一种新型金属抗磨自修复剂的实船应用

彭永富，殷宝峰，邵 新

(长江南京航道工程局，南京210011)

“金魔”牌金属抗磨自修复剂(以下简称“金魔”材料)是拥有自主知识产权(专利号:ZL200510041221.4)、通过中国科学技术成果鉴定的智能节能自修复材料，该产品已在安阳钢铁、杭州钢铁、星腾化工、徐矿集团、宝钢集团等数十家企业进行了试验和试用，节油率高，反响良好。经过多方面的考察和论证，长江南京航道工程局率先在船舶行业开展“金魔”材料的实船试验及推广工作，效果显著。

1 “金魔”材料性能分析及主要特点

1.1 “金魔”材料的性能

“金魔”材料是国内外惟一采用化学合成法制备的一种新型金属抗磨自修复剂，它以润滑油(脂)为载体，在设备运转过程中，纳米状态的“金魔”材料随润滑油进入摩擦副，能够在金属摩擦面形成高硬度的金属陶瓷改性层，在设备不解体、正常工作状态中自动修复磨损面，从而实现“使用中的修养合一”的理想目标，可避免停工损失，提高设备的精度、寿命，降低摩擦系数，减少机械摩擦无用功，是一种使用方便、节能环保的高科技产品。其修复机理如下。

摩擦副运动表面“锯齿”状的凸凹体将加入润滑油(脂)中的“金魔”材料进一步研磨，并使其充分细化(见图1)，细化后的“金魔”材料吸附、渗透到摩擦表面，摩擦副表面凹坑处存留的污染物被“金魔”材料中的磷酸盐玻璃体清除，并由被研磨细化的修复剂微粒填充(见图2)。

当摩擦副相对运动时，其摩擦面间可产生瞬间闪温，促使“金魔”材料在催化剂、活化剂作用下发生微烧结、微冶金作用，形成一层金属陶瓷修复层(见图3)。摩擦面磨损严重时表面凸凹更明显，运动时就有较多机会产生更高的闪温，“金魔”材料发生微烧结、微冶金的机会也越多;随着磨损部位的逐渐修复，当其运动不能提供形成修复层所需要的摩擦能时，修复层厚度不再增加，见图4。

1.2 “金魔”材料的主要特点

1)摩擦系数低。基础油的摩擦系数较高，约为0.125，而在基础油中加入不同含量的抗磨修复剂后，摩擦系数均明显降低。含量在每升基础油中加入10%时，摩擦系数最小，约为0.048 7。

2)硬度高。磨损表面纳米压痕测试，45#钢基体硬度为3.85 GPa，“金魔”润滑下的磨损表面硬度达到5.97 GPa，硬度值显著升高，表明“金魔”可以在金属磨损表面生成一层具有较高硬度的表面修复层，提高零部件的抗磨性能。

3)耐磨性好。

4)操作简单易行。

5)具有自修复功能。

6)节油效果明显，投入产出比高。

2 实船试验

2.1 安全性试验

为验证“金魔”材料的安全性，在试验初期采用船舶有代表性的小型辅助设备进行试用。将材料加入1 500 r/min的小型空压机机油中，用电度表测量耗电量，虽然由于功率小、空压机连续运转时间短，节油效果未能准确测定，但经过试验，未见空压机运动部件异常，说明“金魔”材料运用到机械设备中是安全的。

2.2 节油试验

2.2.1 节油试验技术方案

对某一特定机组，在功率保持恒定的情况下，分别测量添加“金魔”材料前后的单位时间油耗，然后进行比对，确定节油率。对疏浚工程单位而言，用耙吸式挖泥船泥泵打清水试验来测定节油率的方法简单易行，其具体技术方案简述如下。

1)确保试验条件稳定。试验全程船舶处于停泊状态，泥泵柴油机驱动泥泵打清水入泥舱，泥门微开，保证试验期间船舶的浮态不变，保证试验期间柴油机转速一致，保证泥泵吸排阀开度维持不变;尽可能保证试验环境一致。

2)试验准备。若试验前设备经过大修，须对大修过的柴油机进行空转磨合，磨合时间不少于2 h，带负荷运转时间不少于2 h。将柴油机日用油柜油添加到预先指定的高度略高的位置。有高速离心机油滤清装置的，在添加“金魔”材料后须拆除或旁通，以防“金魔”材料被分离而失去或削弱其功能。

3)监测仪器安装。柴油机燃油进机管和燃油回油总管上各接入一只流量计(对于回油直接循环进机的情况，仅在进机管上接一只流量计)，管路须预制或现场配，流量计两端带软管避震;在油柜油尺上固定一刻度尺，通过记录油位变化对比舱容表确定燃油消耗，与流量计同时监测油耗变化。

4)启动泥泵柴油机，按正常程序合泵运转(打清水保持恒定负载)，使泥泵柴油机保持在恒定转速下稳定运转至少1 h以上。

5)“金魔”材料使用前初态记录。在油位下降到预定高度或预定时间(用流量计时)时，开始计时和拍照(油位及流量计读数)，同时记录泥泵柴油机运转中各参数及环境温度。此后每隔30 min记录一次并拍照。若试验中出现故障性中断，则停止记录，待故障排除、加油至预定高度、转速达到试验转速后再开始记录;连续运转5 h后，整理记录数值，计算出初态时段累计油耗值Δ1(消除时间误差)。

