050051）

1 前言

石油钻机系指在石油钻井中带动钻具破碎岩石、向地下钻进以获得石油或天然气的机械设备。20 世纪90年代以来，根据油田的要求和境外石油勘探开发的需要，参考1995年原中国石油天然气总公司胜利油田石油钻机方案定型会议提出的“大力提高轻便性和移动性”的意见，先后研制出机控、数控(2 000 M 以下级别至9 000 M 超深级别)等各种形式的石油钻机。一部常用的石油钻机主要由动力机、传动机、工作机及 辅助设备组成，一般有八大系统，其主要设备有：井架、天车、绞车、游动滑车、大钩、转盘、水龙头(动力水)及钻井泵、动力机、联动机、固相控制设备、井控设备等，这些设备的基材(一部钻机耗用材料的总重量大约在200 ～ 300 t 不等)除旋转系统外，基本上以碳钢为主，设备的防护主要是针对大气环境下的外腐蚀。

目前，钻机的腐蚀防护主要采用有机覆盖层保护。实践证明，防腐蚀覆盖涂层是最有效、最经济和简易可行的方法。防腐蚀涂料应用于被涂物表面，针对不同的腐蚀环境发挥其防护功能，故其应用价值最终以在被涂物表面形成的涂膜来体现，而涂装质量的好坏，最后都要体现在涂膜的好坏上。因此，涂层间的复涂是涂装施工中不可缺少的作业程序，也是实现多层涂层组合、达到持久性防腐蚀保护和美观装饰目的的关键步骤。涂层复涂是指利用适合的涂装方式如刷涂、辊涂、喷涂等娴熟的操作技术，在同类或不同类型成膜物质涂料间，将涂料均匀地覆盖在已有涂层表面，一般称为复涂或重涂。石油钻机的服役长期处于恶劣的户外大气环境条件下，对防腐、防污、涂层保护等有着较为严格的要求，一般涂层的有效保护期按行业规范设计寿命为10 a。其保护涂层通常为“底漆+中间漆+面漆”的复合涂层。常用的复合涂层配套方案为环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+可覆涂丙烯酸聚氨酯耐候面漆。石油钻机的涂层复涂看似简单、易于操作的涂装作业，但是，实际操作中常常于无意中忽视了复涂必须具备的基本条件，从而导致复涂涂层与被覆盖涂层的层间附着不良，甚至发生漆膜剥落或脱落，失去涂层保护和外观装饰性的严重后果，直接影响到钻机的正常户外作业和使用寿命。

2 影响石油钻机涂层复涂质量的因素

2.1 复涂层附着力

漆膜是附着在底材上才发挥其装饰和保护功能的，附着是漆膜的首要性质，故附着力是影响涂层复涂的主要因素。附着力是一种复杂的现象，涉及到“界面”的物理效应和化学反应。涂膜对底材的附着，主要是靠分子间的作用力(即范德华力)来实现的。这些力的大小取决于基材表面和黏结料(树脂、聚合物和基料)的性质。在多层涂膜体系中，不同或同一涂料品种的涂层间出现附着不良甚至脱落现象，其原因大致有以下7 个方面：

(1) 复涂时，下层漆膜已完全固化。

(2) 下层漆膜表面粘有异物。

(3) 上、下层漆膜混溶性不良。

(4) 漆膜与被涂表面的极性不相适应。

(5) 复涂涂料的膨胀系数过大。

(6) 底漆的内聚力大于面漆的表面张力。

(7) 涂料对底材(或上一道涂膜)润湿不良，底材(或干膜)的润湿张力不足。

2.2 低温高湿环境

所谓低温高湿环境，是指在施工及漆膜干燥/固化过程中温度过低(＜ 5 °C)、湿度过大(相对湿度＞85%)的环境条件。低温高湿环境是影响复涂质量的主要因素。

2.2.1 温度因素

温度下降会使分子扩散运动减慢。同时，根据界面理论，过低的温度使得分子扩散到彼此相的量减少。环氧类的底漆、中涂在施工及漆膜干燥/固化过程中，所处的环境温度与其固化交联反应速率成正比关系，过低的温度甚至可以使交联反应停止，影响漆膜正常固化，导致层间附着下降。

