中國建筑金屬結構協會
建筑鋼結構分會主辦
在有關涂裝技術的雜志或書籍上，經常會看到涂裝設計、涂層設計/涂層體系設計、涂裝車間設計、涂裝工藝設計、涂裝設備設計、涂料配套設計等與設計有關的技術術語，但仔細查找尚未發現有關國標（GB）對這些概念進行定義，有些概念的含義很容易引起歧義或誤解，為了討論問題的方便，作者在此進行了匯總，并做了一些注解和說明，詳見表1。
表1涂裝技術行業常用“設計術語”概念匯總
從表1可以看出，各種“設計術語”雖然沒有統一的國家標準，但在正常使用與技術交流中也不會引起很大的問題，相互關系比較明確（見圖1）。“涂裝設計”含義比較廣，可以將其分成“涂層體系設計”和“涂裝工藝設計”，這樣便于對問題的分析和理解。至于涂裝初步設計、涂裝詳細設計、涂裝生產設計，是在不同時間段內的表現形式的差異，不會影響各概念間的邏輯關系。
涂層體系設計是其它設計的工作基礎和依據標準，是非常重要的。如果把涂裝及涂層體系看作“涂裝涂層系統”的話，它就是一個“人造的、比較復雜的、動態的、開放的系統”[2]，實際上，我們進行的設計就是對一個涂裝涂層系統進行的設計，與傳統的僅僅關心涂料配套的涂層體系設計是不同的。本文的目的就是欲從“涂裝涂層系統”設計的理念出發，分析設計階段的輸入、輸出以及流程的內容及方法，重點指出設計過程中質量控制的要點，以便提高整個系統的質量水平。
2設計階段的輸入輸出、工作流程及內容
2.1設計需輸入的資料
⑴產品或工程的用途、結構、特點、特殊要求，使用方法和要求等；產品或工程設計人員與涂裝（腐蝕防護）設計人員對于腐蝕防護特點的探討意見。
⑵需進行涂裝設計的產品或工程的表面狀態[落實是新建造（新制造）？還是全部更新式修復？還是局部修復]。
⑶調研、分析產品使用的自然環境和工作環境，使用的區域位置，收集腐蝕環境數據，按照腐蝕分類等級進行分類。
⑷確定產品或工程的涂層體系的使用壽命（腐蝕防護期限），耐久性要求（至第一次修復的期間）。
⑸關于將來進行維修的時間（次數）及方式的要求。
⑹在涂層體系實施和維護期間，對于施工人員的健康影響（職業衛生方面）和安全保障（消防、機械傷害等）的要求。
⑺在涂層體系實施和維護以及使用期間，對環境保護方面的要求。
⑻有可能被選用的涂裝化工材料（涂料、清洗劑、磷化液、密封膠等）的技術資料。
⑼甲方（客戶）提出的其它涂裝和腐蝕防護的技術要求。
⑽相關涂裝（腐蝕防護）技術參考標準和規范。
2.2設計工作流程及其內容
隨著行業的不同、企業的不同、產品的不同，涂裝涂層系統設計工作流程會有很大的差別，因此，需要根據具體情況進行具體分析。圖2是以機電新產品的設計開發為例，繪制了設計流程以及與整個產品設計流程的關系。下面以圖2所表示的流程為順序，介紹一下其工作內容。“涂裝涂層系統設計流程”一般分為3個階段：系統方案設計階段，圖2中⑴～⑺；試驗及驗證階段，圖2中⑻；標準編制及形成階段，圖2中⑼～⑾。后續的“涂裝工藝設計”，根據具體情況的不同可分為涂裝車間的工藝設計和涂裝生產的工藝設計，其相互關系請參見圖1。
⑴綜合考慮產品或
