程相榜,孟賀超,張自強(qiáng)

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)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(qiáng)

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，鄭州 450016)

采用化學(xué)成分分析、金相顯微、能譜、X射線衍射和電化學(xué)等手段對(duì)某煤礦液壓支架油缸內(nèi)孔腐蝕失效件進(jìn)行了檢測(cè)分析。結(jié)果表明:該油缸內(nèi)表面的腐蝕以點(diǎn)蝕為主，腐蝕產(chǎn)物中含有一定量的S元素;該礦配液水質(zhì)和液壓液濃度均不符合MT76-2002標(biāo)準(zhǔn)要求,油缸內(nèi)表面的點(diǎn)蝕是由液壓液使用不當(dāng)造成的。

液壓支架；油缸；點(diǎn)蝕；液壓液；失效分析

液壓支架是煤礦綜采機(jī)械化的重要裝備之一，起支撐頂板、移架、推動(dòng)刮板輸送機(jī)前移等重要作用。立柱、千斤頂?shù)纫簤河透资菍?shí)現(xiàn)液壓支架各項(xiàng)功能的關(guān)鍵部件。在使用過(guò)程，油缸內(nèi)表面有時(shí)會(huì)發(fā)生腐蝕，影響支架正常工作。本工作分析了某型號(hào)液壓支架油缸內(nèi)表面產(chǎn)生點(diǎn)蝕的原因。

1 服役工況

該支架在井下使用約18個(gè)月，在采完一個(gè)工作面升井倒面時(shí)發(fā)現(xiàn)油缸內(nèi)表面發(fā)生腐蝕，以局部點(diǎn)蝕為主，見(jiàn)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(zhì)供液壓力為31.5 MPa，使用型號(hào)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(biāo)準(zhǔn)使用量為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)，水質(zhì)硬度為500 mg/L(以CaCO3計(jì))。

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(yàn)及結(jié)果

2.1 原材料分析

缸筒材料為30CrMnSi，熱處理狀態(tài)為調(diào)質(zhì)。采用RL4460直讀光譜儀對(duì)腐蝕麻坑最嚴(yán)重的缸筒材料進(jìn)行化學(xué)成分分析。結(jié)果表明，材料的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)腐蝕缸筒取樣，依據(jù)GB/T 17396-2009、GB/T 10561-2005要求進(jìn)行金相組織、非金屬夾雜物檢驗(yàn)。結(jié)果表明，缸筒組織均勻，組織為回火索氏體，夾雜物等級(jí)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(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了微觀形貌觀察和化學(xué)成分分析。由圖2和表1可見(jiàn)，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(guò)程中與液體介質(zhì)(配液水中含有Mg2+、SO42-等)發(fā)生了反應(yīng)。

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(jié)果

2.3 腐蝕產(chǎn)物物相分析

取缸筒內(nèi)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析。采用Jade5.0軟件進(jìn)行物相檢索和分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，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(shí)了SO42-參與了電化學(xué)反應(yīng)，該分析結(jié)果與腐蝕產(chǎn)物的成分分析結(jié)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(zhì)

取該礦液壓介質(zhì)配液水進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，該礦液壓介質(zhì)配液水外觀及SO42-含量不符合要求，其他指標(biāo)符合MT76-2002要求，硬度符合該型號(hào)濃縮液的使用要求(500 mg/L)。

表2 某礦配液水質(zhì)分析結(jié)果

根據(jù)調(diào)研，該礦液壓介質(zhì)中MS10-5濃縮液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%-3%，不符合標(biāo)準(zhǔn)要求(濃縮液使用量為5%)，個(gè)別時(shí)段濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)甚至僅為1%。

2.5 電化學(xué)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%(A溶液)和5%(B溶液)的溶液。采用MT76-2002標(biāo)準(zhǔn)水配制濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%(C溶液)和5%(D溶液)的溶液。試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)水的主要指標(biāo)如下：外觀透明澄清,Cl-質(zhì)量濃度為200 mg/L,SO42-質(zhì)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(xué)試樣,進(jìn)行極化曲線測(cè)試。電化學(xué)試驗(yàn)采用VSP多通道電化學(xué)工作站進(jìn)行測(cè)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(jìn)行極化曲線測(cè)試。極化曲線測(cè)試采用動(dòng)電位掃描的方法，以掃描范圍-250 mV(相對(duì)開(kāi)路電位)開(kāi)始向陽(yáng)極方向進(jìn)行掃描，掃描速率為0.5 mV/s，以陽(yáng)極極化曲線上電流密度為0.01 mA/cm2的最正電位表示點(diǎn)蝕電位，結(jié)果見(jiàn)圖4及表3。

由圖4和表3可見(jiàn),試樣在4種試驗(yàn)溶液中均有明顯的鈍化現(xiàn)象，這表明該型號(hào)濃縮液中含有陽(yáng)極性緩蝕劑。對(duì)于由標(biāo)準(zhǔn)水配制的試驗(yàn)溶液(液壓介質(zhì))，隨著溶液中濃縮液含量的升高，點(diǎn)蝕電位上升，維鈍電流密度降低，試樣的耐蝕性上升。當(dāng)液壓介質(zhì)中的濃縮液量恒定時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)水配成溶液的腐蝕性更低。

3 腐蝕原因綜合分析

經(jīng)檢測(cè)，材料的化學(xué)成分、金相組織、夾雜物等級(jí)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但該支架所用的液壓液不符合MT76-2002標(biāo)準(zhǔn)要求,表現(xiàn)為SO42-含量超標(biāo)和濃縮液使用含量不達(dá)標(biāo)。動(dòng)電位極化曲線測(cè)量結(jié)果表明，相對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)水配制的濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的液壓介質(zhì)，試樣在近似服役工況(濃縮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%)的液壓介質(zhì)中，點(diǎn)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(zhì)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(yàn)溶液的點(diǎn)蝕電位Eb和維鈍電流密度JL

該礦選用的濃縮液中含有陽(yáng)極性緩蝕劑，陽(yáng)極性緩蝕劑是一種“危險(xiǎn)型”緩蝕劑，只有當(dāng)使用濃度在臨界濃度以上時(shí)才可以起到緩蝕作用，濃度低于臨界濃度則會(huì)加速腐蝕，導(dǎo)致點(diǎn)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(guān)。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(duì)數(shù)的線性關(guān)系[1]。

該礦液壓液濃度低于標(biāo)準(zhǔn)值以及配液水中SO42-含量超標(biāo)是材料在服役過(guò)程中發(fā)生腐蝕的主要原因。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

(1) 檢測(cè)分析結(jié)果表明，腐蝕部位的缸筒材料化學(xué)成分、非金屬夾雜物等符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 電化學(xué)測(cè)試表明，相對(duì)于使用標(biāo)準(zhǔn)水和標(biāo)準(zhǔn)濃度(5%)，使用該礦配液水和使用濃度(3%)時(shí)，材料的點(diǎn)蝕電位下降57.5%。

(3) 油缸內(nèi)表面的點(diǎn)蝕是由液壓液使用不當(dāng)造成的。

4.2 建議

煤礦在使用液壓液時(shí)，配液水質(zhì)和濃縮液濃度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)配液水不達(dá)標(biāo)時(shí)，要相應(yīng)提高液壓液中濃縮液的濃度。

[1] ROBERGE P R. 腐蝕工程手冊(cè)[M]. 吳蔭順,等,譯. 北京：中國(guó)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(jī)械表面處理、焊接工藝研究，18037278578，whut_cxb@163.com

TG172

B

1005-748X(2017)05-0407-03