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 摘要：分析了涂装技术行业常用的设计术语及其关系，论述了设计阶段的输入、输出、流程的内容及方法，重点指出设计过程中质量控制的要点以及提高整个系统质量水平的关键。

关键词：涂层体系；涂装涂层系统；设计阶段；质量控制；质量管理

1引言

在有关涂装技术的杂志或书籍上，经常会看到涂装设计、涂层设计/涂层体系设计、涂装车间设计、涂装工艺设计、涂装设备设计、涂料配套设计等与设计有关的技术术语，但仔细查找尚未发现有关国标（GB）对这些概念进行定义，有些概念的含义很容易引起歧义或误解，为了讨论问题的方便，作者在此进行了汇总，并做了一些注解和说明，详见表1。

表1涂装技术行业常用“设计术语”概念汇总

从表1可以看出，各种“设计术语”虽然没有统一的国家标准，但在正常使用与技术交流中也不会引起很大的问题，相互关系比较明确（见图1）。“涂装设计”含义比较广，可以将其分成“涂层体系设计”和“涂装工艺设计”，这样便于对问题的分析和理解。至于涂装初步设计、涂装详细设计、涂装生产设计，是在不同时间段内的表现形式的差异，不会影响各概念间的逻辑关系。

 

图l与涂装技术相关的“设计术语”之间的关系

从图1可以看出，涂层体系设计是其它设计的工作基础和依据标准，是非常重要的。如果把涂装及涂层体系看作“涂装涂层系统”的话，它就是一个“人造的、比较复杂的、动态的、开放的系统”[2]，实际上，我们进行的设计就是对一个涂装涂层系统进行的设计，与传统的仅仅关心涂料配套的涂层体系设计是不同的。本文的目的就是欲从“涂装涂层系统”设计的理念出发，分析设计阶段的输入、输出以及流程的内容及方法，重点指出设计过程中质量控制的要点，以便提高整个系统的质量水平。

2设计阶段的输入输出、工作流程及内容

2.1设计需输入的资料

⑴产品或工程的用途、结构、特点、特殊要求，使用方法和要求等；产品或工程设计人员与涂装（腐蚀防护）设计人员对于腐蚀防护特点的探讨意见。

⑵需进行涂装设计的产品或工程的表面状态[落实是新建造（新制造）？还是全部更新式修复？还是局部修复]。

⑶调研、分析产品使用的自然环境和工作环境，使用的区域位置，收集腐蚀环境数据，按照腐蚀分类等级进行分类。

⑷确定产品或工程的涂层体系的使用寿命（腐蚀防护期限），耐久性要求（至第一次修复的期间）。

⑸关于将来进行维修的时间（次数）及方式的要求。

⑹在涂层体系实施和维护期间，对于施工人员的健康影响（职业卫生方面）和安全保障（消防、机械伤害等）的要求。

⑺在涂层体系实施和维护以及使用期间，对环境保护方面的要求。

⑻有可能被选用的涂装化工材料（涂料、清洗剂、磷化液、密封胶等）的技术资料。

⑼甲方（客户）提出的其它涂装和腐蚀防护的技术要求。

⑽相关涂装（腐蚀防护）技术参考标准和规范。
2.2设计工作流程及其内容

随着行业的不同、企业的不同、产品的不同，涂装涂层系统设计工作流程会有很大的差别，因此，需要根据具体情况进行具体分析。图2是以机电新产品的设计开发为例，绘制了设计流程以及与整个产品设计流程的关系。下面以图2所表示的流程为顺序，介绍一下其工作内容。“涂装涂层系统设计流程”一般分为3个阶段：系统方案设计阶段，图2中⑴～⑺；试验及验证阶段，图2中⑻；标准编制及形成阶段，图2中⑼～⑾。后续的“涂装工艺设计”，根据具体情况的不同可分为涂装车间的工艺设计和涂装生产的工艺设计，其相互关系请参见图1。

 

图2新产品设计开发与“涂装涂层系统”设计流程

⑴综合考虑产品或

工程自身的腐蚀防护能力和涂层体系实施的可能性。当进行产品或工程的总体设计时，特别在进行结构设计、材料选择时，必须考虑到腐蚀防护的问题。第一，要考虑到产品或工程自身的腐蚀防护能力，哪些结构、哪些材料、哪些表面处理方式容易引起或加速对涂层体系腐蚀破坏，禁止、限制、减少不利涂层体系腐蚀防护的结构形式和材料，增强产品或工程自身的“免疫力”；第二，要考虑到哪些结构形式不便于涂装前处理、喷涂、涂装质量检查和维修等操作的进行，以便于整个体系在过程中的涂装生产和维护。为此，ISO12944-3《油漆和清漆———防护漆系统对钢结构进行防腐蚀保护第三部分：设计要点》进行了专门论述，建议：“产品或工程设计者在设计过程的最初阶段，应该向一名腐蚀防护专家进行咨询”；提出了“可维修性、缝隙处理、防止沉淀物和水分滞留的预防措施、边缘处理、焊接表面缺陷要求、螺栓连接方法、箱式构件和空心组件的处理、凹槽的处理、加强板的处理、防止电偶腐蚀、装卸／运输和安装过程的保护”等。