工程自身的腐蝕防護能力和涂層體系實施的可能性。當進行產品或工程的總體設計時，特別在進行結構設計、材料選擇時，必須考慮到腐蝕防護的問題。第一，要考慮到產品或工程自身的腐蝕防護能力，哪些結構、哪些材料、哪些表面處理方式容易引起或加速對涂層體系腐蝕破壞，禁止、限制、減少不利涂層體系腐蝕防護的結構形式和材料，增強產品或工程自身的“免疫力”；第二，要考慮到哪些結構形式不便于涂裝前處理、噴涂、涂裝質量檢查和維修等操作的進行，以便于整個體系在過程中的涂裝生產和維護。為此，ISO12944-3《油漆和清漆———防護漆系統對鋼結構進行防腐蝕保護第三部分：設計要點》進行了專門論述，建議：“產品或工程設計者在設計過程的最初階段，應該向一名腐蝕防護專家進行咨詢”；提出了“可維修性、縫隙處理、防止沉淀物和水分滯留的預防措施、邊緣處理、焊接表面缺陷要求、螺栓連接方法、箱式構件和空心組件的處理、凹槽的處理、加強板的處理、防止電偶腐蝕、裝卸／運輸和安裝過程的保護”等。
⑵熟悉產品或工程的用途、結構、特點、特殊要求。即使在相同的外界腐蝕環境條件下，產品或工程設備的不同部位因受力、積水、通風的不同，會對涂層體系產生不同的腐蝕影響；即使同一臺產品或設備，在不同的腐蝕環境條件下，涂層體系所產生的腐蝕結果是不一樣的。因此，要熟悉產品或工程的用途、結構、特點、特殊要求，以便對癥下藥，使用涂層體系以及電鍍、金屬熱噴涂、密封膠、防銹油等技術組合進行腐蝕防護，避免單獨使用涂層體系而產生的不良后果。
⑶調研、分析產品或工程使用的自然環境和工作環境，收集腐蝕環境數據，進行腐蝕等級分類。對于腐蝕環境的分類，有不少可供參考的標準，如：ISO12944-2《油漆和清漆———防護漆系統對鋼結構進行防腐蝕保護第二部分：環境分類》；GB/T15957—1995《大氣環境腐蝕性分類》；GB/T19292.1—2003《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性分類》；BSEN12500—2000《金屬材料的防腐蝕大氣環境下的腐蝕概率大氣環境腐蝕性的分類、測定和評估》；ISO9223—1992《金屬和合金的耐腐蝕性大氣腐蝕性分類》等。當然，在實際使用時如果有實際測得的腐蝕數據，會有重要的參考價值，可以從有關腐蝕試驗數據中心查找，如：“國家材料環境腐蝕試驗站網”、“材料環境腐蝕數據積累及規律性研究的試驗數據”、“世界各國腐蝕試驗站的腐蝕試驗數據”等。
⑷確定產品或工程涂層體系的耐久性和使用壽命（腐蝕防護期限）。任何涂層體系在使用環境中，在各種腐蝕因素的作用下都會發生不同程度的降解，出現粉化、失光、褪色等現象。只要這些現象處于設計所規定的保證期以內，并且未對涂層體系的4種功能作用造成本質的影響（通過標準的技術參數進行界定），那么這種質量的降低應該稱為涂層體系質量的正常遞減。在系統設計中設定了“涂層體系耐久性”、“涂層體系使用壽命”的期間，其含義詳見圖3所示的內容。在所設定的期間內，使涂層體系的物化和機械性能出現不可逆的變化，最終導致涂層的破壞，則稱之為涂層失效。涂層體系失效的外觀表現為起泡、開裂、軟化、脫落、變色、粉化等現象。質量控制的目的就是要在所設定的涂層體系耐久性期間內控制涂層體系失效的發生。
