再制造工程

再制造工程在水电设备中的应用

赵林明王清贵

（河北工程大学，石家庄智铠深冷技术有限公司）

摘要：本文简要地介绍了再制造产业的崛起，以及党中央和国务院对再制造的战略部署；再制造的确切概念与内涵以及再制造产业的核心技术——表面工程技术；同时阐述了再制造技术在水电设备中的应用。

关键词：再制造；表面工程；水电设备

一. 再制造工程的崛起

工业革命以来，人类在创造巨大物质财富的同时，也付出了巨大的资源和环境代价。20世纪的100年，人类创造的物质财富超过了以往5000年的历史总和，传统的经济增长模式在极端地消耗地球资源（已使地球上较贵重金属的开采量下降到仅有30年的年限—弹指一挥间的时间啊！）。又给人类社会带来许多负面效应，特别对生态环境的污染是极其严峻的。

党的十六大提出了全面建设小康社会的目标和任务。而国际经验则表明：从低收入国家步入中低收入国家行列的阶段，对任何国家的成长来说都是一个极为重要的历史阶段，它既是一个“黄金发展时间”，又是“矛盾凸现时期”，特别是随着经济快速增长和人口的不断增加，水、土地、能源、矿产等资源不足的矛盾会越来越凸出，生态建设和环境保护的形势则日益严峻。继续沿袭传统的以资源的大量消耗来实现工业化和现代化，是难以为继的，是决不可取的；必须按照科学发展的要求，大力发展循环经济，坚持循环经济中的4R原则，

即减量化、再利用、再制造、再循环，充分发挥再制造在废旧机电产品资源化中的作用，加快建立资源节约型社会和环境友好型社会。完全可以说：再制造产业是社会发展的必然选择。

我国是一个人口众多，人均资源相对缺乏的国家，随着国民经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，产品更新换代频率加快，一方面造成了自然资源的日益匮乏，另一方面造成了机电产品年报废量的激增，并以惊人的报废速度呈现在我们面前：2000年达到报废标准的汽车210万辆，预测到2010年前，年均汽车报废量将在200万辆以上，家电年均报废量超过1500万台；电脑的平均淘汰量在500万台以上。直接经济损失逾千亿元；

如此巨大数量废弃的机电产品若不能及时有效地资源化，将成为极大的“社会公害”：

1. 严重威胁人类健康：废旧机电产品中含有300多种有害物质，处置不当可能通过呼吸，食物链甚至皮肤进入人体，威胁人类健康；

2. 污染自然环境：目前尚无有效处理的办法，只能混同一般的固体垃圾堆放和填埋，造成了对空气、土壤、水质的严重污染，破坏了生态环境；

3. 占用大量土地：在破坏环境景观的同时，占用着大量土地，我国1993年固体废弃物占地约500km2；

4. 构成安全隐患：一些本应报废的产品大量从发达地区流向不发达地区继续使用，不仅造成多种形式的环境污染，同时很容易引发直接危及人身安全的触电、火灾、车祸等事故。

以废旧机电产品为对象或毛坯的再制造产业的崛起就是在如此严峻的时期应运而生的，而废旧机电产品这一“都市矿山”（全球可工业化开采的资源绝大部分已不在地下了）就成了再制造产业的资源。

二. 关于再制造工程技术

在一部机器（装备、设施）中通常固定件的使用寿命长，如箱体、支架、轴承座等，而运转件的使用寿命短；而在运转件中承担扭矩传递的主体使用寿命长，而摩擦表面使用寿命短；与腐蚀介质直接接触的表面使用寿命短，反之则使用寿命长。这种各零部件的不等寿命性和零件上各工作表面的不等寿命性是导致机器不能使用而报废的根本所在。

再制造则是通过对没有损坏的零部件继续使用，把局部损伤的零件采用先进的表面工程技术等手段通过再制造加工而继续使用，并针对不同的失效原因采取相应的措施使机器的使用寿命延长，从而充分地挖掘出废旧机电产品中所蕴涵的附加值，恢复或提升其功能，挖掘废旧机电产品中的潜在附加值是再制造产业的宗旨，庞大的废旧机电产品则是再制造产业的巨大资源。

以汽车发动机为例：再制造过程中由于充分利用了废旧产品中的附加值，因而能源消耗只是新品制造中的50%，劳动力消耗只是新品制造中的67%，原材料消耗只是新品制造中的11%～20%，其节约能源，节约材料、保护环境的综合效益更是新品制造所无法比拟的。从而为再制造产业的长足发展提供了可靠的保障。

