0 引言

    金屬防腐蝕措施有很多種，但在金屬表面涂覆有機涂層是目前最有效、最經(jīng)濟和應(yīng)用最普遍的防護措施。涂層對金屬的保護原理主要包括對金屬基材的機械保護（一定程度上抵御或干擾外界破壞力）和阻絕金屬服役環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)到達金屬表面。石油鉆采設(shè)備服役環(huán)境惡劣，其涂層要經(jīng)歷日曬、雨淋、風(fēng)沙沖擊、冷熱交替、霜露等因素的不斷侵蝕，相較于其他工程機械和鋼構(gòu)，涂層失效發(fā)生頻繁，原因也更加復(fù)雜。涂層失效將導(dǎo)致金屬防腐蝕涂層防腐能力大大減低，并引起基材腐蝕，影響石油鉆采設(shè)備的使用壽命。對石油鉆采設(shè)備涂層失效原因進行分析和總結(jié)，提出合理的處理方法，對恢復(fù)石油鉆采設(shè)備涂層防腐能力，延長設(shè)備使用壽命有重要的意義。

1  涂層失效類型及原因

石油鉆采設(shè)備主要的服役環(huán)境有三大類，即沙漠干旱環(huán)境、陸地大氣環(huán)境和海洋潮濕環(huán)境。經(jīng)過多年統(tǒng)計，石油鉆采設(shè)備備在服役期間主要發(fā)生的涂層失效類型有粉化、侵蝕、開裂、剝落、起泡、涂層機械破損（磕傷、劃傷）等六類，涂層失效形式所占比如表1中所示。

有行業(yè)專家系統(tǒng)論述了涂層失效分析的方法和工作程序。目前，對涂料失效原因的分析方法有很多種，張蕾等對涂層失效研究方法做了較為全面的闡述。根據(jù)多年現(xiàn)場大量案例統(tǒng)計分析，結(jié)合學(xué)界對涂層失效的論述，對石油鉆采設(shè)備主要涂層失效類型進行歸納，并對其失效原因進行分析。

1.1涂層粉化

涂層粉化發(fā)生的嚴重程度與服役環(huán)境及年限有很大的關(guān)系，已粉化涂層與未粉化狀態(tài)相比，有一定程度的變色或褪色，粉化的嚴重程度與涂料成分中成膜物質(zhì)（主要為樹脂）和顏料的濃度有很大關(guān)系，用手或其他工具進行擦拭會有一層易碎的粉層。學(xué)術(shù)界普遍認為涂層的老化和涂層下金屬發(fā)生腐蝕是導(dǎo)致涂層失效的主要原因，其中老化是導(dǎo)致涂層粉化發(fā)生的重要因素。紫外線對涂層的老化起決定性作用，這主要是紫外線附帶能量與一般化學(xué)鍵能量接近，長期紫外線照射容易導(dǎo)致分子鏈斷裂。粉化在環(huán)氧類涂料中表現(xiàn)的尤為明顯，沙漠和西部干熱地區(qū)使用的石油鉆采設(shè)備發(fā)生粉化的頻率和嚴重程度要高于其他地區(qū)。

1.2涂層侵蝕

涂層侵蝕主要表現(xiàn)為涂層的非機械磨損，嚴重時可導(dǎo)致金屬底材的裸露，使得腐蝕介質(zhì)接觸基材，發(fā)生腐蝕。沙漠環(huán)境中服役的鉆采設(shè)備侵蝕現(xiàn)象發(fā)生的尤為明顯。李慧艷等研究表明，西部干熱沙漠氣候風(fēng)沙流沖蝕磨損嚴重，風(fēng)沙流速與涂層沖蝕失重重量近似呈指數(shù)關(guān)系。沙漠地區(qū)服役的石油鉆采設(shè)備在風(fēng)沙天氣，尤其是大沙塵暴天氣中，涂層被砂土和浮塵不斷沖擊，導(dǎo)致涂層嚴重磨損。

1.3涂層開裂

涂層開裂是潮濕、較大晝夜溫差或海洋環(huán)境下涂層失效的主要形式，表現(xiàn)為涂層外觀發(fā)生不連續(xù)的變化，根據(jù)裂紋的長度、延展性及密集程度，可以分為細裂、小裂、深裂和龜裂。細裂和小裂主要表現(xiàn)為涂層表面出現(xiàn)細微的淺裂紋，但通常未穿透整個涂層，小裂相較于細裂，裂紋相對更深更寬一點。深裂表現(xiàn)為涂層出現(xiàn)深度裂紋，甚至貫穿整個涂層。晝夜溫度的變化導(dǎo)致涂層張力的交替性變化，是導(dǎo)致涂層的開裂原因之一，涂層的老化也會導(dǎo)致涂層變薄、脆化，乃至開裂。風(fēng)沙沖擊會誘發(fā)和導(dǎo)致開裂的發(fā)生，這是由于風(fēng)沙沖擊易導(dǎo)致涂層表面細裂和小裂，再加上溫度交替變化，反復(fù)改變涂層與基體的膨脹系數(shù)，在反復(fù)的“熱脹冷縮”過程中，使涂層細裂和小裂不斷擴展至穿透涂層。

