← Terug naar categorie Lagers

Worteloorzaak analyse van lagerschade in windturbines

nsk turbine hauptrotorlager

De symptomen van lagerschade die bekend staat als White Structure Flaking, die voorkomen in windturbines en andere aandrijfsystemen, worden doorgaans heel vroeg merkbaar, ruim voor het einde van de verwachte levensduur van het lager.

De oorzaken zijn lang onbekend gebleven, maar nu worden nieuwe bevindingen beschikbaar gesteld door de gespecialiseerde NSK, waarvan de resultaten hebben geleid tot de ontwikkeling van een nieuw lagermateriaal dat significante voordelen biedt voor de levensduur van windturbines.

Aandrijfcomponenten voor windturbines moeten voldoen aan strenge eisen op het gebied van duurzaamheid en weerstand, en deze eisen worden steeds strenger.

Onshore-turbines vereisen van oudsher lagers die zijn ontworpen om een ​​levensduur van 175,000-uren te behouden, wat overeenkomt met 20-jaren. In de snelgroeiende markt voor offshore windparken, waar hoge investeringen en moeilijke toegang tot de locatie gebruikelijk zijn, is een levensduur van 25 jaar vereist.

Langere levensduur, hogere dynamische belastingen

Met extreme dynamische belastingen die op de aandrijflijn van een windturbine werken, vormt deze vereiste een echte uitdaging. In onshore windturbines ondergaan de hoofdlagers lasten van ongeveer 1 MN. Op zee echter, vanwege zeer hoge windsnelheden, werken nog sterkere statische en dynamische belastingen op de rotor en, bijgevolg, op de gehele aandrijflijn.

Tegelijkertijd groeit de omvang en prestaties van de systemen in zowel onshore als offshore-toepassingen continu. NSK produceert op dit moment lagers voor 9.5 MW-turbines, die binnenkort in volledige productie zullen zijn. Bovendien ontwikkelt het bedrijf nu lagers voor offshore windturbines met een nog hoger nominaal vermogen.

nsk versnellingsbak

Met AWS-TF heeft NSK speciaal voor windturbinelagers een nieuw materiaal ontwikkeld

Conditiebewaking

Hogere prestaties en het groeiende marktaandeel van offshore-turbines zijn belangrijke drijfveren achter de toenemende vraag naar een langere levensduur van de lagers. Als gevolg hiervan is windenergietechnologie een ideaal toepassingsgebied voor online conditiemonitoringsystemen, die continu trillingen in het aandrijfsysteem meten en analyseren. Als lagerschade optreedt, kunnen de defecte componenten (binnen- of buitenring, rollen of kooi) vroegtijdig worden opgespoord door het meetprofiel te analyseren.

Een door NSK ontwikkeld conditiebewakingssysteem (CMS) is onlangs geïnstalleerd in een offshore windpark in Japan. De rol van het CMS is om afwijkingen vroeg genoeg te detecteren om voorspellende onderhoudsstrategieën mogelijk te maken. NSK ziet een groot marktpotentieel voor oplossingen van dit type.

Intensieve materialenontwikkeling

Het monitoren van bruikbare omstandigheden kan echter een secundaire maatregel zijn in kritieke toepassingsgebieden. Het primaire technische doel bij het ontwikkelen van lagers voor windturbines is en blijft nog steeds om een ​​hoge mate van betrouwbaarheid te garanderen. In dit opzicht hebben fabrikanten al aanzienlijke vooruitgang geboekt.

Een belangrijke bijdrage aan de vooruitgang was bijvoorbeeld de ontwikkeling van nieuwe materialen en warmtebehandelingsprocessen, zoals NSK's speciale Super Tough (STF) speciaal staal. Lagers gemaakt van dit materiaal gaan twee keer zo lang mee als die vervaardigd met conventioneel staal. In feite is de bijbehorende toename van de belastingbeoordeling in december 2017 door DNV GL bevestigd en gecertificeerd.

De langdurige eigenschappen van STF zijn bereikt door een bepaalde chemische samenstelling en een speciaal warmtebehandelingsproces te gebruiken. Typische symptomen van schade, zoals vermoeidheidslevensgerelateerde scheuren in de loopbanen van het lager veroorzaakt door niet-metalen insluitsels in het lagerstaal, zijn vrijwel geëlimineerd in lagers die zijn vervaardigd met STF.

Onderzoek naar de oorzaken van afbladdering van witte structuren

Een probleem dat de industrie nog steeds treft, is het soort schade dat bekend staat als White Structure Flaking (WSF) of White Etching Cracks (WEC). In het geval van beide faalwijzen, vertonen bepaalde gebieden van het materiaal onder de loopbaan van het lager lokale verbrossing. De broze structuur kan de belasting niet weerstaan ​​en is dus de kern van scheuren.

Uiteindelijk groeien deze scheuren op tot aan de loopbaan en ten slotte mislukt het lager. Het is typerend dat dit soort schade relatief vroeg verschijnt; ergens kort nadat het systeem in gebruik is genomen.