再制造的特性决定了再制造生产中能敏锐地不断吸纳最先进的工程技术，使再制造产品的性能得以不断提升而赢得用户的信赖；使再制造产品的成本不断下降而增强市场竞争力，使再制造过程中节约能源、节约材料、保护环境的作用更加突出，而对国家可持续发展做出贡献。

再制造技术是将永远优于原始制造技术的，其根本原因在于一部机电产品制造出后，是经过若干年后的使用才达到报废阶段的，其内在的技术含量是不变的；而在这个期间科学技术发展迅速，新材料、新技术、新工艺、新控制则在不断涌现，对报废机电产品实施再制造的技术必将吸纳最新的科技成果，使得对报废产品实施再制造后，既可以提高易损零件、易损表面的使用寿命，又可以对报废产品进行技术改造，使它的整体性能跟上时代的要求。

再制造技术是随着科学技术的发展而发展的，其核心技术—表面工程技术已由十多年前的单一表面工程技术发展到复合表面技术，进而又发展到以微纳米材料、纳米技术与传统的表面工程技术相结合的纳米表面工程技术。以最先进的科学技术作支撑的再制造产业将永远以充盈而坚实的可靠性立足于制造业的前沿，引领着制造业的发展。

总上所叙，再制造工程（产业）是一种利于环保、节约材料、节约能源、节约资金的先进的新型的循环经济形态，是集经济、技术、绿色环保于一体而致力于材料的增值和循环利用以及产品附加值的跨越式提升，并且满足可持续发展要求的新的闭合的产品制造系统。它不仅完全考虑了传统产品生命周期的三个过程（制造、使用及报

废），更重要的是在产品的研发、设计中，充分考虑了产品的维护以及应用先进的技术对行将报废或已报废的产品实施再制造，在保证资源利用率最高的情况下，使产品达到最佳的使用（服役）性能，从而实现了资源的优化配置和资源的再生。

再制造工程（产业）的确切定义则是“以机电产品全寿命周期设计和管理为指导，以废旧机电产品实现性能跨越式提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，对废旧机电产品进行修复和改造的一系列措施或工程活动的总称”。简单概括，再制造就是废旧机电产品高技术维修的产业化。再制造的重要特征是再制造产品的质量和性能达到或超过新品，成本仅是新品的50%左右，节能60%、节材70%以上，对保护环境贡献显著。

再制造的对象即可以是设备、系统、设施，也可以是零部件；既包括硬件，也包括软件。

再制造工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。

再制造工程（产业）既不同于产品（装备）的传统维修，又不同于传统的再循环（回收利用），而是紧跟科学技术前进的步伐，综合采用高新科技成果对报废的产品实施再制造的过程。

传统的维修是在产品的使用阶段为了使其保持良好的状况和使用功能而采取的技术措施，常具有随机性、原位性、应急性；而再制造则是将废旧产品拆卸后，在不损坏零部件性能的基础上，按零部件的类型进行检测、失效分析，将有较高剩余附加值的零部件作为再制

造的毛坯，利用先进的表面技术及其它高新技术对其进行产业化的再制造，使其性能升级，达到甚至超过原新品的性能；因此，再制造工程是在优先考虑了设备的可拆卸性、可回收性、可再制造性等属性的同时，保证了产品的基本目标—优质、高效、同时实现了企业效益与社会经济效益的协调优化。

传统的再循环（回收利用）是通过回炉处理等加工方式，获取低于产品原材料品味的再生材料，该过程中不但要消耗较多的能源和劳动力的投入，还对环境造成较大的污染；而再制造则是以废旧的成型零部件为毛坯作为再制造的材料资源，应用表面工程等高新技术对其实施再制造，从而获得高品质、高附加值的产品，再制造过程中消耗的能源少，排放少，具有非常显著的资源环境效益，同时最大限度地提升了废旧零部件的附加值，且再制造的成本远远低于原新品的制造成本；实践证明：再制造可使废旧产品中蕴涵的附加值得到最大的开发和利用，是废旧机电资源化的最佳形式和首选途径，是节约资源的重要手段，是发展循环经济、建设资源节约型、社会友好型的战略举措。

因此可以说：再制造工程是通过提升产品的附加值，追求人力资源与物力资源投入的减少，而致力于地球资源物流和能量流的减少以实现生态环境的平衡的绿色制造工程，并使得机电产品及与之息息相关的生产企业以及产品的使用者实现了制造业系统工程—一种建立在极少废料和污染物的技术与工艺的系统工程的可持续性发展的战略目标，完全能够经受得住“绿色发展”的考验和挑战。

