電刷鍍技術在活塞桿修復中的研究及應用

崔重印，丁 輝，杜漢文，蘭曉冬，邢承軍

（1.中石油冀東油田分公司，河北唐山 063000；2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司，天津 300452）

0 引言

液壓缸是將液壓能轉變?yōu)闄C械能、做直線往復運動或擺動運動的液壓執(zhí)行元件，在海洋油氣開采裝備中廣泛應用，但受特殊作業(yè)工況和腐蝕性海洋環(huán)境的影響，海洋油氣開采裝備上的液壓缸活塞桿表面出現(xiàn)點蝕、磨損、拉傷及非正常磕碰等損傷概率比較高，造成液壓缸無法正常使用，甚至影響了海上油氣開采的正常作業(yè)。

近年來，中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司結合裝備運維產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，立足裝備零部件再制造技術的研究，針對液壓缸活塞桿表面缺陷修復方法進行了深入的工藝研究，通過采用新的電刷鍍工藝成功實現(xiàn)了對石油鉆采頂部驅動裝置主旋轉液壓缸、海洋吊車變幅液壓缸及修井機井架伸縮液壓缸等活塞桿表面修復。

1 電刷鍍修復技術

1.1 電刷鍍技術原理

電刷鍍是借助于電化學方法，以浸滿鍍液的鍍筆作為陽極，使鍍液中的金屬離子在負極（工件）表面上放電結晶，形成金屬覆蓋層的工藝過程。電刷鍍修復技術主要應用于機械零部件的尺寸修復、改善零部件的表面性能和表面修飾及獲得某些特需的功能性表面，具備鍍層與基體結合強度高、有穩(wěn)定的物理性能、化學性能,被廣泛的應用到國民經(jīng)濟的各個領域[1]。電刷鍍是表面工程技術的重要組成部分，也屬于一種再制造修復技術。使用電刷鍍時，工件接電源的負極，鍍筆接電源的正極，靠浸滿溶液的陽極在工件表面擦拭，溶液中的金屬離子在零件表面與陽極相接觸的各點上發(fā)生放電結晶，并隨時間增長逐漸加厚，電刷鍍工作原理如圖1所示。

圖1 電刷鍍工作原理

1.2 電刷鍍技術特點

（1）設備簡單，適用于現(xiàn)場修復。

（2）工藝簡單，操作靈活。

（3）鍍液中金屬離子含量高，鍍積速度快。

（4）溶液種類多，應用范圍廣。

（5）無毒，不燃、不爆，運輸方便。

（6）費用低，經(jīng)濟效益高。

2 電刷鍍新工藝技術研究

電刷鍍技術有著廣泛的、較長時間的實踐應用，但是由于存在工藝技術方面和操作方法上的缺陷，一直無法徹底解決鍍層結合力、超厚修復刷鍍及鉻面刷鍍等技術難題，因此，為了滿足液壓缸活塞桿表面點蝕、磨損、拉傷及非正常磕碰等缺陷修復，開展了電刷鍍新工藝技術的研究。

2.1 工藝技術研究

按照電刷鍍工藝流程和操作方法，確定本次電刷鍍工藝技術流程主要分為3個步驟：①對活塞桿表面的損傷部位進行機械修整和鍍前處理（清洗、電凈、活化等）。②對損傷部位進行打底刷鍍和快速加厚刷鍍。③機械處理（打磨、切削）和表面處理。工藝流程參見表1。

2.2 關鍵技術指標

鍍筆與工件相對速度（8～12）m/min，表面電凈處理≥3次，鉻面鍍底鎳（10～20）μm，鍍合金銅薄層（10～20）μm，快速加厚刷鍍（0～5）mm，造面修復（20～30）μm。

2.3 電刷鍍關鍵資源

（1）電刷鍍電源。電刷鍍電源具有鍍層厚度實時監(jiān)測、顯示、到位報警，且具有智能化的窗口設置功能，電刷鍍電源型號R100A-15V-3，交流220 V電壓輸入，額定輸出電壓（0～15）V，額定輸出電流（0～100）A。