6)“金魔”材料试验。添加“金魔”材料产品到柴油机、齿轮箱及泥泵轴承箱的油底壳中，添加数量及方法参见《金属抗磨修复剂在车辆、船舶行业的使用规范》;继续带负荷至少运转4～5 h，使各运动摩擦副处形成减磨层，然后停机4 h以上。

8)试验结束，以累计油耗计算出节油率δ。上述试验所有记录数据以相机拍摄流量计读数为准，并须消除时间偏差，人工记录及油位读数为辅。

2.2.2 实船节油试验记录及结果

1)以2011年5月14～15日“航浚11”冲水泵柴油机(型号TBD620V8，820 kW，1 500 r/min)打清水试验为例，试验记录见表1。

表1 实验记录

2)节油试验结果，见表2。

考虑到计量的精确性，用两次流量计计量的结果为依据，得出“金魔”材料实船平均节油率δ=(8.42+9.21)/2=8.815%。

3 “金魔”材料使用的成本分析

3.1 节能减排量测算的依据和方法

由于各工程施工环境不同、施工工艺各异、疏浚土质千差万别、船舶设备使用率等诸多因素都会影响船舶设备施工油耗，因此靠添加“金魔”材料前后的长时间累计耗油量对比来测算节能减排量将会导致很大的偏差。鉴于此，采用后两次试验精确计量得出的平均节油率δ为基准，乘以船舶平均年度耗油量，得出总节能减排量。

3.2 节能减排量的测算

3.2.1 项目实施前的能耗基本情况

长江南京航道工程局现有船舶51艘，挖泥船18艘，挖泥船总装机功率92 153 kW。近年来工程施工任务饱满，船舶时间利用率高，船舶油耗高(见表3)。

鱼腥草在医学实践中应用的范围在不断扩大，临床上其对动物的乳腺炎、发烧等也有很好的治愈效果，同时对鱼类患有的急性以及慢性肠炎、对由细菌引发的虾类疾病也有很好的治愈效果。此外鱼腥草还可以治疗动物的炎症，对肾病综合征、蛋白尿等病症也有一定的疗效。

3.2.2 项目实施后的节能减排量

1)柴油节能减排量。若以前几年的平均年耗油为基准进行计算，则每年的节油总量Q1为

2)机油节能减排量。考虑到“金魔”材料产品减磨、清洗、自修复功能，按添加“金魔”材料后柴油机机油换油时间延长1倍计，则机油节能减排量Q2为

3.3 成本分析

1)资金投入。根据各船设备润滑油量(指设备的系统循环润滑油量)及《金属抗磨修复剂在车辆、船舶行业的使用规范》进行配比添加，全年共需投入资金约计人民币480.49万元。

表2 节油试验结果

表3 油耗统计

2)节约费用估算。按柴油均价0.85万元/t、机油均价1.5万元/t计，全年节约油费:F=3 093.57×0.85+167.32×1.5=2 880.52万元。

经估算，在全局工程船使用此产品共需投入资金约480.49万元(包括齿轮箱)，除了延长设备维修周期、减少配件消耗和减少停工损失外，仅节约燃油、机油费用1年可达约2 880.52万元，扣除投放成本，结余2 400.03万元，投资回收期约2个月。

另外需要注意的是，上述关于节能减排量的计算及成本分析仅以初始年为依据来进行量化计算，而按“金魔”材料使用说明书，其实际添加周期为12个月，第二年以后的每次添加量为首次添加量的30%～50%，故实际的投入产出比会更高，经济效益相当可观。

另外，使用“金魔”材料可降低备件的消耗，延长设备的大修周期，延长设备的润滑油使用时间，降低润滑油的消耗，当然，这需要进一步的研究与试验，需要通过进一步的更完善的数据积累和统计，方能确定其发挥最佳效能的方案。

4 项目推广存在的问题及建议

2011年国家发布的《节能减排综合工作方案》，明确中国实现节能减排的目标要求。国家重视和发展燃油节能减排产品的推广使用，国家环保部、质检总局、各省市等主管部门也曾制订和颁布有关政策，促进该产业发展。

虽然国家高度重视节能减排工作，但由于以下种种原因，近年来，一些好的节能技术和项目在开展过程中遇到阻力大，推广难的尴尬局面。

1)部分企事业单位节能忧患意识、危机意识和责任意识不强。

2)交通运输节能减排技术创新与服务体系仍需健全。节能减排科技研发投入不足，节能减排技术、产品推广应用进展较为缓慢;现代信息技术应用推广还比较滞后;交通运输节能减排技术服务体系尚未建立，节能减排技术产品和服务市场还有待进一步规范。

3)交通运输节能减排监管能力还有待提升。专职管理机构和人员缺乏，体制、机制性障碍尚未根本消除;引导性资金投入明显不足，节能减排长效机制尚未形成;政策法规和标准规范体系不完善;节能减排统计计量、检测监测与考核评价等基础性工作薄弱。

尤其对于经济状况不是特别乐观的企事业单位，如果不重视使用节能技术后的经济及社会效益，而仅仅将眼光放在前期资金投入上，将很难取得实质性的进展。