⑵熟悉产品或工程的用途、结构、特点、特殊要求。即使在相同的外界腐蚀环境条件下，产品或工程设备的不同部位因受力、积水、通风的不同，会对涂层体系产生不同的腐蚀影响；即使同一台产品或设备，在不同的腐蚀环境条件下，涂层体系所产生的腐蚀结果是不一样的。因此，要熟悉产品或工程的用途、结构、特点、特殊要求，以便对症下药，使用涂层体系以及电镀、金属热喷涂、密封胶、防锈油等技术组合进行腐蚀防护，避免单独使用涂层体系而产生的不良后果。

⑶调研、分析产品或工程使用的自然环境和工作环境，收集腐蚀环境数据，进行腐蚀等级分类。对于腐蚀环境的分类，有不少可供参考的标准，如：ISO12944-2《油漆和清漆———防护漆系统对钢结构进行防腐蚀保护第二部分：环境分类》；GB/T15957—1995《大气环境腐蚀性分类》；GB/T19292.1—2003《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性分类》；BSEN12500—2000《金属材料的防腐蚀大气环境下的腐蚀概率大气环境腐蚀性的分类、测定和评估》；ISO9223—1992《金属和合金的耐腐蚀性大气腐蚀性分类》等。当然，在实际使用时如果有实际测得的腐蚀数据，会有重要的参考价值，可以从有关腐蚀试验数据中心查找，如：“国家材料环境腐蚀试验站网”、“材料环境腐蚀数据积累及规律性研究的试验数据”、“世界各国腐蚀试验站的腐蚀试验数据”等。

⑷确定产品或工程涂层体系的耐久性和使用寿命（腐蚀防护期限）。任何涂层体系在使用环境中，在各种腐蚀因素的作用下都会发生不同程度的降解，出现粉化、失光、褪色等现象。只要这些现象处于设计所规定的保证期以内，并且未对涂层体系的4种功能作用造成本质的影响（通过标准的技术参数进行界定），那么这种质量的降低应该称为涂层体系质量的正常递减。在系统设计中设定了“涂层体系耐久性”、“涂层体系使用寿命”的期间，其含义详见图3所示的内容。在所设定的期间内，使涂层体系的物化和机械性能出现不可逆的变化，最终导致涂层的破坏，则称之为涂层失效。涂层体系失效的外观表现为起泡、开裂、软化、脱落、变色、粉化等现象。质量控制的目的就是要在所设定的涂层体系耐久性期间内控制涂层体系失效的发生。

图3涂层体系耐久性、使用寿命及系统生命周期示意

⑸系统分析腐蚀防护、装饰、标识、特殊功能，全面考虑涂装涂层系统生命周期内的各种因素，确定系统设计方案。系统设计方案要描述出涂装涂层系统生命周期内“五阶段”（即：设计阶段、制造阶段、储运阶段、安调阶段、使用阶段）中的过程及工作内容，特别要强调对于生产制造的指导作用；要将“五要素”（即：材料、设备、环境、工艺、管理）进行具体分析并落实到位，特别是涂层体系的选择和配套，要综合技术、经济的可行性确定最佳方案；要对“三层次”（即：企业层次、国家行业管理层次、国际组织管理层次）进行分析，选择何种执行方式，适用何种标准（ISO、ASTM、GB等），以保证系统的实施和质量。同时，要考虑系统的边界问题，要解决好与产品或工程大系统的协调及接口的关系问题，特别要避免对涂层体系不利的各种材料和结构问题，能够对于机械设计人员给予腐蚀防护（涂装）方面的指导和限定；认真分析使用环境的大气腐蚀、水下腐蚀、土壤腐蚀、磨损、损伤、老化等因素的变化和规律，使所选定的涂层体系以及今后的维护措施有更强的针对性；对于涂料制造企业乃至所涉及的精细化工行业，要有深入细致的了解，以避免因这些企业的非技术因素造成对系统的干扰；对于涂装设备（生产线）所涉及到的机械制造、自动控制、自动化输送支持性的技术要有了解，以便减少实施时的困难；涂层体系在生产和使用过程中，会向环境排放污染物、产生火灾、使现场操作人员中毒等现象，在系统设计方案中要充分考虑。另外，工业设计中的造型设计、色彩设计等内容，在系统设计方案中要结合具体情况予以体现和融合，以避免相互脱节引起工作量的增加和产品涂装质量的失控。

⑹组织专家会议讨论系统设计方案。与机械制造等专业相比，腐蚀防护（涂装）专业的应用技术人才比较缺少，在每个企业中都不会太多。邀请国内专家对系统设计方案进行讨论和评审，可以用最小的投入获得高水平的设计方案，减少企业自己摸索的时间和成本。

⑺试验验证系统设计方案中尚未确定的部分。在进行系统设计方案的过程中，总会碰到各种难以确定的问题或者各方争论比较大的问题，这时一定要进行试验验证，绝不能将没有把握的方案直接使用在生产制造（研发制造）中，以避免产品或工程生产出来之后再进行修复而造成更大的损失。

⑻系统设计方案在样机上的实施及型式试验。“型式试验”和“样机实施”是对系统设计方案的一个实际的检验，是必须要进行的一个环节。否则，将无法证实设计涂层体系是否正确、是否合理。将未经过验证的涂层体系直接进行批量生产，有造成重大经济损失的可能；如果产品在客户手中出现重大的涂层质量问题，将无法证明是涂层体系设计本身的问题，还是在涂层实施过程中出现的问题，使质量问题的解决更加困难。

⑼产品涂层技术要求文件、工艺文件、质量检验规范文件编制。系统设计方案只是指导新产品研制过程中的重要技术文件（对于工程来讲，由于其单一性和多变性，每一次设计都类似于新产品的研制），对于今后如果要进行定型、批量生产，则需要将系统设计方案转化为企业技术标准文件。产品的技术文件主要有三类：①涂层技术要求文件；②工艺文件；③质量检验规范文件。通过“型式试验”和“样机实施”对设计涂层体系进行验证后，要将各类涂层（包括涂装涂层、金属涂层等）的技术参数、涂层体系的组成、不同部位的差别等，编制成涂层的技术标准文件。为了达到设计的涂层体系的技术标准，必须要将主要材料、设备、工序过程（工艺方法）、组织模式等形成工艺技术文件，以便生产部门根据这些技术文件进行细化（如编制零件明细表、工艺卡、操作规程等）。为了检验经过生产系统制造的涂层体系是否达到了涂层体系的技术标准，必须为质量检验（控制）部门编制质量检验规范文件。鉴于涂层质量检验中的“隐蔽性”，不光对最终的涂层体系进行检验，必须对涂装过程中的关键工序（质量控制点）进行检验。

⑽专家会议文件审查。

⑾形成“企业技术标准”文件。按照企业标准化管理、“ISO9000贯标”、“Q、E、S三标一体化”的要求和流程，形成企业技术标准文件。在进入制造阶段后，如果没有合格的涂装车间，需要为新建或改造的涂装车间进行工艺设计，此后还需要进行生产用的工艺设计，其相互关系详见图1。

另外，对于大型、单机（船舶）产品或工程类的涂装__设计，与上述工作流程会有较大的区别。一般将整个设计过程划分为初步设计（合同设计）、详细设计、生产设计3个阶段，下面以船舶涂装设计为例说明[3，4]。

⑴初步设计阶段反映了船舶涂装的概貌，主要包括：原材料表面预处理的方法，质量等级和粗糙度要求以及车间底漆的种类及膜厚要求；船舶各部位涂装前表面处理（二次除锈）的方式、质量等级要求；船舶各主要部位涂装配套方案，包括涂料类型、涂装道数、每道干膜厚度和颜色等；涂层膜厚分布要求；涂装作业的方式、方法；涂装气候条件的要求；涂层损伤处理方法；预涂装要求等。

⑵详细设计阶段是在初步设计的总体方案和船东确定的质量要求、技术标准、防护年限、主要部位涂料配套等技术文件和修改意见的基础上，依据合同说明书、总布置图、中横剖面图、机舱布置图、涂料厂商产品说明书等进行涂装的详细设计，其内容包括：整船各部位选用涂装配套、膜厚标准、除锈等级、涂料颜色、部位面积、理论和实际涂料耗量及必需的涂装技术措施。

⑶涂装生产设计是将涂装技术要求、工艺措施、管理方法和安全技术等融为—体。包括按单元（分段）或区域（船台、码头阶段）进行作业的图表、文件。通常需要设绘和编制以下图纸文件：分段涂装手册；区域涂装手册；舾装件涂装手册。

2.3设计输出的文件的主要内容

在设计阶段输出的技术文件主要有：涂装涂层系统设计方案；涂层体系技术要求；涂层体系实施的主要工艺；涂层体系质量检验的主要原则；其它文件。

2.3.1《涂装涂层系统设计方案》的主要内容

⑴产品（或工程）基本情况；

⑵产品（或工程）使用的腐蚀环境分析；

⑶产品（或工程）涂层体系的耐久性及使用寿命；

⑷腐蚀防护（涂装）“五阶段”的划分、任务及技术要求；

⑸各分系统或部件的腐蚀及防护（涂装）的描述（分类分组）；

⑹各类涂层体系选择与配套体系性能指标；

⑺涂层体系的实施（配套涂料的检验与调配等；应有的涂装设备要求；涂装环境的要求；涂装工艺；涂装管理）；

⑻涂层体系的质量控制、质量保证；

⑼涂层体系的安全、卫生及环境保护；

⑽涂层体系的其它要求。

2.3.2《涂层体系技术要求》的主要内容

由于产品或工程在实际使用时，除涂装涂层以外常常会涉及到各种各样的表面工程技术，比如：镀覆、金属热喷涂、锌铬涂层（达克罗）等，因此《涂层体系技术要求》要根据实际使用的具体情况进行编制，主要内容有如下几点。

⑴涂层体系等级的分类。

⑵涂层体系一般技术要求：①涂层体系配套涂料要求；②钢材表面处理要求/铝合金表面处理要求/镀锌钢材表面的处理要求/玻璃钢涂装前处理要求等；③涂装作业环境条件。

⑶涂层体系技术指标：①各等级、各类型涂层各项技术性能指标；②外观色彩的确定及设计图；③图纸及技术文件中的标记。

⑷检验方法及条件。

⑸检验规则：①检验分类；②型式检验（型式检验的条件、检验项目、抽样、判定规则）；③常规检验（概述、检验项目、判定规则）。

2.3.3《涂层体系实施的主要工艺》

⑴涂装施工工艺一般技术要求：涂料配套方案及辅助材料；主要涂装设备；涂装环境；一般涂装操作要求；被涂件的表面状态、分类分组；涂膜厚度的控制。

⑵工厂腐蚀防护（涂装）施工工艺流程及操作要点：涂装前处理；底漆施工工艺；环氧底漆的施工工艺；中间涂层施工工艺；不连续焊缝的处理；面漆施工工艺；装饰面的涂装；喷涂防锈蜡；热喷涂锌或锌铝合金封闭涂层。

⑶包装运输技术要求：组合件涂抹密封胶；喷涂防锈蜡；涂抹防锈油；零部件存放与吊装；安装时所需的化工材料；防锈包装的等级。

⑷安装现场腐蚀防护（涂装）施工工艺流程及操作要点：预埋板等部件的处理；涂抹密封胶；破损涂层表面的修复；安装现场需要临时焊接件的腐蚀防护（涂装）；工艺孔洞的密封。

⑸其它腐蚀防护表面处理的工艺要求。

2.3.4《涂层体系质量控制与检验》

⑴涂装涂层检验：涂层检验指标要求；检验方法。

⑵工厂涂装过程质量检验：对涂料的检验；对涂装前的工件表面进行检查；对涂装施工环境的检验；每道涂层的涂装间隔时间的检验；对涂装设备、工具的检验。

⑶在工厂其它腐蚀防护表面处理质量的检验（如镀锌、化学镀镍磷合金、电镀光亮镀铬层、镀硬铬、铝合金阳极氧化、金属热喷涂、金属热浸锌、锌铬涂层等）。

⑷安装（客户）现场腐蚀防护涂层体系的质量检验：涂装修复（损坏涂层的修复，色差及外观）质量检验；预埋件等除锈，涂装质量检验；电镀件的处理（涂装、涂防锈油）质量检验；锌铬涂层的质量检验；密封及密封胶的质量检验；防锈油的涂覆质量检验。

⑸检验结果记录及汇总。

2.3.5其它文件（对以上三类文件的补充）

《涂层体系技术要求》、《涂层体系实施的主要工艺》、《涂层体系质量控制与检验》三类企业标准技术文件，对于下一步需要进行的涂装车间设计、涂装生产设计及质量检验基本上是满足的。但是，由于产品经常升级换代或为满足客户的要求而进行定制（非标准产品），使文件内容与实际情况之间会有一些变化。因此，必须随着制造图纸等其它技术文件编制一些补充文件，如《制造技术要求／腐蚀防护（涂装部分）》、《质量检验规范／腐蚀防护（涂装部分）》等，以免某些细节的疏忽造成涂层体系的质量下降。2.4涂装涂层系统设计与涂装车间设计、涂装生产工艺设计涂装涂层系统设计与涂装车间设计、涂装生产设计是既有联系又有区别的概念，为了避免误会和便于区别，在表2进行了分析和对比。

表2涂装涂层系统设计与涂装车间工艺、涂装生产工艺设计的区别
 

3设计阶段质量控制的要点

3.1质量控制点与“五要素”“三层次”

涂装涂层系统设计阶段涉及“五要素”、“三层次”的质量控制点见表3。

表3涂装涂层系统设计阶段涉及“五要素”、“三层次”的质量控制点


 

3.2要重视设计阶段的工作流程及计划安排

腐蚀专家说：“腐蚀是从绘图板上开始的”。即“腐蚀是从设计开始的”。解决涂层体系质量问题，必须从设计开始。根据作者多年的经验，在众多的涂装质量问题中，其中重要的和往往容易被忽视的问题是在产品或工程的设计阶段缺少认真、系统的涂层体系设计，有相当多的涂装质量问题源于设计阶段。“差之丝毫，失之千里”。对此阶段的重视不够，缺少涂装涂层系统的设计或根本未进行设计，从而引起涂装质量问题的情况比较多。主要表现如下。

⑴管理人员对涂装涂层系统设计认识不足，在产品或工程设计时认为可有可无，未排列应有设计程序和工作计划；

⑵产品开发设计部门缺少有经验的腐蚀防护（涂装）工程技术人员，在产品开发研究阶段亦未找有经验的腐蚀防护（涂装）专家咨询；

⑶盲目相信或片面理解供应商的宣传和推荐，设计时受商业运作的干扰较大；

⑷照抄照搬别人的涂层体系，未考虑到本企业此类产品或工程的腐蚀特点及使用环境。

要克服此类现象，重要的就是在产品或工程设计时，真正把腐蚀防护（涂装）作为一个不可缺少的专业，将涂装涂层体系设计的流程列入产品或工程的大流程之中，制作并按照如图2所示的工作流程，做好各专业设计的连接接口，正式进入公司或企业的管理流程。在制定设计工作计划时，要为涂装涂层体系的设计留出所必须的设计时间周期，与各专业之间搞好沟通和协调。

3.3要控制输入/输出数据和资料的可靠性

在输入和输出的技术文件中，有些数据是不能做到很精确的。比如，涂层体系的耐久性（有效保护期）和寿命周期，不能精确到日或月的数量级。这是因为：

①加速预测技术尚在研究阶段，只能做相对评价；

②实际使用的腐蚀环境复杂，试验模仿条件难以做到；

③因各种因素的影响，对涂层体系的质量控制难以精确；

④有些新材料的使用，缺少长期的时间验证。这种情况下，很容易使人误解涂层体系的耐久性和寿命周期的控制问题，进而影响到设计时的认真态度以及对于输入输出数据的可靠性的理解。

其实，虽然有精确度较差的问题，但不能因此影响也不会影响输入输出数据的可靠性。本文中2.1所列的10条内容以及2.3中所列的文件内容，均要落实并且可靠。对于耐久性和寿命周期的问题，要借助于已有产品或工程的数据，以及加速腐蚀试验和老化的数据作为依据。

3.4要重视系统设计方案的验证和评审

当所制定的方案中有些问题不确定时，一定要进行试验验证，以避免生产试制中出了问题之后再去解决的被动局面。各企业从事腐蚀防护（涂装）的技术人员数量比较少，当只限于本单位进行验证和评审时，可能会有较大的局限性。应该聘请国内同行的专家，吸取他们的经验教训。

3.5要及时更新设计技术文件

在设计涂装涂层体系时，因各个企业（公司或工厂）的具体条件不同，为了兼顾高标准与可实施的操作性，每年的标准技术文件都要进行更新（升级），使实际执行的水平逐步提高，最终达到一个比较高的水准。

4结语

通过以上的分析和论述，作者认为要重点做好如下几点：

⑴充分理解有关涂装涂层系统设计的概念，才能做好对整个系统的设计；

⑵建立适合具体情况的设计工作流程非常重要；

⑶要控制好输入/输出数据和资料的可靠性；

⑷要重视系统设计方案的验证和评审；

⑸要及时更新设计技术文件。