1.4涂層剝落

 涂層剝落分為層間剝離和層內(nèi)剝離，通常層內(nèi)剝離發(fā)生的情況相對較少，主要的涂層剝落表現(xiàn)為層間剝落，層間剝落根據(jù)分離層位，又包括了底層剝離和層與層剝離。涂層剝落的原因相對比較復(fù)雜。底層剝離的原因主要有兩方面，涂裝前處理較差和涂層的陰極剝離，涂裝前處理粗糙度較差，污染物清理不徹底等都會導(dǎo)致后期的底層剝離現(xiàn)象發(fā)生。有些情況下，條件所限采用手提動力工具除銹，除銹后未達到St3級，然后涂覆底漆，易造成底漆附著力不足，誘發(fā)底層剝離的發(fā)生，尤其是環(huán)氧富鋅涂料。在涂層下金屬發(fā)生電化學(xué)腐蝕，陰極反應(yīng)或陰極產(chǎn)生物會影響涂層與基體金屬的結(jié)合力，致使涂層從基體金屬分離，產(chǎn)生陰極剝離現(xiàn)象，也會導(dǎo)致底層剝離的發(fā)生。王躍波等認為，由于水擴散受到濃度梯度、滲透壓和溫度梯度的作用，不斷滲透入涂層底部，當涂層的濕附著力小于水壓造成側(cè)向壓力，則水相會向側(cè)向發(fā)展而引起涂層脫落。層與層剝離主要原因是涂層各道間不配套和前道涂層表面清理不徹底進行覆涂，導(dǎo)致層間附著力差。

一服役6年的石油鉆采設(shè)備漆膜局部發(fā)生涂層剝離現(xiàn)象，對已剝離涂層進行清理，發(fā)現(xiàn)涂層底部發(fā)生銹蝕導(dǎo)致漆膜從底材發(fā)生脫落。發(fā)生剝離區(qū)域周圍涂層附著良好，這說明涂層配套和涂裝前處理方法合理。對涂層剝落區(qū)域進行詳細檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕起源于個別點位。分析原因確認為底材局部清理不徹底，殘留鹽類等誘發(fā)底部腐蝕導(dǎo)致涂層剝離。

1.5涂層起泡

涂層起泡主要發(fā)生于海洋、沼澤及淺灘地區(qū)服役的石油鉆采設(shè)備。主要表現(xiàn)為漆膜因受底部水汽或銹蝕物頂起，漆膜呈泡狀凸起，嚴重時漆膜頂破，表現(xiàn)為點狀銹蝕。氣泡的發(fā)生主要與設(shè)備底材殘留水溶性鹽、金屬底材與環(huán)境溫度存在溫度梯度或底材存在未完全清理的銹蝕物等。底材殘留水溶性鹽或銹蝕物，鹽分和銹蝕物會吸收水汽并使漆膜內(nèi)外產(chǎn)生濃度差，促使水汽不斷滲透進入漆膜內(nèi)部，在高濕度情況下（海洋等潮濕環(huán)境，相對濕度≥30%），涂層吸水和脫水過程都符合Fick第二擴散定律，使涂層底部水汽壓不斷升高，導(dǎo)致涂層被頂起，從而產(chǎn)生起泡現(xiàn)象。通常情況下，底材處理完好的涂層，有鹽分和銹蝕物造成的起泡失效現(xiàn)象相對較少。設(shè)備底材與使用環(huán)境存在溫度差，發(fā)生里冷外熱是導(dǎo)致起泡發(fā)生的主要原因。這是由于溫度較高一側(cè)分子動能較大于另一側(cè)分子動能，在涂層隔絕性能較差時，將導(dǎo)致水汽不斷滲透入涂層內(nèi)部，發(fā)生涂層起泡，甚至頂破漆膜導(dǎo)致腐蝕。涂層起泡的情況會伴隨涂層的逐漸老化而更容易產(chǎn)生，這是因為伴隨涂層的老化，涂層的孔隙率不斷增大，涂層電阻不斷減小，促使水汽等腐蝕介質(zhì)進入涂層底部，導(dǎo)致起泡發(fā)生。徐永祥等研究表明，除油和表面可溶性鹽的徹底與否是導(dǎo)致起泡發(fā)生的關(guān)鍵，除油不徹底時，起泡發(fā)生嚴重，除油不徹底時，起泡現(xiàn)象輕微。

