Fagligt talt: Nye nitrerede lejestål kan forhindre vindmøllehavarier
Revner der dannes under overfladen af vindmøllelejer og forårsager afskalninger kan historisk set betragtes som den dyreste enkeltstående havaritype af alle vindmøllekomponenter.
I dag findes der ingen garantier imod dannelsen af disse revner. Løsningen kan dog findes i nitrering af martensitisk rustfrie stål.
White Etch Cracking (WEC) er en særligt aggressiv og uforudsigelig havaritype der hyppigt konstateres i industrier der anvender rullelejer, hvilket har medført en voksende opmærksomhed omkring WEC.
Udtrykket WEC henfører til det revnenetværk, der dannes under overfladen af lejerne, og som er omgivet af en ”hærdet” mikrostruktur der fremstår hvid ved metallografisk undersøgelse med lysoptisk mikroskopi af ætsede overflader.
WEC opstår under anvendelsen af større rullelejer, som benyttes i en række industrier, herunder transport og konstruktionssektorerne.
Dog forekommer skadesmekanismen oftest indenfor vindenergi-sektoren, og grundet det stigende antal installerede multi-MW møller er der en opskalering af dimensionerne.
WEC forekommer typisk i vindmøllens gearkasselejer, hvor det har været den hyppigst forekommende havariårsag. WEC er en særligt aggressiv og uforudsigelig havaritype som for det meste opstår efter omkring 5-20% af den beregnede levetid for lejer i vindmøllegearkasser.
Der findes ingen beregningsmetoder til at forudsige WEC. Problemet er ikke tilknyttet til et specifikt produkt, producent eller land, men må ses som et generisk problem der påvirker hele vindmøllesektoren. WEC kan historisk set ses som den mest alvorlige enkeltstående skadestype for visse vindmølletyper.
Hvis WEC for eksempel opstår i planetlejerne, så er det hele gearkassen, der skal udskiftes. Hvis der er tale om en havmølle, så er det en særdeles bekostelig affære, da der skal rekvireres et skib som kan løfte den tonstunge gearkasse op i møllehuset, udover omkostningen til en ny gearkasse. Man har implementeret visse præventive foranstaltninger baseret på den bedste praksis, men der er endnu ingen kommercielt tilgængelige løsninger som kan give garanti imod WEC.
Der er mange hypoteser om hvorfor WEC opstår, men den faktiske årsag kendes endnu ikke med sikkerhed. WEC opstår oftere i vindmøller end i andre mere kontrollerede industrimiljøer, hvor samme type lejer bruges, så noget tyder
på, at årsagen er de særlige omstændigheder, som vindmøller udsættes for.
Dette kan for eksempel være på grund af de store variationer i belastningerne, forårsaget af turbulens, mange stop og opstarter eller pludselige udfald af el-nettet, som kan forårsage at rullerne eller kuglerne i lejerne ”glider” i stedet for at rulle.
Andre hypoteser indikerer, at der kan være uheldige tilsætningsstoffer fra smøreolien som fremprovoker revnedannelsen, og igen andre hypoteser indikerer at det kan forårsages af krybestrømme der kan genereres igennem statisk elektricitet inde i navet.
Fælles for hypoteserne er dog, at de alle kan frigøre udefra kommende brint, for eksempel fra smøreolien, som kan trænge ind i lejestålet og gøre det sårbart overfor WEC – altså en slags ”brintskørhed”.
Lejematerialerne bliver normalt fremstillet i høj-kulstofholdige stål såsom ”100Cr6”, som har været i brug i snart mere end 100 år. Dette materiale bliver typisk varmebehandlet (gennemhærdet) til en relativ stor hårdhed/styrke for at kunne klare de meget høje belastninger som findes i et leje; specielt de høje kontakttryk – eller Hertzske tryk – som giver maksimal belastning et stykke under overfladen.
Som alternativ til gennemhærdende lejestål har man også i mange år benyttet sig af indsætningshærdning (karburering), hvor man tilfører kulstof til overfladen og laver en martensitisk hærdet ”skal” på en duktil kerne.