⑸系統分析腐蝕防護、裝飾、標識、特殊功能，全面考慮涂裝涂層系統生命周期內的各種因素，確定系統設計方案。系統設計方案要描述出涂裝涂層系統生命周期內“五階段”（即：設計階段、制造階段、儲運階段、安調階段、使用階段）中的過程及工作內容，別要強調對于生產制造的指導作用；要將“五要素”（即：材料、設備、環境、工藝、管理）進行具體分析并落實到位，特別是涂層體系的選擇和配套，要綜合技術、經濟的可行性確定最佳方案；要對“三層次”（即：企業層次、國家行業管理層次、國際組織管理層次）進行分析，選擇何種執行方式，適用何種標準（ISO、ASTM、GB等），以保證系統的實施和質量。同時，要考慮系統的邊界問題，要解決好與產品或工程大系統的協調及接口的關系問題，特別要避免對涂層體系不利的各種材料和結構問題，能夠對于機械設計人員給予腐蝕防護（涂裝）方面的指導和限定；認真分析使用環境的大氣腐蝕、水下腐蝕、土壤腐蝕、磨損、損傷、老化等因素的變化和規律，使所選定的涂層體系以及今后的維護措施有更強的針對性；對于涂料制造企業乃至所涉及的精細化工行業，要有深入細致的了解，以避免因這些企業的非技術因素造成對系統的干擾；對于涂裝設備（生產線）所涉及到的機械制造、自動控制、自動化輸送支持性的技術要有了解，以便減少實施時的困難；涂層體系在生產和使用過程中，會向環境排放污染物、產生火災、使現場操作人員中毒等現象，在系統設計方案中要充分考慮。另外，工業設計中的造型設計、色彩設計等內容，在系統設計方案中要結合具體情況予以體現和融合，以避免相互脫節引起工作量的增加和產品涂裝質量的失控。
⑹組織專家會議討論系統設計方案。與機械制造等專業相比，腐蝕防護（涂裝）專業的應用技術人才比較缺少，在每個企業中都不會太多。邀請國內專家對系統設計方案進行討論和評審，可以用最小的投入獲得高水平的設計方案，減少企業自己摸索的時間和成本。
⑺試驗驗證系統設計方案中尚未確定的部分。在進行系統設計方案的過程中，總會碰到各種難以確定的問題或者各方爭論比較大的問題，這時一定要進行試驗驗證，絕不能將沒有把握的方案直接使用在生產制造（研發制造）中，以避免產品或工程生產出來之后再進行修復而造成更大的損失。
⑻系統設計方案在樣機上的實施及型式試驗。“型式試驗”和“樣機實施”是對系統設計方案的一個實際的檢驗，是必須要進行的一個環節。否則，將無法證實設計涂層體系是否正確、是否合理。將未經過驗證的涂層體系直接進行批量生產，有造成重大經濟損失的可能；如果產品在客戶手中出現重大的涂層質量問題，將無法證明是涂層體系設計本身的問題，還是在涂層實施過程中出現的問題，使質量問題的解決更加困難。
⑼產品涂層技術要求文件、工藝文件、質量檢驗規范文件編制。系統設計方案只是指導新產品研制過程中的重要技術文件（對于工程來講，由于其單一性和多變性，每一次設計都類似于新產品的研制），對于今后如果要進行定型、批量生產，則需要將系統設計方案轉化為企業技術標準文件。產品的技術文件主要有三類：①涂層技術要求文件；②工藝文件；③質量檢驗規范文件。通過“型式試驗”和“樣機實施”對設計涂層體系進行驗證后，要將各類涂層（包括涂裝涂層、金屬涂層等）的技術參數、涂層體系的組成、不同部位的差別等，編制成涂層的技術標準文件。為了達到設計的涂層體系的技術標準，必須要將主要材料、設備、工序過程（工藝方法）、組織模式等形成工藝技術文件，以便生產部門根據這些技術文件進行細化（如編制零件明細表、工藝卡、操作規程等）。為了檢驗經過生產系統制造的涂層體系是否達到了涂層體系的技術標準，必須為質量檢驗（控制）部門編制質量檢驗規范文件。鑒于涂層質量檢驗中的“隱蔽性”，不光對最終的涂層體系進行檢驗，必須對涂裝過程中的關鍵工序（質量控制點）進行檢驗。