1.6涂層機械破損

石油鉆采設(shè)備大多數(shù)零部件重量很大，幾噸甚至幾十噸，且很多情況下需要在野外施工，由于起吊和施工條件所限，不可避免的會造成漆膜的機械性外力損傷。從制造過程中的轉(zhuǎn)運、部件裝配、產(chǎn)品成套總裝試驗、發(fā)運現(xiàn)場、現(xiàn)場組裝及投入使用，都會不同程度不同范圍的造成設(shè)備涂層的機械破損，嚴重的使金屬基材裸露，導(dǎo)致腐蝕發(fā)生。一般來講，石油鉆采設(shè)備的使用環(huán)境較為惡劣，腐蝕性強，如果不能及時進行處理，將導(dǎo)致設(shè)備腐蝕的不斷加劇，最終導(dǎo)致設(shè)備使用壽命縮減。對高壓和關(guān)鍵承重部位發(fā)生銹蝕，甚至?xí)T發(fā)安全事故。涂層機械性損傷發(fā)生的原因主要有三個方面：一是未采用合理的起吊工具、例如鋼絲繩與設(shè)備直接接觸起吊。二是設(shè)備未設(shè)計起吊吊耳或起吊位置不合理。三是在裝配或使用時人為磕碰或物體撞擊破損。

涂層機械破損是石油鉆采設(shè)備，大型鋼構(gòu)等最普遍也最易發(fā)生的失效形式。筆者在工作中接觸到的案例中很大比例都是人為或機械運行，運輸過程中發(fā)生損傷。如：產(chǎn)品搬運過程中涂層發(fā)生劃傷后暴露底材，且未及時發(fā)現(xiàn)和處理，局部范圍涂層防腐能力失效：產(chǎn)品涂層底漆基本完好，中間漆及面漆完全破損，破損區(qū)域邊緣為斷層式破裂，且劃痕明顯，判斷為工具或其他產(chǎn)品刮傷。

2  各涂層失效類型處理方法

涂層失效的及時發(fā)現(xiàn)和處理，對預(yù)防和阻止因涂層防護作用失效引發(fā)的腐蝕有非常重要的意義。針對石油鉆采設(shè)備常發(fā)生的六種失效形式，筆者結(jié)合工作實踐經(jīng)驗與行業(yè)內(nèi)專家的研究，在表2中詳細列舉了六類失效情況的處理方法。不同的涂層失效形式，同一類失效形式發(fā)生的嚴重程度不同，都要合理采取修復(fù)措施，以達到回恢復(fù)涂層防護能力的目的。 

3  結(jié)語

涂層失效是一個比較復(fù)雜的問題，石油鉆采設(shè)備服役環(huán)境惡劣，沙漠、陸地常規(guī)大氣環(huán)境、海洋等各類環(huán)境因各自特點會引發(fā)不同的失效情況，涂層自身原因和外力損傷也會導(dǎo)致涂層的失效。根據(jù)筆者自身工作中實踐經(jīng)驗，結(jié)合行業(yè)專家對涂層失效的研究，對粉化（褪色）、侵蝕、開裂、剝落、起泡、涂層機械破損六大類石油鉆采設(shè)備涂層失效原因進行了詳細的分析。總體來講，涂層失效原因有5個方面：1）紫外線為主導(dǎo)導(dǎo)致的涂層老化；2）多風(fēng)條件下風(fēng)沙浮塵的不斷沖擊磨損；3）涂層體系搭配不當；4）環(huán)境介質(zhì)滲透、侵蝕及誘發(fā)涂層底部腐蝕；5）人為或其他外力損傷。根據(jù)失效發(fā)生的原因和實際情況提出了預(yù)防和補救措施，工作中要以實際發(fā)生的失效類型和嚴重程度合理選擇處理方法。對于輕微失效或小范圍失效，可以通過手工或動力工具除銹，清理徹底后選擇對表面處理要求較低的涂料進行修補。嚴重或大面積失效，必須采用噴砂、丸處理或掃砂處理，進行徹底清理后按設(shè)計涂層體系重涂。涂層機械破損是石油鉆采設(shè)備最容易也最頻繁發(fā)生的失效形式，但一直未得到重視。涂層的機械破損，一方面要重視對涂層破損的防護，規(guī)避外力導(dǎo)致的涂層破壞，另一方面要有專人定期對設(shè)備涂層狀態(tài)進行檢查，一旦發(fā)生涂層機械破損，要及時進行補救措施，完善已破損涂層。

隨著研究工具和方法的不斷進步，對涂層失效的研究也會更加深入，相信對涂層失效的預(yù)防和處理也會更加全面和合理，為防腐事業(yè)的發(fā)展起到推動作用。