2.2.2 湿度因素

在低温高湿环境下，由于空气中的水浓度过高，致使喷涂好的中涂漆膜表面微孔径出现吸水而形成一层水膜，当聚氨酯面漆涂覆上去，自然微孔中的水与固化剂中的─NCO 基团反应生成二氧化碳而鼓气，使两相接触面出现隔膜，表现为面漆漆膜发软，达不到理想的机械性能，直接导致面漆与中间漆层间附着力下降，严重时会使漆膜出现大面积脱落。

固化剂中的异氰酸酯基与水反应的化学方程式为：

异氰酸酯基与水反应生成不稳定的氨基甲酸，随即分解胺而放出二氧化碳。

2.3 表面清洁度

复涂层表面清洁度(尘埃、酸度、盐度)是影响涂层复涂质量的重要因素之一。在复涂之前，要求对表面进行检查，即将进行重涂的涂层必须完好无损，清洁、干燥，无油和污物。

2.4 涂装间隔时间

每道油漆进行涂装时，需有一定的涂装间隔时间。涂装间隔时间的控制一般以实干为最小复涂间隔时间，不宜再覆涂时为最大复涂间隔时间。而在实际施工中，往往不遵守规定的复涂间隔，而是根据发货时间来安排工期。如环氧云铁中间漆在超过最大复涂间隔时间后，其表面氯离子超标，清洁度差，如果在未对涂层进行全面的表面处理即涂覆面漆，中涂与面漆的层间附着性将受到严重影响，整体涂层的性能也会随之下降。

2.5 机械损伤

在施工实际中，往往为赶工期、追求效率而违规操作，如翻面、吊装移动而使漆膜损伤，尤其是对未完全固化的涂膜，影响更大。

2.6 施工原因

由于施工不当而引起的漆膜外观缺陷，如流挂、橘皮、色差、起泡、针眼、漏涂、膜厚不匀等。

3 涂层复涂质量控制方法

为预防复涂涂层弊病，消除潜在隐患，注重涂层复涂质量控制是确保涂层总体质量达到预期防护目的的有效措施。具体的涂层复涂质量控制方法分述如下。

3.1 复涂涂层的涂料之间必须相互匹配、适应

涂料的配套就是按照施工要求，选择最适合的涂料和涂装系统，保证实施最佳涂料配套的系统工程。所谓涂料的配套性就是涂装底材和涂料以及各层涂料品种之间的适应性。涂层间复涂的基本条件是覆盖底层涂层的涂料必须与底漆涂料品种配套，二者有良好的相融、粘合、链接的匹配性。通常情况下，涂料各涂层间的配套应遵循以下原则：

(1) 同类溶剂的涂料可以互相配套。

(2) 下硬上软。底漆用强溶剂的涂料，面漆用弱溶剂的涂料。如双组分涂料不允许覆盖在单组分涂层表面，因相容性差，易出现咬底弊病。

(3) 按所用溶剂的强弱从里到外、由强到弱排列配套。但底漆、面漆所用溶剂的强弱反差不能太大，否则产生底漆、面漆之间结合不牢或层间脱离现象。

(4) 按干燥方式配套。双组分固化型涂料和氧化型涂料作底漆，氧化型涂料和挥发性涂料作面漆。

(5) 单组分涂料不宜直接覆盖在双组分涂层表面，应使用起链接作用的中间涂层，方可起到承上启下的作用，从而消除因不易溶合而导致的层间附着力不良的缺陷。

3.2 涂装环境条件必须能满足复涂的基本要求

环境条件主要指被涂物所处的地域、场地、场所及周围的天气状况和被涂物自身所具备的物理条件。

通常情况如雨、雪、雾、大气扬尘、潮湿和低温天气，在空气温度、底材温度、相对湿度、结霜、结冰等人为无法改变的户外条件下，均不宜施工作业。而石油钻机单个结构物件较大，一个较大构件往往是几吨、十几吨，如130-10 型钻机仅钻机系统的结构件就达130 余个，一般都是在户外涂装作业。若在上述条件下实施涂层复涂，会给涂层质量造成致命的危害，轻则涂层表面失光、缩孔、结皮；重则涂层起泡、回黏、针眼、不硬化、易剥离、甚至自行脱落。由此可见，环境条件的严格控制是保证复涂涂层质量的重要环节。具体的控制要求是：