⑽專家會議文件審查。
⑾形成“企業技術標準”文件。按照企業標準化管理、“ISO9000貫標”、“Q、E、S三標一體化”的要求和流程，形成企業技術標準文件。在進入制造階段后，如果沒有合格的涂裝車間，需要為新建或改造的涂裝車間進行工藝設計，此后還需要進行生產用的工藝設計，其相互關系詳見圖1。
另外，對于大型、單機（船舶）產品或工程類的涂裝__設計，與上述工作流程會有較大的區別。一般將整個設計過程劃分為初步設計（合同設計）、詳細設計、生產設計3個階段，下面以船舶涂裝設計為例說明[3，4]。
⑴初步設計階段反映了船舶涂裝的概貌，主要包括：原材料表面預處理的方法，質量等級和粗糙度要求以及車間底漆的種類及膜厚要求；船舶各部位涂裝前表面處理（二次除銹）的方式、質量等級要求；船舶各主要部位涂裝配套方案，包括涂料類型、涂裝道數、每道干膜厚度和顏色等；涂層膜厚分布要求；涂裝作業的方式、方法；涂裝氣候條件的要求；涂層損傷處理方法；預涂裝要求等。
⑵詳細設計階段是在初步設計的總體方案和船東確定的質量要求、技術標準、防護年限、主要部位涂料配套等技術文件和修改意見的基礎上，依據合同說明書、總布置圖、中橫剖面圖、機艙布置圖、涂料廠商產品說明書等進行涂裝的詳細設計，其內容包括：整船各部位選用涂裝配套、膜厚標準、除銹等級、涂料顏色、部位面積、理論和實際涂料耗量及必需的涂裝技術措施。
⑶涂裝生產設計是將涂裝技術要求、工藝措施、管理方法和安全技術等融為—體。包括按單元（分段）或區域（船臺、碼頭階段）進行作業的圖表、文件。通常需要設繪和編制以下圖紙文件：分段涂裝手冊；區域涂裝手冊；舾裝件涂裝手冊。
2.3設計輸出的文件的主要內容
在設計階段輸出的技術文件主要有：涂裝涂層系統設計方案；涂層體系技術要求；涂層體系實施的主要工藝；涂層體系質量檢驗的主要原則；其它文件。
2.3.1《涂裝涂層系統設計方案》的主要內容
⑴產品（或工程）基本情況；
⑵產品（或工程）使用的腐蝕環境分析；
⑶產品（或工程）涂層體系的耐久性及使用壽命；
⑷腐蝕防護（涂裝）“五階段”的劃分、任務及技術要求；
⑸各分系統或部件的腐蝕及防護（涂裝）的描述（分類分組）；
⑹各類涂層體系選擇與配套體系性能指標；
⑺涂層體系的實施（配套涂料的檢驗與調配等；應有的涂裝設備要求；涂裝環境的要求；涂裝工藝；涂裝管理）；
⑻涂層體系的質量控制、質量保證；
⑼涂層體系的安全、衛生及環境保護；
⑽涂層體系的其它要求。
2.3.2《涂層體系技術要求》的主要內容
由于產品或工程在實際使用時，除涂裝涂層以外常常會涉及到各種各樣的表面工程技術，比如：鍍覆、金屬熱噴涂、鋅鉻涂層（達克羅）等，因此《涂層體系技術要求》要根據實際使用的具體情況進行編制，主要內容有如下幾點。
⑴涂層體系等級的分類。
