Nguyên nhân phổ biến nhất gây ra sự cố trong quá trình rèn hộp số tuabin gió là gì?

Nguyên nhân thất bại phổ biến nhất trong Rèn hộp số tuabin gió là mỏi vật liệu, khuyết tật vùi dưới bề mặt, xử lý nhiệt không đầy đủ, tập trung ứng suất do lệch trục và hư hỏng bôi trơn . Các nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) cho thấy lỗi hộp số chiếm khoảng 20% thời gian ngừng hoạt động của tuabin gió , khiến chúng trở thành nguồn chi phí bảo trì ngoài kế hoạch lớn nhất trong ngành. Hiểu được nguyên nhân gốc rễ ở cấp độ rèn và vật liệu là con đường hiệu quả nhất để ngăn ngừa hư hỏng sớm.

Độ mỏi vật liệu: Chế độ hư hỏng cơ học hàng đầu

Mệt mỏi là nguyên nhân gây ra phần lớn các lỗi rèn hộp số khi vận hành tua-bin gió. Không giống như quá tải tĩnh, hư hỏng do mỏi tích lũy một cách vô hình qua hàng triệu chu kỳ tải trước khi vết nứt lan rộng ra bề mặt.

Sự mệt mỏi bắt đầu như thế nào trong quá trình rèn

Trong các bánh răng hộp số, bộ phận mang hành tinh và trục đầu ra, tải trọng uốn và xoắn theo chu kỳ tạo ra các vết nứt vi mô tại các điểm tập trung ứng suất như rãnh then, góc lượn và giao điểm lỗ khoan chéo. Theo một phân tích năm 2019 được công bố trên Năng lượng gió (Wiley), hơn 60% lỗi bánh răng trong hộp số tuabin gió bắt nguồn từ các vết nứt do mỏi bắt đầu ở hoặc ngay dưới bề mặt tiếp xúc.

Phổ tải thay đổi làm trầm trọng thêm sự mệt mỏi

Tua bin gió có quang phổ tải rất không đều. Gió giật, nhiễu loạn và chu kỳ khởi động-dừng có nghĩa là các bộ phận của hộp số hiếm khi thấy tải ở trạng thái ổn định. Tải trọng có biên độ thay đổi này làm tăng tốc độ tích lũy hư hỏng do mỏi so với các điều kiện thử nghiệm có biên độ không đổi trong phòng thí nghiệm, đó là lý do tại sao nhiều xếp hạng độ mỏi tiêu chuẩn đánh giá thấp tuổi thọ sử dụng trong thế giới thực.

Các tạp chất dưới bề mặt và các khuyết tật bên trong

Ngay cả vật rèn chất lượng cao cũng có thể ẩn chứa những khiếm khuyết bên trong, đóng vai trò là vị trí khởi đầu cho hiện tượng nứt sớm. Vấn đề nan giải nhất là các tạp chất phi kim loại - oxit, sunfua và silicat - được đưa vào trong quá trình sản xuất thép hoặc được giữ lại do quá trình xử lý không đầy đủ.

Các loại hòa nhập và tác dụng của chúng

Nguồn: ASM Quốc tế, Phân tích lỗi của các thành phần thép được xử lý nhiệt , 2008.

Đối với các bộ phận rèn hộp số lớn - các vật mang hành tinh nặng hơn 2.000 kg thường gặp ở các tuabin 3 MW - hiện tượng bong tróc do hydro gây ra là một nguy cơ đặc biệt nghiêm trọng nếu các quy trình làm nguội hoặc ủ chậm sau rèn không được tuân thủ nghiêm ngặt.

Lỗi xử lý nhiệt không đầy đủ và làm cứng vỏ

Việc rèn hộp số phải đạt được sự cân bằng chính xác giữa lớp bề mặt cứng, chống mài mòn và lõi dẻo, dẻo. Khi xử lý nhiệt không được kiểm soát tốt, sự cân bằng này sẽ bị mất và hư hỏng xảy ra nhanh chóng trong quá trình sử dụng.