（2）電刷鍍溶液。根據(jù)特種電刷鍍工藝流程，結合油缸活塞桿修復技術特點，配置電刷鍍溶液：電凈液、活化液（2號、3號、全能鉻面）、鉻面底鎳鍍液、合金銅溶液、超硬快速厚銅合金鍍液及快鎳鍍液。

3 電刷鍍新工藝技術應用

3.1 頂驅主液缸活塞

在頂驅拆解維修過程中，操作不當，導致頂驅主液缸活塞與工裝磕碰，造成活塞表面鍍層脫落，脫落鍍層最大深度為1.32 mm，脫落鍍層最大寬度3.5 mm，脫落鍍層形式呈圓周性，脫落鍍層范圍2條脫落部位。頂驅主液缸活塞損傷程度如圖2所示。

圖2 頂驅主液缸活塞損傷程度

頂驅主液缸外形尺寸 Φ530 mm（法蘭）×700 mm（長），活塞外徑尺寸 279.4 mm（11英寸），活塞外徑公差（-0.05～0）mm，活塞表面粗糙度要求鏡面。

3.2 修復工藝設計

（1）將頂驅主液缸活塞安裝至車床，準備電刷鍍所需資源。

（2）采用手持電動砂輪機打磨待修復部位至弧形平滑過渡，保證電刷鍍筆能夠接觸到最大脫落層凹坑的底部。

（3）采用電凈液去除待修復工件表面的油污，為防止油污污染刷鍍液，因盡可能擴大電凈的范圍，重復3次電凈操作。

（4）采用全能鉻面活化液去除鍍鉻層表面的氧化膜，電壓（3～8）V。

（5）采用刷鍍鉻面底鎳，電壓（6～15）V；厚度（10～20）μm 提高鍍層與鍍鉻面基材的結合力，鍍鉻面底鎳時間不宜過長，以修復面表面呈均勻亮白色為宜。如呈灰色或暗灰色，則應磨去底層，重新電凈、活化和鍍底鎳。

（6）采用合金銅溶液刷鍍，電壓（6～15）V；厚度（10～20）μm，對工件非鍍面遮蔽。

（7）采用快速厚銅合金鍍液刷鍍，電壓（6～15）V，厚度（1.6～1.7）mm。在此期間，如果間隔或休息時間過長，則重復電凈、活化、鍍鉻面底鎳后，繼續(xù)刷鍍快速厚銅合金鍍液至目標尺寸。

（8）采用硬質合金鋼刀具對修復表面精車后，再用手持拋光機進行拋光處理，修復尺寸（279.35～279.37）mm。

（9）重復電凈、活化、鍍鉻面底鎳后，刷鍍快速鎳液電壓（6～15）V；厚度（20～30）μm。

（10）采用拋光機、白蠟對修復表面進行拋光處理。頂驅主液缸活塞修復效果如圖3所示。

圖3 頂驅主液缸活塞修復效果

3.3 現(xiàn)場應用

2015年6月客戶將修復后的頂驅主液缸活塞運回工廠，并對頂驅進行了回裝和功能測試。2015年7月修復的頂驅用于鉆井平臺作業(yè)，頂驅主液缸活塞表面未出現(xiàn)任何脫落和異樣，密封效果良好，目前該頂驅仍在使用中。當年又成功完成海洋某平臺吊車變幅液壓缸活塞、海洋修井機井架伸縮液壓缸活塞及某型號環(huán)形防噴器活塞的缺陷修復，維修后設備使用正常，修復工件表面質量穩(wěn)定、可靠。

4 結論

（1）通過對電刷鍍工藝技術的深入研究，成功解決了鍍層結合力、超厚修復刷鍍及鉻面刷鍍等技術難題，實現(xiàn)了液壓缸活塞桿表面缺陷的在線修復；

（2）超厚鍍銅、鉻面刷鍍、造面修復等技術，為其他領域中的特殊零部件修復提供了技術借鑒；

（3）電刷鍍新工藝技術的成功應用，有助于企業(yè)降低裝備的運維成本，提升了裝備運維核心競爭力；

（4）裝備零部件電刷鍍再修復技術，助推了客戶實現(xiàn)綠色生活方式的轉變，也是企業(yè)實現(xiàn)再制造的重要舉措[2]。