⑵涂層體系一般技術要求：①涂層體系配套涂料要求；②鋼材表面處理要求/鋁合金表面處理要求/鍍鋅鋼材表面的處理要求/玻璃鋼涂裝前處理要求等；③涂裝作業環境條件。
⑶涂層體系技術指標：①各等級、各類型涂層各項技術性能指標；②外觀色彩的確定及設計圖；③圖紙及技術文件中的標記。
⑷檢驗方法及條件。
⑸檢驗規則：①檢驗分類；②型式檢驗（型式檢驗的條件、檢驗項目、抽樣、判定規則）；③常規檢驗（概述、檢驗項目、判定規則）。
2.3.3《涂層體系實施的主要工藝》
⑴涂裝施工工藝一般技術要求：涂料配套方案及輔助材料；主要涂裝設備；涂裝環境；一般涂裝操作要求；被涂件的表面狀態、分類分組；涂膜厚度的控制。
⑵工廠腐蝕防護（涂裝）施工工藝流程及操作要點：涂裝前處理；底漆施工工藝；環氧底漆的施工工藝；中間涂層施工工藝；不連續焊縫的處理；面漆施工工藝；裝飾面的涂裝；噴涂防銹蠟；熱噴涂鋅或鋅鋁合金封閉涂層。
⑶包裝運輸技術要求：組合件涂抹密封膠；噴涂防銹蠟；涂抹防銹油；零部件存放與吊裝；安裝時所需的化工材料；防銹包裝的等級。
⑷安裝現場腐蝕防護（涂裝）施工工藝流程及操作要點：預埋板等部件的處理；涂抹密封膠；破損涂層表面的修復；安裝現場需要臨時焊接件的腐蝕防護（涂裝）；工藝孔洞的密封。
⑸其它腐蝕防護表面處理的工藝要求。
2.3.4《涂層體系質量控制與檢驗》
⑴涂裝涂層檢驗：涂層檢驗指標要求；檢驗方法。
⑵工廠涂裝過程質量檢驗：對涂料的檢驗；對涂裝前的工件表面進行檢查；對涂裝施工環境的檢驗；每道涂層的涂裝間隔時間的檢驗；對涂裝設備、工具的檢驗。
⑶在工廠其它腐蝕防護表面處理質量的檢驗（如鍍鋅、化學鍍鎳磷合金、電鍍光亮鍍鉻層、鍍硬鉻、鋁合金陽極氧化、金屬熱噴涂、金屬熱浸鋅、鋅鉻涂層等）。
⑷安裝（客戶）現場腐蝕防護涂層體系的質量檢驗：涂裝修復（損壞涂層的修復，色差及外觀）質量檢驗；預埋件等除銹，涂裝質量檢驗；電鍍件的處理（涂裝、涂防銹油）質量檢驗；鋅鉻涂層的質量檢驗；密封及密封膠的質量檢驗；防銹油的涂覆質量檢驗。
⑸檢驗結果記錄及匯總。
2.3.5其它文件（對以上三類文件的補充）
《涂層體系技術要求》、《涂層體系實施的主要工藝》、《涂層體系質量控制與檢驗》三類企業標準技術文件，對于下一步需要進行的涂裝車間設計、涂裝生產設計及質量檢驗基本上是滿足的。但是，由于產品經常升級換代或為滿足客戶的要求而進行定制（非標準產品），使文件內容與實際情況之間會有一些變化。因此，必須隨著制造圖紙等其它技術文件編制一些補充文件，如《制造技術要求／腐蝕防護（涂裝部分）》、《質量檢驗規范／腐蝕防護（涂裝部分）》等，以免某些細節的疏忽造成涂層體系的質量下降。2.4涂裝涂層系統設計與涂裝車間設計、涂裝生產工藝設計涂裝涂層系統設計與涂裝車間設計、涂裝生產設計是既有聯系又有區別的概念，為了避免誤會和便于區別，在表2進行了分析和對比。
表2涂裝涂層系統設計與涂裝車間工藝、涂裝生產工藝設計的區別
3設計階段質量控制的要點
3.1質量控制點與“五要素”“三層次”
涂裝涂層系統設計階段涉及“五要素”、“三層次”的質量控制點見表3。
表3涂裝涂層系統設計階段涉及“五要素”、“三層次”的質量控制點
3.2要重視設計階段的工作流程及計劃安排