(1) 雨、雪、雾、扬尘、低温天气，停止户外作业；户内施工作业，应具备人为改变环境条件的能力，如冬天有降低湿度、提高温度的设备和通风条件。

(2) 当环境温度降至0 °C 以下时，户外或室内潮湿处的被涂物表面易出现结霜或薄冰现象。实施复涂施工作业时，必须通过加温设备提高表面温度或在自然温度回升(在阳光充足的时段)、被涂物表面冰霜融化蒸发后，再进行作业。

(3) 涂装环境的空气温度、相对湿度，被涂物表面的温度、露点温度等必须能满足涂料施工及其干燥、固化过程所需要的基本条件。

3.3 表面处理必须能达到复涂清洁度的要求

按照ISO 8502 标准，表面清洁就是彻底清除残留在被涂覆盖涂层表面，可能影响复涂层附着的灰尘、漆雾、油脂、水分、盐分及表面附着的污物和异物(如底层涂膜表面流挂、堆积)等涂层缺陷。

石油钻机的涂装施工往往不是连续性完成一次涂装成膜，在喷涂底漆或复涂中间漆后，要进行钻机组装、试机，试机合格后，出厂前再喷涂面漆，甚至存在底漆和中间漆或面漆涂装间隔长达一个月、几个月的情况。为了保证复涂涂层附着牢固，漆膜有效、外观装饰美观，具体的控制要求是：

(1) 凡涂装有环氧富锌底漆的表面在复涂中间漆之前，复涂间隔超过10 d 以上的底漆表面，必须采取高压淡水清洗或砂纸打磨后用溶剂清洗的方法，以清除表面的锌盐，使其达到允许残留的含盐量标准(不大于50 mg/m2)。

(2) 采取适当的方法(如砂纸打磨、工具铲除、溶剂清洗、抹布擦拭或高压淡水冲洗等)清洗复涂前残留、附着在被覆盖涂层表面的灰尘、漆雾、油脂、水分、污物及前涂层的表面流挂、堆积等缺陷，达到肉眼观察无明显残留痕迹、表面洁净平整的程度。

(3) 对在组装试机中涂膜的损伤部位或由于焊接、校正等原因引起的损伤，必须及时进行表面处理和修补涂装。

4 涂层复涂的方法及超期复涂补救措施

涂层复涂，除各涂层涂料必须配套适应、环境条件应满足施工及干燥/固化条件、被覆涂层表面清洁须达标外，复涂时机的选择也很重要。最佳的复涂时机应控制在被覆盖涂层允许的最短至最长复涂间隔时间内。然而，石油钻机的涂装往往会因施工条件、天气因素、组装试机或交货期限等原因而错失最佳复涂时机，造成被覆盖涂层超过最长复涂间隔时限，如底漆涂装后1 ～ 2 个月内未涂中涂，或底、中涂装后6 个月或更长时间未涂面漆。此时，若在涂层表面实施复涂，必将导致层间附着力不良，涂层易剥落甚至自行脱落的严重后果。要保证复涂涂层质量，必须采用“湿碰湿”的复涂方法。

4.1 “湿碰湿”涂层复涂方法

涂层“湿碰湿”复涂，就是在被覆盖涂层未达到实干程度，漆膜仍处于软状态时，即实施后续涂层的复涂。“湿碰湿”复涂，通常应用两种不同的配套方案，一种是中间漆涂层与底漆“湿碰湿”复涂，另一种是面漆与中间漆涂层的“湿碰湿”复涂。

