一種新型金屬抗磨自修復劑的實船應用

彭永富，殷寶峰，邵 新

(長江南京航道工程局，南京210011)

“金魔”牌金屬抗磨自修復劑(以下簡稱“金魔”材料)是擁有自主知識產(chǎn)權(專利號:ZL200510041221.4)、通過中國科學技術成果鑒定的智能節(jié)能自修復材料，該產(chǎn)品已在安陽鋼鐵、杭州鋼鐵、星騰化工、徐礦集團、寶鋼集團等數(shù)十家企業(yè)進行了試驗和試用，節(jié)油率高，反響良好。經(jīng)過多方面的考察和論證，長江南京航道工程局率先在船舶行業(yè)開展“金魔”材料的實船試驗及推廣工作，效果顯著。

1 “金魔”材料性能分析及主要特點

1.1 “金魔”材料的性能

“金魔”材料是國內(nèi)外惟一采用化學合成法制備的一種新型金屬抗磨自修復劑，它以潤滑油(脂)為載體，在設備運轉(zhuǎn)過程中，納米狀態(tài)的“金魔”材料隨潤滑油進入摩擦副，能夠在金屬摩擦面形成高硬度的金屬陶瓷改性層，在設備不解體、正常工作狀態(tài)中自動修復磨損面，從而實現(xiàn)“使用中的修養(yǎng)合一”的理想目標，可避免停工損失，提高設備的精度、壽命，降低摩擦系數(shù)，減少機械摩擦無用功，是一種使用方便、節(jié)能環(huán)保的高科技產(chǎn)品。其修復機理如下。

摩擦副運動表面“鋸齒”狀的凸凹體將加入潤滑油(脂)中的“金魔”材料進一步研磨，并使其充分細化(見圖1)，細化后的“金魔”材料吸附、滲透到摩擦表面，摩擦副表面凹坑處存留的污染物被“金魔”材料中的磷酸鹽玻璃體清除，并由被研磨細化的修復劑微粒填充(見圖2)。

當摩擦副相對運動時，其摩擦面間可產(chǎn)生瞬間閃溫，促使“金魔”材料在催化劑、活化劑作用下發(fā)生微燒結、微冶金作用，形成一層金屬陶瓷修復層(見圖3)。摩擦面磨損嚴重時表面凸凹更明顯，運動時就有較多機會產(chǎn)生更高的閃溫，“金魔”材料發(fā)生微燒結、微冶金的機會也越多;隨著磨損部位的逐漸修復，當其運動不能提供形成修復層所需要的摩擦能時，修復層厚度不再增加，見圖4。

1.2 “金魔”材料的主要特點

1)摩擦系數(shù)低。基礎油的摩擦系數(shù)較高，約為0.125，而在基礎油中加入不同含量的抗磨修復劑后，摩擦系數(shù)均明顯降低。含量在每升基礎油中加入10%時，摩擦系數(shù)最小，約為0.048 7。

2)硬度高。磨損表面納米壓痕測試，45#鋼基體硬度為3.85 GPa，“金魔”潤滑下的磨損表面硬度達到5.97 GPa，硬度值顯著升高，表明“金魔”可以在金屬磨損表面生成一層具有較高硬度的表面修復層，提高零部件的抗磨性能。

3)耐磨性好。

4)操作簡單易行。

5)具有自修復功能。

6)節(jié)油效果明顯，投入產(chǎn)出比高。

2 實船試驗

2.1 安全性試驗

為驗證“金魔”材料的安全性，在試驗初期采用船舶有代表性的小型輔助設備進行試用。將材料加入1 500 r/min的小型空壓機機油中，用電度表測量耗電量，雖然由于功率小、空壓機連續(xù)運轉(zhuǎn)時間短，節(jié)油效果未能準確測定，但經(jīng)過試驗，未見空壓機運動部件異常，說明“金魔”材料運用到機械設備中是安全的。

2.2 節(jié)油試驗

2.2.1 節(jié)油試驗技術方案

對某一特定機組，在功率保持恒定的情況下，分別測量添加“金魔”材料前后的單位時間油耗，然后進行比對，確定節(jié)油率。對疏浚工程單位而言，用耙吸式挖泥船泥泵打清水試驗來測定節(jié)油率的方法簡單易行，其具體技術方案簡述如下。