Các lỗi xử lý nhiệt thường gặp

• Độ sâu vỏ không đủ trong các bánh răng được cacbon hóa hoặc thấm nitơ, gây ra nứt mỏi vỏ phụ
• Độ cứng không đồng đều do khuấy trộn không đủ, để lại những điểm mềm trong quá trình rèn
• Quá trình khử cacbon của lớp bề mặt trong quá trình rèn hoặc chuẩn hóa, làm giảm độ bền mỏi bề mặt lên tới 30% (Nguồn: AGMA 923-B05, Thông số kỹ thuật luyện kim cho bánh răng thép)
• Làm nguội vết nứt do gradient nhiệt quá mức trong các bộ phận có tiết diện dày
• Austenite được giữ lại trên ngưỡng chấp nhận được, biến đổi dưới áp lực sử dụng và gây ra sự mất ổn định kích thước

Đối với các bánh răng vòng hộp số tuabin gió - có thể có độ dày thành trên 150 mm - để đạt được độ cứng đồng đều đòi hỏi các loại thép được lựa chọn cẩn thận với độ cứng thích hợp (thường là 18CrNiMo7-6 hoặc 20MnCr5) và các phương tiện tôi và nhiệt độ được kiểm soát chính xác.

Rèn các khuyết tật dòng chảy và cấu trúc hạt kém

Các tính chất cơ học của quá trình rèn hộp số thành phẩm được xác định trực tiếp bởi dòng hạt bên trong được tạo ra trong quá trình rèn. Khuôn rèn được thiết kế kém hoặc tỷ lệ thu nhỏ không chính xác có thể tạo ra các khuyết tật vẫn bị ẩn cho đến khi bộ phận đó không hoạt động được.

Khiếm khuyết cấu trúc chính từ thực hành rèn

• Vòng đua và tắt nguội: Được hình thành khi kim loại tự gập lại trong quá trình đổ đầy khuôn, tạo ra một đường nối hoạt động như một vết nứt có sẵn
• Khuyết tật dòng chảy qua: Xảy ra khi vật liệu chảy không chính xác xung quanh lõi hoặc trục gá, làm gián đoạn tính liên tục của hạt
• Dải hạt thô: Là kết quả của việc giảm nhiệt độ gia công không đủ hoặc gia nhiệt lại trên nhiệt độ làm thô của hạt, làm giảm độ bền va đập nhiều đến mức 40% so với các cấu trúc vi mô hạt mịn (Nguồn: tiêu chuẩn kích thước hạt ASTM E112 và dữ liệu rèn công nghiệp)
• Đường trung tâm phân chia: Trong quá trình rèn trục có đường kính lớn, sự phân tách hợp kim khỏi phôi ban đầu có thể tồn tại ngay cả sau khi rèn, tạo ra các vùng có độ cứng và khả năng chống mỏi khác nhau

Các nhà sản xuất chất lượng cao giải quyết những rủi ro này thông qua thiết kế quy trình nghiêm ngặt, bao gồm tỷ lệ giảm rèn thích hợp (thường là giảm tối thiểu 4:1 từ phôi), nhiệt độ gia nhiệt được kiểm soát và kiểm tra siêu âm bắt buộc (UT) của tất cả các sản phẩm rèn thành phẩm theo tiêu chuẩn như EN 10228-3 hoặc ASTM A388.

Lỗi bôi trơn và mối liên hệ của nó với chất lượng bề mặt rèn

Lỗi bôi trơn thường được coi là một vấn đề vận hành thuần túy, nhưng độ hoàn thiện bề mặt và độ chính xác về kích thước của vật rèn hộp số quyết định trực tiếp mức độ duy trì màng bôi trơn dưới tải.

Tình trạng bề mặt tăng tốc độ mài mòn như thế nào

Các bề mặt rèn thô hoặc không đều -- ngay cả sau khi gia công -- tạo ra áp suất tiếp xúc có độ mạnh cao làm thủng màng bôi trơn elastohydrodynamic (EHL). Khi xảy ra tiếp xúc giữa kim loại với kim loại, nhiệt độ bề mặt tại các điểm tiếp xúc vi mô có thể vượt quá 300 độ C tại địa phương (Nguồn: Tribology International, Tập 44, 2011), dẫn đến vi hàn, trầy xước và mỏi bề mặt nhanh chóng được gọi là vi rỗ.

Tổ chức Hợp tác Độ tin cậy Hộp số (GRC) của NREL đã xác định vết rỗ vi mô trên răng hành tinh và bánh răng mặt trời là dạng hư hỏng chính trong các hộp số quay trở lại hiện trường, với các giá trị độ nhám bề mặt trên Ra 0,4 micron làm tăng đáng kể nguy cơ rỗ vi mô ngay cả với độ nhớt bôi trơn chính xác.

Ô nhiễm dầu bôi trơn từ cặn rèn

Cặn, các hạt oxit hoặc vật liệu nổ còn sót lại trong các khoang bên trong của vỏ hộp số hoặc trục rỗng có thể lưu thông trong dầu bảo dưỡng, gây ra hiện tượng mài mòn ba thân làm hỏng vòng bi và sườn bánh răng nhanh hơn nhiều so với dự đoán thiết kế giả định.

Độ lệch và nồng độ ứng suất do lắp ráp gây ra

Ngay cả việc rèn hộp số được sản xuất hoàn hảo cũng có thể bị hỏng sớm nếu hộp số được lắp ráp không chính xác hoặc nếu độ lệch của hệ thống truyền động truyền mômen uốn bất ngờ vào vỏ và trục hộp số.

Các nguồn gây sai lệch trong hệ thống truyền động tuabin gió

• Độ mòn ổ trục chính cho phép lệch trục rôto tải trục đầu vào hộp số không đối xứng
• Độ lún của tháp hoặc biến dạng của tấm đế dẫn đến lệch góc giữa hộp số và máy phát điện
• Lắp đặt ống lót cánh tay mô-men xoắn không chính xác, tập trung lực phản ứng tại các điểm cụ thể trên rèn vỏ hộp số
• Sự lệch hướng của tàu sân bay hành tinh vượt quá 0,05mm , làm giảm tải một số bánh răng hành tinh trong khi làm quá tải các bánh răng khác - một nguyên nhân được biết đến là nguyên nhân gây ra hỏng hóc sớm cho bánh răng hành tinh và vòng bi (Nguồn: GL Garrad Hassan Wind Turbine Technology, 2012)

Ăn mòn và suy thoái môi trường

Tua bin gió ngoài khơi và ven biển khiến các bộ phận của hộp số tiếp xúc với độ ẩm, phun muối và chu kỳ nhiệt độ làm tăng tốc độ mỏi do ăn mòn -- sự kết hợp giữa mỏi cơ học và sự tấn công ăn mòn gây tổn hại nhiều hơn so với chỉ riêng một trong hai yếu tố.

Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí quốc tế về mệt mỏi (2017) đã chứng minh rằng độ mỏi do ăn mòn làm giảm giới hạn mỏi của trục hộp số bằng thép hợp kim thấp bằng cách lên tới 50% so với các thử nghiệm được tiến hành trong không khí khô. Các vết rỗ bề mặt do ăn mòn đóng vai trò là bộ tập trung ứng suất với các hệ số cường độ ứng suất hiệu quả có thể so sánh với các vết khía được gia công.

Đối với các ứng dụng ngoài khơi, thông số kỹ thuật rèn hộp số phải giải quyết khả năng chống ăn mòn thông qua việc lựa chọn vật liệu, lớp phủ bảo vệ và hệ thống bôi trơn kín -- chứ không chỉ đơn giản dựa vào các tiêu chuẩn thành phần cấp trên bờ.

Việc rèn chất lượng cao làm giảm nguy cơ hỏng hóc như thế nào

Việc lựa chọn các sản phẩm rèn được sản xuất dưới sự quản lý chất lượng nghiêm ngặt sẽ trực tiếp giải quyết các nguyên nhân gốc rễ được liệt kê ở trên. Các chỉ số chất lượng chính cần xác định bao gồm:

1. Sản xuất thép sạch bằng phương pháp khử khí chân không (VD) hoặc nung lại hồ quang chân không (VAR) để giảm thiểu hàm lượng tạp chất
2. Tỷ lệ giảm rèn được kiểm soát và thiết kế khuôn được xác nhận để đảm bảo dòng hạt nhất quán
3. Truy xuất nguồn gốc đầy đủ của hồ sơ xử lý nhiệt, bao gồm biểu đồ nhiệt độ thời gian cho từng lô
4. Kiểm tra siêu âm 100% (UT) theo EN 10228-3 Loại 3 hoặc tương đương, cộng với kiểm tra hạt từ tính (MPI) của tất cả các bề mặt hoàn thiện
5. Giấy chứng nhận kiểm tra cơ học (độ bền kéo, độ va đập, độ cứng) từ các mẫu được cắt từ phần kéo dài thử nghiệm được rèn tích hợp với bộ phận

Đối với các nhóm mua sắm và OEM tuabin gió đánh giá các nhà cung cấp rèn, chúng tôi Rèn hộp số tuabin gió là 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.

Tóm tắt: Sơ lược về nguyên nhân thất bại