液壓支架油缸內表面的腐蝕原因

程相榜,孟賀超,張自強

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司，鄭州 450016)

液壓支架油缸內表面的腐蝕原因

程相榜,孟賀超,張自強

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司，鄭州 450016)

采用化學成分分析、金相顯微、能譜、X射線衍射和電化學等手段對某煤礦液壓支架油缸內孔腐蝕失效件進行了檢測分析。結果表明:該油缸內表面的腐蝕以點蝕為主，腐蝕產物中含有一定量的S元素;該礦配液水質和液壓液濃度均不符合MT76-2002標準要求,油缸內表面的點蝕是由液壓液使用不當造成的。

液壓支架；油缸；點蝕；液壓液；失效分析

液壓支架是煤礦綜采機械化的重要裝備之一，起支撐頂板、移架、推動刮板輸送機前移等重要作用。立柱、千斤頂等液壓油缸是實現液壓支架各項功能的關鍵部件。在使用過程，油缸內表面有時會發生腐蝕，影響支架正常工作。本工作分析了某型號液壓支架油缸內表面產生點蝕的原因。

1 服役工況

該支架在井下使用約18個月，在采完一個工作面升井倒面時發現油缸內表面發生腐蝕，以局部點蝕為主，見圖1，最大腐蝕坑深度約2 mm，寬度約20 mm。該液壓支架使用的液壓介質供液壓力為31.5 MPa，使用型號為MS10-5濃縮液。按照MT 76-2002《液壓支架用乳化液，濃縮液及其高含水液》要求，該濃縮液標準使用量為5%(質量分數,下同)，水質硬度為500 mg/L(以CaCO3計)。

圖1 油缸內表面的宏觀腐蝕形貌Fig. 1 Macro corrosion morphology of internal surface of hydraulic cylinder

2 理化檢驗及結果

2.1 原材料分析

缸筒材料為30CrMnSi，熱處理狀態為調質。采用RL4460直讀光譜儀對腐蝕麻坑最嚴重的缸筒材料進行化學成分分析。結果表明，材料的化學成分符合標準要求。

對腐蝕缸筒取樣，依據GB/T 17396-2009、GB/T 10561-2005要求進行金相組織、非金屬夾雜物檢驗。結果表明，缸筒組織均勻，組織為回火索氏體，夾雜物等級符合要求。

2.2 腐蝕產物成分分析

使用掃描電鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)對腐蝕產物進行了微觀形貌觀察和化學成分分析。由圖2和表1可見，腐蝕產物主要含鐵、碳、氧、硫、鎂、硅等元素，這表明缸筒在服役過程中與液體介質(配液水中含有Mg2+、SO42-等)發生了反應。

圖2 腐蝕產物微觀形貌Fig. 2 Micro morphology of corrosion products

表1 腐蝕產物能譜分析結果

2.3 腐蝕產物物相分析

取缸筒內腐蝕產物進行X射線衍射(XRD)分析。采用Jade5.0軟件進行物相檢索和分析，結果見圖3。由圖3可見，腐蝕產物中含有大量FeOOH、Fe3O4、Fe(OH)3等鐵的氧化物，此外還包括少量FeSO4相。腐蝕產物中的FeSO4相證實了SO42-參與了電化學反應，該分析結果與腐蝕產物的成分分析結果一致。

圖3 腐蝕產物XRD圖譜Fig. 3 The XRD patterns of corrosion products

2.4 液壓介質

取該礦液壓介質配液水進行分析，結果見表2。

由表2可見，該礦液壓介質配液水外觀及SO42-含量不符合要求，其他指標符合MT76-2002要求，硬度符合該型號濃縮液的使用要求(500 mg/L)。

表2 某礦配液水質分析結果

根據調研，該礦液壓介質中MS10-5濃縮液的質量分數為2%-3%，不符合標準要求(濃縮液使用量為5%)，個別時段濃縮液質量分數甚至僅為1%。

2.5 電化學分析

取該礦所用MS10-5濃縮液，采用該礦配液水配制濃縮液質量分數為3%(A溶液)和5%(B溶液)的溶液。采用MT76-2002標準水配制濃縮液質量分數為3%(C溶液)和5%(D溶液)的溶液。試驗所用標準水的主要指標如下：外觀透明澄清,Cl-質量濃度為200 mg/L,SO42-質量濃度為480 mg/L,pH為7.1，硬度為500 mg/L(CaCO3)。

