Melyek a leggyakrabban előforduló meghibásodások okai a szélturbinás sebességváltó kovácsolásakor?

A meghibásodás leggyakoribb okai Szélturbinás sebességváltó kovácsolás vannak anyagfáradtság, felszín alatti zárványhibák, nem megfelelő hőkezelés, eltolódás által kiváltott feszültségkoncentrációk és kenés meghibásodása . A National Renewable Energy Laboratory (NREL) tanulmányai azt mutatják, hogy a sebességváltó meghibásodása kb. A szélturbinák állásidejének 20%-a , így ezek a nem tervezett karbantartási költségek legnagyobb forrásai az iparágban. A kiváltó okok kovácsolási és anyagszintű megértése a leghatékonyabb út az idő előtti meghibásodás megelőzésére.

Anyagfáradás: A vezető mechanikai hibamód

A működő szélturbinák sebességváltó-kovácsolási hibáinak többségéért a fáradtság a felelős. A statikus túlterheléstől eltérően a kifáradás okozta sérülések több millió terhelési ciklus alatt láthatatlanul halmozódnak fel, mielőtt a repedés a felszínre terjedne.

Hogyan kezdődik a fáradtság a kovácsoltoknál

A hajtómű gyűrűs fogaskerekeiben, bolygótartókban és kimenő tengelyekben a ciklikus hajlítási és torziós terhelések mikrorepedéseket okoznak a feszültségkoncentrációs pontokon, mint például a kulcshornyok, a hornyok és a keresztfuratok metszéspontjai. Egy 2019-ben megjelent elemzés szerint Szélenergia (Wiley), a fogaskerekek foghibáinak több mint 60%-a szélturbinás hajtóművekben az érintkezési felületen vagy közvetlenül alatta keletkező fáradási repedésekből származnak.

A változó terhelési spektrum súlyosbítja a fáradtságot

A szélturbinák rendkívül szabálytalan terhelési spektrumokat tapasztalnak. A széllökések, a turbulencia és a start-stop ciklusok azt jelentik, hogy a sebességváltó alkatrészei ritkán tapasztalnak állandósult terhelést. Ez a változó amplitúdójú terhelés az állandó amplitúdójú laboratóriumi vizsgálati körülményekhez képest felgyorsítja a kifáradási károsodás felhalmozódását, ezért sok standard kifáradási besorolás alábecsüli a valós élettartamot.

Felszín alatti zárványok és belső hibák

Még a jó minőségű kovácsolás is tartalmazhat belső hibákat, amelyek az idő előtti repedés kiindulási helyeiként szolgálnak. A legproblémásabbak az acélgyártás során bevitt vagy a nem megfelelő feldolgozás során visszatartott nemfémes zárványok – oxidok, szulfidok és szilikátok.

Befogadási típusok és hatásaik

Forrás: ASM International, A hőkezelt acél alkatrészek meghibásodásának elemzése , 2008.

A nagy sebességváltó kovácsolásoknál -- a 2000 kg feletti bolygóhordozók gyakoriak a 3 MW-os turbinákban -- a hidrogén által kiváltott hámlás különösen komoly kockázatot jelent, ha a kovácsolás utáni lassú hűtési vagy lágyítási eljárásokat nem követik szigorúan.

Nem megfelelő hőkezelés és keményedési hibák

A sebességváltó-kovácsolásnak pontos egyensúlyt kell elérnie a kemény, kopásálló felületi réteg és a szívós, képlékeny mag között. Ha a hőkezelést rosszul szabályozzák, ez az egyensúly elveszik, és a szervizelés során gyorsan meghibásodnak.

