Fagligt talt: Nye nitrerede lejestål kan forhindre vindmøllehavarier

WEC på inderringen af et planetleje fra en vindmøllegearkasse. Illustration: Hilmar K. Danielsen et al

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.

Figur 1: Lysoptisk mikroskopbillede af WEC (ref. IC Hansens kandidatafhandling): Den ætsede overflade fremhæver den hvide mikrostruktur, der omgiver selve revnen. Revnerne dannes typisk lige under overfladen på de flader, der bliver udsat for rullekontakt. Når disse revner vokser og når overfladen, forårsager de afskalninger, hvorefter skaden hurtigt vil brede sig. Vist er afskalning forårsaget af WEC på inderringen af et planetleje fra en vindmøllegearkasse. Disse skader forekommer oftest på inderringen af lejerne og nogle gange også på yderringen, imens de rullende elementer er sjældent ramte. Illustration: Hilmar K. Danielsen

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.

Figur 2: Konventionelt martensitisk rustfrit stål bliver indsætningshærdet ved høj temperatur i en styret nitrogenatmosfære. Denne del af processen medfører kornvækst i materialet og en stor mængde (blød) restaustenit i overfladen, hvilket normalt ikke er ønskværdigt. Den nye patentanmeldte metode udnytter en speciel varmebehandling til at transformere og forfine mikrostrukturen i både overflade og kerne. Resultatet er en ekstremt finkornet overflade bestående af nitrogenholdig martensit med en fin fordeling af såkaldte karbonitrider. Derudover opstår der favorable trykspændinger i overfladen. Konceptet i processen minder om, hvad der udføres ved klassisk indsætningshærdning med kulstof . Efter denne varmebehandling udviser materialet meget stor resistens overfor WEC skadesmekanismen samt generelt gode mekaniske egenskaber. Illustration: Thomas L. Christiansen

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.

Figur 3: Skematisk figur som viser én udførelsesform af den fulde varmebehandling. Temperatur og tryk af N2 er vist som funktion af tid. Det første trin I) udføres typisk over 1100 °C og under forhøjet nitrogentryk for at få et højt indhold af nitrogen ind i materialet og for at opnå stor dybde; faktisk ”ødelægger” man materialet i dette trin, hvis man tænker konventionelt. II) Den nitrogenholdige overfladezone omdannes efterfølgende ved et eller flere trin ved nøje udvalgte middelhøje temperaturer for at nedbryde den først dannede mikrostruktur. III) Her udføres den sidste austenitisering og komponenten bratkøles under højt tryk i nitrogen. IV) Materialet kryogenbehandles eller dybkøles for at opnå en mere fuldstændig omdannelse til den hårde martensit. V) slutteligt udføres anløbning for at ”regulere” de mekaniske egenskaber. Illustration: Matteo Villa

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.

Figur 4: Billeder med to forskellige forstørrelser taget med et lysoptisk mikroskop af mikrostrukturer i et tværsnit af en behandlet lejekomponent (selve komponenten tjener kun som illustration). Overfladen er ekstremt finkornet og består af nitrogenholdig martensit med en ultrafin fordeling af karbonitrider; strukturen er den samme som ses i det meget dyre Cronidur30-materiale. Man aner en svag gradient fra venstre mod højre i billedet taget ved lav forstørrelse – dette skyldes ændringen i nitrogenindhold. Illustration: Matteo Villa

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.

Figur 5: Hårdhedsprofil målt på en overfladebehandlet lejekomponent (jf. mikrostrukturbillederne). Overfladehårdheden er sammenlignelig med, hvad der opnås i gennemhærdet klassisk (ikke-rustfrit) 100Cr6 lejestål. Profilen angiver, at der er opnået en hærdedybde på knap 2 mm, hvilket er sammenligneligt med, hvad der opnås i klassisk indsætningshærdning (karburering) på ikke-rustfrie stål. I klassisk indsætningshærdning har man dog en relativt blød kerne (typisk under 350 HV). Det martensitiske rustfrie stål benyttet her indeholder fra start allerede kulstof og har en fremragende hærdbarhed (gennemhærdende). Det betyder, at kernehårdheden er meget høj (over 600HV - se figuren). Man får derved både en gennemhærdning og oveni en overfladehærdning (fra nitrogen) - og man kan tale om det ”bedste af begge verdener”. Til sammenligning af disse Vickers-hårdheder kan nævnes, at rent jern har en hårdhed på ca. 150 HV og austenitisk rustfrit stål ligger på omkring 200 HV. Hårdheder på over 600 HV (styrke) er nødvendige for at klare store kontakttryk, som man har i for eksempel vindmøllelejer. Illustration: Matteo Villa

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.

Emner : Fagligt talt
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Bare en tanke. Kunne man, mod øget konstruktions omkostning, have 2 sæt lejer, hvor den ene er passiv indtil det konstateres at normal lejet er færdig, og herefter skydes det nye leje ind?

  • 2
  • 4

Når maskiner når en vis størrelse synes jeg at have set at man går over til glidelejer i stedet for rulningslejer. Vindmøller er på få år vokset til MW størrelse, så ville glidelejer ikke være en mulighed også for dem?

  • 7
  • 2

Hvorfor tomlen ned for det !

