陶瓷活塞桿在海洋環(huán)境中的應(yīng)用分析

黃海楊，石 磊

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

陶瓷活塞桿在海洋環(huán)境中的應(yīng)用分析

黃海楊，石 磊

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

海洋環(huán)境下使用的液壓活塞桿一般采用等離子噴涂工藝的陶瓷活塞桿，從國(guó)內(nèi)外沿海工程使用的實(shí)際情況來(lái)看，陶瓷活塞桿不適用于長(zhǎng)期裸露在空氣中或浸泡在海水中的海洋環(huán)境。結(jié)合國(guó)內(nèi)外沿海工程陶瓷活塞桿的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)銹蝕原因進(jìn)行分析，并提出了延長(zhǎng)陶瓷活塞桿使用壽命的建議。

液壓；陶瓷；活塞桿；海洋環(huán)境；應(yīng)用

0 引言

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置緊湊、承載能力大、調(diào)速和換向方便、運(yùn)行平穩(wěn)、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等許多優(yōu)點(diǎn)，在水利水電工程建設(shè)中恰當(dāng)?shù)剡x用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)可以獲得顯著的綜合效益。活塞桿是液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的重要組成部分，而活塞桿的防腐則直接影響活塞桿乃至整套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的使用壽命。

1 背景

液壓活塞桿目前常采用的防腐工藝為鍍鉻或?yàn)榈入x子噴涂陶瓷涂層。為滿足海洋環(huán)境下的防腐、耐磨等要求，國(guó)內(nèi)沿海工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)通常采用等離子噴涂工藝的陶瓷活塞桿。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)部分已建沿海工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)陶瓷活塞桿出現(xiàn)了較嚴(yán)重的銹蝕問題，促使行業(yè)內(nèi)技術(shù)人員重新關(guān)注到沿海工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿的選型問題[1]。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

圖1所示為國(guó)內(nèi)沿海A工程擋潮閘工作閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)陶瓷活塞桿銹蝕照片。該工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)從安裝調(diào)試完成至發(fā)現(xiàn)陶瓷活塞桿發(fā)生銹蝕情況前后使用不到7年，其所使用陶瓷桿為進(jìn)口品牌。通過目測(cè)發(fā)現(xiàn)本工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿的銹蝕破壞存在如下特點(diǎn)：

（1）銹蝕部位處于活塞桿與吊頭螺紋聯(lián)接接合面850～1 200 mm距離范圍內(nèi)（干濕交替區(qū)）。并且越靠近與吊頭連接部位，破損越嚴(yán)重，甚至有呈塊狀脫落的情況。

圖1 國(guó)內(nèi)沿海A工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)陶瓷活塞桿

（2）靠近孔口中心側(cè)陶瓷涂層破壞嚴(yán)重，閘墩側(cè)陶瓷涂層的破壞情況則較輕微一些。

圖2所示為國(guó)內(nèi)沿海B工程擋潮閘工作閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)陶瓷活塞桿銹蝕照片。本工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)至今使用約5年時(shí)間，其進(jìn)口陶瓷桿也已經(jīng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的銹蝕問題，影響到閘門的正常啟閉。

據(jù)調(diào)查，自20世紀(jì)90年代初開始，陶瓷桿已經(jīng)開始在國(guó)外各類防洪和船閘工程中使用。但在使用過程中同樣出現(xiàn)了陶瓷桿大面積銹蝕的問題。圖3所示為美國(guó)溫菲爾德大壩弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)陶瓷活塞桿表面發(fā)生銹蝕。該工程建成后，閘門長(zhǎng)期閉門擋水，陶瓷桿全部伸出裸露在空氣中。該啟閉機(jī)于20世紀(jì)90年代中期投入使用，距照片拍攝時(shí)約13年左右[2]。

圖2 國(guó)內(nèi)沿海B工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)陶瓷活塞桿

圖3 溫菲爾德大壩弧形閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

圖4所示為美國(guó)奧姆斯特德船閘人字閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)活塞桿表面發(fā)生銹蝕情況。該液壓?jiǎn)㈤]機(jī)于2000年安裝完畢，工程建成后閘門啟閉較為頻繁。整根陶瓷桿中能夠經(jīng)常縮回缸體的部分，由于表面受到油液清洗和保護(hù)，未發(fā)生銹蝕情況。但陶瓷桿靠近吊頭部分因不能縮回缸體，在使用約9年后，出現(xiàn)了較嚴(yán)重的銹蝕情況[2]。

圖4 奧姆斯特德船閘人字閘門啟閉機(jī)活塞桿

3 銹蝕原因分析

陶瓷活塞桿的基體材料一般為45#鋼，表面噴涂層由兩層組成，基層是金屬層（鎳鉻合金CrNi）；表面層就是陶瓷層，通常是化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的金屬氧化物（鈍化，如Al2O3、ZrO2、Cr2O3等，A工程活塞桿的陶瓷材料即為Cr2O3/TiO2復(fù)合材料），也有用非氧化物如碳化鎢（WC）等陶瓷材料。由于熱噴涂工藝不可避免的有孔隙存在，須采用適合的封孔劑滲透封堵孔隙。