Na het uitvoeren van een picral-ets vertonen deze entiteiten een wit uiterlijk en worden ze dus witte structuren genoemd.

witte etsgebieden

Symptomen van schade aan een lagerring van White Etching Cracks

Intensieve testen op de afdeling onderzoek en ontwikkeling van NSK hebben de schade kunnen repliceren en geven een hypothese over de oorsprong ervan. Diverse rolling contact vermoeidheidstests hebben aangetoond dat witte structuren worden veroorzaakt door waterstofpenetratie.

Deze waterstofpenetratie wordt zeer waarschijnlijk beïnvloed door verschillende factoren en hun combinatie, inclusief axiale of circumferentiële slip tussen walsen en loopbanen, elektriciteit en bepaalde soorten smering.

Waterstof dringt vervolgens de loopbaan binnen en vormt de typische witte etsstructuren die leiden tot scheurformaties en uiteindelijk resulteren in afbladderen. Deze scheuren kunnen enkele millimeters lang zijn en zich van binnen naar buiten verspreiden. Destructieve testen van gebruikte lagers die geen zichtbare tekenen van oppervlaktebeschadiging vertoonden, toonden aan dat witte etsgebieden hier zelfs aanwezig kunnen zijn.

Wanneer de schade meer in detail wordt onderzocht, kan worden opgemerkt dat onder invloed van waterstof de oorspronkelijk martensitische microstructuur degradeert tot een zeer fijnkorrelig, bros ferriet. Dit mechanisme kan worden verklaard door de Hydrogen Enhanced Localized Plasticity (HELP) -theorie.

Een van zijn kenmerken is dat plasticiteit alleen plaatselijk voorkomt en dat de globale vermoeidheid van het lager gering is, dus het is niet een van de klassieke soorten vermoeidheidsschade die ofwel onder de loopbaan ontstaan ​​(door de opname van niet-metaalachtige deeltjes) of in de loopring (als gevolg van ernstige verontreiniging).

Vergelijking van nieuwe en gebruikte lagers

Waar komt de waterstof vandaan? Door nieuw en gebruikt peilingen te vergelijken, stelde het centrale onderzoeksteam van NSK vast dat waterstof alleen wordt gevormd terwijl de lagers in bedrijf zijn.

Het is waarschijnlijk (althans dit is de eerste veronderstelling) dat de waterstof afkomstig is van de koolwaterstofketens van smeermiddelen en hun additieven. Deze theorie werd onderbouwd nadat de typische schade symptomen van de witte structuren konden worden gereproduceerd in het laboratorium met bepaalde soorten oliën en vetten.

Vergelijkbare schade werd gemeld door de automobielindustrie in de 1990s, wat de theorie verder ondersteunde. Hier faalden de lagers van riemspanners en dynamo's voortijdig, maar het vet werd vervangen door het riemmateriaal en het probleem werd opgelost. De invloed van elektriciteit (stroomstroming) op deze storingsmodus moet echter nog worden bepaald.

nsk rollager grote versnellingsbakken

NSK heeft al meer dan 20 jaar een uitgebreid portfolio van lagers voor windturbines aangeboden

Nieuwe legeringen, specifieke warmtebehandeling

NSK heeft nieuwe legeringen ontwikkeld die betere resultaten opleveren bij rollende contactvermoeidheidstests. In tests met waterstoflading leidde de geoptimaliseerde chemische samenstelling tot een vijfvoudige toename van de WSF-weerstand in vergelijking met conventionele lagerstaalsoorten.

Een significante verbetering wordt ook bereikt door een geoptimaliseerde warmtebehandeling. Hier kan restspanning onder de loopbanen worden verhoogd door carbonitreren in plaats van doorharden. Hoewel deze maatregel de vorming van de witte structuren niet voorkomt, ontwikkelen zich van deze structuren aanzienlijk minder scheuren en verspreiden ze zich langzamer naar de oppervlakte.

AWS-TF, een nieuw lagermateriaal

Op basis van deze bevindingen introduceerde NSK een nieuw materiaal voor lagers, AWS-TF genaamd (AWS staat voor Anti-White Structure), dat de geoptimaliseerde chemische samenstelling combineert met geoptimaliseerde warmtebehandeling.

Tests hebben aangetoond dat hoewel lagers van AWS-TF het risico op WEC niet volledig elimineren, de vertraging voordat schade optreedt zeven keer langer is in vergelijking met conventionele lagerstaalsoorten. De eerste veldtests op kritieke installatiesites zijn momenteel aan de gang en lijken deze testresultaten te bevestigen.

Voor meer informatie, bezoek www.nskeurope.com

NSK EUROPE LTD

Handtekening: Brons lidmaatschap

Gerelateerd nieuws

Laat een reactie achter

Uw e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Verplichte velden zijn gemarkeerd *

Deze site gebruikt Akismet om spam te verminderen. Ontdek hoe uw reactiegegevens worden verwerkt.