Gyakori hőkezelési hibák

• Nem megfelelő házmélység a karburált vagy nitridált fogaskerekekben, ami az alház kifáradási repedését okozza
• Nem egyenletes keményedés a nem megfelelő kioltó keverés miatt, puha foltok maradnak a kovácsolásban
• A felületi réteg szénmentesítése kovácsolás vagy normalizálás során, a felületi kifáradási szilárdság csökkentése akár 30% (Forrás: AGMA 923-B05, Metallurgical Specification for Steel Gearing)
• A vastag metszetű alkatrészek túlzott termikus gradienséből adódó repedéseket kioltják
• Megtartott ausztenit az elfogadható küszöbértékek felett, ami üzemi feszültség hatására átalakul és méretinstabilitást okoz

A szélturbina hajtómű gyűrűs fogaskerekeinél – amelyek falvastagsága meghaladja a 150 mm-t – az egyenletes átkeményedés eléréséhez gondosan kiválasztott, megfelelő edzhetőségű acélminőségek (jellemzően 18CrNiMo7-6 vagy 20MnCr5), valamint pontosan szabályozott oltóközeg és hőmérséklet-profilok szükségesek.

Folyóvezeték-hibák és rossz szemcseszerkezet kovácsolása

A kész hajtóműkovácsolás mechanikai tulajdonságait közvetlenül meghatározza a kovácsolás során keletkező belső szemcseáramlás. A rosszul megtervezett kovácsolószerszámok vagy a nem megfelelő redukciós arányok olyan hibákat okozhatnak, amelyek mindaddig rejtve maradnak, amíg az alkatrész üzemképtelenné válik.

Főbb szerkezeti hibák a kovácsolásból

• Körök és hidegzárások: Akkor keletkezik, amikor a fém ráhajlik magára a szerszámfeltöltés során, és olyan varrást hoz létre, amely már meglévő repedésként működik
• Átfolyási hibák: Akkor fordul elő, ha az anyag helytelenül áramlik a magok vagy tüskék körül, megzavarva a szemcsefolytonosságot
• Durva szemcsesávok: A melegmunka elégtelen csökkentése vagy a szemcsésedési hőmérséklet feletti újramelegítés eredménye, ami az ütésállóságot annyival csökkenti 40% a finomszemcsés mikrostruktúrákhoz képest (Forrás: ASTM E112 szemcseméret szabványok és ipari kovácsolási adatok)
• Szegregációs középvonalak: A nagy átmérőjű tengelykovácsolásoknál az ötvözet leválása az eredeti öntvénytől a kovácsolás után is fennmaradhat, és eltérő keménységű és fáradtságállóságú zónákat hoz létre.

A kiváló minőségű gyártók ezeket a kockázatokat szigorú folyamattervezéssel kezelik, beleértve a megfelelő kovácsolás-csökkentési arányokat (általában minimum 4:1-es csökkenést a tuskóhoz képest), az ellenőrzött újramelegítési hőmérsékleteket és az összes kész kovácsolt anyag kötelező ultrahangos vizsgálatát (UT) az olyan szabványok szerint, mint az EN 10228-3 vagy az ASTM A388.

Kenési hiba és kapcsolata a kovácsolt felület minőségével

A kenési hibákat gyakran pusztán működési problémaként kezelik, de a hajtómű kovácsolásának felületi minősége és méretpontossága közvetlenül meghatározza, hogy a kenőanyag-film terhelés alatt mennyire marad fenn.

Hogyan gyorsítja fel a felületi állapot a kopást

A durva vagy szabálytalan kovácsolt felületek – még megmunkálás után is – nagy asperitási érintkezési nyomást hoznak létre, amely átlyukasztja az elasztohidrodinamikus (EHL) kenőanyag filmet. Fém-fém érintkezés esetén a felületi hőmérséklet a mikro érintkezési pontokon meghaladhatja 300 fok C lokálisan (Forrás: Tribology International, 44. kötet, 2011), ami mikrohegesztéshez, kopáshoz és gyors felületi kifáradáshoz vezet.

Az NREL Gearbox Reliability Collaborative (GRC) a bolygó- és a napfogaskerekek fogazatán észlelt micropittinget azonosította elsődleges károsodási módként a terepi visszacsatolású sebességváltókban, ahol az Ra 0,4 mikron feletti felületi érdesség értékei még megfelelő kenőanyag-viszkozitás mellett is jelentősen növelik a micropitting kockázatát.