Denne proces kan give hærdningsdybder på flere mm – dybt nok til at klare de belastninger lejet udsættes for. En fordel ved indsætningshærdning er, at man opnår trykspændinger i overfladezonen, som kan modvirke dannelse og vækst af revner.
Dette er dog ikke nok til at undgå WEC, da skaden ses i både gennemhærdende stål og indsatshærdet stål. Andre løsninger man har arbejdet med i danske universitet-industri projekter (REWIND) har involveret klassiske nitreringsløsninger på såkaldte nitreringsstål; en løsning som bl.a. har fundet anvendelse til lejer i helikoptere.
Denne løsning har vist sig ganske effektiv til levetidsforlængelse, men har en indbygget begrænsning i den dybde der kan opnås – her opnås maksimalt 1 mm tykkelse af den nitrerede zone.
I ”branchen” findes et materiale som er bredt anerkendt for at være helt immunt over for WEC og det er et nitrogenholdigt martensitisk rusfrit stål benævnt ”Cronidur30”, men har dog også andre kommercielle navne afhængig af producent.
Det er et specielt stål, hvor man tilfører nitrogen under tryk til smelten, hvilket gør det besværligt at fremstille – især til store komponenter. Cronidur30 er derfor også urealistisk dyrt til brug i lejer til vindmøller, men regnes for den ”hellige gral” i materialeverdenen. Innovationsfondsprojektet Whitewind finder inspiration i den klassiske nitreringsløsning (jf. ovenstående) og den mikrostruktur som findes i Cronidur30.
Whitewind konsortiet består på industrisiden af lejevirksomheden SKF, vindmølleproducenten Vestas og overflade-varmebehandlingsvirksomheden Expanite. På universitetssiden deltager DTU (institutterne Mekanisk Teknologi og Vindenergi) og MSE RWTH Aachen.
Løsningen der arbejdes med i Whitewind er en såkaldt høj-temperaturnitrering (high temperature solution nitriding eller kort HTSN) af konventionelle (læs: billige) martensitiske rustfrie stål kombineret med en ny-udviklet varmebehandlingsproces.
Det kan på mange måder ses som en ”rustfri” analog til den klassiske indsætningshærdning af ikke-rustfrie lejestål. Faktisk har man både et gennemhærdende basismateriale, da det martensitiske rustfrie stål indeholder kulstof, men også en indsatshærdning – nu baseret på nitrogen.
Det giver groft sagt anledning til en ”skal” af nitrogen-martensit og en kerne af kulstof-martensit. Ved at skræddersy indsætningsprocessen får man også en overlejret trykspændingstilstand. Én klassisk udfordring ved HTSN er at processen udføres ved ganske høje temperaturer - også højere end hvad der benyttes ved klassisk kulstof-indsætning.
Det er både en fordel og en ulempe: De høje temperaturer muliggør en dyb indsætningszone på relativ kort tid, men giver anledning til uønsket kornvækst. Dette problem er dog blevet adresseret i projektet og der er blevet udviklet en ny type varmebehandling som sammen med HTSN giver et ekstremt finkornet materiale; især i den yderste nitrogenholdige zone.
Mikrostrukturen som herved opnås kan bedst sammenlignes med den mikrostruktur som ses i det dyre ”Cronidur30” materiale.
Denne nye metode og de ”features” som opnås i materialet er derfor blevet patentansøgt. Et eksempel på teknologien anvendt i et martensitisk rusfrit stål 14CrX40 (14% Cr og 0,4 vægt % kulstof) er vist i Figur 4.
Endnu en fordel ved at benytte konventionelle martensitiske rusfrit stål er, at kernen faktisk også har en stor styrke modsat klassiske ikke-rustfrie indsætningsstål. Kombinationen af ”kemien” fra det nitrogen-holdige rustfrie stål og trykspændinger er yderst favorabelt og giver en stor modstandsevne over for WEC skader.
Forskellige typer af test er blevet udført på behandlede komponenter og indikerer en stærkt forlænget levetid. Det er dog en omstændelig affære at validere et nyt lejemateriale, da WEC robusthed bare er én type skade som kan opstå. Der er en række mere klassiske fejl-mekanismer som materialet selvsagt også skal have en robusthed overfor, men også over for disse fejl-mekanismer ser nitrerede lejestål ganske lovende ud.
