С дальнейшим расширением ветряных турбин все больше и больше мегаваттных электростанций строятся в оффшорном секторе, где ремонт может быть очень сложным. Если, например, выходит из строя планетарный подшипник в коробке передач морской турбины, коробка передач должна быть снята и отремонтирована на суше. Затраты, связанные с этим, значительны и обычно составляют более одного миллиона евро. По этой причине современные подшипники редукторов в ветряных турбинах имеют расчетный срок службы от 20 до 25 лет. Тем не менее, всегда наблюдаются ранние отказы, которые являются неспецифичными и которые можно определить с помощью широкого спектра конструкций подшипников. Причины повреждения, описанного как «белые трещины травления» (WEC), еще окончательно не выяснены,определенно можно рассматривать как системную проблему, возникающую из-за дополнительных напряжений, вызванных трением, динамикой и электрикой.
Последствия: преждевременный отказ склада
Повреждение WEC первоначально происходит в виде структурных изменений в материале, которые образуются ниже поверхности подшипника. В дальнейшем, микротрещины распространяются на поверхность под воздействием внешних нагрузок и появляются там как осевые трещины, типичные для характера повреждения или расслоения, предпочтительно на дорожке качения внутреннего кольца подшипников. В редких случаях это также может повлиять на внешнее кольцо или элементы качения. Повреждение возникает как в случае мартенситной или бейнитной закалки, так и в случае затвердевания подшипников качения. Если повреждение прогрессирует, кольцо может сломаться или сломаться, что приведет к преждевременному выходу из строя подшипника.
Картинная галерея
Причина № 1: водородная гипотеза
Причины появления WEC еще не полностью выяснены. Однако существует несколько гипотез об их происхождении, из которых так называемая водородная гипотеза в настоящее время рассматривается экспертами как наиболее вероятная. Он описывает следующую цепочку событий: В непосредственной близости от подшипников, например, в смазочном масле, присутствует водород в молекулярной форме. Во-первых, это не может диффундировать в сталь подшипника качения. Однако электрические поля или химические процессы могут расщеплять водород в атомную форму. Атомы водорода являются диффундирующими, поэтому они могут проникать в сталь и концентрироваться на неметаллических включениях или других дефектах материала.
Структурные изменения в случае ранее поврежденного материала
В результате предел текучести материала уменьшается. Дальнейшая внешняя нагрузка за предел текучести вызывает структурные изменения в ранее поврежденном материале. По сравнению с основным материалом создаются очень жесткие зоны с нанокристаллическим ферритом. Эти области нанокристаллической структуры не подвергаются воздействию нитального травления и выглядят как вытравленные белым цветом, поэтому их называют «белыми трещинами травления». Если дальнейшая нагрузка воздействует на измененный материал извне, между жесткой и менее жесткой зонами возникает напряжение, и, в конечном итоге, трещины, которые расширяются до поверхности и могут привести к выходу подшипника из строя.
Причина № 2: электромагнитная причина
Другим объяснением является электромагнитная гипотеза о том, что сталь подшипника качения повреждена индуцированными токами. Электромагнитная гипотеза в настоящее время больше не реализуется; однако электромагнитные помехи могут рассматриваться как дополнительное бремя.
Стратегия: испытательные стенды WEC
Даже если до сих пор нет окончательного ответа на причины: с инновационными методами испытаний и материалов, Schaeffler разработал эффективные стратегии против возникновения WEC. Для этой цели производитель подшипников качения эксплуатирует широкий спектр испытательных стендов WEC, в которых моделируются дополнительные нагрузки, известные для возникновения WEC. Поэтому испытательные стенды пригодны для воспроизведения повреждений и для проверки подходящих контрмер.
Решение № 1: уменьшить дополнительный стресс
Есть в основном два подхода. Одним из них является снижение дополнительного стресса. Например, трение может быть уменьшено путем оптимизации количества масла и вязкости трансмиссионного масла, динамическая нагрузка на подшипники может быть уменьшена за счет вибраций и крутильных колебаний или электрические экраны, действующие на подшипники, могут быть экранированы. Это требует сотрудничества всех партнеров, которые производят компоненты для трансмиссии ветряных турбин.
Решение № 2: покрытие подшипников
Другой подход заключается в увеличении прочности WEC подшипника. Исходя из водородной гипотезы, это означает предотвращение генерации атомарного водорода покрытием или препятствование диффузии водорода в материал основы. Рекомендованная и статистически проверенная технология Schaeffler для эффективного и экономичного уменьшения ущерба WEC заключается в покрытии подшипников системой нанесения покрытия Durotect B.
Система слоев Durotect B является дальнейшим развитием обычных слоев для подрумянивания и обладает повышенной производительностью. Система, разработанная экспертами в Центре компетенции Surface Technology в Schaeffler, не только повышает защиту от WEC, но также снижает риск повреждения скольжения, улучшает поведение при запуске и обеспечивает повышенную защиту от коррозии. WEC пострадали менее чем на 0,02 процента из приблизительно 550 000 сквозных закаленных ветроэнергетических подшипников, покрытых Durotect B, которые были произведены и поставлены Schaeffler для использования в положениях подшипников, затронутых WEC за последние десять лет.
Обзор дополнительной информации о трещинах белого травления
Трещины белого травления (WEC) становятся видимыми через трещины на поверхности дорожки качения подшипника качения. Они также могут проявить себя в виде ямок и пилингов в карьере. Трещины на поверхности являются результатом поврежденных структурных областей внутри стали.
Появление WEC еще окончательно не выяснено. Наиболее правдоподобная гипотеза предполагает, что молекулы водорода в среде хранения разбиваются на атомы электрическими полями или химическими процессами, проникают в сталь и затем повреждают ее изнутри; эти разрушенные структурные области кажутся белыми при травлении.
Ущерб с дорогостоящими последствиями
Хотя повреждение WEC происходит очень редко, оно может привести к ранним сбоям через один-два года из-за макроскопического повреждения в карьере или даже разрыва кольца. Замена подшипника редуктора на морских заводах стоит более миллиона евро.
Контрмеры
Одна стратегия заключается в уменьшении дополнительного напряжения на подшипнике в виде электрических полей, смешанного трения и динамических нагрузок, а другая стратегия заключается в использовании покрытых роликовых подшипников. Schaeffler также разработал специальную сталь с высоким содержанием хрома, в которой еще не было случаев WEC.
Карбонитрирование с более высокими показателями нагрузки
Если требуется более высокая грузоподъемность, Schaeffler предлагает подшипники качения с карбонитрированием из материала Mancrodur с покрытием Durotect B. При карбонитрировании подшипники подвергаются специальному процессу термообработки, при котором поверхность компонента обогащается углеродом и азотом. Это дает подшипникам более высокую твердость поверхности и износостойкость.
Использование высокохромистой специальной стали Cronidur 30 означает, что образование WEC может быть полностью исключено в соответствии с современными знаниями. До настоящего времени не известно ни одного случая WEC с подшипниками Cronidur 30, которые использовались в этой заявке в течение четырех лет. Благодаря использованию этого материала базовая грузоподъемность может быть увеличена до 70 процентов, что приводит к увеличению срока службы и лучшей защите от коррозии. (Ага)
* * Руководитель проекта «Белые травильные трещины» в Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Швайнфурт