A kenőanyag szennyeződés a kovácsolási maradványokból

A hajtóműházak belső üregeiben vagy üreges tengelyeiben visszamaradt vízkő, oxidrészecskék vagy visszamaradt sörétes közeg keringhet a szervizolajban, ami a három test kopását okozza, ami sokkal gyorsabban károsítja a csapágypályákat és a fogaskerekek oldalait, mint azt a tervezési előrejelzések feltételezik.

Eltérés és az összeszerelés által kiváltott stresszkoncentrációk

Még a tökéletesen megmunkált hajtóműkovácsolás is idő előtt meghibásodhat, ha a hajtómű rosszul van összeszerelve, vagy ha a hajtáslánc eltolódása váratlan hajlítónyomatékokat közvetít a hajtóműházba és a tengelyekbe.

A szélturbinás hajtásláncok eltolódásának forrásai

• A fő csapágykopás lehetővé teszi a forgórész tengely elhajlását, ami aszimmetrikusan terheli a sebességváltó bemenő tengelyét
• Torony lerakódás vagy gondola alaplemez torzulás, ami szögeltérést okoz a sebességváltó és a generátor között
• A nyomatékkar persely helytelen beszerelése, a reakcióerők koncentrálása a sebességváltó házának kovácsolásának meghatározott pontjain
• A bolygóhordozó furat eltolódása meghaladja 0,05 mm , amely egyes bolygókerekeket tehermentesít, míg másokat túlterhel – a bolygókerekek és a csapágyak idő előtti meghibásodásának ismert oka (Forrás: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

Korrózió és környezeti leromlás

A tengeri és part menti szélturbinák a sebességváltó alkatrészeit nedvességnek, sópermetnek és hőmérséklet-ciklusnak teszik ki, ami felgyorsítja a korróziós kifáradást – a mechanikai kifáradás és a korróziós hatás kombinációja, amely károsabb, mint bármelyik tényező önmagában.

A publikált kutatás a International Journal of Fatigue (2017) kimutatták, hogy a korróziós kifáradás csökkenti az alacsonyan ötvözött acél hajtóműtengelyek fáradási határát akár 50% száraz levegőn végzett vizsgálatokhoz képest. A korrózióból származó felszíni gödrök feszültségkoncentrátorként működnek, hatékony feszültségintenzitási tényezőkkel, amelyek összehasonlíthatók a megmunkált bevágásokkal.

Offshore alkalmazások esetén a sebességváltó kovácsolási specifikációinak foglalkozniuk kell a korrózióállósággal az anyagválasztáson, a védőbevonatokon és a tömített kenőrendszereken keresztül – nem csupán a szárazföldi minőségű alkatrészek szabványaira hagyatkozni.

Hogyan csökkentik a kiváló minőségű kovácsolt anyagok a meghibásodás kockázatát?

A szigorú minőségirányítás mellett előállított kovácsolt termékek kiválasztása közvetlenül a fent felsorolt kiváltó okokat kezeli. A legfontosabb minőségi mutatók a következők:

1. Tiszta acélgyártás vákuumos gáztalanítással (VD) vagy vákuumíves újraolvasztással (VAR) a zárványtartalom minimalizálása érdekében
2. Ellenőrzött kovácsoláscsökkentési arányok és hitelesített szerszámkialakítások az egyenletes szemcseáramlás biztosítására
3. A hőkezelési nyilvántartások teljes nyomon követhetősége, beleértve az egyes tételekre vonatkozó idő-hőmérséklet diagramokat
4. 100%-os ultrahangos vizsgálat (UT) az EN 10228-3 Class 3 vagy azzal egyenértékű szabvány szerint, plusz mágneses részecskevizsgálat (MPI) minden kész felületen
5. Mechanikai vizsgálati tanúsítványok (szakító, ütés, keménység) a próbahosszabbításokból kivágott mintákról, amelyeket az alkatrészrel egybekovácsoltak

A kovácsolási beszállítókat értékelő beszerzési csapatok és szélturbinás OEM-ek számára a mi Szélturbinás sebességváltó kovácsolás vannak manufactured to meet these exacting standards -- covering ring gears, planet carriers, output shafts, and housing components for turbines from 1.5 MW to 6 MW class, with full material certification and NDE documentation supplied with every order.

Összegzés: A kudarcok okai egy pillantásra