液壓支架油缸內(nèi)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(nèi)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(nèi)孔腐蝕失效件進行了檢測分析。結果表明:該油缸內(nèi)表面的腐蝕以點蝕為主，腐蝕產(chǎn)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(nèi)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?shù)纫簤河透资菍崿F(xiàn)液壓支架各項功能的關鍵部件。在使用過程，油缸內(nèi)表面有時會發(fā)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(nèi)表面產(chǎn)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(fā)現(xiàn)油缸內(nèi)表面發(fā)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(shù),下同)，水質硬度為500 mg/L(以CaCO3計)。

圖1 油缸內(nèi)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(tài)為調(diào)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(jù)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(chǎn)物成分分析

使用掃描電鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)對腐蝕產(chǎn)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(chǎn)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(fā)生了反應。

圖2 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌Fig. 2 Micro morphology of corrosion products

表1 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結果

2.3 腐蝕產(chǎn)物物相分析

取缸筒內(nèi)腐蝕產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)物的成分分析結果一致。

圖3 腐蝕產(chǎn)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(jù)調(diào)研，該礦液壓介質中MS10-5濃縮液的質量分數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(tǒng)，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(wěn)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)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(shù)為5%的液壓介質，試樣在近似服役工況(濃縮液質量分數(shù)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(chǎn)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(shù)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(fā)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(nèi)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