腐蝕專家說：“腐蝕是從繪圖板上開始的”。即“腐蝕是從設計開始的”。解決涂層體系質量問題，必須從設計開始。根據作者多年的經驗，在眾多的涂裝質量問題中，其中重要的和往往容易被忽視的問題是在產品或工程的設計階段缺少認真、系統的涂層體系設計，有相當多的涂裝質量問題源于設計階段。“差之絲毫，失之千里”。對此階段的重視不夠，缺少涂裝涂層系統的設計或根本未進行設計，從而引起涂裝質量問題的情況比較多。主要表現如下。
⑴管理人員對涂裝涂層系統設計認識不足，在產品或工程設計時認為可有可無，未排列應有設計程序和工作計劃；
⑵產品開發設計部門缺少有經驗的腐蝕防護（涂裝）工程技術人員，在產品開發研究階段亦未找有經驗的腐蝕防護（涂裝）專家咨詢；
⑶盲目相信或片面理解供應商的宣傳和推薦，設計時受商業運作的干擾較大；
⑷照抄照搬別人的涂層體系，未考慮到本企業此類產品或工程的腐蝕特點及使用環境。
要克服此類現象，重要的就是在產品或工程設計時，真正把腐蝕防護（涂裝）作為一個不可缺少的專業，將涂裝涂層體系設計的流程列入產品或工程的大流程之中，制作并按照如圖2所示的工作流程，做好各專業設計的連接接口，正式進入公司或企業的管理流程。在制定設計工作計劃時，要為涂裝涂層體系的設計留出所必須的設計時間周期，與各專業之間搞好溝通和協調。
3.3要控制輸入/輸出數據和資料的可靠性
在輸入和輸出的技術文件中，有些數據是不能做到很精確的。比如，涂層體系的耐久性（有效保護期）和壽命周期，不能精確到日或月的數量級。這是因為：
①加速預測技術尚在研究階段，只能做相對評價；
②實際使用的腐蝕環境復雜，試驗模仿條件難以做到；
③因各種因素的影響，對涂層體系的質量控制難以精確；
④有些新材料的使用，缺少長期的時間驗證。這種情況下，很容易使人誤解涂層體系的耐久性和壽命周期的控制問題，進而影響到設計時的認真態度以及對于輸入輸出數據的可靠性的理解。
其實，雖然有精確度較差的問題，但不能因此影響也不會影響輸入輸出數據的可靠性。本文中2.1所列的10條內容以及2.3中所列的文件內容，均要落實并且可靠。對于耐久性和壽命周期的問題，要借助于已有產品或工程的數據，以及加速腐蝕試驗和老化的數據作為依據。
3.4要重視系統設計方案的驗證和評審
當所制定的方案中有些問題不確定時，一定要進行試驗驗證，以避免生產試制中出了問題之后再去解決的被動局面。各企業從事腐蝕防護（涂裝）的技術人員數量比較少，當只限于本單位進行驗證和評審時，可能會有較大的局限性。應該聘請國內同行的專家，吸取他們的經驗教訓。
3.5要及時更新設計技術文件
在設計涂裝涂層體系時，因各個企業（公司或工廠）的具體條件不同，為了兼顧高標準與可實施的操作性，每年的標準技術文件都要進行更新（升級），使實際執行的水平逐步提高，最終達到一個比較高的水準。
4結語
通過以上的分析和論述，作者認為要重點做好如下幾點：
⑴充分理解有關涂裝涂層系統設計的概念，才能做好對整個系統的設計；
⑵建立適合具體情況的設計工作流程非常重要；
⑶要控制好輸入/輸出數據和資料的可靠性；
⑷要重視系統設計方案的驗證和評審；
⑸要及時更新設計技術文件。（齊祥安）
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