陶瓷活塞桿在海洋環境中的應用分析

黃海楊，石 磊

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002）

陶瓷活塞桿在海洋環境中的應用分析

黃海楊，石 磊

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002）

海洋環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，從國內外沿海工程使用的實際情況來看，陶瓷活塞桿不適用于長期裸露在空氣中或浸泡在海水中的海洋環境。結合國內外沿海工程陶瓷活塞桿的應用現狀，對銹蝕原因進行分析，并提出了延長陶瓷活塞桿使用壽命的建議。

液壓；陶瓷；活塞桿；海洋環境；應用

0 引言

液壓啟閉機具有結構簡單、布置緊湊、承載能力大、調速和換向方便、運行平穩、容易實現自動化控制等許多優點，在水利水電工程建設中恰當地選用液壓啟閉機可以獲得顯著的綜合效益。活塞桿是液壓啟閉機的重要組成部分，而活塞桿的防腐則直接影響活塞桿乃至整套液壓啟閉機的使用壽命。

1 背景

液壓活塞桿目前常采用的防腐工藝為鍍鉻或為等離子噴涂陶瓷涂層。為滿足海洋環境下的防腐、耐磨等要求，國內沿海工程液壓啟閉機通常采用等離子噴涂工藝的陶瓷活塞桿。近年來，國內部分已建沿海工程液壓啟閉機陶瓷活塞桿出現了較嚴重的銹蝕問題，促使行業內技術人員重新關注到沿海工程液壓啟閉機活塞桿的選型問題[1]。

2 應用現狀

圖1所示為國內沿海A工程擋潮閘工作閘門液壓啟閉機陶瓷活塞桿銹蝕照片。該工程液壓啟閉機從安裝調試完成至發現陶瓷活塞桿發生銹蝕情況前后使用不到7年，其所使用陶瓷桿為進口品牌。通過目測發現本工程液壓啟閉機活塞桿的銹蝕破壞存在如下特點：

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

圖1 國內沿海A工程液壓啟閉機陶瓷活塞桿

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

圖2所示為國內沿海B工程擋潮閘工作閘門液壓啟閉機陶瓷活塞桿銹蝕照片。本工程液壓啟閉機至今使用約5年時間，其進口陶瓷桿也已經出現了較為嚴重的銹蝕問題，影響到閘門的正常啟閉。

據調查，自20世紀90年代初開始，陶瓷桿已經開始在國外各類防洪和船閘工程中使用。但在使用過程中同樣出現了陶瓷桿大面積銹蝕的問題。圖3所示為美國溫菲爾德大壩弧形閘門液壓啟閉機陶瓷活塞桿表面發生銹蝕。該工程建成后，閘門長期閉門擋水，陶瓷桿全部伸出裸露在空氣中。該啟閉機于20世紀90年代中期投入使用，距照片拍攝時約13年左右[2]。

圖2 國內沿海B工程液壓啟閉機陶瓷活塞桿

圖3 溫菲爾德大壩弧形閘門液壓啟閉機

圖4所示為美國奧姆斯特德船閘人字閘門液壓啟閉機活塞桿表面發生銹蝕情況。該液壓啟閉機于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常縮回缸體的部分，由于表面受到油液清洗和保護，未發生銹蝕情況。但陶瓷桿靠近吊頭部分因不能縮回缸體，在使用約9年后，出現了較嚴重的銹蝕情況[2]。

圖4 奧姆斯特德船閘人字閘門啟閉機活塞桿

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，通常是化學穩定性強的金屬氧化物（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導致：

（1）介質通過孔隙滲透腐蝕。熱噴涂技術不可避免會有孔隙產生，因此必須經過封孔處理。封孔劑的選擇和封堵工藝非常重要：封孔劑材料選擇不當則會溶于介質；滲透性不佳則不能深入封堵孔隙；機械性能不足，則可能會在外部機械作用下松動脫落。上述任何一個因素都會導致孔隙封堵失效，腐蝕介質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。現有的封孔劑一般為樹脂類材料，長時間使用后封孔劑老化失效，導致介質滲入活塞桿基層，使其內部腐蝕。

（3）陶瓷材料化學腐蝕。不同的陶瓷材料適合不同的腐蝕環境，陶瓷材料選擇不當或不夠合理，其可能會同腐蝕介質中的某些成分產生化學反應造成陶瓷層腐蝕破壞，進而腐蝕內部金屬層。

（4）工作環境過于惡劣。陶瓷活塞桿下端處于浪花飛濺、潮位漲落區域，且處于干濕交替狀態，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，導致干濕交替區是腐蝕最嚴重的區域。

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

（6）物理損傷。沿海工程風浪較大，且海水含砂量大，甚至會攜帶較大的石子。液壓啟閉機的吊頭處于潮位變幅區域，陶瓷活塞桿常年受潮水沖刷，導致陶瓷層物理損傷而腐蝕。

4 建議

根據近年來海洋環境中液壓啟閉機的實際使用情況，對于在海洋環境中應用的陶瓷活塞桿使用建議如下：

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

（2）根據運行原則，布置液壓啟閉機時，避免活塞桿長時間暴露在海洋環境中，保證活塞桿在非運行時段縮回液壓缸內。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，也能達到較好的使用效果。

（3）定期全行程運行設備能延長活塞桿的使用壽命。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入。

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

（5）對于海洋環境，選擇更加先進的防腐蝕工藝，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。其有結合強度大，結構致密，耐磨損、耐腐蝕等性能較好，熔覆熱影響區小，工件變形小，熔覆成品率高等優點。

5 結語

在海洋環境中，對于長期裸露在空氣中或浸泡在海水中使用的液壓活塞桿，據調查，其表面的防腐措施及工藝目前國內還沒有成功應用7年以上而不腐蝕的業績。希冀本文的應用分析有助于相關技術的繼續探索研究，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啟閉機海洋環境設計方案專題報告[R].杭州：浙江省水利水電勘測設計院，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，從事水工金屬結構設計工作。