4.1.1 “湿碰湿”复涂应具备的条件

(1) 环境条件必须满足涂料施工及其干燥/固化过程的需要，如空气温度、相对湿度、表面温度、露点温度及天气状况。

(2) 须据被覆盖涂层的表面状态(如涂料的表干时间要求和现场实际干燥程度)来确定可复涂时间。

(3) 底漆必须达到膜厚的控制范围，上限和下限应满足涂料涂装规定的膜厚值。

(4) 设有安全可靠的脚手架或操作平台，避免涂层与操作者肢体接触。

4.1.2 “湿碰湿”复涂质量保证措施

“湿碰湿”复涂的关键点就是恰到好处地把控涂层的干湿程度。如果涂层未达到允许复涂的表干程度，一旦复涂，会导致表层涂层连同底层一起流挂或堆积；若超过允许的表干时间，达到硬化程度，则会造成层间附着力差，易剥离、脱落的后果。确保复涂质量的措施如下：

(1) 控制的标准是底涂层已达到“指触不粘手但处于表面干燥的软状态，未达到硬化程度”，即实施表层涂装。

(2) 户外施工前应了解天气变化趋势，以便施工后不会因为天气变化而影响表层涂层的正常复涂。

(3) 对因天气或其他原因未能在允许的时间内完成“湿碰湿”复涂的，可采用适当降低或增加膜厚的方法予以补救。

(4) 当天气变化不宜复涂时，可将工件移至能满足环境条件要求的厂房内实施复涂。

(5) 采取定量涂料控制与湿膜厚度测量相结合的方法，防止膜厚失控。

4.2 超时限涂层表面复涂的补救措施

超时限是指在涂料产品允许的最短至最长的间隔时间段，未能完成后续涂层的覆盖，造成涂层完全硬化，使复涂涂层失去相互契合、渗透的基础，从而影响层间附着力的情况。为防止和避免覆盖在超时限涂层表面的后续涂层发生易剥离、脱落的弊病，具体补救方法如下。

4.2.1 底漆覆盖底漆的处理

对涂有一道底漆且涂层已超过复涂间隔时限的表面，在复涂后续底漆前，应采取动力工具打磨的方法(磨料以60 目的砂磨片为宜)打磨底漆至部分显露金属基材，使膜面可见均匀分布的明显划痕，吹灰、清洁后，可进行后续涂层复涂。

4.2.2 面漆覆盖底漆的处理

对于面漆总干膜厚度在60 ～ 80 μm 且有装饰要求的表面，在复涂前，应采取手工砂纸打磨处理的方法(以选用36 目的砂纸为宜)进行纵横交错的摩擦，消除超时限涂层的表面光泽。当打磨至膜面可见均匀分布的明显划痕时，吹灰并使用专用溶剂清洗干燥，然后可进行后续面漆复涂。

4.2.3 面漆覆盖面漆的处理

对面漆干膜厚度为40 μm 以下、且有严格装饰美观要求的表面，在复涂后续面漆前，可选用磨料粒度为60 目的砂纸，通过手工纵横交错打磨，基本消除超时限涂层的表面光泽。打磨至表面可见分布均匀的轻微划痕，吹灰后使用专用溶剂清洗干燥，可进行后续面漆复涂。

5 涂装质量检测验收内容及标准

涂装后的质量检测主要是对涂膜性能的检测，它包括涂膜机械性能(如附着力、冲击强度、硬度、光泽等)和其他特殊性能(如耐候性、耐酸碱性、耐油性、耐溶剂性等)两个方面。针对被涂装服务的腐蚀体系的不同，防腐蚀涂膜的各项技术性能指标和检测方法也不同，不同的行业也有不同的检测方法和标准。石油机械行业对完工的设备防护涂膜进行最后的质量检查的内容及标准主要包括如下内容。

5.1 干膜厚度

虽然涂膜厚度的检测不属于涂膜机械性能的范围，但在现场检查中往往是一个不可缺少的检查项目。与普通装饰性涂层不同，防腐蚀涂膜的厚度往往决定了防腐蚀体系的使用寿命。实践证明，在一定的腐蚀环境下，涂层的配套确定后，涂层厚度与保护寿命呈线性关系。

