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金属磨损再生科技:让纳米技术为风电机组延寿创造可能  

2016-04-22 15:43:42|  分类: 风力发电 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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,目前很多著名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。

 对被修复的表面拍摄切片电镜照片,可以在原金属表面观察到最高可达30微米厚的新的金属陶瓷层。再利用MuSurf(?Surf) Topometry三维表面形貌仪观察仪对表面粗糙度进行观察分析,不难发现使用瑞威泰?后,表面光滑度大幅度提升(使用瑞威泰?运行250小时后进行对比)。此外,摩擦参数的测算得出,使用瑞威泰?后的表面摩擦参数下降至少65%。

  除了现代影像技术所观察到的磨损修复变化,还可以根据应力加速试验检测来测试瑞威泰?的效果。应力加速试验检测是备受推荐的用于检测表面接触能的测试,表面接触能是由不良的润滑油膜、粗糙的表面和表面裂纹产生的。图5所示数据中,首次测量时间是2011年五月中旬(未使用瑞威泰?产品),第二次测量使用含有瑞威泰?的润滑脂并运行设备2个月后,即2011年7月中旬。两次测量时的运转负载和速度相同。从图5的数据曲线可明显发现接触能在使用瑞威泰?前后的改变,此外图6的振动数据也说明了使用瑞威泰?产品前后振动情况的改善。

  德国Tnadler齿轮箱公司出具的报告显示,使用瑞威泰?产品后的齿轮箱油温平均可下降6-10度。当齿轮负荷增大,摩擦产生的热量会使油温升温快,从而加速润滑油膜的破坏,降低润滑油的油温对防止局部油温过高而造成的胶合损伤有着重要意义。

  日本TNT轴承公司进行的轴承极限负荷测试说明了瑞威泰?能够在极端负荷的条件下,让轴承继续保持正常运作,相较与没有使用REWITEC的产品可以正常运行近3倍的时间。该测试的条件为:TNT轴承型号81105,润滑剂为润滑脂,负载力20000牛顿。没使用瑞威泰?的轴承在极限负载的情况下仅运行了 43分钟,而使用了瑞威泰?的轴承在极限负载下运行了120分钟。这一点对于机械部件在润滑剂缺失等极端条件下应急运行尤为重要,在一定程度上可以延缓需更换部件的极限运行时间,为企业用户备件提供时间,最大限度减小误工造成的损失。

  总结金属磨损自修复并不是新的概念,它源自于20多年前的俄罗斯的军方技术,其主张的通过修复和精细再造超润滑表面的理论在当时受到冷视,部分原因是因为早期的有效分子颗粒尺度较大,反应程度不理想而有残留从而堵塞油道或造成更严重的颗粒磨损;也因为当时测试能力有限,难以观察到这种通过重塑表面特性带来改善磨损的功效;再者是因为润滑油脂企业的竞争关系,使得这种技术在早期发展有限。

  但是现在,随着纳米技术的发展,这种能与金属发生反应的硅酸盐成分可达到超小尺度,从而解决了对设备过滤器和油道的负面影响;同时因为纳米技术的微量效应,相较与润滑油脂的使用量,其极小的使用量也不会对润滑油脂本身带来不良反应,以及应力加速试验和直观的映像等观察测试手段的发展,为金属自修复技术改善摩擦表面提供了一系列科学证据。

  目前德国瑞威泰?公司的产品在欧洲风力发电机组的维护产品中占有超过12%的市场份额,已经受到如CSO ENERGY, GLS Bank, wpd等风力发电机专业维护公司和风机保险公司的特别推荐,用于作为风力发电机组的延寿和提供综合效率的养护品。不可否认,这种通过硅酸盐成分的纳米成分和金属作用产生改善摩擦磨损的效果是显著的。其在一定程度上降低了表面粗糙度和机器运转压力,从而延长机器部件的生命周期,对那些提前进入老化期的重要部件起到了积极效果,是风力发电机齿轮箱、轴承维护保养的可行方案,同时可在一定程度上充当应急方案,为齿轮或轴承临近生命周期且无备件时,降低风机停运带来的发电收益损失。

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