1)確保試驗條件穩(wěn)定。試驗全程船舶處于停泊狀態(tài)，泥泵柴油機驅(qū)動泥泵打清水入泥艙，泥門微開，保證試驗期間船舶的浮態(tài)不變，保證試驗期間柴油機轉(zhuǎn)速一致，保證泥泵吸排閥開度維持不變;盡可能保證試驗環(huán)境一致。

2)試驗準備。若試驗前設備經(jīng)過大修，須對大修過的柴油機進行空轉(zhuǎn)磨合，磨合時間不少于2 h，帶負荷運轉(zhuǎn)時間不少于2 h。將柴油機日用油柜油添加到預先指定的高度略高的位置。有高速離心機油濾清裝置的，在添加“金魔”材料后須拆除或旁通，以防“金魔”材料被分離而失去或削弱其功能。

3)監(jiān)測儀器安裝。柴油機燃油進機管和燃油回油總管上各接入一只流量計(對于回油直接循環(huán)進機的情況，僅在進機管上接一只流量計)，管路須預制或現(xiàn)場配，流量計兩端帶軟管避震;在油柜油尺上固定一刻度尺，通過記錄油位變化對比艙容表確定燃油消耗，與流量計同時監(jiān)測油耗變化。

4)啟動泥泵柴油機，按正常程序合泵運轉(zhuǎn)(打清水保持恒定負載)，使泥泵柴油機保持在恒定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)至少1 h以上。

5)“金魔”材料使用前初態(tài)記錄。在油位下降到預定高度或預定時間(用流量計時)時，開始計時和拍照(油位及流量計讀數(shù))，同時記錄泥泵柴油機運轉(zhuǎn)中各參數(shù)及環(huán)境溫度。此后每隔30 min記錄一次并拍照。若試驗中出現(xiàn)故障性中斷，則停止記錄，待故障排除、加油至預定高度、轉(zhuǎn)速達到試驗轉(zhuǎn)速后再開始記錄;連續(xù)運轉(zhuǎn)5 h后，整理記錄數(shù)值，計算出初態(tài)時段累計油耗值Δ1(消除時間誤差)。

6)“金魔”材料試驗。添加“金魔”材料產(chǎn)品到柴油機、齒輪箱及泥泵軸承箱的油底殼中，添加數(shù)量及方法參見《金屬抗磨修復劑在車輛、船舶行業(yè)的使用規(guī)范》;繼續(xù)帶負荷至少運轉(zhuǎn)4～5 h，使各運動摩擦副處形成減磨層，然后停機4 h以上。

8)試驗結束，以累計油耗計算出節(jié)油率δ。上述試驗所有記錄數(shù)據(jù)以相機拍攝流量計讀數(shù)為準，并須消除時間偏差，人工記錄及油位讀數(shù)為輔。

2.2.2 實船節(jié)油試驗記錄及結果

1)以2011年5月14～15日“航浚11”沖水泵柴油機(型號TBD620V8，820 kW，1 500 r/min)打清水試驗為例，試驗記錄見表1。

表1 實驗記錄

2)節(jié)油試驗結果，見表2。

考慮到計量的精確性，用兩次流量計計量的結果為依據(jù)，得出“金魔”材料實船平均節(jié)油率δ=(8.42+9.21)/2=8.815%。

3 “金魔”材料使用的成本分析

3.1 節(jié)能減排量測算的依據(jù)和方法

由于各工程施工環(huán)境不同、施工工藝各異、疏浚土質(zhì)千差萬別、船舶設備使用率等諸多因素都會影響船舶設備施工油耗，因此靠添加“金魔”材料前后的長時間累計耗油量對比來測算節(jié)能減排量將會導致很大的偏差。鑒于此，采用后兩次試驗精確計量得出的平均節(jié)油率δ為基準，乘以船舶平均年度耗油量，得出總節(jié)能減排量。