Store dieselmotorer har glidelejer, og vindmøller i den størelse har allerede oliepumper til smøring.

  • 9
  • 0

I Søfarten bruges glidelejer til overførelse af endog meget store roterende og trykkende energier. Så måske ligger løsningen ligefor? Spørg de store værfter og de store dieselfabrikker. De har sikkert løsningen.

  • 4
  • 1

Store dieselmotorer har glidelejer, og vindmøller i den størelse har allerede oliepumper til smøring.

De største møllefabrikanter har allerede glidelejer i deres møller, og det er heller ikke uden problemer. Hvis hoved akslen rotere uden smørefilm, så kommer der rivninger.

Når en vindmølle er stoppet, så rotere hovedakslen påvirket af vinden med op til 2-5 % af nominelt omdrejningstal. Et søkabel kan blive ramt af fejl, og der er eksempler på at det kan tage op til et halvt år at få fat på et kabel skib og få det repareret. Det er ikke alle steder hvor der er redundante array kabler. Elnettet i en møllepark er generelt meget mere ustabilt en det elnet som forbrugerne ser, det er ikke unormalt at en offshore substation er lukket ned i flere perioder af en uge af gangen i det første drifts år.

Hvis der er fejl der skal rettes, kan det godt tage tid, det er ikke som et skib hvor der er en maskinmester ombord. Normalt kan man komme ud på en offshore mølle inden for en dag eller to, men i perioder hvor der er serie fejl der skal løses, kombineret med unormal drift af el-nettet, og høje bølger kan det godt tage op til en uge eller to.

Derfor skal møllerne kunne klare sig i en længere periode uden net, og de skal også kunne overleve en kortere periode med nogle typer fejl på møllen. Møllerne har hver et (eller flere) UPS systemer, som kan lades fra net, samt fra selv powering eller en disel generator.

Der er en myriade af systemer som hver kan lægge beslag på den lagrede energi, og ofte har kunderne deres egne krav til f.eks. backup af nød kommunikations udstyr.

  • 9
  • 0

Hvis hoved akslen rotere uden smørefilm, så kommer der rivninger.

Et glideleje er ofte et Hydro-DYNAMISK leje. Det betyder at det er akslens rotation som skaber en pumpefunktion som kontinuerligt tilfører smøreolien til lejet. FL Smidth bygger cement møller med hydrodynamiske hovedlejer. Disse lejer er forsynet med elektrisk drevne hjælpepumper som tryksætter lejerne inden opstart af cementmøllen. Efter opstarten slukkes hjælpepumpen. Lejet er nu i stand til selv at skabe den nødvendige smørefilm.

  • 5
  • 0

Disse lejer er forsynet med elektrisk drevne hjælpepumper som tryksætter lejerne inden opstart af cementmøllen. Efter opstarten slukkes hjælpepumpen. Lejet er nu i stand til selv at skabe den nødvendige smørefilm.

Hvis vi antager at akselen til en 15 MW vindmølle er 800 mm i diameter og møllen roterer 5 o/m, så er periferihastigheden på akselen kun 125mm/s, er det hastighed nok til at opretholde smørefilm uden tryksmøring ?

  • 3
  • 0

Men ikke rotationsløse.... Rotoren skal stadig dreje rundt

Selvfølgelig... men her snakker vi om problemer i gearkassen, som er besværlig/dyr at fikse.

Eftersom artiklen specifikt nævner WEC som et problem i gear kasse sammenhæng, antager jeg at det samme problem ikke er relevant/eksisterende i rotorens hovedaksels lejer?

På denne side er en fin illustration over de primære lejer i en typisk vindmølle.

https://www.windpowerengineering.com/exten...

  • 0
  • 1

Eftersom artiklen specifikt nævner WEC som et problem i gear kasse sammenhæng, antager jeg at det samme problem ikke er relevant/eksisterende i rotorens hovedaksels lejer?

Nu er jeg ikke mekanik mand så det er ikke sikkert at jeg har forstået nedenstående korrekt.

Da WEC er et problem i store rulle lejer, vil jeg antage at det i nogen grad også er relevant for hovedaksler. Og nogle gange er en fejl på en gearkasse et hovedleje problem da de er integreret.

Som jeg har forstået så er der forskellige skade typer på de store langsomt roterende lejer der bære store laster, og dem som rotere hurtigere rundt. Det afhænger også af hvilket type leje det er (rulle, kugle, eller glideleje).

Hoved leje arrangementer findes i forskellige konfigurationer, nogle hvor kræfterne fra rotor føres ned i krøje strukturen helt uden om gear eller generator. Andre har det bagerste hovedleje integreret ind i gear eller generator. (Som den figur du henviste til hvor bagerste leje er integreret i gearet, og bære alt tryk fra rotoren)

Der findes også systemer hvor gear eller generator bære hele rotoren.

Det at forkorte hovedakslen er moderne da det reducere vægten, men gør afstanden mellem forreste og bagerste leje kortere, hvilket giver større laster på lejerne. Det kan også gøre det svært at udskifte gear eller generator uden at fjerne rotoren først. På de store møller er dimissionerne og kræfterne så store at man begynder at anvende glidelejer i stedet.

Gearkasser har mange flere lejer end gearløse møller, men en del af problematikken findes også på gearløse møller.

  • 3
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten