陶瓷活塞杆在海洋环境中的应用分析

2017-09-07黄海杨

水电站机电技术 2017年8期

关键词：启闭机活塞杆闸门

黄海杨，石磊

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

陶瓷活塞杆在海洋环境中的应用分析

黄海杨，石磊

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

海洋环境下使用的液压活塞杆一般采用等离子喷涂工艺的陶瓷活塞杆，从国内外沿海工程使用的实际情况来看，陶瓷活塞杆不适用于长期裸露在空气中或浸泡在海水中的海洋环境。结合国内外沿海工程陶瓷活塞杆的应用现状，对锈蚀原因进行分析，并提出了延长陶瓷活塞杆使用寿命的建议。

液压；陶瓷；活塞杆；海洋环境；应用

0 引言

液压启闭机具有结构简单、布置紧凑、承载能力大、调速和换向方便、运行平稳、容易实现自动化控制等许多优点，在水利水电工程建设中恰当地选用液压启闭机可以获得显著的综合效益。活塞杆是液压启闭机的重要组成部分，而活塞杆的防腐则直接影响活塞杆乃至整套液压启闭机的使用寿命。

1 背景

液压活塞杆目前常采用的防腐工艺为镀铬或为等离子喷涂陶瓷涂层。为满足海洋环境下的防腐、耐磨等要求，国内沿海工程液压启闭机通常采用等离子喷涂工艺的陶瓷活塞杆。近年来，国内部分已建沿海工程液压启闭机陶瓷活塞杆出现了较严重的锈蚀问题，促使行业内技术人员重新关注到沿海工程液压启闭机活塞杆的选型问题[1]。

2 应用现状

图1所示为国内沿海A工程挡潮闸工作闸门液压启闭机陶瓷活塞杆锈蚀照片。该工程液压启闭机从安装调试完成至发现陶瓷活塞杆发生锈蚀情况前后使用不到7年，其所使用陶瓷杆为进口品牌。通过目测发现本工程液压启闭机活塞杆的锈蚀破坏存在如下特点：

（1）锈蚀部位处于活塞杆与吊头螺纹联接接合面850～1 200 mm距离范围内（干湿交替区）。并且越靠近与吊头连接部位，破损越严重，甚至有呈块状脱落的情况。

图1 国内沿海A工程液压启闭机陶瓷活塞杆

（2）靠近孔口中心侧陶瓷涂层破坏严重，闸墩侧陶瓷涂层的破坏情况则较轻微一些。

图2所示为国内沿海B工程挡潮闸工作闸门液压启闭机陶瓷活塞杆锈蚀照片。本工程液压启闭机至今使用约5年时间，其进口陶瓷杆也已经出现了较为严重的锈蚀问题，影响到闸门的正常启闭。

据调查，自20世纪90年代初开始，陶瓷杆已经开始在国外各类防洪和船闸工程中使用。但在使用过程中同样出现了陶瓷杆大面积锈蚀的问题。图3所示为美国温菲尔德大坝弧形闸门液压启闭机陶瓷活塞杆表面发生锈蚀。该工程建成后，闸门长期闭门挡水，陶瓷杆全部伸出裸露在空气中。该启闭机于20世纪90年代中期投入使用，距照片拍摄时约13年左右[2]。

图2 国内沿海B工程液压启闭机陶瓷活塞杆

图3 温菲尔德大坝弧形闸门液压启闭机

图4所示为美国奥姆斯特德船闸人字闸门液压启闭机活塞杆表面发生锈蚀情况。该液压启闭机于2000年安装完毕，工程建成后闸门启闭较为频繁。整根陶瓷杆中能够经常缩回缸体的部分，由于表面受到油液清洗和保护，未发生锈蚀情况。但陶瓷杆靠近吊头部分因不能缩回缸体，在使用约9年后，出现了较严重的锈蚀情况[2]。

图4 奥姆斯特德船闸人字闸门启闭机活塞杆

3 锈蚀原因分析

陶瓷活塞杆的基体材料一般为45#钢，表面喷涂层由两层组成，基层是金属层（镍铬合金CrNi）；表面层就是陶瓷层，通常是化学稳定性强的金属氧化物（钝化，如Al2O3、ZrO2、Cr2O3等，A工程活塞杆的陶瓷材料即为Cr2O3/TiO2复合材料），也有用非氧化物如碳化钨（WC）等陶瓷材料。由于热喷涂工艺不可避免的有孔隙存在，须采用适合的封孔剂渗透封堵孔隙。

结合本文前述的案例分析，活塞杆陶瓷涂层腐蚀失效可能由以下几方面原因导致：

（1）介质通过孔隙渗透腐蚀。热喷涂技术不可避免会有孔隙产生，因此必须经过封孔处理。封孔剂的选择和封堵工艺非常重要：封孔剂材料选择不当则会溶于介质；渗透性不佳则不能深入封堵孔隙；机械性能不足，则可能会在外部机械作用下松动脱落。上述任何一个因素都会导致孔隙封堵失效，腐蚀介质渗入腐蚀基层及基体材料，造成涂层膨胀，甚至胀裂陶瓷层。

（2）封孔剂老化。现有的封孔剂一般为树脂类材料，长时间使用后封孔剂老化失效，导致介质渗入活塞杆基层，使其内部腐蚀。

（3）陶瓷材料化学腐蚀。不同的陶瓷材料适合不同的腐蚀环境，陶瓷材料选择不当或不够合理，其可能会同腐蚀介质中的某些成分产生化学反应造成陶瓷层腐蚀破坏，进而腐蚀内部金属层。

（4）工作环境过于恶劣。陶瓷活塞杆下端处于浪花飞溅、潮位涨落区域，且处于干湿交替状态，加上高含盐量，供氧充足，日照充分及海水冲刷等诸多因素综合作用，导致干湿交替区是腐蚀最严重的区域。

（5）密封失效。活塞与吊头的连接螺纹是无法作陶瓷喷涂处理的，一般此处采用密封结构，若密封结构设计不合理或者密封件老化而导致此处密封失效，海水将通过此处渗入从而腐蚀基层及基体材料。

（6）物理损伤。沿海工程风浪较大，且海水含砂量大，甚至会携带较大的石子。液压启闭机的吊头处于潮位变幅区域，陶瓷活塞杆常年受潮水冲刷，导致陶瓷层物理损伤而腐蚀。

4 建议

根据近年来海洋环境中液压启闭机的实际使用情况，对于在海洋环境中应用的陶瓷活塞杆使用建议如下：

（1）陶瓷活塞杆不适用于长期裸露在空气中或浸泡在海水中的海洋环境，尤其是干湿交替工作环境。根据工程实际情况，优化布置方式能延长活塞杆的使用寿命。活塞杆宜尽量布置在海水接触不到的地方，应避免布置在浪溅区。

（2）根据运行原则，布置液压启闭机时，避免活塞杆长时间暴露在海洋环境中，保证活塞杆在非运行时段缩回液压缸内。目前，我们较多的采用柱塞缸布置方案，即使采用镀铬活塞杆，也能达到较好的使用效果。

（3）定期全行程运行设备能延长活塞杆的使用寿命。它能密封活塞杆表面涂层上的孔隙，并通过在活塞杆表面涂一层薄的液压流体涂层限制潮湿空气进入。

（4）加强维护，定期检查活塞杆表面和不能被收回至液压缸的区域，并定期用润滑脂作预防处理能大大延长活塞杆的使用寿命[2]。

（5）对于海洋环境，选择更加先进的防腐蚀工艺，如采用激光熔覆工艺等。激光熔覆，是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。添料熔覆层一般采用防腐蚀性能较好的Ni、Cr合金。其有结合强度大，结构致密，耐磨损、耐腐蚀等性能较好，熔覆热影响区小，工件变形小，熔覆成品率高等优点。