3.2 節(jié)能減排量的測算

3.2.1 項目實施前的能耗基本情況

長江南京航道工程局現(xiàn)有船舶51艘，挖泥船18艘，挖泥船總裝機功率92 153 kW。近年來工程施工任務飽滿，船舶時間利用率高，船舶油耗高(見表3)。

魚腥草在醫(yī)學實踐中應用的范圍在不斷擴大，臨床上其對動物的乳腺炎、發(fā)燒等也有很好的治愈效果，同時對魚類患有的急性以及慢性腸炎、對由細菌引發(fā)的蝦類疾病也有很好的治愈效果。此外魚腥草還可以治療動物的炎癥，對腎病綜合征、蛋白尿等病癥也有一定的療效。

3.2.2 項目實施后的節(jié)能減排量

1)柴油節(jié)能減排量。若以前幾年的平均年耗油為基準進行計算，則每年的節(jié)油總量Q1為

2)機油節(jié)能減排量。考慮到“金魔”材料產(chǎn)品減磨、清洗、自修復功能，按添加“金魔”材料后柴油機機油換油時間延長1倍計，則機油節(jié)能減排量Q2為

3.3 成本分析

1)資金投入。根據(jù)各船設備潤滑油量(指設備的系統(tǒng)循環(huán)潤滑油量)及《金屬抗磨修復劑在車輛、船舶行業(yè)的使用規(guī)范》進行配比添加，全年共需投入資金約計人民幣480.49萬元。

表2 節(jié)油試驗結果

表3 油耗統(tǒng)計

2)節(jié)約費用估算。按柴油均價0.85萬元/t、機油均價1.5萬元/t計，全年節(jié)約油費:F=3 093.57×0.85+167.32×1.5=2 880.52萬元。

經(jīng)估算，在全局工程船使用此產(chǎn)品共需投入資金約480.49萬元(包括齒輪箱)，除了延長設備維修周期、減少配件消耗和減少停工損失外，僅節(jié)約燃油、機油費用1年可達約2 880.52萬元，扣除投放成本，結余2 400.03萬元，投資回收期約2個月。

另外需要注意的是，上述關于節(jié)能減排量的計算及成本分析僅以初始年為依據(jù)來進行量化計算，而按“金魔”材料使用說明書，其實際添加周期為12個月，第二年以后的每次添加量為首次添加量的30%～50%，故實際的投入產(chǎn)出比會更高，經(jīng)濟效益相當可觀。

另外，使用“金魔”材料可降低備件的消耗，延長設備的大修周期，延長設備的潤滑油使用時間，降低潤滑油的消耗，當然，這需要進一步的研究與試驗，需要通過進一步的更完善的數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計，方能確定其發(fā)揮最佳效能的方案。

4 項目推廣存在的問題及建議

2011年國家發(fā)布的《節(jié)能減排綜合工作方案》，明確中國實現(xiàn)節(jié)能減排的目標要求。國家重視和發(fā)展燃油節(jié)能減排產(chǎn)品的推廣使用，國家環(huán)保部、質(zhì)檢總局、各省市等主管部門也曾制訂和頒布有關政策，促進該產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

雖然國家高度重視節(jié)能減排工作，但由于以下種種原因，近年來，一些好的節(jié)能技術和項目在開展過程中遇到阻力大，推廣難的尷尬局面。

1)部分企事業(yè)單位節(jié)能憂患意識、危機意識和責任意識不強。

2)交通運輸節(jié)能減排技術創(chuàng)新與服務體系仍需健全。節(jié)能減排科技研發(fā)投入不足，節(jié)能減排技術、產(chǎn)品推廣應用進展較為緩慢;現(xiàn)代信息技術應用推廣還比較滯后;交通運輸節(jié)能減排技術服務體系尚未建立，節(jié)能減排技術產(chǎn)品和服務市場還有待進一步規(guī)范。

3)交通運輸節(jié)能減排監(jiān)管能力還有待提升。專職管理機構和人員缺乏，體制、機制性障礙尚未根本消除;引導性資金投入明顯不足，節(jié)能減排長效機制尚未形成;政策法規(guī)和標準規(guī)范體系不完善;節(jié)能減排統(tǒng)計計量、檢測監(jiān)測與考核評價等基礎性工作薄弱。

尤其對于經(jīng)濟狀況不是特別樂觀的企事業(yè)單位，如果不重視使用節(jié)能技術后的經(jīng)濟及社會效益，而僅僅將眼光放在前期資金投入上，將很難取得實質(zhì)性的進展。