中国人民解放军少将，装甲兵工程学院徐滨士院士参加制定我国2020年中长期科学技术发展规划时，对未来20年我国再制造研究目标归纳为“突破三项技术，制定两个标准，建立一个产业”。突破三项技术是：⑴突破基于信息技术、微纳米技术、生物技术等具有自主知识产权的先进自修复和再制造的关键技术群；⑵突破具有自适性性、自修复功能的先进材料研究和产业化制造技术；⑶突破先进的智能自修复检测和控制技术。

制定两个标准是：制定废旧产品的报废标准；⑵制定再制造产品的质量标准。

建立一个产业是：将再制造建成为制造业的支柱产业之一，构成循环经济的重要组成部分，并建立起相关辅助的产业体系，拉动国民经济，实现再就业和可持续发展。

再制造工程的科学研究和论证是在国家发展与改革委员会、中国工程院、国家自然科学资金委、国防科工委的密切关注下获得长足的发展，并对再制造工程的理论基础、关键技术、组织实施通过协同合作进行了系统的研究。

为此党中央和国务院以高瞻远瞩的战略目标，坚持科学发展观，作出了发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济发展与人口、资源、环境相协调的战略决策：政府和有关部门将再制造工程的研究与应用列入“十五”先进制造技术的前沿和国家自然科学基金机械学科优先发展的领域。在有关的战略部署中明确提出支持机械设备、工程设施和相关产品实施再制造，并

把绿色再制造技术列为支持循环经济持续发展的共性和关键的工程技术之一。

特别是国发[2005]21号《国务院关于做好建设节约型社会近期重要工作的通知》中，把“绿色再制造技术”列为“对节约资源和建设循环经济有重大意义，且将重点组织开发和示范”的技术之一。紧接着又在国发[2005]22号《国务院关于加快发展循环经济若干意见》中指出国家将大力支持“废旧机电产品再制造”，并把“绿色再制造技术”列为“国务院有关部门和地方各级人民政府要加大经费支持力度的共性和关键技术研究开发”的项目之一。

党中央和国务院坚持科学发展观，提出了发展循环经济，保护生态环境，加快建设资源节约型、环境友好型社会，促进经济发展与人口、资源、环境相协调的战略决策，同时在相关的战略部署中明确提出支持机械设备再制造，并把绿色再制造列为支持循环经济的共性和关键性技术之一。必将推动我国的再制造工程（产业）进入一个新的里程碑！

我国的再制造研发虽然刚刚起步，绿色再制造工程在我国也上尚属一个崭新的研究领域，对再制造工程的研究还远没有形成规模产业化，但是在国务院和各级政府的大力支持和扶持下，已经建立了“装备再制造技术国防科委重点实验室”，并对军事装备实施了多种再制造技术：如海军对某型军舰实施再制造，得出延长寿命10年的论证结论，比更换新舰使用10年的费效比高1.42倍；

应用再制造技术对我国20世纪80年代初期研究的某型指挥仪五

种应用方案（直接使用、大修、再制造、采用同型号新品、采用先进新品）的费效分析比较，得出在15年或20年之内，对该指挥仪实施再制造方案优于其它方案，其经济性最好；

在海军某舰上应用新型电弧喷涂防腐技术，使该舰钢结构的防腐寿命从5年提高到15年；

民用机电产品：工程机械和工程设施中的再制造技术的应用也是硕果累累：中英合资的济南复强动力有限公司，中德合资的上海大众汽车有限公司再制造产品的研发。生产与销售都已初具规模，是我国较早的规模化再制造企业，他们分别针对载重汽车柴油发动机性能与新品相当，某些指标还超过新品的相关性能，而成本仅为制造新品的50%左右，投入市场的再制造发动机有的使用寿命已接近15万km～20万km；

发动机再制造的模式在胜利油田、鞍钢、采矿业等大修部门及发动机零售业中获得推广应用，同样取得了良好的经济效益和社会效益；

使用再制造发动机，仅停机一天就完成了更换（大修则需近一周的时间才能完成），减少了停机时间所造成的经济损失；同时再制造发动机按新品的保修标准，保修半年，是大修后保修3个月的两倍保修期，经济效益和社会效益都是十分明显的。

