Почему ветряки ломаются быстрее, чем должны, и при чем тут медь

Ветряная энергетика во всем мире столкнулась с одной и той же напастью. Редукторы гигантских турбин выходят из строя в четыре раза быстрее, чем обещали расчеты. История повторяется у разных производителей, в разных странах, на разных моделях. Сначала грешили на сборку, потом на материалы, потом на инженерные ошибки… Оказалось, дело не в этом. Виноват водород.

Еще в шестидесятые годы прошлого века профессор Дмитрий Гаркунов, разбираясь с износом авиационных шасси, обнаружил неприятную вещь. Кристаллическая решетка железа при нагреве расширяется, между атомами появляются пустоты. Туда затягивает водород, который всегда есть в воздухе и в смазке. Его атомы маленькие, они легко забиваются в эти пустоты, но встроиться в решетку нормально не могут. Располагаются как попало, создавая дефекты. Когда металл остывает, решетка сжимается, а водород мешает ей вернуться на место. Связи между атомами железа рвутся, с поверхности отлетает чешуйка металла. И так по кругу, снова и снова. Лунки становятся шире, глубже, деталь разрушается.

В ветряках этот процесс идет особенно активно из-за переменных нагрузок и электрических токов, которые возникают в подшипниках. Водород проникает в сталь, накапливается, начинает взаимодействовать с углеродом, образует метан. Метан создает давление изнутри, металл трескается. Эти трещины называют белыми трещинами травления. Если их вовремя не заметить, редуктор просто разваливается. А заметить сложно: каждый день на ветряк не залезешь.

Гаркунов тогда же нашел и решение. Он обнаружил, что, если в смазке есть ионы меди, они могут восстанавливаться на поврежденных участках металла и заполнять эти лунки. Медь в электрохимическом ряду стоит правее железа и правее водорода, поэтому она способна противостоять водородному износу. И размер атомов у меди и железа близкий, поэтому медь легко встраивается в решетку железа и держится там прочно. Процесс получается самоподдерживающийся. Медь восстанавливается до тех пор, пока не образует тонкую пленку в несколько атомарных слоев. Лишнее убирается само, поверхность поддерживает гладкость и нужный размер. Гаркунов назвал это эффектом безызносности.

Группа исследователей под руководством основателя компании "Куппер" Сергея Мамыкина провела испытания смазки с маслорастворимыми солями меди. Тестировали на трибометре с тремя кольцами на роликах, создавая высокие контактные давления и постоянный ток, примерно такие условия, как в реальном ветряке.

Результат показал, что штатное масло покрылось типичными повреждениями: белые трещины травления, белые области травления, точечная коррозия. Смазка с медной присадкой не дала ни одного из этих дефектов. Поверхность ролика осталась гладкой, трения и вибрации были ниже на протяжении всего испытания. Ионы меди покрывают поверхность, увеличивая площадь контакта и снижая давление. Температура в точке контакта падает, железо не нагревается до критических значений, водород не выделяется. Плюс медь хорошо проводит ток, поэтому электричество идет по поверхности, а не вглубь металла. И самое главное, медь заполняет повреждения и блокирует диффузию водорода.

Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Mechanical Engineering.

«Присадки на основе меди работают не с симптомами, а с причиной. Смазка с медью не замедляет износ, а не дает ему начаться. Для ветряков это означает более долгую жизнь редукторов и меньше внеплановых ремонтов.

Мы изучали природу водородного износа и искали способ ему противостоять. получились смазочные материалы с ионами меди, которые работают не с симптомами, а с первопричиной. Мы видим, как это работает на практике, и продолжаем исследования», - сказал Мамыкин.

Ветряная энергетика пока остается дорогим удовольствием. Частые ремонты редукторов одна из главных статей расходов. Если технология с медью получит широкое применение, ситуация может измениться. И не только в ветряках. Водородный износ разрушает металл везде, где есть высокая нагрузка, трение и электричество. Так что у меди есть шанс появиться в смазках для самых разных машин.