金属磨损再生科技：让纳米技术为风电机组延寿创造可能

　　摘要：随着风能发展，风力发电机组的运行维护问题开始日益凸显，据报道有超过65的风机故障是由于设备部件的润滑和疲劳形成的磨损所致。传统润滑剂可以改善磨损，但难以对已形成的磨损进行重塑和修复，以德国瑞威泰®公司为代表的少数企业，目前已有成功研制出以硅酸盐为有效成分磨损自修复材料，其有效成分可通过润滑剂为载体作用在金属表面发生化学反应，重塑金属表面的摩擦条件，得到超光滑、耐磨损的新保护层，达到延长齿轮箱、轴承至少15的使用寿命，同时大幅度提供这些部件的综合性能和可靠性。该技术对风电厂的运维有着重要的经济效益。

　　近年来，风能行业在中国发展迅猛，风能发展较早的欧美等国家的经验，在风机运行3-5年后，风力发电机开始进入一个故障多发期，其关键部件如齿轮箱、发电机等开始集中出现不同程度的问题。分析故障的成因可发现，超过65是由于润滑和疲劳导致的部件磨损所致。金属与金属在接触应力的运动过程中，会由于接触面的疲劳形成细小裂纹、微点蚀，进而扩展指金属剥落等更大的磨损。有时也会因为局部油温过高，接触区域出现大面积粘结的胶合现象。

　　合理的润滑可以延缓齿轮、轴承等重要的风机部件的失效，目前很多的润滑油企业为了提高磨损和老化部件表面光滑度，都在积极研发有针对性的添加剂。如，Lubrication Engineers (Monolec™ and Duolec™), BP Castrol (TGOA™ and MicroFlux Trans™), Whitmores (Eutectic™) and Schaeffer ManufacturingCo.(Micro Moly™)，他们用有机金属氧化层的配方策略取代了传统的硫-硼酸 EP化合物，但是仍然达不到对已有磨损的重塑和修复效果。

　　目前一些公司从综合考虑改善原表面的摩擦特性着手，研发以润滑油脂为载体的有效分子。纳米技术的发展，使得这种技术成为了可能。纳米尺度的精细有效分子作用到金属表面发生物理化学反应生成新的保护层，达到重塑原表面摩擦特性、改善金属腐蚀等功效。这种对金属表面特性进行精细再造的特殊添加剂，属于非常有价值的先进科技，特别是对于高精密度机器和因磨损磨损造成平均使用寿命偏短的机器部件尤其有经济效益。此外，这种技术甚至对润滑油不能迅速解决的紧急情况起到应急效果。

　　含硅酸盐的纳米自修复剂

　　通过机器油箱中现成的润滑油脂，将以硅酸盐为主要成分的磨损自修复材料作用到原来的金属表面，就像抗生素随着血液流到身体特定部位来治疗疾病一样。德国瑞威泰®就是这种技术的成熟代表性产品，其在机器摩擦的金属表面形成一层金属陶瓷保护层，改变了原表面的表面粗糙结构。该金属陶瓷层类似于高硬度和耐磨损的陶瓷表面，相较于原先的金属摩擦表面，更光滑、更耐磨损，更抗氧化腐蚀。可以有效延长机械部件至少15的生命周期，减少50的维修和更换频次，提供部件的综合效率。

　　瑞威泰®有效成分为多种硅酸盐。该成分通过润滑油/润滑脂被作用于机器(如齿轮箱、轴承和发动机)中，在机器运转时的高温高压条件下发生化学反应。此类活性硅酸盐原子和金属表面的金属原子结合，形成类似陶瓷的金属-硅酸盐层，具体见图1。

　　这种金属磨损修复技术可以延长机械部件至少15的生命周期，减少50维修和更换频次。 随着我国大型特大型风电场的陆续投产建成，以目前主流的1.5MW风力发电机为例，每台风机齿轮箱更换或大修频次为0.03次/年/台，平均费用约120万元，且停机待修需至少10个工作日。 减少50大修或更换平率即可节省维修费1.8万元/台/年，以及延长使用寿命的发电收益(1.5WM风机理论年发电收益约为150万/年)，可见风力发电机如选择了正确的维护品仅一年所带来经济效益就相当可观。

　　下面图组(图2)展对三台风力发电机齿轮箱使用瑞威泰®前后的齿表面修复状况的对比。从照片上可以发现肉眼可见的显著改善，原本已受损的表面变得更为光洁平整。