5.1.1 干膜厚度的测量

干膜厚度的测量分为破坏性和非破坏性两种方法。破坏性的测试方法要对涂膜进行划刻等损伤性行为，非破坏性测试方法则不会对涂膜造成损害。破坏性测试方法如ISO 2808:1974 漆膜厚度测定标准中的显微镜法，只有出现争议或者需要仲裁时，才使用此测试方法。非破坏性的测量一般采用平分尺法、磁性测厚仪和涡流测厚仪3 种方法。其中，磁性测厚仪适用于磁性金属底材，涡流测厚仪适用于非磁性金属底材表面防腐层的检测(如铝、不锈钢等底材)。石油钻机的涂装现场干膜厚度的测量一般选用便携式磁性测厚仪。

5.1.2 测量标准

(1) 按照GB 50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》第14 部分，用干膜测厚仪检查，每个构件检测5 处，每处的数值为3 个相距50 mm 的测点涂层干膜厚度的平均值。同时规定按照构件数抽查1%，且不少于3 件。

(2) ISO 2898:1997 和美国SSPC-PA2 涂膜厚度测量原则，每10 m2测量5 个点，每个点的测量应在一个很小的面积内测量3 个点，取平均值，5 个测量值的平均值必须符合规定的涂膜范围。

(3) 在石油钻机的涂装现场对涂膜厚度的测量，一般遵守90-10 原则或相近的测量原则。即所有测量点90%的测量值不得低于或者等于规定的干膜厚度，余下10%的测量值不得低于规定的干膜厚度的90%。

5.2 固化/干燥

由于现场涂膜的固化或干燥受到诸如通风条件、环境、温度、复涂道数等诸多因素的影响，对于涂膜的固化或干燥，需要参考产品说明书和施工记录及现场测试来进行判断。石油钻机涂装的配套体系一般为环氧富锌底漆+环氧云铁中间漆+可覆涂脂肪族丙烯酸聚氨酯耐候面漆等双组分涂料，现场测试可用抹布蘸溶剂在涂层上进行擦拭，如果抹布上没有任何东西，则可判定为涂膜已经固化；用手指轻触涂层表面，既不留下痕迹亦不感到粘手，即为指触干。

5.3 附着力/结合力

漆膜附着力是指漆膜与被涂物件表面结合在一起的坚固程度。附着力是涂料物理机械性能的重要指标之一，漆膜附着力除取决于选用的涂料基料外，还与底材的表面处理、施工方式以及漆膜的保养有十分重要的因果关系。

测定附着力的方法有：划圈法、划格法、拉开法、扭开法以及美国ASTM D 3359 中方法A 的划叉法等数种。国家标准GB/T 1720-1989(1979)规定了划圈法测定漆膜附着力的方法，而GB/T 9286-1988 规定了采用划格法测定附着力，GB/T 5210-1985 规定了采用拉开法测定涂层附着力的方法。其中，最简便的方法是划圈法测定漆膜附着力，现场最为常用的是划格法或美国ASTM 中的划叉法。

5.4 漏点测试

漏点测试仪是用来判断涂装部位是否有足够涂膜或涂膜中是否有孔隙的仪器，主要用于石油钻机储水罐等重要的防腐部位以及大气中对湿气或液体(如冷却水)具有屏蔽效果的涂层。

石油钻机复合涂层厚度要求为200 ～ 260 μm，一般采用低压漏点测试仪，使用标准是ASTM G 62-85方法A 。

5.5 涂膜外观

对复涂涂层表面的检查主要包括是否有表面缺陷(如流挂、橘皮、起泡)、光泽、颜色色差等，现场通常采用目测或对比的方法。

6 结语

石油钻机在制造和维修过程中，其涂料涂装整体质量的控制重点在于复涂涂层之间的涂料匹配性、施工环境条件、表面处理、复涂间隔控制、复涂间隔超时补救措施等方面，只要它们能得到有序、有效的控制，那么就能有效保证涂膜质量达标，使石油钻机防腐涂层的使用寿命达到设计要求。

[1]庞启财.防腐蚀涂料涂装和质量控制[M].北京: 化学工业出版社,2003.

[2]曹京宜.涂装质量控制技巧问答[M].北京: 化学工业出版社,2007.

[3]姜英涛.涂料基础[M]..2 版.北京: 化学工业出版社,1998.