水利水電工程液壓啟閉機陶瓷活塞桿涂層破壞分析

古文倩，耿紅磊，孔垂雨，方超群，王 佩

（1.鄭州國水機械設計研究所有限公司，河南 鄭州 450006；2.水利部水工金屬結構質(zhì)量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044）

1 引言

液壓啟閉機是水利水電、航運樞紐、農(nóng)業(yè)灌溉、引水調(diào)水、城市景觀等工程中重要的啟閉設備，液壓缸是液壓啟閉機的關鍵部件，而活塞桿又是液壓缸的核心零件。因此活塞桿質(zhì)量的好壞直接影響著液壓啟閉機工作的穩(wěn)定性和使用壽命，關系到工程啟閉設備的安全運行。液壓啟閉機工作環(huán)境惡劣，液壓缸一般都一直處于水中或工況惡劣的環(huán)境中，其活塞桿不僅要承受摩擦磨損，還要承受潮濕環(huán)境和各種污染環(huán)境的侵蝕，可能導致活塞桿保護層的腐蝕甚至剝落現(xiàn)象[1，2]。

常用的活塞桿防腐方式為鍍鉻防腐。為提高活塞桿的耐腐蝕性和抗磨性能，使其更好的適用于環(huán)境惡劣、腐蝕性強及海水等工況[3，4]，同時由于電鍍鉻工藝對環(huán)境的污染（在電鍍過程中會產(chǎn)生一種叫六價鉻離子的致癌酸霧）和其壽命及耐蝕性能的局限，近年來國內(nèi)逐步開始使用活塞桿陶瓷噴涂技術[5，6]。

2 陶瓷活塞桿主要性能

2.1 耐腐蝕

陶瓷活塞桿的表面具有極高的化學穩(wěn)定性，耐水、耐大氣腐蝕性能比較好，陶瓷活塞桿的耐腐蝕性能主要通過鹽霧試驗和工程實際使用來驗證。

通過專業(yè)的鹽霧試驗及惡劣工況的實際使用，陶瓷活塞桿的耐腐蝕時間超過1 500 h，相比于普通鍍鉻活塞桿，其使用壽命可以提高5倍以上，特別適用于水利工程永久設備及周邊工況惡劣的特殊環(huán)境（化學污染、海水腐蝕等）。

2.2 耐磨

陶瓷活塞桿的耐磨性能主要通過磨損實驗和工程實際使用來驗證。

涂層的耐磨性和抗劃傷性能，不僅取決于涂層的表面硬度，且與涂層厚度、基體硬度有關。鍍鉻層由于表面硬度較低、涂層較薄（0.08~0.10 mm），常出現(xiàn)活塞桿表面磨損和劃傷現(xiàn)象，導致密封件的損傷和泄漏。陶瓷涂層相對表面硬度較高、涂層較厚（≥0.30 mm），不易出現(xiàn)活塞桿表面磨損和劃傷問題。

2.3 表面硬度

陶瓷涂層工作面硬度可采用顯微硬度計測定。可通過不同的涂層材料獲得相應的硬度性能。工作層材料為Al2O3系列時，涂層表面顯微硬度應不低于750 HV。工作層材料為Cr2O3和Cr2C3系列時，涂層表面顯微硬度應不低于800 HV。工作層材料為WC系列時，涂層表面顯微硬度應不低于1 100 HV。

2.4 表面粗糙度

陶瓷涂層表面粗糙度用表面粗糙度測試儀測定。由于其表面硬度較高，一般采用金剛石砂條研磨并拋光處理。熱噴涂涂層表面粗糙度宜選擇Ra0.2 μm~0.4 μm[7]。

2.5 抗沖擊性能

陶瓷涂層抗沖擊性能試驗和測定：采用質(zhì)量為263 g±4 g的鋼球在高度大于等于970 mm處自由下落沖擊試件的方法。測定采用40倍放大鏡觀察被沖擊試件表面，其陶瓷涂層不得有裂紋、剝落等缺陷。涂層抗沖擊值應不低于2 J。

2.6 結合強度

陶瓷涂層結合強度試驗和測定：采用粘合劑和拉力試驗儀進行測定。結合強度是保證陶瓷涂層與基體結合的關鍵指標。涂層抗拉結合強度值應不低于30 N/mm2。

2.7 彎曲性能

涂層經(jīng)2 000次彎曲試驗后不得有裂紋、剝落等缺陷。

3 工程實踐中陶瓷活塞桿涂層破壞分析

3.1 工程實例一

西藏某水電站是雅魯藏布江中游規(guī)劃建設的第一座大型電站，位于西藏自治區(qū)山南地區(qū)加查縣境內(nèi)，地處雅魯藏布江中游桑日至加查峽谷段出口處，處于西藏中部電網(wǎng)的中心位置。 該水電站是以發(fā)電為主的Ⅱ等大（2）型工程，電站采用左側(cè)河床布置6孔溢流壩，右側(cè)河床布置壩后式地面廠房的壩式開發(fā)方式。