近期还有汽车发动机、电动机、汽车变速箱以及工程机械等再制造产业正如雨后春笋的长势在不断出现。

以源头预防和全过程治理替代末端治理的再制造工程在我国必

将逐步取得广泛的认同和蓬勃的发展，并将在不久的将来“成为美国再制造领域中最强劲的全球竞争对手”。

三. 关于表面工程技术

随着科学技术的迅速发展，对设备的零部件（或模具、刃具等）提出高精度、高硬度、高耐磨性、高抗蚀性的要求，使表面强化技术应运而生：

表面工程技术的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能和表面功能覆盖层，赋予本体表面原来没有而又希望具有的功能特性，如热、声、光、磁等性能，特别是具有这些特性的耦合，转换与复合等性能，从而使零件表面具有了比本体更高的性能；

它不仅能提高零部件（或模、刃具等）表面的各种性能（表面改性、表面防护性、表面修复性等），而且能保持足够的韧性和强度，使其在提高综合性能（耐磨性、抗冲击性、抗咬合性、抗热疲劳性、抗热粘附性及抗蚀性等性能）的基础上，使材料的潜力得以充分的发挥。从而极大地提高了设备零部件（或模、刃具等）的质量，延长了使用寿命，并极大地降低了成本。是节能、节材、降耗、减排，而又极具环保性的事半功倍的高新技术，是绿色制造（含再制造工程）工程的重要内涵。

制造工程和绿色再制是表面工程的载体。表面工程技术则不仅是制造工程技术和再制工程技术的重要组成部分，更是绿色制造（含再制）工程的重要内涵，又是制造和绿色制造的关键的技术支撑，对提高绿色再制造产品的资源利用率发挥着重要作用；制造工程和绿色再

制造工程为表面工程提供了十分广阔的创新空间，表面工程则不断促进着制造工程和绿色再制造工程的飞速发展，将共同为坚持和落实科学发展观，发展循环经济，加快建设资源节约型，环境友好型社会的战略决策做出巨大的贡献。

表面工程技术在经历传统的单一表面工程阶段（包括热喷涂、电刷镀、激光熔覆、PVD、CVD技术以及激光束、离子束、电子束表面改性等），将两种或多种传统的表面技术复合应用，发挥了“1+1＞2”的协同效果（热喷涂与激光或电子束重融）的复合，热喷涂与电刷镀的复合，化学热处理与电镀的复合，多层薄膜的复合等，进展到复合表面工程阶段；随着纳米技术、纳米材料不断应用于表面工程中，通过不断的科技创新发展到今天的纳米表面工程，纳米材料的优异特性提升改善了传统表面工程技术的性能，进一步改善固体材料表面的形态、成分、结构等，从而使材料表面具有全新的功能特性，为绿色制造提供了重要的关键的技术支撑。

四. 再制造工程在水电设备中的应用

我国的水利资源非常丰富，水电已成为主要能源之一，屹立在全国的中小水电站所发的电并网后，在为国家的经济建设供应能源的同时，为边远地区的发展和人民生活的提高做出了巨大的贡献。由于我国的江河流砂含量高，加之高位水头的冲刷，对运行的水轮机零部件冲蚀严重，造成这些零部件的材料因冲蚀而流失，特别是过流部件材料的流失更多，产生严重的乏力现象，导致机组效率下降，因冲蚀导致的磨损使水轮机组的寿命缩短，迫使机组频繁大修；冲蚀磨损既导

致机组零部件失衡又导致水轮机组的振动与运转不稳定，严重威胁机组和员工的安全。

为减轻水轮机过流部分的砂浆冲蚀，提高水轮机的运行寿命，减少水源损失，确保水电站的经济效益以及水轮机组和水电站员工的安全，水电战线的广大工程技术人员和员工做了许多工作，除设置沉沙池，改进水力机械设计、控制运行工况外，对水力机械中冲蚀磨损的规律，抗磨措施以及提高过流部件本身的耐磨性能、研发新的抗磨材料、应用表面改性等新技术、新工艺等，都做了大量的工作，取得了可喜的成果，我们借鉴这些宝贵的成果和丰富的实践经验，应用再制造技术、表面工程技术、深冷技术和其它先进的科学技术，对水电设备做一些研发性的由浅到深，由点到面的在制造工程，旨在同水电战线上的仁人志士一起积极贯彻党中央和国务院的重大战略决策，携手共进，在水电行业探索水电设备绿色再制造的途径，为发展资源节约型的可持续发展的水电工程（行业）做出贡献。