在缸筒腐蝕部位取樣制成電化學試樣,進行極化曲線測試。電化學試驗采用VSP多通道電化學工作站進行測試，采用三電極系統，以鉑片為輔助電極，飽和甘汞電極(SCE)為參比電極，試樣為工作電極。待試樣在溶液中的自腐蝕電位穩定后進行極化曲線測試。極化曲線測試采用動電位掃描的方法，以掃描范圍-250 mV(相對開路電位)開始向陽極方向進行掃描，掃描速率為0.5 mV/s，以陽極極化曲線上電流密度為0.01 mA/cm2的最正電位表示點蝕電位，結果見圖4及表3。

由圖4和表3可見,試樣在4種試驗溶液中均有明顯的鈍化現象，這表明該型號濃縮液中含有陽極性緩蝕劑。對于由標準水配制的試驗溶液(液壓介質)，隨著溶液中濃縮液含量的升高，點蝕電位上升，維鈍電流密度降低，試樣的耐蝕性上升。當液壓介質中的濃縮液量恒定時，使用標準水配成溶液的腐蝕性更低。

3 腐蝕原因綜合分析

經檢測，材料的化學成分、金相組織、夾雜物等級均符合標準要求，但該支架所用的液壓液不符合MT76-2002標準要求,表現為SO42-含量超標和濃縮液使用含量不達標。動電位極化曲線測量結果表明，相對于使用標準水配制的濃縮液質量分數為5%的液壓介質，試樣在近似服役工況(濃縮液質量分數為3%)的液壓介質中，點蝕電位大幅降低，下降約57.5%。

(a) 含3%濃縮液

(b) 含5%濃縮液圖4 試樣在含不同濃縮液液壓介質中的極化曲線Fig. 4 Potential polarization curves of samples in solutions with different concentrations

表3 試樣在不同試驗溶液的點蝕電位Eb和維鈍電流密度JL

該礦選用的濃縮液中含有陽極性緩蝕劑，陽極性緩蝕劑是一種“危險型”緩蝕劑，只有當使用濃度在臨界濃度以上時才可以起到緩蝕作用，濃度低于臨界濃度則會加速腐蝕，導致點蝕等局部腐蝕的產生。臨界濃度與緩蝕劑的種類和SO42-、Cl-等侵蝕性陰離子的濃度有關。研究表明，緩蝕劑的臨界濃度與侵蝕性陰離子的濃度存在雙對數的線性關系[1]。

該礦液壓液濃度低于標準值以及配液水中SO42-含量超標是材料在服役過程中發生腐蝕的主要原因。

4 結論及建議

4.1 結論

(1) 檢測分析結果表明，腐蝕部位的缸筒材料化學成分、非金屬夾雜物等符合相關標準要求。

(2) 電化學測試表明，相對于使用標準水和標準濃度(5%)，使用該礦配液水和使用濃度(3%)時，材料的點蝕電位下降57.5%。

(3) 油缸內表面的點蝕是由液壓液使用不當造成的。

4.2 建議

煤礦在使用液壓液時，配液水質和濃縮液濃度應符合標準要求，當配液水不達標時，要相應提高液壓液中濃縮液的濃度。

[1] ROBERGE P R. 腐蝕工程手冊[M]. 吳蔭順,等,譯. 北京：中國石化出版社，2003:523-525.

Internal Surface Corrosion Reason for Hydraulic Cylinder of a Hydraulic Powered Roof Support

CHENG Xiangbang, MENG Hechao, ZHANG Ziqiang

(Zhengzhou Coal Mining Machinery (Group) Co., Ltd., Zhengzhou 450016, China)

Chemical analysis, metallurgycal microscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD) and dynamic potential polarization curve were used to investigate the internal surface corrosion of hydraulic cylinder of a hydraulic powered roof support. The results indicated that pitting corrosion occurred on the internal surface of hydraulic cylinder, and the element S was detected in the corrosion products. The concentration of the hydraulic fluid and the water used to prepare the hydraulic fluid did not meet the requirements of MT76-2002. The pitting was caused by the improper usage of hydraulic fluids.

hydraulic powered roof support; hydraulic cylinder; pitting; hydraulic fluid; failure analysis

10.11973/fsyfh-201705020

2015-09-16

程相榜(1984)，工程師，碩士，從事煤礦機械表面處理、焊接工藝研究，18037278578，whut_cxb@163.com

TG172

B

1005-748X(2017)05-0407-03