結(jié)合本文前述的案例分析，活塞桿陶瓷涂層腐蝕失效可能由以下幾方面原因?qū)е拢?/p>

（1）介質(zhì)通過孔隙滲透腐蝕。熱噴涂技術(shù)不可避免會(huì)有孔隙產(chǎn)生，因此必須經(jīng)過封孔處理。封孔劑的選擇和封堵工藝非常重要：封孔劑材料選擇不當(dāng)則會(huì)溶于介質(zhì)；滲透性不佳則不能深入封堵孔隙；機(jī)械性能不足，則可能會(huì)在外部機(jī)械作用下松動(dòng)脫落。上述任何一個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致孔隙封堵失效，腐蝕介質(zhì)滲入腐蝕基層及基體材料，造成涂層膨脹，甚至脹裂陶瓷層。

（2）封孔劑老化。現(xiàn)有的封孔劑一般為樹脂類材料，長(zhǎng)時(shí)間使用后封孔劑老化失效，導(dǎo)致介質(zhì)滲入活塞桿基層，使其內(nèi)部腐蝕。

（3）陶瓷材料化學(xué)腐蝕。不同的陶瓷材料適合不同的腐蝕環(huán)境，陶瓷材料選擇不當(dāng)或不夠合理，其可能會(huì)同腐蝕介質(zhì)中的某些成分產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)造成陶瓷層腐蝕破壞，進(jìn)而腐蝕內(nèi)部金屬層。

（4）工作環(huán)境過于惡劣。陶瓷活塞桿下端處于浪花飛濺、潮位漲落區(qū)域，且處于干濕交替狀態(tài)，加上高含鹽量，供氧充足，日照充分及海水沖刷等諸多因素綜合作用，導(dǎo)致干濕交替區(qū)是腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。

（5）密封失效。活塞與吊頭的連接螺紋是無(wú)法作陶瓷噴涂處理的，一般此處采用密封結(jié)構(gòu)，若密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或者密封件老化而導(dǎo)致此處密封失效，海水將通過此處滲入從而腐蝕基層及基體材料。

（6）物理?yè)p傷。沿海工程風(fēng)浪較大，且海水含砂量大，甚至?xí)y帶較大的石子。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的吊頭處于潮位變幅區(qū)域，陶瓷活塞桿常年受潮水沖刷，導(dǎo)致陶瓷層物理?yè)p傷而腐蝕。

4 建議

根據(jù)近年來(lái)海洋環(huán)境中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的實(shí)際使用情況，對(duì)于在海洋環(huán)境中應(yīng)用的陶瓷活塞桿使用建議如下：

（1）陶瓷活塞桿不適用于長(zhǎng)期裸露在空氣中或浸泡在海水中的海洋環(huán)境，尤其是干濕交替工作環(huán)境。根據(jù)工程實(shí)際情況，優(yōu)化布置方式能延長(zhǎng)活塞桿的使用壽命。活塞桿宜盡量布置在海水接觸不到的地方，應(yīng)避免布置在浪濺區(qū)。

（2）根據(jù)運(yùn)行原則，布置液壓?jiǎn)㈤]機(jī)時(shí)，避免活塞桿長(zhǎng)時(shí)間暴露在海洋環(huán)境中，保證活塞桿在非運(yùn)行時(shí)段縮回液壓缸內(nèi)。目前，我們較多的采用柱塞缸布置方案，即使采用鍍鉻活塞桿，也能達(dá)到較好的使用效果。

（3）定期全行程運(yùn)行設(shè)備能延長(zhǎng)活塞桿的使用壽命。它能密封活塞桿表面涂層上的孔隙，并通過在活塞桿表面涂一層薄的液壓流體涂層限制潮濕空氣進(jìn)入。

（4）加強(qiáng)維護(hù)，定期檢查活塞桿表面和不能被收回至液壓缸的區(qū)域，并定期用潤(rùn)滑脂作預(yù)防處理能大大延長(zhǎng)活塞桿的使用壽命[2]。

（5）對(duì)于海洋環(huán)境，選擇更加先進(jìn)的防腐蝕工藝，如采用激光熔覆工藝等。激光熔覆，是通過在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。添料熔覆層一般采用防腐蝕性能較好的Ni、Cr合金。其有結(jié)合強(qiáng)度大，結(jié)構(gòu)致密，耐磨損、耐腐蝕等性能較好，熔覆熱影響區(qū)小，工件變形小，熔覆成品率高等優(yōu)點(diǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

在海洋環(huán)境中，對(duì)于長(zhǎng)期裸露在空氣中或浸泡在海水中使用的液壓活塞桿，據(jù)調(diào)查，其表面的防腐措施及工藝目前國(guó)內(nèi)還沒有成功應(yīng)用7年以上而不腐蝕的業(yè)績(jī)。希冀本文的應(yīng)用分析有助于相關(guān)技術(shù)的繼續(xù)探索研究，尋找更加合適的防腐工藝。

[1]石磊，黃海楊，等.浙江省溫州市甌飛一期圍墾工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)海洋環(huán)境設(shè)計(jì)方案專題報(bào)告[R].杭州：浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2015.

[2]Hannon J R，Dalton J C.Engineering and Construction Bulletin[Z].USArmy CorpsofEngineers,2009.

TV664

B

1672-5387（2017）08-0075-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.022

2017-04-21

黃海楊（1984-），男，工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。