拟采用下列技术对水电设备的相关零部件实施再制造技术：

1.应用深冷改性处理技术实施再制造

深冷改性处理技术是通过将零部件置于-1300C以下的超低温介质（一般使用液氮）中，按一定的工艺流程对零部件的基体材料进行改性处理，将基体材料中残余的奥氏体大部分转化为马氏体，消除残余应力，改善金相组织的均匀性，减小变形，以提高零部件的尺寸稳定性，同时提高它们的硬度，强韧性，整体的耐磨性（磨损层裸露后的新表面具有同样的耐磨性）和使用寿命，是一种无污染、对零部件

无损伤、成本低，且操作简便的具有较大效益和市场前景的非常看好的新技术、新工艺，它是常规冷处理的延伸—超低温处理工艺。

用深冷处理技术既可以对新品处理，也可以对报废的零部件实施处理后再施以绿色再制造技术，使已报废的零部件达到甚至超过新品的性能；深冷处理技术不仅可以对黑色金属（钢铁、铸件），有色金属进行深冷处理，还可以对非金属材料（塑料、橡胶、陶瓷及植物材料等）进行深冷处理。

2.应用表面工程技术实施再制造

①源于传统堆焊而又优于传统堆焊的仿形堆焊技术对导叶、叶片的再制造，其所用的焊条（丝）材质，同基体的材质相同甚至优于基体的材质，应用计算机控制实施仿形堆焊，直接达到新片的外形和尺寸要求。

②以优于黄铜强度的材质制作水轮机的上轴套和中轴套，并以纳米铜基材料自润滑镀液刷镀其内孔，既节约了贵重的黄铜降低了成本，又提高了轴套耐冲蚀的性能，还保证了同导叶轴摩擦间的功能，并延长了轴套的使用寿命，实现了零部件与整机同寿命的要求，减少了更换黄铜轴套的停机时间和由于停机所带来的停产损失；

③应用自检手段，在零部件冲蚀磨损达到规定值（以相同水头发电量下降到一定指标为限）时，停机换机用1～2天的时间，恢复正常发电，这样既可以减少大修停机所造成的经济损失，又能使替换下来的零部件便于实施再制造而成为水轮机的备件待机使用，否则待大修时，替换下的零部件因冲蚀磨损严重，而失去再制造的意义予

以舍弃造成“社会公害”；

④应用超音速火焰喷涂（HVOF）技术对水轮机转轮叶片实施再制造。

水轮机转轮及其叶片是水力机械过流部件在泥沙水流冲蚀中材料流失最为严重的零部件，几十年来困扰着水力机械的发展，国内外的专业人士经过多年的研发攻关，应用超音速火焰在转轮叶片上喷涂防护层（WC-10C O-4C r涂层），该涂层由于WC有较高的沉积效率，制备的涂层致密性好，与基体结合强度高；同时由于WC颗粒的高硬度和金属C O的高韧性双优势的结合，使WC-C O涂层具有较高的耐冲蚀能力；加入C r不仅能改善涂层的抚腐蚀能力。而且显著提高了WC颗粒与C O粘结相的结合，使涂层乃冲刷，耐冲蚀的性能更优，为水轮机过流叶片的绿色再制造提供了可靠的技术保障；

⑤其它表面工程技术如喷焊高性能金属或合金涂层、涂覆环氧金刚砂涂层，喷涂呢绒涂层等也都在水电设备的再制造中发挥了较大的作用。

⑥水电设备实现智能自修复的展望

随着表面工程技术和绿色再制造技术，特别是信息技术和生物技术的飞速发展，对机电设备再制造和运行性能的要求越来越高，借鉴自然界生物的自主调理和自愈合功能，要求设备在运行中能够自行感知外部的环境变，对自身的失效形式、故障等做出自诊断，并以一种优化方式对环境做出响应，不断自动调整自身的内部结构，通过自生长或原位复合等再生机制实现对缺损部位的自补偿、自愈合—设备的智能

自修复—一种集现代化信息技术、微纳米技术和生物技术用以提升传统制造和绿色再制造业的综合应用和创新，是提高设备性能和可靠性、延长设备寿命、预防设备故障、减免设备维修的划时的重要技术举措。

相信在不久的将来，智能自修复技术将应用于水电设备的制造和运行中，以提高水电设备的运行效率和经济与社会效益，减少能源和能源的消耗，为创造资源节约型、社会友好型，可持续发展之路做出贡献。

我们希望同水电战线上的仁人志士携手共进，为实现这一宏伟目标而努力奋斗！

2008年7月9日