該水電站建成一年多時間就發(fā)現(xiàn)溢流壩的液壓啟閉機油缸活塞桿陶瓷涂層脫離現(xiàn)象，如圖1和圖2。

圖1 活塞桿整體涂層脫落情況

圖2 活塞桿陶瓷涂層脫落情況

缸拆解前觀察發(fā)現(xiàn)油缸活塞桿陶瓷涂層脫落方位與行程傳感器CIMS方位一致，固定CIMS的部分螺栓斷裂。油缸運到生產(chǎn)車間進行拆解，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

（1）活塞桿涂層脫落方位與CIMS安裝方位一致；

（2）活塞桿在CIMS安裝方位上全程有劃痕存在；

（3）涂層脫落位置大致在全關位以上3.2 m處開始，呈塊狀脫落。長度大約1.0 m，最大寬度約0.08 m，已見基底。在脫落區(qū)邊緣寬度方向涂層已翹起與基體脫開，翹起深度大于10 mm。在脫落區(qū)邊緣長度方向（軸線方向）兩側(cè)涂層未脫落處均有涂層與基體脫空現(xiàn)象；

（4）前缸蓋內(nèi)有大量脫落的涂層殘片，并有水泥殘渣，導向支承帶有損傷；

（5）經(jīng)測量，CIMS探頭凸出缸蓋內(nèi)圓表面0.5 mm，與活塞桿間隙0.5 mm ；

（6）CIMS探頭嚴重磨損（見圖3）；

圖3 行程傳感器CIMS磨損情況

圖4 活塞桿陶瓷涂層局部劃傷情況

圖6 拉拔試驗后試塊

（7）尚未發(fā)現(xiàn)活塞桿彎曲永久變形現(xiàn)象。

陶瓷涂層脫落原因分析：綜上，陶瓷涂層與基材的結合強度不符合要求是主要原因；其次是CIMS探頭凸出缸蓋內(nèi)圓表面且與活塞桿表面之間間隙偏小，油缸運行時由于油缸下?lián)蠈е翪IMS探頭與活塞桿直接接觸；可能由于安裝施工時水泥掉在活塞桿上并由活塞桿伸縮時帶入并夾塞在CIMS探頭與活塞桿之間，導致活塞桿表面劃傷和涂層脫落。

3.2 工程實例二

北京市某重點工程，分別建設攔河閘和分洪閘各1座，新建分洪道及穿富壁路暗涵1座。該工程攔河閘共設置9孔控制閘，啟閉機全部采用液壓啟閉機，液壓啟閉機活塞桿表面采用陶瓷涂層。該攔河閘運行2年后發(fā)現(xiàn)3號攔河閘左側(cè)油缸活塞桿陶瓷涂層有局部破損和脫落現(xiàn)象。

油缸返廠拆解對活塞桿進行詳細檢查，發(fā)現(xiàn)陶瓷涂層多處破損，從吊頭端進去1 634 mm~1 879 mm有1處長245 mm、寬147 mm的面積型破損且中心位置有一基材的損壞點。在同一軸向面上離活塞端5 025 mm~5 185 mm有1處長160 mm、寬85 mm的面積型破損。旋轉(zhuǎn)180°（也就是對面）在離活塞端4 510 mm~5 460 mm有長條的寬6 mm的陶瓷層鼓起，其中有1處長76 mm、寬40 mm的面積型破損，還有1處長7 mm、寬11 mm的面積型破損[6]。

油缸拆解后對活塞桿陶瓷涂層破損處周邊完好涂層活塞桿取樣進行結合強度試驗，試驗過程：切割取樣，工件粘結，裝夾，拉拔試驗，結果低于標準規(guī)定。

陶瓷涂層破損原因分析：由于陶瓷涂層與基材的結合強度低于標準要求，在運行過程中陶瓷涂層被碰傷，導致局部陶瓷涂層松動或破裂，當活塞桿繼續(xù)運行時，損傷點經(jīng)過活塞桿導向帶、密封圈及刮污圈的反復摩擦后擴大成一個破損面，且殘余陶瓷碎片會擠壓其他陶瓷涂層表面，從而引起其他區(qū)域涂層的損壞。

4 陶瓷涂層活塞桿的涂層破損的應對措施

（1）加強制造過程中質(zhì)量控制，嚴格按照噴涂工藝進行操作，定期、不定期的進行取樣檢測，檢測項目嚴格按照標準進行，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）繼續(xù)研究圓弧面結合強度與平面結合強度的二者關系，對今后實物取樣驗證有指導意義。

（3）施工或運行管理單位要加強文明施工和科學管理，高度認識設備安全運行的重要性，對設備和環(huán)境加強巡查，發(fā)現(xiàn)問題及時消缺，保證設備的安全運行。

5 結語

通過對水利水電工程液壓啟閉機陶瓷活塞桿涂層破壞分析研究，分析查找目前陶瓷涂層出現(xiàn)有破壞的問題所在，通過應對措施的實施，減少陶瓷活塞桿涂層破壞的可能性，保證設備安全運行，同時可以降低設備運行維護成本。