液壓啟閉機油缸銹蝕原因分析與修復(fù)研究

周 益，余德沙，毛延翩，賈 鑫，周 揚

（中國長江電力股份有限公司溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 永善 657300）

1 引言

某大型水電站泄洪功率巨大，拱壩壩身布置有8個泄洪深孔和7個溢流表孔。泄洪深孔的作用為宣泄洪水、控制并調(diào)節(jié)水庫水位，其工作弧門孔口尺寸與水頭組合參數(shù)位于世界前列，孔口尺寸為6.0 m×6.7 m，設(shè)計水頭為105.5 m。深孔工作弧門采用液壓啟閉機操作，啟閉力為4 000/1 000 kN。啟閉機總體布置形式為單吊點，中部支承，單作用油缸，活塞桿吊頭與閘門相連。設(shè)備布置如圖1所示。

圖1 泄洪深孔閘門及啟閉機布置圖

油缸是液壓啟閉機的關(guān)鍵部件，其在潮濕環(huán)境下的防銹蝕壽命直接決定整套液壓啟閉機的使用壽命。本文對某大型水電站4 000/1 000 kN深孔液壓啟閉機油缸出現(xiàn)的銹蝕問題進行分析，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況提出探索性處理方案，確保電站泄洪深孔液壓啟閉機的正常運行，同時為國內(nèi)外同類型、同運行條件的高水頭液壓啟閉機的設(shè)計、運行、維護提供寶貴經(jīng)驗。

2 運行現(xiàn)狀

泄洪深孔作為主要泄洪設(shè)施，自2015年汛期接管運行以來，閘門擋水和運行水位均達到設(shè)計水頭，8扇深孔弧形工作閘門累計運行236次，使用頻繁。汛期運行過程中發(fā)現(xiàn)深孔油缸有振動、爬行并伴有異響現(xiàn)象，結(jié)合日常維護檢查發(fā)現(xiàn)油液出現(xiàn)惡化變質(zhì)、油液含水量超標等問題。歲修期將具備檢修條件的7個油缸拆除開度儀及上端蓋，對缸體內(nèi)壁及活塞桿開展全面普查，發(fā)現(xiàn)下述現(xiàn)象：缸體內(nèi)壁存在點狀和面狀銹蝕；活塞桿鍍鉻表面多處有麻點、銹蝕點，部分鍍鉻層鼓包脫落，局部穿透性銹坑等現(xiàn)象。此時若長期運行液壓啟閉會造成機油缸密封損壞，以至于嚴重漏油到無法使用，直接影響防洪度汛設(shè)備安全運行。深孔液壓啟閉機油缸銹蝕缺陷普查見表1，深孔油缸典型銹蝕缺陷如圖2、圖3所示。

表1 深孔液壓啟閉機油缸銹蝕缺陷普查表

圖2 缸體內(nèi)壁點狀和面狀銹蝕

圖3 活塞桿銹蝕、鍍鉻層鼓包剝落和局部穿透性銹坑

3 銹蝕原因分析

3.1 油缸結(jié)構(gòu)特點

深孔啟閉機油缸結(jié)構(gòu)，主要由開度儀、缸體、活塞桿、承重活塞、吊頭等部件組成，活塞桿外表面采取鍍鉻防銹，先鍍0.04～0.05 mm乳白鉻，再鍍0.04～0.05 mm硬鉻，單邊鍍層厚度為0.08～0.10 mm，表面粗糙度Ra≤0.35 μm，孔隙率2%～3%，無封孔工藝。

3.2 缸體內(nèi)壁銹蝕分析

根據(jù)深孔油缸施工安裝記錄，油缸內(nèi)注入新的美孚46號無灰抗磨液壓油后，污染度和含水量持續(xù)超標，且有乳化現(xiàn)象出現(xiàn)，說明油缸內(nèi)部形成了大量的水滴，造成油液污染?？紤]到溪洛渡水電站晝夜溫差較大，特別是夏季高溫、潮濕環(huán)境下，油缸存放時殘余油液在高溫氣候的作用下產(chǎn)生的水蒸氣凝聚在缸筒內(nèi)壁上，而油缸又未經(jīng)過轉(zhuǎn)動及通風(fēng)透氣條件下的遮蓋等原因，導(dǎo)致缸體內(nèi)孔不同程度生銹現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 活塞桿銹蝕分析

深孔啟閉機油缸活塞桿采用鍍鉻工藝，電鍍是利用電解原理在工件基體金屬表面上鍍上一薄層其他金屬或合金涂層的過程。主要特點：活塞桿表面有較高的硬度和耐磨性能；有一定的防腐性能；基體與涂層為機械結(jié)合[1]。

與其他陰極性鍍層一樣，只有當(dāng)鍍層致密無孔隙時才能對基體有保護作用。鍍鉻活塞桿銹蝕主要原因是鍍鉻層的失效[2]，現(xiàn)有工藝水平下鍍鉻層不可避免會存在孔隙和裂紋，因超高水頭泄洪深孔液壓啟閉機的設(shè)計、制作、安裝和調(diào)度較為復(fù)雜，深孔泄洪時產(chǎn)生的霧化區(qū)范圍和程度遠超過設(shè)計預(yù)期，在每年汛期，活塞桿都長期和水汽接觸，水滴通過孔隙和基體接觸并形成電化學(xué)腐蝕的條件，導(dǎo)致活塞桿表面銹蝕。由于電化學(xué)腐蝕時鐵的電位比鉻低，腐蝕時先腐蝕鍍鉻層下的基體金屬，輕微時可在外表面觀察到銹跡，嚴重則會出現(xiàn)銹坑，甚至?xí)鼗w金屬的側(cè)向擴展，造成表面缺陷處的鍍層剝落[3]。

4 銹蝕部位修復(fù)探索

為提高泄洪深孔可靠性和可用系數(shù)，將銹蝕較嚴重的2號、4號深孔啟閉機油缸進行返廠檢修，消除設(shè)備缺陷。

4.1 修復(fù)經(jīng)驗

近年來一些水電站運行單位針對鍍鉻活塞桿液壓啟閉機油缸銹蝕問題及解決辦法進行了深入分析，積累了油缸銹蝕修復(fù)相關(guān)經(jīng)驗，國內(nèi)部分水電站油缸銹蝕修復(fù)經(jīng)驗見表2。然而，本文提到的某大型水電站泄洪深孔具有高水頭、高流速等特點，對啟閉機油缸的表面防腐提出了更高的要求，在制定2號、4號深孔啟閉機油缸銹蝕修復(fù)方案時，應(yīng)根據(jù)工程運行工況的特點，參考其他水電站類似經(jīng)驗，選定合理有效的防腐措施，從而保證延長啟閉機的使用年限和電站的安全可靠運行。

4.2 試驗修復(fù)方案

根據(jù)油缸拆解、檢查情況，結(jié)合油缸修復(fù)類似工程經(jīng)驗和工程運行特點，制定出深孔油缸銹蝕修復(fù)方案。

（1）缸體內(nèi)壁銹蝕處理。1）油缸解體。對液壓缸零部件廠內(nèi)拆卸、清洗、檢測。2）缸體無損檢測、內(nèi)孔珩磨修復(fù)。內(nèi)徑尺寸公差不低于GB/T 1801中的H8；內(nèi)徑圓度公差不低于GB/T 1184中的8級；內(nèi)表面母線的直線度公差不大于1 000∶0.2，且在缸體全長上不大于0.3 mm；缸體端面對軸線全跳動公差不低于GB/T 1184中的8級；內(nèi)表面粗糙度不大于GB/T 1031中的Ra=0.35 μm。3）更換液壓缸全套密封圈、防塵圈。

表2 國內(nèi)部分水電站油缸銹蝕修復(fù)經(jīng)驗

（2）活塞桿銹蝕處理。1）活塞桿退鉻。將整個活塞桿表面鉻全部去除。2）活塞桿除銹。脫鉻后除去活塞桿表面銹蝕，活塞桿處理后機械性能不低于JB/T 6397中的45鋼的性能，100%超聲波探傷，達到GB/T 6402的Ⅱ級質(zhì)量要求。3）活塞桿鍍陶?；钊麠U采用陶瓷涂層防腐，并符合NB/T 35017《陶瓷涂層活塞桿技術(shù)條件》。陶瓷活塞桿表面涂層主要技術(shù)參數(shù)要求見表3。

表3 陶瓷活塞桿技術(shù)參數(shù)要求

（3）油液污染處理。廠內(nèi)裝配前零件必須清洗干凈，特別是缸體內(nèi)孔、油口、排氣孔等不可見部位，清洗后需用堵頭把油口堵死，以防雜物混入；工地調(diào)試時加注新液壓油（美孚DTE EXCEL 46號無灰液壓油），并對油液進行過濾，清潔度不低于NAS 1638中的8級。

4.3 調(diào)試、運行情況

2號、4號深孔啟閉機缸體內(nèi)壁珩磨除銹后各項數(shù)據(jù)滿足技術(shù)要求，經(jīng)檢查無明顯銹蝕點，活塞桿陶瓷噴涂符合NB/T 35017《陶瓷涂層活塞桿技術(shù)條件》的規(guī)定，涂層材質(zhì)、工藝、厚度均滿足技術(shù)要求。更換合格液壓油后試驗空缸和連門后，啟閉機運行平穩(wěn)，無明顯振動、爬行、異響。自2019年4月安裝調(diào)試完成后，經(jīng)歷了多次洪水考驗，2號、4號深孔液壓啟閉機運行正常，為水庫防洪調(diào)度提供了可靠保障。定期對陶瓷活塞桿檢查，均未發(fā)現(xiàn)腐蝕、磨損等現(xiàn)象，各項指標符合設(shè)計要求。

5 經(jīng)驗總結(jié)

5.1 活塞桿防腐工藝選擇

目前，液壓啟閉機活塞桿常用的防腐方式為表面鍍鉻和噴涂陶瓷。多年的工程實踐表明，活塞桿鍍鉻受鍍鉻工藝、鍍層質(zhì)量和環(huán)境條件影響，涂層容易腐蝕剝落，導(dǎo)致活塞桿產(chǎn)生銹蝕[7]。相比普通鍍鉻工藝，陶瓷涂層在耐腐蝕性、結(jié)合強度、耐磨性、表面精度等方面性能指標更優(yōu)異。另外，普通電鍍工藝產(chǎn)生的含鉻廢水和廢氣嚴重致癌，屬于國家一類控制排放物，而陶瓷噴涂技術(shù)屬于環(huán)保涂層技術(shù)，制造工藝環(huán)保。

目前，活塞桿陶瓷噴涂工藝技術(shù)成熟、造價合理，國內(nèi)已有較多工程實踐案例，鑒于陶瓷噴涂工藝在本文提出的某大型水電站高水頭深孔液壓啟閉機的良好應(yīng)用，建議國內(nèi)外同類型、同運行條件的高水頭液壓啟閉機在選型設(shè)計階段，吸取相關(guān)工程經(jīng)驗，采用活塞桿噴涂陶瓷工藝，提高液壓啟閉機使用壽命。

5.2 維護保養(yǎng)

水利水電工程液壓啟閉機活塞桿長期裸露在外，原有孔隙易失去油膜保護而被銹蝕，應(yīng)做好定期檢查，可通過在其活塞桿表面涂抹黃油（二硫化鉬）做到基本隔離防護；另外，按照規(guī)程要求加強油品檢測，防止油液含水量過高，影響設(shè)備的可靠安全運行。

6 結(jié)語

液壓啟閉機具有結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊、承載能力大、調(diào)速和換向方便、運行平穩(wěn)、容易實現(xiàn)自動化控制等許多優(yōu)點[8]，廣泛應(yīng)用于各類水利水電工程。本文對某大型水電站高水頭泄洪深孔液壓啟閉機復(fù)雜運行工況下出現(xiàn)的油缸銹蝕現(xiàn)象進行了描述，認真分析造成該現(xiàn)象的原因，對比了國內(nèi)部分水電站油缸銹蝕修復(fù)經(jīng)驗，探索性提出高水頭液壓啟閉機油缸銹蝕修復(fù)方案，有效解決了油缸銹蝕問題，并對高水頭液壓啟閉機活塞桿防腐工藝及后續(xù)維護保養(yǎng)提出了建議，為國內(nèi)外同類型高水頭液壓啟閉機設(shè)計、運行和維護提供參考依據(jù)。